中国东北黑土地区耕地土壤有机质对干旱的响应阈值及其主要控制因素

《CATENA》：Soil organic matter response thresholds to drought in the cultivated lands of Northeast China's black soil region and the key controlling factors

土壤有机质（SOM）干旱响应阈值研究：东北黑土区通过弹性分析法确定SOM干旱阈值范围为17-55 g/kg（均值34.80 g/kg），空间变异性达31.33%，温度为主要驱动因素（q=0.485），降水交互作用显著（q=0.507）。提出包含保护性耕作、植被覆盖等五大措施的可持续土壤管理框架。

　　

孔德彪|罗冲|王一豪|罗文龙|刘焕军

中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土保育与利用国家重点实验室，中国长春130102

摘要

土壤有机质（SOM）含量在土壤水分保持、排水和养分供应中起着关键作用，直接影响作物的抗旱能力。有机质含量较高的土壤通常具有更好的水分保持和排水性能，有助于减轻干旱对作物的影响。了解有机质对干旱的阈值响应对于提高农业抗逆性和优化土壤管理至关重要。本研究介绍了有机质干旱响应阈值的概念，为区域农业适应策略提供了定量基础。利用中国东北地区耕地的高精度有机质空间分布数据以及典型干旱年份的温度-植被干旱指数（TVDI），应用弹性分析方法确定了东北黑土地区的有机质干旱响应阈值。通过皮尔逊相关分析和Geodetector模型揭示了空间差异机制。研究结果表明：（1）区域有机质干旱响应阈值存在显著梯度（17–55克/千克，平均值：34.80克/千克），空间变异系数为31.33%；（2）年平均温度是影响有机质阈值的主要因素（q = 0.485），降水量也有显著影响（q = 0.507）；（3）中国东北地区34.51%的耕地有机质含量低于该阈值，内蒙古东部四盟地区的耕地中有56.48%低于该阈值。本研究强调了有机质在气候和地形共同作用下的抗旱特性，并进一步提出了基于阈值的可持续土壤管理（SSM）框架，包括保护性耕作、地表植被覆盖、作物残茬覆盖、有机改良和精准水分管理，以促进有机质固存并增强省级行政区域的抗旱能力。

引言

土壤有机质（SOM）是土壤健康和农业生产力的基本组成部分，在维持土壤肥力方面发挥着重要作用（Tiessen等人，1994年）。它影响多种土壤性质，包括物理、化学和生物特性（Sudarsan等人，2016年）。有机质是氮、磷和微量元素等必需养分的主要来源，对植物生长至关重要（Dhaliwal等人，2019年）。此外，它通过改善土壤结构、增加水分保持能力和促进通气作用来提高土壤物理性质（Esmaeilzadeh等人，2014年；Shepherd等人，2002年）。此外，有机质在全球碳循环中起着重要作用，调节碳的储存和释放，从而影响大气中的二氧化碳浓度并减缓气候变化（Batjes，1999年；Lal等人，2021年；Navarro-Pedre?o等人，2021年）。

干旱是主要的环境压力因素，对农业生产产生严重影响，限制作物生长，降低产量，并对粮食安全构成严重威胁（Begna，2020年；McWilliam，1986年；Petkova等人，2019年）。在干旱条件下，有限的土壤水分限制了植物的水分吸收，导致生理紊乱和光合作用效率下降（Farooq等人，2009年）。有机质的矿化释放了关键养分，有助于干旱易发地区的作物生长（Qadeer等人，2024年）。此外，有机质通过改善土壤结构和增加孔隙度来提高土壤水分保持能力和抗旱性（Bhadha等人，2017年；Lal，2020年），从而提高土壤的持水能力和水分利用效率（Boyle等人，1989年）。因此，有机质对干旱的响应至关重要，维持或增加其含量对于减轻干旱对作物的不利影响至关重要。

近年来，确定有机质阈值已成为一个重要的研究课题（Hijbeek等人，2017年；Oldfield等人，2020年；Seely等人，2010年）。确定适当的有机质阈值对土壤健康和农业生产力至关重要（Carter，2002年；Weil和Magdoff，2004年）。研究人员通过多种方法探索了有机质阈值，包括文献综述（Loveland和Webb，2003年）、土壤调查（Oelofse等人，2015年）和专家咨询（Sparling等人，2003年）。然而，这些研究中提出的阈值往往存在较大不确定性。来自实验的阈值通常与土壤退化或作物产量下降有关（Hijbeek等人，2017年）。在这种情况下，了解有机质阈值对不同地区土壤健康和农业生产的影响至关重要。类似于Sparling等人提出的农业系统最低土壤碳值的概念（Sparling等人，2003年），本研究定义了一个特定地区的有机质阈值。通过计算研究区域内耕地有机质阈值与实际有机质含量之间的差异，正差异表明有机质含量达到或超过阈值，意味着土壤质量高且安全。相反，负差异表明有机质含量低于阈值，表明需要采取改进的有机质保护和增强措施来支持土壤质量和农业可持续性。

研究表明，海拔高度显著影响有机质的空间分布，因为它通过改变温度和降水模式影响有机质的积累和分解（Wang等人，2009年）。更陡峭的坡度加剧了水土侵蚀，导致有机质含量下降，特别是在东北黑土地区（Liu等人，2006年）。此外，温度和降水的变化直接影响植被和微生物活动。较高的温度通常加速有机质分解（Kirschbaum，2006年），而充足的降水促进植物生长并增加有机质输入（Hussain等人，2023年）。这些因素相互作用，间接塑造了有机质的空间分布（Chen等人，2020年）。了解这些关键环境因素对于分析有机质阈值的空间分布模式和确定其控制因素至关重要。因此，根据这四个环境变量，将研究区域划分为16个子区域，并应用弹性分析方法探讨每个子区域内有机质含量和干旱响应阈值的变化。这种区域划分方法提供了对有机质分布机制的更深入理解，并突出了关键控制因素，为优化区域土壤管理策略提供了宝贵指导。

本研究采用了一种直接有效的方法来确定有机质含量的干旱响应阈值。通过结合皮尔逊相关分析和Geodetector模型，进一步研究了环境变量对有机质阈值空间分布的影响，并对其相对重要性进行了排序。主要目标是：（1）确定中国东北地区耕地有机质含量的干旱响应阈值；（2）识别并排序影响有机质阈值空间分布的关键控制因素；（3）生成中国东北地区有机质阈值差异地图并分析其空间分布；（4）根据有机质阈值差异地图及其关键控制因素提供农业建议。

研究区域

研究区域位于中国东北部（图1），包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区东部，总面积约为152万平方公里。地理上，该区域纬度范围为38.72°N至53.56°N，经度范围为115.52°E至135.09°E。该地区主要经历温带季风气候，年平均温度在-5.77°C至12.39°C之间，年平均降水量

有机质阈值的描述性统计分析

表4展示了干旱年份中国东北地区有机质含量响应阈值的数据。结果显示，这些年份耕地的有机质阈值范围为17克/千克至55克/千克，平均值为34.80克/千克。这一范围表明不同地区有机质对干旱的敏感性存在显著差异。进一步分析显示，干旱年份有机质阈值的变异系数为31.33%，显示出显著的空间差异

温度对有机质干旱阈值的影响机制

本研究强调了温度（TEMP）在塑造有机质干旱阈值中的关键作用。随着温度升高，有机质干旱阈值显著降低。具体来说，温度每升高1°C，干旱年份的有机质阈值大约降低4.27克/千克（图10）。这一现象凸显了气候变化对中国东北地区有机质阈值的深远影响。温度上升可能加速有机质的降解，降低土壤的抗旱能力

结论

本研究系统地量化了中国东北典型黑土地区耕地有机质的干旱响应阈值，并确定了影响其空间变异性的主要环境因素。结果表明，干旱年份的有机质阈值范围为17至55克/千克，区域平均值为34.80克/千克，并表现出明显的空间异质性，反映了有机质调节土壤水分动态能力的区域差异

CRediT作者贡献声明

孔德彪：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。罗冲：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目行政、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。王一豪：验证、资源管理、正式分析、数据管理。罗文龙：方法论、正式分析。刘焕军：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42401460）的支持。衷心感谢匿名审稿人和编辑团队的评论和贡献。