近30年海南島土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)空變異特征及成因分析

姜賽平，張認(rèn)連，張維理，徐愛(ài)國(guó)，張懷志，謝良商，冀宏杰

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；3海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所，海口571100）

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）具有較強(qiáng)的時(shí)空變異性[1-4]。研究SOM的時(shí)空變異特征對(duì)了解區(qū)域土壤質(zhì)量狀況、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用、應(yīng)對(duì)全球氣候變化具有重要參考價(jià)值[5-8]。【前人研究進(jìn)展】目前，關(guān)于時(shí)空變異的研究主要集中在兩個(gè)方面：（1）采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析兩、三個(gè)時(shí)期采樣數(shù)據(jù)SOM含量的變化趨勢(shì)。如：PAN等[9]采用基于點(diǎn)位的統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)和國(guó)家耕地土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)（1980s—2003）20余年耕地SOC的變化特征進(jìn)行分析。黃耀等[3]基于200篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的分析指出，1980—2000年間，我國(guó)華東、華北地區(qū)SOM增加明顯，東北地區(qū)總體呈下降趨勢(shì)。楊帆等[4]在總結(jié)測(cè)土配方施肥項(xiàng)目耕層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上指出，全國(guó)第二次土壤普查30多年來(lái)，我國(guó)農(nóng)田耕層SOM平均含量整體上升了4.85 g·kg-1，其中以安徽、湖南、貴州、四川、江西、廣西、江蘇和內(nèi)蒙古等地增幅最大，超過(guò)了4 g·kg-1，而北京和青海SOM含量則呈下降趨勢(shì)，分別減少1.02、1.06 g·kg-1，其他省份SOM含量基本穩(wěn)定。（2）利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析不同時(shí)期 SOM含量的空間格局演變特征。如：胡克林等[10]采用1980、1990、2000年三期數(shù)據(jù)對(duì)比了北京周邊地區(qū)SOM 的時(shí)空變異特征及其驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果表明，1980—2000年SOM呈上升趨勢(shì)，土地利用方式轉(zhuǎn)換是影響 SOM 時(shí)空變異的重要因素。趙明松等[8]采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和 GIS技術(shù)對(duì)江蘇省 1980—2006年0—20 cm土層SOM含量的時(shí)空變異特征進(jìn)行分析，得出江蘇省 SOM 含量整體呈增加趨勢(shì)，秸稈還田、土地利用方式變化是影響 SOM 發(fā)生變化的重要因素。關(guān)于 SOM的時(shí)空演變特征，目前研究更趨向于對(duì)變異驅(qū)動(dòng)因素的探討。研究表明，土地利用方式轉(zhuǎn)變[11-12]、秸稈還田[13]、施肥方式[14]等是導(dǎo)致SOM含量時(shí)空變化的重要因素。這些研究多集中在溫帶、亞熱帶地區(qū)。對(duì)具體地區(qū)而言，由于所處氣溫、降水等環(huán)境不同、土地利用轉(zhuǎn)變的方向不同，導(dǎo)致SOM含量時(shí)空變異的結(jié)果也有差異。【本研究切入點(diǎn)】海南島處于熱帶地區(qū)，島內(nèi)地形復(fù)雜，土地利用多樣，具有豐富的熱帶作物資源，是我國(guó)重要的熱帶作物生產(chǎn)基地。在時(shí)空變異方面，已有研究主要針對(duì)水稻田[15]、橡膠園[16]等特定農(nóng)田[17]；呂麗平等[18]對(duì)海南島SOM時(shí)空變異分析指出，1980s—2000s的20年間土壤有機(jī)碳呈下降趨勢(shì)，但該研究并未分析不同土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳的時(shí)空變異特征。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本文采用隨機(jī)森林模型[19]（RandomForest，RF）利用海南島各縣第二次土壤普查土壤剖面數(shù)據(jù)和2012年土壤采樣數(shù)據(jù)，模擬20世紀(jì)80年代初期和2012年兩個(gè)時(shí)期SOM的空間分布規(guī)律及變化，并結(jié)合農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)引起 SOM時(shí)空變異的成因進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域覆蓋海南全島。海南島地處 18°10′—20°10′N(xiāo)，108°37′—111°3′E，是我國(guó)第二大島，島內(nèi)土地面積32 900 km2。該島屬于熱帶季風(fēng)氣候，全年暖熱，雨量充沛，干濕季節(jié)明顯，年均氣溫23—25℃，≥10℃年積溫8 200—9 200℃，年平均降水量為1 720 mm，但島內(nèi)分布不均。其中，東部迎風(fēng)區(qū)年均降水量在2 000—2 500 mm之間，而西部背風(fēng)區(qū)低于1 000 mm。島內(nèi)地形復(fù)雜，由山地、丘陵、臺(tái)地、平原組成中間高聳、四周低平的環(huán)形層狀地貌。成土母質(zhì)有花崗巖、砂頁(yè)巖、淺海沉積物、玄武巖等10種。土壤類(lèi)型包括磚紅壤、水稻土、赤紅壤、燥紅土、風(fēng)沙土、紫色土等15個(gè)土類(lèi)。土地利用主要為水田、旱地、林地，該區(qū)除水稻、瓜菜外，以種植熱帶作物為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 土壤數(shù)據(jù)

（1）2012年土壤數(shù)據(jù) 土樣采集時(shí)間為2012年11—12月，采用近似網(wǎng)格法進(jìn)行采樣，并綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛病⑼寥李?lèi)型和土地利用類(lèi)型等因素，在全島19個(gè)縣市布點(diǎn)，采樣間距平均為10 km，共采集0—20 cm土層樣點(diǎn)163個(gè)，記錄樣點(diǎn)經(jīng)緯度、地形和土地利用類(lèi)型等信息。土樣所屬土壤類(lèi)型有磚紅壤、水稻土、赤紅壤、燥紅土、火山灰土、紫色土、風(fēng)沙土、石灰（巖）土等8個(gè)土類(lèi)。土地利用類(lèi)型包括水田、旱地、園地。各土地利用類(lèi)型的樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

土壤樣品SOM含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀-硫酸消化法，具體步驟參見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

表1 樣點(diǎn)土地利用類(lèi)型統(tǒng)計(jì)表1)Table 1 The statistics table about the land-use types of samples

（2）1980s剖面數(shù)據(jù) 收集海南省第二次土壤普查中各縣市土壤普查報(bào)告書(shū)，共計(jì)17個(gè)縣、市，選取990個(gè)典型土壤剖面。

1.2.2 其他要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源

（1）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源 海南省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源自海南省統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站《海南統(tǒng)計(jì)年鑒 2015》：http://www.stats.hainan.gov.cn/ 2015nj/index-cn.htm、《海南統(tǒng)計(jì)年鑒1988》，其中，2010—2012年水稻播種面積、蔬菜播種面積分別源自《海南統(tǒng)計(jì)年鑒2011》、《海南統(tǒng)計(jì)年鑒2012》、《海南統(tǒng)計(jì)年鑒2013》。海南省水稻單產(chǎn)及施肥數(shù)據(jù)源自中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站年度數(shù)據(jù)：http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01。河南省牲畜存欄量數(shù)據(jù)源自《河南統(tǒng)計(jì)年鑒2011》：http://www.ha.stats.gov.cn/hntj/lib/tjnj/2011/indexch.htm。（用于和海南省牲畜存欄量進(jìn)行對(duì)比）

（2）空間數(shù)據(jù)來(lái)源 輔助變量：RF在6個(gè)地形因子：高程（x1）、坡度（x2）、坡向（x3）、平面曲率（x4）、剖面曲率（x5）、地形濕度指數(shù)（x6），3個(gè)環(huán)境因子：歸一化植被指數(shù)（NDVI，x7），土地利用類(lèi)型（x8）、土壤類(lèi)型（x9）的基礎(chǔ)上進(jìn)行篩選。

輔助變量數(shù)據(jù)來(lái)源：（1）海南島1﹕50 000等高線矢量圖；（2）遙感影像：1991年10月30日、1990年12月5日、1989年2月17日、1988年6月8日4個(gè)時(shí)期的Landsat 4—5 TM遙感影像，數(shù)據(jù)源自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；2013年10月26日和2013年12月6日的海南島Landsat8 OLI_TIRS四景衛(wèi)星影像，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn）。其中，1991年10月30日與2013年10月26日影像基本重合，兩個(gè)時(shí)期該部分影像占全島面積80%以上。

（3）土壤圖 瓊中縣、海口市土壤圖為1﹕50 000，其余縣市源自海南島1﹕200 000土壤圖。1970年代末期（1980年）和2010年1﹕100 000遙感解譯土地利用圖（圖1海南島遙感解譯土地利用圖中的分類(lèi)“園地與其它林地”中，包含了GB/T 21010—2017中的園地和未成林地、跡地、苗圃，未成林地、跡地、苗圃所占圖斑較小，本文將“園地與其它林地”看作園地參與模型計(jì)算），數(shù)據(jù)源自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

其他數(shù)據(jù)圖層：包括1﹕50 000居民點(diǎn)圖、海南省行政區(qū)劃圖（提取自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心1﹕250 000公開(kāi)版數(shù)據(jù)），用于1980s土壤剖面點(diǎn)的重定位。

圖1 海南島遙感解譯土地利用圖Fig. 1 Hainan Island remote sensing interpretation land use map

1.3 隨機(jī)森林模型

RF是由Breiman等提出的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它通過(guò)bootstrap重采樣技術(shù)從原始訓(xùn)練集中有放回地隨機(jī)抽取M個(gè)樣本單元形成新的訓(xùn)練集，并由新訓(xùn)練集生成M棵決策樹(shù)，從而構(gòu)成隨機(jī)森林，每次未被抽到的樣本構(gòu)成M個(gè)袋外數(shù)據(jù)，即袋外誤差（out-of-bag），簡(jiǎn)稱(chēng)OOB。對(duì)于回歸問(wèn)題，所有決策樹(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果的均值為最終的預(yù)測(cè)結(jié)果[21]。

樹(shù)節(jié)點(diǎn)預(yù)選的變量個(gè)數(shù)（mtry）和隨機(jī)森林中樹(shù)的個(gè)數(shù)（ntree）是 RF的兩個(gè)重要參數(shù)。在回歸問(wèn)題中，mtry的默認(rèn)值為變量個(gè)數(shù)的1/3，Breiman建議采用默認(rèn)值、默認(rèn)值的1/2、默認(rèn)值的2倍來(lái)選擇最優(yōu)的mtry值[22]。也可通過(guò)逐次計(jì)算來(lái)確定最優(yōu)的 mtry值[23]。本文采用后一種方法（即將mtry分別設(shè)為1、2、3…9）。ntree的設(shè)定值不宜偏小，太小所形成的隨機(jī)森林不穩(wěn)定；該值也不宜設(shè)置的過(guò)大，過(guò)大會(huì)降低計(jì)算速度。本文設(shè)定ntree為500、1 000、1 500、2 000，結(jié)合mtry值，選擇使模型袋外誤差最小的參數(shù)組合用于最終預(yù)測(cè)。RF模型建模變量的篩選參見(jiàn)文獻(xiàn)[24]。

1.4 1980s土壤剖面點(diǎn)定位方法與剖面土層數(shù)據(jù)處理

1.4.1 1980s土壤剖面土層SOM重新計(jì)算 為與2012年數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將1980s土壤剖面劃分為0—20 cm土層，采用加權(quán)平均法計(jì)算 SOM 含量值。計(jì)算公式如下：

式中，SOM20為0—20 cm土層SOM含量（g·kg-1），Ni為第i層SOM含量（g·kg-1），di為第i層土壤厚度（cm），n為參與計(jì)算的土壤層次總數(shù)，當(dāng)d1≥20，n=1。

1.4.2 1980s土壤剖面點(diǎn)重定位 1980s全國(guó)第二次土壤普查剖面數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)緯度信息，但有地名描述。本文采用地名—土壤類(lèi)型最大圖斑中心點(diǎn)法確定剖面點(diǎn)坐標(biāo)。即：在重定位的過(guò)程中以市、縣為控制單元，依次確定每個(gè)市、縣內(nèi)樣點(diǎn)的坐標(biāo)。取剖面記錄的村名周邊1—3.5 km范圍內(nèi)，面積最大的、與剖面土種（或土屬）相同的土壤圖斑中心點(diǎn)坐標(biāo)為該剖面點(diǎn)坐標(biāo)。收集的990個(gè)剖面點(diǎn)經(jīng)重定位處理，有522個(gè)剖面點(diǎn)確定了經(jīng)緯度信息。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1 數(shù)字高程模型的生成 采用1﹕50 000等高線矢量圖在ArcGIS9.3中生成10 m分辨率的數(shù)字高程模型柵格影像。

1.5.2 異常值處理與驗(yàn)證集的選取 采用閾值法將區(qū)間（平均值±3×標(biāo)準(zhǔn)差）外的數(shù)值視作異常值并剔除，經(jīng)處理后，2012年剩余樣點(diǎn)162個(gè)。其中濱海沙土、石灰土均分別僅有一個(gè)采樣點(diǎn)，在采用預(yù)測(cè)模型進(jìn)行空間模擬時(shí)，本文參考文獻(xiàn)[7]中土壤類(lèi)型選擇原則，將這兩種土壤類(lèi)型樣點(diǎn)剔除，剩余有效樣點(diǎn) 160個(gè)，全部保留樣點(diǎn)覆蓋的土壤類(lèi)型面積占研究區(qū)域面積的91.24%。

1980s坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)閾值法處理保留有效樣點(diǎn)513個(gè)，這些樣點(diǎn)所屬土類(lèi)共計(jì)10個(gè)，分別為磚紅壤、水稻土、赤紅壤、黃壤、燥紅土、風(fēng)沙土、火山灰土、紫色土、新積土、濱海鹽土，面積占全島面積的97.81%。

在兩個(gè)時(shí)期有效樣點(diǎn)中分別隨機(jī)選取80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，用于空間數(shù)據(jù)分析，其余20%的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證，樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig. 2 Distribution of sampling sites in the study area

1.5.3 模型精度驗(yàn)證 采用驗(yàn)證集的平均預(yù)測(cè)誤差（ME）、均方根預(yù)測(cè)誤差（RMSE）和決定系數(shù)R2來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

式中，n代表驗(yàn)證集中的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，代表預(yù)測(cè)值Z(Xi)代表實(shí)測(cè)值，代表實(shí)測(cè)值的平均值。

ME和 RMSE分別為預(yù)測(cè)無(wú)偏和預(yù)測(cè)精度的量度，ME越接近0表明方法是無(wú)偏的，RMSE越小，預(yù)測(cè)精度越高。R2為決定系數(shù)，R2越接近于1，表示模型對(duì)因變量的解釋能力越強(qiáng)。

1.5.4 分析工具 地形因子的提取及SOM含量空間制圖在 Arcgis9.3軟件中完成，遙感影像鑲嵌和NDVI的提取在ENVI5.1軟件中完成，隨機(jī)森林規(guī)則在R3.3.1的RandomForest包中完成，統(tǒng)計(jì)分析使用SAS9.2軟件和Microsoft Excel 2010工具。

2 結(jié)果

2.1 1980s、2012年RF參數(shù)擬合結(jié)果

由表2可知，坡度和平面曲率變量在兩個(gè)時(shí)期模型構(gòu)建中均被剔除，表明這兩個(gè)變量對(duì) SOM 含量空間變異影響較小。1980s SOM含量空間變異的最重要影響因素為土壤類(lèi)型，其次為高程；2012年SOM含量空間變異的最重要影響因素為地形濕度指數(shù)，其次為 NDVI。表明該區(qū) SOM 含量的空間變異主要受水文、植被和地形因素的影響。從表3可看出，兩個(gè)時(shí)期ME均較接近于0，RMSE較小，表明模型能夠用于SOM含量空間分布預(yù)測(cè)。從參數(shù)擬合結(jié)果來(lái)看，1980s和2012年模型分別能夠解釋17.79%和19.42%的SOM含量空間變異，解釋率較前人[25-27]的研究結(jié)果偏低，原因可能有兩個(gè)方面。第一，1980s的剖面點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)重新定位獲得，與真實(shí)位置會(huì)有偏差，對(duì)模型的預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生影響。第二，2012年采樣間距平均約10 km，采樣密度較小，可能導(dǎo)致模型的解釋率偏低。

表2 1980s、2012年RF參數(shù)擬合結(jié)果Table 2 RF model parameter fitting results

表3 RF模型預(yù)測(cè)精度Table 3 Prediction accuracy of SOM contents using RF

2.2 1980s、2012年0—20 cm土層SOM含量時(shí)空變異特征

從圖3可知，1980s SOM含量呈現(xiàn)出從西南向東北降低的趨勢(shì)，其中高值（> 30 g·kg-1）分布在該島中部偏西南地區(qū)。全島 SOM 含量主要集中在 15—20 g·kg-1（39.86%）和20—30 g·kg-1（35.43%）兩個(gè)等級(jí)，二者共占全島總面積的75.29%，10—15 g·kg-1占全島總面積的14.57%。2012年SOM含量呈現(xiàn)西南和東北高，西部、南部沿海低的空間分布趨勢(shì)。其中高值（20—30 g·kg-1）除在中部偏西南地區(qū)分布外，東部、東北部等地區(qū)也有分布。2012年全島SOM含量主要集中在10—15 g·kg-1（33.22%）、15—20 g·kg-1（45.06%）兩個(gè)等級(jí)，兩者共占全島面積的78.28%，而20—30 g·kg-1等級(jí)占全島的20.98%。同1980s相比，2012年SOM高含量等級(jí)面積比例有所下降，較低含量等級(jí)的面積有所增加；最高等級(jí)和最低等級(jí)的面積均有下降。2012年15—20、20—30 g·kg-1占全島面積的66.04%，與1980s相比，減少了9.25個(gè)百分點(diǎn)，而10—15 g·kg-1等級(jí)的SOM含量面積占比增加了18.65個(gè)百分點(diǎn)。2012年SOM含量沒(méi)有>30 g·kg-1等級(jí)，< 10 g·kg-1等級(jí)減少了2.42個(gè)百分點(diǎn)。

從 SOM 含量時(shí)空變異圖（圖 4）來(lái)看，時(shí)隔近30年，海南島SOM含量整體呈減少趨勢(shì)。其中東部、東北部沿海部分地區(qū)SOM含量有所增加。由圖5可知，SOM含量減少量在1—10 g·kg-1部分占全島面積的60.23%，SOM含量增加量在1—10 g·kg-1部分占全島面積的19.47%。五指山等中部地區(qū)雖減小幅度最大（< -10 g·kg-1），但占全島比例（7.68%）很小。SOM含量變化在-1 —1g·kg-1（變化率-5%—5%）認(rèn)為SOM基本保持不變，占全島面積11.30%，在島內(nèi)各區(qū)均有分布。

圖3 1980s、2012年SOM含量空間分布Fig. 3 Spatial distribution of SOM contents in 1980s and 2012

圖4 1980s—2012年SOM含量時(shí)空變異圖Fig. 4 Temporal changing distribution of SOM contents from 1980s to 2012

圖5 1980s—2012年SOM含量變化面積百分比Fig. 5 Percentages of areas changed in SOM contents between 1980s and 2012

2.3 1980s、2012年不同土地利用類(lèi)型SOM含量變化

由表 4可知，1980s 及 2012年各土地利用類(lèi)型SOM含量比較結(jié)果均為：水田>園地>旱地。SOM含量由土壤輸入的有機(jī)物質(zhì)量和不同土地利用類(lèi)型有機(jī)物質(zhì)礦化速率間的平衡共同決定。不同土地利用類(lèi)型由于施肥等農(nóng)業(yè)管理措施不同，導(dǎo)致土壤的理化性狀發(fā)生改變，進(jìn)而影響 SOM 的分解與轉(zhuǎn)化[28]。由于水田長(zhǎng)期處于嫌氣狀態(tài)，有機(jī)物質(zhì)礦化率較低，有利于SOM的積累和保存，而在熱帶地區(qū)旱季，降水減少，園地和旱地土壤處于通氣狀態(tài)，微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，SOM分解速率快，故SOM含量相對(duì)水田要低。園地只有果實(shí)被帶離土壤，落葉仍會(huì)還田，同時(shí)，園地耕翻少，便于有機(jī)質(zhì)積累，而該區(qū)旱地多種植蔬菜、甘蔗及玉米等作物，地上部分莖葉大部分被帶走，較少還田，且每季收獲后均耕翻，利于土壤有機(jī)物質(zhì)礦化，因此，旱地SOM含量要低于園地。

由表4可知，1980s和2012年SOM含量均值分別為20.57和15.89 g·kg-1，按全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別處于三級(jí)、四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從標(biāo)準(zhǔn)誤差來(lái)看，兩個(gè)時(shí)期分別為 0.43、0.59，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，表明結(jié)果較為可靠。時(shí)隔近 30年，該區(qū)SOM 含量整體呈減少趨勢(shì)，2012年 SOM 含量較1980s減少了4.68 g·kg-1，減少率為22.75%；從SOM含量范圍來(lái)看，1980s—2012年，SOM含量最小值由0.20 g·kg-1增加至 3.16 g·kg-1，最大值由 86.56 g·kg-1減小至 38.12 g·kg-1。

從土地利用類(lèi)型來(lái)看，3種類(lèi)型SOM含量均呈減少趨勢(shì)，其中水田減少最為明顯，減少了6.42 g·kg-1，減少率為27.34%；其次為園地，減少了2.65 g·kg-1，減少率為14.25%；而旱地減少量最小，為1.28 g·kg-1，減少率為8.84%。

2.4 SOM時(shí)空變異的驅(qū)動(dòng)因素分析

2.4.1 水田輪作制度變化對(duì) SOM時(shí)空變異的影響由表5可知，1980s中期（1985—1987年，下同）至2010s初期（2010—2012年，下同）近30年間，海南省耕地面積變化不大（僅減少了2.95%），但作物總播種面積（簡(jiǎn)稱(chēng)播面，下同）大幅度上升，由751 566 hm2增加到842 164 hm2，增加了12.05%。其中，蔬菜播面占總播面的比例由1980s中期的4.32%上升到2010s中期的 26.48%，增加了 6倍，已占到作物總播面的1/4強(qiáng)。除蔬菜外，其他作物播種面積均在減少，其中水稻降幅最大，播種面積占作物總播種面積的比例由1980s中期的52.61%下降到2010s初期的38.16%，下降了14.44個(gè)百分點(diǎn)。除蔬菜和水稻外的其他作物播種面積占總播種面積比例：1980s中期為 43.07%，2010s初期為35.36%，減少了7.7個(gè)百分點(diǎn)。相應(yīng)地，該區(qū)復(fù)種指數(shù)由1.73增加至2.00，說(shuō)明作物的茬口增加，土地利用強(qiáng)度加大。兩個(gè)年代相比，海南島的耕地面積變化不大，水稻播面大量減少，而蔬菜播面大幅增加，占總播面比例由不足5%增加到1/4強(qiáng)，說(shuō)明傳統(tǒng)的雙季稻、三季稻種植制度（水田連作）已經(jīng)發(fā)生改變，稻菜輪作（水旱輪作）在當(dāng)?shù)胤N植制度中已經(jīng)占有相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

表4 海南島不同土地利用類(lèi)型SOM含量統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Statistical characters of SOM contents of different land use types in Hainan Island

表5 1985—2012年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化Table 5 Change of agricultural statistics data from 1985 to 2012

由此可見(jiàn)，水田連作改為水旱輪作（稻菜輪作）是導(dǎo)致該區(qū)水田 SOM 含量下降的重要原因。由于特殊的地理環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，海南島多地逐漸實(shí)行稻-稻-菜或稻-菜輪作方式，即在每年的5—11月份種植雙季稻，11—4月份種植蔬菜，或僅種植一季水稻（早稻或中稻），直到冬季種植蔬菜，種植蔬菜期間，多數(shù)地區(qū)種植兩茬甚至三茬蔬菜，蔬菜播種面積持續(xù)增加[29]。而該島5—10月為雨季，11—4月份為旱季，水稻在雨季種植，蔬菜主要在旱季種植。相對(duì)于水稻，蔬菜對(duì)養(yǎng)分的需求量更大，當(dāng)?shù)咎镛D(zhuǎn)化為菜地后，沒(méi)有了淹水還原條件，一方面不利于還田有機(jī)物質(zhì)的積累，氧化條件使土壤有機(jī)質(zhì)礦化加劇；另一方面，11—4月的蔬菜季為旱季，降水減少但熱帶地區(qū)氣溫仍然較高，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解。重要的是，蔬菜多為淺根系，其根系生物量小，同時(shí)莖葉水分含量大，收獲后，非食用莖葉極少還田，因此，菜季還田生物量少。可見(jiàn)，水田連作改為水旱輪作（稻菜輪作）導(dǎo)致生物輸入量減少同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化量增加，從而造成海南島SOM含量呈下降趨勢(shì)。本結(jié)果也與李忠配、史利江、曾招兵等[30-31,11]的研究結(jié)果相一致。

2.4.2 土地利用方式變化對(duì)園地 SOM時(shí)空變異的影響 本文空間統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1980s — 2012年，由林地轉(zhuǎn)換成園地部分占所有林地轉(zhuǎn)換類(lèi)型的94%，由林地轉(zhuǎn)換為園地后，SOM 含量減少 2.55 g·kg-1，減少率為13.52%。兩個(gè)時(shí)期均為園地部分 SOM含量亦呈減少趨勢(shì)，減少1.82 g·kg-1，減少率為9.85%。

由表5可知，時(shí)隔近30年，該區(qū)園地面積呈明顯的增加趨勢(shì)，由1980s中期的428 064 hm2增加至2010s的825 301 hm2，增加397 236 hm2，增加了92.80%，橡膠林、果林面積均有大幅度增加。其中，兩個(gè)時(shí)期橡膠面積占園地面積的比例均在60%以上，橡膠林增加面積最大，由1980s中期的328 825 hm2增加至2010s初期的505 825 hm2，增加了53.83%。當(dāng)天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯は鹉z林后，SOM大幅度下降，其中表層損失較底層更為嚴(yán)重[32-33]。實(shí)際上，當(dāng)天然林地開(kāi)墾為橡膠林和其他果林等園地后，裸露土面增加，并有一定耕翻，造成水土流失增加，從而加劇養(yǎng)分流失；同林地相比，園地植物枯枝落葉減少，但吸取土壤養(yǎng)分量增加，進(jìn)而造成 SOM 含量的減少。國(guó)內(nèi)外研究表明：新墾耕地造成SOM含量減少，其中，在前20—30年SOM 含量減少比較迅速，之后減少速度緩慢，在 30年左右達(dá)到新的平衡[34]。海南省橡膠種植面積從1980s年中期至2010s初期增加了17.7萬(wàn)hm2，其他園地面積同期增加了約22萬(wàn)hm2，與此同時(shí)耕地面積僅減少約1.3萬(wàn)hm2，由此可見(jiàn)，海南園地主要由林地開(kāi)墾而來(lái)，且正處在開(kāi)墾10—30年之間，開(kāi)墾年限較短，因而這些園地的 SOM 含量正處于迅速下降階段。

另一方面，園地 SOM 含量變化與農(nóng)業(yè)管理措施等密切相關(guān)。橡膠的生長(zhǎng)需要吸取大量的土壤養(yǎng)分，且養(yǎng)分多被割膠所帶走，不再返還膠園土壤中，長(zhǎng)期下來(lái)必定會(huì)造成土壤養(yǎng)分的下降；將海南島坡度圖與2010年遙感解譯土地利用圖疊加發(fā)現(xiàn)，該區(qū)園地平均坡度為4.65°，該區(qū)高溫多雨，地形復(fù)雜，園地存在水土流失現(xiàn)象，且橡膠園地表植被較稀疏，人為采膠對(duì)土地進(jìn)行踐踏，干擾較為嚴(yán)重，一定程度上加重了水土流失的發(fā)生，水土流失會(huì)帶走一部分土壤養(yǎng)分；此外，該區(qū)存在施肥不合理現(xiàn)象，重化肥輕施有機(jī)肥。因此，在上述因素的綜合作用下致使膠園 SOM 含量呈下降趨勢(shì)。

3 討論

3.1 施肥、作物產(chǎn)量與SOM時(shí)空變異的關(guān)系

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站年度數(shù)據(jù)，1980s后期（1988—1990年，下同）、2000s（2000—2002年，下同）、2010s初期（2010—2012年，下同）農(nóng)用化肥施用折純量均值分別為11.60、27.40、46.56萬(wàn)噸，自1988年以來(lái)，海南省農(nóng)用化肥施用折純量呈增加趨勢(shì)，其中，2010s初期農(nóng)用化肥施用折純量是 1980s后期的4倍，與此同時(shí)，水稻產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，1980s后期、2000s、2010s初期水稻單產(chǎn)均值分別為3 149.8、4 127.8、4 542.1 kg·hm-2，2010s初期水稻單產(chǎn)較 1980s后期增加了1 392.3 kg·hm-2，增產(chǎn)44.20%，而秸稈產(chǎn)量也有相應(yīng)地增加。研究表明，大量施肥在短期內(nèi)能夠保證作物產(chǎn)量，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，并不能維持 SOM含量等級(jí)[35]。而且海南島秸稈還田較少[36]，耕地土壤有機(jī)物質(zhì)的積累有限。長(zhǎng)期以來(lái)，海南島存在施肥不合理現(xiàn)象，重化肥輕施有機(jī)肥。2010年海南省單縣平均牲畜存欄量（牛、山羊、豬年末存欄量與家禽（雞、鴨、鵝）年內(nèi)出欄量之和）為 732萬(wàn)頭，雖與 1990年（99萬(wàn)頭）相比有了很大提高（是1990年的7倍），但同河南省（2010年和1990年分別為2 481、844萬(wàn)頭）相比，兩個(gè)時(shí)期分別少3.4倍、8.5倍，表明海南有機(jī)肥來(lái)源不足，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)較少?gòu)耐獾刭?gòu)買(mǎi)有機(jī)肥，有機(jī)肥施用量有限，土壤有機(jī)物質(zhì)補(bǔ)充不足。

從菜地施肥現(xiàn)狀來(lái)看，海南島蔬菜施肥量也遠(yuǎn)低于其他蔬菜種植大省。吉清妹[37]對(duì)海南省定安、澄邁、文昌、瓊海4縣共計(jì)47個(gè)農(nóng)戶(hù)調(diào)查顯示，冬瓜和辣椒的平均施氮量分別為167.94和120.64 kg·hm-2，平均144.29 kg·hm-2，其中有機(jī)肥氮含量占總施肥量的27%和23%。官利蘭[38]在廣東省4縣74戶(hù)蔬菜種植戶(hù)施肥調(diào)查結(jié)果顯示，平均施N量為611.19 kg·hm-2，其中有機(jī)肥氮含量占總施氮量的 27%。張懷志[39]在河北、天津7縣區(qū)156戶(hù)設(shè)施菜地的調(diào)查結(jié)果顯示，平均施氮量為 1127 kg·hm-2。廣東、河北上述地區(qū)調(diào)查的施氮量分別是海南省的4.2倍和7.8倍，可見(jiàn)，對(duì)需肥量較高的蔬菜，海南省的氮肥施用量也少于其他地區(qū)，因此，肥料氮對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充有限。

海南地處熱帶地區(qū)，暴雨、臺(tái)風(fēng)頻繁，地形復(fù)雜（以五指山、鸚哥嶺為中心，形成中間高聳、四周低平的環(huán)形層狀梯級(jí)地貌）[40]。在氣候與地形的綜合影響下，該區(qū)農(nóng)業(yè)土壤水土流失嚴(yán)重。而水土流失容易引起土壤養(yǎng)分流失、土壤質(zhì)量退化等問(wèn)題。有研究表明，在降雨條件下，該區(qū)農(nóng)田SOM、N、P隨徑流流失，平均流失量分別為 92.42、3.13、1.30 kg·hm-2·a-1，肥料流失嚴(yán)重[41]。雖然該區(qū)施肥量有較大的提高，但0—20 cm土層SOM含量整體仍然呈下降趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于作物產(chǎn)量與 SOM 含量之間的關(guān)系并未得出一致的結(jié)論。LAL[42]和PAN[43]的研究表明作物產(chǎn)量與 SOM 含量存在較好的正相關(guān)關(guān)系。但YANG等[44]在吉林地區(qū)的研究得出相反的結(jié)論，認(rèn)為作物產(chǎn)量與SOM含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。LOVELAND和 WEBB[45]對(duì)溫帶地區(qū)的研究表明，SOM 含量與作物產(chǎn)量之間并沒(méi)有確定的定量關(guān)系。從本研究區(qū)水稻單產(chǎn)和 SOM 含量的情況來(lái)看，水稻單產(chǎn)增加可能會(huì)耗竭更多土壤養(yǎng)分，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分降低。

3.2 海南島SOM時(shí)空變異特征

時(shí)隔近30年，海南島SOM含量整體呈減少趨勢(shì)，減少率為22.75%。其中，水田減少最為明顯，減少率為27.34%。水田連作改為稻菜輪作（水旱輪作）是該區(qū)水田SOM含量減少的重要原因。這與曾招兵等[11]在廣東省的研究結(jié)果相一致。但與趙明松等[8]在江蘇的研究結(jié)果不同，江蘇省1980—2006年0—20 cm土層SOM含量整體呈增加趨勢(shì)，增加率為10.63%，其中，水田轉(zhuǎn)換為旱地后，SOM含量亦呈增加趨勢(shì)，增加 2.93 g·kg-1。這是因?yàn)橄鄬?duì)于海南島，江蘇省氣溫較低、降水減少，肥料淋溶損失減弱，更為重要的是該省大力實(shí)行秸稈還田技術(shù)，促進(jìn)了有機(jī)物質(zhì)的累積。另胡克林等[46]在北京郊區(qū)的研究結(jié)果也表明秸稈還田和施用有機(jī)肥是SOM含量上升的重要原因。因此，建議今后海南島推行秸稈還田技術(shù)、有效利用畜禽糞便等有機(jī)肥料。

4 結(jié)論

4.1 時(shí)隔近30年，海南島SOM含量整體呈減少趨勢(shì)，2012年SOM含量較1980s減少了4.68 g·kg-1，減少率為22.75%。其中，水田的SOM含量減少最為明顯，減少率為27.34%；其次為園地，減少率為14.25%；而旱地減少量最小，減少率為8.84%。

4.2 SOM含量減小量主要是1—10 g·kg-1，分布在島內(nèi)除東部、東北部以外大部分地區(qū)，占全島面積的60.23%；SOM含量增加量主要是1—5和5—10 g·kg-1，分布在島內(nèi)東北部、東部沿海地區(qū)，占全島面積的19.47%；SOM含量變化在-1—1 g·kg-1，即SOM基本保持不變，在島內(nèi)各區(qū)均有分布，占全島面積11.30%。

4.3 水稻連作改為稻菜輪作，林地開(kāi)墾為園地、土地利用強(qiáng)度加大是造成海南島SOM含量下降的主要原因。

致謝：海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所張文、曾建華、符傳良老師和本所李兆君老師在采樣方案制定和采樣過(guò)程中給予指導(dǎo)和幫助。寧東峰、李育鵬在采樣中付出辛勤勞動(dòng)，在此一并致謝！

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