东北黑土是“耕地中的大熊猫”，东北典型黑土面积更少，仅为17万km2。由于典型黑土区的漫川漫岗地形和长期的不合理耕作，土壤侵蚀严重，土壤退化加剧。研究不同尺度土壤养分时空变化格局和其主要驱动机制是科学认识土壤质量和肥力变化，以及土壤养分管理的重要依据。东北黑土区秋冬季节、冬春季节交替常发生冻融现象，特别是冬春交替期间冻融循环次数多、强度大和时间长，对土壤理化性质、生物化学过程影响较大。项目在黑龙江省海伦市光荣小流域，通过野外调查结合室内模拟的研究方法，利用地统计学（地理加权回归克里格）结合经典统计学的分析方法，研究发现冻融后流域尺度0-5cm、5-10cm、10-20cm、0-20cm土层全氮（TN）、全磷（TP）、速效氮（AN）、速效磷（AP）的时空变化规律，冻融改变了土壤TN、TP、TN和AP的空间自相关性和变异程度。冻融后，流域0-20cm土层大部分面积TN（60%）和TP（85%）含量降低，TN、AN、TP、AP总体减少了5.7%、7.6%、9.5%、3.8%。垂直方向上，冻融前后TN、AN、AP均随深度的增加而降低，而冻融前TP随土层深度增加而升高，冻融后则相反。
图1a、b、c、d分别为冻融前0-5cm、5-10cm、10-20cm、0-20cm土壤TN空间分布格局；e、f、g、h分别为冻融后0-5cm、5-10cm、10-20cm、0-20cm土壤TN空间分布格局；l、j、k、l分别为冻融后0-5cm、5-10cm、10-20cm、0-20cm土壤TN变化空间分布格局。
图2a、b、c、d分别为冻融前0-5cm、5-10cm、10-20cm、0-20cm土壤TP空间分布格局；e、f、g、h分别为冻融后0-5cm、5-10cm、10-20cm、0-20cm土壤TP空间分布格局；l、j、k、l分别为冻融后0-5cm、5-10cm、10-20cm、0-20cm土壤TP变化空间分布格局。
冻融改变了各坡位、坡度、坡向之间TN、TP、AN、AP的差异，同时受到土地利用方式、耕作方式和前茬作物种植种类的影响，也与景观要素的空间分布格局密切相关。冻融后流域TN主要在4个区域明显增加：1）流域坡顶部分坡度较缓位置，2）农林交错带靠近坡上位置，3）横坡垄作区域，4）靠近流域出口。AN在3个区域明显增加：1）大部分坡底位置，2）农林交错带，3）沿侵蚀沟两侧位置至流域出口。冻融后TP主要在流域3个区域明显增加：1）靠近侵蚀沟附近区域，2）农林交错带，3）部分横坡垄作区域。AP在3个区域明显增加：1）大部分靠近侵蚀沟位置，2）林地种植区附近，3）居民点附近。
利用野外调查、遥感解译、室内模拟等数据，综合土壤养分、土地利用、前茬作物、地形、侵蚀沉积、土壤矿物组成等32个相关指数，通过RDA和回归等方法分析发现土地利用、地形、人类活动影响下的融雪侵蚀、土壤水热变化、土壤容重等是影响土壤养分转化和运移及其时空分布的主要驱动因子。基于剖面曲率和冻融前TN构建的最简方程（P0.）可以粗略模拟冻融后流域土壤TN空间分布格局（R2=49.4%）。基于冻融前TP、积雪覆盖、植被覆盖、铁矿物指数、土壤含水量构建的方程（P0.）能够粗略的模拟冻融后TP空间变化（R2=72%）。基于以上分析，建议流域尺度下，1）坡中处结合适当的水土保持耕作措施以减少N和P的流失；2）农林交错带处春季可适当减少N肥和P肥的施用；3）顺坡耕作、玉米种植区、低植被覆盖区、高积雪覆盖区以及流域出口沉积区是冻融过程N、P流失重点防控区域。
相关结果分别发表在Geoderma和Scienceofthetotalenvironment杂志，东北农业大学资源与环境学院硕士研究生沈庆松和王曜分别为两篇文章的第一作者，东北农业大学资源与环境学院张少良教授为通讯作者。
据悉张少良教授团队经过十几年的研究分别阐明了黑土带尺度、区域尺度、市辖区尺度、流域尺度土壤养分时空动态变化及其主要驱动机制，为科学认识黑土退化与保护等提供了可靠的依据，相关结果发表在Landdegradationdevelopment、Geoderma、Catena、Scienceofthetotalenvironment、NutrientcyclinginAgroecosysterms、Journalofsoilsandsediments、Environmentalearthscience、ChineseGeographicalscience、《水利学报》、《环境科学》、《环境科学学报》、《东北农业大学学报》等杂志。
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