東北地理所在耕地規(guī)模驅(qū)動土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)空演變方面取得進(jìn)展
東北黑土區(qū)是我國糧食安全的“壓艙石”，但在長期的由土地利用變化和集約化農(nóng)業(yè)活動驅(qū)動下，面臨著土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）下降的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近年來，隨著國家土地管理政策的實(shí)施，該區(qū)域耕地逐漸向規(guī)模化經(jīng)營轉(zhuǎn)變。然而，耕地地塊規(guī)模的變化如何影響土壤有機(jī)質(zhì)的長期演變方向與速率，目前尚缺乏系統(tǒng)性的定量研究。
針對上述問題，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)業(yè)遙感學(xué)科組的研究人員以我國黑土區(qū)典型的現(xiàn)代化大型農(nóng)場—友誼農(nóng)場為研究對象，構(gòu)建了基于長時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)的土壤有機(jī)質(zhì)制圖框架，并深入揭示了耕地規(guī)模對有機(jī)質(zhì)演變的影響機(jī)制。研究利用谷歌地球引擎（GEE）平臺獲取了1984年至2023年近40年的Landsat影像，結(jié)合574個表層土壤樣本，創(chuàng)新性地采用“K-means聚類+概率混合模型”的方法，有效解決了傳統(tǒng)模型在預(yù)測精度和空間細(xì)節(jié)上的不足。
研究發(fā)現(xiàn)，概率混合模型在預(yù)測土壤有機(jī)質(zhì)方面表現(xiàn)優(yōu)異（R2=0.71）。長達(dá)40年的時(shí)空監(jiān)測結(jié)果顯示，友誼農(nóng)場土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈下降趨勢，平均值從3.57%降至3.51%，約67.15%的耕地表現(xiàn)為負(fù)增長。更為重要的是，研究首次量化了耕地地塊規(guī)模與土壤有機(jī)質(zhì)變化之間的非線性關(guān)系：地塊規(guī)模過大或過小均加速了有機(jī)質(zhì)的流失。具體而言，當(dāng)耕地規(guī)模在180至210公頃之間時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)的下降速率最慢；而大于270公頃的超大地塊因更易受侵蝕影響，小于60公頃的細(xì)碎地塊因管理措施差異大，均導(dǎo)致了更快的土壤退化。
圖1 研究區(qū)1990s-2020s土壤有機(jī)質(zhì)分布
該研究成果表明，未來的黑土地保護(hù)與集約化利用應(yīng)高度重視耕地規(guī)模的合理規(guī)劃。針對超大規(guī)模連片耕地，建議通過建設(shè)防護(hù)林、緩沖帶或適度劃分作業(yè)單元來減少水土流失；針對細(xì)碎化耕地，則應(yīng)加強(qiáng)統(tǒng)一科學(xué)管理。該研究不僅為區(qū)域尺度的土壤有機(jī)質(zhì)高精度制圖提供了新技術(shù)，也為黑土區(qū)農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
圖2 針對不同規(guī)模地塊的改良策略
相關(guān)成果發(fā)表在土壤科學(xué)與土地退化國際期刊《Land Degradation & Development》上。由農(nóng)業(yè)遙感學(xué)科組聯(lián)合培養(yǎng)研究生張羽（第一作者）、助理研究員羅沖（通訊作者）與劉煥軍研究員等人共同完成。本研究得到國家自然科學(xué)基金（42401460）及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1500100）的共同資助。
論文信息與鏈接如下： Zhang, Y., C. Luo, Y. Ma, et al. 2026. “ Effects of Farmland Scale on Soil Organic Matter Change in Black Soil Areas of China in the Past 40 Years.” Land Degradation & Development 1–18. https://doi.org/10.1002/ldr.70432.
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