干旱區(qū)典型綠洲土壤有機(jī)質(zhì)含量分布特征及其影響因素*

唐夢(mèng)迎丁建麗?夏 楠魏 陽(yáng)馮 娟譚 嬌

（1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046）

（2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

干旱區(qū)典型綠洲土壤有機(jī)質(zhì)含量分布特征及其影響因素*

唐夢(mèng)迎1，2丁建麗1，2?夏 楠1，2魏 陽(yáng)1，2馮 娟1，2譚 嬌1，2

（1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046）

（2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

以新疆南部的渭干河–庫(kù)車河流域三角洲綠洲為對(duì)象，按照土地利用方式布設(shè)78個(gè)采樣點(diǎn)，分別采集表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）土樣共156份，分析土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量和土壤酸堿度（pH）分布特征，并討論在作物類型、土地利用方式和土壤pH因素的影響下，表層和亞表層SOM含量的差異性。結(jié)果表明：表層SOM含量范圍為3.7～24.1 g kg-1，平均含量為11.0±4.2 g kg-1；亞表層SOM含量較低，為2.7～12.9 g kg-1，平均含量為7.0±2.2 g kg-1。表層中作物類型和土地利用方式的SOM均值、標(biāo)準(zhǔn)差均高于亞表層，二者的變異系數(shù)在20%～50%之間，屬中等變異。方差分析和逐步回歸分析表明，各因素對(duì)SOM含量的變異性影響存在較大差異。作物類型、土地利用方式和土壤pH三種影響因素對(duì)研究區(qū)表層和亞表層的SOM變異綜合解釋能力分別為45.1%和43.7%，綜合分析得出各因素中作物類型因素對(duì)研究區(qū)SOM含量影響最大。

渭干河–庫(kù)車河流域三角洲綠洲；土壤有機(jī)質(zhì)；逐步回歸分析；影響因素

土壤有機(jī)質(zhì)（Soilorganic matter，SOM）是土壤的重要組成物質(zhì)，對(duì)改善土壤理化性質(zhì)以及植物的生長(zhǎng)起著重要作用，其含量的多少可反映土壤肥力水平的高低［1］。SOM是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的重要源和匯，它能夠提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量，并能夠固定碳，應(yīng)對(duì)全球變暖［2-3］。由于各地的自然條件和農(nóng)林業(yè)經(jīng)營(yíng)水平差異，SOM受到的影響因素不同，故其含量存在差異。鑒于土壤有機(jī)質(zhì)的重要性，研究SOM及其影響因素十分必要［4-5］。在區(qū)域尺度上，SOM主要受氣候、土地利用方式和地形因素等差異的影響［6-9］。

土壤有機(jī)質(zhì)已經(jīng)成為地球化學(xué)、環(huán)境化學(xué)和土壤學(xué)的研究重點(diǎn)之一［10-11］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SOM的影響因素做了大量研究。如Ajami等［12］研究伊朗北部半濕潤(rùn)地區(qū)的黃土土壤，得出土地利用方式影響土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)，保護(hù)林地可以更好地存儲(chǔ)土壤有機(jī)碳。Wang等［13］運(yùn)用主成分分析法和冗余分析法探討新西蘭草原SOM組分的影響因素，表明土壤景觀類型和土地利用方式可進(jìn)一步解釋SOM組分的可變性。李婷等［14］研究表明沱江流域中游SOM含量主要受土壤質(zhì)地、土地利用方式、海拔高度和坡度等因素影響。王合玲等［15］采集新疆艾比湖流域SOM數(shù)據(jù)，得出SOM含量受植被群落類型、土壤質(zhì)地和土壤剖面深度3個(gè)因素的影響。目前對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)影響因素已有廣泛的研究基礎(chǔ)［16-17］，但大部分的研究區(qū)位于氣候寒冷的東北地區(qū)和高溫濕熱的西南地區(qū)，中國(guó)新疆等西北干旱半干旱地區(qū)影響SOM的因素研究較少。

渭干河-庫(kù)車河三角洲綠洲（簡(jiǎn)稱渭-庫(kù)綠洲）是新疆典型的荒漠綠洲，土壤鹽漬化現(xiàn)象顯著，耕作歷史悠久［18］。本研究以該綠洲為研究區(qū)，對(duì)表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）SOM含量進(jìn)行定量分析，并討論作物類型、土地利用方式和土壤pH等因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，旨在為干旱區(qū)綠洲土壤的改良和合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭–庫(kù)綠洲位于新疆南部的塔里木盆地中北部（東經(jīng)81°28′30″～84°05′06″，北緯39°29′51″～42°38′01″），是我國(guó)西北干旱區(qū)典型荒漠綠洲。地貌為扇形洪積、沖積傾斜平原，海拔在947～1 070m之間，總體地勢(shì)北高南低。氣候類型為大陸性暖溫帶干旱氣候，年均氣溫為11 ℃，極端最高溫度為40.8℃，極端最低溫度-27.8℃，年均蒸發(fā)量大于2 000 mm，年均降水量55.45mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水分布不均。主要土壤類型有磚紅壤、紅壤等［19］；主要土地利用方式為耕地、草地、林地、荒地和鹽漬地等；經(jīng)濟(jì)方式以農(nóng)牧業(yè)為主［20］，主要作物類型為核桃（Juglans regia）、蘋果（Malus pumila）、棗樹（Ziayphus jujuba）、玉米（Zea mays）、棉花（Gossypium hirssittum）等，另有蘆葦（Phragimites australis）、花花柴（Karelina caspica）、檉柳（Tamarix laxa willd）和胡楊（Populus euphuatica）等荒漠植被。

本研究根據(jù)Google地球查看地物的特征，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，將土地利用類型分為6類。采用監(jiān)督分類方法中的最大似然分類法對(duì)影像進(jìn)行分類，經(jīng)精度驗(yàn)證，符合精度要求且達(dá)到85%以上，故得出研究區(qū)土地利用分類結(jié)果圖（圖1）。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布和土地利用分類圖Fig. 1 Map of distribution of sampling sites and classification of land use in the study area

1.2 樣品采集與分析

2013年10月中旬，用GPS記錄采樣點(diǎn)位置，根據(jù)渭-庫(kù)三縣的土地利用現(xiàn)狀圖和實(shí)地調(diào)查確定采樣位置選取78個(gè)樣方（圖1），每個(gè)樣方30 m× 30 m的，按照五點(diǎn)混合采樣法分別在0～20 cm和20～40 cm土層深度取樣，每個(gè)土壤樣品分裝3份，共取得156份。樣點(diǎn)所屬土地利用方式包括耕地、草地、林地、荒地和鹽漬地，通過(guò)實(shí)物采樣和農(nóng)戶訪問(wèn)得到作物類型有棉花、玉米、核桃、蘋果和棗樹。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔出土壤以外的侵入體（如植物殘茬、石粒、磚塊等雜質(zhì)），分別過(guò)0.25 mm和2 mm篩孔磨細(xì)過(guò)篩，充分混合均勻。參照《土壤理化分析與剖面描述》［21］，將所有樣品制備成1∶5土水質(zhì)量比浸提液，利用pH-2603儀器測(cè)定土壤pH。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 22.0軟件，將上述方法得到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、方差分析和回歸分析。進(jìn)行方差分析時(shí)，將土壤pH劃分為＜5.0、5.0～6.5、6.5～7.5、7.5～8.5、＞8.5共5類；作物類型和土地利用方式為多分類變量；回歸分析采用啞變量為各變量賦值［22］。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層與亞表層土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤pH分布特征

將實(shí)驗(yàn)所測(cè)的SOM數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，得出渭-庫(kù)綠洲土壤表層SOM含量為3.73～24.07 g kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差為4.18 g kg-1，平均含量為10.99 g kg-1，中位數(shù)為10.44 g kg-1，接近并低于平均值，變異系數(shù)為30.03%，屬中等變異。偏度和峰度系數(shù)分別為0.53和0.08，屬偏正態(tài)分布，經(jīng)對(duì)數(shù)變換后符合正態(tài)分布（圖2）。亞表層SOM含量為2.73～12.94 g kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差為2.21 g kg-1，平均含量為6.97 g kg-1，變異系數(shù)為31.71%，屬中等變異。偏度和峰度系數(shù)分別為0.56和0.19，屬正態(tài)分布。與表層相比，亞表層SOM含量較低，這是由于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)范圍主要集中在土壤表層，農(nóng)業(yè)施用有機(jī)肥料直接提高了表層SOM含量。在渭-庫(kù)綠洲SOM含量總體水平較低，與黃元仿等［23］研究結(jié)果一致，表明在生態(tài)脆弱的干旱地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)較低且分布不均的趨勢(shì)。

pH是影響土壤理化性狀、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和肥力的重要因素。土壤pH過(guò)酸（pH＜4.5）或過(guò)堿（pH＞8.5）時(shí)，多數(shù)微生物活動(dòng)均會(huì)受到顯著影響，并抑制作物根系生長(zhǎng)，從而減少有機(jī)質(zhì)在土壤中的積累；反之，則會(huì)有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。由表1看出，渭-庫(kù)綠洲土壤表層和亞表層的土壤pH總體均呈現(xiàn)堿性趨勢(shì)。通過(guò)單個(gè)樣本的柯?tīng)柲缏宸?斯米諾夫（Kolmogorov-Smirnov）方法檢驗(yàn)得出土壤pH服從正態(tài)分布。表層與亞表層的土壤pH的變異系數(shù)3.6%和4.41%均小于25%，屬弱空間變異。

圖2 土壤有機(jī)質(zhì)含量（0～20 cm和20～40 cm）頻率分布Fig. 2 Frequency distribution of SOM content（0～20cm and 20～40cm）

表1 土壤表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）土壤pH分布特征統(tǒng)計(jì)值Table 1 Statistics of pH distribution in top soil（0～20 cm）and subsoil（20～40 cm）of pH distribution statistics

2.2 作物類型和土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由表2可知，在土壤表層的不同作物類型中，核桃SOM含量均值最高，為19.33 g kg-1，棉花SOM含量均值最低，為9.57 g kg-1。標(biāo)準(zhǔn)差最大為核桃，蘋果最低。棉花、棗樹、核桃的變異系數(shù)分別為30.67%、23.04%和21.88%，屬中等變異，且棉花與蘋果之間差異較大。蘋果，棗樹和核桃屬于果園作物，其耕種的作物不需要每年翻犁，土壤有機(jī)質(zhì)的生存環(huán)境也不會(huì)受到嚴(yán)重外界破壞，且其含量會(huì)逐年累積。而一年耕種的作物如棉花和玉米，其除了每年需翻犁土地外，在其生長(zhǎng)期土壤內(nèi)的有機(jī)質(zhì)分解初期和收割期分解較快［27］，致使土壤內(nèi)的有機(jī)質(zhì)含量較低。不同土地類型中，林地SOM含量均值最大，為16.12 g kg-1。這是由于林地中植被覆蓋度較高，植物葉片墜落在土壤經(jīng)分解生成的有機(jī)質(zhì)聚集在表層，因而農(nóng)收后耕地的SOM含量為一年中最低。其余地類SOM含量在6.19～10.65 g kg-1之間，差異明顯。標(biāo)準(zhǔn)差最大最小值分別為草地4.55 g kg-1和荒地1.55 g kg-1。各地類的變異系數(shù)在24.32%～45.16%之間，屬中等變異。

亞表層作物類型和土地利用方式中的SOM均值和標(biāo)準(zhǔn)差均低于表層，且差異較大（表3）。在農(nóng)業(yè)活動(dòng)時(shí)，由于不同作物類型對(duì)施肥和灌溉條件的要求不同，且作物根系分泌物在土壤表層增加，微生物積累隨之增加，故亞表層SOM的含量低于表層。

表2 土壤表層（0～20cm）和亞表層（20～40cm）的不同作物類型和土地利用方式下的SOM含量Table 2 SOM contents in top soil（0～20 cm）and sub soil（20～40cm）under different types of crops and land use

2.3 各影響因素的差異性及對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)變異的影響

不同影響因素的SOM含量方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。不同作物類型、土地利用方式的SOM含量均存在顯著差異（p＜0.05）。F值為組間均方與組內(nèi)均方的比值，表示不同分組間樣本均數(shù)的差別，其值越大，表明組間差異越明顯。其中表層土壤pH的F值最小，為2.422，作物類型的F值最大，為12.917；亞表層土地利用方式的F值最小，為2.061，作物類型的F值最大，為6.865，結(jié)果表明各因素對(duì)SOM含量的變異性影響存在較大差異。

表3 各因素影響土壤有機(jī)質(zhì)的方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis of impacts of factors on soil organic matter

逐步回歸分析法是通過(guò)自變量的顯著性選取最優(yōu)變量的過(guò)程，即判定各因素解釋SOM變異的能力。對(duì)全部采樣點(diǎn)的SOM數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析，得到各因素對(duì)研究區(qū)表層和亞表層的SOM變異綜合解釋能力分別為45.1%和43.7%。其中各因素對(duì)SOM含量影響的判定結(jié)果如表4所示。R§2解釋的是除該變量外的其他變量對(duì)SOM變異的強(qiáng)弱，值越大則變異越弱；ΔR2解釋變量在回歸方程中的重要性，值越大則越重要；R偏2為偏決定系數(shù)，表示新加入的變量在回歸方程中的重要性。由表可得，作物類型，土地利用方式及土壤pH三種因素對(duì)SOM影響均有所不同，對(duì)于表層的SOM影響而言作物類型與土壤pH分別處于兩個(gè)極端。表層SOM受作物類型影響的R§2為0.026，說(shuō)明其他兩個(gè)因素對(duì)解釋SOM變異貢獻(xiàn)2.6%；ΔR2為0.185，說(shuō)明了在解釋SOM變異時(shí)加入作物類型可以使得解釋能力增加18.5%；為0.174，說(shuō)明加入作物類型因素對(duì)于SOM的重要性。土壤pH對(duì)表層的SOM影響最小，R§2為0.199，說(shuō)明了其他兩個(gè)因素對(duì)解釋SOM變異貢獻(xiàn)19.9%；ΔR2為0.026，說(shuō)明在解釋SOM變異時(shí)，加入土壤pH只能使得解釋能力增加2.6%；為0.013。而在亞表層中與表層不同，新加入作物類型因素時(shí)對(duì)SOM影響最大，為0.164；加入土地利用方式因素時(shí)對(duì)SOM影響不明顯，為 0.010。

3 結(jié) 論

本研究運(yùn)用方差分析和逐步回歸法，討論了影響渭-庫(kù)綠洲土壤SOM含量的主要因素，結(jié)果表明表層SOM含量平均為10.99±4.18 g kg-1，亞表層SOM含量相對(duì)較低，SOM含量隨土壤深度的增加而減少。表層受到作物類型和土地利用方式因素影響，SOM均值、標(biāo)準(zhǔn)差高于亞表層，可能與人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)常在表層有關(guān)。各因素對(duì)研究區(qū)表層和亞表層的SOM變異綜合解釋能力分別為45.1%和43.7%，綜合分析得出各因素中作物類型因素對(duì)研究區(qū)SOM含量影響最大，說(shuō)明對(duì)農(nóng)田作物進(jìn)行長(zhǎng)期的施肥、灌溉等管理措施有助于土壤有機(jī)質(zhì)的累積。

表4 各因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)變異逐步回歸分析結(jié)果Table 4 Stepwise regression analysis of impacts of factors on variation of soil organic matter

致 謝感謝新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院王雪梅副教授所提供的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

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Distribution of Soil Organic Matter Content and Its Affecting Factors in Oases Typical of Arid Region

TANG Mengying1，2DING Jianli1，2?XIA Nan1，2WEI Yang1，2FENG Juan1，2TAN Jiao1，2
（1 College of Resource and Environment Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）
（2 Xinjiang Key Laboratory of Oasis Ecology，Urumqi 830046，China）

A field survey was carried out of the Weigan-Kuqa River Delta Oasis in South Xinjiang，collecting a total of 156 samples of topsoil（0～20 cm）and subsoil（20～40 cm）at 78 sampling sites laid out in the light of land use for analysis of soil organic matter（SOM）content and pH and their distributions，and variations of SOM in the topsoil and subsoil layers as affected by crop type，land use and soil pH. Results show that SOM varied in the range of 3.7～24.1 g kg-1in content，and averaged 11.0±4.2 g kg-1in the topsoil layer（0～20 cm），and in the range of 2.7～12.9 g kg-1，and 7.0±2.2 g kg-1；in the sub-subsoil layer（20～40 cm）. The topsoil layer was much higher than the subsoil layer no matter in mean of SOM contents or standard deviation in soils under different types of crop and patterns of land use，with a variation coefficient being 20%～50%. Obviously the variation was at a moderate level. Variance analysis and stepwise regression analysis shows that the factors affecting SOM content also varied in effect. The integrated effect of the three factors，crop，land use and pH，could explain 45.1% of the variation of SOM content in the topsoil layer and 43.7% of that in the subsoil layer. Comprehensive analysis shows that crop type is the most important factor affecting SOM content in the study area.

Weigan-Kuqa River Delta Oasis；Soil organic matter；Stepwise regression；Affecting factor

P934；S158

A

（責(zé)任編輯：盧 萍）

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1303381，41261090）和自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金（2016D03001）資助 Supported by National Natural Science Foundation of China（Nos. U1303381，41261090）and the Special Fund of Autonomous Region Key Laboratory （No. 2016D03001）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：watarid@xju.edu.cn

唐夢(mèng)迎（1992—），女，新疆烏蘇人，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)資源遙感研究。E-mail：tmy1128@163.com

2016-11-10；

2017-01-17；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-03-01

10.11766/trxb201611100468