不同開(kāi)墾年限土壤有機(jī)碳各組分與土壤養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系模型的構(gòu)建

金建新+張娜+何進(jìn)勤+桂林國(guó)

摘要：為分析長(zhǎng)期耕作對(duì)土壤質(zhì)量的影響及土壤有機(jī)碳各組分和土壤肥力的相關(guān)性，在寧夏不同區(qū)域選擇種植年限為0～30年的土壤進(jìn)行取樣研究，并測(cè)定了各養(yǎng)分指標(biāo)和有機(jī)碳各組分含量，采用AHP法對(duì)各養(yǎng)分值進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，得到土壤養(yǎng)分綜合評(píng)分值，利用二次拋物線模型對(duì)土壤養(yǎng)分綜合值和土壤有機(jī)碳各組分相關(guān)關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，有機(jī)碳各組分對(duì)土壤肥力影響最大的分別為閉蓄粉粒組分（μ-Silt）、游離粉粒組分（d-Silt）和物理保護(hù)有機(jī)碳組分（iPOM），其中交互效應(yīng)影響最大的為μ-Silt和d-Silt；土壤中各養(yǎng)分在種植年限為0～30年期間，總體表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，但是在開(kāi)墾年限為21～25年時(shí)，各養(yǎng)分含量均出現(xiàn)一個(gè)極小值，開(kāi)墾年限為25年以上時(shí)，除鉀含量指標(biāo)表現(xiàn)為下降趨勢(shì)外，其余各養(yǎng)分指標(biāo)均表現(xiàn)為線性增大的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：開(kāi)墾年限；有機(jī)碳；組分；土壤養(yǎng)分

中圖分類(lèi)號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）01-0081-05

Abstract In order to analyze the effects of long-term tillage on soil quality and the correlation between components of soil organic carbon and soil fertility， the soil samples with planting ages from 0 to 30 years were selected from different regions of Ningxia， and the nutrient indexes and component contents of organic carbon were determined. The weight of each nutrient value was calculated by AHP method， and then the comprehensive score of soil nutrient was obtained. The relationships between soil nutrient comprehensive value and soil organic carbon components was evaluated by quadratic parabola model. The results showed that μ-Silt， d-Silt and iPOM had the most influential effects on soil fertility， among which， the interaction effect of μ-Silt and d-Silt was the largest. In the planting period from 0 to 30 years， the overall performance of soil nutrient content showed a trend of increasing， but when the reclamation year was from 21 to 25， the nutrient content showed a minimum value， and when the reclamation year was more than 25， the other nutrient indicators except potassium content showed a linear increase trend.

Keywords Reclamation year； Organic carbon； Component； Soil nutrient

土壤有機(jī)碳含量為土壤質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，通過(guò)不同粒級(jí)分組得到的土壤有機(jī)碳各組分具有不同的功能，明確各組分含量和功能對(duì)提高土壤質(zhì)量和土壤碳庫(kù)的構(gòu)建具有重要作用[1]，土壤有機(jī)碳各不同組分和土壤中大量元素和微量元素等有一定相關(guān)關(guān)系，不同耕作年限條件下，土壤受到人類(lèi)活動(dòng)、作物生長(zhǎng)和氣候條件等多因素的影響，其各養(yǎng)分含量也發(fā)生較大的變化，不同土壤結(jié)構(gòu)、機(jī)械組成對(duì)土壤養(yǎng)分元素的有效性和土壤碳庫(kù)各組分含量具有較大影響[2-4]。因此，借助土壤有機(jī)碳的分組和土壤養(yǎng)分之間的相互關(guān)系研究，對(duì)合理評(píng)價(jià)土壤綜合質(zhì)量及固碳能力具有重要意義。對(duì)土壤碳的分組技術(shù)及各組分的功能研究起步較早，特別是不同施肥結(jié)構(gòu)對(duì)土壤碳庫(kù)組分的影響研究較多，周萍等[5]利用超聲波分散法對(duì)水稻土中有機(jī)碳進(jìn)行分組研究，并對(duì)其有機(jī)碳積累的重要機(jī)制和響應(yīng)模式進(jìn)行了探索。徐香茹等[6]對(duì)水稻土在不同施肥條件下通過(guò)30年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，分析了碳庫(kù)各粒級(jí)組分含量特征及其與總有機(jī)碳的相互關(guān)系，并探索了稻田土的固碳機(jī)制和積累形式。張麗敏等[7]在貴陽(yáng)市開(kāi)展了黃壤性水稻土不同施肥模式處理下經(jīng)過(guò)18年長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，采用土壤有機(jī)碳物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，重點(diǎn)研究了不同施肥條件下土壤有機(jī)碳組分含量及分配比例的變化，并通過(guò)定量分析組分碳含量與年均碳投入量的關(guān)系，探討了土壤有機(jī)碳飽和現(xiàn)象，結(jié)果表明通過(guò)有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥的施肥措施能有效提高水稻土有機(jī)碳含量，并且土壤有機(jī)碳中較為穩(wěn)定的組分具有飽和現(xiàn)象。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)寧夏不同種植年限土壤各養(yǎng)分含量的變化趨勢(shì)，及其與有機(jī)碳各組分含量的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，以期為區(qū)域土壤碳庫(kù)構(gòu)建、施肥模式探索及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

以寧夏不同種植年限土壤為供試材料，在寧夏不同地域取樣測(cè)試，該區(qū)域地處黃土高原、蒙古高原和青藏高原的交匯地帶，具有典型的大陸性季風(fēng)氣候特征，平均降水量差異較大，不同區(qū)域平均降水量分布在166.9～647.3 mm，多年平均蒸發(fā)量變化幅度也比較大，分布在1 312.0～2 204.0 mm，無(wú)霜期平均為105～163 d，≥0℃積溫為1 400～3 800℃·日。土壤類(lèi)型為淡灰鈣土，供試土壤以砂壤土和壤土為主，平均容重1.38 g/cm3，平均pH值為8.2，為堿性土壤，在不同區(qū)域同一種植年限的每塊土壤上取30個(gè)樣本，經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)選擇養(yǎng)分指標(biāo)滿足正態(tài)分布的數(shù)值取平均值，得到土壤不同年限各養(yǎng)分含量（見(jiàn)表2）。endprint

1.2 試驗(yàn)方法

采用改進(jìn)的Stewart等提出的物理化學(xué)聯(lián)合分組方法對(duì)供試土壤有機(jī)碳各組分進(jìn)行測(cè)定分析，稱取20 g土壤碾碎風(fēng)干過(guò)2 mm篩，放在微團(tuán)聚體分離器套篩中，經(jīng)過(guò)分離器振動(dòng)分離后，可分離出粗顆粒有機(jī)碳組分、微團(tuán)聚體、游離黏粒和粉粒。大于250 μm的部分將留在頂部篩上，為有機(jī)碳中粗顆粒有機(jī)碳組分部分；通過(guò)最小一級(jí)套篩粒徑小于53 μm的為游離黏粒和粉粒，分別用離心法、離心法配合化學(xué)試劑等方法分離出游離粉粒組分（d-Silt）和游離黏粒組分（d-Clay）；介于53～250 μm之間的為微團(tuán)聚體組分，將微團(tuán)聚體組分進(jìn)一步密度浮選和分離，利用離心機(jī)和濾膜等材料分離出大于0.45 μm的輕組部分為自由態(tài)顆粒狀有機(jī)碳組分（fPOM），將剩余部分加0.5%的（NaPO3）6溶液30 mL，并放在振蕩器上振蕩后過(guò) 53 μm 的篩，留在篩上的為物理保護(hù)有機(jī)碳組分（iPOM），過(guò) 53 μm 篩的部分用同樣的方法分離出閉蓄粉粒組分（μ-Silt）和閉蓄黏粒組分（μ-Clay），將得到的游離粉粒和黏粒組分與閉蓄粉粒和黏粒組分在95℃的高溫條件下，用鹽酸濾去酸解溶液，得到非酸解組分含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析及作圖方法

計(jì)算各重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，利用層次分析法對(duì)土壤各養(yǎng)分值進(jìn)行歸一化處理，采用Microsoft Excel和Origin 8.0等軟件進(jìn)行回歸分析，借助二次函數(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分綜合值和土壤有機(jī)碳各組分之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)分指標(biāo)綜合評(píng)分

利用層次分析法將各養(yǎng)分指標(biāo)占土壤肥力的權(quán)重大小進(jìn)行計(jì)算，首先以土壤肥力為目標(biāo)層建立層次結(jié)構(gòu)模型，準(zhǔn)則層為氮、磷、鉀和微量元素四個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)層為準(zhǔn)則層四個(gè)養(yǎng)分元素的具體指標(biāo)，見(jiàn)圖1。

首先構(gòu)建判斷矩陣，AHP各因素對(duì)總目標(biāo)的影響以兩兩比較的形式表示，將兩兩比較得到的相對(duì)大小值aij列入判斷矩陣的第i行和第j列，準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層、指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣如下：

準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣：

1/91/71/81，指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層四因素的判斷矩陣分別為：11/5

51、11/771、11/331、1，對(duì)所得到的矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性指標(biāo)CI=（λmax-n）/（n-1），其中λmax為判斷矩陣的最大特征值，根據(jù)查表得到平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，計(jì)算得到一致性比例CR=CI/RI，分別為0.024、0、0、0、0，均小于0.1，說(shuō)明所構(gòu)建的判斷矩陣具有較好的一致性。利用幾何平均法[8]對(duì)各判斷矩陣進(jìn)行求解，得到各層對(duì)上一層的影響大小的相對(duì)權(quán)重值（表1）。

對(duì)寧夏不同開(kāi)墾年限典型淡灰鈣土中各養(yǎng)分含量進(jìn)行測(cè)定，包括有效磷、速效鉀、全氮、全磷、堿解氮、緩效鉀和有效鋅，結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)層次分析法（AHP）對(duì)土樣中所測(cè)定的各養(yǎng)分含量計(jì)算得到的權(quán)重值，最后得到表征土壤肥力狀況的養(yǎng)分綜合評(píng)分值，見(jiàn)表3。

2.2 土壤有機(jī)碳各組分和肥力相關(guān)性

土壤中有機(jī)碳庫(kù)各組分對(duì)土壤肥力各構(gòu)成要素具有一定的影響，分析土壤養(yǎng)分綜合評(píng)分值和有機(jī)碳庫(kù)各組分相關(guān)性，并用二次函數(shù)模擬兩者之間的關(guān)系，通過(guò)決定系數(shù)來(lái)綜合評(píng)價(jià)兩者的函數(shù)關(guān)系和影響程度。

由圖2可知，土壤碳庫(kù)不同組分和土壤養(yǎng)分綜合值之間的二次函數(shù)關(guān)系其決定系數(shù)具有較大的差異，其中游離粉粒（d-Silt）、閉蓄粉粒 （μ-Silt）、物理保護(hù)有機(jī)碳（iPOM）等組分和土壤養(yǎng)分綜合值較為符合二次函數(shù)的關(guān)系，其決定系數(shù)分別為0.837、0.756和0.699，表現(xiàn)為顯著性相關(guān)關(guān)系，其余各組分和土壤養(yǎng)分綜合值沒(méi)有顯著的函數(shù)關(guān)系，其決定系數(shù)均集中在0.1～0.4之間。土壤養(yǎng)分綜合值隨著游離粉粒、閉蓄粉粒、物理保護(hù)有機(jī)碳三組分增大表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)各組分含量分別為0.70、0.75 g/kg和0.23 g/kg時(shí)土壤養(yǎng)分綜合值達(dá)到最小值，說(shuō)明存在大量的游離粉粒、閉蓄粉粒、物理保護(hù)有機(jī)碳時(shí)，能極大促進(jìn)土壤養(yǎng)分形成及其活性。建立土壤養(yǎng)分綜合值和游離粉粒、閉蓄粉粒組分、物理保護(hù)有機(jī)碳三組分的三元二次關(guān)系模型：

式中，y為土壤養(yǎng)分綜合值，x1為游離粉粒組分；x2為閉蓄粉粒組分 ；x3為物理保護(hù)有機(jī)碳組分。通過(guò)所構(gòu)建模型的一次項(xiàng)可以看出，對(duì)土壤肥力影響較大的各組分在影響程度上仍具有較大的差異，其中閉蓄粉粒組分對(duì)土壤肥力的影響最大，其影響大小依次為x2>x1>x3，其中游離粉粒組分和閉蓄粉粒組分的交互效應(yīng)對(duì)土壤肥力的影響也較大，說(shuō)明用土壤有機(jī)碳各粒級(jí)組分來(lái)反映土壤肥力具有一定的可靠性，特別是閉蓄粉粒組分在很大程度上能表征土壤肥力大小，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)其判斷土壤綜合肥力情況。

2.3 土壤養(yǎng)分時(shí)空變化

土壤養(yǎng)分隨時(shí)間和空間變化較大，特別是在受到人類(lèi)活動(dòng)影響和作物生長(zhǎng)條件下，土壤中各大量元素、微量元素及總有機(jī)碳等表現(xiàn)出增加、穩(wěn)定或者減小的變化趨勢(shì)，分析所取土壤中各養(yǎng)分構(gòu)成要素的時(shí)空變化，對(duì)土壤質(zhì)量提升及指導(dǎo)施肥具有重要意義。

由圖3可以看出，土壤中各養(yǎng)分隨著種植年限的增加，都表現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化，0～30年總體表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，特別是種植年限為0～5年，即新開(kāi)墾土地各養(yǎng)分均表現(xiàn)為持續(xù)增加的趨勢(shì)，如全氮含量在新墾時(shí)為0.31 g/kg，1～5年的平均值為0.50 g/kg，增加幅度達(dá)到61.3%，全磷含量該時(shí)間段增加幅度為31.3%，其余各指標(biāo)均有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，在5～10年，全氮、速效鉀、緩效鉀及有效鋅含量平均值略有下降，但是在0～20年總體表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，在開(kāi)墾年限為21～25年時(shí)，各養(yǎng)分含量均出現(xiàn)一個(gè)極小值，這可能與施肥結(jié)構(gòu)有關(guān)，開(kāi)墾年限為25年以上時(shí)，除速效鉀和緩效鉀含量有所下降外，其余各養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為線性增大的趨勢(shì)。

3 討論與結(jié)論endprint

通過(guò)對(duì)不同種植年限土壤養(yǎng)分各指標(biāo)測(cè)定和多年變化趨勢(shì)的分析，研究長(zhǎng)期種植條件下土壤肥力狀況的變化，并用相關(guān)方法對(duì)各土樣有機(jī)碳各組分進(jìn)行篩分和測(cè)定，對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)和有機(jī)碳各組分相關(guān)關(guān)系進(jìn)行擬合，通過(guò)建立土壤養(yǎng)分含量和各組分之間二次拋物線模型，篩選出了最能表征土壤養(yǎng)分含量的三個(gè)土壤有機(jī)碳組分，并以土壤養(yǎng)分綜合值為因變量建立了三元二次模型，主要得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)土壤肥力的影響較大的組分為閉蓄粉粒組分（μ-Silt）、游離粉粒組分（d-Silt）和物理保護(hù)有機(jī)碳組分（iPOM），其影響大小依次為μ-Silt>d-Silt>iPOM，其中游離粉粒組分和閉蓄粉粒組分的交互效應(yīng)對(duì)土壤肥力的影響也較大，說(shuō)明用土壤有機(jī)碳各粒級(jí)組分來(lái)反映土壤肥力具有一定的可靠性，特別是閉蓄粉粒組分 在很大程度上能表征土壤肥力大小，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)其判斷土壤綜合肥力情況。

（2）土壤中各養(yǎng)分在種植年限為0～30年期間，總體表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，但是在開(kāi)墾年限為21～25年時(shí)，各養(yǎng)分含量均出現(xiàn)一個(gè)極小值，因在這5年中黃河來(lái)水減少，新疆自治區(qū)政府通過(guò)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、減少化肥投入和發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)來(lái)提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效率，在開(kāi)墾年限為25年以上時(shí)，政府主導(dǎo)調(diào)整施肥模式，逐漸增施生物有機(jī)肥、生物質(zhì)碳等，故其土壤肥力又有所提高，除鉀含量指標(biāo)表現(xiàn)為下降趨勢(shì)外，其余各養(yǎng)分指標(biāo)均表現(xiàn)為線性增大的趨勢(shì)。

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