新疆北疆不同土壤類型有機(jī)碳含量變化特征及其影響因素分析

木衣那恰·吐斯甫漢，武紅旗，侯艷娜，范燕敏

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量的核心，也是土壤碳庫的重要組成部分，不僅為植被生長提供碳源、維持土壤良好的物理結(jié)構(gòu)，也向大氣提供碳源[1]。土壤有機(jī)碳含量的變化是影響土壤肥力水平的重要指標(biāo)[2]。土壤有機(jī)碳已經(jīng)成為土壤學(xué)、環(huán)境化學(xué)和地球化學(xué)的重要研究內(nèi)容之一[3-4]。【前人研究進(jìn)展】目前我國對(duì)于農(nóng)田土壤有機(jī)碳的變化特征及其影響因素的研究主要集中在土壤有機(jī)碳組分特征變化[5-7]、農(nóng)田管理措施對(duì)有機(jī)碳含量的影響[8-11]、不同土地利用方式對(duì)有機(jī)碳含量的影響[12]和不同土壤類型有機(jī)碳的儲(chǔ)量變化特征[13-15]等?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆北疆為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，全年降水量150～200 mm以上，土壤有機(jī)碳含量及分布特征復(fù)雜多樣[16]，北疆土壤類型較多，該區(qū)域土壤具有較為典型的代表性。目前綜合各影響因素系統(tǒng)性探討新疆不同類型土壤有機(jī)碳含量的時(shí)空變化的對(duì)比研究較為缺乏，尤其對(duì)耕地土壤有機(jī)碳的變化及其影響機(jī)理的研究更少。需研究近40年來新疆北疆耕地土壤有機(jī)碳含量變化特征及其影響因素?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采集1980年新疆第二次土壤普查和2014年土系調(diào)查數(shù)據(jù)，管理匯總，運(yùn)用方差分析、相關(guān)性分析和回歸分析等方法。綜合分析土壤有機(jī)碳在典型區(qū)域受自然條件影響及變化特征，研究反映土壤在這段時(shí)期的變化特征，為新疆土壤碳研究、土壤的合理利用提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

天山山脈將新疆分為南北兩大部分，天山以北稱為北疆。北疆氣溫較南疆較低，多年平均降水量在100～200 mm以上，降水季節(jié)分布較均勻[17]。研究區(qū)地形地貌復(fù)雜，成土母質(zhì)類型繁多。山區(qū)主要分布?xì)埛e物和坡積物，部分山區(qū)迎風(fēng)坡有黃土分布。平原地區(qū)的成土母質(zhì)主要為洪積物、沖積物、砂質(zhì)風(fēng)積物以及各種黃土狀沉積物。

土壤數(shù)據(jù)來源于新疆第二次土壤普查和新疆土系調(diào)查。第二次新疆土壤普查采樣時(shí)間為1980～1982年，按發(fā)生層采樣，深度為0～100 cm，全國第二次土壤普查新疆?dāng)?shù)據(jù)取自《新疆土壤》[18]、《新疆土種志》[19]以及各縣市的第二次土壤普查成果。新疆土系調(diào)查采樣時(shí)間為2014～2016年，按發(fā)生層取樣，采樣深度0～100 cm。1980年共134個(gè)采樣點(diǎn)；2014年共66個(gè)采樣點(diǎn)。

1.2 方 法

1.2.1 土壤樣品

土壤樣品采集參照全國第二次土壤普查方法，置于室內(nèi)風(fēng)干、去除細(xì)根雜質(zhì)、研磨，過0.25 mm篩。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定、土壤全氮采用半微量開氏法、全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法、土壤pH測(cè)定采用電位測(cè)量法[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土系調(diào)查和全國第二次土壤普查均按發(fā)生層采集土壤樣本。采用Li 和 Palmer 等[21-22]的權(quán)重法以20 cm為間隔計(jì)算1 m深土壤有機(jī)碳含量剖面數(shù)據(jù)。

對(duì)所得數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2016和IBM Statistics SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用ArcGis10.6做采樣點(diǎn)分布圖，并用Sigma Plot 13.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 北疆不同土壤類型耕地土壤有機(jī)碳平均含量總體變化趨勢(shì)

研究表明，北疆土壤灰漠土有機(jī)碳含量上升最為顯著，變化率達(dá)20.27%(6.87 g/kg)；其次為棕鈣土有機(jī)碳含量變化率達(dá)15.75%(5.36 g/kg)；灰鈣土、潮土和栗鈣土土壤有機(jī)碳含量上升變化率分別為5.66%(1.93 g/kg)、7.65%(2.60 g/kg)和4.02%(1.37 g/kg)。相反，沼澤土的有機(jī)碳含量損失顯著，變化率達(dá)到81.58%(27.74 g/kg)，黑鈣土和草甸土有機(jī)碳含量下降變化率分別為7.61%(2.59 g/kg)、3.18%(1.08 g/kg)。2014年不同土壤類型有機(jī)碳平均含量為9.87 g/kg，與1980年第二次土壤普查結(jié)果相比增加了1.61 g/kg。表1

表1 北疆不同土壤類型耕地土壤有機(jī)碳平均含量總體變化Table 1 The overall variation trend of soil organic carbon contentin cultivated land of different soil types in Northern Xinjiang

2.2 北疆耕地土壤有機(jī)碳2個(gè)時(shí)期剖面垂直變化特征

研究表明，從同一個(gè)時(shí)期不同土層相比較，大部分土壤類型有機(jī)碳含量呈現(xiàn)隨土層深度加深而降低的趨勢(shì)。2014年黑鈣土、栗鈣土、草甸土和沼澤土耕地表層(0 ～ 20 cm)土壤有機(jī)碳含量比1980年有機(jī)碳含量的平均值降低，分別下降了8.35、2.30、6.17和41.20 g/kg，降幅達(dá)24.57%、6.76%、18.15%和121.174%。而2014年棕鈣土和灰漠土有機(jī)碳含量平均值則比較1980年平均值增加，分別增加了5.42和5.48 g/kg，增幅為15.95%和16.12%。灰鈣土和潮土土壤有機(jī)碳含量平均值的變化率不到10%，變化不明顯；2014年與1980年相比，20 ～ 40 cm土層栗鈣土、草甸土和沼澤土的土壤有機(jī)碳含量減少，分別下降了0.76、0.44和32.91 g/kg，降幅達(dá)6.7%、1.28%和96.78%。而黑鈣土、灰鈣土、棕鈣土、灰漠土和潮土土壤有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，分別增加了3.70、1.07、5.88、7.11和2.28 g/kg，增幅達(dá)10.89%、3.15%、17.29%、20.93%和6.77%；40 ～60 cm土層，灰鈣土、栗鈣土、棕鈣土、灰漠土和潮土土壤有機(jī)碳含量呈上升趨勢(shì)外，其它土壤類型均呈下降的趨勢(shì)。圖1

圖1 北疆1980年和2014年耕地土壤有機(jī)碳含量垂直變化特征Fig.1 Vertical change characteristics of cultivated soil organic carbon content in northern Xinjiang in 1980 and 2014

2.3 北疆農(nóng)田土壤1980年和2014年土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和pH統(tǒng)計(jì)特征值

研究表明，1980年和2014年土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和pH均存在于不同程度的變異。1980年土壤有機(jī)碳介于1.46～75.80 g/kg，全氮介于0.13～5.67 g/kg，全磷介于0.27～4.48 g/kg，pH介于2.50～9.66。1980年土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和pH最小值都小于年的最小值。表2

表2 北疆農(nóng)田土壤1980年和2014年0～100 cm土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和pH統(tǒng)計(jì)特征值Table 2 Statistical characteristic values of 0-100 cm soil Organic C, Total N,Total P and pH of northern Xinjiang farmland soil in 1980 and 2014

2.4 不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮、全磷和pH的關(guān)系

研究表明，1980年土壤有機(jī)碳與全氮呈極顯著正相關(guān)，擬合最優(yōu)曲線為一元線性函數(shù)，相關(guān)系數(shù)R2=0.722 1。2014年土壤有機(jī)碳與全氮擬合最優(yōu)曲線為二次項(xiàng)曲線，呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.116 1，比1980年相關(guān)系數(shù)低。1980年土壤有機(jī)碳與全磷擬合最優(yōu)曲線為一元線性函數(shù)，呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.080 9。2014年土壤有機(jī)碳與全磷擬合最優(yōu)曲線為二次項(xiàng)曲線。2個(gè)時(shí)期土壤有機(jī)碳與pH呈微弱相關(guān)。圖2

圖2 土壤有機(jī)碳與全氮、全磷和pH的關(guān)系Fig.2 The relationship between Soil Organic C and Total N, Total P and pH

2.5 不同時(shí)期全疆化肥使用量變化

研究表明，新疆全年化肥施用量逐年增加，2003年至2014年化肥施用量明顯上升，其中復(fù)合肥施用量和磷肥施用量較為突出；整個(gè)施用量占大部分的是氮肥，其次為磷肥。圖3

圖3 1990～2014年全疆化肥施用量Fig.3 The amount of chemical fertilizer used in Xinjiang from 1990 to 2014

3 討 論

分析土壤有機(jī)碳的變化過程，有助于正確評(píng)估土壤有機(jī)碳的變化方向和速率，對(duì)于準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣候變化以及制定應(yīng)對(duì)氣候變化的措施具有重要的意義[23]。研究表明，2014年土系調(diào)查中北疆土壤有機(jī)碳含量平均為11.47 g/kg，與第二次土壤普查結(jié)果相比增加了1.61 g/kg。楊帆等[2]分析近30年來中國農(nóng)田耕層土壤有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)，研究表明，近30年來我國農(nóng)田耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈整體上升趨勢(shì)，劉文慧等[24]對(duì)新疆天山北坡與研究結(jié)果相似。新疆地域遼闊，耕地土壤有機(jī)碳的差異主要取決于土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化分解、腐質(zhì)化等土壤中碳的輸入和輸出平衡[25]。

研究表明，2014年北疆的氣溫與降水量都低于1980年，降水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。土壤有機(jī)碳受降雨量和溫度強(qiáng)烈影響[26]，張凡等[27]通過對(duì)1985～2002年間中國黃土高原地區(qū)耕作土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬,研究得到黃土高原耕作土壤有機(jī)碳受氣溫和降水的共同作用,對(duì)降水表現(xiàn)出更強(qiáng)的相關(guān)性。王丹丹等[28]基于全國第二次土壤普查獲得的1 022個(gè)東北地區(qū)旱地土壤剖面數(shù)據(jù),分析了年均溫、年均降水量、成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地和pH值對(duì)旱地土壤有機(jī)碳密度的影響，對(duì)土壤有機(jī)碳密度影響較大因素為氣溫。鄒潤彥等[29]通過GWR模型對(duì)各影響因素空間分布格局的分析,土壤有機(jī)碳與年均溫度和年均降水呈正相關(guān)。

有機(jī)肥為農(nóng)田帶來大量的碳源，提高土壤微生物的活性，有利于保持碳素的輸入和輸出平衡，進(jìn)而提高土壤的固碳能力[30]。高偉等[31]經(jīng)過34年長期定位施肥試驗(yàn)得出，農(nóng)家肥的使用以及秸稈還田措施的應(yīng)用，能有效的增加作物根系和土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，使土壤團(tuán)聚體的形成，從而增加有機(jī)碳含量。有機(jī)無機(jī)配合施肥、施用化肥和不施肥土壤有機(jī)碳分別比試驗(yàn)開始時(shí)增加52.9% , 29.0%和11.1%，研究中結(jié)合全疆的化肥使用總體上呈上升趨勢(shì)，其中氮肥施用量較多，其次為磷肥。齊中凱等[32]經(jīng)過19年的長期定位試驗(yàn),得到所有施肥處理都會(huì)顯著增加表層(0～10 cm)中有機(jī)碳含量。侯曉靜等[33]研究報(bào)告，采取農(nóng)家肥、商品有機(jī)肥和化肥的施肥處理后，均能顯著增加0 ～ 30 cm土壤有機(jī)碳含量，其中以農(nóng)家肥的施用效果最優(yōu)。Mandal等[34]研究表明, 長期施用氮磷肥及氮磷鉀肥顯著提高有機(jī)碳含量。近年來，北疆地區(qū)對(duì)農(nóng)田有機(jī)肥的施用也得到了重視，使主要類型土壤有機(jī)質(zhì)得到了提高[35]。

4 結(jié) 論

4.12014年北疆不同耕地土壤類型有機(jī)碳平均含量總體上比1980年上升1.61 g/kg，變化率為4.73%，其中上升最為顯著的是灰漠土和棕鈣土，變化率分別為20.27%和15.75%。沼澤土的有機(jī)碳含量損失顯著，變化率達(dá)到81.58%(27.74 g/kg)。

4.2大部分土壤類型有機(jī)碳含量呈現(xiàn)隨土層深度加深而降低的趨勢(shì)；從不同時(shí)期，同一土層相比較，2014年黑鈣土、栗鈣土、草甸土和沼澤土耕地表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量比1980年有機(jī)碳含量的平均值降低，降幅達(dá)24.57%、6.76%、18.15%和121.174%。而2014年棕鈣土和灰漠土有機(jī)碳含量平均值則比較1980年平均值增加，增幅為15.95%和16.12%。

4.31980年和2014年土壤有機(jī)碳與全氮呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.722 1，R2=0.116 1，與全磷呈正相關(guān)，但與pH呈微弱相關(guān)。

4.4近40年來北疆土壤有機(jī)碳含量呈上升趨勢(shì)，有機(jī)碳含量變化，主要受土壤類型、氣候因子、土壤理化性質(zhì)、化肥施用量等因素的影響。