新疆土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

馮 錦，崔 東,2,3，孫國(guó)軍，劉海軍(.伊犁師范學(xué)院生物與地理科學(xué)學(xué)院，新疆 伊寧 835000； 2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 83006； 3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所/荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 8300； .河西學(xué)院歷史文化與旅游學(xué)院，甘肅 張掖 73000)

新疆土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

馮 錦1，崔 東1,2,3，孫國(guó)軍4，劉海軍1
(1.伊犁師范學(xué)院生物與地理科學(xué)學(xué)院，新疆 伊寧 835000； 2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046； 3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所/荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 4.河西學(xué)院歷史文化與旅游學(xué)院，甘肅 張掖 734000)

根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查新疆維吾爾自治區(qū)的相關(guān)土壤資料數(shù)據(jù)，分析了新疆(0―50 cm)土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，以期對(duì)研究區(qū)土壤進(jìn)行科學(xué)管理，從而有助于合理地耕作和科學(xué)地施肥，同時(shí)也為研究新疆碳循環(huán)機(jī)制提供豐富而準(zhǔn)確的信息。相關(guān)性分析表明，研究區(qū)土壤全氮、陽(yáng)離子交換量均與土壤有機(jī)碳含量存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。其中，土壤有機(jī)碳與全氮的相關(guān)性最大(P<0.000 1，R2=0.936 7)；土壤pH、土壤容重與土壤有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；全磷、全鉀、土壤孔隙度與土壤有機(jī)碳含量未達(dá)到顯著相關(guān)水平(P>0.05)。本研究結(jié)果有助于系統(tǒng)、科學(xué)地分析干旱區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中的貢獻(xiàn)及生態(tài)意義。

新疆；土壤有機(jī)碳；土壤理化性質(zhì)；土壤孔隙度；土壤容重；土壤陽(yáng)離子交換量

陸地生態(tài)系統(tǒng)是大氣中CO2的源和匯，對(duì)全球碳平衡所起的作用不可忽視，是全球碳循環(huán)機(jī)制中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心組成成分是土壤，因?yàn)橥寥乐刑N(yùn)藏著地表最多的有機(jī)碳，是地球表面最大并且是周轉(zhuǎn)周期最慢的碳庫(kù)[1-2]。土壤碳庫(kù)作為土壤質(zhì)量的核心指標(biāo)，其數(shù)量和質(zhì)量的變化必定會(huì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的改變。土壤的理化性質(zhì)既是反映土壤質(zhì)量?jī)?yōu)劣和土壤健康狀況的重要指標(biāo)，又是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，因而其中任意一個(gè)理化性質(zhì)的改變都會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量的變化。以往對(duì)土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性研究中，大部分認(rèn)為土壤理化性質(zhì)變化的原動(dòng)力為土壤有機(jī)碳含量直接影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng)[3-5]。事實(shí)上，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、林業(yè)和草業(yè)的發(fā)展，人為措施(如耕作、施肥、灌溉)改變了土壤水、肥、氣、熱條件，使得土壤有機(jī)碳含量與其它土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性變化成為當(dāng)代全球土壤生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[6]。比如，目前新疆各耕地制度發(fā)生了很大的變化，各種作物的品種相繼改良，產(chǎn)量水平不斷提高，對(duì)土壤pH、容重等造成了一定的影響。當(dāng)作物產(chǎn)量越來(lái)越高時(shí)，就會(huì)從土壤中帶走更多的氮、磷、鉀等，這一系列的變化會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳含量造成一定的影響，引發(fā)諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從而影響陸地碳循環(huán)機(jī)制。

目前，關(guān)于土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析研究較少，就土壤養(yǎng)分來(lái)說(shuō)，大多都局限在養(yǎng)分對(duì)土壤微生物活動(dòng)的影響，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量的變化[7]。比如土壤碳氮比對(duì)土壤微生物的活動(dòng)能力有一定的影響作用，當(dāng)土壤碳氮比減少時(shí)會(huì)抑制微生物的活動(dòng)能力，在一定程度上降低了土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的累積[8]。因此，從總體上了解土壤有機(jī)碳含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性對(duì)于干旱區(qū)土壤碳庫(kù)的有效管理來(lái)說(shuō)具有重要意義。新疆作為中國(guó)西北典型的干旱與半干旱地區(qū)，對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的平衡及生態(tài)環(huán)境變化都產(chǎn)生著深刻的意義[9]。新疆受全球變化的影響較為嚴(yán)重，土壤面臨的問(wèn)題包括全球變暖帶來(lái)的溫度升高和降水量的減少，促使新疆土壤鹽堿化、荒漠化進(jìn)程加速。而土壤在鹽堿化、荒漠化的過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的流失，土壤有機(jī)碳含量也因此而減少。土壤有機(jī)碳含量的減少，往往意味著土壤pH升高、土壤容重升高、土壤含氮量下降以及土壤陽(yáng)離子交換強(qiáng)度減弱。因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合新疆相關(guān)的土壤數(shù)據(jù)資料，重點(diǎn)分析土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，以期為新疆碳循環(huán)研究提供豐富而準(zhǔn)確的信息，同時(shí)也為深入研究干旱區(qū)陸地碳循環(huán)機(jī)制和全球碳收支平衡提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處歐亞大陸腹地，我國(guó)西北邊陲，位于34°22′-49°33′ N，73°32′-96°21′ E，東西長(zhǎng)約1 900 km，南北最寬約1 500 km，總面積為1.663 1×106km2，約占全國(guó)陸地總面積的1/6，是我國(guó)最大的省級(jí)行政區(qū)。東部和南部與甘肅、青海、西藏三省(區(qū))接壤，西南與阿富汗、巴基斯坦、印度三國(guó)交界，西部、西北部與塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦、哈薩克斯坦、俄羅斯等國(guó)為鄰，東北部與蒙古毗連，國(guó)境線總長(zhǎng)5 300余km。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本研究所用的數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)第2次土壤普查后編寫(xiě)的《新疆土壤》[10]，數(shù)據(jù)中包括林地、草地、農(nóng)田和荒地的土壤剖面數(shù)據(jù)。提取的土壤指標(biāo)包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、pH、陽(yáng)離子交換量、容重和孔隙度(表1)，資料各參數(shù)并不十分完整，分析數(shù)據(jù)量存在較大差異，但均達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)大樣本要求，進(jìn)行相關(guān)分析的數(shù)據(jù)最少是47組數(shù)據(jù)，最多的是293組數(shù)據(jù)。

表1 主要土壤理化指標(biāo)的樣本數(shù)Table 1 The number of data points for each soil physicochemical parameter

1.3 數(shù)據(jù)分析

為了更準(zhǔn)確地了解并充分掌握新疆土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性，本研究利用了線性、指數(shù)和對(duì)數(shù)等研究相關(guān)分析的方法，對(duì)土壤有機(jī)碳與全氮、全磷、全鉀、土壤pH、陽(yáng)離子交換量、土壤容重和孔隙度相關(guān)分析進(jìn)行研究分析處理。繪圖采用Excel軟件完成，相關(guān)性的顯著性檢驗(yàn)使用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行單因素ANOVA方差分析，采用Pearson檢驗(yàn)法進(jìn)行土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析。當(dāng)達(dá)到顯著性時(shí)(P<0.05)，認(rèn)為二者存在顯著相關(guān)，可能存在直接或者間接的相互影響，否則不存在顯著相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量與土壤pH的相關(guān)性

對(duì)新疆土壤有機(jī)碳含量與土壤pH相關(guān)性分析結(jié)果表明，二者之間關(guān)系比較復(fù)雜，土壤有機(jī)碳含量與土壤pH一般表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，但有研究認(rèn)為剖析二者之間的關(guān)系時(shí)pH需要?jiǎng)澏ㄔ谝欢ǖ膮^(qū)域內(nèi)才有意義[11]。本研究中，在堿性環(huán)境中，土壤有機(jī)碳含量隨著pH的升高呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，即土壤有機(jī)碳與土壤pH極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(圖1)。

圖1 新疆土壤有機(jī)碳與pH的關(guān)系 Fig. 1 Correlation between soil pH and SOC in Xinjiang

2.2 土壤有機(jī)碳含量與全氮、全磷、全鉀含量的相關(guān)性

全氮含量是衡量土壤氮素總的潛在水平高低的指標(biāo)，在一定程度上顯示土壤氮的供應(yīng)能力，較高的含氮量常標(biāo)志著較高的氮素供應(yīng)水平。土壤全氮含量對(duì)土壤中微生物的活動(dòng)能力起著較大的影響作用，從某種程度上來(lái)說(shuō)，土壤有機(jī)碳的保持和質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于土壤中氮含量的多少[12]。相關(guān)性分析表明(圖2)，土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮含量極顯著正相關(guān)(P<0.000 1)，由此表明，土壤全氮含量的微小變化就能夠極顯著改變土壤總有機(jī)碳含量。

圖2 新疆土壤有機(jī)碳與全氮、全磷和全鉀的關(guān)系Fig. 2 Correlation between soil total N, P and K and SOC in Xinjiang

研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與全磷含量之間表現(xiàn)為指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(圖2)，即伴隨著土壤全磷含量的增長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)明顯的指數(shù)上升趨勢(shì)，但不顯著(P>0.05)。土壤有機(jī)碳含量與全鉀含量之間相關(guān)關(guān)系也未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(圖2)。

2.3 土壤有機(jī)碳含量與陽(yáng)離子交換量的相關(guān)性

研究結(jié)果表明(圖3)，研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與交換性陽(yáng)離子呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，即伴隨著土壤陽(yáng)離子交換量的增長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳含量呈明顯上升趨勢(shì)。

2.4 土壤有機(jī)碳含量與土壤容重的相關(guān)性

研究結(jié)果表明(圖4)，研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與土壤容重之間呈現(xiàn)顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，這表明土壤容重的升高會(huì)造成土壤有機(jī)碳含量的降低。

圖3 新疆土壤有機(jī)碳與陽(yáng)離子交換量的關(guān)系Fig. 3 Correlation between cation exchangeable capacity and SOC in Xinjiang

圖4 新疆土壤有機(jī)碳與容重的關(guān)系Fig. 4 Correlation between the soil bulk density and SOC in Xinjiang

2.5 土壤有機(jī)碳含量與土壤孔隙度的相關(guān)性

研究結(jié)果表明(圖5)，研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與土壤孔隙度之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平(R2=0.028 8，P>0.05)。這一研究成果與安曉娟等[13]的研究結(jié)果一致。

圖5 新疆土壤有機(jī)碳與孔隙度的關(guān)系Fig. 5 Correlation between the soil porosity and SOC in Xinjiang

3 討論

本研究中，對(duì)土壤有機(jī)碳與土壤pH相關(guān)研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與前人[14-16]對(duì)土壤有機(jī)碳含量與土壤pH的分析結(jié)果一致。新疆地區(qū)土壤多為堿性(pH>7.0)，土壤有機(jī)碳的累積量較小，按照其擬合方程推算，當(dāng)土壤更堿性化時(shí)，單位pH變化所引起的堿性化土壤(pH>7)有機(jī)碳累積量要低于偏酸性土壤(pH<7)。

對(duì)土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮、全磷、全鉀含量的相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳與土壤全氮量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即土壤全氮量變化同步于土壤有機(jī)碳含量，這是符合常理的，因?yàn)樾陆饕寥辣硗林写蠹s有80%以上的氮素是以有機(jī)態(tài)的形式存在的。由此，土壤含氮量的多少可憑借擬合方程通過(guò)土壤有機(jī)碳含量的高低趨勢(shì)來(lái)判讀獲取。磷素是一切生命體所絕對(duì)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，與土壤有機(jī)碳含量的高低息息相關(guān)[17]。但是，它們之間的相關(guān)性不顯著，這一結(jié)果與劉曾媛等[18]的研究結(jié)果相吻合，造成這一結(jié)果的原因可能是新疆地區(qū)土壤全磷含量大多數(shù)在0～1 g·kg-1，土壤缺乏磷素，而且供磷水平較低。土壤鉀素能夠促進(jìn)作物的呼吸作用和光合作用，同時(shí)也是作物體內(nèi)許多酶的活化劑，因此它是作物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素[10,19]。當(dāng)土壤中有機(jī)碳的含量增加時(shí)土壤中鉀素的釋放也越來(lái)越多。因此，研究鉀素與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系也有比較重要的意義。

土壤陽(yáng)離子交換量通常指土壤表面吸附的陽(yáng)離子與土壤溶液中的陽(yáng)離子相互進(jìn)行的等量交換過(guò)程[20]，其交換量的大小及交換過(guò)程的強(qiáng)弱是衡量土壤保肥供肥能力大小的主要特性之一。一般土壤有機(jī)碳含量越高，其陽(yáng)離子交換量也隨之越高[21]。因此可以通過(guò)耕作施肥的方法來(lái)增添土壤有機(jī)質(zhì)的含量，增強(qiáng)土壤的吸收性能，進(jìn)而使陽(yáng)離子交換量得到增強(qiáng)，充分發(fā)揮土壤的生產(chǎn)潛力，提升當(dāng)?shù)赝寥赖谋７使┓誓芰Α?/p>

土壤容重又稱土壤假比重，通常指田間自然的狀況下單位容積的土體(包含土粒及空隙)的質(zhì)量或者重量，是衡量土壤肥沃或貧瘠和耕作質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)[22]。本研究表明，土壤有機(jī)碳含量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果[13,23]一致。這是由于土壤容重的升高，改變了土壤的水分、空氣、熱量狀況，使土壤孔隙度逐步降低，土壤結(jié)構(gòu)性不斷下降，土體逐漸變得緊實(shí)致密，從而致使土壤有機(jī)碳含量的流失。

土壤適宜的孔隙度，有利于土壤結(jié)構(gòu)的形成，使土壤具有良好的吸水、蓄水和保肥性能，有助于有效解決土壤透水性與蓄水性之間的矛盾[24]。因此，土壤孔隙度與土壤有機(jī)碳之間存在正相關(guān)性，即土壤有機(jī)碳的分解會(huì)促進(jìn)土壤孔隙度的增高，同時(shí)，土壤孔隙度的增高又促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累。

4 結(jié)論

土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮、陽(yáng)離子交換量均呈顯著正相關(guān)。其中，與全氮量的相關(guān)性最大(P<0.000 1)。土壤有機(jī)碳含量與土壤pH、容重呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明土壤pH和容重對(duì)土壤有機(jī)碳含量的變化具有相反的作用；在一定范圍內(nèi)土壤pH下降有利于促進(jìn)土壤有機(jī)碳含量的積累；容重下降，可以形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤水、肥、氣、熱的貯存、供應(yīng)與調(diào)節(jié)，使土壤的抗沖性和抗蝕性增強(qiáng)，可改善新疆地區(qū)土壤的生態(tài)功能。土壤有機(jī)碳含量與全磷、全鉀、土壤孔隙度的相關(guān)性沒(méi)有達(dá)到顯著水平。從本研究結(jié)果來(lái)看，在關(guān)注土壤有機(jī)碳含量變化的同時(shí)也需要密切關(guān)注土壤其它理化性質(zhì)的改變，進(jìn)一步掌握它們之間的變化規(guī)律，并且考慮它們之間的相互補(bǔ)償作用。

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(責(zé)任編輯 王芳)

Soil organic carbon in relation to soil physicochemical properties in Xinjiang

Feng Jin1, Cui Dong1,2,3, Sun Guo-jun4, Liu Hai-jun1
(1.College of Biology and Geography, Yili Normal University, Yining 835000, China;2.College of Resources and Environment Science, Xinjiang University/Key Laboratory of Oasis Ecology of Ministry of Education, Urumqi 830046, China; 3.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 4. School of History Agriculture and Tourism, Hexi University, Zhangye 734000, China)

Analysing the relevance between variable soil physicochemical properties and soil organic carbon (SOC) content using soil data available from Xinjiang Uygur Autonomous Region will help us in farming using scientific fertilization and management of the Xinjiang soil. Significant and positive correlations were found between soil total nitrogen, cation exchange capacity, and the SOC content. Among them, the strongest correlation was between the quantity of SOC and total nitrogen (P<0.0001, the determination coefficientR2=0.936 7). Soil pH and the soil bulk density showed negative correlation with SOC content (P<0.05). The total phosphorus, total potassium, soil porosity, and soil organic carbon content was not significantly correlated (P>0.05). The results can help to scientifically analyse the contribution and ecological significance of the soil ecosystem in arid areas in the global climate change scenario.

soil organic carbon; soil physicochemical properties; soil porosity percentage; soil bulk density; cation exchange capacity

Cui Dong E-mail：cuidongw@126.com

2016-07-15 接受日期：2016-12-19

伊犁師范學(xué)院植物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科科研項(xiàng)目(YLUPE201601T)

馮錦(1993-)，女，寧夏西吉人，在讀碩士生，主要從事土壤生態(tài)研究。E-mail:1633678281@qq.com

崔東(1984-)，男，新疆烏魯木齊人，講師，在讀博士生，主要從事干旱區(qū)土壤地理與環(huán)境變化研究。E-mail：cuidongw@126.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0376

S153.6+2

A

1001-0629(2017)04-0692-06

馮錦,崔東,孫國(guó)軍,劉海軍.新疆土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性.草業(yè)科學(xué),2017,34(4)：692-697.

Feng J,Cui D,Sun G J,Liu H J.Soil organic carbon in relation to soil physicochemical properties in Xinjiang.Pratacultural Science，2017,34(4)：692-697.