吉林省主要旱田土壤有機(jī)碳·氮和碳氮比的空間分布特征

王秋彬，于衛(wèi)昕，王年一，劉振剛，戚昕元

(吉林省土壤肥料總站(吉林省黑土地質(zhì)量保護(hù)監(jiān)測(cè)中心)，吉林長(zhǎng)春 130033)

土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是植物生長(zhǎng)必需營(yíng)養(yǎng)元素的主要來源，不僅反映土壤肥力水平，也印證區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律[1]。二者之間的耦合關(guān)系可以用土壤碳氮比來表示，它既是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，也是衡量土壤碳、氮營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)[2]。前人對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的時(shí)空變異特征開展了大量的研究[3-5]，但研究尺度多集中在中、微觀尺度(如小流域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣域和市域等尺度)，而在較大的地理空間尺度上(如省域尺度)的研究相對(duì)較少。

吉林省位于我國(guó)東北地區(qū)中部，是我國(guó)糧食生產(chǎn)大省，也是國(guó)家確定的糧食功能生產(chǎn)區(qū)之一。2020年吉林省糧食總產(chǎn)量達(dá)380.3億kg，連續(xù)8年突破350.0億kg，居全國(guó)第5位[6]。土壤有機(jī)碳、全氮和土壤碳氮比是表征耕地質(zhì)量的重要因素，掌握耕地土壤有機(jī)碳、氮和碳氮比的空間分布特征是有效應(yīng)對(duì)糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)[7-8]。土壤有機(jī)碳、氮和碳氮比受地區(qū)水熱條件影響較大，根據(jù)主要?dú)夂蛞蛩睾屯寥李愋?，吉林省可劃分為半干旱、半濕?rùn)、濕潤(rùn)3個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)[9]，該研究選取前郭、德惠、敦化等16個(gè)典型縣分別代表3個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，通過對(duì)2016—2019年測(cè)土配方施肥和耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以及2017年輪作休耕試點(diǎn)項(xiàng)目旱田耕層土樣數(shù)據(jù)的分析，探討了吉林省旱田土壤有機(jī)碳、氮及碳氮比的空間分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況該研究采用陳學(xué)求等[9]對(duì)吉林省農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的劃分方法，根據(jù)年降雨量、氣溫、積溫、土壤類型等因素，將吉林省劃分為半干旱、半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)3個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)類型區(qū)。在半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(包括乾安、前郭等10個(gè)市縣)選取乾安、前郭和雙遼3個(gè)市縣，該區(qū)年平均氣溫5.6～7.6 ℃，年降雨量388.5～507.8 mm，積溫2 800～3 000 ℃·d，土壤類型主要為黑鈣土和風(fēng)沙土，土壤pH大多在8以上、呈堿性；在半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(包括長(zhǎng)春、德惠等11個(gè)市縣)選取德惠、公主嶺、伊通、梨樹、東遼5個(gè)市縣，該區(qū)年平均氣溫5.9～7.7 ℃，年降雨量403～664 mm，積溫2 600～2 800 ℃·d，土壤類型主要為黑土類，土壤pH 平均7左右、呈中性，是吉林省玉米主產(chǎn)和高產(chǎn)區(qū)；在濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(包括長(zhǎng)白區(qū)、敦化區(qū)等7個(gè)局部生態(tài)區(qū))選取敦化、安圖、琿春、渾江、撫松、蛟河、龍井、樺甸8個(gè)市縣，該區(qū)氣候和地理分布復(fù)雜，年平均氣溫3.7～8.4 ℃，年降雨量521.1～1 349.1 mm，其中600～800 mm占多數(shù)地區(qū)，900～1 300 mm只是局部地區(qū)，積溫2 100～3 000 ℃·d，局部地區(qū)在3 000 ℃·d以上，土壤類型以白漿土為主，土壤pH在6以下、呈酸性[9]。

1.2 土壤采樣與測(cè)定土壤樣品按照NY/T 1121.1—2006《土壤檢測(cè) 第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存》于2016—2019年采集和處理，每年采樣點(diǎn)不重復(fù)，每一樣點(diǎn)采用多點(diǎn)混合的方法采集土樣，采樣深度為0～20 cm，共28 820個(gè)樣品，其中半干旱區(qū)采樣3 826個(gè)、半濕潤(rùn)區(qū)17 471個(gè)、濕潤(rùn)區(qū)7 523個(gè)。采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定土壤有機(jī)碳，用半微量凱氏法測(cè)定土壤全氮。土壤碳氮比、有機(jī)碳與全氮間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)系數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 20.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳與全氮的關(guān)系據(jù)對(duì)28 820個(gè)樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，吉林省旱田土壤有機(jī)碳含量為1.16～177.48 g/kg，平均為15.47 g/kg，變異系數(shù)為44.19%；土壤全氮含量為0.212～12.020 g/kg，平均為1.581 g/kg，變異系數(shù)為44.03%；兩者均屬中等程度的變異。相關(guān)分析表明(圖1)，全部旱田土壤樣品的有機(jī)碳與全氮含量呈明顯的線性關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.775 1(P<0.01)，表明吉林省旱田土壤有機(jī)碳與全氮存在較為穩(wěn)定的線性關(guān)系，是普遍現(xiàn)象。

圖1 吉林省旱田土壤有機(jī)碳和全氮的關(guān)系Fig.1 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen in dry farmland in Jilin Province

對(duì)半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)3 826個(gè)樣點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該區(qū)旱田土壤有機(jī)碳含量為2.21～19.32 g/kg，平均為8.81 g/kg，變異系數(shù)為25.08%；土壤全氮含量為0.251～3.010 g/kg，平均為0.723 g/kg，變異系數(shù)為43.54%；土壤有機(jī)碳與全氮呈明顯的線性關(guān)系(圖2a)，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.482 4(P<0.01)。據(jù)對(duì)半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)17 471個(gè)樣點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，半濕潤(rùn)區(qū)旱田土壤有機(jī)碳含量為2.12～39.61 g/kg，平均為14.77 g/kg，變異系數(shù)為35.00%；土壤全氮含量為0.212～3.300 g/kg，平均為1.496 g/kg，變異系數(shù)為30.06%；土壤有機(jī)碳與全氮呈明顯的線性關(guān)系(圖2b)，相關(guān)系數(shù)為0.684 7(P<0.01)。濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)7 523個(gè)樣點(diǎn)的旱田土壤有機(jī)碳含量為1.16～177.48 g/kg，平均為20.48 g/kg，變異系數(shù)為39.58%；土壤全氮含量為0.313～12.023 g/kg，平均為2.214 g/kg，變異系數(shù)為33.32%；土壤有機(jī)碳與全氮呈明顯的線性關(guān)系(圖2c)，相關(guān)系數(shù)為0.677 0(P<0.01)。

圖2 吉林省半干旱(a)、半濕潤(rùn)(b)和濕潤(rùn)(c)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田土壤有機(jī)碳和全氮的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen in dry farmland of semi-arid(a)，semi humid(b)and humid(c)agro ecological regions in Jilin Province

2.2 旱田土壤碳氮比的特征一般來說，土壤碳氮比可反映土壤肥力的水平，供肥能力較高的土壤，碳氮比較低，相應(yīng)地，碳氮比較高的土壤，其供肥能力較低。據(jù)對(duì)28 820個(gè)樣品相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，吉林省旱田土壤碳氮比在3.50～24.95，中位值為10.15，平均為10.41，變異系數(shù)為30.65%，其中半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田土壤碳氮比在3.52～20.47，中值為14.72，平均為13.54，變異系數(shù)為27.99%；半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田土壤碳氮比在3.50～24.95，中值為10.13，平均為10.13，變異系數(shù)為27.89%；濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田土壤碳氮比在3.50～20.49，中值為9.31，平均為9.45，變異系數(shù)為28.09%。

吉林省旱田土壤碳氮比主要分布在8～11，占比41.17%。由圖3可知，半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田土壤碳氮比主要分布在14～17，占比43.10%，其頻率不符合正態(tài)分布，可能與樣本選取量不夠有關(guān)；半濕潤(rùn)生態(tài)區(qū)旱田土壤碳氮比的頻率呈正態(tài)分布，主要分布在8～11，占比47.52%；濕潤(rùn)生態(tài)區(qū)旱田土壤碳氮比的頻率主要分布在5～11，占比76.09%。可見，吉林省各農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田土壤碳氮比差異較大，半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)普遍高于半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)最低。

圖3 旱田土壤碳氮比的頻率分布Fig.3 Frequency distribution of soil carbon-nitrogen ratio in dry farmland

3 結(jié)論與討論

吉林省旱田土壤有機(jī)碳含量平均為15.47 g/kg，全氮含量平均為1.581 g/kg，其中，半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田土壤有機(jī)碳含量平均為8.81 g/kg，全氮含量平均為0.723 g/kg；半濕潤(rùn)區(qū)土壤有機(jī)碳含量平均為14.77 g/kg，全氮含量平均為1.496 g/kg；濕潤(rùn)區(qū)土壤有機(jī)碳含量平均為20.48 g/kg，全氮含量平均為2.214 g/kg。旱田表層土壤有機(jī)碳和全氮含量均呈現(xiàn)半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)<半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)<濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的空間分布特征，且各區(qū)土壤有機(jī)碳與全氮均呈明顯的線性關(guān)系，說明旱田土壤的有機(jī)碳和全氮變化基本同步。

張春華等[10]研究表明，松嫩平原玉米帶(農(nóng)安、德惠、九臺(tái)、公主嶺)1980—2005年土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量都有不同程度的增加，其中土壤有機(jī)質(zhì)變化較為明顯，1980和2005年土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別為2.14%和2.54%，折算為有機(jī)碳分別為12.41和14.73 g/kg，其中2005年的土壤有機(jī)碳含量平均值與該研究半濕潤(rùn)區(qū)的土壤有機(jī)碳含量平均值(14.77 g/kg)基本一致；1980和2005年土壤全氮的平均含量無顯著差異，平均值均為0.12%，低于該研究半濕潤(rùn)區(qū)土壤全氮的平均含量(0.149 6%)，說明2005年以來開展的測(cè)土配方施肥項(xiàng)目有效提升了該區(qū)域土壤全氮含量，土壤有機(jī)質(zhì)含量還有較大上升空間。

與僅考慮土壤碳、氮自身的變異特征相比，綜合土壤碳氮比更能準(zhǔn)確地描述土壤碳、氮變化的特點(diǎn)[11]。一般耕作土壤表層碳氮比在8∶1～15∶1，平均在10∶1～12∶1[12]，合適的土壤碳氮比可協(xié)調(diào)土壤有機(jī)物質(zhì)中養(yǎng)分的釋放，維持較高的土壤微生物活性?？等辗宓萚13]對(duì)1988—2013年東北黑土區(qū)土壤養(yǎng)分演變特征進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1988—2013年黑土監(jiān)測(cè)區(qū)土壤碳和氮含量均逐年顯著增加，但碳氮比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從1988年的10.3降至2013年的9.6，下降6.8%。該研究中，吉林省旱田土壤碳氮比平均為10.41，與康日峰等[13]的研究中1988年的碳氮比基本持平，表明碳素與氮素的增加速度較協(xié)調(diào)，作物秸稈還田和化學(xué)肥料的施用補(bǔ)充了作物高產(chǎn)引起的地力虧缺，減緩了有機(jī)質(zhì)的分解礦化速度，有利于有機(jī)物質(zhì)的積累，提高了土壤固碳能力。半干旱、半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)旱田表層土壤碳氮比平均分別為13.54、10.13、9.45，呈現(xiàn)濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)<半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)<半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的空間分布特征。

土壤碳氮比是有機(jī)碳、氮輸入與輸出長(zhǎng)期平衡的結(jié)果，并與輸入的有機(jī)物質(zhì)組分、氮肥施用、土壤性狀和土地利用方式等有關(guān)[1，14-15]。正是由于進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)主要是通過微生物的作用來實(shí)現(xiàn)降解，因此，通過微生物長(zhǎng)期作用形成的有機(jī)物質(zhì)(多為腐殖質(zhì))中有機(jī)碳與氮素的比例較為穩(wěn)定。微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)正常分解的碳氮比為25∶1，輸入物中有機(jī)碳與全氮比例較高的耕地其土壤有機(jī)碳與全氮的比例一般也較高，禾本科作物莖稈的碳氮比可達(dá)(60～100)∶1，豆科作物莖桿的碳氮比多在(15～20)∶1，進(jìn)入土壤后其通過微生物的分解碳氮比逐漸下降，如果碳氮比過大，微生物的分解作用就慢，有機(jī)碳消耗也較多[16]。

半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)水熱條件適宜作物生長(zhǎng)，該區(qū)旱田土壤有機(jī)碳、全氮含量較高，土壤碳氮比適宜，是吉林省的糧食主產(chǎn)區(qū)，一方面，應(yīng)避免盲目增加氮肥施用量，重點(diǎn)放在提高氮肥利用率和氮肥管理水平上，與有機(jī)物質(zhì)協(xié)調(diào)施用；另一方面繼續(xù)大力推廣秸稈還田技術(shù)，增加農(nóng)家肥、有機(jī)肥的使用，在追求高產(chǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)土壤碳、氮之間的平衡，促進(jìn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)積溫高但干旱少雨，該區(qū)旱田土壤有機(jī)碳、全氮含量較低，土壤碳氮比較高，土壤微生物活性低，不利于有機(jī)養(yǎng)分的分解、釋放，應(yīng)在做好抗旱保墑的基礎(chǔ)上，合理調(diào)控氮肥施用量，保證產(chǎn)量，施用腐熟后的有機(jī)物料，逐步改善土壤理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳、全氮含量，降低土壤碳氮比。濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)降雨量適宜但積溫低，該區(qū)旱田土壤有機(jī)碳、全氮含量高，但有效土層薄，土壤碳氮比較低，在農(nóng)作物生長(zhǎng)期土壤微生物活性高，易加速土壤原有碳和新鮮的有機(jī)碳的分解礦化，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，應(yīng)在合理減少氮素投入的同時(shí)，采取秸稈還田結(jié)合增施有機(jī)肥措施，增加有機(jī)碳的歸還，保持旱田土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。