江苏省土壤有机质变异及其主要影响因素

2013-09-15赵明松张甘霖李德成赵玉国

生态学报 2013年16期

赵明松，张甘霖，李德成，赵玉国

(1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008;2.中国科学院大学，北京 100049)

土壤有机质(SOM)是土壤的重要组成物质，对改善土壤物理、化学性质以及植物的生长起着重要作用，是评价土壤肥力和质量的重要指标［1］。SOM是全球碳循环过程中重要的碳库［2-3］，农田SOM中的碳是陆地生态系统碳储量的重要组成部分［4］。全球约有1500 Pg碳以土壤有机碳形式存在，总量约是全球植被碳储量的3倍，是大气中碳储量的2倍［5-7］。因此研究SOM其分布状况、变异规律及其主要影响因素是评估区域土壤碳储量，实现土壤可持续利用的前提，也是土壤质量研究的重要内容。

气候、地形、母质、植被等自然因素和人为因素共同作用形成了不同的土壤类型，各种因素相互作用的差异，导致了土壤性质的变异［8］。目前关于SOM与自然因素间的关系研究较多。气候(气温和降雨)在很大程度上决定了植被的类型、产量和植物残体的分解过程，是SOM的重要控制因子［9-10］，气温和降雨的综合作用决定了其地理地带性分布［5，9-13］。一般而言随降雨的增加和气温的降低，SOM含量增加，且气温和降雨对其影响作用的大小有差异。母质是土壤形成的物质基础［1］，土壤在形成过程中继承了成土母质的部分属性，因此在区域尺度上研究SOM的影响因素时，成土母质是不容忽视的因素［14-15］。土壤质地在局部范围内影响SOM含量［16-18］。一般认为，SOM含量随粉粒和黏粒含量增加而增加［19-21］，也有研究表明，黏粒含量无法解释SOM的变异［22-23］，这表明土壤质地对SOM的影响存在区域差异。土壤pH通过影响微生物的活性，从而影响有机质的合成和降解，最终影响SOM的积累［24］。人为因素对SOM的影响在一定范围内会远超过自然因素的影响程度，研究表明耕地与非耕地之间SOM存在显著差异［25-26］。

目前，在省域尺度上土壤有机碳密度的影响因素已有些研究［27-28］，主要是气候寒冷的东北地区和高温湿热的西南地区，但是对于东部湿润地区的研究较少。

江苏省地处黄淮平原和长江三角洲地区，农业历史悠久，是国家重要的粮食生产基地，研究其SOM变异及其主要影响因素，对于提高土壤固碳能力、提高粮食产量具有重要意义。本研究以江苏省第二次土壤普查资料为基础，运用方差分析和逐步回归分析等方法并探讨了气候、成土母质、土地利用、土壤质地和pH对SOM的影响，探求省域尺度上SOM的主要影响因素。为江苏省进一步提升土壤质量、改善土壤肥力、发展生态高值农业等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江苏省(116°18'—121°57'E，30°45'—35°20'N)地处我国大陆东部沿海中心，长江、淮河下游，东濒黄海，西接安徽，北接山东，面积10.26万km2。全省处于亚热带向暖温带过渡地带，大致以淮河—苏北灌溉总渠一线为界，以南属亚热带湿润季风气候，以北属暖温带湿润季风气候。年均气温13—16℃，年均降雨量800—1200 mm［29］。境内地势低平，河湖众多，平原区、低山丘陵岗地区和水域，面积分别占69%、14%和17%。低山丘陵集中分布在西南和东北部，系沂沭低丘岗地、宁镇丘陵;平原系徐淮黄泛平原、里下河平原、滨海平原、沿江平原和太湖平原。主要的土壤类型有水稻土、潮土、砂姜黑土、滨海盐土、黄棕壤、黄褐土、棕壤、褐土、红壤、粗骨土、石灰岩土、基性岩土、紫色土和沼泽土等。

1.2 数据来源

数据来源于江苏省第二次土壤普查(1979—1982年)资料，包括《江苏土种志》［30］和各市、县土壤志①本研究收集的土壤普查资料共60本:《江苏土种志》(1996年)，《南京市土壤志》(1987年)，《六合县土壤志》(1985年)，《江浦县土壤志》(1985年)，《高淳县土壤志》(1985年)，《无锡市土壤志》(1989年)，《宜兴县土壤志》(1988年)，《江阴县土壤志》(1984年)，《徐州市郊区土壤志》(1985年)，《丰县土壤志》(1986年)，《沛县土壤志》(1986年)，《邳县土壤志》(1986年)，《睢宁县土壤志》(1985年)，《新沂县土壤志》(1984年)，《铜山县土壤志》(1986年)，《常州市郊区土壤志》(1985年)，《金坛县土壤志》(1985年)，《武进县土壤志》(1985年)，《溧阳县土壤志》(1985年)，《沙洲县(张家港市)土壤志》(1984年)，《昆山县土壤志》(1984年)，《吴江县土壤志》(1983年)，《太仓县土壤志》(1986年)，《南通县土壤志》(1985年)，《启东县土壤志》(1985年)，《如东县土壤志》(1983年)，《如皋县土壤志》(1987年)，《海安县土壤志》(1985年)，《海门县土壤志》(1984年)，《赣榆县土壤志》(1985年)，《东海县土壤志》(1985年)，《灌南县土壤志》(1985年)，《灌云县土壤志》(1984年)，《淮安县土壤志》(1986年)，《涟水县土壤志》(1985年)，《洪泽县土壤志》(1984年)，《盱眙县土壤志》(1985年)，《金湖县土壤志》(1985年)，《盐城县土壤志》(1986年)，《响水县土壤志》(1986年)，《滨海县土壤志》(1988年)，《射阳县土壤志》(1986年)，《阜宁县土壤志》(1984年)，《东台县土壤志》(1983年)，《大丰县土壤志》(1984年)，《建湖县土壤志》(1986年)，《扬州市土壤志》(1985年)，《宝应县土壤志》(1987年)，《仪征县土壤志》(1984年)，《高邮县土壤志》(1985年)，《江都县土壤志》(1983年)，《镇江市土壤志》(1987年)，《丹阳县土壤志》(1986年)，《扬中县土壤志》(1985年)，《泰县土壤志》(1984年)，《兴化县土壤志》(1984年)，《泰兴县土壤志》(1985年)，《宿迁县土壤志》(1986年)，《泗洪县土壤志》(1985年)，《泗阳县土壤志》(1985年)中记录的典型土壤剖面。根据中国土壤发生分类系统，这些土壤剖面分属于14个土类、33个亚类和94个土属。土壤剖面信息主要包括采样点景观、成土母质、土地利用、土壤理化性质等。本研究以表层(0—20 cm)SOM含量为研究对象。第二次土壤普查按照发生层采样，对于深度大于20 cm的土层数据不做处理，对于小于20 cm的土层，以土层深度为权重取0—20 cm内的所有土层的加权平均值。SOM含量采用重铬酸钾(K2Cr2O7)氧化-滴定法测定。采用SOM含量平均值加减3倍标准差剔除极端值［31］，最终用于分析的样点数目为1519个。

年均温(MAT)和年均降雨量(MAP)数据，来自中国农业科学院农业资源与农业区划研究所中国生态环境背景层面建造项目完成的栅格数据(1 km分辨率)，为1980—1999年的年平均值。在GIS支持下，根据地形图、行政区划变更信息等资料，将剖面点位置空间化，从气候栅格数据中提取各样点的年均温和年降雨量数据。

1.3 数据分析

采用方差分析和回归分析，研究年均温、年均降雨量、成土母质、土地利用、土壤质地和土壤pH对SOM的影响，利用SPSS13.0 for Windows完成。进行方差分析时，将年均温分为＜14℃、14—15℃、15—16℃ 3个温度带，年均降雨量分为＜800 mm、800—900 mm、900—1000 mm、1000—1100 mm、＞1100 mm 5 个降雨带，土壤pH划分为＜5.0、5.0—6.5、6.5—7.5、7.5—8.5、＞8.5等5级。成土母质、土壤质地和土地利用为多分类变量，进行回归分析时采用哑变量为其赋值［32］。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质含量统计特征

全省SOM含量(图1)为1.3—52.4 g/kg，极差为51.1 g/kg;平均含量为16.55 g/kg，中位数为14.9 g/kg，低于且接近平均值。中等变异，变异系数为51.36%。偏度和丰度系数分别为1.12和1.75，属于偏态分布，经对数变换后符合正态分布。

图1 江苏省土壤有机质含量频率分布Fig．1 Frequency distribution of SOM content in Jiangsu Province

全省不同土壤类型的SOM含量相差较大(表1)，其含量由高到低依次是沼泽土、石灰岩土、水稻土、基性岩土、粗骨土、红壤、黄棕壤、紫色土、砂姜黑土、黄褐土、滨海盐土、潮土、褐土、棕壤。由于沼泽土长期受地表水和地下水浸润，沼泽植被生长茂盛，土壤好气微生物受到强烈的抑制，有机物质处于腐殖化过程不能完全分解，有机质大量累积，所以其平均含量最高，为31.60 g/kg;棕壤最低，为8.69 g/kg。潮土和水稻土是全省主要的土壤类型，分别占土壤总面积的41%和36%，潮土有机质平均含量为11.87 g/kg，与全省相比低了4.68 g/kg，水稻土有机质平均含量为21.03 g/kg，与全省相比高了4.48 g/kg。不同利用方式下SOM含量差异较大，其含量由高到低依次是林地、草地、水田和旱地;其变异水平相差也较大，总体上表现为自然土壤(林地和草地)的SOM含量变异大于耕作土壤(水田和旱地)，表明长期的耕作降低了SOM的变异程度，这与张勇等［34］研究结果一致。

表1 江苏省土壤有机质统计特征值Table1 Characteristic of descriptive statistics for SOM content in Jiangsu

2.2 各因子影响土壤有机质变异的差异性

年均温、年均降雨量、成土母质、土地利用、土壤质地和土壤pH对SOM含量的方差分析结果(表2)结果表明，不同的年均温、年均降雨量、成土母质、土地利用、土壤质地和土壤pH间的SOM含量均存在极显著差异(P＜0.001)，各因子对其变异均有显著影响。F值为组间均方与组内均方的比值，表示不同分组间样本均数的差别，其值越大说明不同分组间的差异越明显。不同因子的方差分析F值差异较大，其中土壤pH的F值最小，为36.52，年均温的F值最大，为167.17，说明各因子对SOM变异的影响存在着差异性。

表2 江苏省各因子影响土壤有机质的方差分析结果Table 2 Analysis of variance for SOM affected by factors in Jiangsu

2.3 各因子对土壤有机质变异影响的大小

方差分析能能定性分析各因子对SOM影响的差异性，但不能定量比较各因子的重要性。本研究通过回归分析方法，比较各方程的调整判定系数，确定各因子对SOM变异影响的大小(表3)。各因子中，土壤质地对SOM含量变异的独立解释能力最大，能解释其变异的32.0%;年均温和年均降雨量对SOM含量变异的独立解释能力也较大，分别为23.4%和20.9%。土壤pH对SOM含量变异的独立解释能力最小，仅能解释其变异的8.6%。

表3 各因子对土壤有机质变异的独立解释能力/%Table 3 Fraction of SOM variability contributed by individual variables

通过逐步回归分析判定各因子对SOM含量变异的综合解释能力和各因子对其影响的相对重要性。表4为各因子对SOM含量逐步回归分析结果，R2§为除该变量外的其它变量对SOM进行逐步回归的判定系数，其值越大，说明该变量对有机质变异的解释越弱;△R2为在其它变量的基础上增加该变量时，回归方程决定系数的增量，△R2越大，说明该变量在回归方程中越重要;R2偏为偏决定系数，是指新加入回归方程的变量所能解释的部分占缺少该变量时回归方程未能解释的部分的比例，其值越大说明新加入的变量越重要;R2adj为调整决定系数，指回归方程中的所有自变量对因变量变异性的综合解释能力。6个因子对江苏省SOM变异的综合解释能力，达52.6%。各因子中，土壤质地对SOM的影响最大，其R2§最小，为0.283，说明在江苏省不考虑年均温时，剩余5个因子仅能解释SOM变异的28.3%，其△R2最大，为0.243，说明当加入年均温时，能够使回归方程对SOM变异的解释能力增加24.3%;其次是年均温。土壤pH对SOM变异的影响最小，在回归方程中加入土壤pH时，仅能使方程的解释能力增加不足1%。

表4 各因子对土壤有机质变异逐步回归分析结果Table 4 Stepwise regression analysis of factors contributing to variability of SOM content

3 讨论

3.1 年均温和年均降雨量对土壤有机质变异的影响

江苏省SOM含量与年均温和年均降雨量呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.467和0.439(表5)。全省大部分地区为耕地，人为耕作大大削弱自然因子对SOM的影响，灌溉措施显著降低了降雨对SOM的影响，使其受气温的影响大于降雨［25］，这与我国滇黔桂地区［27］和东北地区［28］类似。与滇黔桂和东北地区的研究相比，在东部湿润地区气候因子对SOM变异的影响减弱，土壤质地成为江苏省SOM变异的主要影响因素，其次是年均温。年均温对全省SOM变异的独立解释能力为23.4%;在东北地区和滇黔桂地区，年均温能够独立解释其变异的31.9%和24.7%。这主要因为本研究区纬度跨度较小30°45'—35°20'N、年均温变化较小13—16℃，而东北地区纬度跨度大38°40'—53°30'N、年均温差异明显-4—11℃，滇黔桂地区纬度跨度较大20°53'—29°15'N，加之该地区地形十分复杂，年均温差异明显5—24℃。Wang等［33］研究表明气候因子对SOM的影响有幅度效应，在较大的空间尺度上气候因子强烈影响SOM的分布。

年均温和年均降雨量对SOM变异的独立解释能力，分别为23.4%和20.9%，而逐步回归分析表明年均温对SOM变异的相对重要性远大于年均降雨量，ΔR2分别为0.202和0.012，这主要是由于年均温和年均降雨量极显著正相关引起的，相关系数为0.823。偏相关分析(表5)表明，以年均温为控制变量时SOM与年均降雨量的相关性降低，偏相关系数为0.110，这表明SOM与降雨量的相关性和较高的独立解释SOM变异的能力是由于年均降雨量与年均温的相关性引起的。

本研究中，年均温与SOM含量的相关系数和偏相关系数均为正，即在温度较高的长江以南地区SOM含量较高，温度较低的苏北地区含量较低，这与大量研究结论相反［25，33-34］。结合区域特点分析，认为有以下原因:一方面，长江以南地区降雨、温度等气候条件较北部更适宜植物生物，生物量较大，加上长期精耕细作，有机物质输入量较多，使得SOM含量较高;另一方面南部太湖平原和里下河平原水网密集，河网密度①根据国家基础地理信息中心，1∶25万基础数据中河流的总长度比上相应的地理区域面积求得分别为1.72 km/km2和为2.01 km/km2，该区地势低平地下水位较浅，加之降雨分配较平均，集中在4—10月，且冬季降雨较丰富，土壤长期处于湿润环境中，有机质易于累积;相反苏北徐淮平原河网密度较小1.21 km/km2，地下水位较深，降雨主要集中在6—9月，冬季降雨少，土壤常处于干湿交替环境中，有机质矿化分解较快。

表5 土壤有机质与气候因子的相关系数和偏相关系数Table 5 Correlation coefficients and partial correlation coefficients between SOM content and climatic factor

3.2 不同土壤类型间颗粒组成对土壤有机质影响的差异性

为了比较不同土壤类型间SOM含量和土壤颗粒组成的相关性差异，在各地理区域内主要的土壤类型中随机选取90个样本进行相关分析，其中徐淮平原和沿江平原主要选择潮土，里下河平原、宁镇丘陵和太湖平原主要选择水稻土，滨海平原主要选择滨海盐土。各地理区域内主要土壤类型的SOM含量和颗粒组成见表6。

各地理区域主要土壤类型的SOM含量和物理性砂粒(0.01—1 mm)含量、物理性黏粒(＜0.01 mm)含量相关性分析结果(图2)表明，各地理区域内，SOM含量与土壤颗粒组成均呈极显著相关(P＜0.01);比较相关系数绝对值，除徐淮平原和太湖平原外，各地理区域内SOM含量和土壤颗粒组成的相关性为物理性砂粒＞物理性黏粒。不同地理区域间，土壤颗粒组成对SOM的作用不同，其相关性为北部地区＞南部地区，由北向南相关性减弱。徐淮平原和太湖平原的SOM含量和物理性砂粒相关系数分别为-0.704和-0.291，二者相差1.4倍。不同土壤类型间，SOM含量和土壤质地的相关性为潮土＞水稻土＞滨海盐土，潮土和滨海盐土的SOM含量和物理性砂粒相关系数分别为-0.704和-0.314，二者相差1.2倍。

表6 各地理区域主要土壤类型的有机质含量和颗粒组成Table 6 Soil organic matter contents and particle size distributions in different geographic regions

不同土壤类型，SOM含量和土壤颗粒组成的相关性差异，主要是土壤所处的环境和人为因素造成的［35］。SOM的周转过程主要受土壤水分、温度、质地、有机物质的输入等的影响［36］。水稻土表层长期处于淹水条件，土壤处于还原状态，有机质分解缓慢，水分条件是有机质累积与分解的主控因素，土壤颗粒组成对有机质的影响稍弱;而潮土表层处于氧化状态，有机质的分解较水稻土快速，水分条件较差，对有机质的作用较弱，因此对于旱作土壤，质地对有机质的作用较强。

图2 各地理区域主要土壤类型的有机质含量与土壤质地的相关性拟合图Fig．2 Correlation between soil organic matter and soil texture in different geographic regions A为徐淮平原，B为沿江平原，C为里下河平原，D为宁镇丘陵，E为太湖平原，F为滨海平原

3.3 相同土壤类型内颗粒组成对土壤有机质影响的差异性

相同的土壤类型在不同地理区域间，土壤颗粒组成对SOM的作用也存在差异。潮土的SOM含量和土壤颗粒组成的相关性为:徐淮平原＞沿江平原;水稻土的SOM含量和土壤颗粒组成的相关性为:里下河平原＞宁镇丘陵区＞太湖平原。这些差异除了上述分析的气候、母质等因素的差异所引起以外，主要由于土壤的细颗粒(黏粒和粉粒)对有机质的物理保护能力，存在一定的饱和限度。土壤细颗粒的物理属性(如表面积)是有限的，这使得细颗粒对有机质的保护功能也是有限的，从而使得SOM存在最大含量［37］，因此，随着区域SOM含量的增加，由土壤细颗粒吸附稳定的有机质含量也趋于饱和，能继续吸附的有机质的能力逐渐减弱，SOM和土壤颗粒组成的相关性减弱。徐淮平原和沿江平原潮土的SOM和物理性黏粒平均含量分别为(9.23±4.22)g/kg和(32.88±17.36)%，(13.37±4.22)g/kg和(31.14±14.22)%。徐淮平原和沿江平原的土壤物理性黏粒含量相当，而沿江平原的SOM含量较高，其细颗粒继续吸附有机质的能力比徐淮平原减弱，因此表现出SOM和土壤颗粒组成的相关性较低。里下河平原、宁镇丘陵区和太湖平原水稻土的SOM和物理性黏粒平均含量，分别为(23.09±7.34)g/kg和(54.13±11.35)%，(18.43±5.73)g/kg和(50.09±11.63)%，(26.59±7.66)g/kg和(49.06±10.94)%。太湖平原的土壤物理性黏粒含量最低，SOM含量最高，因此其细颗粒吸附有机质的能力比里下河平原和宁镇丘陵区较弱，SOM和土壤颗粒组成的相关性在三个区域中最低。

4 结论

江苏省SOM含量平均为(16.55±8.49)g/kg，不同土壤类型SOM含量差异较大，沼泽土的含量最高，棕壤最低。全省SOM含量变异系数为51.36%，属中等变异水平，自然土壤的SOM含量的变异程度大于耕作土壤。土壤质地和年均温是全省SOM变异的主要影响因素。土壤质地对SOM影响大于年均温，二者分别能独立解释其变异的32.0%和23.4%。年均温、年均降雨量、成土母质、土地利用、土壤质地和pH对全省SOM含量变异的综合解释能力为52.6%。

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