新疆北疆不同土壤类型有机碳含量变化特征及其影响因素分析

木衣那恰·吐斯甫汉，武红旗，侯艳娜，范燕敏

(新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】土壤有机碳是土壤质量的核心，也是土壤碳库的重要组成部分，不仅为植被生长提供碳源、维持土壤良好的物理结构，也向大气提供碳源[1]。土壤有机碳含量的变化是影响土壤肥力水平的重要指标[2]。土壤有机碳已经成为土壤学、环境化学和地球化学的重要研究内容之一[3-4]。【前人研究进展】目前我国对于农田土壤有机碳的变化特征及其影响因素的研究主要集中在土壤有机碳组分特征变化[5-7]、农田管理措施对有机碳含量的影响[8-11]、不同土地利用方式对有机碳含量的影响[12]和不同土壤类型有机碳的储量变化特征[13-15]等。【本研究切入点】新疆北疆为温带大陆性干旱半干旱气候，全年降水量150～200 mm以上，土壤有机碳含量及分布特征复杂多样[16]，北疆土壤类型较多，该区域土壤具有较为典型的代表性。目前综合各影响因素系统性探讨新疆不同类型土壤有机碳含量的时空变化的对比研究较为缺乏，尤其对耕地土壤有机碳的变化及其影响机理的研究更少。需研究近40年来新疆北疆耕地土壤有机碳含量变化特征及其影响因素。【拟解决的关键问题】采集1980年新疆第二次土壤普查和2014年土系调查数据，管理汇总，运用方差分析、相关性分析和回归分析等方法。综合分析土壤有机碳在典型区域受自然条件影响及变化特征，研究反映土壤在这段时期的变化特征，为新疆土壤碳研究、土壤的合理利用提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材 料

天山山脉将新疆分为南北两大部分，天山以北称为北疆。北疆气温较南疆较低，多年平均降水量在100～200 mm以上，降水季节分布较均匀[17]。研究区地形地貌复杂，成土母质类型繁多。山区主要分布残积物和坡积物，部分山区迎风坡有黄土分布。平原地区的成土母质主要为洪积物、冲积物、砂质风积物以及各种黄土状沉积物。

土壤数据来源于新疆第二次土壤普查和新疆土系调查。第二次新疆土壤普查采样时间为1980～1982年，按发生层采样，深度为0～100 cm，全国第二次土壤普查新疆数据取自《新疆土壤》[18]、《新疆土种志》[19]以及各县市的第二次土壤普查成果。新疆土系调查采样时间为2014～2016年，按发生层取样，采样深度0～100 cm。1980年共134个采样点；2014年共66个采样点。

1.2 方 法

1.2.1 土壤样品

土壤样品采集参照全国第二次土壤普查方法，置于室内风干、去除细根杂质、研磨，过0.25 mm筛。土壤有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定、土壤全氮采用半微量开氏法、全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法、土壤pH测定采用电位测量法[20]。

1.3 数据处理

土系调查和全国第二次土壤普查均按发生层采集土壤样本。采用Li 和 Palmer 等[21-22]的权重法以20 cm为间隔计算1 m深土壤有机碳含量剖面数据。

对所得数据利用Microsoft Excel 2016和IBM Statistics SPSS 25.0进行统计分析，使用ArcGis10.6做采样点分布图，并用Sigma Plot 13.0绘图。

2 结果与分析

2.1 北疆不同土壤类型耕地土壤有机碳平均含量总体变化趋势

研究表明，北疆土壤灰漠土有机碳含量上升最为显著，变化率达20.27%(6.87 g/kg)；其次为棕钙土有机碳含量变化率达15.75%(5.36 g/kg)；灰钙土、潮土和栗钙土土壤有机碳含量上升变化率分别为5.66%(1.93 g/kg)、7.65%(2.60 g/kg)和4.02%(1.37 g/kg)。相反，沼泽土的有机碳含量损失显著，变化率达到81.58%(27.74 g/kg)，黑钙土和草甸土有机碳含量下降变化率分别为7.61%(2.59 g/kg)、3.18%(1.08 g/kg)。2014年不同土壤类型有机碳平均含量为9.87 g/kg，与1980年第二次土壤普查结果相比增加了1.61 g/kg。表1

表1 北疆不同土壤类型耕地土壤有机碳平均含量总体变化Table 1 The overall variation trend of soil organic carbon contentin cultivated land of different soil types in Northern Xinjiang

2.2 北疆耕地土壤有机碳2个时期剖面垂直变化特征

研究表明，从同一个时期不同土层相比较，大部分土壤类型有机碳含量呈现随土层深度加深而降低的趋势。2014年黑钙土、栗钙土、草甸土和沼泽土耕地表层(0 ～ 20 cm)土壤有机碳含量比1980年有机碳含量的平均值降低，分别下降了8.35、2.30、6.17和41.20 g/kg，降幅达24.57%、6.76%、18.15%和121.174%。而2014年棕钙土和灰漠土有机碳含量平均值则比较1980年平均值增加，分别增加了5.42和5.48 g/kg，增幅为15.95%和16.12%。灰钙土和潮土土壤有机碳含量平均值的变化率不到10%，变化不明显；2014年与1980年相比，20 ～ 40 cm土层栗钙土、草甸土和沼泽土的土壤有机碳含量减少，分别下降了0.76、0.44和32.91 g/kg，降幅达6.7%、1.28%和96.78%。而黑钙土、灰钙土、棕钙土、灰漠土和潮土土壤有机碳含量呈增加趋势，分别增加了3.70、1.07、5.88、7.11和2.28 g/kg，增幅达10.89%、3.15%、17.29%、20.93%和6.77%；40 ～60 cm土层，灰钙土、栗钙土、棕钙土、灰漠土和潮土土壤有机碳含量呈上升趋势外，其它土壤类型均呈下降的趋势。图1

图1 北疆1980年和2014年耕地土壤有机碳含量垂直变化特征Fig.1 Vertical change characteristics of cultivated soil organic carbon content in northern Xinjiang in 1980 and 2014

2.3 北疆农田土壤1980年和2014年土壤有机碳、全氮、全磷和pH统计特征值

研究表明，1980年和2014年土壤有机碳、全氮、全磷和pH均存在于不同程度的变异。1980年土壤有机碳介于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年土壤有机碳、全氮、全磷和pH最小值都小于年的最小值。表2

表2 北疆农田土壤1980年和2014年0～100 cm土壤有机碳、全氮、全磷和pH统计特征值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 不同时期土壤有机碳含量与土壤全氮、全磷和pH的关系

研究表明，1980年土壤有机碳与全氮呈极显著正相关，拟合最优曲线为一元线性函数，相关系数R2=0.722 1。2014年土壤有机碳与全氮拟合最优曲线为二次项曲线，呈显著正相关，相关系数R2=0.116 1，比1980年相关系数低。1980年土壤有机碳与全磷拟合最优曲线为一元线性函数，呈显著正相关，相关系数R2=0.080 9。2014年土壤有机碳与全磷拟合最优曲线为二次项曲线。2个时期土壤有机碳与pH呈微弱相关。图2

图2 土壤有机碳与全氮、全磷和pH的关系Fig.2 The relationship between Soil Organic C and Total N, Total P and pH

2.5 不同时期全疆化肥使用量变化

研究表明，新疆全年化肥施用量逐年增加，2003年至2014年化肥施用量明显上升，其中复合肥施用量和磷肥施用量较为突出；整个施用量占大部分的是氮肥，其次为磷肥。图3

图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 讨 论

分析土壤有机碳的变化过程，有助于正确评估土壤有机碳的变化方向和速率，对于准确地预测气候变化以及制定应对气候变化的措施具有重要的意义[23]。研究表明，2014年土系调查中北疆土壤有机碳含量平均为11.47 g/kg，与第二次土壤普查结果相比增加了1.61 g/kg。杨帆等[2]分析近30年来中国农田耕层土壤有机质的变化趋势，研究表明，近30年来我国农田耕层土壤有机质含量呈整体上升趋势，刘文慧等[24]对新疆天山北坡与研究结果相似。新疆地域辽阔，耕地土壤有机碳的差异主要取决于土壤中有机质的矿化分解、腐质化等土壤中碳的输入和输出平衡[25]。

研究表明，2014年北疆的气温与降水量都低于1980年，降水量呈现上升趋势。土壤有机碳受降雨量和温度强烈影响[26]，张凡等[27]通过对1985～2002年间中国黄土高原地区耕作土壤有机碳动态进行模拟,研究得到黄土高原耕作土壤有机碳受气温和降水的共同作用,对降水表现出更强的相关性。王丹丹等[28]基于全国第二次土壤普查获得的1 022个东北地区旱地土壤剖面数据,分析了年均温、年均降水量、成土母质、土壤质地和pH值对旱地土壤有机碳密度的影响，对土壤有机碳密度影响较大因素为气温。邹润彦等[29]通过GWR模型对各影响因素空间分布格局的分析,土壤有机碳与年均温度和年均降水呈正相关。

有机肥为农田带来大量的碳源，提高土壤微生物的活性，有利于保持碳素的输入和输出平衡，进而提高土壤的固碳能力[30]。高伟等[31]经过34年长期定位施肥试验得出，农家肥的使用以及秸秆还田措施的应用，能有效的增加作物根系和土壤中的有机质含量，使土壤团聚体的形成，从而增加有机碳含量。有机无机配合施肥、施用化肥和不施肥土壤有机碳分别比试验开始时增加52.9% , 29.0%和11.1%，研究中结合全疆的化肥使用总体上呈上升趋势，其中氮肥施用量较多，其次为磷肥。齐中凯等[32]经过19年的长期定位试验,得到所有施肥处理都会显著增加表层(0～10 cm)中有机碳含量。侯晓静等[33]研究报告，采取农家肥、商品有机肥和化肥的施肥处理后，均能显著增加0 ～ 30 cm土壤有机碳含量，其中以农家肥的施用效果最优。Mandal等[34]研究表明, 长期施用氮磷肥及氮磷钾肥显著提高有机碳含量。近年来，北疆地区对农田有机肥的施用也得到了重视，使主要类型土壤有机质得到了提高[35]。

4 结 论

4.12014年北疆不同耕地土壤类型有机碳平均含量总体上比1980年上升1.61 g/kg，变化率为4.73%，其中上升最为显著的是灰漠土和棕钙土，变化率分别为20.27%和15.75%。沼泽土的有机碳含量损失显著，变化率达到81.58%(27.74 g/kg)。

4.2大部分土壤类型有机碳含量呈现随土层深度加深而降低的趋势；从不同时期，同一土层相比较，2014年黑钙土、栗钙土、草甸土和沼泽土耕地表层(0～20 cm)土壤有机碳含量比1980年有机碳含量的平均值降低，降幅达24.57%、6.76%、18.15%和121.174%。而2014年棕钙土和灰漠土有机碳含量平均值则比较1980年平均值增加，增幅为15.95%和16.12%。

4.31980年和2014年土壤有机碳与全氮呈显著正相关，相关系数分别为R2=0.722 1，R2=0.116 1，与全磷呈正相关，但与pH呈微弱相关。

4.4近40年来北疆土壤有机碳含量呈上升趋势，有机碳含量变化，主要受土壤类型、气候因子、土壤理化性质、化肥施用量等因素的影响。