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  农业资源与环境学报  2014, Vol. 31 Issue (4): 308-312

文章信息

王泽, 颜安, 张文太
WANG Ze, YAN An, ZHANG Wen-tai
区域绿洲农田土壤有机碳分布及其影响因子研究
Distribution of Soil Organic Carbon and the Influencing Factors in An Oasis Farmland Area
农业资源与环境学报, 2014, 31(4): 308-312
Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2014.0091

文章历史

收稿日期:2014-04-09
区域绿洲农田土壤有机碳分布及其影响因子研究
王泽, 颜安 , 张文太    
新疆农业大学草业与环境科学学院 新疆 乌鲁木齐 830052
摘要:以干旱区典型绿洲农田区--玛纳斯县中部农田为研究区,以土壤有机碳为研究对象,结合野外土壤调查及实验室分析数据研究了土壤有机碳的垂直分布特征,并分析土壤质地、地形、土地利用、作物类型等不同因子对农田土壤有机碳的影响。结果表明:玛纳斯县中部农田土壤有机碳是自然环境综合因素的结果,土壤有机碳含量随着土壤深度的增加不断减小;不同土壤质地土壤有机碳含量的特征为:粘壤土>粉壤土>沙壤土;不同地形因子中坡向与农田0~30、30~60 cm层的土壤有机碳含量呈显著正相关,海拔与农田60~100 cm层的土壤有机碳含量呈显著正相关;不同土地利用方式下土壤有机碳含量有较大差异,果园的土壤有机碳含量最高,荒地的土壤有机碳含量最低;不同作物类型土壤有机碳含量特征为:玉米地>酒葡萄地>棉花地,且差异显著。
关键词土壤有机碳     影响因子     绿洲农田     玛纳斯县    
Distribution of Soil Organic Carbon and the Influencing Factors in An Oasis Farmland Area
WANG Ze, YAN An , ZHANG Wen-tai    
College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
Abstract:The soil organic carbon(SOC) of a typical oasis farmland in middle part of Manasi county of Xinjiang was used as the research ob原 ject. Using remote sensing and lab analysis techniques, influences of soil texture, terrain, land uses, and crop types on SOC content of farmland were studied. Results showed that the SOC distribution in farmland of Manasi was mainly determined by comprehensive natural environmental factors. The SOC content decreased along with the increasing soil depth. For soil textures, the SOC content from high to low was clay loam>powder loam>silty loam. Slope direction had significantly positive correlations with SOC contents at 0~30 cm and 30~60 cm, while altitude and SOC content at 60~100 cm were significantly positive correlation. The SOC content of orchard was the highest, and the uncultivated land was the lowest under different land-use patterns. For different crop planting systems, the order of SOC content was corn field >wine grapes field>cotton field, and the difference was significant.
Key words: soil organic carbon(SOC)     influencing factors     oasis farmland     Manasi county    

土壤有机碳是土壤肥力的重要组成部分,土壤有 机碳含量常被认为是评价农田土壤质量的一个重要 指标[1]。农田生态系统土壤有机碳的积累和分解,制约 着农田土壤有机碳的变化,一方面是通过影响农田土 壤的质量,土壤有机碳的大量损失可造成土壤退化, 降低农田利用的可持续性,进而影响土地生产力和国 家粮食安全;另一方面是对大气CO2浓度变化的影 响,进而对全球气候变化产生重要影响[2, 3]。因此,深入 开展区域绿洲农田土壤有机碳库的分布特征及其影 响因子的研究,对于政治经济和生态环境建设具有重 要意义。

目前,国内众多学者对于农田土壤有机碳进行了 广泛研究,赵生才[4]对中国土壤总有机碳的储量进行 了估算,中国土壤的总有机碳储量估计接近80~90 Pg (1 Pg = 1015 g),其中农田土壤约占5.1 Pg。潘根兴等[5] 对中国土壤有机碳的储存和固定潜力进行了研究,研 究表明中国土壤有机碳的密度总体上低于世界平均 值,远低于欧洲国家,特别是农田生态系统属于较脆 弱的生态系统。但关于农田土壤有机碳的分布特征及 其影响因子的研究报道较少,这制约着农田土壤有机碳储量的准确评估。为此,本文以玛纳斯县中部绿洲 农田为研究对象,利用遥感技术布设采样点和室内分 析技术测定土壤有机碳含量,并分析土壤质地、地形、 土地利用、种植作物等不同因子对农田土壤有机碳的 影响,为进一步掌握绿洲农田土壤有机碳的储量状况 及分布特征,制定出具有针对性的土壤保护措施,更 合理地利用土地资源,实现农业的可持续发展提供科 学依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

玛纳斯县位于新疆维吾尔自治区中北部,昌吉州 最西部,准噶尔盆地南部,地理坐标为85°34′~86°43′ E,43°28′~45°38′N。全县总面积9 154.48 km2,其中山 区、平原各半,地势南高北低,南部为天山山区,北部 平原区绿洲和荒漠交错分布。属温带大陆性干旱半干 旱气候区,具有冬季严寒、夏季酷热、日照充足、干旱 少雨等特点。年平均气温7.2 ℃,年平均降水量为 173.3 mm。县辖6 镇6 乡、1 个园艺农场,5 个驻县农 垦团场,是天山北坡经济带的核心区域。依据玛纳斯 县土地利用现状图,选取该县中部农田相对集中的区 域作为研究区,研究区西北部的农田土壤质地大多为 粘壤土,东部区域土壤以粉壤土为主,南部以沙壤土 为主,南部地形多为山地,北部为平原,土地利用方式 有果园、旱地、水田、荒地等,种植的作物主要有棉花、 酒葡萄、玉米等。 1.2 试验设计

试验前根据校正后的玛纳斯县遥感影像,区分不 同地物,在研究区按照2 km×2 km 的尺度,结合GPS 野外定位技术在研究区内布置了180 个采样点,其中 包括60 个剖面点。于2013 年8 月—10 月作物生长 后期,利用土钻按0~30、30~60 cm 和60~100 cm 的深 度进行分层取土,混匀并装入铝盒作为供试样品,测 定其土壤有机质含量。另外,实地调查测量各采样点 的土壤质地、地形因子(坡向、坡度、坡位、海拔)、土地 利用方式以及种植作物种类等,并分析各因子对农田 土壤有机碳的影响。研究区及土壤调查点如图 1 所 示。

图 1 研究区采样点分布图 Figure 1 Distribution of sampling points in the study area
1.3 样品分析方法

1.3 样品分析方法 土壤有机质含量的测定用重铬酸钾外加热法,然 后除以“Van Bemmelen”换算系数1.724,得到土壤有 机碳含量。土壤质地的测定是根据不同的土壤颗粒在 沉降筒内沉降时间上的差异,利用甲种比重计测定悬液的密度,结合密度计读数和沉降的时间、温度及《小 于某粒径颗粒沉降时间表》进行测定,经过温度计、密 度计、分散剂校正计算后得到土壤粒径的含量,最后 确定出该土壤的质地组成[6]1.4 数据处理方法

利用Microsoft Excel 2003 和SPSS 17.0 统计软件 进行相关统计分析与作图。 2 结果与分析 2.1 不同土壤质地对农田土壤有机碳的影响

土壤质地是土壤最固定、最重要的特性,它影响 着土壤的水、气、热变化,与有机碳的蓄积有关系[7, 8]。 不同土壤质地对玛纳斯县中部农田土壤有机碳含量 的影响表现不一。由图 2 可知,不同土壤质地条件下, 随着土层深度的增加,土壤有机碳的含量在不断减 小,土壤0~30 cm 层有机碳含量最高,分别为6.17、 7.2 g·kg-1和8.32 g·kg-1,显著高于30~60 cm层和60~ 100 cm层。不同土壤质地条件下,玛纳斯县中部农田 土壤0~30、30~60 cm 和60~100 cm 层有机碳含量的 状况均表现为:粘壤土>粉壤土>沙壤土;其中粘壤土 的有机碳含量最高,各层有机碳含量分别为8.32、 6.19 g·kg-1和3.21 g·kg-1,是有机碳含量最低沙壤土 的1.35、1.28 倍和1.32 倍,这可能与不同质地条件下 土壤的理化性质有关。

图 2 玛纳斯县中部农田不同土壤质地条件下土壤有机碳状况 Figure 2 The soil organic carbon content under different soil textures in farmland of central Manasi county
2.2 不同地形因子对农田土壤有机碳的影响

地形因子作为自然环境的重要因素,决定着物质 迁移的方向和速率,使得土壤有机碳和地形因子之间 有着密切的关系[9]。由表 1 可知,玛纳斯中部农田0~ 30 cm 层的土壤有机碳含量和坡向、坡位之间存在着 显著正相关关系,农田30~60 cm 层的土壤有机碳含 量和坡向之间存在着显著正相关关系,农田60~100 cm层的土壤有机碳含量和海拔之间存在着显著正相 关关系。不同地形因子中,坡向对玛纳斯县中部农田 0~30、30~60 cm 层的土壤有机碳含量影响最突出,各 层土壤有机碳的含量均与坡向呈显著正相关,而海拔 对玛纳斯县中部农田60~100 cm 层的土壤有机碳含 量影响最突出,土壤有机碳的含量与海拔呈显著正相 关,原因可能与气温、水分、植被状况等有关。

表 1 地形因子与土壤有机碳的相关性分析 Table 1 The correlation analysis of soil organic carbon content and terrain factors
2.3 不同土地利用方式对农田土壤有机碳的影响

不同土地利用方式下农田土壤有机碳含量的状 况表现不一。由表 2可知,不同利用方式下,随着土层深度的增加,土壤有机碳的含量在不断减小;土壤0~ 30 cm 层有机碳含量最高,果园、旱地、水田、荒地、其 他园地有机碳含量分别为7.92、6.69、6.20、5.27 g·kg-1 和5.72 g·kg-1,显著高于其他层次。不同利用方式下 土壤0~30 cm层有机碳含量的状况表现为:果园>旱 地>水田>其他园地>荒地,其中果园、旱地、荒地之间 的差异达显著水平。不同利用方式下土壤30~60 cm 层有机碳含量的状况表现为:果园>旱地>其他园地> 水田>荒地,其中果园、其他园地、荒地之间的差异达 显著水平。不同利用方式下土壤60~100 cm层有机碳 含量的状况表现为:果园>其他园地>旱地>水田>荒 地,其中果园、水田、荒地之间的差异达显著水平。玛 纳斯县中部农田不同土地利用方式中,果园的土壤有 机碳含量最高,各层平均含量分别为7.92、5.66 g·kg-1 和3.03 g·kg-1,是土壤有机碳含量最低荒地的1.50、 1.48倍和1.46倍。

表 2 不同土地利用方式下农田土壤有机碳含量(g·kg-1 Table 2 The soil organic carbon content under different land use patterns(g·kg-1
2.4 不同种植作物对农田土壤有机碳的影响

土壤有机碳对植物的生长和植物生态系统的生 产力具有很强的控制作用,同时植被具有调节改善土 壤有机碳状况的功能[10, 11]。玛纳斯县中部农田不同作 物种植条件下,土壤有机碳的变化情况见图 3。由图 3 可以看出,3 种作物种植条件下农田0~30 cm 层土壤 有机碳含量最高,明显高于30~60 cm 层和60~100 cm 层。棉花地、酒葡萄地、玉米地0~30 cm 层土壤有 机碳含量分别为5.66、6.29 g·kg-1 和7.09 g·kg-1,其中 玉米地的土壤有机碳含量最高,且差异达显著水平。 棉花地、酒葡萄地、玉米地30~60 cm 层土壤有机碳含 量分别为4.45、5.44 g·kg-1和6.24 g·kg-1,其中玉米地 的土壤有机碳含量最高,差异也达显著水平。棉花地、 酒葡萄地、玉米地60~100 cm 层土壤有机碳含量分别 为2.84、3.68 g·kg-1和4.13 g·kg-1,其中玉米地的土壤有机碳含量最高,差异也达显著水平。玛纳斯县中部 农田不同作物种植条件下各层土壤有机碳状况均表 现为:玉米地>酒葡萄地>棉花地。

图 3 玛纳斯县中部农田不同作物种植条件下土壤有机碳状况 Figure 3 The soil organic carbon content under different crops planting systems in farmland of central Manasi county
3 讨论

土壤有机碳是一种复杂的化合物,它包括土壤动 植物残体、分泌物和腐殖质等,受到土壤自身理化特 性、环境因子和人类活动等多方面的影响[12, 13]。玛纳斯 县中部农田不同土壤质地条件下土壤有机碳含量的 状况表现为:粘壤土>粉壤土>沙壤土,其中粘壤土的 有机碳含量最高,且显著高于沙壤土和粉壤土,这与 姜勇等[14]的研究结果一致。原因是粘壤土壤含粘粒较 多,颗粒细小,质地粘重,通气透水性差,作物根系不 易伸展,土温上升缓慢,土壤中有机碳矿化作用缓慢, 有利于有机碳的积累。不同地形因子中坡向和海拔对 玛纳斯县中部农田土壤有机碳的影响最为突出,农田 土壤0~30、30~60 cm 层中,土壤有机碳的含量与坡向 呈显著正相关,而在农田土壤60~100 cm 层中,土壤 有机碳的含量与海拔呈显著正相关关系,这与程先富 等[15]在江西省农田、胡宏祥等[16]在安徽省农田的研究 结果一致,但具有地域特色。原因是坡向对日照时数 和太阳辐射强度有影响,海拔对温度和水分起着决定 性作用;坡向为阴坡或者海拔较高的农田区域,由于 气温较低,蒸发量较小,土壤湿度较大,致使土壤有机 碳的分解速率缓慢、含量较高。

土地是地球陆地表面人类生产活动的主要空间 场所,土地利用方式的变化可通过改变土壤有机碳的 分解速率来影响有机碳的含量[17, 18]。玛纳斯县中部农 田不同土地利用方式下土壤有机碳含量有较大差异, 果园的土壤有机碳含量最高,荒地的土壤有机碳含量 最低。这可能是因为果园中的树体凋落物归还量较 大,进入土壤的腐殖质较多,有机碳含量随之升高,而 荒地土壤没有植被保护,进入土壤的腐殖质较少,有 机碳含量随之降低。对于农田生态系统,作物的种植 种类和种植密度,影响着其残体的输入量和土壤有机 碳的分解率,进而影响农田土壤有机碳的含量[19, 20]。不 同作物种植条件下土壤有机碳状况表现为:玉米地> 酒葡萄地>棉花地,且差异显著。这是因为不同的作物 有不同的蛋白质、纤维素和半纤维素、木质素构成比 例,造成其归还到土壤中的植物残体的分解速率、分 解产物及其转化途径都会有差异,此外,玉米产出的 植株残体归还量较大,而棉花产出的植株残体归还量 较小,进而导致不同植被条件下土体具有不同的有机 碳状况。

因此,玛纳斯县中部农田土壤有机碳是自然环境 综合因素的结果,尤其是在局部区域内土壤质地、地 形、土地利用、作物类型等因子之间的交互作用越显 突出,都影响着土壤有机碳的分解速率,进而影响土 壤有机碳的含量状况。 4 结论

玛纳斯县中部农田土壤有机碳的储蓄状况是自 然环境因素综合作用的结果,农田土壤有机碳的垂直 分布特征为,随着土壤深度的增加,土壤有机碳的含 量在不断减小。不同土壤质地条件下土壤有机碳含量 的状况表现为:粘壤土>粉壤土>沙壤土,不同地形因 子中坡向对农田0~30、30~60 cm 层的土壤有机碳含 量影响最突出,呈显著正相关,海拔对农田60~100 cm层的土壤有机碳含量影响最突出,呈显著正相关。 不同土地利用方式下土壤有机碳含量有较大差异,果 园的土壤有机碳含量最高,荒地的土壤有机碳含量最 低。不同作物种植条件下农田土壤有机碳状况表现 为:玉米地跃酒葡萄地跃棉花地,且差异显著。

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