金建新+張娜+何進勤+桂林國

摘要：為分析長期耕作對土壤質量的影響及土壤有機碳各組分和土壤肥力的相關性，在寧夏不同區(qū)域選擇種植年限為0～30年的土壤進行取樣研究，并測定了各養(yǎng)分指標和有機碳各組分含量，采用AHP法對各養(yǎng)分值進行權重計算，得到土壤養(yǎng)分綜合評分值，利用二次拋物線模型對土壤養(yǎng)分綜合值和土壤有機碳各組分相關關系進行評價。結果表明，有機碳各組分對土壤肥力影響最大的分別為閉蓄粉粒組分（μ-Silt）、游離粉粒組分（d-Silt）和物理保護有機碳組分（iPOM），其中交互效應影響最大的為μ-Silt和d-Silt；土壤中各養(yǎng)分在種植年限為0～30年期間，總體表現(xiàn)為增大的趨勢，但是在開墾年限為21～25年時，各養(yǎng)分含量均出現(xiàn)一個極小值，開墾年限為25年以上時，除鉀含量指標表現(xiàn)為下降趨勢外，其余各養(yǎng)分指標均表現(xiàn)為線性增大的趨勢。

關鍵詞：開墾年限；有機碳；組分；土壤養(yǎng)分

中圖分類號：S153.6 文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）01-0081-05

Abstract In order to analyze the effects of long-term tillage on soil quality and the correlation between components of soil organic carbon and soil fertility， the soil samples with planting ages from 0 to 30 years were selected from different regions of Ningxia， and the nutrient indexes and component contents of organic carbon were determined. The weight of each nutrient value was calculated by AHP method， and then the comprehensive score of soil nutrient was obtained. The relationships between soil nutrient comprehensive value and soil organic carbon components was evaluated by quadratic parabola model. The results showed that μ-Silt， d-Silt and iPOM had the most influential effects on soil fertility， among which， the interaction effect of μ-Silt and d-Silt was the largest. In the planting period from 0 to 30 years， the overall performance of soil nutrient content showed a trend of increasing， but when the reclamation year was from 21 to 25， the nutrient content showed a minimum value， and when the reclamation year was more than 25， the other nutrient indicators except potassium content showed a linear increase trend.

Keywords Reclamation year； Organic carbon； Component； Soil nutrient

土壤有機碳含量為土壤質量的一個重要參數，通過不同粒級分組得到的土壤有機碳各組分具有不同的功能，明確各組分含量和功能對提高土壤質量和土壤碳庫的構建具有重要作用[1]，土壤有機碳各不同組分和土壤中大量元素和微量元素等有一定相關關系，不同耕作年限條件下，土壤受到人類活動、作物生長和氣候條件等多因素的影響，其各養(yǎng)分含量也發(fā)生較大的變化，不同土壤結構、機械組成對土壤養(yǎng)分元素的有效性和土壤碳庫各組分含量具有較大影響[2-4]。因此，借助土壤有機碳的分組和土壤養(yǎng)分之間的相互關系研究，對合理評價土壤綜合質量及固碳能力具有重要意義。對土壤碳的分組技術及各組分的功能研究起步較早，特別是不同施肥結構對土壤碳庫組分的影響研究較多，周萍等[5]利用超聲波分散法對水稻土中有機碳進行分組研究，并對其有機碳積累的重要機制和響應模式進行了探索。徐香茹等[6]對水稻土在不同施肥條件下通過30年長期定位試驗，分析了碳庫各粒級組分含量特征及其與總有機碳的相互關系，并探索了稻田土的固碳機制和積累形式。張麗敏等[7]在貴陽市開展了黃壤性水稻土不同施肥模式處理下經過18年長期定位監(jiān)測試驗，采用土壤有機碳物理-化學聯(lián)合分組方法，重點研究了不同施肥條件下土壤有機碳組分含量及分配比例的變化，并通過定量分析組分碳含量與年均碳投入量的關系，探討了土壤有機碳飽和現(xiàn)象，結果表明通過有機肥配施無機肥的施肥措施能有效提高水稻土有機碳含量，并且土壤有機碳中較為穩(wěn)定的組分具有飽和現(xiàn)象。本試驗通過對寧夏不同種植年限土壤各養(yǎng)分含量的變化趨勢，及其與有機碳各組分含量的相關關系進行研究，以期為區(qū)域土壤碳庫構建、施肥模式探索及種植結構調整提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

以寧夏不同種植年限土壤為供試材料，在寧夏不同地域取樣測試，該區(qū)域地處黃土高原、蒙古高原和青藏高原的交匯地帶，具有典型的大陸性季風氣候特征，平均降水量差異較大，不同區(qū)域平均降水量分布在166.9～647.3 mm，多年平均蒸發(fā)量變化幅度也比較大，分布在1 312.0～2 204.0 mm，無霜期平均為105～163 d，≥0℃積溫為1 400～3 800℃·日。土壤類型為淡灰鈣土，供試土壤以砂壤土和壤土為主，平均容重1.38 g/cm3，平均pH值為8.2，為堿性土壤，在不同區(qū)域同一種植年限的每塊土壤上取30個樣本，經過一致性檢驗選擇養(yǎng)分指標滿足正態(tài)分布的數值取平均值，得到土壤不同年限各養(yǎng)分含量（見表2）。endprint

1.2 試驗方法

采用改進的Stewart等提出的物理化學聯(lián)合分組方法對供試土壤有機碳各組分進行測定分析，稱取20 g土壤碾碎風干過2 mm篩，放在微團聚體分離器套篩中，經過分離器振動分離后，可分離出粗顆粒有機碳組分、微團聚體、游離黏粒和粉粒。大于250 μm的部分將留在頂部篩上，為有機碳中粗顆粒有機碳組分部分；通過最小一級套篩粒徑小于53 μm的為游離黏粒和粉粒，分別用離心法、離心法配合化學試劑等方法分離出游離粉粒組分（d-Silt）和游離黏粒組分（d-Clay）；介于53～250 μm之間的為微團聚體組分，將微團聚體組分進一步密度浮選和分離，利用離心機和濾膜等材料分離出大于0.45 μm的輕組部分為自由態(tài)顆粒狀有機碳組分（fPOM），將剩余部分加0.5%的（NaPO3）6溶液30 mL，并放在振蕩器上振蕩后過 53 μm 的篩，留在篩上的為物理保護有機碳組分（iPOM），過 53 μm 篩的部分用同樣的方法分離出閉蓄粉粒組分（μ-Silt）和閉蓄黏粒組分（μ-Clay），將得到的游離粉粒和黏粒組分與閉蓄粉粒和黏粒組分在95℃的高溫條件下，用鹽酸濾去酸解溶液，得到非酸解組分含量。

1.3 數據分析及作圖方法

計算各重復試驗結果的平均值，利用層次分析法對土壤各養(yǎng)分值進行歸一化處理，采用Microsoft Excel和Origin 8.0等軟件進行回歸分析，借助二次函數對土壤養(yǎng)分綜合值和土壤有機碳各組分之間的相關性進行分析。

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)分指標綜合評分

利用層次分析法將各養(yǎng)分指標占土壤肥力的權重大小進行計算，首先以土壤肥力為目標層建立層次結構模型，準則層為氮、磷、鉀和微量元素四個指標，指標層為準則層四個養(yǎng)分元素的具體指標，見圖1。

首先構建判斷矩陣，AHP各因素對總目標的影響以兩兩比較的形式表示，將兩兩比較得到的相對大小值aij列入判斷矩陣的第i行和第j列，準則層對目標層、指標層對準則層的判斷矩陣如下：

準則層對目標層的判斷矩陣：

1/91/71/81，指標層對準則層四因素的判斷矩陣分別為：11/5

51、11/771、11/331、1，對所得到的矩陣進行一致性檢驗，一致性指標CI=（λmax-n）/（n-1），其中λmax為判斷矩陣的最大特征值，根據查表得到平均隨機一致性指標RI，計算得到一致性比例CR=CI/RI，分別為0.024、0、0、0、0，均小于0.1，說明所構建的判斷矩陣具有較好的一致性。利用幾何平均法[8]對各判斷矩陣進行求解，得到各層對上一層的影響大小的相對權重值（表1）。

對寧夏不同開墾年限典型淡灰鈣土中各養(yǎng)分含量進行測定，包括有效磷、速效鉀、全氮、全磷、堿解氮、緩效鉀和有效鋅，結果見表2。

根據層次分析法（AHP）對土樣中所測定的各養(yǎng)分含量計算得到的權重值，最后得到表征土壤肥力狀況的養(yǎng)分綜合評分值，見表3。

2.2 土壤有機碳各組分和肥力相關性

土壤中有機碳庫各組分對土壤肥力各構成要素具有一定的影響，分析土壤養(yǎng)分綜合評分值和有機碳庫各組分相關性，并用二次函數模擬兩者之間的關系，通過決定系數來綜合評價兩者的函數關系和影響程度。

由圖2可知，土壤碳庫不同組分和土壤養(yǎng)分綜合值之間的二次函數關系其決定系數具有較大的差異，其中游離粉粒（d-Silt）、閉蓄粉粒 （μ-Silt）、物理保護有機碳（iPOM）等組分和土壤養(yǎng)分綜合值較為符合二次函數的關系，其決定系數分別為0.837、0.756和0.699，表現(xiàn)為顯著性相關關系，其余各組分和土壤養(yǎng)分綜合值沒有顯著的函數關系，其決定系數均集中在0.1～0.4之間。土壤養(yǎng)分綜合值隨著游離粉粒、閉蓄粉粒、物理保護有機碳三組分增大表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢，當各組分含量分別為0.70、0.75 g/kg和0.23 g/kg時土壤養(yǎng)分綜合值達到最小值，說明存在大量的游離粉粒、閉蓄粉粒、物理保護有機碳時，能極大促進土壤養(yǎng)分形成及其活性。建立土壤養(yǎng)分綜合值和游離粉粒、閉蓄粉粒組分、物理保護有機碳三組分的三元二次關系模型：

式中，y為土壤養(yǎng)分綜合值，x1為游離粉粒組分；x2為閉蓄粉粒組分 ；x3為物理保護有機碳組分。通過所構建模型的一次項可以看出，對土壤肥力影響較大的各組分在影響程度上仍具有較大的差異，其中閉蓄粉粒組分對土壤肥力的影響最大，其影響大小依次為x2>x1>x3，其中游離粉粒組分和閉蓄粉粒組分的交互效應對土壤肥力的影響也較大，說明用土壤有機碳各粒級組分來反映土壤肥力具有一定的可靠性，特別是閉蓄粉粒組分在很大程度上能表征土壤肥力大小，實際生產中可根據其判斷土壤綜合肥力情況。

2.3 土壤養(yǎng)分時空變化

土壤養(yǎng)分隨時間和空間變化較大，特別是在受到人類活動影響和作物生長條件下，土壤中各大量元素、微量元素及總有機碳等表現(xiàn)出增加、穩(wěn)定或者減小的變化趨勢，分析所取土壤中各養(yǎng)分構成要素的時空變化，對土壤質量提升及指導施肥具有重要意義。

由圖3可以看出，土壤中各養(yǎng)分隨著種植年限的增加，都表現(xiàn)出一定的波動變化，0～30年總體表現(xiàn)為增大的趨勢，特別是種植年限為0～5年，即新開墾土地各養(yǎng)分均表現(xiàn)為持續(xù)增加的趨勢，如全氮含量在新墾時為0.31 g/kg，1～5年的平均值為0.50 g/kg，增加幅度達到61.3%，全磷含量該時間段增加幅度為31.3%，其余各指標均有類似的變化趨勢，在5～10年，全氮、速效鉀、緩效鉀及有效鋅含量平均值略有下降，但是在0～20年總體表現(xiàn)為增加的趨勢，在開墾年限為21～25年時，各養(yǎng)分含量均出現(xiàn)一個極小值，這可能與施肥結構有關，開墾年限為25年以上時，除速效鉀和緩效鉀含量有所下降外，其余各養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為線性增大的趨勢。

3 討論與結論endprint

通過對不同種植年限土壤養(yǎng)分各指標測定和多年變化趨勢的分析，研究長期種植條件下土壤肥力狀況的變化，并用相關方法對各土樣有機碳各組分進行篩分和測定，對土壤養(yǎng)分指標和有機碳各組分相關關系進行擬合，通過建立土壤養(yǎng)分含量和各組分之間二次拋物線模型，篩選出了最能表征土壤養(yǎng)分含量的三個土壤有機碳組分，并以土壤養(yǎng)分綜合值為因變量建立了三元二次模型，主要得到以下結論：

（1）對土壤肥力的影響較大的組分為閉蓄粉粒組分（μ-Silt）、游離粉粒組分（d-Silt）和物理保護有機碳組分（iPOM），其影響大小依次為μ-Silt>d-Silt>iPOM，其中游離粉粒組分和閉蓄粉粒組分的交互效應對土壤肥力的影響也較大，說明用土壤有機碳各粒級組分來反映土壤肥力具有一定的可靠性，特別是閉蓄粉粒組分 在很大程度上能表征土壤肥力大小，實際生產中可根據其判斷土壤綜合肥力情況。

（2）土壤中各養(yǎng)分在種植年限為0～30年期間，總體表現(xiàn)為增大的趨勢，但是在開墾年限為21～25年時，各養(yǎng)分含量均出現(xiàn)一個極小值，因在這5年中黃河來水減少，新疆自治區(qū)政府通過調整種植結構、減少化肥投入和發(fā)展高效節(jié)水農業(yè)來提高農業(yè)產出效率，在開墾年限為25年以上時，政府主導調整施肥模式，逐漸增施生物有機肥、生物質碳等，故其土壤肥力又有所提高，除鉀含量指標表現(xiàn)為下降趨勢外，其余各養(yǎng)分指標均表現(xiàn)為線性增大的趨勢。

參 考 文 獻：

[1] 解憲麗， 孫波， 周慧珍， 等. 不同植被下中國土壤有機碳的儲量與影響因子[J]. 土壤學報， 2004，41（5）：687-699.

[2] Zhang H M， Xu M G， Shi X J， et al. Rice yield， potassium uptake and apparent balance under long-term fertilization in rice-based cropping systems in Southern China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 2010，88（3）：341-349.

[3] 佟小剛， 徐明崗， 張文菊， 等. 長期施肥對紅壤和潮土顆粒有機碳含量與分布的影響[J]. 中國農業(yè)科學， 2008， 41（11）：3664-3671.

[4] 張迪， 韓曉增， 侯雪瑩. 長期不同施肥管理對黑土活性有機碳及碳庫管理指數的影響[J]. 土壤通報， 2011， 42（3）： 654-658.

[5] 周萍， 宋國菡， 潘根興， 等. 南方三種典型水稻土長期試驗下有機碳積累機制研究I. 團聚體物理保護作用[J]. 土壤學報， 2008， 45（6）：1063-1071.

[6] 徐香茹，蔡岸冬，徐明崗，等.長期施肥下水稻土有機碳固持形態(tài)與特征[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2015，34（4）：753-760.

[7] 張麗敏，徐明崗，婁翼來，等.長期施肥下黃壤性水稻土有機碳組分變化特征[J].中國農業(yè)科學2014，47（19）：3817-3825.

[8] 崔循臻，賈生海. 石羊河流域水資源脆弱性評價[J].安徽農業(yè)科學， 2013，41（24）：10098-10100.endprint