不同开垦年限土壤有机碳各组分与土壤养分相关关系模型的构建

金建新+张娜+何进勤+桂林国

摘要：为分析长期耕作对土壤质量的影响及土壤有机碳各组分和土壤肥力的相关性，在宁夏不同区域选择种植年限为0～30年的土壤进行取样研究，并测定了各养分指标和有机碳各组分含量，采用AHP法对各养分值进行权重计算，得到土壤养分综合评分值，利用二次抛物线模型对土壤养分综合值和土壤有机碳各组分相关关系进行评价。结果表明，有机碳各组分对土壤肥力影响最大的分别为闭蓄粉粒组分（μ-Silt）、游离粉粒组分（d-Silt）和物理保护有机碳组分（iPOM），其中交互效应影响最大的为μ-Silt和d-Silt；土壤中各养分在种植年限为0～30年期间，总体表现为增大的趋势，但是在开垦年限为21～25年时，各养分含量均出现一个极小值，开垦年限为25年以上时，除钾含量指标表现为下降趋势外，其余各养分指标均表现为线性增大的趋势。

关键词：开垦年限；有机碳；组分；土壤养分

中图分类号：S153.6 文献标识号：A文章编号：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

土壤有机碳含量为土壤质量的一个重要参数，通过不同粒级分组得到的土壤有机碳各组分具有不同的功能，明确各组分含量和功能对提高土壤质量和土壤碳库的构建具有重要作用[1]，土壤有机碳各不同组分和土壤中大量元素和微量元素等有一定相关关系，不同耕作年限条件下，土壤受到人类活动、作物生长和气候条件等多因素的影响，其各养分含量也发生较大的变化，不同土壤结构、机械组成对土壤养分元素的有效性和土壤碳庫各组分含量具有较大影响[2-4]。因此，借助土壤有机碳的分组和土壤养分之间的相互关系研究，对合理评价土壤综合质量及固碳能力具有重要意义。对土壤碳的分组技术及各组分的功能研究起步较早，特别是不同施肥结构对土壤碳库组分的影响研究较多，周萍等[5]利用超声波分散法对水稻土中有机碳进行分组研究，并对其有机碳积累的重要机制和响应模式进行了探索。徐香茹等[6]对水稻土在不同施肥条件下通过30年长期定位试验，分析了碳库各粒级组分含量特征及其与总有机碳的相互关系，并探索了稻田土的固碳机制和积累形式。张丽敏等[7]在贵阳市开展了黄壤性水稻土不同施肥模式处理下经过18年长期定位监测试验，采用土壤有机碳物理-化学联合分组方法，重点研究了不同施肥条件下土壤有机碳组分含量及分配比例的变化，并通过定量分析组分碳含量与年均碳投入量的关系，探讨了土壤有机碳饱和现象，结果表明通过有机肥配施无机肥的施肥措施能有效提高水稻土有机碳含量，并且土壤有机碳中较为稳定的组分具有饱和现象。本试验通过对宁夏不同种植年限土壤各养分含量的变化趋势，及其与有机碳各组分含量的相关关系进行研究，以期为区域土壤碳库构建、施肥模式探索及种植结构调整提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

以宁夏不同种植年限土壤为供试材料，在宁夏不同地域取样测试，该区域地处黄土高原、蒙古高原和青藏高原的交汇地带，具有典型的大陆性季风气候特征，平均降水量差异较大，不同区域平均降水量分布在166.9～647.3 mm，多年平均蒸发量变化幅度也比较大，分布在1 312.0～2 204.0 mm，无霜期平均为105～163 d，≥0℃积温为1 400～3 800℃·日。土壤类型为淡灰钙土，供试土壤以砂壤土和壤土为主，平均容重1.38 g/cm3，平均pH值为8.2，为碱性土壤，在不同区域同一种植年限的每块土壤上取30个样本，经过一致性检验选择养分指标满足正态分布的数值取平均值，得到土壤不同年限各养分含量（见表2）。endprint

1.2 试验方法

采用改进的Stewart等提出的物理化学联合分组方法对供试土壤有机碳各组分进行测定分析，称取20 g土壤碾碎风干过2 mm筛，放在微团聚体分离器套筛中，经过分离器振动分离后，可分离出粗颗粒有机碳组分、微团聚体、游离黏粒和粉粒。大于250 μm的部分将留在顶部筛上，为有机碳中粗颗粒有机碳组分部分；通过最小一级套筛粒径小于53 μm的为游离黏粒和粉粒，分别用离心法、离心法配合化学试剂等方法分离出游离粉粒组分（d-Silt）和游离黏粒组分（d-Clay）；介于53～250 μm之间的为微团聚体组分，将微团聚体组分进一步密度浮选和分离，利用离心机和滤膜等材料分离出大于0.45 μm的轻组部分为自由态颗粒状有机碳组分（fPOM），将剩余部分加0.5%的（NaPO3）6溶液30 mL，并放在振荡器上振荡后过 53 μm 的筛，留在筛上的为物理保护有机碳组分（iPOM），过 53 μm 筛的部分用同样的方法分离出闭蓄粉粒组分（μ-Silt）和闭蓄黏粒组分（μ-Clay），将得到的游离粉粒和黏粒组分与闭蓄粉粒和黏粒组分在95℃的高温条件下，用盐酸滤去酸解溶液，得到非酸解组分含量。

1.3 数据分析及作图方法

计算各重复试验结果的平均值，利用层次分析法对土壤各养分值进行归一化处理，采用Microsoft Excel和Origin 8.0等软件进行回归分析，借助二次函数对土壤养分综合值和土壤有机碳各组分之间的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 养分指标综合评分

利用层次分析法将各养分指标占土壤肥力的权重大小进行计算，首先以土壤肥力为目标层建立层次结构模型，准则层为氮、磷、钾和微量元素四个指标，指标层为准则层四个养分元素的具体指标，见图1。

首先构建判断矩阵，AHP各因素对总目标的影响以两两比较的形式表示，将两两比较得到的相对大小值aij列入判断矩阵的第i行和第j列，准则层对目标层、指标层对准则层的判断矩阵如下：

准则层对目标层的判断矩阵：

1/91/71/81，指标层对准则层四因素的判断矩阵分别为：11/5

51、11/771、11/331、1，对所得到的矩阵进行一致性检验，一致性指标CI=（λmax-n）/（n-1），其中λmax为判断矩阵的最大特征值，根据查表得到平均随机一致性指标RI，计算得到一致性比例CR=CI/RI，分别为0.024、0、0、0、0，均小于0.1，说明所构建的判断矩阵具有较好的一致性。利用几何平均法[8]对各判断矩阵进行求解，得到各层对上一层的影响大小的相对权重值（表1）。

对宁夏不同开垦年限典型淡灰钙土中各养分含量进行测定，包括有效磷、速效钾、全氮、全磷、碱解氮、缓效钾和有效锌，结果见表2。

根據层次分析法（AHP）对土样中所测定的各养分含量计算得到的权重值，最后得到表征土壤肥力状况的养分综合评分值，见表3。

2.2 土壤有机碳各组分和肥力相关性

土壤中有机碳库各组分对土壤肥力各构成要素具有一定的影响，分析土壤养分综合评分值和有机碳库各组分相关性，并用二次函数模拟两者之间的关系，通过决定系数来综合评价两者的函数关系和影响程度。

由图2可知，土壤碳库不同组分和土壤养分综合值之间的二次函数关系其决定系数具有较大的差异，其中游离粉粒（d-Silt）、闭蓄粉粒 （μ-Silt）、物理保护有机碳（iPOM）等组分和土壤养分综合值较为符合二次函数的关系，其决定系数分别为0.837、0.756和0.699，表现为显著性相关关系，其余各组分和土壤养分综合值没有显著的函数关系，其决定系数均集中在0.1～0.4之间。土壤养分综合值随着游离粉粒、闭蓄粉粒、物理保护有机碳三组分增大表现为先减小后增加的趋势，当各组分含量分别为0.70、0.75 g/kg和0.23 g/kg时土壤养分综合值达到最小值，说明存在大量的游离粉粒、闭蓄粉粒、物理保护有机碳时，能极大促进土壤养分形成及其活性。建立土壤养分综合值和游离粉粒、闭蓄粉粒组分、物理保护有机碳三组分的三元二次关系模型：

式中，y为土壤养分综合值，x1为游离粉粒组分；x2为闭蓄粉粒组分 ；x3为物理保护有机碳组分。通过所构建模型的一次项可以看出，对土壤肥力影响较大的各组分在影响程度上仍具有较大的差异，其中闭蓄粉粒组分对土壤肥力的影响最大，其影响大小依次为x2>x1>x3，其中游离粉粒组分和闭蓄粉粒组分的交互效应对土壤肥力的影响也较大，说明用土壤有机碳各粒级组分来反映土壤肥力具有一定的可靠性，特别是闭蓄粉粒组分在很大程度上能表征土壤肥力大小，实际生产中可根据其判断土壤综合肥力情况。

2.3 土壤养分时空变化

土壤养分随时间和空间变化较大，特别是在受到人类活动影响和作物生长条件下，土壤中各大量元素、微量元素及总有机碳等表现出增加、稳定或者减小的变化趋势，分析所取土壤中各养分构成要素的时空变化，对土壤质量提升及指导施肥具有重要意义。

由图3可以看出，土壤中各养分随着种植年限的增加，都表现出一定的波动变化，0～30年总体表现为增大的趋势，特别是种植年限为0～5年，即新开垦土地各养分均表现为持续增加的趋势，如全氮含量在新垦时为0.31 g/kg，1～5年的平均值为0.50 g/kg，增加幅度达到61.3%，全磷含量该时间段增加幅度为31.3%，其余各指标均有类似的变化趋势，在5～10年，全氮、速效钾、缓效钾及有效锌含量平均值略有下降，但是在0～20年总体表现为增加的趋势，在开垦年限为21～25年时，各养分含量均出现一个极小值，这可能与施肥结构有关，开垦年限为25年以上时，除速效钾和缓效钾含量有所下降外，其余各养分含量均表现为线性增大的趋势。

3 讨论与结论endprint

通过对不同种植年限土壤养分各指标测定和多年变化趋势的分析，研究长期种植条件下土壤肥力状况的变化，并用相关方法对各土样有机碳各组分进行筛分和测定，对土壤养分指标和有机碳各组分相关关系进行拟合，通过建立土壤养分含量和各组分之间二次抛物线模型，筛选出了最能表征土壤养分含量的三个土壤有机碳组分，并以土壤养分综合值为因变量建立了三元二次模型，主要得到以下结论：

（1）对土壤肥力的影响较大的组分为闭蓄粉粒组分（μ-Silt）、游离粉粒组分（d-Silt）和物理保护有机碳组分（iPOM），其影响大小依次为μ-Silt>d-Silt>iPOM，其中游离粉粒组分和闭蓄粉粒组分的交互效应对土壤肥力的影响也较大，说明用土壤有机碳各粒级组分来反映土壤肥力具有一定的可靠性，特别是闭蓄粉粒组分 在很大程度上能表征土壤肥力大小，实际生产中可根据其判断土壤综合肥力情况。

（2）土壤中各养分在种植年限为0～30年期间，总体表现为增大的趋势，但是在开垦年限为21～25年时，各养分含量均出现一个极小值，因在这5年中黄河来水减少，新疆自治区政府通过调整种植结构、减少化肥投入和发展高效节水农业来提高农业产出效率，在开垦年限为25年以上时，政府主导调整施肥模式，逐渐增施生物有机肥、生物质碳等，故其土壤肥力又有所提高，除钾含量指标表现为下降趋势外，其余各养分指标均表现为线性增大的趋势。

参 考 文 献：

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