干旱區典型綠洲土壤有機質含量分布特征及其影響因素*

唐夢迎丁建麗?夏 楠魏 陽馮 娟譚 嬌

（1 新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046）

（2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046）

干旱區典型綠洲土壤有機質含量分布特征及其影響因素*

唐夢迎1，2丁建麗1，2?夏 楠1，2魏 陽1，2馮 娟1，2譚 嬌1，2

（1 新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046）

（2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046）

以新疆南部的渭干河–庫車河流域三角洲綠洲為對象，按照土地利用方式布設78個采樣點，分別采集表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）土樣共156份，分析土壤有機質（SOM）含量和土壤酸堿度（pH）分布特征，并討論在作物類型、土地利用方式和土壤pH因素的影響下，表層和亞表層SOM含量的差異性。結果表明：表層SOM含量范圍為3.7～24.1 g kg-1，平均含量為11.0±4.2 g kg-1；亞表層SOM含量較低，為2.7～12.9 g kg-1，平均含量為7.0±2.2 g kg-1。表層中作物類型和土地利用方式的SOM均值、標準差均高于亞表層，二者的變異系數在20%～50%之間，屬中等變異。方差分析和逐步回歸分析表明，各因素對SOM含量的變異性影響存在較大差異。作物類型、土地利用方式和土壤pH三種影響因素對研究區表層和亞表層的SOM變異綜合解釋能力分別為45.1%和43.7%，綜合分析得出各因素中作物類型因素對研究區SOM含量影響最大。

渭干河–庫車河流域三角洲綠洲；土壤有機質；逐步回歸分析；影響因素

土壤有機質（Soilorganic matter，SOM）是土壤的重要組成物質，對改善土壤理化性質以及植物的生長起著重要作用，其含量的多少可反映土壤肥力水平的高低［1］。SOM是陸地生態系統中碳循環的重要源和匯，它能夠提高土壤質量和作物產量，并能夠固定碳，應對全球變暖［2-3］。由于各地的自然條件和農林業經營水平差異，SOM受到的影響因素不同，故其含量存在差異。鑒于土壤有機質的重要性，研究SOM及其影響因素十分必要［4-5］。在區域尺度上，SOM主要受氣候、土地利用方式和地形因素等差異的影響［6-9］。

土壤有機質已經成為地球化學、環境化學和土壤學的研究重點之一［10-11］。國內外學者對SOM的影響因素做了大量研究。如Ajami等［12］研究伊朗北部半濕潤地區的黃土土壤，得出土地利用方式影響土壤有機碳存儲，保護林地可以更好地存儲土壤有機碳。Wang等［13］運用主成分分析法和冗余分析法探討新西蘭草原SOM組分的影響因素，表明土壤景觀類型和土地利用方式可進一步解釋SOM組分的可變性。李婷等［14］研究表明沱江流域中游SOM含量主要受土壤質地、土地利用方式、海拔高度和坡度等因素影響。王合玲等［15］采集新疆艾比湖流域SOM數據，得出SOM含量受植被群落類型、土壤質地和土壤剖面深度3個因素的影響。目前對于土壤有機質影響因素已有廣泛的研究基礎［16-17］，但大部分的研究區位于氣候寒冷的東北地區和高溫濕熱的西南地區，中國新疆等西北干旱半干旱地區影響SOM的因素研究較少。

渭干河-庫車河三角洲綠洲（簡稱渭-庫綠洲）是新疆典型的荒漠綠洲，土壤鹽漬化現象顯著，耕作歷史悠久［18］。本研究以該綠洲為研究區，對表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）SOM含量進行定量分析，并討論作物類型、土地利用方式和土壤pH等因素對土壤有機質含量的影響，旨在為干旱區綠洲土壤的改良和合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

渭–庫綠洲位于新疆南部的塔里木盆地中北部（東經81°28′30″～84°05′06″，北緯39°29′51″～42°38′01″），是我國西北干旱區典型荒漠綠洲。地貌為扇形洪積、沖積傾斜平原，海拔在947～1 070m之間，總體地勢北高南低。氣候類型為大陸性暖溫帶干旱氣候，年均氣溫為11 ℃，極端最高溫度為40.8℃，極端最低溫度-27.8℃，年均蒸發量大于2 000 mm，年均降水量55.45mm，蒸發強烈，降水分布不均。主要土壤類型有磚紅壤、紅壤等［19］；主要土地利用方式為耕地、草地、林地、荒地和鹽漬地等；經濟方式以農牧業為主［20］，主要作物類型為核桃（Juglans regia）、蘋果（Malus pumila）、棗樹（Ziayphus jujuba）、玉米（Zea mays）、棉花（Gossypium hirssittum）等，另有蘆葦（Phragimites australis）、花花柴（Karelina caspica）、檉柳（Tamarix laxa willd）和胡楊（Populus euphuatica）等荒漠植被。

本研究根據Google地球查看地物的特征，并結合實地調查，將土地利用類型分為6類。采用監督分類方法中的最大似然分類法對影像進行分類，經精度驗證，符合精度要求且達到85%以上，故得出研究區土地利用分類結果圖（圖1）。

圖1 研究區采樣點分布和土地利用分類圖Fig. 1 Map of distribution of sampling sites and classification of land use in the study area

1.2 樣品采集與分析

2013年10月中旬，用GPS記錄采樣點位置，根據渭-庫三縣的土地利用現狀圖和實地調查確定采樣位置選取78個樣方（圖1），每個樣方30 m× 30 m的，按照五點混合采樣法分別在0～20 cm和20～40 cm土層深度取樣，每個土壤樣品分裝3份，共取得156份。樣點所屬土地利用方式包括耕地、草地、林地、荒地和鹽漬地，通過實物采樣和農戶訪問得到作物類型有棉花、玉米、核桃、蘋果和棗樹。將采集的土樣帶回實驗室自然風干，剔出土壤以外的侵入體（如植物殘茬、石粒、磚塊等雜質），分別過0.25 mm和2 mm篩孔磨細過篩，充分混合均勻。參照《土壤理化分析與剖面描述》［21］，將所有樣品制備成1∶5土水質量比浸提液，利用pH-2603儀器測定土壤pH。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質含量。

1.3 數據處理

運用SPSS 22.0軟件，將上述方法得到的數據分別進行描述性統計、方差分析和回歸分析。進行方差分析時，將土壤pH劃分為＜5.0、5.0～6.5、6.5～7.5、7.5～8.5、＞8.5共5類；作物類型和土地利用方式為多分類變量；回歸分析采用啞變量為各變量賦值［22］。

2 結果與討論

2.1 表層與亞表層土壤有機質含量和土壤pH分布特征

將實驗所測的SOM數據進行描述性統計分析，得出渭-庫綠洲土壤表層SOM含量為3.73～24.07 g kg-1，標準差為4.18 g kg-1，平均含量為10.99 g kg-1，中位數為10.44 g kg-1，接近并低于平均值，變異系數為30.03%，屬中等變異。偏度和峰度系數分別為0.53和0.08，屬偏正態分布，經對數變換后符合正態分布（圖2）。亞表層SOM含量為2.73～12.94 g kg-1，標準差為2.21 g kg-1，平均含量為6.97 g kg-1，變異系數為31.71%，屬中等變異。偏度和峰度系數分別為0.56和0.19，屬正態分布。與表層相比，亞表層SOM含量較低，這是由于人類經濟活動范圍主要集中在土壤表層，農業施用有機肥料直接提高了表層SOM含量。在渭-庫綠洲SOM含量總體水平較低，與黃元仿等［23］研究結果一致，表明在生態脆弱的干旱地區土壤有機質含量呈現較低且分布不均的趨勢。

pH是影響土壤理化性狀、物質轉化和肥力的重要因素。土壤pH過酸（pH＜4.5）或過堿（pH＞8.5）時，多數微生物活動均會受到顯著影響，并抑制作物根系生長，從而減少有機質在土壤中的積累；反之，則會有利于土壤有機質的積累。由表1看出，渭-庫綠洲土壤表層和亞表層的土壤pH總體均呈現堿性趨勢。通過單個樣本的柯爾莫哥洛夫-斯米諾夫（Kolmogorov-Smirnov）方法檢驗得出土壤pH服從正態分布。表層與亞表層的土壤pH的變異系數3.6%和4.41%均小于25%，屬弱空間變異。

圖2 土壤有機質含量（0～20 cm和20～40 cm）頻率分布Fig. 2 Frequency distribution of SOM content（0～20cm and 20～40cm）

表1 土壤表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）土壤pH分布特征統計值Table 1 Statistics of pH distribution in top soil（0～20 cm）and subsoil（20～40 cm）of pH distribution statistics

2.2 作物類型和土地利用方式對土壤有機質含量的影響

由表2可知，在土壤表層的不同作物類型中，核桃SOM含量均值最高，為19.33 g kg-1，棉花SOM含量均值最低，為9.57 g kg-1。標準差最大為核桃，蘋果最低。棉花、棗樹、核桃的變異系數分別為30.67%、23.04%和21.88%，屬中等變異，且棉花與蘋果之間差異較大。蘋果，棗樹和核桃屬于果園作物，其耕種的作物不需要每年翻犁，土壤有機質的生存環境也不會受到嚴重外界破壞，且其含量會逐年累積。而一年耕種的作物如棉花和玉米，其除了每年需翻犁土地外，在其生長期土壤內的有機質分解初期和收割期分解較快［27］，致使土壤內的有機質含量較低。不同土地類型中，林地SOM含量均值最大，為16.12 g kg-1。這是由于林地中植被覆蓋度較高，植物葉片墜落在土壤經分解生成的有機質聚集在表層，因而農收后耕地的SOM含量為一年中最低。其余地類SOM含量在6.19～10.65 g kg-1之間，差異明顯。標準差最大最小值分別為草地4.55 g kg-1和荒地1.55 g kg-1。各地類的變異系數在24.32%～45.16%之間，屬中等變異。

亞表層作物類型和土地利用方式中的SOM均值和標準差均低于表層，且差異較大（表3）。在農業活動時，由于不同作物類型對施肥和灌溉條件的要求不同，且作物根系分泌物在土壤表層增加，微生物積累隨之增加，故亞表層SOM的含量低于表層。

表2 土壤表層（0～20cm）和亞表層（20～40cm）的不同作物類型和土地利用方式下的SOM含量Table 2 SOM contents in top soil（0～20 cm）and sub soil（20～40cm）under different types of crops and land use

2.3 各影響因素的差異性及對土壤有機質變異的影響

不同影響因素的SOM含量方差分析結果見表3。不同作物類型、土地利用方式的SOM含量均存在顯著差異（p＜0.05）。F值為組間均方與組內均方的比值，表示不同分組間樣本均數的差別，其值越大，表明組間差異越明顯。其中表層土壤pH的F值最小，為2.422，作物類型的F值最大，為12.917；亞表層土地利用方式的F值最小，為2.061，作物類型的F值最大，為6.865，結果表明各因素對SOM含量的變異性影響存在較大差異。

表3 各因素影響土壤有機質的方差分析結果Table 3 Variance analysis of impacts of factors on soil organic matter

逐步回歸分析法是通過自變量的顯著性選取最優變量的過程，即判定各因素解釋SOM變異的能力。對全部采樣點的SOM數據進行逐步回歸分析，得到各因素對研究區表層和亞表層的SOM變異綜合解釋能力分別為45.1%和43.7%。其中各因素對SOM含量影響的判定結果如表4所示。R§2解釋的是除該變量外的其他變量對SOM變異的強弱，值越大則變異越弱；ΔR2解釋變量在回歸方程中的重要性，值越大則越重要；R偏2為偏決定系數，表示新加入的變量在回歸方程中的重要性。由表可得，作物類型，土地利用方式及土壤pH三種因素對SOM影響均有所不同，對于表層的SOM影響而言作物類型與土壤pH分別處于兩個極端。表層SOM受作物類型影響的R§2為0.026，說明其他兩個因素對解釋SOM變異貢獻2.6%；ΔR2為0.185，說明了在解釋SOM變異時加入作物類型可以使得解釋能力增加18.5%；為0.174，說明加入作物類型因素對于SOM的重要性。土壤pH對表層的SOM影響最小，R§2為0.199，說明了其他兩個因素對解釋SOM變異貢獻19.9%；ΔR2為0.026，說明在解釋SOM變異時，加入土壤pH只能使得解釋能力增加2.6%；為0.013。而在亞表層中與表層不同，新加入作物類型因素時對SOM影響最大，為0.164；加入土地利用方式因素時對SOM影響不明顯，為 0.010。

3 結 論

本研究運用方差分析和逐步回歸法，討論了影響渭-庫綠洲土壤SOM含量的主要因素，結果表明表層SOM含量平均為10.99±4.18 g kg-1，亞表層SOM含量相對較低，SOM含量隨土壤深度的增加而減少。表層受到作物類型和土地利用方式因素影響，SOM均值、標準差高于亞表層，可能與人類經濟活動常在表層有關。各因素對研究區表層和亞表層的SOM變異綜合解釋能力分別為45.1%和43.7%，綜合分析得出各因素中作物類型因素對研究區SOM含量影響最大，說明對農田作物進行長期的施肥、灌溉等管理措施有助于土壤有機質的累積。

表4 各因素對土壤有機質變異逐步回歸分析結果Table 4 Stepwise regression analysis of impacts of factors on variation of soil organic matter

致 謝感謝新疆師范大學地理科學與旅游學院王雪梅副教授所提供的室內實驗基礎數據資料。

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Distribution of Soil Organic Matter Content and Its Affecting Factors in Oases Typical of Arid Region

TANG Mengying1，2DING Jianli1，2?XIA Nan1，2WEI Yang1，2FENG Juan1，2TAN Jiao1，2
（1 College of Resource and Environment Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）
（2 Xinjiang Key Laboratory of Oasis Ecology，Urumqi 830046，China）

A field survey was carried out of the Weigan-Kuqa River Delta Oasis in South Xinjiang，collecting a total of 156 samples of topsoil（0～20 cm）and subsoil（20～40 cm）at 78 sampling sites laid out in the light of land use for analysis of soil organic matter（SOM）content and pH and their distributions，and variations of SOM in the topsoil and subsoil layers as affected by crop type，land use and soil pH. Results show that SOM varied in the range of 3.7～24.1 g kg-1in content，and averaged 11.0±4.2 g kg-1in the topsoil layer（0～20 cm），and in the range of 2.7～12.9 g kg-1，and 7.0±2.2 g kg-1；in the sub-subsoil layer（20～40 cm）. The topsoil layer was much higher than the subsoil layer no matter in mean of SOM contents or standard deviation in soils under different types of crop and patterns of land use，with a variation coefficient being 20%～50%. Obviously the variation was at a moderate level. Variance analysis and stepwise regression analysis shows that the factors affecting SOM content also varied in effect. The integrated effect of the three factors，crop，land use and pH，could explain 45.1% of the variation of SOM content in the topsoil layer and 43.7% of that in the subsoil layer. Comprehensive analysis shows that crop type is the most important factor affecting SOM content in the study area.

Weigan-Kuqa River Delta Oasis；Soil organic matter；Stepwise regression；Affecting factor

P934；S158

A

（責任編輯：盧 萍）

* 國家自然科學基金項目（U1303381，41261090）和自治區重點實驗室專項基金（2016D03001）資助 Supported by National Natural Science Foundation of China（Nos. U1303381，41261090）and the Special Fund of Autonomous Region Key Laboratory （No. 2016D03001）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：watarid@xju.edu.cn

唐夢迎（1992—），女，新疆烏蘇人，碩士研究生，主要從事干旱區資源遙感研究。E-mail：tmy1128@163.com

2016-11-10；

2017-01-17；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-03-01

10.11766/trxb201611100468