陜西省土壤有機質(zhì)含量及其與影響因素的關(guān)系

董莉麗, 楊 波, 李曉華, 王新芳

(咸陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院, 陜西 咸陽 712000)

陜西省土壤有機質(zhì)含量及其與影響因素的關(guān)系

董莉麗, 楊 波, 李曉華, 王新芳

(咸陽師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院,陜西咸陽712000)

[目的] 分析陜西省土壤有機質(zhì)空間分布特征及其影響因素，并揭示土壤有機質(zhì)與地形、植被類型、氣候和土壤其他屬性的關(guān)系，為該區(qū)土壤碳匯(碳源)功能變化研究提供科學(xué)基礎(chǔ)。 [方法] 通過采集陜西省12個樣區(qū)不同植被類型和地形條件下的85個表層土壤樣品，并利用SPSS 16.0中的K-means聚類和Canoco 4.5軟件中的冗余(RDA)方法進行分析。 [結(jié)果] 土壤有機質(zhì)濃度在2～6級之間；并表現(xiàn)為由南至北，由西至東大致呈降低趨勢；在各樣區(qū)，最大值是最小值的1.89～14.84倍；同一樣區(qū)不同樣地土壤有機質(zhì)含量等級不同；各影響因素中，除經(jīng)度和無霜期的影響不顯著外，其他各環(huán)境因子的影響均顯著，退耕年限和植被類型的影響最大，坡度和坡向的影響程度較低，且交互影響作用明顯。 [結(jié)論] 除農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@外，農(nóng)地退耕能夠顯著提高土壤有機質(zhì)含量，并隨著恢復(fù)年限的延長，有機質(zhì)含量增加日益顯著，生態(tài)系統(tǒng)逐漸由碳源轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R。

土壤有機質(zhì); 冗余分析; 影響因素; 林齡

文獻參數(shù)： 董莉麗, 楊波, 李曉華, 等.陜西省土壤有機質(zhì)含量及其與影響因素的關(guān)系[J].水土保持通報，2017,37(4)：85-91.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.015； Dong Lili, Yang Bo, Li Xiaohua, et al. Content of soil organic matter and its relationships with influencing factors in Shaanxi Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：85-91.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.015

土壤有機質(zhì)是土壤固相物質(zhì)組成之一，與土壤自凈和緩沖能力、養(yǎng)分的供應(yīng)與儲存及微生物活動密切相關(guān)，并影響土壤團聚體的形成與穩(wěn)定性，在全球碳平衡中起至關(guān)重要的作用，是評價土壤質(zhì)量的重要標志之一。理解不同環(huán)境條件下土壤有機質(zhì)的差異，是理解生態(tài)系統(tǒng)功能和全球氣候變化的關(guān)鍵。坡向與熱量和水分條件相關(guān)，并影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和有機質(zhì)分解。目前，有關(guān)坡向?qū)ν寥烙袡C質(zhì)影響的研究結(jié)果并不一致：有研究[1-3]認為南坡大于北坡；也有研究[4-5]認為北坡較高；另外，也有南坡和北坡差異不明顯[6-7]和半陰坡最高[8-9]等觀點。坡度與土壤養(yǎng)分的分布有一定的聯(lián)系，研究坡度對于土壤養(yǎng)分的關(guān)系，有利于對土壤養(yǎng)分分布規(guī)律的研究[10]。但僅僅研究某一因素對土壤有機質(zhì)含量的影響是不夠的，近幾年出現(xiàn)了很多針對兩種因子的交互作用對土壤有機質(zhì)影響的研究，例如，植被類型和坡向[1,3]；林齡和坡向[11]；土壤質(zhì)地和年均溫[12]；土壤質(zhì)地和土地利用類型[13-14]；坡度和坡向[15]等。但土壤特性往往受到多個成土因素的綜合作用，而同時綜合考慮多個環(huán)境因子進行土壤—環(huán)境之間數(shù)量關(guān)系的研究還比較少。另外，目前有關(guān)土壤有機質(zhì)的影響因素的研究，主要是應(yīng)用了地統(tǒng)計學(xué)和GIS軟件相結(jié)合的方法[13-18]，該方法往往受到空間分辨率的影響。Canoco 4.5是一種生態(tài)應(yīng)用軟件，它將排序、回歸和排列方法學(xué)進行了整合，利用降趨勢對應(yīng)分析和冗余分析可以避免出現(xiàn)較大的誤差，減少分析過程中的主觀性，是目前用于約束與非約束排序的較為流行的工具[19]。例如：陳曉琳等[20]利用Canoco分析了坡向、坡度、海拔和生物量等環(huán)境因子對土壤活性有機碳的影響；Wang等[21]利用Canoco軟件中的RDA分析方法研究了生物量、葉面積指數(shù)、土壤黏粒含量、容重和pH值等對土壤有機碳的影響。目前，利用該方法研究省域范圍內(nèi)土壤有機質(zhì)濃度的影響因素鮮有報道。本文采集陜西省12個樣區(qū)85個樣地表層土壤樣品，測定了土壤有機質(zhì)、黏粒、速效磷含量和團聚體水穩(wěn)性等土壤屬性特征，并對立地條件及植被類型進行調(diào)查，通過冗余分析對數(shù)據(jù)進行直接梯度排序，分析土壤有機質(zhì)對各環(huán)境因子的響應(yīng)，以探明陜西省退耕還林還草工程在提高土壤有機質(zhì)方面產(chǎn)生的效應(yīng)，揭示土壤有機質(zhì)分布特征和變化的影響因素，為理解全球變化下和人類生態(tài)環(huán)境建設(shè)作用下的該地區(qū)土壤碳匯(碳源)功能變化提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究樣區(qū)共有12個，均分布于陜西省，從北向南依次為榆林市的米脂縣(1) 、綏德縣(2) 、定邊縣(3) 、延安市的吳起縣(4)、志丹縣(5)、安塞縣(6)、咸陽長武縣(7)、銅川印臺區(qū)(8)、咸陽市禮泉縣(9～10)、渭城區(qū)(11)和安康市紫陽縣(12)，括號內(nèi)為樣區(qū)編號。研究樣區(qū)從北到南分屬于4個氣候帶：中溫帶、北暖溫帶、南暖溫帶和北亞熱帶。各研究樣區(qū)涉及的土地利用類型有：農(nóng)地、果園、草地、灌木地和人工林地，人工林樹種有油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、檸條(Caraganakorshinskii)、蘋果(Maluspumila)、杏(Armeniacavulgaris)、小葉楊(Popalussimonii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、金竹(Phyllostachyssulphurea)和板栗(Castaneamollissima)等，林齡在8～50 a之間。

表1 研究區(qū)各樣區(qū)樣地基本情況

1.2 樣品采集

每個樣區(qū)選取不同土地利用類型及不同植被類型樣地，利用GPS測定各樣地的經(jīng)緯度和海拔高度，利用羅盤測定各樣地的坡度和坡向。

每個樣地設(shè)置標準樣方3塊，沿S形采集5個表層土壤樣品，用四分法取土裝袋。將土樣風(fēng)干，磨碎過0.25 mm篩。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀熱容量法進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Canoco for Windows 4.5軟件對土壤屬性和環(huán)境因子各數(shù)據(jù)進行RDA分析，響應(yīng)變量矩陣為土壤有機質(zhì)、黏粒(<0.002 mm)、速效磷含量和水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量直徑，環(huán)境變量包括植被類型、退耕年限、坡向、坡度、經(jīng)緯度、海拔、年平均降水量、無霜期、年平均溫度。將定性變量進行編碼，坡向劃分為陰(1)、半陰(2)、半陽(3)、陽(4)。植被類型分為6類，農(nóng)地為1，苜蓿地為2，荒草地為3，經(jīng)濟林為4，人工生態(tài)林中的針葉林為5，闊葉林為6。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機質(zhì)分布的統(tǒng)計分析

對各樣區(qū)土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，結(jié)果詳見表2。由表2可知，土壤有機質(zhì)含量的最大值和最小值相差較大，前者是后者的1.89～14.84倍；均值和中值接近；根據(jù)全國土壤養(yǎng)分含量分級標準，土壤有機質(zhì)含量變化范圍在2～6級之間。

表2 各樣區(qū)土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計分析

變異系數(shù)也是土壤特性變異性的一個估計值，由于樣區(qū)8，10的所有樣地均為果園，植被類型相同且田間管理方式基本一致，因此土壤有機質(zhì)變異系數(shù)較小。其他樣區(qū)土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)較大，在30.49%～70.45%之間，所有樣區(qū)土壤有機質(zhì)含量均屬中等變異。圖1為土壤有機質(zhì)含量隨經(jīng)緯度的變化。由圖1可以看出，表層土壤有機質(zhì)含量由南至北，由西至東大致呈降低趨勢。

圖1 土壤有機質(zhì)(SOM)隨經(jīng)緯度的變化

2.2 聚類分析

為了解各研究區(qū)不同樣地土壤有機質(zhì)分布規(guī)律和影響因素，對12個研究區(qū)85個樣地進行K-means聚類分析。每個樣地名稱為林齡(退耕年限)+植被類型+樣區(qū)編號，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，同一樣區(qū)不同樣地屬于不同類群，樣區(qū)1的10個樣地分屬于第1和第2個類群，樣區(qū)2，3的樣地分屬于第1和第3類群，樣區(qū)4的12個樣地分屬于1，2，3，4，5，6類群，樣區(qū)5的3個樣地屬于第1類群，樣區(qū)6的8個樣地分屬于第1，2，3類群，樣區(qū)7的6個樣地分屬于第1，2，3，4類群，樣區(qū)8和樣區(qū)10的樣地均為果園，分屬于第1，2類群，樣區(qū)9分屬于第2，3，5，6，7類群，樣區(qū)11的8個樣地分屬于第2，3，4類群，樣區(qū)12的5個樣地分屬于第3，4，6類群。12個樣區(qū)中，農(nóng)地、果園和退耕年限較短的荒草地土壤有機質(zhì)含量較低，林齡較長的林地、退耕時間較長的荒草地和緯度較低的農(nóng)地有機質(zhì)含量豐富。

表3 聚類分析結(jié)果

2.3 基于Canoco多元統(tǒng)計分析研究土壤-環(huán)境關(guān)系

采用Canoco 4.5軟件中的線性約束性排序方法RDA進行排序。排序前4軸的特征值及其與各環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)詳見表4。由表4可知，4個排序軸的特征值分別為0.304，0.143，0.038，0.027。排序軸1解釋了30.4%的土壤性質(zhì)的變化，土壤性質(zhì)變化的累積解釋量在前4個軸的值為51.3%，土壤性質(zhì)與環(huán)境相關(guān)關(guān)系在第1軸和第2軸的解釋量分別為59.3%和28.0%，即第1軸和第2軸共解釋了87.3%的土壤與環(huán)境因子之間的關(guān)系(表4)。

表4 排序前4軸的特征值及其與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

圖2為樣地、環(huán)境因子與土壤各屬性的RDA排序圖。黑色箭頭代表環(huán)境因子，虛線箭頭代表土壤屬性，箭頭的夾角余弦代表相關(guān)性，箭頭的長短代表該因子對土壤屬性的解釋量的大小。圓圈代表樣地，圓圈之間的距離為歐幾里得距離，距離越短表示差異越小，反之越大。

由圖2可以看出，環(huán)境因子中退耕年限和植被類型表現(xiàn)了對土壤有機質(zhì)變化較高的解釋量，而降水表現(xiàn)了對土壤速效磷較高的解釋量；隨著坡度和坡向的增大，土壤有機質(zhì)含量呈增加趨勢；有機質(zhì)與海拔、平均溫度和無霜期表現(xiàn)為正相關(guān)，而與經(jīng)度和緯度為負相關(guān)；土壤黏粒含量與平均質(zhì)量直徑(MWD)呈正相關(guān)，二者與土壤有機質(zhì)正相關(guān)；速效磷與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性較小。蒙特卡洛顯著性檢驗表明，經(jīng)度和無霜期對各土壤屬性的影響不顯著外，其他各環(huán)境因子對土壤屬性的影響均顯著。樣區(qū)9的9個樣地(樣地編號為58～66)及樣區(qū)3的4個樣地(樣地編號為19～22)差異性小，前者土壤黏粒含量較高，后者樣地海拔較高。其他屬于同一樣區(qū)的樣地并未集中排列，這主要是由于各樣區(qū)樣地的植被類型和退耕年限的不同引起的。

圖2 樣地、土壤屬性和環(huán)境因子的冗余分析排序

3 討 論

Andriamananjara等[22]研究認為影響土壤碳庫的環(huán)境因子包括海拔、氣候、土壤質(zhì)地和根系生物量；宋軒等[17]研究認為流域內(nèi)海拔是影響土壤養(yǎng)分分布的主要影響因素。本文研究認為，在土壤性質(zhì)的各影響因素中，退耕年限的影響最重主要。Wang等[21]和趙海燕等[23]研究也認為表層土壤的有機質(zhì)隨林齡的增加而增加。Guan等[24]研究認為次生林轉(zhuǎn)變?yōu)樯寄竞兔窈笸寥烙袡C碳含量明顯降低，并認為林齡是重要因素。可見，隨著林齡的增長，森林土壤碳匯潛力明顯。這是因為在植物生長過程中，植物吸收環(huán)境中的碳素并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C物質(zhì)，并以枯落物等帶入土壤逐年累積所致。植被類型與土壤有機質(zhì)的夾角為銳角，表明植被類型也顯著影響SOM含量，這與Yimer等[1]、王合玲等[14]和Wang等[21]的研究結(jié)論一致，后者研究認為不同植被類型下活體生物生物量差異是影響土壤有機質(zhì)含量的主要因素。

地形變化對土壤理化性質(zhì)和水分特性有明顯的影響[25]。其中，坡度與土壤養(yǎng)分的分布有一定的聯(lián)系，研究坡度對于土壤養(yǎng)分的關(guān)系，有利于對土壤養(yǎng)分分布規(guī)律的研究[10]。目前，有關(guān)坡度對土壤有機質(zhì)含量影響的結(jié)論不一致，蔣文慧等[10]認為坡度和土壤有機質(zhì)呈正相關(guān)，而李婷等[26]認為隨著坡度增大，土壤中有機質(zhì)含量逐漸下降，張文博等[27]研究則認為坡度為0～3°，3～8°，>8°的土壤有機質(zhì)含量無顯著性差異。本研究中，坡度與土壤有機質(zhì)正相關(guān)，即隨著坡度等級的增加，表層土壤的有機質(zhì)含量增加，這與我國實施的退耕還林還草政策有關(guān)，這一政策中明確規(guī)定禁止開墾25°以上陡坡地，且坡度越大，退耕時間更早。但坡度的影響程度較低，這主要是由于隨著坡度的增大，影響土壤有機質(zhì)含量的因素增多，并且復(fù)雜化，致使坡度對土壤有機質(zhì)空間分布影響權(quán)重減小[15]。坡向不同的地方，所接受的太陽輻射能不同，溫度狀況不同，水分狀況不同，植被的覆蓋程度也不同。因此，不同坡向表層土壤中物理、化學(xué)和生物過程存在差異，進而導(dǎo)致表層土壤養(yǎng)分含量和分布狀況的異質(zhì)性[10]。本文研究認為坡向與有機質(zhì)含量正相關(guān)，即隨著坡向由陰坡到陽坡，土壤有機質(zhì)含量增大。坡度和坡向?qū)ν寥烙袡C質(zhì)的影響程度較低，且交互影響作用明顯。另外，坡度和坡向與退耕年限和植被類型正相關(guān)。可見，陰坡較低的太陽輻射并未使土壤有機質(zhì)分解速率降低[3]，而生長在陽坡，且坡度較陡，退耕時間較長的林地，由于冠層的遮擋，使到達地面的太陽輻射量較低，適宜的溫度和水分條件、以及更多的枯枝落葉和根系凋落物更有利于土壤有機質(zhì)的積累。

黏粒含量與土壤有機質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，這與前人[13,22,26,28]的研究結(jié)果一致。黏粒含量高的地區(qū)土壤中的細顆粒對有機質(zhì)有吸附保護作用，有機質(zhì)不易被礦化分解[12]；并且，由于黏性高的土壤，水分充足，透氣性差，原有機殘體在水分作用下易于腐爛降解[18]，因而其含量高。土壤有機質(zhì)和水穩(wěn)性團聚體平均質(zhì)量直徑正相關(guān)，且二者均與植被類型和退耕年限相關(guān)，這主要是由于植被恢復(fù)過程枯枝落葉及根系的增加有利于穩(wěn)定性團聚體的形成，并增加了土壤有機質(zhì)含量[29]。前人研究認為土壤有機質(zhì)為土壤大團聚體的形成提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)[30]，同時團聚體也降低了其內(nèi)部包裹的顆粒態(tài)/不穩(wěn)定有機質(zhì)的分解[29]。Hobley等[31]等研究認為表層土壤有機質(zhì)濃度主要受氣候變量的影響，本研究認為多年平均降水、平均溫度、無霜期與土壤有機質(zhì)含量正相關(guān)，其中，無霜期的影響不顯著。由于本研究樣本量較少且樣本在空間上未均勻分布，本文所得結(jié)論還需進一步驗證。

4 結(jié) 論

土壤有機質(zhì)含量屬中等變異程度，有隨著緯度和經(jīng)度的降低而增大的趨勢。各影響因素中，除經(jīng)度和無霜期影響不顯著外，其他各因素顯著影響表層土壤有機質(zhì)含量，尤以退耕年限影響最明顯。各樣區(qū)退耕年限較長的林地、荒地土壤有機質(zhì)含量高。坡向和坡度交互影響作用明顯，且二者與退耕年限和植被類型相關(guān)。土壤黏粒含量越高，越利于有機質(zhì)的累積。

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Content of Soil Organic Matter and Its Relationships with Influencing Factors in Shaanxi Province

DONG Lili, YANG Bo, LI Xiaohua, WANG Xinfang

(College of Resources & Environment and History & Culture, Xianyang Normal University, Xianyang, Shaanxi 712000, China)

[Objective] The spatial distribution and influencing factors of soil organic matter in Shaanxi Province were analyzed to reveal the relationships between soil organic matter and the influencing factors as topography, vegetation types, climate and other soil properties, to provide scientific basis for the study of soil carbon sink(carbon source) function change in this area. [Methods] Eighty-five top-soil samples were collected from 12 regional sites with different vegetation types and topographic conditions. Methods K-means clustering analysis and redundancy analysis(RDA) were used by SPSS 16.0 and Canoco 4.5. [Results] The soil organic matter concentration belonged to 2～6 levels, spatially having a decrease trend from the south to the north, and from the west to the east of province wide. The maximum value was 1.89～14.84 times of the minimum one. The contents of soil organic matter at different sample sites from a same region was not at similar level. Except for longitude and frost-free period, the content of organic matter was significantly affected by several environmental factors. Among which, years of vegetation restoration and vegetation types were the greatest influencing factors, slope gradient and aspect also have their influences and have obvious interaction effect. [Conclusion] Significant increase in soil organic matter content was found when farmland was transformed to other lands but orchard. The increase was more obvious with the increase of farmland converted ages, whereby it made reverted farmland shifted from carbon source to carbon sink.

soilorganicmatter;redundancyanalysis;influencingfactors;standage

A

： 1000-288X(2017)04-0085-07

： S158

2016-11-30

：2017-02-14

陜西省教育廳重點科研計劃項目“關(guān)中帝陵封土土壤和植被演化特征”(16JZ089); 陜西省普通高等學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)資助項目(0602)

董莉麗(1979—),女(漢族),陜西省扶風(fēng)縣人,博士,副教授,主要從事生態(tài)修復(fù)與環(huán)境效益評價方面的研究。E-mail:527172621@qq.com。