吉林省主要旱田土壤有機碳·氮和碳氮比的空間分布特征

王秋彬，于衛昕，王年一，劉振剛，戚昕元

(吉林省土壤肥料總站(吉林省黑土地質量保護監測中心)，吉林長春 130033)

土壤有機質和全氮是植物生長必需營養元素的主要來源，不僅反映土壤肥力水平，也印證區域生態系統演變規律[1]。二者之間的耦合關系可以用土壤碳氮比來表示，它既是土壤質量的敏感指標，也是衡量土壤碳、氮營養平衡狀況的指標[2]。前人對土壤有機碳和全氮的時空變異特征開展了大量的研究[3-5]，但研究尺度多集中在中、微觀尺度(如小流域、鄉鎮、縣域和市域等尺度)，而在較大的地理空間尺度上(如省域尺度)的研究相對較少。

吉林省位于我國東北地區中部，是我國糧食生產大省，也是國家確定的糧食功能生產區之一。2020年吉林省糧食總產量達380.3億kg，連續8年突破350.0億kg，居全國第5位[6]。土壤有機碳、全氮和土壤碳氮比是表征耕地質量的重要因素，掌握耕地土壤有機碳、氮和碳氮比的空間分布特征是有效應對糧食安全和農業可持續發展的重要依據[7-8]。土壤有機碳、氮和碳氮比受地區水熱條件影響較大，根據主要氣候因素和土壤類型，吉林省可劃分為半干旱、半濕潤、濕潤3個農業生態區[9]，該研究選取前郭、德惠、敦化等16個典型縣分別代表3個農業生態區，通過對2016—2019年測土配方施肥和耕地質量監測項目以及2017年輪作休耕試點項目旱田耕層土樣數據的分析，探討了吉林省旱田土壤有機碳、氮及碳氮比的空間分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況該研究采用陳學求等[9]對吉林省農業生態區的劃分方法，根據年降雨量、氣溫、積溫、土壤類型等因素，將吉林省劃分為半干旱、半濕潤、濕潤3個農業生態類型區。在半干旱農業生態區(包括乾安、前郭等10個市縣)選取乾安、前郭和雙遼3個市縣，該區年平均氣溫5.6～7.6 ℃，年降雨量388.5～507.8 mm，積溫2 800～3 000 ℃·d，土壤類型主要為黑鈣土和風沙土，土壤pH大多在8以上、呈堿性；在半濕潤農業生態區(包括長春、德惠等11個市縣)選取德惠、公主嶺、伊通、梨樹、東遼5個市縣，該區年平均氣溫5.9～7.7 ℃，年降雨量403～664 mm，積溫2 600～2 800 ℃·d，土壤類型主要為黑土類，土壤pH 平均7左右、呈中性，是吉林省玉米主產和高產區；在濕潤農業生態區(包括長白區、敦化區等7個局部生態區)選取敦化、安圖、琿春、渾江、撫松、蛟河、龍井、樺甸8個市縣，該區氣候和地理分布復雜，年平均氣溫3.7～8.4 ℃，年降雨量521.1～1 349.1 mm，其中600～800 mm占多數地區，900～1 300 mm只是局部地區，積溫2 100～3 000 ℃·d，局部地區在3 000 ℃·d以上，土壤類型以白漿土為主，土壤pH在6以下、呈酸性[9]。

1.2 土壤采樣與測定土壤樣品按照NY/T 1121.1—2006《土壤檢測 第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存》于2016—2019年采集和處理，每年采樣點不重復，每一樣點采用多點混合的方法采集土樣，采樣深度為0～20 cm，共28 820個樣品，其中半干旱區采樣3 826個、半濕潤區17 471個、濕潤區7 523個。采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定土壤有機碳，用半微量凱氏法測定土壤全氮。土壤碳氮比、有機碳與全氮間的相關性采用Pearson相關系數，統計分析在SPSS 20.0中完成。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳與全氮的關系據對28 820個樣品檢測數據的統計，吉林省旱田土壤有機碳含量為1.16～177.48 g/kg，平均為15.47 g/kg，變異系數為44.19%；土壤全氮含量為0.212～12.020 g/kg，平均為1.581 g/kg，變異系數為44.03%；兩者均屬中等程度的變異。相關分析表明(圖1)，全部旱田土壤樣品的有機碳與全氮含量呈明顯的線性關系，兩者的相關系數高達 0.775 1(P<0.01)，表明吉林省旱田土壤有機碳與全氮存在較為穩定的線性關系，是普遍現象。

圖1 吉林省旱田土壤有機碳和全氮的關系Fig.1 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen in dry farmland in Jilin Province

對半干旱農業生態區3 826個樣點檢測數據的統計結果表明，該區旱田土壤有機碳含量為2.21～19.32 g/kg，平均為8.81 g/kg，變異系數為25.08%；土壤全氮含量為0.251～3.010 g/kg，平均為0.723 g/kg，變異系數為43.54%；土壤有機碳與全氮呈明顯的線性關系(圖2a)，兩者的相關系數為0.482 4(P<0.01)。據對半濕潤農業生態區17 471個樣點基礎數據的統計分析，半濕潤區旱田土壤有機碳含量為2.12～39.61 g/kg，平均為14.77 g/kg，變異系數為35.00%；土壤全氮含量為0.212～3.300 g/kg，平均為1.496 g/kg，變異系數為30.06%；土壤有機碳與全氮呈明顯的線性關系(圖2b)，相關系數為0.684 7(P<0.01)。濕潤農業生態區7 523個樣點的旱田土壤有機碳含量為1.16～177.48 g/kg，平均為20.48 g/kg，變異系數為39.58%；土壤全氮含量為0.313～12.023 g/kg，平均為2.214 g/kg，變異系數為33.32%；土壤有機碳與全氮呈明顯的線性關系(圖2c)，相關系數為0.677 0(P<0.01)。

圖2 吉林省半干旱(a)、半濕潤(b)和濕潤(c)農業生態區旱田土壤有機碳和全氮的關系Fig.2 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen in dry farmland of semi-arid(a)，semi humid(b)and humid(c)agro ecological regions in Jilin Province

2.2 旱田土壤碳氮比的特征一般來說，土壤碳氮比可反映土壤肥力的水平，供肥能力較高的土壤，碳氮比較低，相應地，碳氮比較高的土壤，其供肥能力較低。據對28 820個樣品相關數據的統計，吉林省旱田土壤碳氮比在3.50～24.95，中位值為10.15，平均為10.41，變異系數為30.65%，其中半干旱農業生態區旱田土壤碳氮比在3.52～20.47，中值為14.72，平均為13.54，變異系數為27.99%；半濕潤農業生態區旱田土壤碳氮比在3.50～24.95，中值為10.13，平均為10.13，變異系數為27.89%；濕潤農業生態區旱田土壤碳氮比在3.50～20.49，中值為9.31，平均為9.45，變異系數為28.09%。

吉林省旱田土壤碳氮比主要分布在8～11，占比41.17%。由圖3可知，半干旱農業生態區旱田土壤碳氮比主要分布在14～17，占比43.10%，其頻率不符合正態分布，可能與樣本選取量不夠有關；半濕潤生態區旱田土壤碳氮比的頻率呈正態分布，主要分布在8～11，占比47.52%；濕潤生態區旱田土壤碳氮比的頻率主要分布在5～11，占比76.09%。可見，吉林省各農業生態區旱田土壤碳氮比差異較大，半干旱農業生態區普遍高于半濕潤農業生態區，濕潤農業生態區最低。

圖3 旱田土壤碳氮比的頻率分布Fig.3 Frequency distribution of soil carbon-nitrogen ratio in dry farmland

3 結論與討論

吉林省旱田土壤有機碳含量平均為15.47 g/kg，全氮含量平均為1.581 g/kg，其中，半干旱農業生態區旱田土壤有機碳含量平均為8.81 g/kg，全氮含量平均為0.723 g/kg；半濕潤區土壤有機碳含量平均為14.77 g/kg，全氮含量平均為1.496 g/kg；濕潤區土壤有機碳含量平均為20.48 g/kg，全氮含量平均為2.214 g/kg。旱田表層土壤有機碳和全氮含量均呈現半干旱農業生態區<半濕潤農業生態區<濕潤農業生態區的空間分布特征，且各區土壤有機碳與全氮均呈明顯的線性關系，說明旱田土壤的有機碳和全氮變化基本同步。

張春華等[10]研究表明，松嫩平原玉米帶(農安、德惠、九臺、公主嶺)1980—2005年土壤有機質和全氮含量都有不同程度的增加，其中土壤有機質變化較為明顯，1980和2005年土壤有機質平均含量分別為2.14%和2.54%，折算為有機碳分別為12.41和14.73 g/kg，其中2005年的土壤有機碳含量平均值與該研究半濕潤區的土壤有機碳含量平均值(14.77 g/kg)基本一致；1980和2005年土壤全氮的平均含量無顯著差異，平均值均為0.12%，低于該研究半濕潤區土壤全氮的平均含量(0.149 6%)，說明2005年以來開展的測土配方施肥項目有效提升了該區域土壤全氮含量，土壤有機質含量還有較大上升空間。

與僅考慮土壤碳、氮自身的變異特征相比，綜合土壤碳氮比更能準確地描述土壤碳、氮變化的特點[11]。一般耕作土壤表層碳氮比在8∶1～15∶1，平均在10∶1～12∶1[12]，合適的土壤碳氮比可協調土壤有機物質中養分的釋放，維持較高的土壤微生物活性。康日峰等[13]對1988—2013年東北黑土區土壤養分演變特征進行研究，結果發現，1988—2013年黑土監測區土壤碳和氮含量均逐年顯著增加，但碳氮比呈現下降趨勢，從1988年的10.3降至2013年的9.6，下降6.8%。該研究中，吉林省旱田土壤碳氮比平均為10.41，與康日峰等[13]的研究中1988年的碳氮比基本持平，表明碳素與氮素的增加速度較協調，作物秸稈還田和化學肥料的施用補充了作物高產引起的地力虧缺，減緩了有機質的分解礦化速度，有利于有機物質的積累，提高了土壤固碳能力。半干旱、半濕潤、濕潤農業生態區旱田表層土壤碳氮比平均分別為13.54、10.13、9.45，呈現濕潤農業生態區<半濕潤農業生態區<半干旱農業生態區的空間分布特征。

土壤碳氮比是有機碳、氮輸入與輸出長期平衡的結果，并與輸入的有機物質組分、氮肥施用、土壤性狀和土地利用方式等有關[1，14-15]。正是由于進入土壤的有機物質主要是通過微生物的作用來實現降解，因此，通過微生物長期作用形成的有機物質(多為腐殖質)中有機碳與氮素的比例較為穩定。微生物對有機物質正常分解的碳氮比為25∶1，輸入物中有機碳與全氮比例較高的耕地其土壤有機碳與全氮的比例一般也較高，禾本科作物莖稈的碳氮比可達(60～100)∶1，豆科作物莖桿的碳氮比多在(15～20)∶1，進入土壤后其通過微生物的分解碳氮比逐漸下降，如果碳氮比過大，微生物的分解作用就慢，有機碳消耗也較多[16]。

半濕潤農業生態區水熱條件適宜作物生長，該區旱田土壤有機碳、全氮含量較高，土壤碳氮比適宜，是吉林省的糧食主產區，一方面，應避免盲目增加氮肥施用量，重點放在提高氮肥利用率和氮肥管理水平上，與有機物質協調施用；另一方面繼續大力推廣秸稈還田技術，增加農家肥、有機肥的使用，在追求高產的前提下實現土壤碳、氮之間的平衡，促進農業與生態系統的可持續發展。半干旱農業生態區積溫高但干旱少雨，該區旱田土壤有機碳、全氮含量較低，土壤碳氮比較高，土壤微生物活性低，不利于有機養分的分解、釋放，應在做好抗旱保墑的基礎上，合理調控氮肥施用量，保證產量，施用腐熟后的有機物料，逐步改善土壤理化性質與土壤有機碳、全氮含量，降低土壤碳氮比。濕潤農業生態區降雨量適宜但積溫低，該區旱田土壤有機碳、全氮含量高，但有效土層薄，土壤碳氮比較低，在農作物生長期土壤微生物活性高，易加速土壤原有碳和新鮮的有機碳的分解礦化，不利于土壤有機質的積累，應在合理減少氮素投入的同時，采取秸稈還田結合增施有機肥措施，增加有機碳的歸還，保持旱田土壤有機碳的穩定。