伊犁河谷草地土壤容重的变异性与测定标准化

张文太，陈诗，刘耘华，盛建东，苏悦

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆土壤与植物生态过程实验室，乌鲁木齐 830052)

伊犁河谷草地土壤容重的变异性与测定标准化

张文太，陈诗，刘耘华，盛建东，苏悦

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆土壤与植物生态过程实验室，乌鲁木齐 830052)

【目的】研究剖面尺度水平方向和垂直方向土壤容重的变异性，砾石含量对容重测定结果的影响，促进土壤分析和土壤资源管理的标准化。【方法】基于野外土壤调查，在伊犁河谷草地挖掘了56个土壤剖面，按照统一设定的深度范围，用环刀法采集土样，每层土壤重复5次。当有砾石时，测定该土层的砾石含量。用变异系数定量表征水平方向土壤容重的变异性。【结果】每层土壤5次重复容重变异系数的平均值均在8%以内，存在砾石会使土壤容重偏高约16%。垂直方向不同深度范围土壤容重差异显著，容重随深度增加而升高。【结论】研究草地土壤剖面的容重时，土层深度的划分要合理。需要针对新疆草地土壤砾石含量较高的状况，修订容重测定的相关标准方法。

砾石；垂直变异；变异系数；土壤质量标准化

0 引 言

【研究意义】土壤容重不仅可以定量表征土壤的持水性、入渗性、抗侵蚀性、透气性等生态功能，还是区域尺度土壤碳储量、土壤水库容估算等基础研究的必需参数[1]。获取准确的土壤容重数据对于土壤资源的可持续管理至关重要。【前人研究进展】20世纪80年代全国第二次土壤普查时，有关新疆土壤容重的测定数据极为稀缺[2]。基于有机质等数据，使用其他区域建立的土壤转换函数预测容重，也会带来不确定性[3]。我国农业部发布的土壤容重测定行业标准方法(NY/T 1121.4～2006)中[4]，对测定容重需要的重复数、挖掘土壤的深度范围、以及是否考虑土壤中存在砾石等均未明确规定。最近开展了伊犁河谷草地表层0～20 cm土壤容重的空间格局研究[5，6]。了解土壤容重的变异性及控制测定误差有助于科学监测土壤容重的时空变化。【本研究切入点】当前有关砾石含量对土壤容重测定的影响研究较少，对新疆草地垂直方向容重的变异性研究更不多见。研究剖面尺度水平方向和垂直方向土壤容重的变异性以及砾石含量对容重测定结果的影响。【拟解决的关键问题】基于伊犁河谷56个土壤剖面的调查数据，围绕土壤容重测定方法的标准化，研究土壤容重在剖面尺度水平方向以及不同土层垂直方向的变异性，以及砾石含量的高低对土壤容重测定结果的影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

伊犁河谷位于中国天山山脉西部，东、南、北三面环山，呈喇叭型向西敞开。属温带大陆性半干旱气候，年均降水量200～800 mm，是新疆最湿润的地区。主要河流有特克斯河、巩乃斯河、喀什河和库克苏河等。土壤类型主要包括寒冻雏形土、干润均腐土以及正常干旱土等[7]。天然草地面积约为3.71×104km2，主要有山地草甸类、山地草原类、山地草甸草原类、高寒草甸类等草地类型[8]。

基于数字化的1∶100万新疆草地类型图，选取伊犁河谷具有代表性的草地类型，使用ArcGIS 9.3软件在室内布设了56个野外调查样地。2012年7～8月进行野外土壤调查。在每个样地中心挖掘土壤剖面。当准石质接触面<100 cm时，土壤挖掘至准石质接触面；当准石质接触面≥100 cm时，参照《中国草地生态系统固碳现状、速率和潜力研究调查规范》，土壤仅挖掘至100 cm深。按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm的土壤层次自上至下用环刀采样。土壤剖面挖掘100 cm宽，每个土层在100 cm宽范围内重复5次采样。环刀内的土壤样品全部转移至封口袋内，带回实验室。

1.2 方 法

将土壤样品105℃烘干至恒重，计算土壤容重。用容重测定后的土壤样品进行砾石含量的测定。将烘干后的土样过2 mm筛，对>2 mm砾石部分称重。将筛上的砾石用溢水法测量其体积。计算土壤中砾石的质量百分数和体积百分数。

1.3 数据统计

用变异系数定量表征每个土层5次重复之间的变异性，其计算公式为：

(1)

式中，CV为变异系数，SD为标准偏差(g/cm3)，BDmean为容重5次重复的平均值(g/cm3)。

根据存在砾石时容重的计算公式[9]，使用本实验测定的砾石含量数据，给出了剔除砾石后容重的计算公式：

(2)

式中，BD1和BD2分别为剔除砾石之前和剔除砾石之后的土壤容重(g/cm3)，W%和V%分别为土壤中砾石的质量百分数和体积百分数。采用SPSS 13.0软件进行回归分析和多重均值比较。

2 结果与分析

2.1 水平方向土壤容重的变异性

由于调查的土壤剖面厚度并不完全相同，56个调查样地中，不同土层的容重数值只有43个剖面挖掘至100 cm。调查的所有样地容重数据中，最小值为0～5 cm土层的0.34 g/cm3。研究表明，该样地草被茂盛，土壤剖面其他土层的容重数据也较低，这可能与成土母质以及土壤中根系过多导致土壤疏松有关。土壤容重的最大值为1.64 g/cm3，观察剖面后发现该土壤细砂含量较高，剖面其他土层的容重值也较高。容重变异系数的最大值为29.3%，该样地土层有砾石存在，其砾石质量百分数和体积百分数分别为60%和32%。很有可能是砾石在该土层分布不均匀，导致了变异系数较高。各个土层变异系数的最小值介于0.41%～2%，这部分变异极有可能是5次重复的测定误差造成的。土壤容重测定的行业标准方法允许的平行测定结果绝对相差为≤0.02 g/cm3[4]。各个土层容重变异系数的平均值均在8%以下，表明总体上剖面尺度同一土层100 cm宽范围内土壤容重的变异性较小。对于相对均一的土壤，环刀法测定的土壤容重的变异系数通常在10%以内[1]。表1

2.2 砾石含量对容重的影响

调查的56个土壤剖面366个土层中，只有101个土层存在>2 mm砾石。各个土壤剖面垂直方向砾石分布的规律并不一致，有的仅表层含有砾石，有的则主要分布在较深的土层。分析了砾石含量与剔除砾石前土壤容重的相关性表明，随着砾石质量百分数和体积百分数的增加，土壤容重均呈现增加的趋势。图1

表1 不同土层土壤容重及变异系数

Table 1 Statistics of soil bulk density and the coefficient of variation of different soil layers

土层Soillayer(cm)样本数Numberofsamples容重Bulkdensity(g/cm3)变异系数Coefficientofvariation(%)平均值Mean最小值Min最大值Max平均值Mean最小值Min最大值Max0～5561000341637600972065～105610505816465904119610～205610606615566914224720～305510607315859116315630～505210908115365019416950～704811208314766308916770～10043115082150703200293

图1 不同砾石含量下土壤容重变化

Fig.1 Impact of stone content on soil bulk density

使用公式(2)，计算得到剔除砾石后的土壤容重。图2公式中的相关系数小于1，表明剔除砾石后土壤容重普遍降低。剔除砾石前与剔除砾石后两组土壤容重数据的相对偏差最大值是107%，最小值是1%，平均相对偏差为16%。表明就研究的101个含砾石的土层而言，砾石的存在可以总体上将土壤容重提高16%。图2

图2 剔除砾石前后土壤容重比较

Fig.2 Comparison of soil bulk densities before and after eliminating stone

2.3 垂直方向土壤容重的变异性

含有砾石的土层使用剔除砾石之后的容重数据，以客观评价不同土层之间容重的差异。随着土层深度的增加，土壤容重有增加的趋势。30～100 cm土壤容重明显高于0～5 cm容重，其中70～100 cm土壤容重是0～5 cm的1.14倍。尽管0～5 cm和5～10 cm土层容重总体上不存在显著差异，但是，5～10 cm土层容重平均值为1.01 g/cm3，略高于0～5 cm的0.97 g/cm3。这表明，草地表层土壤容重在垂直方向也存在一定的变异，而并非均一。在野外草地直接采取0～20 cm土层样品测定土壤容重可能并不合理。图3

图3 垂直方向不同土层容重变异性

Fig.3 Vertical variation of bulk density for different soil layers

3 讨 论

研究只探讨了剖面尺度环刀法测定土壤容重的变异性。目前国际标准化组织规定的土壤容重的测定方法有3种[10]，包括环刀法、切块法和土块法。其中环刀法只适用于含有少量或不含砾石的土壤，切块法适用于含砾石较多的土壤，而土块法适用于含有不规则形状结构体的土壤。关于测定土壤容重是否需要剔除砾石目前尚有争议，例如，国际标准方法中用切块法测定容重时，计算公式中并没有将砾石剔除[10]。我国尚缺少有关土壤采样的方法标准[11]。需要修订我国农业部当前的土壤容重测定标准，以使该方法标准能适用于不同的土壤类型和土地利用方式。

经过厚度加权计算，可以得出研究调查的56个土壤剖面0～20 cm土壤容重的平均值为1.01 g/cm3。这一结果与周李磊等[6]2013年在伊犁地区146个草地样地测定的表层土壤容重数据是一致的。说明了研究布设的样地具有代表性以及测定结果科学合理。事实上，土壤容重受草地类型、土壤类型、土地利用等多种因素的影响[5，6]。在新疆有关不同深度土壤容重的研究并不多见，研究给出了0～100 cm 7个土壤层次的容重数据，可以为伊犁河谷土壤碳储量估算等研究提供基础数据。

研究按照0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm以及70～100 cm的土层间距采样。当前主要的土壤数据库对土层深度划分的范围并不统一。例如，世界土壤数据库(HWSD)选用0～30 cm和30～100 cm两个深度范围录入数据[12]。研究中0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层的容重之间差异不显著，且30～50 cm、50～70 cm与70～100 cm土层的容重相互之间差异也不显著，说明了世界土壤数据库对土层深度划分的合理性。全球数字土壤制图计划准备建立0～5 cm、5～15 cm、15～30 cm、30～60 cm、60～100 cm以及100～200 cm等6个土层范围的土壤栅格数据[13]。这一划分方法与研究中使用的土层划分较接近。研究中的土壤容重数据经过厚度转换，可以作为全球数字土壤制图计划建模或验证的基础数据。图3

4 结 论

伊犁河谷草地剖面尺度水平方向100 cm宽范围内5次重复之间土壤容重的变异系数小于8%，变异性较小。垂直方向容重有随深度增加而升高的趋势，底层70～100 cm土壤容重比表层0～5 cm高14%，分层采样可以降低剖面土壤容重的不确定性。砾石的存在对土壤容重影响较大，研究中如果不剔除砾石，可能导致含砾石的土层容重值升高16%。

在草地土壤调查时，需要注意土壤中砾石的影响，以及土层深度的合理划分。同时需要修订土壤容重测定的行业标准，建立我国完善的土壤质量标准体系。

References)

[1] So, H. B., & Lal, R. (2008).EncyclopediaofSoilScience. Springer Netherlands.

[2] 崔文采. 新疆土壤[M]. 北京：科学出版社，1996：1-601.

CUI Wen-cai.(1996).XinjiangSoil[M]. Beijing：Science Press.(in Chinese)

[3] Vos, B. D., Meirvenne, M. V., Quataert, P., Deckers, J., & Muys, B. (2005). Predictive quality of pedotransfer functions for estimating bulk density of forest soils.SoilScienceSocietyofAmericaJournal, 69(2):500-510.

[4] NY/T 1121.4-2006. 土壤检测：第4部分 土壤容重的测定[S].

NY/T 1121.4-2006. Soil Testing Part 4：Method for determination of soil bulk density[S]. (in Chinese)

[5] 孙国军，李卫红，朱成刚，等.新疆伊犁河谷表层土壤容重的空间变异性分析[J].资源科学，2016，38(7)：1 222-1 228.

SUN Guo-jun，LI Wei-hong，ZHU Cheng-gang，et al.(2016). Spatial variation analysis of topsoil bulk density in the Yili Valley，Xinjiang [J].ResourcesScience，38(7)：1,222-1,228.(in Chinese)

[6] 周李磊，朱华忠，钟华平，等.新疆伊犁地区草地土壤容重空间格局分析[J].草业学报，2016，25(1)：64-75.

ZHOU Li-lei，ZHU Hua-zhong，ZHONG Hua-ping，et al.(2016). Spatial analysis of soil bulk density in Yili，Xinjiang Uygur Autonomous Region，China [J].ActaPrataculturaeSinica，25(1)：64-75.(in Chinese)

[7] 龚子同，黄荣金，张甘霖.中国土壤地理[M].北京：科学出版社，2014.

GONG Zi-tong，HUANG Rong-jin，ZHANG Gan-lin.(2014).SoilGeographyofChina[M]. Beijing：Science Press.(in Chinese)

[8] 许鹏.新疆草地资源及其利用[M].乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1993：319-323.

XU Peng. (1993).GrasslandResourcesandtheUtilizationofXinjiang[M]. Urumqi：Xinjiang Science Technology and Hygiene Press：319-323.(in Chinese)

[9] 张甘霖，龚子同.土壤调查实验室分析方法[M].北京：科学出版社，2012：25-30.

ZHANG Gan-lin，GONG Zi-tong.(2012).SoilSurveyLaboratoryMethods[M].Beijing：Science Press：25-30.(in Chinese)

[10] International Organization for Standardization.(1998). Soil quality-Determination of dry bulk density. ISO 11272.

[11] 陈美军，段增强，林先贵.中国土壤质量标准研究现状及展望[J].土壤学报，2011，48(5)：1 059-1 071.

CHEN Mei-jun，DUAN Zeng-qiang，LIN Xian-gui.(2011). Status quo and prospects of the study on soil quality standards in China [J].ActaPedologicaSinica，48(5)：1,059-1,071.(in Chinese)

[12] Nachtergaele, F. O., Velthuizen, Verelst, L., Batjes, N. H., Dijkshoorn, J. A., & Engelen, et al. (2012). Harmonized world soil database (version 1.0).

[13] Arrouays, D., Mckenzie, N., Hempel, J., Richer, d. F. A., Mcbratney, A. B., & Arrouays, D., et al. (2014). Global soil map: basis of the global spatial soil information system.CrcPress

Fund project:Special Fund for Strategic Pilot Technology of Chinese Academy of Sciences (XDA05050405), National Natural Science Foundation of China Youth Fund Project (41301231), and National Undergraduate Innovation and Entrepreneurship Training Programs (201410758014)

Soil Bulk Density Variation of Grassland in Ili Valley and the Measurement Standardization

ZHANG Wen-tai, CHEN Shi, LIU Yun-hua, SHENG Jian-dong, SU Yue

(CollegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity/XinjiangKeyLaboratoryofSoilandPlantEcologicalProcesses,Urumqi830052,China)

【Objective】 The purpose of this project is to study the variation of soil bulk density in the horizontal and vertical directions and the influence of the gravel content on the determination results of bulk density in the hope of promoting the standardization of soil analysis and soil resource management.【Method】Based on field soil survey, 56 soil profiles were dug in grassland of the Ili Valley. Soils were sampled by using core method at uniformly set soil layers, and each layer was repeatedly sampled five times. Gravel content was measured in lab when it existed at a certain soil layer. The coefficient of variation (CV) was used to quantitatively express lateral variation of soil bulk density.【Result】The mean CV values of soil bulk densities measured from five samples for all soil layers were lower than 8%. Gravel could improve soil bulk density by about 16%. Soil bulk densities of varied soil layers at vertical direction were significantly different, and bulk density increased along with increasing soil depth.【Conclusion】Soil layer should be rationally classified when studying bulk density of soil profile in grassland. In view of the fact that highly stony soils existed in grassland of Xinjiang, we suggest that the relevant standard for measuring bulk density should be modified.

stone; vertical variation; coefficient of variation; soil quality standardization

2016-10-20

中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050405)；国家自然科学基金青年基金项目(41301231)；国家大学生创新创业训练计划项目(201410758014)

张文太(1984-)，男，山东冠县人，副教授，研究方向为土壤地理学，(E-mail)zwt@xjau.edu.cn

盛建东(1970-)，男，甘肃秦安人，教授，研究方向为土壤改良学，(E-mail)sjd_2004@126.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.01.021

S151.9

A

1001-4330(2017)01-0165-06