楚雄地区北部土壤碳氮垂向分布特征及影响因素

侯 征，陈伟志，张 亚，向经纬

(中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心，云南昆明 650100)

土壤有机碳和全氮是土壤肥力的重要指标，对植物生长及环境保护具有重要意义[1]。但是过量施氮不能增加土壤中氮含量，反而对环境造成污染[2]。本文立足于滇中楚雄地区北部土地质量地球化学调查项目，对不同土地利用类型、海拔、土壤利用类型，土壤剖面中有机碳、全氮分布特征进行分析，为滇中楚雄地区土地合理利用、减少养分流失提供参考。

1 调查区概况

楚雄州位于云南省中部滇中高原主体部位，山地丘陵大面积分布。调查区辖楚雄州元谋县、永仁县、武定县、牟定县，面积约17000km2，海拔691m～2916m之间，最低礼社江691m，最高西舍路乡哀牢山脉2916m。属低纬山原季风气候，夏季高温多雨，冬季温和干燥，年均气温14.8℃～21.9℃，年均降水量800mm～1000mm。区内地层出露较全、褶皱断裂发育，中元古界昆阳群至第四系均有出露[3]。受成岩母质影响主要土壤类型为红壤土、黄棕壤土、水稻土、燥红土、紫色土、棕壤土。其中紫色土、红壤土区内大面积分布，燥红土主要位于元谋县中部，黄棕壤土、棕壤土主要位于武定县东部和西部山地，水稻土零星分布(图1)。主要土地利用类型为旱地、果园、草地、林地，林地约占60%，草地约占20%，旱地约占15%、果园约占4%，其他用地约占1%(图2)。

图1 调查区土壤类型分布情况

图2 调查区土地利用类型分布情况

2 样品采集与测试

调查区共采集22个土壤垂向剖面(表1)样品。采样深度0～2.0m，每20cm取一个样，连续采集11个样品。取样时去除根系、碎石等杂质，样袋外层用聚乙烯薄膜包裹，防止发生人为污染。经5～7天样品充分干燥。过20目尼龙筛，去除杂质，装入聚乙烯塑料瓶中，样品严格按照《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T0258-2014)、《土地质量地球化学评价规范》(DZT-0295-2016)等规范要求进行加工，质量均符合要求。由四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心完成测试，有机碳采用氧化还原容量法，全氮采用酸碱滴定容量法。由于有机碳、全氮主要集中在地表下1m以内，本文采用土壤垂向剖面0～80cm土壤样品数据作为研究对象，分析其分布特征及影响因素。

表1 调查区剖面基本情况

3 测试结果与分析

3.1 土壤剖面有机碳含量

据22个土壤垂向剖面110件样品有机碳均值结果(表2)，表层(0cm)林地、旱地、果园、草地有机碳平均含量最大值分别为1.55%、1.47%、1.26%、0.85%，林地含量最高，果园含量最低。0cm与80cm有机碳含量比值林地为7.05倍、旱地为2.88倍、草地为2.36倍、果园为1.34倍，土壤有机碳含量在土壤垂向剖面中分布以林地更有利于有机碳积累。不同深度土层有机碳含量影响也较大，表层0cm处有机碳含量林地最大，比草地、旱地、果园分别高1.82倍、1.05倍、1.23倍。当深度大于20cm，林地有机碳均值均低于果园、旱地、草地。

表2 不同土地利用类型剖面土壤有机碳含量

3.2 土壤剖面全氮含量

据分析结果(表3)，不同土地利用类型垂向上全氮平均含量在414mg/kg～1287mg/kg间变化，其中旱地0cm处全氮均值含量最高(1287mg/kg)，林地全氮含量次之(1051mg/kg)，草地和果园全氮含量稍低。草地80cm处全氮含量最低(414mg/kg)。0cm处旱地比林地、果园、草地分别高1.22倍、1.31倍、1.59倍。0cm与80cm全氮比值林地为2.31倍、草地为1.96倍、旱地为1.63倍、果园为2.07倍，林地波动幅度最大，果园次之。草地仅在60cm处全氮含量均值(537mg/kg)高于林地(438mg/kg)，均值在整个剖面中均为最小值。不同土地利用类型全氮含量在剖面上差异较大，总体上随深度增加呈现下降的趋势。

表3 不同土地利用类型剖面土壤全氮含量

续表

3.3 土壤有机碳与全氮的关系

WP008、ZC022、LC048、LJ035典型剖面(图3)表层土壤有机碳、全氮含量明显高于深层土壤，均随深度增加而降低。

图3 典型剖面有机碳、全氮垂向分布情况

不同土地利用类型有机碳与全氮呈现正相关关系(图4)，R2越接近1吻合程度越高，说明土壤有机碳的含量与全氮密切相关，均随全氮含量增加而增加，与郑杰炳等[4]研究一致。

图4 不同土地利用类型有机碳和全氮线性关系

3.4 土壤有机碳、全氮和海拔的关系

有机碳、全氮与海拔的线性关系见(图5)，结果表明，有机碳、全氮与海拔呈弱正相关性，从分布情况来看，均呈现出随海拔升高而增加的趋势。

图5 有机碳、全氮与海拔的线性关系

3.5 土壤有机碳、全氮与不同土壤类型的关系

调查区主要有红壤土、黄棕壤土、水稻土、燥红土、紫色土、棕壤土共6种土壤类型。箱线图中值有机碳在不同的土壤类型之间分布较均匀(图6)。全氮中差异较大，黄棕壤土最高、红壤土最低。表明有机碳和全氮含量受土壤类型影响，而土壤组分与岩石风化密切相关，与覃智莲[5]等研究一致。值得一提，一般情况下燥红土全氮含量应该偏低，但是却排在第二位，可能与表层土壤施肥有关。

图6 有机碳、全氮与土壤类型的箱线图

4 讨论

植物直接影响有机碳的垂向分布，植物的根系腐烂分解为土壤提供丰富的碳源[6]。Franzluebbers[7]通过长时间研究发现，作物残留的碳输入与作物密度呈正比，碳输入越多土壤中有机碳含量越高。调查发现不同土地利用类型中有机碳的垂向分布以林地表层土壤有机碳含量最高，旱地次之。林地多为植被覆盖区，海拔较高，人迹罕至，人为扰动因素少，并且长时间的枯枝落叶积累和微生物活动会导致土壤有机碳含量增加。旱地多种植玉米、蔬菜、花卉等时令农作物，频繁耕种施肥，大量养分残留，导致有机碳含量偏高。果园、草地有机碳含量偏低，主要与植被覆盖程度和人为扰动有关。果园种植芒果、葡萄、火龙果等，草地多为不能耕种的山地，碳来源量少，积累弱，人类扰动频繁，导致有机碳含量低。

调查发现，土壤全氮在垂向上不同的土地利用类型全氮含量旱地>林地>果园>草地。导致这一结果的原因是旱地和果园氮元素的主要来源耕种施肥，人为因素影响较大。林地主要为植物残体腐解和生物固氮，枯枝落叶等有机质残留，导致土壤氮含量的增加[8]。草地全氮含量较少，主要为有机质残留较少，土壤氮含量较低。

调查区总体呈现不同的土地利用类型有机碳、全氮含量在垂向剖面上差异较大。表层土壤有机碳、全氮含量总体高于深层土壤，有机碳、全氮含量均随着土壤深度增加而逐渐降低。

调查区海拔是影响有机碳、全氮的重要因素。有机碳和全氮含量均随海拔升高呈现出增加的趋势。土壤中有机碳和全氮的含量相对大小取决于输入量和输出量[9]，而输入量取决于有机物残体残留量的多少及腐殖化系数[10]，低海拔地区由于受到人为干扰大，有机质输入量少，且低海拔地区气温相对较高有利于微生物活动，其分解速率高于高海拔地区。

调查区不同土壤类型有机碳含量分布均匀，全氮含量有明显差异。黄棕壤土有机碳、全氮含量相对偏高，其他类型土壤相对接近，而红壤土最低。黄棕壤土在亚热带条件下，呈弱度富铝风化，黏化特征明显，植被茂密，土壤中有机碳和全氮较容易积累，含量较高。红壤土中度脱硅富铝风化，具深厚红色土层，土壤酸化、板结严重，季节性集中降水冲刷，导致土壤中有机碳和全氮流失严重。燥红土形成于元谋县干热季风气候地区，属于盐基饱和土壤，并且频繁耕种，人为施肥导致土壤氮含量偏高，但也仅限于表层土壤。

5 结论

(1)表层土壤有机碳、全氮含量高于深层土壤，有机碳、全氮含量均随着土壤深度的增加而逐渐降低。

(2)不同的土地利用类型有机碳、全氮含量在垂向剖面上差异较大。有机碳与全氮呈正相关关系。

(3)不同海拔的有机碳、全氮的含量均随海拔升高呈现出增加的趋势。

(4)不同土壤类型有机碳含量分布均匀，全氮含量有明显差异。黄棕壤土偏高，红壤土偏低，燥红土由于人为施肥影响导致偏高。