郭月峰，祁偉,2*，姚云峰，劉璐

1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘探設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020

土壤是養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的載體，是地球系統(tǒng)中最大的碳儲庫，全球約有1500 Pg的碳以有機(jī)質(zhì)的狀態(tài)儲存在其中（王興龍等，2017；賈章才等 2010）。土壤有機(jī)質(zhì)（主要指土壤含碳有機(jī)物）作為陸地生物圈生物地球化學(xué)循環(huán)過程的主要成分之一，可指示土壤健康狀況，是土壤的重要組成部分（Percival et al.，2000）。具體來說，其主要包括土壤中各種動植物殘體、微生物體及其分解和合成的各種有機(jī)物質(zhì)。土壤有機(jī)碳是有機(jī)質(zhì)中的一部分，盡管其只占土壤總重量的很少一部分，但它能協(xié)調(diào)土壤中水、氣關(guān)系，在改善土壤結(jié)構(gòu)及其通氣性，維持和改良土壤肥力以提高土壤生產(chǎn)力方面具有極大作用（高崇升等，2016；劉林馨等，2018；祖元剛等，2011）。農(nóng)田土壤碳是土壤碳庫中最為活躍且易在短時間內(nèi)改變的部分，其改變會影響全球碳循環(huán)過程。土壤容重、水分等物理性質(zhì)會影響土壤質(zhì)量及土壤中有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而影響作物的生長狀況及其產(chǎn)量，從而影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，有必要研究土壤有機(jī)碳與其土壤物理性質(zhì)間的關(guān)系。迄今，國內(nèi)外學(xué)者對林地土壤有機(jī)碳及其理化性質(zhì)關(guān)系研究較多，而從流域梯田土壤角度對有機(jī)碳含量與土壤物理性質(zhì)關(guān)系研究較為罕見（張慧東等，2017；劉永賢等，2014；郭月峰等，2013a；2014）。

目前，流域被作為水土流失和開發(fā)治理以發(fā)揮小流域水土資源的經(jīng)濟(jì)和社會效益的基本單元，它是地面水和地下水天然匯集的區(qū)域。同時，流域具有一定的水源條件，它能就近為附近的農(nóng)田提供灌溉條件，這對于半干旱雨水缺乏的地區(qū)來說極為重要。適宜濕度的土壤中含有較多的團(tuán)聚體，能夠使有機(jī)物質(zhì)更易吸附于土壤中，這樣土壤肥力就會相應(yīng)地提高。梯田是敖漢旗黃花甸子小流域典型的農(nóng)田類型，提高梯田土壤碳匯能力以促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是流域治理的重要目標(biāo)之一。敖漢旗分布著肥沃的良田，種植歷史悠久。本文主要以該旗黃花甸子小流域梯田土壤為研究對象，采用實(shí)地采樣法獲取土壤有機(jī)碳含量及其相應(yīng)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用通徑分析的方法探討了梯田土壤有機(jī)碳變化規(guī)律及與土壤物理性質(zhì)間的關(guān)系，旨在促進(jìn)土壤保肥和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，并為流域梯田土壤改良及碳庫研究積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于赤峰市敖漢旗西部的黃花甸子流域，其處于老哈河中游南岸，科爾沁沙地南緣（郭月峰等，2013b）。它的地理坐標(biāo)在 119°36′—119°53′E、42°17′—42°33′N 之間，流域土地的總面積約為32 km2，其中農(nóng)耕地面積為12.29 km2，占流域總面積的38.41%。耕地中有旱地約11.08 km2，水澆地約1.21 km2，作物平均生長層為0—40 cm，40—60 cm是介于生長層與非生長層間的土壤。農(nóng)田平均耕作深度為20 cm，土地翻耕以機(jī)械翻耕為主，每年2次。林地、草地、建筑用地、水域、未利用地面積分別為 12.13、1.9、1.33、1.84、2.46 km2，其各自占流域總面積的 37.91%、6.09%、4.16%、5.75%、7.68%。流域內(nèi)總體屬于低山丘陵區(qū)，地勢起伏不大，海拔高度在440—806 m，屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。年降雨量和蒸發(fā)量分別為400—470、2290—2400 mm，全年日照數(shù)2940—3060 h，10 ℃以上積溫為3189 ℃（郭月峰等，2013b）。春季風(fēng)力大且持續(xù)時間較長，年平均風(fēng)速在4—6 m·s-1（郭月峰等，2013b）。土壤類型為栗鈣土，氣溫日差較大，雨熱同季。敖漢旗晝夜溫差大，光照充足且有效積溫高，這為產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良并含豐富營養(yǎng)的雜糧提供有利條件?！爸袊s糧產(chǎn)赤峰，綠色雜糧于敖漢”的美譽(yù)也由此而來，而敖漢曾被評為國家商品糧基地和自治區(qū)產(chǎn)糧十強(qiáng)旗縣之一。研究區(qū)的農(nóng)作物為一年一熟型，主要種植玉米、谷子等糧食作物。

2 研究材料與方法

2.1 取樣地設(shè)置及梯田調(diào)查

研究區(qū)玉米種植面積最大，達(dá)到作物總種植面積的73%，所以研究區(qū)所選樣地以種植玉米的旱作梯田為代表。根據(jù)敖漢旗土地利用現(xiàn)狀圖及黃花甸子流域梯田分布狀況，為消除作物本身生長及盡量減少其他因素對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，選擇在 2014年10月下旬玉米成熟收獲后，對該流域梯田60 cm深度土層土壤進(jìn)行統(tǒng)一取樣。梯田內(nèi)施肥量基本相同，春耕時均勻撒入耕穴。田內(nèi)均采用傳統(tǒng)耕作方式，即春季耕作一次，然后鋤雜草兩次，秋季作物收獲后再進(jìn)行耙耕一次，起到疏松土壤方便來年耕種的作用。農(nóng)田管理措施、施肥量信息由當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門提供，并進(jìn)行了實(shí)地核實(shí)。于研究流域內(nèi)不同方位兼顧布點(diǎn)均勻、立地條件和管護(hù)措施基本相同的原則進(jìn)行玉米梯田試驗(yàn)地土壤樣品的采集，全流域共計采集梯田樣地12塊。

2.2 土壤采集

在每個梯田樣地上，按照“S”形采樣法采集4個樣點(diǎn)的土壤，在每個采樣點(diǎn)用環(huán)刀采集耕層 0—20 cm、中層20—40 cm、底層40—60 cm這3個土層的土壤樣品，記錄環(huán)刀土壤濕重。每層土樣取 3個重復(fù)，將其充分混合均勻，采用四分法選取足量的土壤各兩份，一份裝入鋁盒，放入105 ℃烘箱烘干，供土壤含水量、容重的測定。另一份裝入無菌袋，經(jīng)去除碎石、根系等雜質(zhì)并風(fēng)干后，一部分用于測定土壤顆粒組成，另有部分土壤過2 mm篩，取0.5 kg干樣品供土壤有機(jī)碳含量的測定。共計選取不同層次土壤樣品144個。

2.3 土壤分析方法

土壤含水量采用鋁盒烘干法，土壤含水量=(濕質(zhì)量-干質(zhì)量)/干質(zhì)量×100%。土壤容重采用環(huán)刀法（參照《土壤分析方法》LY/T 1215—1999）。土壤顆粒組成采用Mastersizer 3000激光粒度分析儀測定，測量基本參數(shù)設(shè)為：攪拌器速度是0—3000 r·min-1可調(diào)，量程范圍1—60 μm，分散介質(zhì)為水，樣品折射率為1.76—0.51，介質(zhì)折射率為1.33，遮光比為0，超聲時間為60 s，擬合系數(shù)為0.381，進(jìn)行粒度測定。根據(jù)美國農(nóng)部（USDA）制土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)，將土壤顆粒劃分為：粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002—0.05 mm）、砂粒（0.05—2 mm）三級。土壤有機(jī)碳含量的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法（參照中國土壤學(xué)會農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會編 《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》）。全國第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)為：一級＞40 g·kg-1；二級 30—40 g·kg-1；三級 20—30 g·kg-1；四級 10—20 g·kg-1；五級 6—10 g·kg-1；六級＜6 g·kg-1。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，本研究分別將一二級、三四級、五六級土壤有機(jī)質(zhì)對應(yīng)的有機(jī)碳視為高等、中等、低等水平。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計算以及作圖采用Excel 2007，相關(guān)數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)分析及通徑分析采用SAS 9.0軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 梯田土壤有機(jī)碳含量狀況

有機(jī)質(zhì)是土壤中促進(jìn)作物生長的重要養(yǎng)分之一，而有機(jī)質(zhì)中的很大一部分是有機(jī)碳。本研究通過實(shí)地采集敖漢旗黃花甸子小流域典型梯田土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)，對其有機(jī)碳含量狀況進(jìn)行分析。小流域梯田60 cm深度各層土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計結(jié)果見表 1，該統(tǒng)計能直接反映土壤中有機(jī)碳含量的基本特征。從表中可以看出，研究區(qū)梯田 0—60 cm深度土壤有機(jī)碳含量的變化范圍為：0.76—11.19 g·kg-1，各土層有機(jī)碳平均含量變化范圍為：5.49—7.58 g·kg-1。隨著土層深度的增加，有機(jī)碳含量逐漸減少，耕層平均有機(jī)碳含量占60 cm深度土層土壤有機(jī)碳含量的37.92 %，土壤有機(jī)碳表層聚集現(xiàn)象明顯。方差分析表明，在0.05顯著性水平下，黃花甸子小流域農(nóng)田耕層與中層土壤有機(jī)碳含量差異性不顯著（P=0.144），這兩層分別與底層土壤有機(jī)碳含量差異性顯著（P=0.038，P=0.045）。這是因?yàn)楦麑泳哂械耐庠从袡C(jī)肥較多，且作物根系主要聚集于此層，其因有較好通氣、熱條件而有利于土壤有機(jī)物被微生物分解為有機(jī)碳。然而，底層土壤長期不翻耕，缺乏與外界物質(zhì)的交換，有機(jī)碳不易積累（南雅芳等，2012；李龍等，2014）。

表1 梯田不同土層土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics of soil organic carbon content in different soil layers of terraced fields

變異系數(shù)（CV）反映了不同深度的土層土壤有機(jī)碳含量的變異程度。當(dāng)CV＜10%時，為弱變異；當(dāng) 10%≤CV＜100%時，為中等變異；當(dāng) CV≥100%時，為強(qiáng)變異（張燦強(qiáng)等，2011）。據(jù)此可知，黃花甸子流域梯田土壤不同土層有機(jī)碳含量均為中等強(qiáng)度變異水平，數(shù)據(jù)離散程度適中。但表層變異系數(shù)最大，底層最小。這是因?yàn)楸韺邮苋藶榛顒佑绊憚×?，有機(jī)碳含量波動較大，而該地梯田土壤有效耕作土層平均為0—20 cm，底層土壤基本與外界隔絕，受環(huán)境及人為因子影響很小。因此，其土壤中有機(jī)碳含量較穩(wěn)定。耕層和中層土壤有機(jī)碳的偏度系數(shù)為負(fù)，說明此時有機(jī)碳含量分布具有左測較長尾部，較高值相對較多。底層的偏度系數(shù)為正，說明底層有機(jī)碳含量分布右測有較長尾部，較低值相對較多。這與梯田各層土壤有機(jī)碳含量的平均值大小分布相吻合，進(jìn)一步表明底層土壤有機(jī)碳含量較少，而梯田土壤有機(jī)碳含量有表層聚集現(xiàn)象。

圖1 梯田60 cm深度土壤有機(jī)碳含量頻率分布Fig.1 The frequency distribution of soil organic carbon content in 60 cm depth of terraced fields

研究區(qū)梯田60 cm深度土層土壤有機(jī)碳含量頻率分布情況見圖 1，由圖可知，土壤有機(jī)碳含量大多集中分布于4—6 g·kg-1范圍內(nèi)。研究樣本通過了K-S統(tǒng)計檢驗(yàn)，說明總體來說，研究區(qū)所選樣本土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)具有代表性。該小流域梯田土壤60 cm土層深度的土壤有機(jī)碳含量平均值為6.66 g·kg-1，按照我國目前沿用的“van bemmelen因數(shù)”1.724作為有機(jī)碳轉(zhuǎn)換為有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，該旗農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的均值約為11.48 g·kg-1，參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，其有機(jī)質(zhì)含量處于中等水平。

3.2 梯田土壤物理性質(zhì)

研究選取小流域梯田土壤為研究對象，分析了各土層土壤物理性質(zhì)狀況。土壤物理性質(zhì)包括土壤容重、土壤含水量以及機(jī)械組成特征等，它們是表征田內(nèi)土壤透氣性和滲透性好壞的重要指標(biāo)，可直接影響作物對土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用（黃昌勇，2000）214。對黃花甸子小流域梯田土壤物理性質(zhì)進(jìn)行分析（表2）。

表2 梯田不同土層深度土壤物理性質(zhì)Table 2 Soil physical properties in different soil layers of terraced fields

從表2可知，隨著土層深度向下增加，土壤容重呈現(xiàn)增大的趨勢，說明表層土壤較疏松，這與農(nóng)地作物收獲后，作物以及雜草枯落物的積累與分解有關(guān)。何金軍等（2008）指出，由于植物根系的擾動，改變了土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤孔隙度增大，土壤空氣量增多，固體與氣體的比值減少，從而降低土壤容重。因此，表層土壤容重偏低主要是受人為耕作管理活動的頻繁影響。由于人為管理和作物生長對土壤的疏松作用，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，更有利于植物生長，而容重減小會促進(jìn)植物根系下扎，提高了土地生產(chǎn)力和加強(qiáng)了以根系作為來源的固碳效應(yīng)。由于玉米的根系主要分布在耕層，大量根系的存在使得土壤比較疏松，而底層土壤則受到長年的耕作壓實(shí)作用，土壤緊實(shí)度變大。此外，據(jù)《赤峰市土壤》一書（邢振宇等，1989）并結(jié)合相關(guān)人員在該研究區(qū)的相關(guān)研究（郭月峰，2014）發(fā)現(xiàn)，該區(qū)土壤在40—60 cm土壤剖面有明顯的石灰反應(yīng)，且局部范圍出現(xiàn)了程度不同的碳酸鈣結(jié)核或輕微的鈣積層現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致下層土壤容重相對較大、土壤相對緊實(shí)的原因。因此，表層土壤容重較小，底層土壤容重較大，且表層和底層土壤容重差異顯著（P＜0.05），但與中層土壤差異不顯著。比較流域梯田耕層、中層和底層土壤含水量，可以發(fā)現(xiàn)黃花甸子流域農(nóng)田作物主要生長層土壤含水量隨著土層深度的增加而增加，但差異不顯著（P＜0.05）。這與晉瑜等（2013）、馮雪等（2009）的研究結(jié)果一致，這主要是因?yàn)?，在農(nóng)田灌溉或降水過程中，產(chǎn)生的重力由表層向下運(yùn)動，補(bǔ)充表層土壤水分，并使底層土壤水分含量向飽和方向發(fā)展。而蒸發(fā)過程中，土壤水分的蒸發(fā)量由表層向下依次減少。

土壤的機(jī)械組成是土壤穩(wěn)定性的自然屬性及土壤分類的依據(jù)，主要指土壤中礦物組成和顆粒組合的比例。土壤機(jī)械組成分析的基礎(chǔ)工作是測定土壤顆粒粒徑，本研究將其分為粘粒、粉粒、砂粒 3部分。據(jù)表2知，隨著土層深度的增加，流域梯田土壤粘粒含量逐漸減少，粉粒含量先減少后增加，而砂粒含量呈逐漸增加的趨勢，這可能由于農(nóng)田作物玉米的根系主要分布在土壤中、表層，由于根系與土壤的耦合效應(yīng)，使得中、表層土壤結(jié)構(gòu)相對底層要好，表現(xiàn)出較好的土壤通氣性，進(jìn)而使得土壤中、表層粘粒含量相對較大，底層較??；由于研究流域地處農(nóng)牧交錯帶的風(fēng)沙土區(qū)，表層土壤基本以風(fēng)沙土為主，所以砂粒含量表現(xiàn)出與粘粒相反的規(guī)律，即隨著土層深度的增加砂粒含量在增加。經(jīng)統(tǒng)計檢驗(yàn)知，不同土層的土壤粘粒、粉粒及砂礫含量差異不顯著（P＜0.05）。

3.3 土壤物理性質(zhì)與有機(jī)碳含量間的關(guān)系

3.3.1 土壤有機(jī)碳與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性分析

實(shí)驗(yàn)采集研究區(qū)梯田0—60 cm土層土壤，對其土壤有機(jī)碳含量與土壤物理性質(zhì)（容重、含水量、粘粒、粉粒、砂粒）間的關(guān)系進(jìn)行研究，二者的相關(guān)關(guān)系見圖2。

圖2表明了黃花甸子流域梯田土壤物理性質(zhì)與有機(jī)碳含量間的相關(guān)性，其相關(guān)性大小表現(xiàn)為：粘粒＞含水量＞容重＞砂粒＞粉粒，相應(yīng)的R2值分別為：0.948、0.884、0.718、0.518、0.023。其中，土壤容重、砂粒含量與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤含水量、粘粒含量與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，而土壤粉粒含量與有機(jī)碳含量呈弱的正相關(guān)。究其原因，土壤粘粒含量的增加會促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，團(tuán)聚體的存在會提升土壤有機(jī)質(zhì)并改善土壤性狀，提高土壤肥力及作物產(chǎn)量（唐曉紅等，2007）。而砂粒含量多的土壤孔隙大，通氣性強(qiáng)、保水性差，有機(jī)碳因易礦化分解而減少。土壤水分可以調(diào)節(jié)土壤水、肥、熱，是作物正常生長發(fā)育需水的直接來源（王嬡華等，2012）。含水較多的土壤，作物生長較好，土壤中根系分泌物及有機(jī)質(zhì)積累較多，所以輸送于土壤的碳含量會增多。土壤容重作為土壤最重要的基本物理性質(zhì)，同時也是土壤肥力發(fā)揮和作物生長的重要因子，土壤容重反映了土壤的孔隙度與松緊度，并且直接影響土壤水、肥、氣、熱之間的協(xié)調(diào)作用（張育林等，2011）。圖 2表明，土壤有機(jī)碳含量隨土壤容重的增大而減少。此外，由表1和表2可知，隨著土層深度增加，土壤容重增大，而有機(jī)碳含量逐漸下降。這是因?yàn)槿葜卮蟮耐寥揽紫抖容^差，作物因不能及時利用土壤水肥而生長不良，最終導(dǎo)致外源有機(jī)物無法有效補(bǔ)給于土壤而使其含量下降。表層的土壤有機(jī)質(zhì)的提高除外源人為有機(jī)肥的施入外，作物根系及殘體腐解是其主要來源（王巧利等，2012）。作物的根系主要聚集于土壤表層，其進(jìn)行生理活動時的根系分泌物為微生物的生存和繁殖提供物質(zhì)條件，微生物的增多會加速作物殘體的腐解，從而增加土壤有機(jī)碳含量。粉粒是一種直徑大小介于砂粒和粘粒間的土壤顆粒，其與有機(jī)碳含量的相關(guān)性較弱。

3.3.2 土壤有機(jī)碳與土壤物理性質(zhì)的通徑分析

為了進(jìn)一步研究土壤物理性質(zhì)對有機(jī)碳含量影響的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)并弄清它們之間的聯(lián)系，本文選取了與土壤中有機(jī)碳有較大相關(guān)性的容重（x1）、含水（x2）、粘粒（x3）、砂粒（x4）這 4個指標(biāo)與有機(jī)碳含量（y）這個因子做通徑分析。

圖2 梯田土壤物理性質(zhì)與土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between soil physical properties and soil organic carbon content in terraced fields

通徑分析（path analysis）方法（明道緒，1990；敬艷輝等，2006）由Wright于1921年首次提出，其實(shí)質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)化的多元線性回歸分析，它可以克服簡單相關(guān)分析和回歸分析的不足，從而清楚地反映各自變量與因變量間的關(guān)系，進(jìn)而能直接比較各自變量對因變量的作用效應(yīng)。此外，通徑分析能分別找出自變量對因變量的直接和間接影響效應(yīng)，較全面、清楚地反映出各自變量對因變量的相對重要性。對于一個相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，若有n個自變量xi（i=1, 2, …,n）和1個因變量y之間存在線性關(guān)系，回歸方程為：y=b0+b1x1+b2x2+…+bnxn。根據(jù)各自變量間的簡單相關(guān)系數(shù)rij（i,j≤n）和各自變量與因變量間的簡單相關(guān)系數(shù)riy（i≤n），通過最小二乘法得到各自變量線性回歸系數(shù)的求解模型，以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行一定的數(shù)量變換，則可得出如下各簡單相關(guān)系數(shù)的分解方程：

上述是通徑分析的基本模型，其中Piy為直接通徑，即是xi與y標(biāo)準(zhǔn)化后的偏相關(guān)系數(shù)，表示xi對y的直接影響效應(yīng)；rij表示xi與xj的簡單相關(guān)系數(shù)，riy為xi與y的簡單相關(guān)系數(shù)，rijPjy是間接通徑，代表xi通過xj對因變量y的間接影響效應(yīng)。模型中的∑rijPiy(i≠j)，即表示xi通過其它變量對因變量y的間接影響總效應(yīng)。上述方程表示的基本意義為：每一個自變量xi與因變量y的簡單相關(guān)系數(shù)riy被分解為Piy（直接通徑效果部分）和∑rijPiy(i≠j)（總間接通徑效果部分）。

在研究過程中，由于各影響因素間的關(guān)系交錯復(fù)雜且人們對各個因素認(rèn)識的局限性，所有影響因變量的因素不能在建立模型時都被考慮進(jìn)去，因此這需要進(jìn)一步對因變量y受遺漏因子和誤差項(xiàng)的影響大小進(jìn)行計算，即通徑效應(yīng)系數(shù)Puy，也叫剩余效應(yīng)，其計算公式為：

若計算出的剩余效應(yīng)很小，表明該通徑分析模型已包含了主要影響因素，否則認(rèn)為該分析遺漏了一些主要影響變量，需接著尋找并引入別的因子進(jìn)行分析。

黃花甸子流域梯田土壤有機(jī)碳含量與土壤物理性質(zhì)的通徑系數(shù)見表3。

從通徑系數(shù)圖表（表 3，圖 3）可知，就直接影響來說，所選主要土壤物理性質(zhì)對有機(jī)碳含量的直接影響作用由大到小均表現(xiàn)為：粘粒＞含水量＞容重＞砂粒，而容重和含水通過粘粒對有機(jī)碳的間接影響效應(yīng)都較大，尤其容重本身對有機(jī)碳含量的直接影響并不大，而粘粒對有機(jī)碳的直接效應(yīng)大于其通過其他因子的總間接效應(yīng)。這說明粘粒對于土壤通氣、保蓄水分具有重要作用。砂粒含量則通過土壤含水量對土壤有機(jī)碳含量的間接影響效應(yīng)較大，且為負(fù)效應(yīng)（P2y×r24=-0.538），而其本身的直接影響并不大。這可能是因?yàn)樯傲６嗟耐寥?，保水性下降，而水分直接影響著作物生長狀況，進(jìn)而影響土壤中有機(jī)碳的積累。結(jié)合以上分析，土壤物理性質(zhì)對有機(jī)碳的總影響由大到小表現(xiàn)為：粘粒＞含水量＞容重＞砂粒＞粉粒。根據(jù)剩余效應(yīng)公式結(jié)合以上通徑系數(shù)表，得到剩余效應(yīng)Puy=0.131，此系數(shù)接近0.1，小于 0.2。所以，剩余效應(yīng)較小，說明所選物理性質(zhì)能說明當(dāng)前各因子與土壤有機(jī)碳含量作用大小，土壤物理性質(zhì)的研究對土壤中有機(jī)質(zhì)的提升及土壤肥力的提高具有重要意義。

表3 梯田土壤有機(jī)碳含量和土壤物理性質(zhì)的通徑系數(shù)表Table 3 The path coefficients of soil organic carbon and soil physical properties in terraced fields

4 討論

圖3 梯田土壤有機(jī)碳含量和土壤物理性質(zhì)的通徑系數(shù)圖Fig.3 The path coefficient map of soil organic carbon content and soil physical properties in terraced fields

梯田為我國重要耕地資源之一，它既可以保持水土又可保證糧食生產(chǎn)（趙藝學(xué)，2000），是黃土丘陵區(qū)的基本農(nóng)田，具有維持生態(tài)脆弱區(qū)糧食安全、生態(tài)安全及社會安定的作用。因此，有必要探究提高梯田土壤肥力的方法。土壤中有機(jī)質(zhì)的提高是土壤肥力提升的表現(xiàn)。本研究得出，梯田土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的加深而減少，這與王澤、南雅芳等（2012）、王澤等（2012）對綠洲農(nóng)田、梯田土壤有機(jī)碳分布研究結(jié)論一致。此外，大多數(shù)林地土壤有機(jī)碳隨土層深度的變化也表現(xiàn)出相同的變化趨勢（郭月峰等，2013b；許明祥等，2004）。

土壤中合理的物理性質(zhì)有利于土壤肥力的增加并促進(jìn)作物生長。大多數(shù)研究指出，土壤有機(jī)碳含量隨容重增大而減少。這是因?yàn)橥ǔ碚f，容重大的土壤較緊實(shí)且通透性差，土壤保水保肥性差且作物生長因受滯緩作用而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量少（劉永忠等，2005）。本研究得到，土壤有機(jī)碳與含水量呈顯著正相關(guān)。鄒俊亮等（2012）對晉西小流域不同地形和土地利用下土壤有機(jī)碳與含水量關(guān)系的研究同樣得到，二者間呈正相關(guān)關(guān)系。徐薇薇等（2014）研究得到，土壤中有機(jī)質(zhì)含量會影響土壤容重，有機(jī)質(zhì)的增多會使土體得到疏松，使得土壤容重減少。土壤含水量會隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加有明顯的增加，這說明有機(jī)碳積累是土壤含水量增加的重要原因（Wall et al.，2003）。這是由于土壤有機(jī)碳含量的增加既可以改善土壤結(jié)構(gòu)，使容重減小，孔隙度增加，又能改變土壤的膠體狀況，使土壤的吸附作用增強(qiáng)。它們都有利于水分的保持，從而使土壤含水量增加。如此可知，土壤中物理性質(zhì)與有機(jī)碳含量是相互影響、相互制約的。

土壤機(jī)械組成是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和研究工作都要測定的，它通常用土壤質(zhì)地表示，決定著土壤質(zhì)地的粗細(xì)，直接影響著土壤的理化性質(zhì)與肥力狀況，是土壤最基本的物理性質(zhì)之一（夏漢平，2002）。本研究得出，土壤粘粒、粉粒、砂粒含量分別與有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)、顯著負(fù)相關(guān)、弱的正相關(guān)，這與徐薇薇等（2014）和馬渝欣等（2014）的研究結(jié)論一致。黃昌勇（2000）248指出，土壤砂粒含量越高，土壤的透氣性越好，但保水保肥能力較低；土壤的粘粒含量越高，土壤的肥力水平越高，相反土壤的透氣性則越差，這可能是土壤有機(jī)碳與粘粒、砂粒呈現(xiàn)不同相關(guān)性的原因。馬渝欣等（2014）對蒙城縣 70個典型農(nóng)田土壤機(jī)械組成與有機(jī)碳含量進(jìn)行分析得出，有機(jī)碳含量與粘粒含量無相關(guān)性，而與粉粒含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，與砂粒含量則呈顯著負(fù)相關(guān)。他們認(rèn)為，粉粒對土壤水分有效性、植被生長的正效應(yīng)作用較強(qiáng)。而大多數(shù)研究表明，土壤有機(jī)碳含量與粘粒含量關(guān)系最為密切。粘粒越高的土壤，在同一吸力作用下，其含水量越大（李玉進(jìn)，2013）。史錕等（2008）研究得出，玉米田土壤機(jī)械組成中的砂粒含量與有機(jī)碳含量相關(guān)性最大。因此，關(guān)于田內(nèi)土壤有機(jī)碳與機(jī)械組成的關(guān)系，不同研究者得出的結(jié)論具有差異性。這可能是由區(qū)域氣候條件不同、取樣時間的差異等其他因素造成的。

通徑分析可以較清楚地表達(dá)各個相關(guān)因子對有機(jī)碳的直接和間接影響程度，本文研究得到粘粒含量對土壤有機(jī)碳總影響最大。這大概是由于粘粒多的土壤可以吸附較多土壤有機(jī)體，使其存留于土壤中。通徑分析的剩余效應(yīng)較小，這表明，本研究所選取的土壤物理因子能較好地說明有機(jī)碳的變化情況，土壤物理性質(zhì)是影響土壤有機(jī)碳變化的重要因子。

5 結(jié)論

本文以赤峰市敖漢旗黃花甸子流域梯田土壤為研究對象，對其60 cm深度土壤有機(jī)碳和土壤物理性質(zhì)的垂直分布狀況以及二者間的關(guān)系進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）黃花甸子流域梯田土壤有機(jī)碳具有表聚現(xiàn)象，且60 cm深度土層的土壤有機(jī)質(zhì)為11.48 g·kg-1，參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)可知，研究區(qū)梯田土壤有機(jī)質(zhì)含量處于中等水平。

（2）流域梯田土壤容重、含水量、砂粒含量隨土層深度的增加而逐漸增加，粘粒含量逐漸減少。不同土層的土壤容重、含水量以及顆粒組成總體表現(xiàn)為差異不顯著（P＜0.05）。

（3）土壤容重、砂粒含量與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤含水量、粘粒含量與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，而土壤粉粒含量與有機(jī)碳含量呈弱的正相關(guān)。通徑分析結(jié)果表明，土壤粘粒、含水量的增加有利于土壤有機(jī)碳的累積，且土壤粘粒含量對土壤有機(jī)碳的作用最大。土壤物理性質(zhì)與有機(jī)碳含量是相互影響、互相制約的，二者通徑分析剩余效應(yīng)較小。因此，土壤物理性質(zhì)是影響土壤有機(jī)碳變化的重要因子。