王秋彬，于卫昕，王年一，刘振刚，戚昕元
(吉林省土壤肥料总站(吉林省黑土地质量保护监测中心)，吉林长春 130033)
土壤有机质和全氮是植物生长必需营养元素的主要来源，不仅反映土壤肥力水平，也印证区域生态系统演变规律[1]。二者之间的耦合关系可以用土壤碳氮比来表示，它既是土壤质量的敏感指标，也是衡量土壤碳、氮营养平衡状况的指标[2]。前人对土壤有机碳和全氮的时空变异特征开展了大量的研究[3-5]，但研究尺度多集中在中、微观尺度(如小流域、乡镇、县域和市域等尺度)，而在较大的地理空间尺度上(如省域尺度)的研究相对较少。
吉林省位于我国东北地区中部，是我国粮食生产大省，也是国家确定的粮食功能生产区之一。2020年吉林省粮食总产量达380.3亿kg，连续8年突破350.0亿kg，居全国第5位[6]。土壤有机碳、全氮和土壤碳氮比是表征耕地质量的重要因素，掌握耕地土壤有机碳、氮和碳氮比的空间分布特征是有效应对粮食安全和农业可持续发展的重要依据[7-8]。土壤有机碳、氮和碳氮比受地区水热条件影响较大，根据主要气候因素和土壤类型，吉林省可划分为半干旱、半湿润、湿润3个农业生态区[9]，该研究选取前郭、德惠、敦化等16个典型县分别代表3个农业生态区，通过对2016—2019年测土配方施肥和耕地质量监测项目以及2017年轮作休耕试点项目旱田耕层土样数据的分析，探讨了吉林省旱田土壤有机碳、氮及碳氮比的空间分布特征。
1.1 研究区概况该研究采用陈学求等[9]对吉林省农业生态区的划分方法，根据年降雨量、气温、积温、土壤类型等因素，将吉林省划分为半干旱、半湿润、湿润3个农业生态类型区。在半干旱农业生态区(包括乾安、前郭等10个市县)选取乾安、前郭和双辽3个市县，该区年平均气温5.6～7.6 ℃，年降雨量388.5～507.8 mm，积温2 800～3 000 ℃·d，土壤类型主要为黑钙土和风沙土，土壤pH大多在8以上、呈碱性；
在半湿润农业生态区(包括长春、德惠等11个市县)选取德惠、公主岭、伊通、梨树、东辽5个市县，该区年平均气温5.9～7.7 ℃，年降雨量403～664 mm，积温2 600～2 800 ℃·d，土壤类型主要为黑土类，土壤pH 平均7左右、呈中性，是吉林省玉米主产和高产区；
在湿润农业生态区(包括长白区、敦化区等7个局部生态区)选取敦化、安图、珲春、浑江、抚松、蛟河、龙井、桦甸8个市县，该区气候和地理分布复杂，年平均气温3.7～8.4 ℃，年降雨量521.1～1 349.1 mm，其中600～800 mm占多数地区，900～1 300 mm只是局部地区，积温2 100～3 000 ℃·d，局部地区在3 000 ℃·d以上，土壤类型以白浆土为主，土壤pH在6以下、呈酸性[9]。
1.2 土壤采样与测定土壤样品按照NY/T 1121.1—2006《土壤检测 第1部分：土壤样品的采集、处理和贮存》于2016—2019年采集和处理，每年采样点不重复，每一样点采用多点混合的方法采集土样，采样深度为0～20 cm，共28 820个样品，其中半干旱区采样3 826个、半湿润区17 471个、湿润区7 523个。采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤有机碳，用半微量凯氏法测定土壤全氮。土壤碳氮比、有机碳与全氮间的相关性采用Pearson相关系数，统计分析在SPSS 20.0中完成。
2.1 土壤有机碳与全氮的关系据对28 820个样品检测数据的统计，吉林省旱田土壤有机碳含量为1.16～177.48 g/kg，平均为15.47 g/kg，变异系数为44.19%；
土壤全氮含量为0.212～12.020 g/kg，平均为1.581 g/kg，变异系数为44.03%；
两者均属中等程度的变异。相关分析表明(图1)，全部旱田土壤样品的有机碳与全氮含量呈明显的线性关系，两者的相关系数高达 0.775 1(P<0.01)，表明吉林省旱田土壤有机碳与全氮存在较为稳定的线性关系，是普遍现象。
图1 吉林省旱田土壤有机碳和全氮的关系Fig.1 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen in dry farmland in Jilin Province
对半干旱农业生态区3 826个样点检测数据的统计结果表明，该区旱田土壤有机碳含量为2.21～19.32 g/kg，平均为8.81 g/kg，变异系数为25.08%；
土壤全氮含量为0.251～3.010 g/kg，平均为0.723 g/kg，变异系数为43.54%；
土壤有机碳与全氮呈明显的线性关系(图2a)，两者的相关系数为0.482 4(P<0.01)。据对半湿润农业生态区17 471个样点基础数据的统计分析，半湿润区旱田土壤有机碳含量为2.12～39.61 g/kg，平均为14.77 g/kg，变异系数为35.00%；
土壤全氮含量为0.212～3.300 g/kg，平均为1.496 g/kg，变异系数为30.06%；
土壤有机碳与全氮呈明显的线性关系(图2b)，相关系数为0.684 7(P<0.01)。湿润农业生态区7 523个样点的旱田土壤有机碳含量为1.16～177.48 g/kg，平均为20.48 g/kg，变异系数为39.58%；
土壤全氮含量为0.313～12.023 g/kg，平均为2.214 g/kg，变异系数为33.32%；
土壤有机碳与全氮呈明显的线性关系(图2c)，相关系数为0.677 0(P<0.01)。
图2 吉林省半干旱(a)、半湿润(b)和湿润(c)农业生态区旱田土壤有机碳和全氮的关系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来说，土壤碳氮比可反映土壤肥力的水平，供肥能力较高的土壤，碳氮比较低，相应地，碳氮比较高的土壤，其供肥能力较低。据对28 820个样品相关数据的统计，吉林省旱田土壤碳氮比在3.50～24.95，中位值为10.15，平均为10.41，变异系数为30.65%，其中半干旱农业生态区旱田土壤碳氮比在3.52～20.47，中值为14.72，平均为13.54，变异系数为27.99%；
半湿润农业生态区旱田土壤碳氮比在3.50～24.95，中值为10.13，平均为10.13，变异系数为27.89%；
湿润农业生态区旱田土壤碳氮比在3.50～20.49，中值为9.31，平均为9.45，变异系数为28.09%。
吉林省旱田土壤碳氮比主要分布在8～11，占比41.17%。由图3可知，半干旱农业生态区旱田土壤碳氮比主要分布在14～17，占比43.10%，其频率不符合正态分布，可能与样本选取量不够有关；
半湿润生态区旱田土壤碳氮比的频率呈正态分布，主要分布在8～11，占比47.52%；
湿润生态区旱田土壤碳氮比的频率主要分布在5～11，占比76.09%。可见，吉林省各农业生态区旱田土壤碳氮比差异较大，半干旱农业生态区普遍高于半湿润农业生态区，湿润农业生态区最低。
图3 旱田土壤碳氮比的频率分布Fig.3 Frequency distribution of soil carbon-nitrogen ratio in dry farmland
吉林省旱田土壤有机碳含量平均为15.47 g/kg，全氮含量平均为1.581 g/kg，其中，半干旱农业生态区旱田土壤有机碳含量平均为8.81 g/kg，全氮含量平均为0.723 g/kg；
半湿润区土壤有机碳含量平均为14.77 g/kg，全氮含量平均为1.496 g/kg；
湿润区土壤有机碳含量平均为20.48 g/kg，全氮含量平均为2.214 g/kg。旱田表层土壤有机碳和全氮含量均呈现半干旱农业生态区<半湿润农业生态区<湿润农业生态区的空间分布特征，且各区土壤有机碳与全氮均呈明显的线性关系，说明旱田土壤的有机碳和全氮变化基本同步。
张春华等[10]研究表明，松嫩平原玉米带(农安、德惠、九台、公主岭)1980—2005年土壤有机质和全氮含量都有不同程度的增加，其中土壤有机质变化较为明显，1980和2005年土壤有机质平均含量分别为2.14%和2.54%，折算为有机碳分别为12.41和14.73 g/kg，其中2005年的土壤有机碳含量平均值与该研究半湿润区的土壤有机碳含量平均值(14.77 g/kg)基本一致；
1980和2005年土壤全氮的平均含量无显著差异，平均值均为0.12%，低于该研究半湿润区土壤全氮的平均含量(0.149 6%)，说明2005年以来开展的测土配方施肥项目有效提升了该区域土壤全氮含量，土壤有机质含量还有较大上升空间。
与仅考虑土壤碳、氮自身的变异特征相比，综合土壤碳氮比更能准确地描述土壤碳、氮变化的特点[11]。一般耕作土壤表层碳氮比在8∶1～15∶1，平均在10∶1～12∶1[12]，合适的土壤碳氮比可协调土壤有机物质中养分的释放，维持较高的土壤微生物活性。康日峰等[13]对1988—2013年东北黑土区土壤养分演变特征进行研究，结果发现，1988—2013年黑土监测区土壤碳和氮含量均逐年显著增加，但碳氮比呈现下降趋势，从1988年的10.3降至2013年的9.6，下降6.8%。该研究中，吉林省旱田土壤碳氮比平均为10.41，与康日峰等[13]的研究中1988年的碳氮比基本持平，表明碳素与氮素的增加速度较协调，作物秸秆还田和化学肥料的施用补充了作物高产引起的地力亏缺，减缓了有机质的分解矿化速度，有利于有机物质的积累，提高了土壤固碳能力。半干旱、半湿润、湿润农业生态区旱田表层土壤碳氮比平均分别为13.54、10.13、9.45，呈现湿润农业生态区<半湿润农业生态区<半干旱农业生态区的空间分布特征。
土壤碳氮比是有机碳、氮输入与输出长期平衡的结果，并与输入的有机物质组分、氮肥施用、土壤性状和土地利用方式等有关[1，14-15]。正是由于进入土壤的有机物质主要是通过微生物的作用来实现降解，因此，通过微生物长期作用形成的有机物质(多为腐殖质)中有机碳与氮素的比例较为稳定。微生物对有机物质正常分解的碳氮比为25∶1，输入物中有机碳与全氮比例较高的耕地其土壤有机碳与全氮的比例一般也较高，禾本科作物茎秆的碳氮比可达(60～100)∶1，豆科作物茎杆的碳氮比多在(15～20)∶1，进入土壤后其通过微生物的分解碳氮比逐渐下降，如果碳氮比过大，微生物的分解作用就慢，有机碳消耗也较多[16]。
半湿润农业生态区水热条件适宜作物生长，该区旱田土壤有机碳、全氮含量较高，土壤碳氮比适宜，是吉林省的粮食主产区，一方面，应避免盲目增加氮肥施用量，重点放在提高氮肥利用率和氮肥管理水平上，与有机物质协调施用；
另一方面继续大力推广秸秆还田技术，增加农家肥、有机肥的使用，在追求高产的前提下实现土壤碳、氮之间的平衡，促进农业与生态系统的可持续发展。半干旱农业生态区积温高但干旱少雨，该区旱田土壤有机碳、全氮含量较低，土壤碳氮比较高，土壤微生物活性低，不利于有机养分的分解、释放，应在做好抗旱保墒的基础上，合理调控氮肥施用量，保证产量，施用腐熟后的有机物料，逐步改善土壤理化性质与土壤有机碳、全氮含量，降低土壤碳氮比。湿润农业生态区降雨量适宜但积温低，该区旱田土壤有机碳、全氮含量高，但有效土层薄，土壤碳氮比较低，在农作物生长期土壤微生物活性高，易加速土壤原有碳和新鲜的有机碳的分解矿化，不利于土壤有机质的积累，应在合理减少氮素投入的同时，采取秸秆还田结合增施有机肥措施，增加有机碳的归还，保持旱田土壤有机碳的稳定。