長(zhǎng)尺度氣候變化下土壤鉀素演變規(guī)律的研究——以涇河中游將軍村黃土剖面為例.docx

1、第34卷第1期上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)科學(xué)版)Vol.34No.12016年2月JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY(AGRICULTURALSCIENCE)Feb.2016.一"_一E11-*'=文章編號(hào)：1671-9964(20)6)010069-05DOI：10.3969/J.ISSN.1671-9964.2016.01.012長(zhǎng)尺度氣候變化下土壤鉀素演變規(guī)律的研究以涇河中游將軍村黃土剖面為例吳利杰關(guān)，于娟"，石建省。王成敏】，畢志偉】，郭嬌I（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊050061,2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，

2、西安710069；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，武漢430074）摘要：從應(yīng)用古氣候?qū)W角度，定量化地分析了近萬年以來氣候變化與土壤鉀素演變規(guī)律,研究表明：土壤中速效鉀、緩效鉀含量與年均降水量或年均氣溫均服從指數(shù)函數(shù)模型；而鉀素有效性則服從二次函數(shù)模型，并且其有效性與古氣候變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在臨界值，只有當(dāng)年均氣溫9.5r或年均降水量577.3mm時(shí)，鉀素有效性才隨年均降水量或氣溫的增加呈明顯地快速遞增；速效鉀、緩效鉀含量及鉀素有效性與古氣候條件耦合關(guān)系均符合柯布一道格拉斯方程。關(guān)鍵詞：鉀素；年均降雨量；年均氣溫；數(shù)學(xué)模型中圖分類號(hào)：S15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AStudyontheEvolutionLawof

3、PotassiumwithLongTimeScaleClimateChangeinJiangjunLoessSectionoftheMiddleReachesoftheJingheRiverWU,YUJuan1,3,SHIJianshengx,WANGCheng-minx,BIZhi-zuei1,GUOJiao1(1.TheInstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology；CAGS；Shijiazhuang050061,China；2.DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xian710069,China；3

4、.SchoolofEnvironmentStudiesChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074China)Abstract:Fromtheperspectiveofapplicationofpaleoclimatology,theevolutionlawofpotassiuminsoilwithlongtimescaleclimatechangeisdiscussedquantitativelyandthemainconclusionsareasfollows.Therelationshipofthecontentofavailablepotassium

5、andslowlyavailablepotassiumandtheannualprecipitationortheannualtemperatureobeytheexponentialfunctionmodel.Thefittingequationsofpotassiumeffectivenessandtheannualprecipitationortheannualtemperatureaccordwiththeparabolicfunctionmodel.Thereisacriticalvalue,onlytheaveragetemperature(over9.5°C)orthe

6、annualprecipitation(over577.3mm),anditseffectivenesspresentsobviouslyaprogressiveincreasewiththeincreaseoftheannualprecipitationortheannualtemperature.Thefittingrelationshipofthecontentofavailablepotassiumandslowlyavailablepotassium,potassiumeffectivenessandpaleoclimaticcouplingconditionscomplywitht

7、heCobd-Douglasequations.Keywords：potassium；theannualprecipitation；theaveragetemperature；mathematicalmodel收稿日期：2015-04-15基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)裁（SK2O14O3）；作者簡(jiǎn)介:吳利杰（1982-）.男，碩士,助理研究員.研究方向：第四紀(jì)地質(zhì),E-mail:ihegwulijic®；于娟（1982-）為本文通訊作者，女.碩士.助理研究員.研究方向：環(huán)境地質(zhì).E-maL48833188Q近幾卜年來，世界各國(guó)對(duì)土壤鉀素的研究甚為重視。關(guān)

8、于土壤鉀素形態(tài)和轉(zhuǎn)化規(guī)律，鉀的有效性及評(píng)定方法、鉀素固定以及吸附、解吸的動(dòng)力學(xué)、鉀的植物營(yíng)養(yǎng)機(jī)理、影響鉀肥效果的因素以及農(nóng)業(yè)集約條件下的鉀素平衡等卬：研究方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者均作過大最的工作，并取得重大進(jìn)展皿同。土壤鉀素的形態(tài)分布與轉(zhuǎn)化、有效利用率等特性均與氣候因素密切相關(guān)。目前,有關(guān)于長(zhǎng)時(shí)間尺度全球氣候變化下土壤鉀素演變規(guī)律等方面的研究工作還鮮見報(bào)道。我國(guó)西北黃土以其分布范圍廣泛、連續(xù)、地層發(fā)育完整、厚度大而著稱于世。黃土的堆積與成壤過程均受全球氣候變化的控制這就為探討長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候變化對(duì)土壤鉀素演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)提供了“天然實(shí)驗(yàn)室”。通過從應(yīng)用占?xì)夂驅(qū)W角度,探討長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候條件下土壤鉀素演變規(guī)律，

9、可以為應(yīng)對(duì)全球氣候變化下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)合理利用土壤鉀素與氣候資源，提高土壤鉀肥資源的有效管理，優(yōu)化土壤管理等提供重要的科學(xué)依據(jù)。1材料與方法1.1研究剖面概況將軍村剖面（N35°17',E107°38）位于涇河中游K武縣城西北約15km的將軍村G312國(guó)道北側(cè)的沖溝陡坎上。根據(jù)對(duì)將軍村剖面野外宏觀觀察與室內(nèi)微觀觀察和分析，其全新世黃土地層從上到下劃分的層段與巖性特征如下表1。表1將軍村黃土剖面地層特征及采樣測(cè)試數(shù)目Tab.1TheformationcharacteristicsandthenumberofsamplingandtestsamplesoftheJiangju

10、nsection深度/mDepth地層巖性特征Stratumrockcharacteristic采樣數(shù)/組Samplingnumber測(cè)W數(shù)/組Testingnumber。0.38表上（TS）,淺灰褐色亞砂土，疏松多孔、根系發(fā)育19140.380.60現(xiàn)代黃土（Lo）：淺灰黃色亞砂上，與下伏地層界線清晰；11110.60】.60古土壤（&）：灰黑色黑爐土.琉松多孔，根系發(fā)育，含大量的灰白色鈣質(zhì)假闡絲體.部分七粒里團(tuán)粒狀.白上而下菌絲體含址逐漸減少；50501.602.40過渡性黃土淺灰黃色亞砂上，含少址的萌絲體；40402.403.00馬蘭黃淺灰黃色亞砂土.30301.2實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)

11、處理本次采樣工作在將軍村黃土割面上進(jìn)行垂直方向的高密度采樣分析，即以2cm間隔采集樣品，樣品采集與測(cè)試數(shù)目如表1,待樣品在自然條件下風(fēng)干后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。全鉀：氫氧化鈉熔融一火焰光度計(jì)法（GB9836-88）；緩效鉀：酸煮沸浸提一火焰光度計(jì)法（NY/T889一2004）;速效鉀：醋酸鉉浸提一火焰光度計(jì)法（NY/T889一2004）;無效鉀采用差值法，無效鉀=全鉀一速效鉀一緩效鉀。磁化率參數(shù)采用BaringtonMS2磁化儀進(jìn)行低頻磁化率的測(cè)定，每一個(gè)樣品測(cè)量6次,取其平均值。數(shù)據(jù)處理采用Excel軟件、DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)虬2古氣候演化歷史的重建2.1黃土沉積年代學(xué)特征本次獲取了5組OSL測(cè)年和2組A

12、MS-HC測(cè)年結(jié)果，分別由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所光釋光測(cè)年實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)考古文博學(xué)院科技考古與文物保護(hù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得。1.25、1.50、80.2.10與2.40m處的OSL測(cè)年結(jié)果分別為6.40±0.30kaB.P.、7.50±0.40kaB.P.、9.10±0.40kaB.P.、10.00±0.60kaB.P.與11.20土0.70kaB.P；0.22與0.85m處的AMS-14C測(cè)年結(jié)果分別為1330±25aB.P.與4195±30aBP.。以實(shí)測(cè)年齡為準(zhǔn)，適當(dāng)線性內(nèi)插與外推以劃分與確定將軍村剖面各地層單元年代序列。

13、將軍村剖面取樣地層底部推測(cè)年齡為12.OkaB.P;全新世肇始于約11.2kaB.P。以8.05kaB.P和3.10kaB.P作為全新世早、中、晚3期劃分界限。以5.20kaB.P、1. 00kaB.P分別作為中全新世前、后期與晚全新世前、后期的劃分界限。2.2古氣候重建方法與總體特征古氣候要素主要包括年均降水量與年均氣溫。已有研究表明可以利用磁化率參數(shù)恢復(fù)過去氣候變化時(shí)的古降水量與氣溫*洞。按照文獻(xiàn)方法，根據(jù)實(shí)測(cè)的磁化率計(jì)算出近萬年以來將軍村剖面上不同深度處黃土堆積成壤時(shí)的年均降水量與年均氣溫。近萬年以來將軍村剖面所經(jīng)歷的古氣候總體特征:年均降水量平均值約為604.1mm,變異系數(shù)約18.9

14、%；年均溫度平均值約為1°C.變異系數(shù)約為24.5%。年均降水量與年均氣溫變化具有良好的同步性，并且都存在明顯波動(dòng)。年均降雨量強(qiáng)弱（或年均氣溫高低）順序?yàn)椋褐腥率篮笃谥腥率狼捌谕砣率篮笃谕砣率狼捌谠缛率馈?古氣候單要素與鉀素演變關(guān)系為了定量分析氣候單要素與鉀素的關(guān)系，采用線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)、轉(zhuǎn)函數(shù)、雙曲線、s型曲線與拋物線等8種歸方法，分別對(duì)速效鉀含量（AK）、緩效鉀含量（SAK）、無效鉀含量（/K）、全鉀含量（TK）、供鉀強(qiáng)度（AK/SAK）、鉀素有效性（AK+SAK）/TK）與年均降水量（P）及年均氣溫（T）之間進(jìn)行了一元回歸檢驗(yàn)，從中選取顯著性檢驗(yàn)較高、擬合度較優(yōu)的回歸

15、方程進(jìn)行分析。3.1各形態(tài)鉀素含與氣候單要素的關(guān)系年均降水量、年均氣溫與各形態(tài)鉀素含量的一元非線性最優(yōu)擬合結(jié)果（表2）表明，年均降水量、年均氣溫與速效鉀、緩效鉀的擬合關(guān)系服從指數(shù)函數(shù);年均降水量與速效鉀、緩效鉀的擬合度分別達(dá)0.6867.0.7284,呈現(xiàn)極顯著的高度相關(guān)性；年均氣溫與速效鉀、緩效鉀的擬合度分別達(dá)0.6916.0.7334,也呈極顯著的高度相關(guān)性;而無效鉀含量;與古氣候單要素則呈弱相關(guān)。這表明速效鉀、緩效鉀對(duì)年均降水量、年均氣溫敏感，二者對(duì)短時(shí)間尺度的古氣候變化響應(yīng)迅速。降水最增加或氣溫增溫,土壤中速效鉀、緩效鉀含量也隨之增加。無效鉀對(duì)于短時(shí)間尺度的古氣候變化響應(yīng)不敏感，反映了

16、其在風(fēng)化成壤過程中應(yīng)受更長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候變化的影響。表2各形態(tài)鉀素含與氣候單要素的曲線擬合結(jié)果lab.2Thecurvefittingresultsbetweentheformsofpotassiumandtheannualprecipitationandtheannualaveragetemperature擬合Pl歸方程Fittingregressionequation相關(guān)系#Correlationcoefficient擬合度FittingdegreeF值Fvalue/>valueAKp=-19.12A°825P0.82870.6867252.63360.0001SAKP=38

17、2.O&000槌p0.85350.7284330.03500.0001JKp=】737"0002p0.30170.091012.86160.0005TKP=174260003P0.41350.171026.14240.0001AKr=26.831F】i6?丁0.83160.69】6257.97590.0001SAKr=382.08«00£),»T0.85640.7334338.47180.0001/Kt=179545*7丁0.29900.089412.61110.000577仔=18235/。1河0.41150.169325.84300.0001

18、3.2供鉀強(qiáng)度與氣候單要素的關(guān)系土壤供鉀強(qiáng)度是指速效鉀與緩效鉀的比值，計(jì)算公式：S=AK/SAK,該比值在一定程度上可以反映出土壤的供鉀潛能。供鉀強(qiáng)度與年均降水量（圖1-a）、年均氣溫（圖1-b）的線性擬合結(jié)果顯示供鉀強(qiáng)度與年均降水量、年均氣溫有中等程度的正相關(guān)性。這表明隨年均降水域增加或年均氣溫增高，供鉀強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。年均,降水fit/mmTheannuan)precipiution(a)3-SMC-胃汶一ddnsx年均氣溫/rTheannuanltemperature(b)圖1供鉀強(qiáng)度與年均降水量(a)、年均氣溫(b)的線性擬合Fig.1Thelinearfillingofbetween

19、thesupplyintensityofpotassiumandtheannualprecipitationa),theannualtemperaturc(b)3.3鉀素有效性與氣候單要素的關(guān)系鉀素有效性是指速效鉀與緩效鉀之和除以全鉀所得的比值，計(jì)算公式：E=100X（AK+SAK）/TK,它在一定程度上表征了土壤中鉀素的有效性狀態(tài)。鉀素有效性與年均降水量（圖2-a）、年均氣溫（圖2-b）的最優(yōu)擬合結(jié)果表明，土壤有效性與古氣候要素的關(guān)系服從二次曲線函數(shù)（圖2）,土壤有效性與年均降水量、年均氣溫的曲線擬合度分別達(dá)0.7463、0.7459,呈極顯著的高度相關(guān)性。>>=4E-05x2-

20、0.036x+13.215/fM.7463VssouyMKXyJ。X汶、<短壩避1:年均氣溫/*CTheannuanltemperature(b)3|-1-i400500600700800年均降水量/mmTheannuanlprecipitation(a)圖2鉀素有效性與年均降水量(a)、年均氣溫(b)的曲線擬合Fig.2Thecurvefiningofbetweenthepotassiumavailabilityandtheannualprccipitation(a)»theannualtemperature(b)從古氣候單要素與鉀素有效性擬合曲線的變化規(guī)律來分析，鉀素有效性

21、并不隨年均降水量或年均氣溫增加呈現(xiàn)良好的遞增規(guī)律,存在中間臨界狀態(tài)。當(dāng)年均氣溫9.1°C或年均降水«559.1mm時(shí)，鉀素有效性僅處于低水平波動(dòng)狀態(tài)；而年均氣溫9.5°C或年均降水量577.3mm時(shí),鉀素有效性隨年均降水量:或氣溫增加呈明顯地快速遞增。4古氣候要素耦合條件下鉀素的變化規(guī)律柯布一道格拉斯函數(shù)模型是美國(guó)數(shù)學(xué)家cWCodb和經(jīng)濟(jì)學(xué)家PHDoughlas提出，形如y=心7、2"寸,廣，可用于分析產(chǎn)抵和投入之間的關(guān)系,式中的3表示產(chǎn)量，而右表示各種投入量,。內(nèi)血，如為待定參數(shù)鑒于土壤中鉀素的地球化學(xué)演化是氣候等諸多成壤要素耦合作用形成的產(chǎn)物,并且氣

22、候要素是最重要影響因素。因此可以認(rèn)為氣候要素與土壤鉀素滿足投入與生產(chǎn)的關(guān)系，可采用該公式進(jìn)行鉀素與古氣候要素的綜合分析。各形態(tài)鉀素含量及鉀素有效性與古氣候要素的柯布一道格拉斯方程擬合結(jié)果（表3）表明，速效鉀、緩效鉀含量以及鉀素有效性與古，候條件關(guān)系均服合柯布一道格拉斯方程，模型檢搶的擬合度都在約0.7以上，并呈現(xiàn)極顯著水平的高度相關(guān)性，說明該模型能很好擬合速效鉀、緩效鉀及鉀素有效性與占?xì)夂驐l件關(guān)系。表3鉀素與古氣候要素的柯布-道格拉斯方程擬合結(jié)果Tab.3TheCobd-Douglasequationbetweenpotassiumandpaleoclimatefactors擬合回歸方程Fit

23、tingregressionequation殂關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient擬合度FittingdegreeF值Fvaluep-tft/>_value=e-20&.IlapH.749丁一32.9510.84440.7130175.14880.0001SAKe131-750P29-464T2】.由60.86600.7500211.51390.0001JK=伯3PS.S49丁4.32g0.33560.11268.94950.0002=3初丁166020.42740.182715.75500.0001/7=e-157.onp33.821丁一25.做0.85930.7

24、384199.01820.0001S=。一73磚pis.W5-p-H.3060.30300.550430.64270.0005結(jié)論通過重建將軍村剖面近萬年以來的古氣候演化歷史，分析了長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候變化與土壤鉀素演變規(guī)律，初步得到以下幾點(diǎn)結(jié)論與認(rèn)識(shí)：（1）上壤中速效鉀、緩效鉀含仙與氣候單要素（年均降水量或年均氣溫）之間滿足指數(shù)函數(shù)模型,年均降水量越大或年均氣溫越高，土壤中速效鉀、緩效鉀含應(yīng)也越高。（2）土壤的供鉀強(qiáng)度與氣候單要素呈現(xiàn)中等程度的正相關(guān)。年均降水量或年均氣溫增加，供鉀強(qiáng)度也呈遞增趨勢(shì)。(3) 鉀素有效性與氣候單要素之間服從二次函數(shù)模型。鉀素有效性并不隨年均降水M或年均氣溫增加呈現(xiàn)良好

25、的遞增規(guī)律，存在中間臨界值。當(dāng)年均氣溫V9.1笆或年均降水量V559.1mm時(shí)，鉀素有效性處于低水平狀態(tài)波動(dòng)；而年均氣溫>9.5°C或年均降水ft>577.3mm時(shí)，鉀素有效性隨年均降水量或氣溫增加呈明顯地快速遞增。(4) 土壤中速效鉀、緩效鉀含量及鉀素有效性與長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候條件的關(guān)系均符合柯布一道格拉斯方程，該模型擬合結(jié)果良好。參考文獻(xiàn)：-1SparksDL,LiebhardtWC.TemperatureeffectsonpotassiumexchangeandselectivityinDelawaresoilsLJ1SoilScience,1982,133：10-17

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