长尺度气候变化下土壤钾素演变规律的研究——以泾河中游将军村黄土剖面为例.docx

1、第34卷第1期上海交通大学学报(农业科学版)Vol.34No.12016年2月JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY(AGRICULTURALSCIENCE)Feb.2016.一"_一E11-*'=文章编号：1671-9964(20)6)010069-05DOI：10.3969/J.ISSN.1671-9964.2016.01.012长尺度气候变化下土壤钾素演变规律的研究以泾河中游将军村黄土剖面为例吴利杰关，于娟"，石建省。王成敏】，毕志伟】，郭娇I（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄050061,2.西北大学地质学系，

2、西安710069；3.中国地质大学环境学院，武汉430074）摘要：从应用古气候学角度，定量化地分析了近万年以来气候变化与土壤钾素演变规律,研究表明：土壤中速效钾、缓效钾含量与年均降水量或年均气温均服从指数函数模型；而钾素有效性则服从二次函数模型，并且其有效性与古气候变化的对应关系存在临界值，只有当年均气温9.5r或年均降水量577.3mm时，钾素有效性才随年均降水量或气温的增加呈明显地快速递增；速效钾、缓效钾含量及钾素有效性与古气候条件耦合关系均符合柯布一道格拉斯方程。关键词：钾素；年均降雨量；年均气温；数学模型中图分类号：S15文献标识码：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基金项目：中国地质科学院水文地质环境地质研究所基本科研业务裁（SK2O14O3）；作者简介:吴利杰（1982-）.男，硕士,助理研究员.研究方向：第四纪地质,E-mail:ihegwulijic®；于娟（1982-）为本文通讯作者，女.硕士.助理研究员.研究方向：环境地质.E-maL48833188Q近几卜年来，世界各国对土壤钾素的研究甚为重视。关

8、于土壤钾素形态和转化规律，钾的有效性及评定方法、钾素固定以及吸附、解吸的动力学、钾的植物营养机理、影响钾肥效果的因素以及农业集约条件下的钾素平衡等卬：研究方面国内外学者均作过大最的工作，并取得重大进展皿同。土壤钾素的形态分布与转化、有效利用率等特性均与气候因素密切相关。目前,有关于长时间尺度全球气候变化下土壤钾素演变规律等方面的研究工作还鲜见报道。我国西北黄土以其分布范围广泛、连续、地层发育完整、厚度大而著称于世。黄土的堆积与成壤过程均受全球气候变化的控制这就为探讨长时间尺度气候变化对土壤钾素演化规律的认识提供了“天然实验室”。通过从应用占气候学角度,探讨长时间尺度气候条件下土壤钾素演变规律，

9、可以为应对全球气候变化下现代农业合理利用土壤钾素与气候资源，提高土壤钾肥资源的有效管理，优化土壤管理等提供重要的科学依据。1材料与方法1.1研究剖面概况将军村剖面（N35°17',E107°38）位于泾河中游K武县城西北约15km的将军村G312国道北侧的冲沟陡坎上。根据对将军村剖面野外宏观观察与室内微观观察和分析，其全新世黄土地层从上到下划分的层段与岩性特征如下表1。表1将军村黄土剖面地层特征及采样测试数目Tab.1TheformationcharacteristicsandthenumberofsamplingandtestsamplesoftheJiangju

10、nsection深度/mDepth地层岩性特征Stratumrockcharacteristic采样数/组Samplingnumber测W数/组Testingnumber。0.38表上（TS）,浅灰褐色亚砂土，疏松多孔、根系发育19140.380.60现代黄土（Lo）：浅灰黄色亚砂上，与下伏地层界线清晰；11110.60】.60古土壤（&）：灰黑色黑炉土.琉松多孔，根系发育，含大量的灰白色钙质假阐丝体.部分七粒里团粒状.白上而下菌丝体含址逐渐减少；50501.602.40过渡性黄土浅灰黄色亚砂上，含少址的萌丝体；40402.403.00马兰黄浅灰黄色亚砂土.30301.2实验方法与数据

11、处理本次采样工作在将军村黄土割面上进行垂直方向的高密度采样分析，即以2cm间隔采集样品，样品采集与测试数目如表1,待样品在自然条件下风干后进行实验。全钾：氢氧化钠熔融一火焰光度计法（GB9836-88）；缓效钾：酸煮沸浸提一火焰光度计法（NY/T889一2004）;速效钾：醋酸铉浸提一火焰光度计法（NY/T889一2004）;无效钾采用差值法，无效钾=全钾一速效钾一缓效钾。磁化率参数采用BaringtonMS2磁化仪进行低频磁化率的测定，每一个样品测量6次,取其平均值。数据处理采用Excel软件、DPS数据处理系统虬2古气候演化历史的重建2.1黄土沉积年代学特征本次获取了5组OSL测年和2组A

12、MS-HC测年结果，分别由中国地质科学院水文地质环境地质研究所光释光测年实验室和北京大学考古文博学院科技考古与文物保护实验室测得。1.25、1.50、80.2.10与2.40m处的OSL测年结果分别为6.40±0.30kaB.P.、7.50±0.40kaB.P.、9.10±0.40kaB.P.、10.00±0.60kaB.P.与11.20土0.70kaB.P；0.22与0.85m处的AMS-14C测年结果分别为1330±25aB.P.与4195±30aBP.。以实测年龄为准，适当线性内插与外推以划分与确定将军村剖面各地层单元年代序列。

13、将军村剖面取样地层底部推测年龄为12.OkaB.P;全新世肇始于约11.2kaB.P。以8.05kaB.P和3.10kaB.P作为全新世早、中、晚3期划分界限。以5.20kaB.P、1. 00kaB.P分别作为中全新世前、后期与晚全新世前、后期的划分界限。2.2古气候重建方法与总体特征古气候要素主要包括年均降水量与年均气温。已有研究表明可以利用磁化率参数恢复过去气候变化时的古降水量与气温*洞。按照文献方法，根据实测的磁化率计算出近万年以来将军村剖面上不同深度处黄土堆积成壤时的年均降水量与年均气温。近万年以来将军村剖面所经历的古气候总体特征:年均降水量平均值约为604.1mm,变异系数约18.9

14、%；年均温度平均值约为1°C.变异系数约为24.5%。年均降水量与年均气温变化具有良好的同步性，并且都存在明显波动。年均降雨量强弱（或年均气温高低）顺序为：中全新世后期中全新世前期晚全新世后期晚全新世前期早全新世。3古气候单要素与钾素演变关系为了定量分析气候单要素与钾素的关系，采用线性、对数、指数、转函数、双曲线、s型曲线与抛物线等8种归方法，分别对速效钾含量（AK）、缓效钾含量（SAK）、无效钾含量（/K）、全钾含量（TK）、供钾强度（AK/SAK）、钾素有效性（AK+SAK）/TK）与年均降水量（P）及年均气温（T）之间进行了一元回归检验，从中选取显著性检验较高、拟合度较优的回归

15、方程进行分析。3.1各形态钾素含与气候单要素的关系年均降水量、年均气温与各形态钾素含量的一元非线性最优拟合结果（表2）表明，年均降水量、年均气温与速效钾、缓效钾的拟合关系服从指数函数;年均降水量与速效钾、缓效钾的拟合度分别达0.6867.0.7284,呈现极显著的高度相关性；年均气温与速效钾、缓效钾的拟合度分别达0.6916.0.7334,也呈极显著的高度相关性;而无效钾含量;与古气候单要素则呈弱相关。这表明速效钾、缓效钾对年均降水量、年均气温敏感，二者对短时间尺度的古气候变化响应迅速。降水最增加或气温增温,土壤中速效钾、缓效钾含量也随之增加。无效钾对于短时间尺度的古气候变化响应不敏感，反映了

16、其在风化成壤过程中应受更长时间尺度气候变化的影响。表2各形态钾素含与气候单要素的曲线拟合结果lab.2Thecurvefittingresultsbetweentheformsofpotassiumandtheannualprecipitationandtheannualaveragetemperature拟合Pl归方程Fittingregressionequation相关系#Correlationcoefficient拟合度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供钾强度与气候单要素的关系土壤供钾强度是指速效钾与缓效钾的比值，计算公式：S=AK/SAK,该比值在一定程度上可以反映出土壤的供钾潜能。供钾强度与年均降水量（图1-a）、年均气温（图1-b）的线性拟合结果显示供钾强度与年均降水量、年均气温有中等程度的正相关性。这表明随年均降水域增加或年均气温增高，供钾强度呈递增趋势。年均,降水fit/mmTheannuan)precipiution(a)3-SMC-胃汶一ddnsx年均气温/rTheannuanltemperature(b)图1供钾强度与年均降水量(a)、年均气温(b)的线性拟合Fig.1Thelinearfillingofbetween

19、thesupplyintensityofpotassiumandtheannualprecipitationa),theannualtemperaturc(b)3.3钾素有效性与气候单要素的关系钾素有效性是指速效钾与缓效钾之和除以全钾所得的比值，计算公式：E=100X（AK+SAK）/TK,它在一定程度上表征了土壤中钾素的有效性状态。钾素有效性与年均降水量（图2-a）、年均气温（图2-b）的最优拟合结果表明，土壤有效性与古气候要素的关系服从二次曲线函数（图2）,土壤有效性与年均降水量、年均气温的曲线拟合度分别达0.7463、0.7459,呈极显著的高度相关性。>>=4E-05x2-

20、0.036x+13.215/fM.7463VssouyMKXyJ。X汶、<短坝避1:年均气温/*CTheannuanltemperature(b)3|-1-i400500600700800年均降水量/mmTheannuanlprecipitation(a)图2钾素有效性与年均降水量(a)、年均气温(b)的曲线拟合Fig.2Thecurvefiningofbetweenthepotassiumavailabilityandtheannualprccipitation(a)»theannualtemperature(b)从古气候单要素与钾素有效性拟合曲线的变化规律来分析，钾素有效性

21、并不随年均降水量或年均气温增加呈现良好的递增规律,存在中间临界状态。当年均气温9.1°C或年均降水«559.1mm时，钾素有效性仅处于低水平波动状态；而年均气温9.5°C或年均降水量577.3mm时,钾素有效性随年均降水量:或气温增加呈明显地快速递增。4古气候要素耦合条件下钾素的变化规律柯布一道格拉斯函数模型是美国数学家cWCodb和经济学家PHDoughlas提出，形如y=心7、2"寸,广，可用于分析产抵和投入之间的关系,式中的3表示产量，而右表示各种投入量,。内血，如为待定参数鉴于土壤中钾素的地球化学演化是气候等诸多成壤要素耦合作用形成的产物,并且气

22、候要素是最重要影响因素。因此可以认为气候要素与土壤钾素满足投入与生产的关系，可采用该公式进行钾素与古气候要素的综合分析。各形态钾素含量及钾素有效性与古气候要素的柯布一道格拉斯方程拟合结果（表3）表明，速效钾、缓效钾含量以及钾素有效性与古，候条件关系均服合柯布一道格拉斯方程，模型检抢的拟合度都在约0.7以上，并呈现极显著水平的高度相关性，说明该模型能很好拟合速效钾、缓效钾及钾素有效性与占气候条件关系。表3钾素与古气候要素的柯布-道格拉斯方程拟合结果Tab.3TheCobd-Douglasequationbetweenpotassiumandpaleoclimatefactors拟合回归方程Fit

23、tingregressionequation殂关系数Correlationcoefficient拟合度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砖pis.W5-p-H.3060.30300.550430.64270.0005结论通过重建将军村剖面近万年以来的古气候演化历史，分析了长时间尺度气候变化与土壤钾素演变规律，初步得到以下几点结论与认识：（1）上壤中速效钾、缓效钾含仙与气候单要素（年均降水量或年均气温）之间满足指数函数模型,年均降水量越大或年均气温越高，土壤中速效钾、缓效钾含应也越高。（2）土壤的供钾强度与气候单要素呈现中等程度的正相关。年均降水量或年均气温增加，供钾强度也呈递增趋势。(3) 钾素有效性与气候单要素之间服从二次函数模型。钾素有效性并不随年均降水M或年均气温增加呈现良好

25、的递增规律，存在中间临界值。当年均气温V9.1笆或年均降水量V559.1mm时，钾素有效性处于低水平状态波动；而年均气温>9.5°C或年均降水ft>577.3mm时，钾素有效性随年均降水量或气温增加呈明显地快速递增。(4) 土壤中速效钾、缓效钾含量及钾素有效性与长时间尺度气候条件的关系均符合柯布一道格拉斯方程，该模型拟合结果良好。参考文献：-1SparksDL,LiebhardtWC.TemperatureeffectsonpotassiumexchangeandselectivityinDelawaresoilsLJ1SoilScience,1982,133：10-17

26、.2金继运.高广领,王泽良，等.温度对土壤钾素容鼠和强度(Q/D关系的影响CJ1±»学报,1992,29(2)：137-141.L3JinJY.DevelopmentofpotassiumapplicationandlackofsoilpotassiuminnorthChinaAj/SoilandFertilizerInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences»PekingOfficeofCanadaPhosphorusandPotassiumInstitute.SoilKandyieldresponsesinNor

27、thChinaUCJ.Beijing：ChinaAgriculturalScienceandTechnologyPress,1994：1-5.4 张亦驰，李林，史喜林，等.土壤钾素形态及有效性的研究进展J.吉林农业科学,2013,38(6):5254.5 LIURL,JinJY.WuRG,LiangMZ.StudyonthecharacteristicsofpotassiumcyclingindifferentsoilcropsystemsinnorthernChinaJ.PlantNutrFertSet,2000,6(2):123-132.6 陈防，鲁剑燃,万运帆，等.长期施钾对作物增产及上壤钾素含量及形态的影响J.土壤学报，2000,37(2):233-241.L7彭浩,张兴昌,邵明安.黄土区士.壤钾素径流流失加律研究J.水土保持学报.2002,16(1):47-49.8彭浩张兴昌，邵明安.黄十.区土壤钾素径流流失试验研究J.水土保持学报，2004,18(1):70-73.9 朱咏莉，刘军，王益权，等.干湿交替过程对黄土高原儿种主要土壤钾有效性的影响口.土壤通报，2002,33(6):435-437.10 龙怀玉