黄土高原小流域不同地形下土壤有机碳分布特征

李林海，郜二虎，梦 梦，魏孝荣

(1.北京自然博物馆，北京 100050;2.北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083;3.国家林业局调查规划设计院，北京100714;4.中国野生动物保护协会，北京 100714;5.西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100)

土壤有机碳是土壤中较为活跃的部分，其含量和动态在土壤质量演变和全球碳循环中起着十分重要的作用。土壤活性有机碳是指土壤中转化快、稳定性差，并对植物和土壤微生物活性较高的那部分有机态碳，它可用易氧化态碳、水溶性碳和微生物量碳等来表征［1-2］。活性有机碳直接参与土壤生物化学转化过程，也是土壤微生物活动的能源和土壤养分循环的驱动力，在表征土壤质量方面有着重要意义［2-4］。

地形是成土过程中的一个重要因素，它不但支配着地表和土壤中水热资源的重新分配，而且影响着土壤生态系统的物质循环过程和强度，对土壤有机碳分布和储量有着深远影响。目前在地形条件与有机碳关系方面的研究中，许多研究者比较了不同坡位土壤有机碳的分布特征，对坡地土壤有机碳的管理提供了比较充分的理论依据［5-9］;还有学者研究了较大尺度空间上土壤有机碳的分布格局，并对大尺度区域有机碳变化特征进行了预测［10-16］。但这些研究对地形地貌特征与有机碳分布之间的关系涉及得较少，而且研究对象多为表层土壤［7-11］，研究结果所揭示的有机碳与地形特征之间的信息较少，对不同地形下有机碳库管理的指导性不强。

黄土高原地区是我国主要的农业生产区，也是我国西北生态环境脆弱区，该区强烈的水土流失造成的土壤退化和生态经济问题十分严重［17］，在很大程度上影响着该区粮食安全的保障和生态、经济、社会的和谐发展。土壤有机碳库的分布及碳循环过程的变化不但关系到该区土壤质量的维持和保育以及生态环境的持续发展，而且影响到该区土壤及其脆弱的生态环境对全球变化的响应和适应［18-20］，需要开展系统的研究。黄土高原地区主要地形为塬面、梯田、坡地和沟道，要对该区土壤有机碳状况进行全面准确地评估，必须深入了解不同地形条件对土壤有机碳分布特征的影响。本文在位于黄土高原的王东沟小流域选择了塬面、梯田、坡地和沟道4种典型地形条件，研究了小流域尺度不同地形条件下土壤有机碳和活性有机碳的分布特征及其储量，并分析了不同地形条件下的碳库管理指数，以期为合理评价黄土高原地区土壤碳的分布和循环并对其进行合理的管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究在地处黄土高原南部的王东沟小流域进行。王东沟小流域位于陕西省长武县境内，东经107°40'30″—107°42'30″，北纬 35°12'—35°16'，海拔 1 200 m，流域总面积 8.3 km2。该流域土壤母质为中壤质马兰黄土。气候属暖温带半湿润大陆型气候，多年平均气温9.1℃，多年平均无霜期171 d，≥0℃活动积温3866℃，≥10℃活动积温3 029℃，多年平均降雨量584.1 mm，降水变率大，年内季节分布不均，主要集中在7—9月份。

1.2 样品采集与分析

于2005年7月在王东沟小流域不同地形条件采集37个土壤剖面样品，所选取的地形条件分别为塬面(剖面数为12)、梯田(剖面数为12)、坡地(剖面数为7)和沟道(剖面数为6)。各样点的分布及基本情况见文献［21］。各地形条件下的土壤剖面特征相似，塬面和梯田多为农地，坡地和沟道多为林草地。在每个采样点分别采集0—20、20—40、40—60、60—80 cm土层土壤样品，每点采3次重复组成混合土样，同时用环刀法测定各个土层的土壤容重。土壤样品自然风干，分别处理通过0.25 mm和1.0 mm筛孔以供测定。

土壤总有机碳用K2CrO7氧化法测定，土壤活性有机碳用KMnO4氧化法测定［22］，其操作步骤为:称取2.500 g土壤样品于100 mL塑料离心管中，加入25 mL不同浓度的高锰酸钾溶液，振荡1 h，然后在转速4000 r/min下离心5 min，将上清液稀释后在565 nm下测定吸光度，通过其与不加土壤的空白吸光度之差，计算出高锰酸钾浓度的变化，进而计算出氧化的有机碳即活性有机碳(氧化过程中1 mmol KMnO4消耗0.75 mmol或9 mg C)。试验中选择的KMnO4浓度为333、167和33 mmol/L，由此测定的有机碳分别代表低活性、中活性和高活性有机碳。

1.3 数据处理

土壤有机碳储量(SOC，Mg/hm2)计算如下:

式中，C为有机碳含量(g/kg)，h为土层厚度(cm)，ρ为土壤容重(g/cm3)。

土壤碳库管理指数(CMI)计算参照文献［23］进行:

式中，TOC为样本总有机碳含量(g/kg);LOC为样本活性有机碳(g/kg);L为样本的碳库活度;NLOC为样本非活性有机碳(g/kg);LI为活度指数;L0为对照的碳库活度;TOC0为对照总有机碳含量(g/kg)，CPI为碳库指数。

采用二元方差分析方法对各变量进行统计分析，以检验地形条件、土层深度以及二者的交互作用对各变量的影响;用Excel作图，图中误差线为标准误。

2 结果与讨论

2.1 小流域剖面土壤有机碳和活性有机碳总体分布特征

研究小流域范围内土壤不同组分有机碳在剖面的平均含量及其统计特征，可以查明该流域不同土层土体有机碳的整体分布状况，为进一步揭示其在流域范围内不同地形条件下的分布特征提供参考，从而为辨别影响有机碳在流域范围内分布的因子提供依据。

研究区土壤总有机碳及不同活性有机碳的平均值在0—80 cm土层范围内均随土层深度增加而显著降低，其变幅和标准差也在土壤剖面上呈现出降低趋势，但变异系数却与此相反，表现为深层土壤(40—80 cm)大于上层土壤(0—40 cm)(表1)。Wilding［24］根据土壤性质的变异系数对其变异程度进行了分类:变异系数小于15%的为小变异，在16%—35%之间的为中等变异，大于36%的为高度变异。本研究中表层土壤总有机碳和低活性有机碳的变异系数分别为32%和35%，为中度变异;这一土层中活性和高活性有机碳及其它土层各组分有机碳的变异系数均高于36%，为高度变异。

不同组分有机碳的均值、变幅和标准差表现为:总有机碳＞低活性有机碳＞中活性有机碳＞高活性有机碳，而变异系数则随有机碳活性的增高而增大，这是因为活性有机碳在土壤中转化快、稳定性差、易于氧化矿化［1-4］，随着活性的增强，其受外界环境因素的影响就越大，从而表现出较大的变异性。在本研究条件下，地形条件引起的水热资源分配、土壤水热状况差异及土壤管理措施的不同是导致土壤有机碳变异的主要原因，因此需要分析不同地形条件下土壤有机碳的分布特征。

表1 小流域土壤有机碳总体分布特征Table 1 The overall distribution of total and labile organic carbon in the watershed

2.2 地形条件对土壤有机碳的影响

2.2.1 对有机碳含量的影响

不同地形条件下总有机碳和各组分有机碳含量差异显著(P＜0.05)，并且基本上呈现出塬面＞坡地、梯田＞沟道的分布趋势(图1)。如塬面土壤总有机碳、低活性、中活性和高活性有机碳在0—20 cm土层的含量分别是沟道土壤的1.9、1.6、2.4和2.3倍，在60—80 cm分别是沟道土壤的3.3、1.2、4.7和4.4倍。尽管不同地形条件有机碳在土壤剖面均随土层深度的增加而降低，但其降低程度与有机碳活性有关，随活性增高，降低程度增加(图1)，如总有机碳、中活性和高活性有机碳在塬面土壤降低较少，从0—20 cm土层到60—80 cm土层降低了32%、50%和61%，在沟道土壤降低较多，分别降低了62%、75%和80%。

不同地形条件下土壤有机碳的分布特征与地形条件引起的水热过程及土壤管理措施有关。在水热过程方面，沟坡光、热资源优于塬面，而雨水资源劣于塬面［25］，其土壤中有机碳的矿化作用也因此强于塬面土壤，有机碳含量较低。在土壤管理方面，塬面主要为农地，有机肥料投入量大，土壤有机碳含量较高;梯田开垦后土壤贫瘠，而且梯田和坡地离居住地较远，有机肥料施用量少，土壤有机碳含量较低;沟道土壤无有机肥料施用，有机碳含量最低。另一方面，塬面土壤土层较厚，剖面分布较为均匀［25］，有机碳剖面变异小于其它地形条件，而沟道土壤土层较薄，剖面分布不均［25］，有机碳剖面变异大于其它地形条件。此外，对于深层土壤而言，塬面土壤有机碳含量较高，而且土壤环境较有利于有机碳向各个组分的转化，这就缓和了各组分有机碳在深层土壤的降低程度，而沟道深层土壤接近成土母质，土壤环境不利于有机碳向活性组分的转化，从而加剧了深层土壤活性有机碳含量的降低。

2.2.2 对土壤有机碳储量的影响

不同地形条件下土壤有机碳储量的剖面分布趋势与其含量相似，即随剖面深度的增加和活性的增加而减少(图2)。不同组分活性有机碳储量的差异以沟道土壤较大，塬面和梯田土壤较小;以深层土壤较大，表层土壤较小。如在0—20、20—40、40—60和60—80 cm土层，土壤低活性有机碳储量分别是高活性有机碳储量的2.4—3.4、2.8—4.0、3.5—4.3和3.7—14.5倍。4个土层土壤有机碳和各组分活性有机碳储量均以塬面土壤最大，分别是坡地、梯田和沟道土壤的1.5、1.2、1.3、1.4 倍，1.3、1.3、1.3、1.3 倍和1.9、1.3、2.1、2.0 倍。

图1 不同地形条件下土壤有机碳含量的剖面分布特征(误差限为标准误)Fig.1 Profile distribution of total and labile organic carbon(OC)concentration at different landforms(Error bars are SE)

土壤有机碳储量是研究生态系统碳平衡的关键因素［26］，不同地形条件下有机碳储量的巨大差异往往是流域或区域范围内碳平衡计算误差的一个来源。本研究结果表明，小流域尺度不同地形条件下有机碳储量差异较大，这主要取决于不同地形条件下有机碳含量的差异。此外，根据有机碳储量计算公式可知，土壤容重的不同也会造成有机碳储量的差异。本研究中塬面土壤容重最大，坡地和梯田土壤较小(图3)，加之塬面土壤有机碳含量显著高于其它地形条件，这就加大了不同地形之间有机碳储量的差异。由于不同活性有机碳与总有机碳含量之间显著相关［27］，4种地形下各组分有机碳储量也呈现出与总有机碳储量相似的分布特征(图2)。

本文对黄土高原小流域不同地形条件下有机碳储量的观测结果表明，塬面为高有机碳储量地貌单元，沟道为低有机碳储量地貌单元。在流域景观中，塬面地貌单元所占比例越大，流域有机碳储量就越高;沟道地貌单元所占比例越大，流域有机碳储量就越低。这表明，除气候条件、土地利用和土壤类型外，黄土高原地区有机碳储量的地带性分布还与地形条件有关。黄土高原地区从北向南，高有机碳储量地貌单元塬面所占比例逐渐增加，其在区域土壤有机碳构成中的比例相应增加;低有机碳储量地貌单元沟道的比例逐渐减少，其在区域土壤有机碳构成中的比例相应减少［17］，因此有机碳储量逐渐升高，这与其他研究者得到的黄土高原地区土壤有机碳储量分布趋势一致［28-30］。

图2 不同地形条件下土壤有机碳储量量的剖面分布特征(误差限为标准误)Fig.2 Profile distribution of total and labile organic carbon(OC)storage at different landforms(Error bars are SE)

2.2.3 对土壤有机碳库管理指数(CMI)的影响

Blair在1995年根据土壤中活性有机碳和非活性有机碳的关系提出了土壤有机碳管理指数(CMI)［27］，以指示土壤有机碳库变化情况。目前CMI主要用于农地或者土地利用方式改变后土壤有机碳变化的研究中［2-3，23，28，31-33］，在不同地形条件下的应用尚未见报道。一般情况下，CMI大于1，表明土壤有机碳比对照土壤有所增加，反之，则有所损失。为确定在计算CMI时对照地形的选取，引用15a前的历史资料比较不同地形下土壤有机碳的变化情况。在本研究中，塬面土壤有机碳含量在最近15a内变化最小(图4)，所以本文选取塬面土壤为对照计算不同地形下土壤各组分有机碳CMI。

坡地0—20 cm土层和沟道40—60 cm土层低活性有机碳CMI为1.2，坡地0—20 cm中活性有机碳CMI

图3 不同地形条件下土壤容重分布特征Fig.3 Soil bulk density along profile at different landforms

为1.0(表2)，表明这些土层相应的活性有机碳含量稍高于塬面土壤;其余地形条件下各组分有机碳CMI均低于1，表明相应的有机碳含量均低于塬面土壤，这与不同地形条件下土壤有机碳分布特征相似 (图1)，表明本研究所获得的各组分有机碳CMI可以指示不同地形条件下土壤有机碳的剖面分布趋势，也证明了不同活性有机碳CMI对各组分有机碳分布特征指示的敏感性。在3种活性有机碳的CMI中，中活性有机碳CMI与中活性有机碳差值之间的相关系数最大，表明其对土壤有机碳的指示效果最好。

3 结论

3.1 黄土高原小流域土壤总有机碳和不同活性有机碳为中到高度变异，其变异程度随土层深度的增加和有机碳活性的增强而增大。

图4 15a来土壤总有机碳的变化情况Fig.4 Changes in soil organic carbon(OC)after 15 years

表2 不同活性有机碳库管理指数Table 2 The carbon management index(CMI)for different labile organic carbon(OC)

3.2 各组分有机碳含量和储量均呈现出塬面＞坡地＞梯田＞沟道的分布趋势，并随土层深度的增加而降低，降低程度随有机碳活性增高而增加。塬面为高有机碳储量地貌单元，沟道为低有机碳储量地貌单元。本研究所获得的不同地形条件下土壤有机碳分布特征的信息可部分解释黄土高原土壤有机碳地带性分布规律。

3.3 不同活性的有机碳库管理指数可以灵敏指示相应组分有机碳对地形条件的响应特征，中活性有机碳库管理指数的指示效果最好。

［1］ Shen H，Cao Z H，Hu Z Y.Characteristics and ecological effects of the active organic carbon in soil.Chinese Journal of Ecology，1999，18(3):32-38.

［2］ Blair G J，Lefroy R D B，Lisle L.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation，and the development of a carbon management index for agricultural systems.Australian Journal of Agricultural Research，1995，46(7):1459-1466.

［3］ Xu M G，Yu R，Sun X F，Liu H，Wang B R，Li J M.Effects of long-term fertilization on labile organic matter and carbon management index(CMI)of the typical soils of China.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2006，12(4):459-465.

［4］ Grandy A S，Robertson G P.Land-use intensity effects on soil organic carbon accumulation rates and mechanisms.Ecosystems，2007，10:58-73.

［5］ Fang H J，Yang X M，Zhang X P，Liang A Z.Distribution character of organic carbon in black soil of sloping field and calculation of loss amount of soil carbon.China Environmental Science，2005，25(S1):81-84.

［6］ Fang H J，Cheng S L，Zhang X P，Liang A Z，Yang X M，Drury C F.Impact of soil redistribution in a sloping landscape on carbon sequestration in Northeast China.Land Degradation and Development，2006，17(1):89-96.

［7］ Nelson J D J，Schoenau J J，Malhi S S.Soil organic carbon changes and distribution in cultivated and restored grassland soils in Saskatchewan.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2008，82(2):137-148.

［8］ Ritchie J C，McCarty G W，Venteris E R，Kaspar T C.Soil and soil organic carbon redistribution on the landscape.Geomorphology，2007，89(1/2):163-171.

［9］ Wei X R，Shao M A.The distribution of soil nutrients on sloping land in the gully region watershed of the Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica，2007，27(2):603-612.

［10］ Tian Y Q，Ouyang H，Xu X L，Song M H，Zhou C P.Distribution characteristics of soil organic carbon storage and density on the Qinghai-tibet plateau.Acta Pedologica Sinica，2008，45(5):933-942.

［11］ Wu J S，Tong C L，Liu S L.Responses of soil organic carbon to global climate changes in cultivated soils in the subtropical and the loess plateau regions.Advance in Earth Sciences，2004，19(1):131-137.

［12］ Wang S Q，Tian H Q，Liu J Y，Pan S F.Pattern and change of soil organic carbon storage in China:1960s—1980s.Tellus，2003，55(2):416-127.

［13］ Ji J J，Hang M，Li K R.Prediction of carbon exchanges between China terrestrial ecosystem and atmosphere in 21st century.Science in China Series D:Earth Sciences，2008，51(6):885-898.

［14］ Li K R，Wang S Q，Cao M K.Vegetation and soil carbon storage in China.Science in China Series D:Earth Sciences，2004，47(1):49-57.

［15］ Zhang Y Q，Tang Y H，Jiang J.Characterizing the dynamics of soil organic carbon in grasslands on the Qinghai-Tibetan Plateau.Science in China Series D:Earth Sciences，2007，50(1):113-120.

［16］ Pan GX.Soil organic carbon stock，dynamics and climate change mitigation of China.Advances in Climate Change Research，2008，4(5):282-289.

［17］ Tang K L.Soil and Water Conservation in China.Beijing:Science Press，2004.

［18］ Hang Y，Fu B J，Chen L D.Effect of soil and water conservation on environment in Loess Plateau.Journal of Soil Water Conservation，2003，17(1):29-32.

［19］ Li F M，Xu J Z，Sun G J.Restoration of degraded ecosystems and development of water-harvesting ecological agriculture in the semi-arid Loess Plateau of China.Acta Ecologica Sinica，2003，23(9):1901-1909.

［20］ Pan G X，Zhao Q G.Study on evolution of organic carbon stock in agricultural soils of China:facing the challenge of global change and food security.Advance in Earth Sciences，2005，20(4):384-393.

［21］ Wei X R，Shao M A，Zhuang J，Horton R.Soil iron fractionation and availability at selected landscape positions in a loessial gully region of northwestern China.Soil Science and Plant Nutrition，2010，56(4):617-626.

［22］ Blair G J，Lefroy R，Whitbread A，Blair N，Conteh A.The development of the KMnO4oxidation technique to determine labile carbon in soil and its use in a carbon management index//Lal R，Kimble J M，Follett R F，Stewart B，eds.Assessment Methods for Soil Carbon.Boca Raton:Lewis Publishers，2001:323-337.

［23］ Qiu L P，Zhang X C，Cheng J M.Effects of land-use type on soil organic matter and carbon management index in Ziwuling area.China Environmental Science，2009，29(1):84-89.

［24］ Wilding L P.Spatial variability:its documentation，accommodation and implication to soil surveys//Nielson D R，Bouma J，eds.Soil Spatial Variability.Wageningen:Purdoc，1984:166-193.

［25］ Hao M D，Liang Y L.Principles and Techniques of Agro-ecosystem Structure，Function，and Adjustment in Changwu Station.Beijing:Meteorology Press of China，1998.

［26］ Valentini R，Matteucci G，Dolman A J，Schulze E D，Rebmann C，Moors J E，Granier A，Gross P，Jensen N O，Pilegaard K，Lindroth A，Grelle A，Bernhofer C，Grünwald T，Aubinet M，Ceulemans R，Kowalski A S，Vesala T，Rannik Ü，Berbigier P，Loustau D，Guðmundsson J，Thorgeirsson H，Ibrom A，Morgenstern K，Clement R，Moncrieff J，Montagnani L，Minerbi S，Jarvis P G.Respiration as the main determinant of carbon balance in European forest.Nature，2000，404(6780):861-865.

［27］ Wei X R，Shao M A，Gao J L.Relationships between soil organic carbon and environmental factors in gully watershed of the Loess Plateau.Environmental Science，2008，29(10):2879-2884.

［28］ Dang Y A，Li S Q，Wang G D，Shao M A.Distribution characteristics of soil Organic carbon and microbial biomass carbon on the Loess Plateau.Journal of Natural Resources，2007，22(6):936-945.

［29］ Xu X L，Zhang K L，Xu X L，Peng W Y.Spatial distribution and estimating of soil organic carbon on Loess Plateau.Journal of Soil Water Conservation，2003，17(3):13-15.

［30］ Tu X M，Cao J J，Han Y M，Shen Z X，Zhang B C.Storage and spatial distribution of organic and inorganic carbon in the topsoil of Loess Plateau.Journal of Arid Land Resources and Environment，2012，26(2):114-118.

［31］ Xu M G，Yu R，Wang B R.Labile organic matter and carbon management index in red soil under long-term fertilization.Acta Pedologica Sinica，2006，43(5):723-729.

［32］ Whitbread A，Blair G J，Konboon Y，Lefroy R，Naklang K.Managing crop residues，fertilizers and leaf litters to improve soil C，nutrient balances，and the grain yield of rice and wheat cropping systems in Thailand and Australia.Agriculture，Ecosystems and Environment，2003，100(2/3):251-263.

［33］ Collard S J，Zammit C.Effects of land-use intensification on soil carbon and ecosystem services in Brigalow(Acacia harpophylla)landscapes of southeast Queensland，Australia.Agriculture，Ecosystems and Environment，2006，117(2/3):185-194.

参考文献:

［1］ 沈宏，曹志洪，胡正义.土壤活性有机碳的表征及其生态效应.生态学杂志，1999，18(3):32-38.

［3］ 徐明岗，于荣，孙小凤，刘骅，王伯仁，李菊梅.长期施肥对我国典型土壤活性有机质及碳库管理指数的影响.植物营养与肥料学报，2006，12(4):459-465.

［5］ 方华军，杨学明，张晓平，梁爱珍.坡地黑土有机碳分布特征与土壤碳损失量计算.中国环境科学，2005，25(S1):81-84.

［9］ 魏孝荣，邵明安.黄土高原沟壑区小流域坡地土壤养分分布特征.生态学报，2007，27(2):603-612.

［10］ 田玉强，欧阳华，徐兴良，宋明华，周才平.青藏高原土壤有机碳储量与密度分布.土壤学报，2008，45(5):933-942.

［11］ 吴金水，童成立，刘守龙.亚热带和黄土高原区耕作土壤有机碳对全球气候变化的响应.地球科学进展，2004，19(1):131-137.

［16］ 潘根兴.中国土壤有机碳库及其演变与应对气候变化.气候变化研究进展，2008，4(5):282-289.

［17］ 唐克丽.中国水土保持.北京:科学出版社，2004.

［18］ 黄奕龙，傅伯杰，陈利顶.黄土高原水土保持建设的环境效应.水土保持学报，2003，17(1):29-32.

［19］ 李凤民，徐进章，孙国钧.半干旱黄土高原退化生态系统的修复与生态农业发展.生态学报，2003，23(9):1901-1909.

［20］ 潘根兴，赵其国.我国农田土壤碳库演变研究:全球变化和国家粮食安全.地球科学进展，2005，20(4):384-393.

［23］ 邱莉萍，张兴昌，程积民.土地利用方式对土壤有机质及其碳库管理指数的影响.中国环境科学，2009，29(1):84-89.

［25］ 郝明德，梁银丽.长武农业生态系统结构、功能及调控原理与技术.北京:气象出版社，1998.

［27］ 魏孝荣，邵明安，高建伦.黄土高原沟壑区小流域土壤有机碳与环境因素的关系.环境科学，2008，29(10):2879-2884.

［28］ 党亚爱，李世清，王国栋，邵明安.黄土高原典型土壤有机碳和微生物碳分布特征的研究.自然资源学报，2007，22(6):936-945.

［29］ 徐香兰，张科利，徐宪立，彭文英.黄土高原地区土壤有机碳估算及其分布规律分析.水土保持学报，2003，17(3):13-15.

［30］ 涂夏明，曹军骥，韩永明，沈振兴，张宝成.黄土高原表土有机碳和无机碳的空间分布及碳储量.干旱区资源与环境，2012，26(2):114-118.

［31］ 徐明岗，于荣，王伯仁.长期不同施肥下红壤活性有机质与碳库管理指数变化.土壤学报，2006，43(5):723-729.