赤峰市小流域地形因子对土壤有机碳密度的影响

李 龙，姚云峰，秦富仓，郭月峰，平 春

(1.内蒙古农业大学 生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010018；3.日本国立环境研究所 地理环境研究中心，茨城县筑波市小野川16-2 305-8506)

全球陆地生态系统中，土壤碳库在1 200～2 500 Pg (1 Pg=1015g)之间[1-5]，是大气碳库的2倍，是陆地生物圈碳库的2～3倍，其微小变动都将对整个陆地生态系统碳库产生巨大影响，由此可见土壤碳库在维持陆地生态系统的碳平衡中发挥着重要作用[6-7]。影响土壤碳库的因素主要分为自然因素和人为因素两类，自然因素中包括气候、植被、土壤、地形地貌等。在以小流域为研究对象时，地貌的起伏变化对土壤有机碳的影响十分显著，其主要以不同的坡度、坡向、坡位、海拔等因素来控制区域的水热再分配，从而影响土壤有机碳的分布及大小[8]。

我国针对地形因素对土壤碳库的影响已有许多研究。杨尚斌等[9]对延河流域农田生态系统土壤固碳潜力进行了评估，结果表明研究区不同类型的耕地退耕后可以实现的固碳效益随坡度的增加而增加。许信旺等[10]对安徽省土壤有机碳空间差异及影响因素进行研究发现，土壤中有机碳含量随海拔高度的升高而增加，呈现极强的正相关性。陆晓宇等[11]分析认为，晋西黄土丘陵区土壤碳密度随着坡度的增大而减少，从阳坡到阴坡不断增加，坡面位置的分布特征则为坡顶<坡面<坡脚。唐国勇等[12]研究认为土地利用方式和地形(高程和坡度)是亚热带典型红壤丘陵景观土壤有机碳密度空间变异的主要原因。综上所述，地形因子对于土壤碳有着极为重要的的影响，高程、坡度、坡向作为主导因子在不同研究区对土壤有机碳的影响作用也具有明显差别，同时，高程、坡度、坡向等因子对土壤含水率、有机质含量以及土壤质量都有着重要影响，这些因素对土壤碳库都有着不同程度的影响[13-15]。

目前对地形因子的分析多是借助GIS对大尺度研究区进行分析的，在以小流域为单元的小尺度土壤碳库的研究中，尤其是对于有机碳密度影响因子的研究大多以植被、土壤和气候因子等为主要研究方向，针对地形因子对小流域土壤碳密度影响的研究还鲜有报道。基于此，我们以内蒙古自治区赤峰市敖汉旗黄花甸子流域为研究对象，以实地调查数据为基础，结合ArcGIS地理信息系统软件与地统计学知识，研究流域内土壤有机碳密度的空间分布情况，以及地形因子对土壤有机碳密度分布的影响，旨在为土壤碳密度的分布及影响因子的研究提供科学参考和基础数据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于赤峰市敖汉旗西部的黄花甸子流域内。流域位于老哈河中游南岸，科尔沁沙地南缘，地处42°17′—42°33′N、119°36′—119°53′E之间，面积约为27 km2，东临通辽市奈曼旗，西与辽宁省建平县接壤，南与辽宁省朝阳市、北票市毗邻，北与赤峰市松山区、翁牛特旗隔老哈河相望。流域总体属于低山丘陵区，地势起伏不大，海拔440—806 m。气候属于中温带半干旱大陆性季风气候，四季分明。年均降水量多在400～470 mm之间，年均蒸发量多在2 290～2 400 mm之间。全年日照时数2 940～3 060 h，历年平均日照时数2 999.3 h，10 ℃以上积温为3 189 ℃。春季风力大持续时间较长，年平均风速4～6 m/s。土壤类型大部分为栗钙土，伴随着少量的风沙土，体现了森林土壤向草原土壤过渡的特点，pH值呈弱碱性到碱性，全剖面具有石灰反应。该流域主要有天然草地、灌丛林、乔灌混交林、针阔混交林和阔叶纯林等森林植被类型，以人工植被为主。

1.2 地形因子的提取与分级

在ArcGIS软件支持下，根据流域DEM数据提取流域高程、坡度、坡向信息并划分等级[16-17]。以体现研究区域地形特征、符合自然规律为原则，将高程以50 m为一个单元等距划分为<550 、550—600 、600—650 、650—700 、700—750 、>750 m共6个级别。将坡度以5°为一个单元等距划分为0—5°、5°—10°、10°—15°、15°—20°、20°—25°、>25°共6个级别[9]。将坡向以22.5°为一个单元等距划分，按顺时针方向从 0° (正北方向)到 360°(重新回到正北方)共16个级别[18]，依据坡向分级标准[19]划分阴坡：北(337.5°—22.5°)、东北(22.5°—67.5°)；半阴坡：东(67.5°—112.5°)、西北(292.5°—337.5°)；半阳坡：东南(112.5°—157.5°)、西(247.5°—292.5°)；阳坡：南(157.5°—202.5°)、西南(202.5°—247.5°)。

2012年7月采集研究区土壤样品，结合流域1 ∶5万地形图、土地利用现状图采用网格法采样[20]，保证不同高程、坡度、坡向等级下的样地数基本相同，兼顾代表性和均匀性，每个样地内采用S法确定采样点。每个样点挖掘土壤剖面，按0—10、10—20、20—40、40—60、60—100 cm 5个层级分层取样，每层3个重复。共计37个土壤剖面，555个土壤样品。采得土壤样品后立即密封，送回实验室分别测定土壤有机质含量、含水率、容重数据。

采用手持GPS标记各采样点坐标并导入ArcGIS软件，生成具有土壤有机碳密度信息的采样点数据。

1.3 土壤有机碳密度计算方法

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量。本文采用的计算方法为[21]

Soci=di×pi×Oi×10-2

式中：Soci为土壤的有机碳密度，kg/m2；i为土壤不同层次；di为土层厚度，cm；pi为土壤平均容重，g/cm3；Oi为土壤有机碳含量，g/kg。

1.4 数据处理

基于地统计学原理，在ArcGIS软件Geostatistical Analyst工具下对采样点进行克里格插值，生成土壤有机碳密度的空间分布图，根据流域DEM数据提取流域高程、坡度、坡向信息并划分等级生成涵盖整个研究区高程、坡度、坡向信息的地形因子图。利用ArcGIS空间分析工具将高程、坡度、坡向三个地形因子与有机碳分布图建立联系得到土壤有机碳空间数据库。基于各地形因子与土壤有机碳空间数据库，采用SPSS统计学软件进行主成分分析，得出主成分和各因子贡献率；采用SAS软件进行相关性分析得出不同地形因子影响土壤有机碳密度的显著水平。本文采用Excel软件进行数据图表处理。

2 结果与分析

研究区土壤有机碳密度呈条带状分布，流域内土壤有机碳密度平均为6.92 kg/m2，最大值出现在流域西北部，为9.71 kg/m2，高出平均值40.32%，最小值出现在流域中部，为3.61 kg/m2，比平均值低47.83%。土壤有机碳密度空间变异程度不高，且高值区域与低值区域分布较为集中，标准差为1.30，呈现出较好的正态分布。

2.1 主因子分析

运用SPSS统计学软件对流域高程、坡度、坡向3个地形因子进行分析，得到特征值、贡献率和累计贡献率(表1)。

表1 各因子特征变量分析

从表1可看出，特征值和贡献率均为高程>坡度>坡向。高程与坡度累计贡献率已达83.688 0%，表明高程与坡度这两个地形因子是影响土壤有机碳密度的主要因子。高程对其影响最大，为第一主因子，贡献率达49.02%；其次为坡度，贡献率为34.67%。坡向因子的贡献率最小，仅为15.17%。

2.2 高程对土壤有机碳密度的影响

研究区平均海拔为641 m，在ArcGIS软件支撑下根据流域DEM数据提取流域海拔，并将高程以50 m为一个单元等距划分为6个级别。将研究区有机碳密度分布图与高程图相叠加，对数据进行整理得出高程与土壤有机碳密度的关系曲线(图1)。

图1表明，各级别高程所对应的土壤有机碳密度分别为5.61 、7.10 、7.45 、6.87 、5.94 和5.30 kg/m2；高程与土壤有机碳密度关系曲线基本呈抛物线走势，有机碳密度最大增幅出现在550—600 m区间，为26.56%，且在600—650 m出现最高值7.45 kg/m2，此后随海拔的增高有机碳密度逐渐降低，在>750 m时出现最低值5.30 kg/m2，较最高值低28.86%。方差分析表明高程对有机碳密度的影响极为显著(p<0.001)。这与陈海滨等[22]的研究结果相符，都表现为中海拔地区较低海拔和高海拔地区的土壤有机碳密度大，呈单峰型曲线。

图1 高程与土壤有机碳密度关系曲线

高程影响植被和土壤的垂直地带性分布，不同植被对土壤有机碳密度的贡献不同。低海拔地区受人类的生产活动影响较大，以农田为主，作物具有良好的农业灌溉条件，较高海拔地区作物产量高，有机质积累量大，向土壤输送的有机碳较多。随着高程增加，太阳辐射强度增强，影响土壤水分的固持，不利于作物生长，高海拔地区也不利于大型农业机械作业，所以以天然次生林、天然草地为主要植被类型，土壤出现不同程度的沙化或地表裸露，固碳能力较低[23]。

2.3 坡度对土壤有机碳密度的影响

在ArcGIS软件下根据流域DEM数据提取流域坡度，并将坡度以5°为一个单元等距划分为6个级别。将研究区有机碳密度分布图与坡度图相叠加，对数据进行整理得出坡度与土壤有机碳密度的关系曲线(图2)。

图2 坡度与土壤有机碳密度关系曲线

图2表明，各级坡度对应的土壤有机碳密度均值分别为6.80 、7.18 、6.98 、6.54 、5.71 和4.80 kg/m2，坡度与土壤有机碳密度关系曲线基本呈抛物线走势。在0～10°范围内随着坡度的增加，土壤有机碳密度增加，并在5°～10°内出现最高值，为7.18 kg/m2；此后，随着坡度的升高，土壤有机碳密度出现明显的下降趋势，坡度每升高5°，有机碳密度较上一坡度级分别下降2.79%、6.30%、12.69%、15.94%，降幅逐级增大，在坡度>25°时有机碳密度出现最低值，为4.80 kg/m2。相关分析表明，坡度与土壤有机碳密度具有极显著的负相关性(r=-0.872 32，p<0.001)。此研究结果与贾松伟[24]的研究较为相似，从土壤侵蚀的角度较好地解释了这一现象。

坡度对土壤有机碳密度产生影响主要是由于坡度影响土壤侵蚀程度，与不同坡度的分布格局以及不同坡度下的土地利用类型有关。流域内坡度较小的地区基本位于坡脚，土壤母质属坡积物、河流冲积物，这一地区土壤养分较高，有机碳富集，而且地上植被生长较好，因而土壤有机碳密度较高。但坡度极低的地区排水较差，对土壤有机碳的积累产生负面影响，所以有机碳密度的峰值并未出现在0～5°范围内。随着坡度的增加，土壤侵蚀加剧，土地肥力下降，有机质积累减少，加之长期降雨的淋溶作用使得土壤部分养分在重力作用下流失到坡脚，以致高坡度的土壤有机碳密度较低。当坡度>25°以后，土壤质地明显变差，地表植被稀疏，向土壤输送的有机质也明显减少。

2.4 坡向对土壤有机碳密度的影响

在ArcGIS软件下根据流域DEM数据提取流域坡向，并将坡向以22.5°为一个单元按顺时针方向等距划分为16个级别。将研究区有机碳密度分布图与坡向图相叠加，对数据进行整理得出坡向与土壤有机碳密度的关系曲线(图3)。

图3 坡向与土壤有机碳密度的关系曲线

如图3所示，土壤有机碳密度最大值出现在正西方(270°方向)，为7.44 kg/m2，从这一坡向分别向南和向北方向有机碳密度呈现逐级递减趋势，到达337.5°和157.5°时停止下降，并在157.5°时达到最小值，为6.49 kg/m2。从337.5°向东顺时针方向到157.5°，土壤有机碳密度变化较小，稳定在6.5～7.0 kg/m2之间。坡向在225°—337.5°间的地区为土壤有机碳高密度区域，其均值在7.14 kg/m2以上，坡向在157.5°—202.5°之间的地区为土壤有机碳低密度区，其均值为6.57 kg/m2。综上分析，不同坡向的有机碳密度呈现出阳坡<阴坡<半阴坡<半阳坡。方差分析显示，坡度对土壤有机碳密度的影响极显著(p<0.001)。

坡向对土壤有机碳密度的影响主要表现在影响土壤光热条件，处在阳坡的土壤有机碳密度明显小于其他坡向，究其原因，阳坡土壤受光照时间长，强度大，土壤水分蒸发强烈，土壤肥力低，植被蒸腾量大，有机质的合成缓慢，从而向土壤输送有机质少，导致土壤有机碳密度的下降；而植物在适当的光照条件下，有利于促进光合作用，提高碳水化合物的形成，植物向土壤输送有机质量大，从而具有较高的土壤有机碳密度。

3 结 论

研究区土壤有机碳密度呈条带状分布，土壤有机碳密度最大值出现在流域西北部，最小值出现在流域中部，高值区与低值区分布都相对集中。流域内土壤有机碳密度平均为6.92 kg/m2。

地形因子对土壤有机碳密度的贡献率由高到低为高程>坡度>坡向，高程与坡度的累积贡献率达83.688 0%。

高程与坡度对土壤有机碳密度的影响大体均呈抛物线走势，并在600—650 m 高程范围和5°—10°坡度内出现最高值，此后随着高程和坡度的升高土壤有机碳密度出现下降趋势，最小值出现在坡度>25°范围内。按坡向划分土壤有机碳密度最大值出现在正西方(270°方向)，土壤有机碳密度的高值区和低值区分别在225°—337.5°坡向和157.5°—202.5°坡向范围内；不同坡向上的有机碳密度呈现出阳坡<阴坡<半阴坡<半阳坡的特点。

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