北京市平原区土壤有机碳垂直分布特征

胡莹洁,孔祥斌,*,姚静韬

1 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193 2 国土资源部农用地质量与监控重点实验室, 北京 100193

土壤有机碳不仅在土壤质量演变过程中具有重要作用[1],而且构成了陆地生态系统系统中最大的碳库[2- 3],其含量和变化已成为全球农业可持续发展、气候变化及碳循环研究的焦点与热点。土壤中有机碳的分布在横向和纵向上都是连续的,是一个空间连续体[4],研究土壤有机碳分布特征是精确测算土壤有机碳含量的前提和基础。对于土壤有机碳在水平方向的分布特征,国内外现有研究[5- 12]所用土壤有机碳数据采样深度多集中于表层20 cm(10—40 cm),该采样深度在一定程度上影响了土壤有机碳储量测算精度[13]。研究表明,掌握土壤有机碳在垂直方向的分布规律是准确测算土壤有机碳储量,研究其对气候变化和人类活动响应的关键[14]。国内土壤有机碳垂直分布研究所用数据主要有两大来源：一是1979—1985年开展的全国第二次土壤普查[14- 17]和1999 年开始实施的全国多目标区域地球化学调查[18]；二是通过野外调查实地挖取土壤剖面获取。前者数据空间尺度大,但数据年份相对陈旧；后者研究目前多集中于部分关键生态区[19- 22],如杨帆等[21]在祁连山中段阴坡和阳坡各挖取5个深度为120 cm的土壤剖面,研究不同地形条件下土壤有机碳和无机碳的垂直分布特征；丁咸庆等[22]在大围山采集4个深度为100 cm的土壤剖面土样,分析不同海拔森林土壤有机碳垂直分布特征。针对城市平原区的土壤有机碳垂直分布特征的研究较少[23- 24]。

北京市平原区面积虽然仅占全市土地面积38%,但是该区域既是耕地尤其是高质量耕地集中区域,同时又是城市发展的主要地区,土地利用矛盾突出。随着社会经济发展和城市化推进,北京市平原区土地利用变化剧烈[25- 26],对土壤有机碳含量变化有重要影响[27- 28]。研究该地区土壤有机碳在垂直方向的变化特点,揭示不同土壤质地、不同土体构型、不同土地利用类型下土壤有机碳的垂直分布特征差异,既能够丰富城市地区土壤有机碳研究,也可以为准确测算北京市平原区土壤有机碳含量提供科学依据,具有重要的理论及现实意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

北京市平原区位于北京市东南部,属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候,春秋短暂,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。该地区土层较深,土壤肥沃,土壤类型以潮土、褐土为主,热量条件满足一年两熟制,典型种植制度为冬小麦-夏玉米。北京市平原区既是城市集中发展区域,也是都市农业发展的重要区域,地上植被及土地利用类型变化剧烈[25- 26]。

1.2 土样采集与测定方法

从成土母质、地形地貌、土地利用等成土因素对土壤有机碳的影响特征出发,以第二次全国土壤普查的土壤类型图为基础图件,结合北京市植被类型图、北京市土地利用类型图(2010年)、北京市地形图等图件以及2010年9月所开展的野外调查实际情况,最终确定布设40个典型土壤剖面,利用GPS获取样点的地理坐标(图1),按照《野外土壤描述与采样手册》[29]要求,详细记录各样点的剖面形态、土壤性状以及海拔、地形地貌、植被类型与土地利用类型等环境条件,按土壤发生学分层次共计采集169个土壤样品。采用吸管法进行土壤颗粒分析,利用重铬酸钾氧化-外热源法测定土壤有机碳含量。

图1 北京市高程及剖面样点分布图 Fig.1 Digital elevation model (DEM) and profile sampling sites of Beijing

1.3 数据处理

由于是按土壤发生层次进行土壤剖面层次划分及土壤取样,故各样点土壤剖面深度不一,且剖面划分层次数目及每层的深度都不尽相同,为便于比较,需对数据进行归一化处理,即将各剖面层次不同厚度有机碳含量数据归一化至可比较的相同深度上[30]。本研究统一将剖面深度1 m以内的部分等间距地划分为5层,每层深度为20 cm,对剖面深度超过1 m的部分不做分层。鉴于实际采样剖面程度最深不超过150 cm,故本研究将土壤剖面划分为0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm和100—150 cm共计6层,对原有的土壤剖面层次的土壤有机碳含量按照深度进行加权处理。

(1)

式中:a(0≤a≤80)、b(20≤b≤100)分别为加权后各层次的深度(cm)；Ca-b为加权后土壤深度在a—bcm范围内的土壤有机碳含量(g/kg)；Ci为加权前剖面第i层土壤有机碳含量(g/kg),Hi为i层在等间距20 cm,即a—bcm范围内的深度。该处理可将不同厚度土层的有机碳数据都归一化为5层等间距为20 cm 的土壤有机碳含量。

类似地,对于100—150 cm的最深层,加权处理公式如下：

(2)

式中:C100-150为加权后土壤深度在100—150 cm范围内的土壤有机碳含量(g/kg)；Cj为加权前剖面第j层土壤有机碳含量(g/kg),Hj为j层在100—150 cm范围内的深度。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳总体分布特征

将各发生层土壤有机碳含量按土层厚度进行加权平均,得到各剖面样点的平均土壤有机碳含量,利用SPSS 18.0软件对其进行描述性统计检验。结果表明,北京市平原区土壤有机碳含量服从正态分布(K—S检验),平均含量为(5.98±2.62)g/kg,在全国属中等平偏下水平[15]。最大值为16.95 g/kg,最小值为1.32 g/kg,极差较大。变异系数为43.82%,表明北京市平原区土壤有机碳研究样本总体上呈中等程度变异。

由图2可知,随着深度增加,各层次的土壤平均有机碳含量逐步降低,且在浅层(≤60 cm)下降速度显著快于深层(>60 cm)。0—20、20—40 cm和40—60 cm土壤平均有机碳含量依次为8.49、6.47 g/kg和4.78 g/kg；0—20 cm到20—40 cm间和20—40 cm到40—60 cm间土壤有机碳含量下降幅度分别为23.81%和26.02%。60 cm后各层次间变化幅度趋缓,60—80、80—100 cm和100—150 cm土壤平均有机碳含量依次为4.94、4.61 g/kg和3.87 g/kg。

不同剖面深度的土壤有机碳含量差异大小亦存在一定差别。0—20 cm和20—40 cm土壤有机碳含量差异较大,范围依次为1.78—16.95 g/kg和0.99—16.95 g/kg。随着剖面深度增加,各层次有机碳含量差异整体呈逐渐缩小趋势,60—80 cm和80—100 cm有机碳含量的差异相对变大,可能是由于个别土壤剖面在淀积层的60—100 cm深度中存在埋藏层。

图2 剖面内不同深度层次土壤有机碳含量变化Fig.2 SOC of different layers in profile

土壤有机碳含量与剖面深度的关系(图3)显示,随着剖面深度的增加,土壤有机碳含量整体呈递减趋势,此外,土壤有机碳在剖面中的纵向分布也出现不规则的变化,不同质地层次的土壤有机碳含量在横向上延伸[30]。利用40个土壤剖面共计169个土壤样品的有机碳测定数据拟合土壤有机碳的纵向变化情况,在已有散点图基础上,利用相关分析确定土壤有机碳含量与剖面深度在1%置信水平下存在显著的负相关关系,相关系数为-0.541,然后利用线性函数、对数函数、幂函数、指数函数、二次多项式等多个函数对其进行回归拟合,比较选择拟合结果最佳的回归模型,拟合曲线方程如下(式3)：

y=-7.2200×10-6×x3+0.0023x2-0.2362x+12.8417

(3)

以上回归模型拟合优度(R2)为0.380,且通过t检验,表明以上回归系数具有统计意义,拟合数据对实测数据的模拟效果较好(图3)。

图3 土壤有机碳含量随剖面深度变化的拟合曲线Fig.3 Simulated curve of SOC in profile

2.2 不同土壤质地的有机碳含量差异

作为土壤最基本的物理性质之一,土壤质地对包括通透性、养分含量在内的各种土壤性状均有重要影响。本研究依据土壤黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.5 mm)及砂粒(0.05—2 mm)的含量比例,比照美国农业部土壤质地分类三角坐标图进行土壤质地划分,研究各发生层次不同土壤质地的有机碳含量差异。40个土壤剖面各发生层的土壤质地主要有以下6类：黏壤土、粉(砂)质黏壤土、粉(砂)壤土、壤土、砂质壤土和壤质砂土。其中,粉(砂)质黏壤土质地在第3层开始出现。

各发生层次不同土壤质地的有机碳含量存在一定差异(图4)。表层土壤中,黏壤土和壤质砂土仅有1个样本,土壤有机碳含量分别为6.38 g/kg和1.95 g/kg,SPSS单因素方差分析结果表明,表层土壤有机碳含量在不同质地间差异显著(P<0.05),具体大小关系为：砂质壤土<壤土<粉(砂)壤土。表层土壤质地为粉(砂)壤土的土壤平均有机碳含量最高,为11.32 g/kg,壤土次之,为8.06 g/kg,砂质壤土略低于壤土,为7.67 g/kg。亚表层土壤中壤质砂土仅有1个样本,其余4种土壤质地土壤有机质含量大小关系为：砂质壤土<黏壤土<壤土<粉(砂)壤土,土壤平均有机质含量依次分别为4.21、4.62、6.07 g/kg和6.70 g/kg。第3层土壤中,各土壤质地土壤有机质含量大小关系为：壤质砂土<砂质壤土<壤土<黏壤土<粉(砂)壤土<粉(砂)质黏壤土。第4层土壤中,各土壤质地土壤有机质含量大小关系为：壤质砂土<黏壤土<砂质壤土<壤土<粉(砂)壤土<粉(砂)质黏壤土。整体上,各发生层次不同土壤质地的有机碳含量均表现为粉粒及黏粒含量比例越高,即质地越黏重,土壤有机碳含量越高的趋势。

图4 各剖面层次不同土壤质地的有机碳含量差异Fig.4 SOC with different soil texture in different profile layers 同剖面层次中不同土壤质地间不同字母表示差异显著(P<0.05),误差线为标准偏差

在此基础上,利用相关分析探究各发生层次土壤有机碳含量与土壤黏粒、粉粒及砂粒含量之间的关系(表1)。结果显示,表层和亚表层土壤有机碳含量与砂粒含量存在显著的负相关关系,与粉粒含量存在显著的正相关关系,与黏粒含量关系不显著；而在相对较深的第3层和第4层,土壤有机碳含量与砂粒含量存在显著的负相关关系,与粉粒和黏粒含量存在显著的正相关关系。一般在气候条件相当情况下,土壤有机质含量与黏粒含量呈正相关[24,31]。本研究中表层和亚表层土壤有机碳含量与黏粒相关关系不显著可能是由于各剖面表层和亚表层土壤质地相近且多为壤土,黏粒含量相差不大,颗粒组成差异主要在于砂粒与粉粒含量不同。

2.3 不同土体构型的有机碳垂直分布特征

土体构型是整个土体的各个层次的排列组合关系,不仅影响土壤的形态特征及其发育程度,同时也与土壤肥力关系密切[32- 34]。为研究不同土体构型的土壤有机碳分布特征差异,先将发生层次小于2层(含2层)以及土层厚度小于100 cm的剖面样本剔除,其余37个剖面按发生层次质地进行分类,共分为通体黏(通体黏壤土、通体黏土)、通体壤、通体砂(通体砂土、通体壤质砂土)、夹黏(壤/黏/壤、壤/黏壤/壤、壤/黏/黏壤/壤)、上壤下黏 (壤/黏壤、壤/黏)5类。通体黏仅有1个剖面样本,有机碳含量为4.51 g/kg,因样本量过少代表性不强故未对其进行详细分析。其余4类土体构型的平均土壤有机碳含量存在一定差异(表2),平均土壤有机碳含量由小到大的土体构型依次为通体砂<通体壤<上壤下黏<夹黏,通体砂型土壤平均有机碳含量显著低于其他土体构型,仅为1.41 g/kg；夹黏型、上壤下黏型和通体壤型有机碳含量较高,依次为6.08、5.87 g/kg和5.77 g/kg,三者之间差异较小。从变异系数的角度上看,通体砂型变异系数为8.55%,为弱变异,其余3类土体构型土壤有机碳含量变异系数介于24.27%—34.48%之间,均属中等程度变异。

表1 各层次土壤有机碳含量与颗粒组成的相关关系

*表示5%置信水平下显著相关,**表示1%置信水平下显著相关

表2 不同土体构型土壤有机碳含量差异

垂直分布上,各土壤构型的土壤有机碳含量从表层到底层总体均呈下降趋势,但不同土壤构型间存在一定差异(图5)。通体砂型土壤各个剖面深度的土壤有机碳含量均显著低于其他土体构型,且在垂直变化上相对平缓,从0—20 cm 的1.86 g/kg逐步下降至100—150 cm的1.32 g/kg。上壤下黏型土壤有机碳含量变化则呈现“降-略升-降”的趋势,从0—20 cm 的8.70 g/kg降至40—60 cm的4.94 g/kg,而后略有增加,60—80、80—100 cm土壤有机碳含量分别为5.16、5.25 g/kg,随后继续降低。通体壤及夹黏型土壤的有机碳含量垂直变化均呈先快速下降后缓慢下降的特征,其中,通体壤型土壤在0—20 cm至40—60 cm 间下降迅速,之后缓慢下降,而夹黏型土壤在0—20 cm至20—40 cm间下降迅速,之后下降速度显著减小。上述结果表明,质地过轻的土壤,如通体砂型中的砂土及壤质砂土,在孔隙多通透性好的同时有机碳分解快,故而有机碳含量低。质地黏重的土壤,如上壤下黏型土壤的下层黏重土壤以及夹黏型土壤的夹层黏重土壤,有利于有机碳积累,有机碳含量相对较高,故上壤下黏型土壤有机碳含量在垂直方向呈现“降-略升-降”的趋势,而夹黏型土壤则呈先快速下降后缓慢下降的变化趋势。但是过于黏重的土壤(如通体黏)通透性相对较差,不利于植物根系生长及微生物活动,一定程度上限制了有机碳的来源,因而有机碳含量不高[23,34]。

利用相关分析探究不同土体构型土壤的有机碳含量与剖面深度的相关关系,结果显示,通体砂型土壤的有机碳含量与剖面深度相关关系并不显著,这可能与通体砂型土壤在整个剖面上质地较粗,保水保肥性相对较差有关。通体壤、夹黏及上壤下黏型土壤的有机碳含量与剖面深度均存在显著的负相关关系,但相关系数存在一定差异(表3)。

表3 不同土体剖面构型土壤有机碳含量与剖面深度的相关关系

在相关分析结果的基础上,利用线性函数、对数函数、幂函数、指数函数、二次多项式等多项函数分别对通体壤、夹黏及上壤下黏型土壤的有机碳含量与剖面深度进行回归拟合,比较选择拟合优度及显著性最佳的回归模型(图6),3个拟合回归结果均通过t检验,表明所得回归系数均具有统计意义,拟合方程对实测数据的模拟效果较好。

图6 不同土体剖面构型土壤有机碳含量随剖面深度变化的拟合曲线Fig.6 Simulated curve of SOC in profile of different soil configurations

2.4 不同土地利用类型的有机碳垂直分布特征

图7 不同土地利用类型土壤有机碳含量随剖面深度变化 Fig.7 SOC with increasing profile depth in different land use types 同一利用类型下不同土层深度间不同字母表示差异显著(P<0.05),误差线为标准偏差

土地利用类型也是影响土壤有机碳含量的一项重要因素,尤其是当自然环境条件相当时,不同的土地利用类型将改变土壤水、热、光、气和养分间的相互关系,进而影响土壤有机碳含量及其在垂直方向的分布。依据土地利用类型的不同,将各剖面样点划分为耕地、园地、荒草地三类,其中,荒草地包括植被类型为草本植物和灌木的荒草地及未利用地。统计海拔低于100 m的不同土地利用类型土壤有机碳含量差异,结果表明,3种利用类型中,耕地土壤有机碳含量为6.05 g/kg,高于园地(5.09 g/kg)和荒草地(4.59 g/kg)；耕地、园地和荒草地的变异系数相近,依次为30.69%、46.32%和46.08%,均属于中等变异。耕地上人类进行的农业生产活动中,耕作施肥、灌溉排水、平整土地、改造地形等农田管理行为,均是旨在提高土壤肥力的措施,对土壤有机碳含量具有一定的提升作用,因而耕地的平均土壤有机碳含量整体上高于其他土地利用类型,且变异性相对较小。园地和荒草地土壤有机碳变异系数相对较高,可能与地上植被种类差异较大有关。

分析不同土地利用类型土壤有机碳垂直分布特征(图7),可知从浅到深各剖面层次中耕地平均土壤有机碳含量均居于该三种土地利用类型之首。受人类活动直接影响相对较少的荒草地在垂直方向上的变化相对平缓,随剖面深度增加,有机碳含量从0—20 cm的6.34 g/kg逐步下降至100—150 cm的3.51 g/kg。受人类活动直接影响相对较多的耕地和园地的土壤有机碳含量则随剖面深度增加呈先快速下降后缓慢下降的特征,有机碳含量分别从0—20 cm的9.00 g/kg和7.08 g/kg快速下降至40—60 cm的5.23 g/kg 和3.05 g/kg,降幅分别为41.89%和54.61%,剖面深度超过60 cm之后,下降速度显著放缓。

利用相关分析探究不同土地利用类型土壤有机碳含量与剖面深度的相关关系,结果显示,园地土壤有机碳含量与剖面深度无显著相关关系,耕地及荒草地的土壤有机碳含量与剖面深度均存在显著的负相关关系,相关系数分别为-5.73和-0.602(表4)。

在相关分析结果的基础上,利用线性函数、对数函数、幂函数、指数函数、二次多项式等多项函数分别对耕地和荒草地土壤有机碳含量与剖面深度进行回归拟合,比较选择拟合优度及显著性最优的回归模型(图8),各拟合回归结果均通过t检验,表明回归系数具有统计意义,拟合数据对实测数据的模拟效果良好。

表4 不同土地利用类型土壤有机碳含量与剖面深度的相关关系

图8 不同土地利用类型土壤有机碳含量随剖面深度变化的拟合曲线Fig.8 Simulated curve of SOC in profile of different land use types

3 讨论

3.1 北京市平原区土壤有机碳含量与山区的比较

本研究利用2010年野外实地挖取的40个剖面样点数据,对北京市平原区土壤有机碳含量及垂直分布特征进行分析。结果表明,北京市平原区有机碳平均含量为(5.98±2.62)g/kg,最大值为16.95 g/kg,最小值为1.32 g/kg,变异系数为43.82%。同时期王秀丽等人[23]对北京市山区土壤有机碳分布的研究显示,北京山区有机碳平均含量为(12.61±9.58)g/kg,最大值为46.17 g/kg,最小值为2.33 g/kg,变异系数为76.02%。将本研究结果与上述结果进行比较,可知北京市平原区土壤有机碳平均含量约为山区的一半,极差和变异性均显著低于山区。该差异符合本研究及王秀丽等人[23]研究中土壤有机碳含量随海拔增加而增加的趋势。

从垂直分布特征角度上看,本研究表明北京市平原区各层次的土壤平均有机碳含量随剖面深度增加而逐步降低,且在浅层(<60 cm)下降速度显著快于深层(>60 cm),0—20 cm到20—40 cm间和20—40 cm到40—60 cm间土壤有机碳含量下降幅度分别为23.81%和26.02%,60 cm后各层次间变化幅度趋缓。王秀丽等人[23]的研究将所有剖面依据发生层次划分为4个层次,结果表明,随着剖面深度增加,北京市山区各发生层次的土壤平均有机碳含量逐步降低,表层到第二发生层次迅速降低,下降幅度达44.48%；第二发生层次以下的下降幅度趋缓。综上所述,北京市平原区与山区土壤有机碳含量在垂直方向的变化趋势基本一致。

3.2 土壤有机碳垂直分布与碳储量的测算

本文分析北京市平原区土壤有机碳垂直分布特征规律,研究结果可以为精确测算研究区土壤碳储量提供一定的科学参考。现有土壤有机碳储量研究多集中于表层土壤,亦有部分学者尝试使用剖面数据对深度超过1 m的土壤有机碳储量进行测算[18,30,35]。徐艳等[30]运用纵向拟合方法和横向插值方法对河北省曲周县四疃乡土壤有机碳储量进行测算,将所获取的30个剖面数据进行纵向拟合,获得对数函数曲线方程拟合效果最佳。奚小环等[18]在对全国土壤碳储量方法研究中,发现直线模型计算土壤有机碳储量的误差远大于指数模型。该研究基于各省及全国土壤有机碳含量的垂直分布特征分析,发现土壤有机碳含量一般从表层至深层递减,表层递减速率较快, 深层逐渐减慢,符合指数模型的空间变化规律,故而运用指数模型对土壤有机碳库进行测算。本研究中将所获取的40个剖面所有数据进行纵向拟合,模拟效果较好的是三次多项式函数模型；将各剖面数据按照不同土体构型、不同土地利用类型分别进行土壤有机碳含量与土壤深度关系拟合,所得最佳拟合方程类型及拟合优度存在一定差异。在数据允许的情况下,未来的土壤有机碳储量核算研究可将模型拟合法与土壤类型法、植被类型法[36- 37]等方法相结合,即基于不同土壤类型或植被类型研究土壤有机碳含量垂直分布规律,分别进行土壤有机碳含量与土壤深度关系拟合,继而进行区域土壤有机碳储量测算。

3.3 不足与展望

土壤有机碳含量由碳输入与碳输出两方面决定,碳输入主要源于自然植被及人类土地利用活动(施肥等),碳输出主要指土壤碳的分解[38]。气候条件(气温、降水)等是决定土壤有机碳的重要先决条件[31,38],一方面直接影响植被生物量进而影响土壤碳输入大小,另一方面直接影响土壤微生物活动进而影响土壤碳分解强弱。考虑北京市平原区内气候条件相对一致,故本研究中未考虑上述因素对土壤有机碳含量及垂直分布的影响。如何定量刻画不同气候条件下土壤有机碳含量及垂直分布特征差异及其形成机理,还需进一步在更大的空间尺度上进行深入研究。

除自然因素外,人类活动也是影响土壤有机碳的重要因素。北京市平原区是城市发展与耕地保护矛盾最为激烈的地区,土地利用类型变化剧烈,如何定量刻画该背景下北京市不同剖面深度土壤有机碳的时空演变规律是未来的研究重点。

4 结论

通过对北京市平原区土壤有机碳垂直分布特征的分析,得出北京平原区土壤有机碳平均含量为(5.98±2.62)g/kg,属于中下水平,变异系数为43.82%,中等程度变异。垂直方向上,各层次土壤平均有机碳含量随深度增加逐步降低,且在浅层(≤60 cm)下降速度显著快于深层(>60 cm),0—20 cm土壤有机碳含量差异较大,20 cm以下层次的有机碳含量差异随着深度增加而逐渐缩小。在不同影响因素下,北京市平原区土壤有机碳垂直分布具有以下特征：1)各发生层次有机碳含量整体上均表现出质地越黏重,土壤有机碳含量越高的变化趋势；2)不同土体构型的平均土壤有机碳含量大小关系为通体砂<通体壤<上壤下黏<夹黏,通体砂型土壤有机碳含量显著低于其他土体构型,且在垂直方向上变化相对平缓,上壤下黏型土壤有机碳含量则呈现“降-升-降”的趋势,通体壤及夹黏型土壤的有机碳含量垂直变化均呈先快速下降后缓慢下降的特征；3)耕地和园地土壤平均有机碳含量高于荒草地,耕地在各个剖面层次中土壤有机碳含量均居于3种土地利用类型之首。垂直方向上,受人类活动直接影响相对较少的荒草地变化相对平缓,耕地和园地的土壤有机碳含量在浅层下降明显,剖面深度超过60 cm之后,下降速度显著放缓。