半干旱区土壤有机碳时空变异特征研究

李龙, 秦富仓*, 姜丽娜, 姚雪玲

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院, 呼和浩特 100018; 2.中国林业科学研究院林业新技术研究所, 北京 100091; 3.中国林业科学研究院, 北京 100091)

陆地生态系统中的土壤碳库储量(1 200～2 500 Pg )最为巨大[1-2]，其中，土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)含量不仅是准确评估土壤碳库储量的关键指标，也是研究土壤碳库动态变化规律与土壤质量演变的重要内容。然而，在实际工作中，由于土壤有机碳复杂的空间异质性常常导致不同时空尺度上的研究结果存在较大差异[3-4]。在空间上，由于不同研究区的地理位置跨度较大，自然条件和人为活动的显著差异均导致土壤有机碳在空间上的变异；而在时间尺度上，土地利用方式的频繁转换，加之缺少多年连续的数据资料支撑，这均给土壤碳库的准确估算及土地质量评价提出了挑战[5-6]。因此，区域尺度上，土壤有机碳的时空变异特征研究对土壤质量动态监测和科学利用土地资源具有重大意义。

近年来，随着计算机技术等领域的飞速发展，各学科的交叉融合日益成熟，土壤有机碳时空变异的研究也基于3S技术和模型法取得了众多有价值的成果[7]。空间尺度上，多采用克里格插值法在区域尺度上绘制有机碳的空间分布图，陶吉兴等[8]采用地统计学与Moran’s I相结合的方法，系统地描述了土壤有机碳的空间分布格局。时间尺度上，多以遥感影像为基础，通过模型对比分析动态变化规律，杲广文等[9]分析了我国东北黑土区1980年、2000年和2011年3个时期土壤有机碳密度与储量，并探讨了30 a前后东北地区土壤有机碳密度与储量在时间与空间的变化情况。目前，同时从时间和空间尺度上分析土壤有机碳变异特征的研究还并不多见。本研究在全球气候变化的背景下，结合土地利用方式，深入分析了赤峰市敖汉旗1984—2014年30 a间的土壤有机碳含量时空变异特征，旨在为科学评价同类型区域土壤质量、合理利用土地资源提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区赤峰市东南部的敖汉旗(东经119°30′～120°54′、北纬41°42′～42°02′)，全旗总面积约8 300 km2，相当于我国内地省份的县级行政区划。地势起伏多变、总体呈南高北低特征，海拔为300～1 250 m(与南高北低顺序一致)。气候类型属于温带半干旱大陆性气候，年均降水量310～460 mm。植被类型属于欧亚干草原区，地带性植被以疏林草原为主，从南到北呈现出由森林和森林草原逐渐向干草原过渡的规律，全旗主要分布有4个土类，南部山地主要为棕壤和褐土，中部黄土丘陵及黄土漫岗主要为栗钙土，北部沙地主要以风沙土为主。敖汉旗土地利用类型多样属于农牧交错地带，耕地面积为1 776 km2，约占全旗面积的21.39%；林地面积为3 945 km2，草地面积为1 695 km2，占全旗面积的20.41%；敖汉旗风沙土面积为1 816 km2，占全旗面积的21.88%[10]。

1.2 研究方法

1.2.1样地选取 为分析敖汉旗1985—2014年30 a间土壤有机碳含量的时空变异特征，收集敖汉旗土壤历史资料，通过分析敖汉旗林业局土壤普查数据，获得1985年敖汉旗土壤有机碳含量、全氮含量、土壤容重、机械组成、土壤含水量、有效土层厚度以及采样点经纬度、地形因素、土地利用方式、土壤类型等基本信息，采样点分布见图1。

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 Location and sample points in study area

根据1985年敖汉旗采样点的坐标位置，2014年8月对30 a前的样地进行再次调查取样，为降低土壤背景值影响以及土地使用方式频繁改变的干扰，所确定的样地需满足在取样前至少10 a内(1975—1985年期间)该样地的土地利用方式未发生过改变；同时，选取土地利用方式发生转变至少经过20 a的样地，以确保新的土地利用方式在原位置上已经达到稳定状态。此外，2014年8月对研究区进行补充采样。采用人为选择典型样地法，充分考虑每个样区内的不同植被类型、土壤类型、地貌特征等因素，尽量全面反映样区的自然特征，共选取182个样地(表1)。

表1 1985和2014年研究区采样点属性Table 1 The sampling points attribute of study area in 1985 and 2014

1.2.2样品采集与测定 确定研究样地后，详实记录样地坐标、地形、土壤类型、土地利用方式等基本信息。清理样地表层植被与枯落物等杂物，取0～20 cm深度土壤样品，每个样地取3个重复，带回实验室待测。采用重铬酸钾氧化法测定土壤样品中有机碳含量，采用激光粒度分析仪(Mastersizer3000，英国马尔文仪器有限公司出产)测定土壤机械组成，并将土壤样品按粒径划分为砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)与粘粒(<0.002 mm)[11]。

1.2.3数据分析 20世纪50年代初，地统计学开始形成，它是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法[12]。半变异函数是地统计分析的特有函数，其计算公式如下。

(4)

式中，γ(h)是h的半方差函数值；h为两样本点空间距离；N(h)是间隔距离等于h的样本点的对数；Z(xi)为空间位置点xi处指标的实测值；Z(xi+h)为空间位置点xi处指标的实测值。

采用GS+7.0软件拟合半变异函数理论模型，通过ArcGIS10.0进行克里格插值，并生成土壤有机碳含量的空间分布图；采用方差分析解释不同土地利用类型之间土壤有机碳的差异性。采用R3.0.1软件进行数据分析[13]。

2 结果与分析

2.1 不同时期土壤有机碳含量的描述性统计分析

对比1985年与2014年研究区表层土壤有机碳含量(表2)，结果显示，1985年与2014年土壤有机碳含量分别为6.91、7.49 g·kg-1，均属养分相对亏缺等级[14]；方差分析显示，2014年土壤有机碳含量显著高于1985年土壤有机碳含量(P<0.05)。就数据分布特征而言，1985年与2014年土壤有机碳含量均处于轻度的正向右偏态分布特征。从变异系数分析，二者的土壤有机碳含量均处在0.1～0.9之间，均属于中等程度的变异[15]；其中，2014年土壤有机碳含量的变异系数略高于1985年，这说明了2014年的土壤有机碳数据的离散程度更高，受到人类长期活动的影响，土壤受到了极大的干扰，土地利用格局变得复杂多样化，均是造成土壤有机碳含量差异较大的原因，局部地区的有机碳含量出现了偏高或偏低的现象，致使2014年土壤有机碳含量数据的离散程度较高。而敖汉旗在1985年之前的土地利用方式主要以农地为主，耕作方式以及肥料的使用相对简单，土地利用方式相对单一，有机碳均一化程度表现较高，导致1985年的有机碳数据分布较为集中，土壤有机碳的异常值较少。

表2 1985和2014年土壤有机碳含量的描述性统计特征Table 2 Descriptive statistical characteristics of SOC content in 1985 and 2014

2.2 不同时期土壤有机碳含量的半变异函数分析

对比1985与2014年土壤有机碳含量的半变异函数的拟合精度，得出2个时期土壤有机碳含量的半方差函数理论模型及参数，见表3。

表3 1985和2014年土壤有机碳含量的半方差函数理论模型Table 3 Semi-variance function theoretical model for SOC content in 1985 and 2014

结果表明，指数模型能够准确拟合1985年土壤有机碳含量的空间变异结构特征，球状模型能够较准确拟合2014年土壤有机碳含量的空间变异结构特征。模型对二者的拟合残差均处于较低水平，在0.04～2.11之间，且模型拟合得到的决定系数R2较高，在0.73～0.74之间，表明理论模型对1985年与2014年土壤有机碳含量的拟合精度较高，能够有效反映土壤有机碳的空间变异结构。块金基台比反映了土壤有机碳数据的空间变异结构。1985年土壤有机碳的块金基台比较小，仅为0.26%(小于25%)，说明1985年土壤有机碳含量具有强烈的空间相关性，其空间变异主要是由地形、土壤母质、降雨分布格局等素结构性因素所引起的。而2014年土壤有机碳的块金基台比为36.61%(在25%～75%之间)，属于中等强度的空间相关性，结构性因素与随机性因素共同作用影响着土壤有机碳的空间变异结构，而随机性因素主要表现为土地利用方式转变等人为活动。1985年土壤有机碳含量的变程远大于2014年的变程，表明1985年研究区内部土壤有机碳在较大的空间范围内仍保持着较高的内在自相关关系，这说明，研究区经过30 a的变化后，土壤有机碳含量的空间自相关距离变短。我国的社会经济经历了30 a间的空前发展，直接对土壤环境和土壤有机碳的空间分布格局造成巨大冲击。Qiu等[16]研究明确指出，开荒、造林以及城市扩张等大规模发生的土地利用方式的改变是显著削弱土壤有机碳含量空间相关性的主要因素。Juan等[17]研究也同样表明，土地利用方式的变化通过影响土壤有机碳的分布格局，显著地增强土壤有机碳含量的空间变异特征。

2.3 不同时期土壤有机碳含量的空间分布特征

由普通克里格插值得到研究区1985年与2014年土壤有机碳含量的空间分布 (图2)。如图所示，2个时期内土壤有机碳含量总体均表现为南高北低的分布特点，1985年土壤有机碳呈现为相对连续的过渡分布特征，而2014年呈现出斑块状分布特征。采用叠加分析，将1985年的土壤有机碳含量分布图与2014年土壤有机碳含量分布图相减，计算得到研究区30 a间的土壤有机碳含量空间变化格局。1985—2014年，土壤有机碳含量整体处于增长情况，尤其是研究区北部的风沙土区，在常年进行植被恢复并有针对性不断营建固沙植被的过程中，有机碳含量增加，而中部偏南的部分地区土壤有机碳含量相比1985年有所降低。

图2 土壤有机碳含量的时空分变化特征Fig.2 Spatial and temporal characteristic of SOC content

2.4 不同时期土地利用方式变化对土壤有机碳含量的影响

图3显示，各土地利用方式下有机碳含量由高到低均表现为林地>农地>草地的特征,且1985年不同土地利用类型上土壤有机碳平均含量均低于2014年。其中，1985年各土地利用类型上有机碳平均含量的差异显著(P<0.05)；2014年林地有机碳含量显著高于农地与草地(P<0.05)。林地土壤有机碳平均含量由8.12 g·kg-1提高到8.95 g·kg-1，增加了10.22%；农地土壤有机碳平均含量对比30 a前增加了5.92%；草地土壤有机碳平均含量增加了8.47%。综上可见，经过30 a的变化，研究区内各土地利用方式下土壤有机碳含量均得到提高，30 a间敖汉旗土地利用方式的巨大转变对土壤有机碳含量的累积也产生着较大的影响，土地集约化经营、林草结构的调整以及退耕还林还草等生态工程的大规模投入，都使敖汉旗农林牧结构和土地资源的利用趋于科学合理，总体表现为林地有机碳含量显著提高，农地与草地有机碳含量稳定的升高，二者的差异不断降低。

注：不同字母表示差异在P<0.05水平有统计学意义。Note: Different letters indicate that the differences were statistically significant at P<0.05 level.图3 1985和2014年不同土地利用方式下土壤有机碳含量的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of SOC content under different land use types in 1985 and 2014

不同时期各土地利用方式下土壤有机碳含量均表现出较大差异。2014年林地土壤有机碳密度较1985年升高了6.97%，农地提升了5.39%，草地升高了12.12%。各土地利用方式下土壤有机碳储量在30 a间呈现出较大的变化，其主要原因是土地利用方式的改变将各土地利用类型的面积进行重新调整，随着敖汉旗多年来退耕还林还草、沙区植被恢复、荒山造林等生态工程的开展，敖汉旗林地面积由1985年的1 085 km2增加到2014年的3 945 km2，而农地和草地的面积分别减少了553和772 km2。土地利用方式的改变是敖汉旗土壤有机碳含量变化的驱动因素，林地的大面积增加有效地提升了敖汉旗土壤有机碳储量。

土地利用方式的改变直接影响着土壤有机碳含量，如表5所示，由农地改变为林、草地时，其有机碳含量分别提高了33.33%、20.14%，并均显著高于原农地有机碳水平(P<0.05)；由林地转化为草地时，土壤有机碳含量降低了18.77%；风沙区进行植被恢复后，土壤有机碳含量显著升高约2.16倍 (P<0.05)。土地利用方式的改变同时导致土壤其他理化性质的改变，农地退耕以及沙地恢复植被后，土壤C/N与粘粒含量均显著升高(P<0.05)，土壤C/N分别提高了16.94%、17.68%，粘粒含量提高了71.43%、25.77%。而由林地转化为草地导致土壤C/N升高了17.75%(P<0.05)，砂粒含量也显著升高(P<0.05)。

3 讨论

土壤有机碳在不同时空尺度上均表现出明显的异质性，本研究结果显示，合理调整土地利用方式能够有效提升土壤有机碳含量。罗由林等[18]研究也指出，土地利用方式的转变是引起土壤有机碳空间差异的主因。与此同时，敖汉旗北部的风沙土区通过多年不懈的植被恢复工程，控制风沙活动有效地减弱区域的水土流失流失强度，植被盖度明显增加。随着植被恢复年限的增加，极大促进了风沙土区植被的正向演替，显著地提高了土壤肥力，也使得风沙区成为研究区土壤有机碳增长速率最高的地区。由此可见,通过合理的恢复治理措施，风沙区能够释放出其巨大的土壤固碳潜力[19]。彭文英等[20]在黄土丘陵区的研究也表明退耕还林措施的实行能够在30 a间将土壤有机碳储量提升19.21%；张蕊等[21]研究也表明，随着退耕还林年限的增加土壤有机碳含量也随之增加，土壤各项理化性质也向着有利的方向转变，这均验证了本研究得出的结论。

表5 土地利用方式转变对土壤理化性质的影响Table 5 Effect of land use types change on soil physical and chemical properties

本研究发现，随着土地利用方式的改变，土壤粘粒含量的增高有利于土壤有机碳含量的累积。Rice等[22]研究发现，土壤粘粒含量高可以有效缓解有机碳的分解速度，进而促进土壤中有机碳含量的累积。土地利用方式的改变后在漫长的时间内能够导致土壤结构、机械组成等理化性质的改变，重新调节土壤砂粒、粘粒、粉粒比例，为土壤有机碳的积累、转化与分解提供了一个稳定的新环境。本研究指出，退耕还林还草等植被恢复等措施能够显著降低土壤砂粒比例，提升土壤粘粒比例。同时，敖汉旗随着退耕还林还草及沙区植被恢复措施的实施土壤C/N也显著提高(P<0.05)。Marin-Spiotta等[23]的研究也佐证了较低的土壤C/N能够积极促进土壤有机碳的分解，不利于土壤有机碳的累积。综上所述，土地利用方式的改变从多方面影响着土壤理化性质，在新的土地环境达到稳定后，无论是土壤C/N,还是机械组成,均对土壤有机碳的累积、转换、分解发挥着重要作用，由此可知，土地利用方式的转化不单纯是地表植被的替换过程，其对土壤内部各理化性质的改变才是影响土壤有机碳累积的内在因素。

土地利用方式改变所形成的新的土壤环境是土壤有机碳时空分变异的主导因素，这与各土地利用方式本身具有直接关系。地表枯落物是土壤有机碳的重要来源，研究区林地积累了较厚的枯落物层，促使林地土壤有机碳含量远高于其他土地。Breuer等[24]研究指出，农地表层(20 cm)土壤有机碳储量较草地低22 mg·hm-2；由于植被的影响，风沙土地区的有机碳储量显著低于其他地区。Christopher等[25]研究表明，农地退耕为林、草地均显著提升土壤有机碳含量。另一方面，土地利用方式转变后的前10 a是土壤有机碳含量变化集中时期，随着时间的增加，趋于稳定的新环境将加速土壤有机碳累积/分解速率。农地受人活动的影响，在作物刈割后,地表大面积裸露，失去了枯落物对土壤碳补给，特别是在秋季风沙活动强烈，裸露地表加剧了农田土壤侵蚀。Poeplau等[26]研究同样发现，频繁的耕作措施升高了土壤温度加剧土壤有机碳的矿化速率。这均导致农地土壤有机碳含量低于林、草地。因此，退耕还林还草措施能够改变原有土壤环境，促进土壤有机碳含量的累积。