黄河流域河南段植被和土壤及其碳密度空间分异研究

秦艳培，徐少君，田耀武

1.洛阳师范学院国土与旅游学院，河南 洛阳 471934；2.河南科技大学园艺与植物保护学院，河南 洛阳 471000

陆地生态系统的碳汇及其变化在全球碳循环和大气CO2浓度变化中起着重要作用（Heimann et al.，2008），陆地不同的生态系统碳汇存在较大的差异（傅伯杰等，2005；方精云等，2007a）。森林生态系统是陆地碳汇的主体，在“大气-森林植被-土壤-大气”的循环系统中，以植被生物量、枯落物和土壤有机碳的形式维持着陆地生态系统中最重要的碳库（Dixon et al.，1994；Pan et al.，2011）。与森林相比，灌丛、湿地、农作物和草地等生态系统，虽然受到固碳量和固碳时间的影响，其固碳的效能相对较低，但也是中国陆地生态系统碳库的重要组成部分，因此通过扩大生态系统类型固碳能力的研究对于精准评估陆地碳汇显得尤为重要（Fang et al.，2018；钟华平等，2005；罗怀良，2014；杨元合等，2022）。从理论研究生态系统碳汇目的出发，现存有机碳贮量法是研究碳汇最合适方法之一。陆地植被生态系统碳贮量主要包括植被有机碳和对应的土壤有机碳，而不考虑木材代替其他原材料带来的CO2的减排量。就植被和土壤有机碳贮量的测量和估算而言，样地实际测量-生物量模型法、生理生态模型法及近几年发展较快的遥感信息模型法均是比较系统、成熟和高效的方法，众多研究者使用这些方法或结合森林清查数据和土壤调查数据在不同空间尺度上均取得了大量研究成果（吕超群等，2004；方精云等，2007b；刘领等，2019；何林倩等，2021；张煜星等，2021）。

流域是以自然水系分界的相对独立和完整的特征空间，是自然环境与人类活动交互作用强烈的地区（刘洋等，2019）。由于受到历史、自然、人口和城市扩张等原因，黄河流域是生态脆弱和水土流失最严重的区域之一（肖东洋等，2020；刘丽娜等，2021）。随着中国经济的发展和生态文明的进步，“推动黄河流域生态保护和高质量发展”和综合治理已经上升为国家战略（习近平，2019）。黄河流域河南段兼有中游水土流失严重和下游生态流量偏低的双重压力，是黄河流域地形地貌特征最为特殊的地区，其生态系统在不同区域和不同高程上差异较明显，但总体上区域内植被恢复与生长朝正向利好的方向发展，成为近年来研究者关注的热点区域（崔凯凯等，2021；刘小燕等，2021；张静等，2021）。因此，探究黄河流域河南段植被、土壤及其有机碳贮量和有机碳密度的空间分布规律，评估该区域有机碳贮量和有机碳密度的现状和潜质，对于在“双碳”背景下科学理解和实施黄河流域人与自然生态和谐、生态保护与经济高质量发展具有重要意义。

本研究使用河南省第六次森林资源调查成果和第二次土壤普查数据为基础资料，利用文献中不同类型植被有机碳密度和土壤类别有机碳密度数据，运用GIS技术建立黄河流域河南段的植被和土壤空间属性数据库，整理和计算了植被及土壤100 cm深度的有机碳贮量和有机碳密度，并结合数字高程模型，分析黄河流域河南段的植被、土壤及其有机碳贮量和有机碳密度的空间分异特征，为评估区域性陆地生态系统碳循环提供有价值的参考数据。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

黄河发源于青藏高原，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东9个省级行政区，全长5464 km，是中国第二大河。黄河流域是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，同时还是重要的农业和能源原材料工业基地，在中国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位。黄河流域面积约7.95×105km2（含内流区面积），内蒙古河口镇以上为黄河上游，河口镇至河南郑州桃花峪为黄河中游，桃花峪以下至入海口为黄河下游。

黄河流域在河南境内西起三门峡灵宝市，东至濮阳市台前县，河道长711 km，流经三门峡、洛阳、济源、焦作、郑州、新乡、开封、濮阳8市33县（市、市辖区），重要支流有宏农涧河、伊洛河、沁河、天然文岩渠和金堤河等，流域面积达3.67×104km2，占黄河流域总面积的4.6%和河南省总面积的22.0%。黄河流域在河南孟津以下形成了巨大的冲积扇，成为华北平原上的“分水脊”，具有黄河中游、下游双重属性，地势西高东低，依次形成山地-丘陵-平原，属温带气候区，年均降雨量500—900 mm，年平均气温 12—15 ℃。此外，河南境内的黄河流域是人口活动剧烈的区域，平均人口密度为 482 person·km-2，最大人口密度达到了1.08×104person·km-2，与东部发达地区人口密度相当（徐新良，2017）。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 研究区域

黄河流域基础地理信息数据内容主要为行政区县和黄河流域边界。黄河流域来源于中国科学院资源环境科学数据中心划分的中国河流三级流域边界，其边界是基于流域的自然边界提取而来，其中黄河流域共包含 29个三级流域。本研究区域为黄河流域河南境的行政区县范围（本文简称“黄河流域河南段”），面积4.39×104km2，是通过将组成黄河流域的三级流域自然边界与河南省行政区边界进行叠加后获取的（图1）。

图1 研究区范围和地势示意图Figure 1 Sketch map of study area and its terrain

1.2.2 植被、土壤和数字高程模型数据

研究区数据包括植被分布数据、土壤分布数据和数字高程及其他基础地理信息数据等。植被数据来源于第六次河南森林资源调查数据集，土壤数据来源于河南第二次土壤普查数据库，数字高程数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），采用的数据产品是2015年正式发布的ASTER GDEM V2全球数字高程数据集，空间分辨率为30 m。

1.2.3 数据处理

研究区确定后，在ArcGIS中裁剪出本区域的植被、土壤和数字高程数据，参考本区域野外实测数据（田耀武等，2019），通过文献中相同或相近区域的植被类型平均有机碳贮量密度（罗怀良，2014；孙丽娜等，2018；徐丽等，2018；李琳等，2019）和土壤类型在土层 100 cm内有机碳贮量密度（解宪丽等，2004；于建军等，2008）（表1，表2），结合本区域内植被和土壤对应的面积数据，在ArcGIS的空间分析模块中，分析和探究黄河流域河南段植被、土壤及其有机碳贮量和有机碳密度的空间分异特征。

表1 研究区植被的面积、有机碳密度、有机碳贮量和占比Table 1 Area, organic carbon storage and density and its proportion of vegetation in the study area

表2 研究区土壤的面积、有机碳密度、有机碳贮量和占比Table 2 Area, organic carbon storage and density and proportion of soil in the study area

2 结果与分析

2.1 植被和土壤组成及其分布特征

研究区植被类型包括针叶林、落叶阔叶林、其他杂阔林、灌丛、草丛、草甸、栽培植被和沼泽等。其中，栽培植被面积最大，达到了3.28×104km2，占研究区总面积的74.59%，集中分布在中部、东部及西南部伊河和洛河河谷地带。栽培植被包括粮食作物和经济作物，粮食作物主要以小麦（Triticum aestivumL.）、玉米（Zea maysL.）、水稻（Oryza sativaL.）、大豆（Glycine max(Linn.) Merr.）等为主，经济作物以苹果（Malus pumilaMill.）、梨（Pyrusspp.）和樱桃（Cerasusspp.）等果树为主。森林植被以落叶阔叶林为主，面积6.8×103km2，占比为15.57%，优势种由栓皮栎（Quercus variabilisBl.）、麻栎（Quercus acutissimaCarruth.）和槲栎（Quercus alienaBl.）等栎类组成，主要分布于西南伏牛山、熊耳山和崤山山地，以及中北部中条山和王屋山山地。针叶林主要集中在中北部的中条山及西南部山区，中北部的针叶林以马尾松林为主，其他区域以油松林为主。杂阔林主要为刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）和杨树（PopulusL.）等，散布于东部和东南部，竹林分布于西南部。灌丛以酸枣（Ziziphus jujubaMill.var.spinosa）、黄荆（Vitex negundoL.）等为优势种，主要分布于中西部山地。草丛面积最小，多以白羊草（Bothriochloa ischaemum）草丛为主，草甸以高禾草为主，集中在东部黄河岸边。沼泽面积较小，植物以芦苇（Phragmites australis(Cav.) Trin.ex Steud.）为优势种，分布东部湖泊低洼处（图2，表1）。

图2 研究区植被分布图Figure 2 Vegetation distribution in the study area

研究区有16个土壤类型，40个亚类型（图3）。其中，潮土和褐土面积最大，分别为1.55×104km2和1.54×104km2，分别占研究区总面积的34.53%和34.38%，潮土主要分布在东部广大区域，褐土则主要分布在西部。棕壤面积为 0.51×104km2，占比11.55%，主要集中分布在西部和西南部的山区。西部山区的土壤还有暗棕壤、寒碳土、黄棕壤和栗褐壤等。新积土分布于黄河及其支流的两岸，风沙土呈点状分布于东部，两者分别占比分别为1.53%和1.23%，其他土类占比均小于1%（图3，表2）。

图3 研究区土壤类型分布图Figure 3 Distribution of soil types in the study area

2.2 植被和土壤有机碳贮量及有机碳密度水平分布特征

研究区植被有机碳贮量为53.24 Tg，有机碳密度的范围在5.7—36.37 Mg·hm-2之间，平均碳密度为 12.12 Mg·hm-2（表 1）。以栓皮栎为优势种的落叶阔叶林有机碳贮量最大，有机碳贮量达到了24.88 Tg，占研究区植被有机碳贮量的46.73%，其有机碳密度最高。栽培植物的有机碳密度相对较低，特别粮食作物最低，但栽培植物面积最大，其植被有机碳储量达到23.71 Tg，占植被有机碳贮量的44.54%，其中经济作物有机碳为10.32 Tg，粮食作物有机碳为13.39 Tg（表1）。

研究区土壤总有机碳贮量为294.92 Tg，土壤有碳密度（土层 100 cm）在14.9—151.2 Mg·hm-2之间。其中，土壤有机碳密度较大的有暗棕壤、寒钙土、石质土、黄棕壤和栗褐土等，而风沙土最低。潮土和褐土分布最广泛，其有机碳贮量分别为91.54 Tg和108.04 Tg，分别占研究区土壤有机碳贮量的31.04%和 36.63%。其次为棕壤，有机碳贮量为43.16Tg，占土壤有机碳贮量的 14.63%，新积土也有较高的有机碳贮量，占比为5.89%（表2）。

研究区植被和土壤的总有机碳密度范围在20.60—187.57 Mg·hm-2之间，以 30—40 Mg·hm-2为组距，将其分为5个级别，分别为低有机碳密度（＜30 Mg·hm-2）、中低有机碳密度（30—70 Mg·hm-2）、中有机碳密度（70—110 Mg·hm-2）、中高有机碳密度（110—150 Mg·hm-2）和高有机碳密度（＞150 Mg·hm-2）。结果显示，中低和低有机碳密度区域主要集中在东部，中有机碳密度主要集中于西部，中高和高碳有机密度则分布在西南和中北部（图4）。

图4 研究区有机碳密度（植被与土层100 cm）分布图Figure 4 Distribution of organic carbon density (vegetation and soil layer 100 cm) in the study area

2.3 不同高程植被、土壤有机碳储量和有机碳密度的分布规律

结合研究区山区特点和一般的平原、丘陵和山区的分类方法，将研究区域的高程分为5个类别，分别为平原（＜200 m）、丘陵（200—500 m）、低山（500—1000 m）、中山Ⅰ（1000—1500 m）和中山Ⅱ（＞1500 m）。结果显示，植被有机碳贮量在低山最大（15.68 Tg），其次为中山Ⅰ（14.49 Tg），然后为平原（13.97 Tg），丘陵和相对较高的中山Ⅱ有机碳贮量较低，分别为7.23 Tg和1.87 Tg。土壤有机碳贮量则是平原最高，达到了112.82 Tg，其次为低山，土壤有机碳贮量为76.23 Tg，然后是丘陵和中山Ⅰ，有机碳贮量分别为55.08 Tg和46.16 Tg，相对高程较高的中山Ⅱ有机碳贮量最低，为4.62Tg。总有机碳贮量平原最高，为126.79 Tg，然后为低山、丘陵和高山，中山Ⅱ有机碳贮量最低，为6.49 Tg（表3）。

表3 研究区不同高程植被和土壤的有机碳贮量和有机碳密度Table 3 Organic carbon storage and density of vegetation and soil at different elevations in the study area

研究区域的植被平均有机碳密度范围在7.34—34.35 Mg·hm-2，随着高程的增加植被有机碳密度逐渐增大，表现为平原 (7.34 Mg·hm-2)＜丘陵 (8.81 Mg·hm-2)＜低山 (14.97 Mg·hm-2)＜中山Ⅰ (25.53 Mg·hm-2)＜中山Ⅱ (34.35 Mg·hm-2)；土壤有机碳密度也是随着高程的增加而增大，不同高程之间差异较小，其值范围在 59.25—84.73 Mg·hm-2。总有机碳密度也呈现出随着高程的增加而增大，变化范围为66.59—119.08 Mg·hm-2。由此可知，研究区域的植被有机碳密度、土壤有机碳密度和总有机碳密度在高程上分异明显，均随着高程的升高而增大。

3 讨论

3.1 植被、土壤分布特征与影响因素

气候和人类活动是影响植被的分布和变化的决定因素（Fang et al.，2002；聂桐等，2022）。黄河流域河南段属暖温带气候，也是东部湿润气候向西北干旱性气候过渡区，植被为暖温带植物，集中在西南部和中北部植物分别为伏牛山北部和太行山植被区系，其组成和起源相似，植被类型相近，由栎类和杨树等组成的落叶阔叶林占优（刘宗才等，2001）。该区域还分布着以人工飞播的油松林为优势种的针叶林，受到林地砍伐或弃耕等人类活动影响而形成的灌丛。黄河流域河南段大部以平原和丘陵为主，两者总面积占比达到了62.00%，集中在西南部伊河、洛河河谷和中东部广大区域，是重要的栽培植被分布区，也是人为活动最剧烈的地区。其中东部平原植被以小麦、玉米为主的粮食作物为主，中部和中西部丘陵则以苹果、樱桃和梨等经济作物占优。

土壤是综合自然因素作用的产物，与气候和植被的关系极为密切，土壤类型的形成既受成土因素的制约，又受环境条件的影响，也是植被类型形成的一个重要因素（解宪丽等，2004；石丽丽等，2008）。本研究显示，研究区东部土壤类型相对较少，西部土壤类型复杂（图3），潮土和褐土处于优势土类，分别分布在东部和西部广大区域，两者占比达到了68.91%。潮土土壤主要由来自黄河沉积物及其受到水流和耕作影响而形成，土层深厚、地势平坦。研究区西部（豫西山地）褐土的形成主要归因于碳酸盐弱度淋溶与聚积，与森林植被相互作用，进而形成有次生黏化现象的森林褐土类型。西部地形复杂，土壤类型多样，植被资源丰富，呈现出一定的协同相关性（任圆圆等，2020）。

黄河流域河南段是黄河流域农耕文明的核心地带，特别是黄河、伊河和洛河两岸为居民聚居区，人口密集，传统农业活动决定了这一广大区域以栽培植被为主。黄河流域河南段西部是豫西山地的主要组成部分，地貌为丘陵和山地，特别是西南部和中北部为海拔相对较高的伏牛山地和太行山地，相对而言人为活动对植被的干扰程度相对较小，因此地带性顶级植被——针叶林和落叶阔叶林集中在这一区域分布。

3.2 有机碳贮量和有机碳密度分异特征

黄河流域河南段的总面积占河南省面积的27.06%，植被和土壤有机碳贮量分别为53.24 Tg和294.92 Tg，其分别为河南森林植被有机碳贮量（107.98 Tg）（刘领等，2019）的49.31%和土壤有机碳贮量（1.027 Pg）（于建军等，2008）的23.22%，其中研究区森林有机碳贮量为26.85 Tg，占河南森林有机碳的24.87%。研究区植被有机碳密度均值为12.12 Mg·hm-2，高于全国的平均植被有碳密度（1.47 Mg·hm-2）（李克让等，2003）；土壤有机碳密度均值为 67.12 Mg·hm-2，低于河南土壤平均有机碳密度74.6 Mg·hm-2，远高于全国土壤有机碳密度的平均值（9.13 Mg·hm-2）（解宪丽等，2004），也高于黄河下游灌区的土壤有机碳密度（15.12 Mg·hm-2）（赵广帅等，2014）。这些特征表明，黄河流域河南段的植被和土壤有机碳贮量和有机碳密度低于河南平均水平而高于全国平均水平，具有一定碳汇潜力。

黄河流域河南段地势特征明显，在水平上方向上自东到西至西南、表现为从平原、丘陵、低山至中山呈海拔上的梯次变化，而这种特征影响着植被和土壤及其有机碳密度的空间分异特征。植被类型表现为从东部和中部等大部分地区的粮食作物、经济作物到西部和中北部的灌丛、落叶阔叶林和针叶林的变化特征，相应的植被有机碳密度也呈献出东低西高、西南最高，与高程变化趋势相一致的特征；土壤类型从有机碳密度较低的东部风沙土和潮土到西部有机碳密度较高的褐土、西南部的棕壤等变化，也与高程变化保持一致的特点，进而植被和土壤有机碳密度累加后的总有机碳密度也表现为东低西高、西南最高的特征。

植被类型被认为是影响植被有机碳贮量的直接因素，通常植被的有机碳贮量是以生物量的形式存贮，因此，拥有更多生物量的林型有着最大的有机碳密度，生态系统更稳定的自然植被有机碳密度大于同类型的人工植被，同一区域的地带性顶级植被拥有最大的有机碳密度（胡会峰等，2006；金彪等，2017）。本研究区域的西部和中北部，特别是西南部，分布着以栎类为优势种的落叶阔叶林，人为干扰相对较轻，所以是植被有碳密度较高的分布区域。而中部和东部，分布着人工活动最为强烈的栽培植物，因此植被有机碳密度相对最低。

影响土壤有机碳贮量和有机碳密度的因素相对较多，成土特征和成土环境是造成土壤有机碳贮量密度差异较大原因，其中环境中的植被覆盖率、植物残体腐解和矿化快慢直接影响着土壤有机质的含量，因而对土壤有机碳影响显著（Balesdent et al.，2000；辜翔等，2018）。在有机碳密度较低的区域，人口密集、土地利用程度高，因此，强烈的人为干扰可能是导致土壤有机碳密度变化的重要原因（Lu et al.，2018；解宪丽等，2004）。就本研究而言，植被和土壤有机碳密度较低的区域集中在黄河两岸及其支流的河谷区域，正是黄河文明和旱作农业的核心区域，植被以有机碳密度较低的粮食作物为主，对土壤有机碳密度的贡献很小（罗怀良，2014），土壤以潮土、风沙土为主，土壤有碳密度也较低，传统的人为耕作加速了碳的流失，因而是有机碳密度最低的区域。西南和中北区域的植被以森林植被为主，拥有较高的植被有机碳密度，土壤多为有机碳密度相对较高的类型，人为干扰相对较轻，因而是本区域有机碳密度较高的区域。

总体而言，黄河流域河南段的东部是重要的粮食产区，中部经济作物分布较广，西部、特别是西南部森林资源的重要分布区。尽管农田生态系统的植被有碳汇贡献能力有限，其土壤碳汇能力占主导地位，但通过改进耕作方式，加强秸秆还田和土壤管理等途径，能明显增加农田生态系统的碳汇能力（张黛静等，2019；张向前等，2019），因此黄河流域河南段的中、东部有较大的增汇潜力。有研究表明，流域上游山地是植被恢复最快的区域，特别是低山区植被恢复速度最显著（杨媛媛等，2022），黄河流域河南段西部山区，特别是西南部森林植被和灌丛的集中分布，有机碳密度高，同时这一区域也是河南省内黄河流域和长江流域的重要水源涵养地（肖军仓等，2017），因此加强本区域植被抚育和管理，对于提高黄河流域河南段的碳汇和生态能力均具有重要的现实意义。

4 结论

本研究应用河南省森林调查和土壤普查数据，估算和分析黄河流域河南段的植被、土壤及其有机碳贮量和有机碳密度空间分布特征，主要结论如下：

（1）黄河流域河南段植被以栽培植物（粮食作物和经济作物）为主，集中分布在中部和东部，其次为常绿阔叶林，主要分布在西南和中北部；土壤以潮土和褐土占优，分别分布在东部和西部。

（2）黄河流域河南段植被和土壤有机碳贮量分别为53.24 Tg和294.92 Tg，分别占河南森林有机碳和土壤有机碳的49.31%和23.22%；平均植被和土壤有机碳密度分别为 12.12 Mg·hm-2和 79.23 Mg·hm-2。

（3）黄河流域河南段植被和土壤有机碳密度以及总有机碳密度均表现为东部低西部高，西南部最高，其有机碳密度值均表现为：平原 (＜200 m)＜丘陵 (200—500 m)＜低山 (500—1000 m)＜中山Ⅰ(1000—1500 m)＜中山Ⅱ (＞1500 m)，即植被和土壤及总有机碳密度随着高程增加而逐渐增大。

综上所述，黄河流域河南段的植被、土壤及其有机碳密度呈现水平上从东到西和西南、高程上从低海拔至高海拔的分异现象。植被表现为东部主要为粮食作物、草甸和沼泽，中部主要为经济作物，植被有机碳密度相对较低；西部至西南部和中北部，主要为灌丛、落叶阔叶林和针叶林，植被有机碳密度相对较高。土壤表现为东部以潮土为主，土壤类型相对较少，多为有机碳密度相对较低的土类；西部，特别是西南部，土类多为褐土和棕壤等，土壤类型复杂，土类的有机碳密度相对较高。因此保护好西部，特别是西南部良好的植被资源，改进中部和东部栽培作物的耕作和管理方式，是稳定和增加本区域碳汇能力的关键举措。