胡正超，阿布都克熱木江·雜依提，楊曉東，劉宗會，宋瑞宇，張 濤，許仲林，阿不都克依木·阿布力孜

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046；2.武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北武漢 430079；3.新疆大學智慧城市與環(huán)境建模重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，存儲了陸地生態(tài)系統(tǒng)73%以上的碳[1]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，為植被碳儲量的2.5～3.0倍，為大氣碳庫(以CO2形態(tài)存在)的2～3倍[2]，在全球碳收支中居主導地位[3]。土壤有機碳在微生物作用下，分解為CO2等溫室氣體，釋放到大氣中，因而土壤有機碳的微小變化將會極大地影響大氣CO2濃度的變化，進一步改變?nèi)虻奶佳h(huán)[4-6]。隨著全球氣候和環(huán)境變化的加劇，土壤有機碳一直受到國內(nèi)外學者的高度關(guān)注，成為全球變化研究的熱點之一[7-8]。土壤有機碳的分布是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的基本內(nèi)容[9]。

土壤有機質(zhì)來源于植物、動物及微生物的遺體，主要來源是生長在土壤中自然植被的殘體，包括地上部凋落物和地下部的死亡根系及其分泌物，而耕作土壤除作物收獲后留在地下部的根茬外，還包括人工施用的有機肥料和還田的秸稈[10]。在較大區(qū)域尺度上，土壤有機碳含量受氣候、成土母質(zhì)和水文條件等影響，而在小區(qū)域尺度內(nèi)，主要受植被類型的影響[11-12]。天山是中亞地區(qū)的重要生態(tài)地理單元，對于中亞地區(qū)生態(tài)安全具有重要作用。天山北麓是新疆經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)，在全疆具有舉足輕重的地位，是西部大開發(fā)的重點地區(qū)。天山北坡?lián)碛型暾闹脖淮怪睅ёV，海拔由低到高依次為荒漠帶、荒漠草原帶、山地草原帶、草甸草原帶、山地森林帶、亞高山帶和高山帶。天山北麓是干旱區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)的交界地帶，生態(tài)極為敏感[13]，該地區(qū)高強度的人類經(jīng)濟開發(fā)活動對于生態(tài)系統(tǒng)的影響值得關(guān)注，其中土壤碳變化是重要命題。以往對天山北坡土壤碳研究僅限于有限幾種植被類型，基于垂直帶譜的全面研究較少。筆者以天山中部地區(qū)為研究區(qū)，應用地統(tǒng)計學基本原理和方法，對幾種典型垂直帶植被類型的土壤有機碳含量分布格局進行研究，以期為天山北坡土壤碳分布和碳儲量的計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況天山北坡中段指烏蘇至烏魯木齊的南部山區(qū)，總面積1.41×105km2，其中山區(qū)面積5.09×104km2，平原與沙漠面積9.05×104km2，該區(qū)位于山地和荒漠兩大生態(tài)系統(tǒng)之間，發(fā)育有復雜的綠洲生態(tài)系統(tǒng)[14]。山區(qū)部分可分為高山帶、亞高山帶、中山帶、低山帶和山間谷地。該區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，垂直地帶性明顯，年總輻射量達5.85×105J/cm2，年均氣溫2～3℃，歷年極端最高溫30.5 ℃，極端最低氣溫-30.2 ℃，年降水量400～600 mm，最大積雪深度65 cm，無霜期10～149 d[15]。該研究區(qū)僅為天山北坡中段的亞高山帶以下(87°0′50″～87°34′52″E，43°24′11″～43°33′48″N，圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Fig.1 The sampling sites distribution of the study area

1.2土樣采集與處理2016年10月，選擇天山中段水西溝、白楊溝、甘溝、板房溝、廟爾溝等為采樣區(qū)，按照土地覆被類型，分別選擇山地森林、山地草原、荒漠草原和耕地4種土地覆被類型，最終布設(shè)33個樣地，包括10個山地森林樣地、9個山地草原樣地、9個荒漠草原土樣、5個耕地樣地(圖1)。山地森林植被樣地位于亞高山帶，以雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)為主。山地草原樣地位于中山帶，植被以針茅(Stipacapillata)、早熟禾(Poaannua)、冰草(Agropyroncristatum)、蒿屬(Artemisia)等為主，伴生有棘豆(Oxytropis)、火絨草(Leontopodiumleontopodioides)、老鸛草(Geraniumwilfordii)、紫苑(Asterfastigiatus)等雜草?；哪菰瓨拥匚挥诘蜕綆?，植被以小蓬(Nanophytonerinaceum)、優(yōu)若藜(Eurotiaceratoides)、駝絨藜(Ceratoideslatens)、草麻黃(Ephedrasinica)、蒿屬(Artemisia)等為主，但也有少量或零星的針茅(Stipacapillata)、錦雞兒(Caraganasinica)等植物，菊科(Asteraceae)、十字花科(Brassicaceae)等早春短命植物發(fā)育。耕地樣地位于山間河谷地，種植作物為小麥(Triticumaestivum)。

每塊樣地面積30 m×30 m，樣地內(nèi)隨機布置3個采樣點，樣點間距大于10 m，用GPS測定樣點經(jīng)緯度和海拔高程。山地森林樣地平均海拔為1 911.6 m，山地草原為1 769.9 m，荒漠草原為1 586 m，耕地為1 283.8 m。用土鉆從上到下垂直分層(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm)采集8個土樣，然后將同一樣地內(nèi)3個采樣點的同層樣品混合均勻，采用4分法取樣，裝入樣品袋，貼上標簽。樣品在室內(nèi)風干，去除植物根系及礫石等雜物，再將樣品磨細過60目篩，待試驗分析。

1.3土壤有機質(zhì)含量測試方法在新疆大學土壤實驗室內(nèi)，根據(jù)國家標準GB 7857—1987[16]與LY/T 1237—1999[17]，對野外采集的每層土樣，用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測試土壤有機碳含量。每樣地內(nèi)的土壤重復測量3次。

1.4數(shù)據(jù)分析對不同覆被類型各剖面有機碳含量進行描述性統(tǒng)計分析；用單因素方差分析方法(one-way ANOVA)分析不同植被類型間及土壤剖面各層間的差異性；采用一元線性回歸分析土壤有機碳含量與海拔的關(guān)系。數(shù)據(jù)處理均在SPSS19.0中完成，P<0.05。

對有限剖面點數(shù)據(jù)進行地統(tǒng)計學分析，選擇最優(yōu)模型空間插值；然后將采樣點經(jīng)緯度和有機碳含量屬性信息導入ArcGIS10.0，對數(shù)據(jù)進行直方圖和QQPlot圖分析，剔除異常值，使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；利用ArcGIS10.0地統(tǒng)計學模塊下的kriging插值和CoKriging 插值[18]，形成空間分布圖，直觀反映天山北坡土壤有機碳含量的分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤有機碳含量在土地覆被類型間和土壤垂直層間的變異天山北坡中段不同覆被類型土壤有機碳含量在同一層次水平差異顯著(P<0.05)。在0～10、10～20、20～30、30～40、60～80和80～100 cm土層，土壤有機碳含量表現(xiàn)為山地森林含量最高，山地草原其次，耕地再次，荒漠草原最低的分布形式。但在40～50和50～60 cm土層，山地草原土壤有機碳含量低于耕地，其他各層土壤有機碳含量變化趨勢與表層0～10 cm一致。4種覆被類型內(nèi)，隨土層深度的增加，土壤有機碳含量顯著減小(圖2)(P<0.05)。

天山北坡中段不同覆被類型土壤有機碳含量與剖面深度呈冪函數(shù)遞減趨勢(圖3)，且垂直差異變小，土壤有機碳含量下降速率表現(xiàn)為山地森林<山地草原<荒漠草原<耕地。

2.2土壤有機碳含量的空間變異性土壤有機碳含量的描述性統(tǒng)計結(jié)果表明，同一深度土層的土壤有機碳含量有一定的空間變異。在表層0～10 cm，荒漠草原土壤有機碳含量(14.06～37.25 g/kg)變異系數(shù)(CV)最大，為28.63%；其次為山地草原(40.36～91.64 g/kg)，為25.44%；耕地(30.23～58.13 g/kg)再次，為22.57%；山地森林(47.81～101.66 g/kg)最小，為19.87%。山地草原分別在第2、3、6、7、8層變異系數(shù)最大，為31.67%～50.98%，這可能與坡度的大小、降水量的多寡有關(guān)，導致有機碳向下層發(fā)生不同的淋溶程度；耕地的變異系數(shù)在剖面各層相對較小，為7.47%～30.76%，說明在人為影響下土地有機碳含量變化程度不大。

注：不同小寫字母表示同層土壤不同覆被類型間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示同一覆被類型不同土層深度間差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercases stand for significant differences between different vegetations in the same soil layer at 0.05 level;different capital letters stand for significant differences between different soil layers in the same vegetation at 0.05 level圖2 不同覆被類型土壤有機碳含量Fig.2 Soil organic carbon contents in different types of vegetation

圖3 不同土地覆被類型土壤有機碳含量與剖面深度的回歸關(guān)系Fig.3 Regression relation between vertical depth and soil organic carbon content in different types of vegetation

根據(jù)Nielsen等[19]的空間變異分級(弱變異：CV≤10%；中等變異：10%

2.3土壤有機碳含量隨海拔的變異性天山北坡中段土壤剖面各層有機碳含量與海拔表現(xiàn)出顯著正回歸關(guān)系，0～50 cm前5層回歸方程的決定系數(shù)R2顯著高于后3層(表1)。

2.4土壤有機碳含量的空間分布規(guī)律對研究區(qū)各層土壤有機碳含量進行空間插值，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析使數(shù)據(jù)更符合正態(tài)分布，對前7層進行了log變換，并通過全局趨勢分析去除趨勢。根據(jù)插值模型的優(yōu)劣評價判斷標準，選擇最優(yōu)空間插值模型及根據(jù)模型得出的土壤有機碳空間變異的相應參數(shù)(表2)?；趬K金系數(shù)對系統(tǒng)變量空間相關(guān)性強弱評判標準[20](塊金系數(shù)<25%，強烈空間相關(guān)性；塊金系數(shù)在25%～75%，中等空間相關(guān)性；塊金系數(shù)>75%，空間相關(guān)性很弱)，Kriging插值在第2層表現(xiàn)出不同土地覆被類型的土壤有機碳含量具有強烈的空間相關(guān)性，CoKriging插值在第2、6層表現(xiàn)出強烈的空間相關(guān)性，其余各層均為中等空間相關(guān)性。

表1土壤剖面各層有機碳含量與海拔的回歸分析

Table1Regressionanalysisofsoilorganiccarboncontentandaltitudeinsoilprofile

土層深度Soil depthcm回歸方程Regression equationR2FP0～10y=0.15x-206.150.7579.01<0.0110～20y=0.13x-182.880.84132.83<0.0120～30y=0.07x-97.200.7164.04<0.0130～40y=0.06x-83.700.80105.15<0.0140～50y=0.05x-74.100.7576.48<0.0150～60y=0.04x-55.780.6038.23<0.0160～80y=0.04x-53.340.4521.21<0.0180～100y=0.03x-41.360.4418.63<0.01

將高程數(shù)據(jù)作為次變量輸入，對剖面各層土壤有機碳含量進行CoKriging插值，形成三維預測圖(圖4)，在天山北坡中段，海拔從高到低，土地覆被類型依次為山地森林、山地草原、荒漠草原和耕地，土壤有機碳含量呈不斷減小趨勢。

3 討論

3.1天山北坡土壤有機碳隨海拔分異的原因該研究結(jié)果表明，天山北坡中段土壤有機碳含量存在明顯的空間差異，具體表現(xiàn)為荒漠草原<山地草原<山地森林，這說明天山北坡中段土壤有機碳含量在海拔梯度上具有較明顯的垂直分異性。王淵剛等[5]、金峰等[21]對山地土壤有機碳研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳密度存在顯著的空間差異，呈現(xiàn)一定的垂直分布特征，表現(xiàn)為有機碳隨海拔升高而逐漸增加趨勢。土壤有機碳是進入土壤中的植物殘體量與其在土壤微生物作用下分解損失量的平衡結(jié)果[22]。山地的海拔引起了地表水熱狀況變化，在一定海拔范圍內(nèi)一般均表現(xiàn)為隨海拔升高，溫度逐漸降低，降水逐漸增加。氣候條件直接決定了地表發(fā)育的植被類型，并影響植被的生產(chǎn)力，進而影響土樣有機碳的輸入量與微生物對土壤有機碳分解量的平衡關(guān)系[3]。高海拔對應多降水、低氣溫與高植物凋落物量、低微生物分解速率，因而土壤有機碳收入遠大于支出，土壤擁有較高的有機碳含量。低海拔對應少降水、高氣溫與低植物掉落物量和高微生物分解速率，因而土壤有機碳收入略大于支出，土壤擁有較低的有機碳含量。因此，天山北坡不同土壤有機碳含量差異是對氣候條件和植被類型變化的反映[12]。

表2 土壤有機碳最優(yōu)模型相關(guān)參數(shù)

圖4 基于CoKriging插值法的研究區(qū)土壤有機碳空間分布Fig.4 The spatial distribution of soil organic carbon content based on CoKriging interpolation method in study area

3.2土壤剖面有機碳垂直分異的原因該研究結(jié)果表明，幾種土地覆被類型的土壤有機碳含量在剖面分布上均體現(xiàn)出“表聚性”[23-24]，土壤有機碳含量隨土壤深度增加顯著降低。這種土壤有機碳垂直分布的“表聚現(xiàn)象”與地表大量植物凋落物的聚集和分解有關(guān)，表層土壤有機碳主要來源于植物凋落物，而下層土壤有機碳主要來源于植物枯死根系以及根系分泌物，含量則相對較少。

不同土地覆被類型之間有所不同，其中山地森林和山地草原的“表聚”程度大于荒漠草原和耕地。由于山地森林和山地草原每年地上有較多凋落物，而由于氣溫較低，微生物作用下土壤有機物分解速度慢，導致土壤有機質(zhì)累積較多；而荒漠草原植物的枯枝易被風吹散，表層由凋落物轉(zhuǎn)化來的有機質(zhì)較少；同時研究表明荒漠植物在水分脅迫下，具有生物量傾向地下分配的適應策略[25-27]，因而荒漠草原土壤有機碳剖面分異程度降低。

3.3開墾耕作對荒漠草地土壤有機碳含量的影響該研究耕地樣地的海拔(1 283.8 m)低于荒漠草原樣地(1 586 m)，降水也低于荒漠草原，但其土壤有機質(zhì)含量卻高于荒漠草原，并接近山地草原的水平，因而呈島狀分布。這顯然與人為干擾有關(guān)。由于人為耕作、灌溉、施用有機肥以及秸稈還田，土壤有機碳含量較高(由于耕地種植作物地上生物量被人為收割，因而地表凋落物較少，由此轉(zhuǎn)化而成的土壤有機碳也相對較小)。研究表明，土壤有機碳初始值很低的荒漠自然土壤墾殖后，土壤有機碳含量呈增加趨勢[28]，這與該研究結(jié)果一致。這與其他土壤有機質(zhì)較高的土壤開墾不同，如干旱區(qū)草地開墾為農(nóng)田導致土壤有機碳下降15.7%[29]，林地開墾為農(nóng)田使土壤有機碳總量減少25%～40%[30]。因此，在有利的灌溉條件下，可合理開發(fā)利用荒漠草原和荒漠地帶，促進土壤碳庫增加。

4 結(jié)論

在天山北坡中段海拔1 200～1 900 m的垂直帶內(nèi)，土壤有機碳含量與海拔存在顯著正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為荒漠草原<耕地<山地草原<山地森林；在剖面中土壤有機碳含量垂直分異明顯，隨深度增加呈冪函數(shù)遞減趨勢，下降速率表現(xiàn)為山地森林<山地草原<荒漠草原<耕地；由于生境條件不同，群落中植物生物量分配模式存在較大差異，山地森林和山地草原的表層土壤有機碳含量大于荒漠草原和耕地，對于土壤有機碳含量較低的低山帶和山間河谷的荒漠草原，開墾種植使土壤有機碳含量增加，應合理管理農(nóng)田；而其他地區(qū)的山地草原和山地森林，應嚴禁開墾種植和過度放牧，防止生態(tài)退化和土壤碳向大氣釋放。CoKriging插值比單因素Kriging插值擬合精度更高，更好地反映研究區(qū)土壤有機碳含量的空間分布情況，空間插值后的數(shù)據(jù)顯示10～20和50～60 cm 土層的土壤有機碳含量存在空間自相關(guān)性。