李龍, 秦富倉*, 姜麗娜, 姚雪玲

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 100018; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091; 3.中國林業(yè)科學(xué)研究院, 北京 100091)

陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫儲量(1 200～2 500 Pg )最為巨大[1-2]，其中，土壤有機碳(soil organic carbon，SOC)含量不僅是準(zhǔn)確評估土壤碳庫儲量的關(guān)鍵指標(biāo)，也是研究土壤碳庫動態(tài)變化規(guī)律與土壤質(zhì)量演變的重要內(nèi)容。然而，在實際工作中，由于土壤有機碳復(fù)雜的空間異質(zhì)性常常導(dǎo)致不同時空尺度上的研究結(jié)果存在較大差異[3-4]。在空間上，由于不同研究區(qū)的地理位置跨度較大，自然條件和人為活動的顯著差異均導(dǎo)致土壤有機碳在空間上的變異；而在時間尺度上，土地利用方式的頻繁轉(zhuǎn)換，加之缺少多年連續(xù)的數(shù)據(jù)資料支撐，這均給土壤碳庫的準(zhǔn)確估算及土地質(zhì)量評價提出了挑戰(zhàn)[5-6]。因此，區(qū)域尺度上，土壤有機碳的時空變異特征研究對土壤質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測和科學(xué)利用土地資源具有重大意義。

近年來，隨著計算機技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，各學(xué)科的交叉融合日益成熟，土壤有機碳時空變異的研究也基于3S技術(shù)和模型法取得了眾多有價值的成果[7]。空間尺度上，多采用克里格插值法在區(qū)域尺度上繪制有機碳的空間分布圖，陶吉興等[8]采用地統(tǒng)計學(xué)與Moran’s I相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地描述了土壤有機碳的空間分布格局。時間尺度上，多以遙感影像為基礎(chǔ)，通過模型對比分析動態(tài)變化規(guī)律，杲廣文等[9]分析了我國東北黑土區(qū)1980年、2000年和2011年3個時期土壤有機碳密度與儲量，并探討了30 a前后東北地區(qū)土壤有機碳密度與儲量在時間與空間的變化情況。目前，同時從時間和空間尺度上分析土壤有機碳變異特征的研究還并不多見。本研究在全球氣候變化的背景下，結(jié)合土地利用方式，深入分析了赤峰市敖漢旗1984—2014年30 a間的土壤有機碳含量時空變異特征，旨在為科學(xué)評價同類型區(qū)域土壤質(zhì)量、合理利用土地資源提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東南部的敖漢旗(東經(jīng)119°30′～120°54′、北緯41°42′～42°02′)，全旗總面積約8 300 km2，相當(dāng)于我國內(nèi)地省份的縣級行政區(qū)劃。地勢起伏多變、總體呈南高北低特征，海拔為300～1 250 m(與南高北低順序一致)。氣候類型屬于溫帶半干旱大陸性氣候，年均降水量310～460 mm。植被類型屬于歐亞干草原區(qū)，地帶性植被以疏林草原為主，從南到北呈現(xiàn)出由森林和森林草原逐漸向干草原過渡的規(guī)律，全旗主要分布有4個土類，南部山地主要為棕壤和褐土，中部黃土丘陵及黃土漫崗主要為栗鈣土，北部沙地主要以風(fēng)沙土為主。敖漢旗土地利用類型多樣屬于農(nóng)牧交錯地帶，耕地面積為1 776 km2，約占全旗面積的21.39%；林地面積為3 945 km2，草地面積為1 695 km2，占全旗面積的20.41%；敖漢旗風(fēng)沙土面積為1 816 km2，占全旗面積的21.88%[10]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選取 為分析敖漢旗1985—2014年30 a間土壤有機碳含量的時空變異特征，收集敖漢旗土壤歷史資料，通過分析敖漢旗林業(yè)局土壤普查數(shù)據(jù)，獲得1985年敖漢旗土壤有機碳含量、全氮含量、土壤容重、機械組成、土壤含水量、有效土層厚度以及采樣點經(jīng)緯度、地形因素、土地利用方式、土壤類型等基本信息，采樣點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Fig.1 Location and sample points in study area

根據(jù)1985年敖漢旗采樣點的坐標(biāo)位置，2014年8月對30 a前的樣地進行再次調(diào)查取樣，為降低土壤背景值影響以及土地使用方式頻繁改變的干擾，所確定的樣地需滿足在取樣前至少10 a內(nèi)(1975—1985年期間)該樣地的土地利用方式未發(fā)生過改變；同時，選取土地利用方式發(fā)生轉(zhuǎn)變至少經(jīng)過20 a的樣地，以確保新的土地利用方式在原位置上已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，2014年8月對研究區(qū)進行補充采樣。采用人為選擇典型樣地法，充分考慮每個樣區(qū)內(nèi)的不同植被類型、土壤類型、地貌特征等因素，盡量全面反映樣區(qū)的自然特征，共選取182個樣地(表1)。

表1 1985和2014年研究區(qū)采樣點屬性Table 1 The sampling points attribute of study area in 1985 and 2014

1.2.2樣品采集與測定 確定研究樣地后，詳實記錄樣地坐標(biāo)、地形、土壤類型、土地利用方式等基本信息。清理樣地表層植被與枯落物等雜物，取0～20 cm深度土壤樣品，每個樣地取3個重復(fù)，帶回實驗室待測。采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤樣品中有機碳含量，采用激光粒度分析儀(Mastersizer3000，英國馬爾文儀器有限公司出產(chǎn))測定土壤機械組成，并將土壤樣品按粒徑劃分為砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)與粘粒(<0.002 mm)[11]。

1.2.3數(shù)據(jù)分析 20世紀(jì)50年代初，地統(tǒng)計學(xué)開始形成，它是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法[12]。半變異函數(shù)是地統(tǒng)計分析的特有函數(shù)，其計算公式如下。

(4)

式中，γ(h)是h的半方差函數(shù)值；h為兩樣本點空間距離；N(h)是間隔距離等于h的樣本點的對數(shù)；Z(xi)為空間位置點xi處指標(biāo)的實測值；Z(xi+h)為空間位置點xi處指標(biāo)的實測值。

采用GS+7.0軟件擬合半變異函數(shù)理論模型，通過ArcGIS10.0進行克里格插值，并生成土壤有機碳含量的空間分布圖；采用方差分析解釋不同土地利用類型之間土壤有機碳的差異性。采用R3.0.1軟件進行數(shù)據(jù)分析[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期土壤有機碳含量的描述性統(tǒng)計分析

對比1985年與2014年研究區(qū)表層土壤有機碳含量(表2)，結(jié)果顯示，1985年與2014年土壤有機碳含量分別為6.91、7.49 g·kg-1，均屬養(yǎng)分相對虧缺等級[14]；方差分析顯示，2014年土壤有機碳含量顯著高于1985年土壤有機碳含量(P<0.05)。就數(shù)據(jù)分布特征而言，1985年與2014年土壤有機碳含量均處于輕度的正向右偏態(tài)分布特征。從變異系數(shù)分析，二者的土壤有機碳含量均處在0.1～0.9之間，均屬于中等程度的變異[15]；其中，2014年土壤有機碳含量的變異系數(shù)略高于1985年，這說明了2014年的土壤有機碳數(shù)據(jù)的離散程度更高，受到人類長期活動的影響，土壤受到了極大的干擾，土地利用格局變得復(fù)雜多樣化，均是造成土壤有機碳含量差異較大的原因，局部地區(qū)的有機碳含量出現(xiàn)了偏高或偏低的現(xiàn)象，致使2014年土壤有機碳含量數(shù)據(jù)的離散程度較高。而敖漢旗在1985年之前的土地利用方式主要以農(nóng)地為主，耕作方式以及肥料的使用相對簡單，土地利用方式相對單一，有機碳均一化程度表現(xiàn)較高，導(dǎo)致1985年的有機碳數(shù)據(jù)分布較為集中，土壤有機碳的異常值較少。

表2 1985和2014年土壤有機碳含量的描述性統(tǒng)計特征Table 2 Descriptive statistical characteristics of SOC content in 1985 and 2014

2.2 不同時期土壤有機碳含量的半變異函數(shù)分析

對比1985與2014年土壤有機碳含量的半變異函數(shù)的擬合精度，得出2個時期土壤有機碳含量的半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)，見表3。

表3 1985和2014年土壤有機碳含量的半方差函數(shù)理論模型Table 3 Semi-variance function theoretical model for SOC content in 1985 and 2014

結(jié)果表明，指數(shù)模型能夠準(zhǔn)確擬合1985年土壤有機碳含量的空間變異結(jié)構(gòu)特征，球狀模型能夠較準(zhǔn)確擬合2014年土壤有機碳含量的空間變異結(jié)構(gòu)特征。模型對二者的擬合殘差均處于較低水平，在0.04～2.11之間，且模型擬合得到的決定系數(shù)R2較高，在0.73～0.74之間，表明理論模型對1985年與2014年土壤有機碳含量的擬合精度較高，能夠有效反映土壤有機碳的空間變異結(jié)構(gòu)。塊金基臺比反映了土壤有機碳數(shù)據(jù)的空間變異結(jié)構(gòu)。1985年土壤有機碳的塊金基臺比較小，僅為0.26%(小于25%)，說明1985年土壤有機碳含量具有強烈的空間相關(guān)性，其空間變異主要是由地形、土壤母質(zhì)、降雨分布格局等素結(jié)構(gòu)性因素所引起的。而2014年土壤有機碳的塊金基臺比為36.61%(在25%～75%之間)，屬于中等強度的空間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因素與隨機性因素共同作用影響著土壤有機碳的空間變異結(jié)構(gòu)，而隨機性因素主要表現(xiàn)為土地利用方式轉(zhuǎn)變等人為活動。1985年土壤有機碳含量的變程遠大于2014年的變程，表明1985年研究區(qū)內(nèi)部土壤有機碳在較大的空間范圍內(nèi)仍保持著較高的內(nèi)在自相關(guān)關(guān)系，這說明，研究區(qū)經(jīng)過30 a的變化后，土壤有機碳含量的空間自相關(guān)距離變短。我國的社會經(jīng)濟經(jīng)歷了30 a間的空前發(fā)展，直接對土壤環(huán)境和土壤有機碳的空間分布格局造成巨大沖擊。Qiu等[16]研究明確指出，開荒、造林以及城市擴張等大規(guī)模發(fā)生的土地利用方式的改變是顯著削弱土壤有機碳含量空間相關(guān)性的主要因素。Juan等[17]研究也同樣表明，土地利用方式的變化通過影響土壤有機碳的分布格局，顯著地增強土壤有機碳含量的空間變異特征。

2.3 不同時期土壤有機碳含量的空間分布特征

由普通克里格插值得到研究區(qū)1985年與2014年土壤有機碳含量的空間分布 (圖2)。如圖所示，2個時期內(nèi)土壤有機碳含量總體均表現(xiàn)為南高北低的分布特點，1985年土壤有機碳呈現(xiàn)為相對連續(xù)的過渡分布特征，而2014年呈現(xiàn)出斑塊狀分布特征。采用疊加分析，將1985年的土壤有機碳含量分布圖與2014年土壤有機碳含量分布圖相減，計算得到研究區(qū)30 a間的土壤有機碳含量空間變化格局。1985—2014年，土壤有機碳含量整體處于增長情況，尤其是研究區(qū)北部的風(fēng)沙土區(qū)，在常年進行植被恢復(fù)并有針對性不斷營建固沙植被的過程中，有機碳含量增加，而中部偏南的部分地區(qū)土壤有機碳含量相比1985年有所降低。

圖2 土壤有機碳含量的時空分變化特征Fig.2 Spatial and temporal characteristic of SOC content

2.4 不同時期土地利用方式變化對土壤有機碳含量的影響

圖3顯示，各土地利用方式下有機碳含量由高到低均表現(xiàn)為林地>農(nóng)地>草地的特征,且1985年不同土地利用類型上土壤有機碳平均含量均低于2014年。其中，1985年各土地利用類型上有機碳平均含量的差異顯著(P<0.05)；2014年林地有機碳含量顯著高于農(nóng)地與草地(P<0.05)。林地土壤有機碳平均含量由8.12 g·kg-1提高到8.95 g·kg-1，增加了10.22%；農(nóng)地土壤有機碳平均含量對比30 a前增加了5.92%；草地土壤有機碳平均含量增加了8.47%。綜上可見，經(jīng)過30 a的變化，研究區(qū)內(nèi)各土地利用方式下土壤有機碳含量均得到提高，30 a間敖漢旗土地利用方式的巨大轉(zhuǎn)變對土壤有機碳含量的累積也產(chǎn)生著較大的影響，土地集約化經(jīng)營、林草結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及退耕還林還草等生態(tài)工程的大規(guī)模投入，都使敖漢旗農(nóng)林牧結(jié)構(gòu)和土地資源的利用趨于科學(xué)合理，總體表現(xiàn)為林地有機碳含量顯著提高，農(nóng)地與草地有機碳含量穩(wěn)定的升高，二者的差異不斷降低。

注：不同字母表示差異在P<0.05水平有統(tǒng)計學(xué)意義。Note: Different letters indicate that the differences were statistically significant at P<0.05 level.圖3 1985和2014年不同土地利用方式下土壤有機碳含量的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of SOC content under different land use types in 1985 and 2014

不同時期各土地利用方式下土壤有機碳含量均表現(xiàn)出較大差異。2014年林地土壤有機碳密度較1985年升高了6.97%，農(nóng)地提升了5.39%，草地升高了12.12%。各土地利用方式下土壤有機碳儲量在30 a間呈現(xiàn)出較大的變化，其主要原因是土地利用方式的改變將各土地利用類型的面積進行重新調(diào)整，隨著敖漢旗多年來退耕還林還草、沙區(qū)植被恢復(fù)、荒山造林等生態(tài)工程的開展，敖漢旗林地面積由1985年的1 085 km2增加到2014年的3 945 km2，而農(nóng)地和草地的面積分別減少了553和772 km2。土地利用方式的改變是敖漢旗土壤有機碳含量變化的驅(qū)動因素，林地的大面積增加有效地提升了敖漢旗土壤有機碳儲量。

土地利用方式的改變直接影響著土壤有機碳含量，如表5所示，由農(nóng)地改變?yōu)榱?、草地時，其有機碳含量分別提高了33.33%、20.14%，并均顯著高于原農(nóng)地有機碳水平(P<0.05)；由林地轉(zhuǎn)化為草地時，土壤有機碳含量降低了18.77%；風(fēng)沙區(qū)進行植被恢復(fù)后，土壤有機碳含量顯著升高約2.16倍 (P<0.05)。土地利用方式的改變同時導(dǎo)致土壤其他理化性質(zhì)的改變，農(nóng)地退耕以及沙地恢復(fù)植被后，土壤C/N與粘粒含量均顯著升高(P<0.05)，土壤C/N分別提高了16.94%、17.68%，粘粒含量提高了71.43%、25.77%。而由林地轉(zhuǎn)化為草地導(dǎo)致土壤C/N升高了17.75%(P<0.05)，砂粒含量也顯著升高(P<0.05)。

3 討論

土壤有機碳在不同時空尺度上均表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性，本研究結(jié)果顯示，合理調(diào)整土地利用方式能夠有效提升土壤有機碳含量。羅由林等[18]研究也指出，土地利用方式的轉(zhuǎn)變是引起土壤有機碳空間差異的主因。與此同時，敖漢旗北部的風(fēng)沙土區(qū)通過多年不懈的植被恢復(fù)工程，控制風(fēng)沙活動有效地減弱區(qū)域的水土流失流失強度，植被蓋度明顯增加。隨著植被恢復(fù)年限的增加，極大促進了風(fēng)沙土區(qū)植被的正向演替，顯著地提高了土壤肥力，也使得風(fēng)沙區(qū)成為研究區(qū)土壤有機碳增長速率最高的地區(qū)。由此可見,通過合理的恢復(fù)治理措施，風(fēng)沙區(qū)能夠釋放出其巨大的土壤固碳潛力[19]。彭文英等[20]在黃土丘陵區(qū)的研究也表明退耕還林措施的實行能夠在30 a間將土壤有機碳儲量提升19.21%；張蕊等[21]研究也表明，隨著退耕還林年限的增加土壤有機碳含量也隨之增加，土壤各項理化性質(zhì)也向著有利的方向轉(zhuǎn)變，這均驗證了本研究得出的結(jié)論。

表5 土地利用方式轉(zhuǎn)變對土壤理化性質(zhì)的影響Table 5 Effect of land use types change on soil physical and chemical properties

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土地利用方式的改變，土壤粘粒含量的增高有利于土壤有機碳含量的累積。Rice等[22]研究發(fā)現(xiàn)，土壤粘粒含量高可以有效緩解有機碳的分解速度，進而促進土壤中有機碳含量的累積。土地利用方式的改變后在漫長的時間內(nèi)能夠?qū)е峦寥澜Y(jié)構(gòu)、機械組成等理化性質(zhì)的改變，重新調(diào)節(jié)土壤砂粒、粘粒、粉粒比例，為土壤有機碳的積累、轉(zhuǎn)化與分解提供了一個穩(wěn)定的新環(huán)境。本研究指出，退耕還林還草等植被恢復(fù)等措施能夠顯著降低土壤砂粒比例，提升土壤粘粒比例。同時，敖漢旗隨著退耕還林還草及沙區(qū)植被恢復(fù)措施的實施土壤C/N也顯著提高(P<0.05)。Marin-Spiotta等[23]的研究也佐證了較低的土壤C/N能夠積極促進土壤有機碳的分解，不利于土壤有機碳的累積。綜上所述，土地利用方式的改變從多方面影響著土壤理化性質(zhì)，在新的土地環(huán)境達到穩(wěn)定后，無論是土壤C/N,還是機械組成,均對土壤有機碳的累積、轉(zhuǎn)換、分解發(fā)揮著重要作用，由此可知，土地利用方式的轉(zhuǎn)化不單純是地表植被的替換過程，其對土壤內(nèi)部各理化性質(zhì)的改變才是影響土壤有機碳累積的內(nèi)在因素。

土地利用方式改變所形成的新的土壤環(huán)境是土壤有機碳時空分變異的主導(dǎo)因素，這與各土地利用方式本身具有直接關(guān)系。地表枯落物是土壤有機碳的重要來源，研究區(qū)林地積累了較厚的枯落物層，促使林地土壤有機碳含量遠高于其他土地。Breuer等[24]研究指出，農(nóng)地表層(20 cm)土壤有機碳儲量較草地低22 mg·hm-2；由于植被的影響，風(fēng)沙土地區(qū)的有機碳儲量顯著低于其他地區(qū)。Christopher等[25]研究表明，農(nóng)地退耕為林、草地均顯著提升土壤有機碳含量。另一方面，土地利用方式轉(zhuǎn)變后的前10 a是土壤有機碳含量變化集中時期，隨著時間的增加，趨于穩(wěn)定的新環(huán)境將加速土壤有機碳累積/分解速率。農(nóng)地受人活動的影響，在作物刈割后,地表大面積裸露，失去了枯落物對土壤碳補給，特別是在秋季風(fēng)沙活動強烈，裸露地表加劇了農(nóng)田土壤侵蝕。Poeplau等[26]研究同樣發(fā)現(xiàn)，頻繁的耕作措施升高了土壤溫度加劇土壤有機碳的礦化速率。這均導(dǎo)致農(nóng)地土壤有機碳含量低于林、草地。因此，退耕還林還草措施能夠改變原有土壤環(huán)境，促進土壤有機碳含量的累積。