周卓麗, 張卓棟, 羅建勇, 鄒心雨, 肖人杰

(北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室/防沙治沙教育部工程研究中心, 北京100875)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫，大于全球植被和大氣碳庫的總量[1]。土壤有機碳作為土壤的組成部分，對土壤結(jié)構(gòu)、持水能力、土壤肥力等具有重要作用[2]，其受自然和人為因素的綜合影響，具有明顯的空間差異[3]。研究土壤有機碳及其空間變異特征對土壤資源的可持續(xù)利用、全球碳循環(huán)等具有重要意義[4-5]。

近年來，大多數(shù)研究表明土壤有機碳主要呈現(xiàn)強烈或中等空間自相關(guān)，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)因子影響或由結(jié)構(gòu)因子和隨機因子共同引起[3,6-9]。地形、土壤性質(zhì)、植被覆蓋等是造成土壤有機碳空間變異的結(jié)構(gòu)因子[3,6-9]，而生態(tài)工程[10]、放牧等[11]人類活動是造成其空間變異的隨機因子，土壤侵蝕是有機碳空間變異的重要驅(qū)動力[12-15]。這些研究從分布特征、影響因子與機制等多個方面開展，為有機碳的空間變異研究做了有益的探索。然而，當(dāng)前研究主要集中在0—20 cm的表層，20 cm以下有機碳儲量仍占有較高的比重[16]，且在不同深度有機碳空間變異特征及機理存在差異[17]，研究這種差異有利于土壤資源的合理利用和碳儲量的準(zhǔn)確估算。土壤有機碳空間變異的強弱受尺度效應(yīng)的影響明顯[18]，目前研究多集中于小流域、區(qū)域及更大的空間尺度，對坡面尺度缺乏全面深入的研究。坡面尺度的研究能更直接地指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，且坡面是水土流失的重要單元[19]，侵蝕引起的土壤再分配會增強有機碳的空間變異，研究其空間變異對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水土保持具有重要意義。已有研究主要集中在黃土高原[6,18]、東北黑土區(qū)等[14]土壤侵蝕高發(fā)區(qū)，及西北森林草原和北方草原等重要碳匯區(qū)[4,7]，鮮有關(guān)注生態(tài)脆弱、土壤性質(zhì)空間變異較為突出的農(nóng)牧交錯區(qū)。

河北壩上地區(qū)屬于典型的農(nóng)牧交錯區(qū)，其生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣直接影響著京津地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量[20]。該區(qū)域草地面積占51.4%，由于大規(guī)模開墾與過度放牧導(dǎo)致草地退化、水土流失嚴(yán)重，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理的重要對象[20]，加強該區(qū)草地有機碳的研究對維護區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。

本研究選取河北壩上草地坡面為研究對象，實測0—60 cm不同深度的土壤有機碳含量。本研究目標(biāo)是獲取草地坡面尺度不同深度有機碳含量空間變異特征，分析小尺度下有機碳空間變異機理及其在不同深度的差異性，為農(nóng)牧交錯帶土壤資源管理與更有效的水土保護治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省豐寧滿族自治縣，地處內(nèi)蒙古高原東南緣，燕山山脈北部，海拔1 500～1 800 m。區(qū)域內(nèi)雨熱同期，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，年均溫約為0.6℃，年均降水量約400 mm，降水主要集中于6—9月[21]。土壤類型為簡育干潤均腐土[22]。植被優(yōu)勢種包括中華隱子草(CleistogeneschinensisMaxim.Keng.)、散穗早熟禾(PoasubfastigiateTrin.)、黃囊苔草(CarexkorshinskyiKom)等，土地利用類型以草地為主。

采樣點分布于豐寧縣大灘鎮(zhèn)二道河村火石溝南側(cè)一草地坡面(41.534°N,116.112°E)(圖1)，樣地坡向為88°，坡度為14.8°。坡面東西跨度280 m，南北跨度200 m，高差為90 m，總面積約2.7 hm2。該坡面起伏較小，根據(jù)微地形可分為凸坡、偏凸坡、偏凹坡和凹坡4種坡形，表現(xiàn)出壩上草原典型的丘陵山地的地形特征。

圖1 研究坡面概況及采樣點分布

1.2 野外采樣及實驗室分析測定

在4種坡形順坡方向各布設(shè)8個采樣點，共計32個點。凸坡、偏凸坡、偏凹坡和凹坡4個坡形分別編號為A，B，C和D，所有樣點由坡上至坡下分別編號為1—8(圖1)。使用土鉆在每個點按5 cm間隔取樣，取樣深度為60 cm，凸坡頂部以及偏凹坡中部有兩個采樣點由于礫石影響，分別只取到了45 cm和50 cm，共獲取379個樣。土樣自然風(fēng)干后，除去植物根系和礫石并稱重，研磨后過0.15 mm篩，使用德國Elementar Vario TOC總有機碳分析儀測定所有樣品有機碳含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 20.0對有機碳數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。運用Origin 2017繪制不同坡位、坡形有機碳含量隨深度變化的箱型圖。利用GS+9.0進行地統(tǒng)計分析，分析不同深度有機碳含量的自相關(guān)程度，在ArcGIS 10.4中對各層有機碳含量進行克里金插值，并將插值結(jié)果在Surfer 13中建立3D模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機碳含量統(tǒng)計特征

隨著深度的增加土壤有機碳含量總體呈現(xiàn)減小的趨勢(表1)，這與席小康等[7]在錫林河流域草地的研究結(jié)果相同。從0—5 cm到55—60 cm平均值降低了1.69%。30 cm以下深度的有機碳平均值低于坡面平均水平。各個深度的有機碳含量都屬于中等變異，但是隨著深度增加變異系數(shù)逐漸增大，這與劉偉等[23]在黃土高原草地的研究結(jié)果一致。說明該坡面上層土壤中有機碳含量更為均一，深層土壤中有機碳含量差異相對更為明顯。K-S檢驗表明各個深度的土壤有機碳數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，可以對其進行地統(tǒng)計分析。

表1 不同采樣深度土壤有機碳統(tǒng)計特征

2.2 土壤有機碳含量空間變異特征

土壤有機碳的地統(tǒng)計結(jié)果顯示(表2)，塊金值在0.00～0.13，說明在一些深度存在由隨機因子引起的土壤有機碳的空間異質(zhì)性。隨著深度增加基臺值逐漸增大，表明系統(tǒng)空間內(nèi)的總變異在增大。塊金比分布在0.06%～8.80%，各深度均為強空間自相關(guān)，其空間變異主要由結(jié)構(gòu)因子引起，與馮娜娜等[9]坡面尺度的研究結(jié)果相同，小于李龍等[18]研究的小流域、中等區(qū)域、縣域尺度的塊金比27.66%，33.42%，36.61%，這些較大尺度有機碳的空間變異由隨機因素和結(jié)構(gòu)因素共同引起。大尺度上植被、土壤分布可以綜合體現(xiàn)研究區(qū)的環(huán)境特征，是影響有機碳空間變異的主導(dǎo)因子，而小尺度上植被、土壤分布相對單一，地形是關(guān)鍵因素[18]。表層受到人類活動干擾，變程最小，其他深度變程在100.90—108.50 m，表明表層土壤有機碳的空間自相關(guān)距離明顯小于其他深度。該坡面變程小于馮娜娜等[9]的311 m，可能原因是本研究選取的是存在4種坡形的不規(guī)則坡面，在地形影響下土壤有機碳的自相關(guān)距離減弱，變異性增強。以上結(jié)果表明，土壤有機碳的空間變異特征及其影響因素具有明顯的尺度效應(yīng)，對坡面尺度土壤有機碳的研究具有重要意義。

表2 不同采樣深度土壤有機碳地統(tǒng)計特征

土壤有機碳插值結(jié)果顯示(圖2)，各層有機碳含量的空間分布特征較為一致，沿坡形走向呈條帶狀分布，總體趨勢為從凸坡向凹坡逐漸升高。Wiaux等[12]對黃土侵蝕坡面有機碳分布的研究也認(rèn)為凸形坡肩的有機碳含量比其他地貌類型更低。表層坡中有機碳含量高于坡上和坡下部位。在坡形和坡位的綜合作用下，凹坡中下部土壤有機碳含量高，偏凹坡和偏凸坡中部有機碳含量較高，而凸坡在深層坡中上部位高于坡下。表層到深層有機碳含量總體呈降低趨勢，表層受人為因素的干擾，減弱了表層各坡形之間的差異，而深層差異相對較大。A3，B5，B8，C1，D5，D6點在對應(yīng)的坡形中各個深度有機碳含量都較高，A1，A8，B7，C7，D1點在對應(yīng)坡形的各個深度都較低，A5，B4，C2，D4點從表層到深層有機碳含量降低的比較明顯。坡面有機碳的最大值位于5—10 cm凹坡的D3點，最小值位于55—60 cm凸坡的A2點。以上結(jié)果表明，微地形中的坡形和坡位是影響坡面土壤有機碳含量空間變異的關(guān)鍵因素。

圖2 坡面各個深度土壤有機碳的空間分布

2.3 土壤有機碳含量隨深度變化特征

按采樣點的海拔將其分為坡上、坡中、坡下3個坡位。有機碳含量在各個坡位均呈現(xiàn)由表層至深層逐漸減小的特點，且坡中有機碳含量隨深度減小的速率相對更大(圖3)?？傮w上有機碳含量坡下>坡中>坡上，基本符合有機碳在坡上隨土壤侵蝕流失，搬運、堆積在坡中、坡下的一般規(guī)律，這與何燕等[24]研究結(jié)論相似。坡下和坡中之間沒有顯著差異，而坡上與坡下、坡中差異顯著(p<0.01)。與總體趨勢不同，有機碳含量在表層0—10 cm表現(xiàn)為坡中>坡下>坡上。

圖3 土壤有機碳在不同坡位隨深度變化規(guī)律

隨著土層深度的增加有機碳含量在4個坡形均減小，其中凸坡減小的速率相對最快，偏凸坡和凹坡次之，偏凹坡減小的最慢，且隨著深度增加坡形之間的差異越明顯(圖4)。各深度有機碳含量均呈現(xiàn)凹坡>偏凹坡>偏凸坡>凸坡，凹坡、偏凹坡與其他坡形間差異顯著(p<0.01)。楊丹等[8]的研究表明在不同深度土壤有機碳含量與地形的凸凹度有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。凹坡有一個有機碳含量明顯偏小的點(D1)，該點位于凹坡頂部，是坡面采樣點中海拔最高的點，在各個深度有機碳含量都明顯低于凹坡的其他樣點。

圖4 土壤有機碳在不同坡形隨深度變化規(guī)律

2.4 土壤有機碳空間變異機制

以上結(jié)果表示坡面土壤有機碳空間差異較大，受結(jié)構(gòu)因子的影響，各層均為強空間自相關(guān)性，但在一些深度也受人為活動的干擾產(chǎn)生一定的隨機差異。研究區(qū)為小尺度草地坡面，氣候、土地利用條件一致，結(jié)構(gòu)因子主要是地形、土壤性質(zhì)和植被，隨機因子為試驗誤差、放牧等人類活動。

坡位和坡形是導(dǎo)致坡面有機碳含量空間變異的重要因子，有機碳含量從地勢高的排水區(qū)向低洼匯水區(qū)遞增(圖3)。土壤在排水區(qū)更易受到侵蝕，而土壤侵蝕優(yōu)先使與細(xì)顆粒結(jié)合的有機碳在流水及重力作用下遷移流失，并堆積在匯水區(qū)[14]。土壤有機碳含量與土壤顆粒大小有密切關(guān)系，砂粒含量大的土壤水肥易流失，而粉粒對土壤水分有效性具有正效應(yīng)，黏粒通過與有機碳結(jié)合形成有機—無機復(fù)合體對有機碳有保護作用[25]。該坡面土壤機械組成的空間變異研究[21]表明坡上、坡中部位及凸坡砂粒含量較高，黏粒和粉粒主要分布在地勢較低的坡下和偏凹坡、凹坡。此外，地勢低洼區(qū)土壤水分含量高，有利于減緩有機碳的礦化[14]。

土壤有機碳含量與根系生物量分布趨勢相似。植物根系死亡后進入土壤碳循環(huán)過程，是草原土壤有機碳的重要物質(zhì)來源[4]，其對土壤有機碳儲量的貢獻遠(yuǎn)大于地表植被[26]。該坡面地表植被條件較為一致，但根系生物量的差異較為明顯[27]，極大值多出現(xiàn)在凹坡和凸坡，但凹坡有機碳含量卻顯著大于凸坡。凹坡優(yōu)越的水土條件利于植物根系生長，為凹坡有機碳的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而凸坡土壤礫石含量高、土壤粗化嚴(yán)重，冷蒿根系攀附于礫石對土壤侵蝕不利條件做出逆反饋，有機碳含量隨土壤侵蝕加劇而進一步減小。根系的垂直分布特征及分解速率對不同深度有機碳含量有直接影響[25]。0—20 cm的有機碳含量顯著高于下層，底層僅為表層的55%，該坡面植被根系生物量表層明顯大于深層，且微生物活動更強，導(dǎo)致有機碳含量高。例如淺層的A3，A6點、深層的D6點附近根系含量較大，有機碳含量也高。此外，偏凹坡隨深度增加有機碳含量減小的速率最緩，這與偏凹坡的根系生物量呈現(xiàn)出相似特征。

表層土壤有機碳含量受人類活動的影響而降低。與其他土層不同，該坡面表層0—10 cm深度坡下有機碳含量小于坡中(圖3)。坡底為一級河流階地，同時有鄉(xiāng)間土路穿過，牲畜踩踏、人車通行對坡下表層土壤擾動較大，破壞坡下的植被及土壤結(jié)構(gòu)，降低了有機物質(zhì)的輸入和分解，進一步導(dǎo)致有機碳含量降低，減弱了坡形、坡位的影響程度，王明君等[11]的研究也發(fā)現(xiàn)同樣的問題。

地形控制著坡面的水熱再分配，決定了坡面水土流失的方向和強度，影響土壤性質(zhì)的空間變異。粉粒和黏粒與有機碳聚合形成膠體對有機碳積累具有正效應(yīng)，在相同動能條件下比砂粒更易被侵蝕、搬運，土壤有機碳也表現(xiàn)出相應(yīng)的空間分布特征。植物根系是有機碳積累的重要物質(zhì)來源，其分割、粘結(jié)作用也利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)。植物根系的垂直分布及分解速率差異形成了不同深度有機碳的空間變異。

3 結(jié) 論

該坡面土壤有機碳含量平均為2.72%，隨深度增加其含量逐漸減少，各層變異系數(shù)均屬于中等。土壤有機碳空間分布差異較大，整體表現(xiàn)為凹坡>偏凹坡>偏凸坡>凸坡，坡下>坡中>坡上。各層土壤有機碳均屬于強空間自相關(guān)，表層變程為49.8 m，其他層穩(wěn)定分布在100.90～108.50 m。

坡面土壤有機碳的空間變異主要由地形、土壤顆粒和植物根系等結(jié)構(gòu)性因子引起。坡形、坡位是影響坡面尺度土壤有機碳的關(guān)鍵因素，不同深度土壤有機碳的差異主要受根系生物量的直接影響，在衡量區(qū)域有機碳水平、估算有機碳儲量時，需要著重加以考慮。

致謝:感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部高曉飛高級實驗師在試驗方面提供的指導(dǎo)，感謝于浩、冀東瑩、李曉輝、旦周加、孫傳龍等人在野外采樣和樣品處理方面的幫助。