楊澤，張一鶴，戴慧敏，劉國(guó)棟，劉凱，許江

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

土壤作為陸地最大的碳庫[1]和最大的有機(jī)碳庫[2]，在全球碳循環(huán)中起著重要的作用。土壤有機(jī)碳(SOC)含量及其動(dòng)態(tài)變化直接影響著全球碳循環(huán)，也影響著土壤質(zhì)量和植物生長(zhǎng)[3-5]。由于受結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性因素的影響，土壤有機(jī)碳在空間分布上存在一定的異質(zhì)性，即使在相鄰位置，土壤有機(jī)碳含量也會(huì)因?yàn)閺?fù)雜的環(huán)境而產(chǎn)生較大差異[6-9]。因此，準(zhǔn)確地獲取區(qū)域尺度內(nèi)土壤有機(jī)碳含量及空間變異的主控因素，對(duì)土壤有機(jī)碳的調(diào)控和恢復(fù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及全球環(huán)境保護(hù)都具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[6-13]針對(duì)不同尺度上的土壤有機(jī)碳空間變異的主控因素開展了研究，結(jié)果表明：在眾多的影響因素中，定性因素如成土母質(zhì)、植被類型或土地利用方式以及土壤類型等對(duì)土壤有機(jī)碳空間分布的影響顯著[14-17]。不同尺度上土壤有機(jī)碳空間分布的定性主控因素也存在明顯的區(qū)域差異，如：河北省省域尺度上土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳空間變異的解釋能力大于土壤類型[11]；徐淮黃泛平原上土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳空間分布的影響大于成土母質(zhì)和土壤類型[10]；江蘇省域尺度上成土母質(zhì)的影響大于土地利用方式[18]；江西省域尺度上秸稈還田的影響大于成土母質(zhì)和土地利用方式[6]；縣級(jí)尺度上，福建龍海市[19]的土壤類型較土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的空間分布影響更大，川中丘陵縣域[7]土地利用方式較土壤類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的空間分布影響更大。以上研究表明，成土母質(zhì)、土壤類型以及土地利用方式等定性因素對(duì)土壤有機(jī)碳空間分布的影響隨著研究區(qū)域和尺度的不同而發(fā)生變化，存在明顯的區(qū)域特征和尺度效應(yīng)[7]。此外，以往研究多集中于結(jié)構(gòu)性因素對(duì)土壤有機(jī)碳空間變異的研究，對(duì)隨機(jī)性因素考慮較少。因此，充分地考慮研究區(qū)內(nèi)土壤的結(jié)構(gòu)性(地形地貌、成土母質(zhì)、土壤類型等)與隨機(jī)性(土地利用方式、土壤開墾年限等)因素對(duì)準(zhǔn)確把握土壤有機(jī)碳空間變異的主控因素、掌握調(diào)控土壤有機(jī)碳的關(guān)鍵因子等方面具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

興凱湖平原位于黑龍江省東部偏南，是我國(guó)東北黑土區(qū)重要的商品糧基地之一，但多年來一直未開展過系統(tǒng)的多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查，有關(guān)整個(gè)平原區(qū)土壤有機(jī)碳的研究也鮮有報(bào)道。本研究基于2019年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心在興凱湖平原開展的1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查表層土壤數(shù)據(jù)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)分析、半變異函數(shù)分析和回歸分析等方法，結(jié)合成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤類型、土地利用方式及開墾年限等影響因素，對(duì)興凱湖平原土壤有機(jī)碳空間變異的主控因素進(jìn)行定量研究，以期為興凱湖平原土壤有機(jī)碳調(diào)控、恢復(fù)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

興凱湖平原位于黑龍江省東部偏南，東與俄羅斯接壤，西至張廣才嶺，北依完達(dá)山，南抵興凱湖，總面積約16 000 km2，行政區(qū)跨越虎林市、密山市等。研究區(qū)屬中緯度寒溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)，嚴(yán)寒而干燥，夏季短促，溫暖且濕潤(rùn)，年平均溫度2.9～3.1 ℃。區(qū)內(nèi)雨量充沛，多年平均降水量為526～710 mm，每年6～9月降水占全年降水量總量的70%；蒸發(fā)量為降水量的1.5～2倍，每年5～9月蒸發(fā)量占全年總量的70%。

研究區(qū)地形總體由西向東傾斜，坡降1/6 000～1/10 000，平原區(qū)地勢(shì)低平，微有起伏，僅在虎林市和虎頭鎮(zhèn)散布著被地塹切割殘余的孤山。地貌上，西部為侵蝕低山、丘陵區(qū)，東部為沖積—湖積平原區(qū)。區(qū)內(nèi)水系比較發(fā)育，主要河流由南往北依次為穆棱河、七虎林河及阿布沁河，均為烏蘇里江左翼支流。

區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)以第四紀(jì)沖積、湖積物及不同時(shí)期的砂巖風(fēng)化物為主。土壤類型以白漿土為主，其次為暗棕壤、沼澤土及草甸土。主要土地利用為耕地，以水田為主，其次為林地和沼澤地。糧食作物以水稻為主，兼有大豆和玉米(圖1)。

圖1 研究區(qū)高程、采樣點(diǎn)(a)及土地利用類型(b)Fig.1 Elevation, sampling sites(a) and land use(b) of the study area

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

依據(jù)《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[20]和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[21]，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心于2019年在興凱湖平原開展1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作，網(wǎng)格化采集土壤表層和深層樣品，表層土壤采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/km2，采樣深度為0～20 cm(土柱)，1個(gè)點(diǎn)/4 km2組合分析；深層土壤采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/4 km2，采樣深度為150～200 cm(土柱)，1個(gè)點(diǎn)/16 km2組合分析。樣點(diǎn)均采用GPS進(jìn)行定位，采集后的樣品進(jìn)行晾干、碎樣、過20目篩，采取四分法，稱取200 g后裝紙袋送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。共獲得表層土壤組合樣品4 151件，深層土壤組合樣品1 000余件。本次數(shù)據(jù)源主要采用表層土壤樣品數(shù)據(jù)。

土壤樣品測(cè)試由遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限責(zé)任公司承擔(dān)，土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀法。樣品分析過程中采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)土樣監(jiān)控分析測(cè)試的準(zhǔn)確度，采用重復(fù)樣監(jiān)控分析測(cè)試的精密度。一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的所有分析指標(biāo)合格率為100%，重復(fù)樣合格率符合《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)中的樣品分析質(zhì)量控制要求，測(cè)試指標(biāo)報(bào)出率均達(dá)到100%，異常點(diǎn)重復(fù)性檢驗(yàn)合格率95.8%。

2.2 其他數(shù)據(jù)來源

本文所用其他數(shù)據(jù)來源說明如下：

土地利用數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫是在國(guó)家科技支撐計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目等多項(xiàng)重大科技項(xiàng)目的支持下，經(jīng)過多年的積累而建立的覆蓋全國(guó)陸地區(qū)域的多時(shí)相土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。采用的4期數(shù)據(jù)集包括20世紀(jì)70年代末期、1995年、2010年和2018年，數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成，數(shù)據(jù)分辨率為1 km柵格數(shù)據(jù)。

土壤類數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，原數(shù)據(jù)來自全國(guó)土壤普查辦公室組織完成的《1∶100萬中華人民共和國(guó)土壤圖》，由中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所完成數(shù)據(jù)庫建設(shè)，屬性字段包含了土綱、土類及亞類。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析以及回歸分析均在SPSS 25軟件中完成；考慮到成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用方式和開墾年限為定性分類變量，研究中采用啞變量(虛擬變量)進(jìn)行賦值，相關(guān)方法參見文獻(xiàn)[6-7]。土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后，在GS+9.0中進(jìn)行半變異函數(shù)分析。由于原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，故在ArcGIS 10.2中采用反距離權(quán)重法獲得土壤有機(jī)碳空間分布圖。

2.3.1 化學(xué)蝕變指數(shù)

化學(xué)蝕變指數(shù)(chemical index of alteration，CIA)是判別由硅酸鹽礦物組成的沉積物風(fēng)化程度最常用的化學(xué)指標(biāo)，該指標(biāo)也經(jīng)常被用作土壤風(fēng)化程度的指標(biāo)[22]。其計(jì)算公式為

(1)

式中氧化物均為分子摩爾數(shù);CaO*為硅酸鹽相，采用McLennan計(jì)算方法[23]。CIA反映了長(zhǎng)石風(fēng)化成黏土礦物的程度，CIA值越高，指示氣候溫暖濕潤(rùn)，風(fēng)化程度越高；反之，寒冷干燥，風(fēng)化程度低。CIA值介于50～65為低化學(xué)風(fēng)化程度，CIA值介于65～85為中化學(xué)風(fēng)化程度，CIA值介于85～100為強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化[24-27]。

2.3.2 土地開墾年限

使用ArcGIS10.2值提取至點(diǎn)功能，將4期遙感解譯土地利用狀況提取至采樣點(diǎn)，在Excel中根據(jù)采樣點(diǎn)不同時(shí)期的土地利用情況計(jì)算采樣點(diǎn)位置處的土地開墾年限，一直為草地、林地、濕地等自然狀態(tài)的土地，開墾年限為0，其他土地利用類型的開墾年限以實(shí)際情況計(jì)算為準(zhǔn)，截止計(jì)算年為2019年。

3 結(jié)果與討論

3.1 興凱湖平原表層土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量變化范圍(表1)為0.35%～14.49%，平均值2.80%，變異系數(shù)為0.44，屬于中等變異水平，表明研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳空間分布存在一定的不均。從偏度來看，原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，呈現(xiàn)右偏；從峰度來看，數(shù)據(jù)比較陡峭。對(duì)表層土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后，數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布(圖2)。與以往研究結(jié)果對(duì)比(表2)，研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳高于東北黑土、東北平原以及中國(guó)大陸的平均值，低于黑龍江省的平均值(1986～1990年)。對(duì)照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)中土壤養(yǎng)分指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，興凱湖平原土壤有機(jī)質(zhì)(折算后)含量達(dá)到豐富、較豐富水平。

表1 表層土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of SOC content in topsoil

圖2 研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量及其對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換值的頻率分布Fig.2 Histograms of SOC contents and its log-transformed values in the study area

表2 研究區(qū)與其他地區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量對(duì)比Table 2 Comparison of SOC content in topsoil between Xingkai Lake Plain and other regions

3.2 半變異函數(shù)分析

半方差分析能較好地刻畫土壤有機(jī)碳空間分布的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性。運(yùn)用GS+軟件對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行半變異函數(shù)擬合(表3、圖3)。根據(jù)決定系數(shù)(R2)、殘差(RSS)等，選擇變異函數(shù)的擬合模型。由表3可知，研究區(qū)土壤有機(jī)碳變異函數(shù)比較符合球形模型，R2為0.962，擬合效果較好。塊金值為0.016，說明在當(dāng)前的采樣尺度范圍內(nèi)存在由采樣誤差、短距離的變異、隨機(jī)因素引起的變異。塊金效應(yīng)為47.06%，表明區(qū)域內(nèi)存在中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，說明研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量空間分布受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響且更傾向于受結(jié)構(gòu)性因素的影響。其中，結(jié)構(gòu)性因素主要是指土壤在形成過程中的母質(zhì)類型、土壤類型等，隨機(jī)性因素則是指諸如土地利用方式等能在一定程度上反映耕作活動(dòng)、種植制度、投入管理水平差異的人為活動(dòng)因素；結(jié)構(gòu)性因素使得土壤屬性具有空間自相關(guān)性，而隨機(jī)性因素則會(huì)減弱土壤屬性的空間自相關(guān)性，增大其異質(zhì)性。變程(A)為135.7 km，說明研究區(qū)土壤有機(jī)碳自相關(guān)范圍較大，可能與研究區(qū)平原地貌有關(guān)。

表3 研究區(qū)土壤有機(jī)碳半方差函數(shù)模型及其參數(shù)Table 3 Theoretical semivariogram model for SOC content and parameters values in the study area

圖3 研究區(qū)土壤有機(jī)碳半方差函數(shù)Fig.3 Isotropic semivariogram of SOC in the study area

3.3 有機(jī)碳空間變異特征

為了更直觀反映研究區(qū)土壤有機(jī)碳的空間變異特征，采用反距離加權(quán)空間插值方法獲得興凱湖平原表層土壤有機(jī)碳含量的空間分布。如圖4所示，研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)“中、西部低，東、北部高”的分布格局，體現(xiàn)了興凱湖平原土壤有機(jī)碳空間分布不均的特點(diǎn)。高值區(qū)(>3%)主要分布在研究區(qū)東部的興凱湖農(nóng)場(chǎng)—忠誠(chéng)鄉(xiāng)、北部的珍寶島鄉(xiāng)—東方紅鎮(zhèn)—云山農(nóng)場(chǎng)及西北部的向陽村附近；低值區(qū)(<2%)主要分布在研究區(qū)中、西部地區(qū)。土壤有機(jī)碳含量以2%～3%為主，占研究區(qū)總面積的49.35%；其次為3%～5%，占研究區(qū)總面積的30.64%。有機(jī)碳總體水平較高，與統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。大部分高值區(qū)均在海拔較低處。

圖4 研究區(qū)土壤有機(jī)碳空間分布Fig.4 Spatial distribution of SOC in the studyarea

3.4 土壤有機(jī)碳空間變異的影響因素

3.4.1 成土母質(zhì)

成土母質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響主要表現(xiàn)在對(duì)土壤礦物質(zhì)組成、土壤風(fēng)化程度與土壤質(zhì)地等方面的影響。對(duì)研究區(qū)不同母質(zhì)發(fā)育的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)，結(jié)果表明，不同成土母質(zhì)間土壤有機(jī)碳均值差異明顯，其中三疊紀(jì)變質(zhì)巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤其有機(jī)碳含量最高，平均值為4.13%；其次為三疊紀(jì)板巖及粉砂巖風(fēng)化物(3.20%)、元古宙變質(zhì)巖風(fēng)化物(3.15%)、中更新世松散堆積物(3.08%)及太古宙變質(zhì)巖風(fēng)化物(3.03%)；新近紀(jì)砂巖、砂礫巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤有機(jī)碳含量最低，其平均值僅為1.81%。同種巖性不同時(shí)代的風(fēng)化物，土壤有機(jī)碳含量也有差異。以玄武巖為例，全新世玄武巖風(fēng)化物發(fā)育而成的土壤有機(jī)碳含量明顯低于新近系玄武巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤。從變異情況來看，各成土母質(zhì)下土壤有機(jī)碳含量變異系數(shù)為0.18～0.65，除新近紀(jì)砂巖、砂礫巖母質(zhì)為低變異外，其余成土母質(zhì)變異系數(shù)均為中等變異。

表4 研究區(qū)不同成土母質(zhì)土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征Table 4 Descriptive statistics characteristics of SOC content with different soil parent materials in the study area

3.4.2 土壤質(zhì)地

土壤質(zhì)地是影響土壤有機(jī)碳含量的重要因素。已有研究表明，土壤機(jī)械組成影響著土壤的耕性、通透性、保水保肥性能[32-33]，特別是砂粒和黏粒含量，可以顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)的累積和礦物組成[34]。本次工作未測(cè)試土壤的質(zhì)地，但可采用獲得的地球化學(xué)指標(biāo)側(cè)面反映土壤的質(zhì)地，如硅鋁鐵率[35]、土壤化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)等。根據(jù)二者與土壤有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)大小，本次采用相關(guān)系數(shù)較大的土壤化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)。CIA值與長(zhǎng)石風(fēng)化成黏土礦物的程度成正比，CIA值越大，風(fēng)化強(qiáng)度越大，相應(yīng)的土壤的粒級(jí)會(huì)越細(xì)。研究區(qū)土壤風(fēng)化指數(shù)平均值為66.21，范圍為52.62～80.82，變異系數(shù)為0.05，為低變異水平。由表5可知，隨著土壤有機(jī)碳含量的增加，CIA平均值呈增大的趨勢(shì)，表明土壤有機(jī)碳含量與CIA具有良好的相關(guān)關(guān)系。據(jù)相關(guān)性分析，土壤有機(jī)碳含量與CIA呈現(xiàn)非常顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.549。以上分析表明，土壤質(zhì)地與有機(jī)碳的空間分布具有很好的關(guān)聯(lián)性。

表5 研究區(qū)不同土壤有機(jī)碳含量土壤風(fēng)化指數(shù)統(tǒng)計(jì)特征Table 5 Descriptive statistics characteristics of CIA with different SOC content in the study area

3.4.3 土壤類型

研究區(qū)不同土壤類型有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表6)，不同土壤類型有機(jī)碳含量具有一定差別。沼澤土平均值最高，為3.28%，泥炭土、草甸土、暗棕壤、白漿土及黑土次之，平均值在2.54%～2.88%，水稻土最低，平均值為2.47%。各土類有機(jī)碳含量之間差距不大，最大值僅為最小值的1.4倍，反映出土壤類型對(duì)有機(jī)碳的空間分布影響不大。從變異系數(shù)來看，黑土的變異系數(shù)最小，為0.24，暗棕壤的變異系數(shù)最大，為0.50。7種土類的變異系數(shù)平均值為0.4，與全區(qū)土壤有機(jī)碳含量的平均變異系數(shù)接近。

表6 研究區(qū)不同土壤類型有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征Table 6 Descriptive statistics characteristics of SOC contents under different soil types in the study area

3.4.4 土地利用方式

不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量平均值差異明顯(表7)。草地有機(jī)碳平均值最高，達(dá)3.33%，其次為濕地、水田、有林地，達(dá)2.92～3.08%，灘地最低，為2.16%。耕地中水田土壤有機(jī)碳高于旱田，約為其1.2倍。從變異系數(shù)來看，居民用地的變異系數(shù)最小，為0.28；其次為水田(0.33)，灌木林最大，為0.54，其余土地利用方式變異系數(shù)在0.4左右。

表7 研究區(qū)不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征Table 7 Descriptive statistics characteristics of SOC contents under different land use types in the study area

3.4.5 開墾年限

不同開墾年限土壤有機(jī)碳含量變化明顯，隨著開墾年限的增加,土壤有機(jī)碳基本呈下降趨勢(shì)(表8)。開墾5年的土壤有機(jī)碳平均值最高，達(dá)4.37%，開墾10年的平均值為3.78%，開墾15～20年為2.7%左右，25年略有升高，開墾40年的土壤有機(jī)碳平均值最低，為2.45%，為開墾5年土壤有機(jī)碳的56%。未開墾的土壤多位于山區(qū)，少部分位于濕地，受立地條件差異較大，故土壤有機(jī)碳平均值略低，變異系數(shù)較大。

表8 研究區(qū)不同開墾年限土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征Table 8 Descriptive statistics characteristics of SOC contents under different reclamation years in the study area

3.5 主控因素研究

為定量解釋各影響因素對(duì)土壤有機(jī)碳的空間變異的獨(dú)立解釋能力，對(duì)成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤類型、土地利用方式及開墾年限進(jìn)行回歸分析(表9)。所有自變量均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。結(jié)果表明，成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤類型、土地利用方式及開墾年限等因素對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳均有顯著性影響，其中土壤質(zhì)地對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳空間變異影響最大，能夠獨(dú)立解釋空間變異的30.1%，顯著高于其他因素；其次為土地利用方式、成土母質(zhì)、土壤類型和開墾年限。這5項(xiàng)影響因素合計(jì)能夠解釋41.2%的有機(jī)碳空間變異。這表明興凱湖平原土壤有機(jī)碳空間變異的主控因素為土壤質(zhì)地，其次為土地利用方式。

表9 研究區(qū)不同因素對(duì)土壤有機(jī)碳的回歸分析結(jié)果Table 9 Regression analysis of SOC with different factors in the study area

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)構(gòu)性因素對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

結(jié)構(gòu)性因素中土壤質(zhì)地的獨(dú)立解釋能力最高，遠(yuǎn)高于成土母質(zhì)和土壤類型，是興凱湖平原土壤有機(jī)碳空間變異的主控因素。該結(jié)果與趙明松等[18]的研究結(jié)果一致，獨(dú)立解釋能力均在30%左右。這主要是因?yàn)橥寥乐叙ち：枯^高會(huì)增加物理和化學(xué)保護(hù)機(jī)制，即黏粒通過與有機(jī)物質(zhì)結(jié)合形成有機(jī)—無機(jī)復(fù)合體，吸附穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)，降低了SOM的礦化速度，有利于有機(jī)質(zhì)的積累；相反，砂粒含量較高的土壤中則減少或缺少這種保護(hù)機(jī)制，有機(jī)質(zhì)礦化分解速率加快，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量低[36-37]。工作區(qū)受地形地貌及河流沉積作用的影響，土壤質(zhì)地空間分布不均(見圖5)。工作區(qū)西部地區(qū)屬低山丘陵區(qū)，CIA值普遍小于65，個(gè)別點(diǎn)位CIA值略大，整體反映西部土壤風(fēng)化程度較低；東部和北部地區(qū)CIA值普遍大于65，在北部的七虎林河以北地區(qū)普遍大于68，東部的興凱湖以東地區(qū)也存在大于68的集中分布地區(qū)，表明東部平原區(qū)土壤整體風(fēng)化程度較西部地區(qū)高。土壤質(zhì)地的分布于有機(jī)碳空間分布高度吻合，表明土壤質(zhì)地對(duì)土壤有機(jī)碳的空間變異影響較大。

圖5 研究區(qū)表層土壤CIA分布Fig.5 CIA distribution of topsoil in the study area

成土母質(zhì)對(duì)土壤的物理性狀和化學(xué)組成均有極其重要的影響。在一定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境內(nèi)，土壤元素含量(如有機(jī)碳)和土壤性狀與母質(zhì)有著緊密的關(guān)系[38]，但在成土母質(zhì)的劃分上，無法劃分到粒級(jí)的級(jí)別，如第四紀(jì)松散堆積物僅劃分為全新世松散堆積物、晚更新世松散堆積物、中更新世松散堆積物，不能很好地對(duì)應(yīng)質(zhì)地的分級(jí)，因此成土母質(zhì)的獨(dú)立解釋能力要低。土壤類型亦是如此。有研究表明[6-7,39]，土壤類型對(duì)土壤有機(jī)碳空間變異性的獨(dú)立解釋能力與土壤分類級(jí)別呈反比，即土壤分類級(jí)別越低解釋土壤有機(jī)碳空間變異性的能力越強(qiáng)。這是因?yàn)榈图?jí)別的土壤類型分類是在高級(jí)別的分類基礎(chǔ)上疊加更加精細(xì)的指標(biāo)進(jìn)一步分類的結(jié)果。本次未搜集到土屬一級(jí)的分類，故未開展相關(guān)研究。

4.2 隨機(jī)性因素對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

本次研究的隨機(jī)性因素中，土地利用方式是僅次于土壤質(zhì)地的影響土壤有機(jī)碳空間變異的因素，高于土壤開墾年限。土地利用方式作為自然條件和人為活動(dòng)的綜合反映，通過有機(jī)物的輸入以及控制土壤有機(jī)碳積累和釋放速度來影響土壤有機(jī)碳含量[11,16]。已有研究表明，不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量差異顯著[12,16]，同一研究區(qū)內(nèi)土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳空間變異的獨(dú)立解釋能力高于土類和亞類，但低于土屬[10-11]。本次研究結(jié)果與已有研究結(jié)果基本一致。研究區(qū)土壤有機(jī)碳平均值呈現(xiàn)草地>濕地>水田>有林地>灌木林>旱田>居民用地>灘地。耕地中水田土壤有機(jī)碳含量明顯高于旱田，是旱田的1.2倍。這是因?yàn)樗锔鐨埩袅看?，相?dāng)于部分秸稈還田，有機(jī)質(zhì)歸還量比旱田高，大部分被微生物稍經(jīng)分解即轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)儲(chǔ)存于土壤中，且水田長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，易積累，因而土壤有機(jī)碳含量較旱田高。土地利用方式對(duì)有機(jī)碳空間變異的獨(dú)立解釋能力為9.2%，大于土壤類型的3.8%。以上分析表明，土地利用方式也是研究區(qū)土壤有機(jī)碳空間變異的重要因素之一，可通過改變工作區(qū)土地利用方式進(jìn)行土壤碳庫的調(diào)控，比如地勢(shì)低洼的土地退耕還濕、還草；也可通過秸稈還田等保護(hù)性耕作制度達(dá)到提高土壤碳庫的目標(biāo)。

土壤開墾年限對(duì)于土壤有機(jī)碳空間變異在4種定性因素中解釋能力最低，與土壤類型基本相當(dāng)?？赡茉蛴袃煞矫?，一方面是本次搜集的土地利用期次較少，對(duì)于開墾年限的確定不夠精確，導(dǎo)致絕大部分采樣點(diǎn)位于0、25和40年，其他年限采樣點(diǎn)數(shù)量太少；另一方面，土壤開墾年限對(duì)有機(jī)碳的影響可能主要體現(xiàn)在土壤有機(jī)碳的變化，因此其在解釋土壤有機(jī)碳變化方面的效果應(yīng)該要好于土壤有機(jī)碳的空間變異。

4.3 結(jié)論

1)興凱湖平原表層土壤有機(jī)碳含量在0.35%～14.49%，平均值2.80%，這一含量水平高于東北黑土、東北平原以及中國(guó)大陸的平均值，低于黑龍江省的平均值(1986～1990年)。變異系數(shù)分別為0.44，屬于等程度的空間變異性。土壤有機(jī)質(zhì)(折算后)含量達(dá)到豐富、較豐富水平。

2)土壤有機(jī)碳空間自相關(guān)范圍較大，其空間變異更趨向于受結(jié)構(gòu)性因素的影響，在全區(qū)表現(xiàn)為“中、西部低，東、北部高”的分布格局。

3)在各影響因素中，成土母質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳空間變異的獨(dú)立解釋能力為6.8%，土壤質(zhì)地的獨(dú)立解釋能力為30.1%，土壤類型能獨(dú)立解釋3.8%的有機(jī)碳空間變異，土地利用方式能獨(dú)立解釋9.2%，開墾年限能獨(dú)立解釋3.3%的有機(jī)碳空間變異。土壤質(zhì)地是影響興凱湖平原表層土壤有機(jī)碳空間變異的主控因子。

致謝：文中使用的土壤有機(jī)碳來源于多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查，該項(xiàng)目由自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心組織實(shí)施，由于參與人員眾多，無法一一列舉。筆者感謝該項(xiàng)目參加人員付出的勞動(dòng)及基礎(chǔ)資料的支持。在此特別感謝江葉楓老師、羅由林老師給予的幫助，以及審稿老師提出的寶貴意見。