赤峰市小流域地形因子對土壤有機碳密度的影響

李 龍，姚云峰，秦富倉，郭月峰，平 春

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 林學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3.日本國立環(huán)境研究所 地理環(huán)境研究中心，茨城縣筑波市小野川16-2 305-8506)

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳庫在1 200～2 500 Pg (1 Pg=1015g)之間[1-5]，是大氣碳庫的2倍，是陸地生物圈碳庫的2～3倍，其微小變動都將對整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫產(chǎn)生巨大影響，由此可見土壤碳庫在維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡中發(fā)揮著重要作用[6-7]。影響土壤碳庫的因素主要分為自然因素和人為因素兩類，自然因素中包括氣候、植被、土壤、地形地貌等。在以小流域為研究對象時，地貌的起伏變化對土壤有機碳的影響十分顯著，其主要以不同的坡度、坡向、坡位、海拔等因素來控制區(qū)域的水熱再分配，從而影響土壤有機碳的分布及大小[8]。

我國針對地形因素對土壤碳庫的影響已有許多研究。楊尚斌等[9]對延河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳潛力進行了評估，結(jié)果表明研究區(qū)不同類型的耕地退耕后可以實現(xiàn)的固碳效益隨坡度的增加而增加。許信旺等[10]對安徽省土壤有機碳空間差異及影響因素進行研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有機碳含量隨海拔高度的升高而增加，呈現(xiàn)極強的正相關(guān)性。陸曉宇等[11]分析認為，晉西黃土丘陵區(qū)土壤碳密度隨著坡度的增大而減少，從陽坡到陰坡不斷增加，坡面位置的分布特征則為坡頂<坡面<坡腳。唐國勇等[12]研究認為土地利用方式和地形(高程和坡度)是亞熱帶典型紅壤丘陵景觀土壤有機碳密度空間變異的主要原因。綜上所述，地形因子對于土壤碳有著極為重要的的影響，高程、坡度、坡向作為主導因子在不同研究區(qū)對土壤有機碳的影響作用也具有明顯差別，同時，高程、坡度、坡向等因子對土壤含水率、有機質(zhì)含量以及土壤質(zhì)量都有著重要影響，這些因素對土壤碳庫都有著不同程度的影響[13-15]。

目前對地形因子的分析多是借助GIS對大尺度研究區(qū)進行分析的，在以小流域為單元的小尺度土壤碳庫的研究中，尤其是對于有機碳密度影響因子的研究大多以植被、土壤和氣候因子等為主要研究方向，針對地形因子對小流域土壤碳密度影響的研究還鮮有報道?；诖?，我們以內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗黃花甸子流域為研究對象，以實地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件與地統(tǒng)計學知識，研究流域內(nèi)土壤有機碳密度的空間分布情況，以及地形因子對土壤有機碳密度分布的影響，旨在為土壤碳密度的分布及影響因子的研究提供科學參考和基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于赤峰市敖漢旗西部的黃花甸子流域內(nèi)。流域位于老哈河中游南岸，科爾沁沙地南緣，地處42°17′—42°33′N、119°36′—119°53′E之間，面積約為27 km2，東臨通遼市奈曼旗，西與遼寧省建平縣接壤，南與遼寧省朝陽市、北票市毗鄰，北與赤峰市松山區(qū)、翁牛特旗隔老哈河相望。流域總體屬于低山丘陵區(qū)，地勢起伏不大，海拔440—806 m。氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候，四季分明。年均降水量多在400～470 mm之間，年均蒸發(fā)量多在2 290～2 400 mm之間。全年日照時數(shù)2 940～3 060 h，歷年平均日照時數(shù)2 999.3 h，10 ℃以上積溫為3 189 ℃。春季風力大持續(xù)時間較長，年平均風速4～6 m/s。土壤類型大部分為栗鈣土，伴隨著少量的風沙土，體現(xiàn)了森林土壤向草原土壤過渡的特點，pH值呈弱堿性到堿性，全剖面具有石灰反應。該流域主要有天然草地、灌叢林、喬灌混交林、針闊混交林和闊葉純林等森林植被類型，以人工植被為主。

1.2 地形因子的提取與分級

在ArcGIS軟件支持下，根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)提取流域高程、坡度、坡向信息并劃分等級[16-17]。以體現(xiàn)研究區(qū)域地形特征、符合自然規(guī)律為原則，將高程以50 m為一個單元等距劃分為<550 、550—600 、600—650 、650—700 、700—750 、>750 m共6個級別。將坡度以5°為一個單元等距劃分為0—5°、5°—10°、10°—15°、15°—20°、20°—25°、>25°共6個級別[9]。將坡向以22.5°為一個單元等距劃分，按順時針方向從 0° (正北方向)到 360°(重新回到正北方)共16個級別[18]，依據(jù)坡向分級標準[19]劃分陰坡：北(337.5°—22.5°)、東北(22.5°—67.5°)；半陰坡：東(67.5°—112.5°)、西北(292.5°—337.5°)；半陽坡：東南(112.5°—157.5°)、西(247.5°—292.5°)；陽坡：南(157.5°—202.5°)、西南(202.5°—247.5°)。

2012年7月采集研究區(qū)土壤樣品，結(jié)合流域1 ∶5萬地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖采用網(wǎng)格法采樣[20]，保證不同高程、坡度、坡向等級下的樣地數(shù)基本相同，兼顧代表性和均勻性，每個樣地內(nèi)采用S法確定采樣點。每個樣點挖掘土壤剖面，按0—10、10—20、20—40、40—60、60—100 cm 5個層級分層取樣，每層3個重復。共計37個土壤剖面，555個土壤樣品。采得土壤樣品后立即密封，送回實驗室分別測定土壤有機質(zhì)含量、含水率、容重數(shù)據(jù)。

采用手持GPS標記各采樣點坐標并導入ArcGIS軟件，生成具有土壤有機碳密度信息的采樣點數(shù)據(jù)。

1.3 土壤有機碳密度計算方法

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的儲量。本文采用的計算方法為[21]

Soci=di×pi×Oi×10-2

式中：Soci為土壤的有機碳密度，kg/m2；i為土壤不同層次；di為土層厚度，cm；pi為土壤平均容重，g/cm3；Oi為土壤有機碳含量，g/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

基于地統(tǒng)計學原理，在ArcGIS軟件Geostatistical Analyst工具下對采樣點進行克里格插值，生成土壤有機碳密度的空間分布圖，根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)提取流域高程、坡度、坡向信息并劃分等級生成涵蓋整個研究區(qū)高程、坡度、坡向信息的地形因子圖。利用ArcGIS空間分析工具將高程、坡度、坡向三個地形因子與有機碳分布圖建立聯(lián)系得到土壤有機碳空間數(shù)據(jù)庫?；诟鞯匦我蜃优c土壤有機碳空間數(shù)據(jù)庫，采用SPSS統(tǒng)計學軟件進行主成分分析，得出主成分和各因子貢獻率；采用SAS軟件進行相關(guān)性分析得出不同地形因子影響土壤有機碳密度的顯著水平。本文采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)圖表處理。

2 結(jié)果與分析

研究區(qū)土壤有機碳密度呈條帶狀分布，流域內(nèi)土壤有機碳密度平均為6.92 kg/m2，最大值出現(xiàn)在流域西北部，為9.71 kg/m2，高出平均值40.32%，最小值出現(xiàn)在流域中部，為3.61 kg/m2，比平均值低47.83%。土壤有機碳密度空間變異程度不高，且高值區(qū)域與低值區(qū)域分布較為集中，標準差為1.30，呈現(xiàn)出較好的正態(tài)分布。

2.1 主因子分析

運用SPSS統(tǒng)計學軟件對流域高程、坡度、坡向3個地形因子進行分析，得到特征值、貢獻率和累計貢獻率(表1)。

表1 各因子特征變量分析

從表1可看出，特征值和貢獻率均為高程>坡度>坡向。高程與坡度累計貢獻率已達83.688 0%，表明高程與坡度這兩個地形因子是影響土壤有機碳密度的主要因子。高程對其影響最大，為第一主因子，貢獻率達49.02%；其次為坡度，貢獻率為34.67%。坡向因子的貢獻率最小，僅為15.17%。

2.2 高程對土壤有機碳密度的影響

研究區(qū)平均海拔為641 m，在ArcGIS軟件支撐下根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)提取流域海拔，并將高程以50 m為一個單元等距劃分為6個級別。將研究區(qū)有機碳密度分布圖與高程圖相疊加，對數(shù)據(jù)進行整理得出高程與土壤有機碳密度的關(guān)系曲線(圖1)。

圖1表明，各級別高程所對應的土壤有機碳密度分別為5.61 、7.10 、7.45 、6.87 、5.94 和5.30 kg/m2；高程與土壤有機碳密度關(guān)系曲線基本呈拋物線走勢，有機碳密度最大增幅出現(xiàn)在550—600 m區(qū)間，為26.56%，且在600—650 m出現(xiàn)最高值7.45 kg/m2，此后隨海拔的增高有機碳密度逐漸降低，在>750 m時出現(xiàn)最低值5.30 kg/m2，較最高值低28.86%。方差分析表明高程對有機碳密度的影響極為顯著(p<0.001)。這與陳海濱等[22]的研究結(jié)果相符，都表現(xiàn)為中海拔地區(qū)較低海拔和高海拔地區(qū)的土壤有機碳密度大，呈單峰型曲線。

圖1 高程與土壤有機碳密度關(guān)系曲線

高程影響植被和土壤的垂直地帶性分布，不同植被對土壤有機碳密度的貢獻不同。低海拔地區(qū)受人類的生產(chǎn)活動影響較大，以農(nóng)田為主，作物具有良好的農(nóng)業(yè)灌溉條件，較高海拔地區(qū)作物產(chǎn)量高，有機質(zhì)積累量大，向土壤輸送的有機碳較多。隨著高程增加，太陽輻射強度增強，影響土壤水分的固持，不利于作物生長，高海拔地區(qū)也不利于大型農(nóng)業(yè)機械作業(yè)，所以以天然次生林、天然草地為主要植被類型，土壤出現(xiàn)不同程度的沙化或地表裸露，固碳能力較低[23]。

2.3 坡度對土壤有機碳密度的影響

在ArcGIS軟件下根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)提取流域坡度，并將坡度以5°為一個單元等距劃分為6個級別。將研究區(qū)有機碳密度分布圖與坡度圖相疊加，對數(shù)據(jù)進行整理得出坡度與土壤有機碳密度的關(guān)系曲線(圖2)。

圖2 坡度與土壤有機碳密度關(guān)系曲線

圖2表明，各級坡度對應的土壤有機碳密度均值分別為6.80 、7.18 、6.98 、6.54 、5.71 和4.80 kg/m2，坡度與土壤有機碳密度關(guān)系曲線基本呈拋物線走勢。在0～10°范圍內(nèi)隨著坡度的增加，土壤有機碳密度增加，并在5°～10°內(nèi)出現(xiàn)最高值，為7.18 kg/m2；此后，隨著坡度的升高，土壤有機碳密度出現(xiàn)明顯的下降趨勢，坡度每升高5°，有機碳密度較上一坡度級分別下降2.79%、6.30%、12.69%、15.94%，降幅逐級增大，在坡度>25°時有機碳密度出現(xiàn)最低值，為4.80 kg/m2。相關(guān)分析表明，坡度與土壤有機碳密度具有極顯著的負相關(guān)性(r=-0.872 32，p<0.001)。此研究結(jié)果與賈松偉[24]的研究較為相似，從土壤侵蝕的角度較好地解釋了這一現(xiàn)象。

坡度對土壤有機碳密度產(chǎn)生影響主要是由于坡度影響土壤侵蝕程度，與不同坡度的分布格局以及不同坡度下的土地利用類型有關(guān)。流域內(nèi)坡度較小的地區(qū)基本位于坡腳，土壤母質(zhì)屬坡積物、河流沖積物，這一地區(qū)土壤養(yǎng)分較高，有機碳富集，而且地上植被生長較好，因而土壤有機碳密度較高。但坡度極低的地區(qū)排水較差，對土壤有機碳的積累產(chǎn)生負面影響，所以有機碳密度的峰值并未出現(xiàn)在0～5°范圍內(nèi)。隨著坡度的增加，土壤侵蝕加劇，土地肥力下降，有機質(zhì)積累減少，加之長期降雨的淋溶作用使得土壤部分養(yǎng)分在重力作用下流失到坡腳，以致高坡度的土壤有機碳密度較低。當坡度>25°以后，土壤質(zhì)地明顯變差，地表植被稀疏，向土壤輸送的有機質(zhì)也明顯減少。

2.4 坡向?qū)ν寥烙袡C碳密度的影響

在ArcGIS軟件下根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)提取流域坡向，并將坡向以22.5°為一個單元按順時針方向等距劃分為16個級別。將研究區(qū)有機碳密度分布圖與坡向圖相疊加，對數(shù)據(jù)進行整理得出坡向與土壤有機碳密度的關(guān)系曲線(圖3)。

圖3 坡向與土壤有機碳密度的關(guān)系曲線

如圖3所示，土壤有機碳密度最大值出現(xiàn)在正西方(270°方向)，為7.44 kg/m2，從這一坡向分別向南和向北方向有機碳密度呈現(xiàn)逐級遞減趨勢，到達337.5°和157.5°時停止下降，并在157.5°時達到最小值，為6.49 kg/m2。從337.5°向東順時針方向到157.5°，土壤有機碳密度變化較小，穩(wěn)定在6.5～7.0 kg/m2之間。坡向在225°—337.5°間的地區(qū)為土壤有機碳高密度區(qū)域，其均值在7.14 kg/m2以上，坡向在157.5°—202.5°之間的地區(qū)為土壤有機碳低密度區(qū)，其均值為6.57 kg/m2。綜上分析，不同坡向的有機碳密度呈現(xiàn)出陽坡<陰坡<半陰坡<半陽坡。方差分析顯示，坡度對土壤有機碳密度的影響極顯著(p<0.001)。

坡向?qū)ν寥烙袡C碳密度的影響主要表現(xiàn)在影響土壤光熱條件，處在陽坡的土壤有機碳密度明顯小于其他坡向，究其原因，陽坡土壤受光照時間長，強度大，土壤水分蒸發(fā)強烈，土壤肥力低，植被蒸騰量大，有機質(zhì)的合成緩慢，從而向土壤輸送有機質(zhì)少，導致土壤有機碳密度的下降；而植物在適當?shù)墓庹諚l件下，有利于促進光合作用，提高碳水化合物的形成，植物向土壤輸送有機質(zhì)量大，從而具有較高的土壤有機碳密度。

3 結(jié) 論

研究區(qū)土壤有機碳密度呈條帶狀分布，土壤有機碳密度最大值出現(xiàn)在流域西北部，最小值出現(xiàn)在流域中部，高值區(qū)與低值區(qū)分布都相對集中。流域內(nèi)土壤有機碳密度平均為6.92 kg/m2。

地形因子對土壤有機碳密度的貢獻率由高到低為高程>坡度>坡向，高程與坡度的累積貢獻率達83.688 0%。

高程與坡度對土壤有機碳密度的影響大體均呈拋物線走勢，并在600—650 m 高程范圍和5°—10°坡度內(nèi)出現(xiàn)最高值，此后隨著高程和坡度的升高土壤有機碳密度出現(xiàn)下降趨勢，最小值出現(xiàn)在坡度>25°范圍內(nèi)。按坡向劃分土壤有機碳密度最大值出現(xiàn)在正西方(270°方向)，土壤有機碳密度的高值區(qū)和低值區(qū)分別在225°—337.5°坡向和157.5°—202.5°坡向范圍內(nèi)；不同坡向上的有機碳密度呈現(xiàn)出陽坡<陰坡<半陰坡<半陽坡的特點。

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