土地利用和環(huán)境因子對(duì)表層土壤有機(jī)碳影響的尺度效應(yīng)
——以陜北黃土丘陵溝壑區(qū)為例

趙明月,趙文武,*,鐘莉娜

(1. 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875;2. 北京師范大學(xué) 資源學(xué)院, 北京 100875)

土地利用和環(huán)境因子對(duì)表層土壤有機(jī)碳影響的尺度效應(yīng)
——以陜北黃土丘陵溝壑區(qū)為例

趙明月1,2,趙文武1,2,*,鐘莉娜1,2

(1. 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875;2. 北京師范大學(xué) 資源學(xué)院, 北京 100875)

土壤表層有機(jī)碳對(duì)土地利用和環(huán)境因子的變化非常敏感,并具有尺度變異特征。研究不同尺度上表層土壤有機(jī)碳的空間分布及其與土地利用與環(huán)境因子的關(guān)系對(duì)于評(píng)價(jià)黃土丘陵溝壑區(qū)表層土壤有機(jī)碳狀況具有重要意義。選擇黃土丘陵溝壑區(qū)安塞集水區(qū)和集水區(qū)內(nèi)典型小流域——沐浴小流域作為研究區(qū),探討兩個(gè)尺度上,表層土壤有機(jī)碳的分布特征及其與土地利用、環(huán)境因子的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)土地利用方式對(duì)有機(jī)碳的影響在不同尺度上差異明顯,對(duì)于不同利用方式下的有機(jī)碳含量,沐浴小流域從高到低依次是荒草地>林地>灌木林地>耕地,安塞集水區(qū)則依次為林地>灌木林地>耕地>荒草地；(2)對(duì)于不同利用方式下的土壤有機(jī)碳密度,沐浴小流域從高到低依次是荒草地>林地>耕地>灌木林地,安塞集水區(qū)則是林地>耕地>荒草地>灌木林地；(3)在沐浴小流域和安塞集水區(qū)兩個(gè)尺度上,坡向、坡度和植被蓋度均與有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度正相關(guān),而相對(duì)海拔、土地利用與有機(jī)碳密度負(fù)相關(guān)；(4)在小流域尺度上,海拔高度、坡位、土地利用與有機(jī)碳含量負(fù)相關(guān),坡位與有機(jī)碳密度負(fù)相關(guān),但是在集水區(qū)尺度上,相關(guān)性則與此相反。

土地利用; 環(huán)境因子; 土壤有機(jī)碳; 有機(jī)碳密度; 尺度效應(yīng)

尺度是地理學(xué)研究中的一個(gè)基本概念[1],本質(zhì)上是自然界所固有的特征或規(guī)律。在景觀生態(tài)學(xué)中,尺度是指研究客體或過程的時(shí)間維和空間維,是某一現(xiàn)象或過程在空間和時(shí)間上所涉及到的范圍和發(fā)生的頻率。尺度效應(yīng)分析主要是評(píng)價(jià)和理解尺度變化對(duì)研究結(jié)果的影響,如隨著尺度增加而造成景觀格局的簡(jiǎn)單化、景觀多樣性的減少等。尺度效應(yīng)不僅依賴于事物的本質(zhì),而且與整個(gè)環(huán)境或背景有關(guān)[2- 6]。土壤是時(shí)空連續(xù)的變異體,由于成土母質(zhì)、氣候、地形、植被和人類干預(yù)程度的不同,在不同尺度上都存在著空間變異性。在較大尺度上,土壤主要受母質(zhì)、氣候、地形等因子的控制比較明顯；在較小尺度上,主要受土壤特性、植被覆蓋、微立地以及干擾的影響[7- 9]。土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),由于土壤物理過程、化學(xué)過程以及生物過程在不同方向上存在顯著差異,具有不均一性。即使在土壤質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi),土壤有機(jī)碳在不同空間位置上也存在明顯差異,即空間變異性[10- 11]。

研究表明,土地利用方式和環(huán)境因子是影響土壤有機(jī)碳庫變化的重要因素[12- 17]。環(huán)境因子一方面通過侵蝕和水土流失影響土壤有機(jī)碳空間分布,另一方面地形支配著水、熱資源的再分配,影響植被和土地利用方式在空間上的配置,進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的輸入。土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整不僅有效控制了水土流失,而且是提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳蓄存的重要措施。大量的土壤有機(jī)碳集中在20 cm以內(nèi)的表層中,在地形和土地利用方式下,表層土壤有機(jī)碳空間變異較深層大。

黃土高原地區(qū)地形破碎,土地利用類型復(fù)雜多樣,土壤侵蝕程度差異較大。這些環(huán)境因子共同影響著土壤表層有機(jī)碳的分布。在不同尺度上研究表層土壤有機(jī)碳也受到關(guān)注[18- 21],但綜合分析不同尺度土壤表層有機(jī)碳的分布特征及其與環(huán)境因子和土地利用關(guān)系的研究尚不多見。本研究以陜北黃土丘陵溝壑區(qū)安塞集水區(qū)和集水區(qū)內(nèi)典型小流域——沐浴小流域?yàn)槔?基于野外采樣和統(tǒng)計(jì)分析,運(yùn)用數(shù)量生態(tài)學(xué)中的冗余分析方法(RDA)研究土壤表層土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度與環(huán)境因子的關(guān)系,探討不同尺度不同土地利用條件下表層土壤有機(jī)碳的空間變異性,分析土壤表層有機(jī)碳與環(huán)境因子的關(guān)系,以期為深化土壤碳循環(huán)研究提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇中國陜西安塞集水區(qū)和沐浴小流域?yàn)檠芯繉?duì)象。安塞集水區(qū)地處西北內(nèi)陸黃土高原腹地(108°5′44″—109°26′18″E,36°30′45″—37°19′3″N),屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū),集水區(qū)面積1334.00 km2。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候,年平均氣溫8.8 ℃,年平均降水量505.3 mm,74%集中在6—9月。區(qū)域地形地貌復(fù)雜多樣,主要為梁峁?fàn)铧S土丘陵,溝谷發(fā)育分布廣泛。土壤以黃綿土為主,約占總面積的95%。土壤的成土母質(zhì)主要有黃土和洪積沖積兩大類,黃土土層深厚,質(zhì)地組成以粉沙為主,抗蝕能力低。境內(nèi)水土流失嚴(yán)重,水土流失面積占土地總面積的比重約97%,屬于強(qiáng)度水土流失區(qū),也是西北典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。沐浴小流域位于安塞縣郝家坪鄉(xiāng),面積1.30 km2。地處安塞集水區(qū)中游,是安塞集水區(qū)典型的小流域之一。小流域內(nèi)土地利用方式以農(nóng)耕地、林地、荒草地、灌木林地為主,農(nóng)耕地面積較小且分布零散,總體人為干擾較少。位置示意圖見圖1。

1.2 采樣及分析方法

土壤采樣時(shí)間為2012年7—8月,結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、水系圖、地形圖、土壤類型圖,進(jìn)行安塞集水區(qū)的實(shí)地踏勘和采樣點(diǎn)布設(shè),選擇沐浴小流域?yàn)榧畢^(qū)內(nèi)典型小流域,布設(shè)35個(gè)采樣點(diǎn),集水區(qū)尺度選取79個(gè)采樣點(diǎn),在兩個(gè)尺度上不同土地利用類型的土壤樣點(diǎn)采集數(shù)目見表1。每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)土壤為5個(gè)重復(fù)隨機(jī)采樣,同時(shí)取環(huán)刀測(cè)土壤容重,樣點(diǎn)分布情況見圖1。

圖1 研究區(qū)位置示意和采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of study area and the distribution of sampling sites

土壤樣品過0.28 mm篩后采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化—容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)。利用有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的系數(shù)比計(jì)算得到有機(jī)碳含量(SOC)(g/kg)。土壤有機(jī)碳密度(SOCD)通常是指單位面積一定深度土體中土壤有機(jī)碳質(zhì)量(kg/m2)。研究表層(0—20 cm)土壤有機(jī)碳密度,其計(jì)算公式為：

SOCD=C·θ·D·(1-δ)/100

式中,C為表層土壤有機(jī)碳的平均含量(g/kg),θ為土壤容重(g/cm3),D為土壤厚度(cm),本研究中取值20,δ為土壤中直徑大于2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。由于黃土丘陵溝壑區(qū)土壤中大于2 mm的石礫含量很少,可忽略不計(jì)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS18.0對(duì)土壤表層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)SOC、SOCD和環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行RDA分析。選用RDA分析需要兩個(gè)矩陣,一個(gè)是物種數(shù)據(jù)矩陣,即本文中的SOC和SOCD,另一個(gè)是環(huán)境因子數(shù)據(jù)矩陣,即本文中的土地利用方式和環(huán)境因子。RDA分析應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)通用軟件CANOCO 4.5進(jìn)行。

CANOCO是生態(tài)學(xué)應(yīng)用軟件中用于約束與非約束排序的工具。Canoco for Windows 整合了排序以及回歸和排序方法學(xué),可以建立生態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型。Canoco for Windows 包括線性和曲線單峰方法,RDA屬于約束性排序線性模型,它是在特定的梯度(排序軸)上探討物種的變化情況,在本研究中,具體探討SOC和SOCD在不同環(huán)境因子排序軸上的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用對(duì)表層土壤有機(jī)碳和有機(jī)碳密度的影響

土壤有機(jī)碳含量是指單位土壤中有機(jī)碳的含量,代表土壤中有機(jī)質(zhì)的比例。不同土地利用類型對(duì)土壤的干擾不同,對(duì)土壤有機(jī)碳輸入和輸出的影響也不同。且這種干擾對(duì)土壤表層影響比深層土壤大,表層土壤有機(jī)碳含量往往隨著土地利用方式變化而表現(xiàn)出明顯差異。應(yīng)用SPSS對(duì)不同尺度不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表1和表2。

表1 不同尺度不同土地利用方式的表層土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)

表2 不同尺度不同土地利用方式的土壤表層有機(jī)碳密度描述性統(tǒng)計(jì)

沐浴小流域的表層土壤有機(jī)碳含量分布在2.585—4.775 g/kg,不同土地利用方式下平均有機(jī)碳含量從高到低依次是：荒草地>林地>灌木林地>耕地,荒草地的表層土壤有機(jī)碳含量最高。而在安塞集水區(qū),表層土壤有機(jī)碳含量的變化幅度大于沐浴小流域,為2.3464—4.8639 g/kg；不同土地利用方式下平均有機(jī)碳含量從高到低依次是：林地>灌木林地>耕地>荒草地,荒草地下的表層土壤有機(jī)碳含量則成為了最低。

土地利用方式會(huì)導(dǎo)致土壤表層的理化性質(zhì)、地表情況的變化,耕作地直接影響有機(jī)碳的輸入和輸出,進(jìn)而導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳含量不同。沐浴小流域荒草地分布最多,且多由退耕而來,退耕年數(shù)較長(zhǎng),具有良好的群落結(jié)構(gòu)和較好的土壤理化性質(zhì),抗蝕性較高,有機(jī)碳含量較高。而農(nóng)耕地散落的分布在溝底和坡下,由于連續(xù)耕作和疏于管理,土壤結(jié)構(gòu)松散,養(yǎng)分含量較低,有機(jī)碳含量也較低。在安塞集水區(qū),地貌更加復(fù)雜,地形也更加破碎。林地土壤中貯存的有機(jī)碳是陸地系統(tǒng)土壤有機(jī)碳貯存最豐富的部分。集水區(qū)有封育林場(chǎng)分布,且林地多為落葉針葉林和常綠針葉林,林地的表層土壤有機(jī)碳含量水平普遍高出其他土地利用方式。農(nóng)耕地分布零散,施肥、收割等措施改變了有機(jī)碳的輸入和輸出,而且耕作、施肥等田間管理水平差距較大,同時(shí)變異系數(shù)也很高。從沐浴小流域到安塞集水區(qū),由于主要土地利用方式的不同,不同土地利用方式表層土壤有機(jī)碳的含量也不同。小流域最主要的土地利用方式是退耕而來的荒草地,表層土壤有機(jī)碳也主要貯存于荒草地中,而集水區(qū)除荒草地外,有大量的林場(chǎng),表層土壤有機(jī)碳的貯存也依賴林地和灌木林地。相同的是,耕地由于人為影響有機(jī)碳的輸入和輸出,加之水土流失較為嚴(yán)重,表層土壤有機(jī)碳含量較低。

有機(jī)碳密度是指單位面積一定深度土體中土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量,由于排除了面積因素的影響而以土體體積為基礎(chǔ)來計(jì)算,土壤碳密度是評(píng)價(jià)和衡量土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)。在沐浴小流域,表層土壤有機(jī)碳密度為0.2912—0.6032 kg/m2。不同土地利用方式下平均有機(jī)碳密度從高到低依次是：荒草地>林地>耕地>灌木林地。和土壤有機(jī)碳含量不同的是,小流域內(nèi)耕地的土壤有機(jī)碳密度要高于灌木林地。這主要是由于小流域內(nèi)灌木林地土壤表層結(jié)構(gòu)疏松,孔隙度大,土壤容重小。而耕地土壤相對(duì)緊實(shí)板硬,土壤孔隙度小,使得土壤容重大。這也說明在沐浴小流域內(nèi),有機(jī)碳含量低,土壤容重大,耕性較差。在安塞集水區(qū),表層土壤有機(jī)碳密度分布在0.2683—0.6318 kg/m2。平均有機(jī)碳密度從高到低依次是：林地>耕地>荒草地>灌木林地。這與表層土壤有機(jī)碳含量差別較大。但與沐浴小流域相同的是,由于灌木林地的表層土質(zhì)疏松,導(dǎo)致平均土壤表層有機(jī)碳密度最低。

2.2 不同尺度下表層土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度與環(huán)境因子的關(guān)系分析

RDA方法常被用來分析生物種群及其與環(huán)境因子之間的相互關(guān)系。應(yīng)用Canoco 4.5軟件,首先對(duì)有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度進(jìn)行DCA(除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析),生成“梯度長(zhǎng)度”,小流域和集水區(qū)數(shù)據(jù)的梯度長(zhǎng)度結(jié)果均小于3,選擇線性模型(RDA或PCA )進(jìn)行分析比較合理。本研究中采用RDA排序分析有機(jī)碳和環(huán)境因子之間的關(guān)系。排序圖見圖2。

圖2 沐浴小流域和安塞集水區(qū)有機(jī)碳和環(huán)境因子關(guān)系的二維排序圖Fig.2 The two-dimensional RDA ordination diagram of SOC, SOCD and environmental factors in the Muyu small watershed area and the Ansai catchment

RDA排序等直觀反映環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳空間變異的影響程度。如圖所示,在沐浴小流域和安塞集水區(qū),表層土壤有機(jī)碳和有機(jī)碳密度夾角較小,方向相同,說明二者均具有很強(qiáng)的正相關(guān)性。環(huán)境因子的箭頭連線的長(zhǎng)度表示土壤有機(jī)碳變異與環(huán)境因子的相關(guān)性,連線越長(zhǎng),表示相關(guān)性越大,夾角越小表示相關(guān)性越高,小于90°表示正相關(guān),大于90°表示負(fù)相關(guān),90°表示不相關(guān)；各箭頭連線之間的夾角表示各環(huán)境因子之間的相關(guān)性,同樣夾角越小表示相關(guān)性越高。在沐浴小流域,坡向、蓋度和坡度與有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度呈正相關(guān)關(guān)系,土地利用、海拔高度和坡位與有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳含量影響從高到低依次是：坡向>植被蓋度>坡度>坡位>海拔高度>土地利用；對(duì)有機(jī)碳密度影響的順序是植被蓋度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。在安塞集水區(qū),環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出正相關(guān),除土地利用和海拔高度,其他環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳密度表現(xiàn)正相關(guān)。環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳含量影響的順序依次是：坡位>坡向>坡度>植被蓋度>土地利用>海拔高度；對(duì)有機(jī)碳密度影響的順序是：植被蓋度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。坡度、坡位、坡長(zhǎng)等地形因子主要通過對(duì)光照、溫度、水分的空間分配來影響植被類型分布和土壤養(yǎng)分遷移,從而影響土壤有機(jī)碳的分布。而研究區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū),地形復(fù)雜,海拔高度差距不大,所以對(duì)有機(jī)碳分布的影響也不高。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同尺度土地利用對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

土地利用方式的不同主要表現(xiàn)在覆被類型的不同。在自然土壤中,成土因素的空間差異性導(dǎo)致土壤性狀的空間變異性,不同的土壤條件和氣候條件又適宜于不同類型植被的生長(zhǎng)。不同土地利用方式導(dǎo)致不同植被條件下土壤有機(jī)碳狀況不同[22]。人為因素,主要是耕作的影響,對(duì)土壤有機(jī)碳的輸入和輸出影響很大。研究表明,土地利用類型不僅直接影響土壤有機(jī)碳的含量和分布,還通過影響與土壤有機(jī)碳形成和轉(zhuǎn)化有關(guān)的因子而間接影響土壤有機(jī)碳。吳建國[23]等在研究天然次生林變成農(nóng)田或草地,以及農(nóng)田或草地改造成林地后對(duì)土壤有機(jī)碳貯量的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)農(nóng)田和草地的土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均比次生林和人工林低,尤其是表層土壤。這與本文的研究結(jié)果是相似的。土壤有機(jī)碳方面,沐浴小流域和安塞集水區(qū)的林地、灌木林地的含量均比耕地要高。而有機(jī)碳密度方面,林地要高于耕地,但由于灌木林地表層土壤質(zhì)地疏松,容重較低,而導(dǎo)致有機(jī)碳密度較低。

沐浴小流域和安塞集水區(qū)兩個(gè)尺度上采樣密度分別為每0.03714 km2一個(gè)樣點(diǎn)和每16.89 km2一個(gè)樣點(diǎn)。采樣強(qiáng)度會(huì)對(duì)土壤表層有機(jī)碳的空間分布產(chǎn)生不同的影響,研究顯示,在小流域尺度,平均0.25 km2一個(gè)樣點(diǎn)可以保證土壤有機(jī)碳的采樣精度,在縣域尺度為平均2—3 km2[24- 25]。在本研究中,小流域的采樣強(qiáng)度較高,可以保證采樣強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳的影響在較小的范圍內(nèi),而集水區(qū)面積較大,若保證采樣強(qiáng)度將耗費(fèi)巨大的人力物力。安塞集水區(qū)內(nèi)的主要土地利用方式為荒草地和林地,灌木林地和耕地分布很少,兩個(gè)尺度的采樣點(diǎn)中,荒草地和林地的采樣點(diǎn)所占的比例分別為77.14%和64.56%。所以,可以認(rèn)為采樣強(qiáng)度對(duì)土壤表層有機(jī)碳空間分布的影響基本上在可控制的范圍內(nèi)。

有機(jī)碳含量和密度表現(xiàn)出了不同的尺度效應(yīng)。有機(jī)碳含量方面,沐浴小流域從高到低依次是：荒草地>林地>灌木林地>耕地；安塞集水區(qū)從高到低依次是：林地>灌木林地>耕地>荒草地。沐浴小流域的主要土地利用方式為荒草地,且荒草地的土壤理化性質(zhì)較好,能較好的保持水土,表層土壤有機(jī)碳含量最高。集水區(qū)分布有大片的林地和灌木林地,林地是坡地保持水土最優(yōu)的土地利用方式,表層土壤有機(jī)碳含量明顯高于其他利用方式。在兩個(gè)尺度上表現(xiàn)相似的是,耕地由于人為影響有機(jī)碳的輸入和輸出,加之水土流失較為嚴(yán)重,表層土壤有機(jī)碳含量較低。有機(jī)碳密度方面,沐浴小流域平均有機(jī)碳密度從高到低依次是：荒草地>林地>耕地>灌木林地。由于小流域內(nèi)灌木林地土壤表層結(jié)構(gòu)疏松,孔隙度大,土壤容重小。而耕地相對(duì)土壤緊實(shí)板硬,土壤孔隙度小,容重大,使得耕地有機(jī)碳密度高于灌木林地。安塞集水區(qū)平均有機(jī)碳密度從高到低依次是：林地>耕地>荒草地>灌木林地。這與表層土壤有機(jī)碳含量差別較大。但與沐浴小流域相同的是,由于灌木林地的表層土質(zhì)疏松,導(dǎo)致平均土壤表層有機(jī)碳密度最低。

土地利用變化對(duì)土壤表層土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的分布也有很大影響。自20世紀(jì)80年代以來,黃土高原的土地利用和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了一系列的調(diào)整,大面積退耕還林還草。研究表明,得益于國家退耕還林、還草政策的實(shí)施,以及行政區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的發(fā)展,延河流域的耕地面積明顯減少,林地和草地面積顯著增加,植被恢復(fù)效果明顯[26- 28]。這對(duì)土壤表層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度有較大的影響。林地轉(zhuǎn)為農(nóng)地會(huì)降低土壤有機(jī)碳,農(nóng)地轉(zhuǎn)為林草地會(huì)使土壤有機(jī)碳增加,且轉(zhuǎn)為灌木林地或荒草,比轉(zhuǎn)化為人工林地更有利于土壤有機(jī)碳的固存[29- 32]。農(nóng)耕地轉(zhuǎn)為林地或荒草地一般會(huì)使土壤表層有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度增加,這是由于林、草地凋落物量和質(zhì)量均較高且易分解,土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性增加,且隨著林草地郁閉度的提高,地表溫度降低,土壤濕度和水分得以保持,從而降低了有機(jī)碳的分解速率,促進(jìn)了有機(jī)碳的積累[23,33- 34]。

由沐浴小流域到安塞集水區(qū),隨著尺度的增加,由耕地改造成的荒草地對(duì)SOC和SOCD的影響作用減小,由耕地和灌木林地改造成的林地對(duì)SOC和SOCD的影響作用明顯增強(qiáng)。

3.2 不同尺度環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

坡向、坡度和坡位等地形因子決定著物質(zhì)遷移的方向和速率,海拔高度影響到水熱的垂直分布。植被蓋度反映植被覆蓋情況,作為土地利用方式的補(bǔ)充共同對(duì)土壤有機(jī)碳造成影響。沐浴小流域環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳含量影響從高到低依次是：坡向>植被蓋度>坡度>坡位>海拔高度>土地利用；對(duì)有機(jī)碳密度影響的順序是植被蓋度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。在安塞集水區(qū)環(huán)境因子對(duì)有機(jī)碳含量影響的順序依次是：坡位>坡向>坡度>植被蓋度>土地利用>海拔高度；對(duì)有機(jī)碳密度影響的順序是：植被蓋度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。

程先富[35]等在江西的研究顯示,在0—20 cm的土壤表層,坡向、海拔和有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)。田種存等在青海的研究得到海拔高度與有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)。在本研究中,在沐浴小流域和安塞集水區(qū),坡向、坡度和植被蓋度均與有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度正相關(guān)；在沐浴小流域,海拔高度、坡位、土地利用與有機(jī)碳含量負(fù)相關(guān),在集水區(qū)正相關(guān)；在兩個(gè)尺度上,相對(duì)海拔、土地利用與有機(jī)碳密度負(fù)相關(guān),坡位與有機(jī)碳密度在沐浴小流域負(fù)相關(guān),在集水區(qū)正相關(guān)。由此可見,環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳的影響具有復(fù)雜性,與研究區(qū)的地理環(huán)境有很大的關(guān)系。

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Scale effect analysis of the influence of land use and environmental factors on surface soil organic carbon：a case study in the hilly and gully area of Northern Shaanxi Province

ZHAO Mingyue1,2, ZHAO Wenwu1,2,*,ZHONG Lina1,2

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Land use and environmental factors are considered significant in regulating the spatial distribution of surface soil organic carbon (SOC), but are not equally important at different scales. Accurate knowledge of SOC stocks and the effects of environmental factors on SOC are crucial, both from the perspective of regional carbon budgets and appropriate landscape management of SOC. The Muyu small watershed and the Ansai catchment in loess hilly-gully area were taken as study area in the paper. On the basis of soil sampling in the field, 35 and 79 samples were taken separately in Muyu small watershed and Ansai catchment. Classical statistics and RDA were applied to study on the relationship of the distribution of SOC, soil organic carbon density (SOCD) with land use and environmental factors at two different scales. The research results were as follows. The effects of land use type on SOC and SOCD had significant difference at two scales. SOC varied with land use in the order: grass land > woodland > shrubland > farmland at the Muyu small watershed. And the order was woodland > shrubland > farmland > grassland at the Ansai catchment. Meanwhile, the SOCD was highest in the grassland and declined as follows: grassland > woodland > farmland > shrubland at the Muyu small watershed, and it was highest in the woodland and declined as: woodland > farmland > grassland > shrubland at the Ansai catchment. SOC and SOCD showed scale effects under different influence of land use. The main land use at the Muyu watershed was grassland. The soil physical and chemical properties were good enough to protect the soil and water. Thus the SOC and SOCD were both higher than other land use, which was different from that at the Ansai catchment. There were a lot of woodland and shrubland at the Ansai catchment. Since woodland was the optimal land use type to keep soil and water, and the SOC and SOCD were much higher in woodland at the catchment. Also since changes in land use had influences on physical, chemical and biological soil attributes, they changed SOC and SOCD by disturbing the equilibrium between the formation and mineralization of soil organic matter. The land use change played different roles in affecting SOC and SOCD at different scales.

Then we chose slope, slope position, slope aspect, altitude, vegetational cover and land use as environmental factors. Among them, aspect, slope and vegetational cover were positively related to the SOC and SOCD at both the Muyu watershed and the Ansai catchment. Altitude, slope position and land use were negatively related to SOC at the Muyu watershed while they were positively related to SOC at the Ansai catchment. Altitude and land use were negatively related to SOCD at two scales. Slope position was negatively related to SOCD at the Muyu watershed, and positively at the Ansai catchment. The influences of environmental factors were varies: slope aspect, slope and slope position decided the migration direction and speed of material, altitude affected the vertical distribution of the hydrothermal conditions, and vegetational coverage, with land use, reflected the input and output of soil organic carbon. But since different geographical conditions, the influences of those environmental factors were complex.

land use; environmental factors; soil organic carbon; soil organic carbon density; scale effect

國家自然科學(xué)基金(41390462, 41171069)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目( IRT1108)

2013- 06- 10;

2013- 10- 09

10.5846/stxb201306101597

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoww@bnu.edu.cn

趙明月,趙文武,鐘莉娜.土地利用和環(huán)境因子對(duì)表層土壤有機(jī)碳影響的尺度效應(yīng)——以陜北黃土丘陵溝壑區(qū)為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(5):1105- 1113.

Zhao M Y, Zhao W W,Zhong L N.Scale effect analysis of the influence of land use and environmental factors on surface soil organic carbon：a case study in the hilly and gully area of Northern Shaanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1105- 1113.