黃土丘陵區(qū)人工檸條恢復(fù)為主小流域土壤有機(jī)碳空間變異性及其影響因素

栗文玉, 劉小芳, 趙勇鋼, 高 冉, 杜雨佳, 張星星

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重，是我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)之一[1]。近幾十年來，通過退耕還林(草)、小流域綜合治理等生態(tài)環(huán)境工程的整治，黃土高原區(qū)域生態(tài)功能已得到大幅提升。土壤有機(jī)碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主要組成，其動態(tài)變化在全球碳循環(huán)中具有重要作用[2-4]。許多研究證明，黃土高原退耕還林(草)工程提升了區(qū)域的土壤有機(jī)碳庫，其中人工植被恢復(fù)起著重要的作用[5-6]。小流域是黃土高原生態(tài)環(huán)境治理的基本單元。相較于大尺度，小流域尺度上的研究會更準(zhǔn)確地反映出土壤有機(jī)碳的空間變異[7]。因此，研究小流域土壤有機(jī)碳的空間變異性并辨析其影響因素，對于退耕還林(草)工程在小流域尺度下的水土保持效益和生態(tài)服務(wù)功能評價具有重要意義。

由于黃土高原小流域地貌的復(fù)雜性和土壤自身的高異質(zhì)性，加之受到各種人類活動和自然因素的影響，其有機(jī)碳分布具有高度的空間變異性[8]。Shi等[1]認(rèn)為黃土高原丘陵小流域土地利用變化使得土壤有機(jī)碳在小流域中進(jìn)行重新分配，并且0—20 cm土層中有機(jī)碳含量會顯著高于下層。賈宇平等[3]研究了黃土丘陵溝壑區(qū)小流域的有機(jī)碳分布的空間變異特征得出該流域有機(jī)碳含量為中等變異程度，而溝壩地土壤有機(jī)碳含量比梁峁地的高，且土壤有機(jī)碳含量在空間上的分布主要受土壤動植物在土體中的分布、土壤含水量、水土流失情況及人類生產(chǎn)活動等因素的影響。魏孝榮等[9]認(rèn)為地形條件是影響黃土高原溝壑區(qū)小流域土壤性質(zhì)空間分布的主要因素。孫文義等[10]認(rèn)為不同地形和土地利用方式都會對黃土丘陵溝壑區(qū)小流域表層土壤有機(jī)碳空間分布產(chǎn)生顯著影響。Sun等[11-12]認(rèn)為地形位置、海拔、坡度、坡向等地形因素會影響土壤有機(jī)碳的分布和含量?？傮w來看，由于區(qū)域氣候、地貌、植被、土壤和人為活動等因素具有較大差異性，小流域土壤有機(jī)碳空間變異性的研究結(jié)果也不盡相同，仍有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

人工植被恢復(fù)是黃土丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要舉措，其中檸條(CaraganaKorshinskii)是主要的灌木樹種之一。檸條由于其具有較強(qiáng)的抗逆性和固土保水能力，同時也是優(yōu)質(zhì)的飼料植物資源，已在寧夏、陜北、晉西、甘肅等地大面積種植[13-14]。許多區(qū)域已形成以檸條種植為主導(dǎo)的植被配置格局，加之恢復(fù)過程中多輔以微地形整地方式，多因素影響下的小流域土壤有機(jī)碳分布空間變異特征仍是值得研究的重要問題。因此，本研究選擇以人工檸條種植為主導(dǎo)恢復(fù)方式的寧夏火岔灣小流域為對象，研究其土壤有機(jī)碳空間變異特征，分析土壤有機(jī)碳產(chǎn)生空間異質(zhì)性的影響因素，以期為黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)與重建以及區(qū)域碳庫的評估提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇位于寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)中國科學(xué)院水利部水土保持研究所上黃生態(tài)試驗站附近的火岔灣小流域(106°26′50.515″—106°27′16.513″E，35°59′55.619″—36°1′9.074″N)，該區(qū)地處黃土高原寬谷丘陵溝壑區(qū)(圖1)。流域面積約為0.85 km2，海拔高度為1 615～1 753 m，多年平均氣溫和降水量分別為6.9℃和419.1 mm，屬溫帶半干旱氣候區(qū)。土壤類型主要為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土。該流域主要有灌木地、農(nóng)地、草地和林地4種土地利用方式，分別占流域總面積的49.02%，15.47%，11.57%，9.53%。各樣地概況信息詳見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集 以火岔灣小流域土地利用圖和地形圖為參照，采用網(wǎng)格法同時結(jié)合實際土地利用方式和地形特征進(jìn)行布點設(shè)計和采樣，網(wǎng)格間距為150 m×150 m，用GPS記錄每個樣點的地理坐標(biāo)信息，共采集50個樣點(圖1)。每個樣點設(shè)置水平距離約10 m的3個采樣小區(qū)，在每個小區(qū)挖40 cm深的土壤剖面，并按照0—10，10—20，20—30，30—40 cm共4個層次進(jìn)行取土，每個樣點所取同一層土樣組成混合樣。采集土樣帶回實驗室自然風(fēng)干，挑揀出植物根系及動物殘體后，研磨過0.15 mm篩，用于土壤有機(jī)碳含量的測定。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測定[15]。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與方法 利用SPSS 17.0軟件對土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，利用變異系數(shù)(CV)分析數(shù)據(jù)的離散程度，其值為≤10%，10%～100%和≥100%時，分別表示研究變量具有弱、中等和強(qiáng)變異性[16]。用ANVOA方差分析法分析不同土地利用方式、不同土層深度和不同地形條件下土壤有機(jī)碳含量的差異顯著性。將數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗，將服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行地統(tǒng)計學(xué)分析，若不符合正態(tài)分布則需進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換或博克斯—考克斯轉(zhuǎn)換。地統(tǒng)計學(xué)中的空間變異分析常利用半方差函數(shù)進(jìn)行計算，其公式為[17]：

(1)

式中：h為兩樣本點空間分隔距離；r(h)為半方差函數(shù)值；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+h處指標(biāo)的實測值。

圖1 火岔灣小流域采樣點分布

表1 樣地概況

注：表中括號內(nèi)數(shù)字為不同整地方式和地形條件下的樣點數(shù)。

用于擬合該函數(shù)模型有線性模型、球狀模型、指數(shù)模型等，其中球狀模型公式如下：

(2)

式中：C0為塊金值，反映隨機(jī)因素所造成空間變異性特征；C為結(jié)構(gòu)方差，反映空間自相關(guān)因素引起的結(jié)構(gòu)性變異；a為變程，變程表示變量的最大相關(guān)距離；C0+C為基臺值，是半變異函數(shù)達(dá)到的極限值，反映總的空間異質(zhì)性；C0/(C0+C)為空間異質(zhì)比，表示隨機(jī)因素導(dǎo)致的變異占總變異的比例，反映隨機(jī)因素引起的空間變異程度大小[18]。當(dāng)C0/(C0+C)為≤25，25%～75%和≥75%時，分別表示研究變量有較強(qiáng)、中等和較弱的空間分布相關(guān)性[19]。半方差函數(shù)分析利用GS+9.0軟件進(jìn)行，綜合考慮決定系數(shù)R2和殘差RSS選擇出最佳理論模型。利用ArcGIS 10.2軟件對小流域有機(jī)碳含量進(jìn)行普通克里格插值分析，形成小流域土壤有機(jī)碳含量的空間分布圖。插值后在ArcGIS進(jìn)行交叉驗證分析并通過均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)、平均相對誤差(MRE)對預(yù)測值與實際測定值進(jìn)行對比分析，來評價插值精度，其計算公式如下[20]：

(3)

(4)

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計特征

不同土地利用類型間和不同土層間的土壤有機(jī)碳含量存在顯著性差異(p<0.05，表2)。林地0—40 cm土層有機(jī)碳含量顯著高于其他3種土地利用方式，灌木地顯著高于草地(p<0.05)，但和農(nóng)地?zé)o顯著差異(p>0.05)，農(nóng)地與草地僅在0—10 cm存在顯著差異(圖2)。不同土地利用方式下有機(jī)碳含量的垂直分布呈現(xiàn)出隨土層加深而逐漸降低的趨勢(表2，圖2)。總體上，0—20 cm土層有機(jī)碳含量顯著高于20—40 cm土層(p<0.05，表2)，其中林地0—10 cm土層有最大值為27.56 g/kg，草地30—40 cm有最小值為10.23 g/kg(圖2)。不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的變異程度不同，農(nóng)地變異系數(shù)最大為24.86%，灌木地及林地次之，而草地最小為14.48%，4種土地利用方式均為中等變異。從0—40 cm各土層來說，變異系數(shù)相差不大(19.03%～21.80%)，且隨土層深度的加深變異系數(shù)逐漸減少，各土層均具有中等強(qiáng)度的空間變異性。

表2 不同土地利用方式下及不同土層土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計特征

注：表中不同小寫字母表示不同土地利用方式間有顯著性差異，不同大寫字母表示不同土層間有顯著性差異(p<0.05)。

注：圖中不同小寫字母表示不同土地利用方式間有機(jī)碳含量有顯著性差異(p<0.05)。

圖2 0-40 cm土層不同土地利用方式對有機(jī)碳含量的影響

2.2 土壤有機(jī)碳的空間變異特征

在描述性統(tǒng)計基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用地統(tǒng)計學(xué)方法定量分析小流域土壤有機(jī)碳含量的空間變異結(jié)構(gòu)。每層有機(jī)碳數(shù)據(jù)K-S檢驗結(jié)果表明數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可以進(jìn)行地統(tǒng)計學(xué)分析與空間差值分析。土壤有機(jī)碳含量半方差變異函數(shù)擬合后選取的最優(yōu)半方差模型見表3。本研究中不同土層土壤有機(jī)碳最佳半方差模型均為球狀模型，其中以0—10 cm土層土壤有機(jī)碳的擬合程度最好(R2=0.529)。不同土層土壤有機(jī)碳含量的空間異質(zhì)比即C0/(C0+C)介于1.18%～6.51%，均小于25%，且隨土層深度的增加而減少。這說明小流域土壤有機(jī)碳含量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，且隨土層深度的增加，其空間分布自相關(guān)性增強(qiáng)，變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起。0—40 cm土壤有機(jī)碳強(qiáng)烈的空間相關(guān)性主要存在于變程為139—175 m的范圍內(nèi)，且不同土層間有不同的變程范圍，其中0—10，10—20 cm土層要高于20—30，30—40 cm。

由圖3可知，塊金值C0及基臺值C0+C都有逐層降低的趨勢，表明隨土層的加深隨機(jī)性因素所產(chǎn)生的空間變異在總變異中所占比例逐漸降低。也就是說由于耕作、施肥等人為活動引起的土壤有機(jī)碳含量的空間相關(guān)性有降低的趨勢。在一定的步長范圍內(nèi)，增加相同步長，半方差變化范圍隨土層加深有減少的趨勢，即土層有機(jī)碳變異程度隨土層加深而減弱。

表3 不同土層土壤有機(jī)碳含量的半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)

圖3 土壤有機(jī)碳各向同性半方差函數(shù)

2.3 土壤有機(jī)碳的空間分布特征

小流域0—40 cm土層土壤有機(jī)碳含量呈斑塊狀分布，且各層分布規(guī)律基本相似(圖4)。東北部及中南部有機(jī)碳含量普遍較高為14.96～22.48 g/kg，南部及中北部含量較低為12.58～17.60 g/kg。從垂直分布上看，呈現(xiàn)出隨土層加深含量逐漸減少的趨勢。0—10 cm土層有機(jī)碳含量最高為17.80～22.48 g/kg；10—20 cm及20—30 cm土層有機(jī)碳含量分別為15.93～20.33，13.66～16.39 g/kg；而30—40 cm含量最低為12.58～14.96 g/kg。

克里格交叉驗證參數(shù)見表4。不同土層土壤有機(jī)碳含量插值結(jié)果大多比實測值偏大，且隨土層的加深偏離程度有減小的趨勢。表4結(jié)果說明，各層有機(jī)碳插值結(jié)果基本可靠但從插值精度來說30—40 cm土層的土壤有機(jī)碳含量插值結(jié)果最好，20—30，10—20 cm土層次之，0—10 cm土層稍差，這可能與表層土壤容易受到人類活動等隨機(jī)因素的影響。而各層均方根誤差RMSE值相對偏大可能是因為本研究采樣點的設(shè)置并不是完全根據(jù)網(wǎng)格進(jìn)行等間距的采樣從而造成的采樣點間距偏大。

2.4 小流域土壤有機(jī)碳的影響因素

小流域坡位、坡向及整地方式對土壤有機(jī)碳含量的影響見表5。方差分析表明，3種坡位之間土壤有機(jī)碳含量存在顯著差異(p<0.05，表5)。其中，坡上有機(jī)碳含量為17.36 g/kg，顯著高于坡中(15.99 g/kg)。不同坡位的變異系數(shù)介于22.58%～27.37%，為中等變異程度，坡上變異程度略高。不同坡向?qū)ν寥烙袡C(jī)碳含量沒有顯著性影響(p>0.05，表5)，半陽坡和半陰坡的變異系數(shù)分別為27.94%，27.89%，均為中等變異。不同整地方式對小流域土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生了影響，其中水平溝和梯田有機(jī)碳含量顯著高于水平階和坡地，但不同整地方式下的變異系數(shù)相差不大(24.04%～25.83%)，均為中等變異。

表4 克里格交叉驗證參數(shù)

同一坡向和坡位下不同土地利用方式有機(jī)碳含量存在顯著性差異(p<0.05，圖5)，且均表現(xiàn)為林地顯著高于草地(p<0.05)。在同一土地利用方式下，除農(nóng)地在不同坡位存在差異外，其他土地利用方式在坡向和坡位的有機(jī)碳含量均沒有顯著性差異(p>0.05，圖5)。農(nóng)地在坡下的有機(jī)碳含量顯著高于坡上(p<0.05)。同一整地方式下，坡底和水平階的不同土地利用方式有機(jī)碳含量存在顯著性差異(p<0.05，圖5)，林地整體較高。在同一土地利用方式下，林地有機(jī)碳含量沒有顯著性差異(p>0.05)，但灌木地存在顯著高于草地(p<0.05)。檸條是小流域灌木地的主要植被類型，也是小流域土壤有機(jī)碳含量較高的斑塊(圖1、圖4)，從結(jié)果來看，坡地土壤有機(jī)碳含量顯著高于水平階(p<0.05)，水平溝處于兩者中間并且與它們沒有顯著差異。

圖4 土壤有機(jī)碳含量分布

表5 不同地形條件和整地方式對小流域土壤有機(jī)碳含量的影響

注：圖中不同小寫字母表示不同坡位間有機(jī)碳含量有顯著性差異,不同大寫字母表示不同地形間有機(jī)碳含量有顯著差異(p<0.05)；未標(biāo)字母的表示差異不顯著(p>0.05)。

3 討 論

本研究中，小流域中不同土地利用方式土壤有機(jī)碳含量具有顯著差異，林地最高，灌木地和農(nóng)地次之，草地最低(圖2)。這種差異可能是由于不同的土地利用方式改變了地表植物覆蓋和枯枝落葉量以及根系生物量，從而改變有機(jī)碳的主要來源[21]。相較于農(nóng)地和草地，灌木地和林地的植物根系更發(fā)達(dá)，枯枝落葉等凋落物更豐富，更加有利于有機(jī)碳的積累。變異系數(shù)表明，農(nóng)地的變異程度最大，灌木地及林地次之，草地最小。這主要是因為農(nóng)地受人類活動影響強(qiáng)度較大，耕作、施肥及灌溉等土壤管理措施的不同導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)輸入存在差異，導(dǎo)致變異程度最高[1,8]；而灌木地及林地雖然地表凋落物較為豐富，但土壤團(tuán)聚體相對穩(wěn)定，因此表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的變異程度；草地有機(jī)碳來源輸入較穩(wěn)定，故表現(xiàn)出較低的變異程度。本研究中，小流域的土壤有機(jī)碳含量在垂直分布上均表現(xiàn)出隨土層的加深而顯著降低的趨勢，這一研究結(jié)果與多數(shù)研究結(jié)果一致[22-23]。這主要是由于以地表凋落物積累為主要來源的有機(jī)碳，隨著土層深度的增加，其輸入逐漸降低的原因[24]。

本研究中地統(tǒng)計學(xué)分析表明，隨土層深度的加深，各土層塊金值與基臺值的比值即C0/(C0+C)有減小的趨勢且均小于25%，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其中結(jié)構(gòu)性因素起主要作用(表3，圖3)。賈宇平等[3]同樣對各層土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，結(jié)果C0/(C0+C)值均小于12%。這表明雖然不同的土地利用方式，管理措施等人為活動作用于表層土壤，破壞了表層原有的空間相關(guān)性，但土壤仍保持著氣候、地形等自然因素的長期作用形成的空間相關(guān)性[22]，且這種變異性隨土層的加深，結(jié)構(gòu)因素的作用越來越強(qiáng)。這與呂成文等[21]的研究結(jié)果相一致，他們認(rèn)為0—100 cm土壤有機(jī)碳比表層0—20 cm更容易受結(jié)構(gòu)性因素的影響。小流域土壤有機(jī)碳含量在其東北部及中南部有機(jī)碳含量較高，南部及中北部含量較低(圖4)。結(jié)合樣點土地利用方式分布來看，小流域東北部及中南部地區(qū)主要以人工種植的檸條為主，其較高的生物量和土壤動物及微生物活動量會促進(jìn)有機(jī)碳含量的增加[15]，且檸條多以水平溝和水平階的整體方式進(jìn)行種植，這在一定程度上減緩坡面徑流流速有效積累有機(jī)碳含量。中北部地區(qū)為耕地，位于坡下位置易受土壤沉積作用的影響但由于長期耕作會破壞土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，加速有機(jī)碳的礦化作用從而一定程度上造成土壤有機(jī)碳含量的相對減少[25]。而南部地區(qū)土壤有機(jī)碳含量也相對較低，一方面是因為該區(qū)域以坡面為主的撂荒草地實際占比面積較大，其根系及生物量較少也受到侵蝕作用影響易造成有機(jī)碳的流失，另一方面也可能與采樣林地多為人工種植樹齡較低的果樹有關(guān)。

注：圖中不同小寫字母同一地形條件不同土地利用方式間有機(jī)碳含量有顯著性差異，不同大寫字母表示同一土地利用方式不同地形條件下有機(jī)碳含量有顯著差異(p<0.05)；未標(biāo)字母的表示差異不顯著(p>0.05)。

圖5 不同地形條件和不同土地利用條件下土壤有機(jī)碳含量

本研究中，地形條件的差異對小流域土壤有機(jī)碳的空間分布產(chǎn)生了明顯的影響。從整個小流域尺度來說，坡位和微地形整地方式均對土壤有機(jī)碳有顯著影響(p<0.05)，但坡向則沒有顯著影響(p>0.05，表5)。從坡位來說，本研究中有機(jī)碳含量表現(xiàn)為坡上>坡下>坡中，這與一些研究表現(xiàn)出坡下>坡中>坡上的結(jié)果不盡相同[6]。影響坡面土壤有機(jī)碳分布的原因比較復(fù)雜，一般來說，受侵蝕—沉積作用的影響，坡上和坡中位置土壤有機(jī)碳常伴隨水土流失會向坡下發(fā)生轉(zhuǎn)移并在坡下逐漸沉積富集，致使坡下有機(jī)碳含量較高[26]。但坡面微地形整地方式與不同植被類型種植相結(jié)合可改變原有坡面的這種土壤有機(jī)碳空間分布特征。沈艷等[27]研究了不同管理方式下寧夏典型草原土壤的理化特征，認(rèn)為經(jīng)過較長時間的水平溝整地方式其土壤養(yǎng)分總體較高主要是由于水平溝能夠攔截坡地徑流中攜帶的養(yǎng)分。而水平階整地方式能夠有效減緩坡面徑流流速進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的累積情況[28]。梯田則通過改變地形地貌，使田面變得平整均勻，從而減少地表徑流起到蓄水保肥積累土壤有機(jī)碳的作用[29]。小流域4種整地方式下土壤有機(jī)碳的差異也體現(xiàn)出這種影響，檸條為主的水平溝顯著高于檸條為主的水平階和農(nóng)田為主的梯田，以荒草地為主的坡地最低(表5)。整地方式與植被類型的差異也使得半陽坡和半陰坡的土壤有機(jī)碳差異不顯著。對于梯田來說，位于坡下的梯田有機(jī)碳含量會顯著高于坡上，這主要因為坡下位置更容易出現(xiàn)有機(jī)碳的沉積現(xiàn)象從而提高其含量。從檸條灌木地這一小流域主要土地利用方式來說，坡位和坡向?qū)ν寥烙袡C(jī)碳沒有顯著影響(p>0.05)，但微地形整地方式則有顯著影響(p<0.05，表6)，破壞較小的緩坡地要高于整地較大的水平溝和水平階，這也進(jìn)一步說明整地方式在小流域土壤有機(jī)碳積累中的重要作用?？傮w來說，人工種植檸條的灌木地對小流域土壤有機(jī)碳的積累產(chǎn)生了積極作用，但其作用效果也受微地形整地方式的較大影響。

4 結(jié) 論

黃土丘陵區(qū)火岔灣小流域0—40 cm土壤有機(jī)碳含量為8.78～29.81 g/kg，且表現(xiàn)為林地>灌木地>農(nóng)地>草地，變異系數(shù)為19.03%～21.80%，屬中等程度變異。不同土地利用方式下有機(jī)碳含量均隨土層加深而逐漸降低。各土層土壤有機(jī)碳的半方差擬合模型均為球狀模型，存在著強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，土壤的結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異在總變異中所占比例較大起主要作用，由隨機(jī)因素引起的空間變異較小。克里格插值結(jié)果表明，以人工種植檸條為主的區(qū)域整體土壤有機(jī)碳含量較高，而耕地及撂荒草地為主的區(qū)域整體含量較低。破壞較小的緩坡地要有機(jī)碳含量高于整地較大的水平溝和水平階。在研究區(qū)，人工種植檸條為主的生態(tài)恢復(fù)方式改變了小流域土壤有機(jī)碳空間變異性，并且其作用效果也與微地形整地方式有較大關(guān)系。本研究表明，在人工植被恢復(fù)主導(dǎo)的小流域土壤有機(jī)碳研究中，將植被恢復(fù)類型與整地方式耦合分析非常重要。