三峽庫區(qū)蘭陵溪流域土壤有機(jī)碳密度的影響因素

摘要：研究三峽庫區(qū)蘭陵溪流域0～30 cm層土壤有機(jī)碳（SOC）密度的影響因素，建立該地區(qū)土壤有機(jī)碳密度的回歸方程，調(diào)整碳匯策略。通過典型樣點(diǎn)法選取該流域各土地利用方式0～30 cm土壤樣品，測定其SOC密度，調(diào)查各取樣點(diǎn)海拔、坡度、坡向、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子，分析SOC密度與環(huán)境因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，該流域草地、茶園地、灌木地、林地、農(nóng)地5種主要土地利用方式的平均SOC密度分別為7.55、3.83、6.04、10.24、2.83 kg/m2，差異極顯著（P<0.01）；SOC密度與有機(jī)質(zhì)含量（r=0.942）、黏粒含量（r=0.898）、總氮含量（r=0.863）、海拔（r=0.599）等環(huán)境因子呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；與沙粒含量（r=-0.932，P<0.01）和坡度（r=-0.407，P<0.05）呈負(fù)相關(guān)；與土壤pH、總磷含量、總鉀含量的相關(guān)性不顯著。SOC密度與上述環(huán)境因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.986>0.8，為高度相關(guān)，且復(fù)相關(guān)系數(shù)大于任一自變量與因變量之間的相關(guān)系數(shù)，說明環(huán)境因子對SOC密度具有綜合影響。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)碳（SOC）密度；影響因素；三峽庫區(qū)

中圖分類號：S181 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4385-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.008

Abstract： To reveal the influencing factors for organic carbon （SOC） density in 0～30 cm soil layer of Lanlingxi watershed in Three Gorges Reservoir area， build the regression equation for soil organic carbon density and adjust carbon sequestration strategy in this region，soil samples of top soil profile（0～30 cm） in five land-use types were selected by the typical method. The SOC densities of top soil profile（0～30 cm） and other environmental factors， such as elevation， slope and aspect and soil properties in five land-use types were investigated， and the relationships of SOC density with physical properties of soil were also examined. The results showed that the SOC density for the grassland， scrubland， forest， tea plantation and farmland on the watershed was 7.55，3.83，6.04，10.24，2.83 kg/m2，respectively， and the difference of them reached extremely significant level（P<0.01）. SOC density was significantly positive correlated with organic matter content（r=0.942，P<0.01），clay mass percentage （r=0.898，P<0.01），total nitrogen（r=0.863，P<0.01），altitude（r=0.599，P<0.01），and was significantly negative correlated with sand content（r=-0.932，P<0.01） and slope（r=-0.407，P<0.05）；the correlation between SOC density and soil pH，total phosphorus，total potassium was not obvious. Multiple correlation coefficient（R） between SOC density and environmental factors above was 0.986（R>0.8，was highly relevant），was greater than any one single correlation coefficient between independent variables and the dependent variable， which fully proved that environmental factors had the combined effect on SOC density.

Key words： soil organic carbon（SOC） density； influencing factors； Three Gorges Reservoir area

土壤有機(jī)碳（SOC）庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫之一，影響植被生產(chǎn)力并受植被生產(chǎn)力的影響。已有文獻(xiàn)對SOC的遷移、轉(zhuǎn)化、存儲機(jī)制[1]，SOC的深度分布，碳儲量隨海拔的變化，地帶性氣候?qū)OC儲量的影響等進(jìn)行了研究[2-5]。自然條件下，近地表層SOC密度值最高，隨深度的增加，SOC密度呈冪函數(shù)形式迅速下降[1，6，7]。0～30 cm土壤層中SOC含量約占0～100 cm層的64.5%～85.4%[8-10]。0～30 cm表層SOC性質(zhì)不穩(wěn)定，受環(huán)境因素的影響而處于動態(tài)變化中。土壤深層SOC性質(zhì)較穩(wěn)定，受環(huán)境因素影響較小，深層SOC密度的變化主要受上層SOC性質(zhì)、遷移、轉(zhuǎn)化的影響[11]。研究三峽庫區(qū)小流域0～30 cm層SOC的環(huán)境影響因素，構(gòu)建該區(qū)域有機(jī)碳計(jì)量的回歸模型，有利于調(diào)整流域碳匯策略，增加土壤有機(jī)碳密度，減少土壤流失，對改善三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境，減緩全球氣候變化具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究流域位于湖北省秭歸縣中東部（110°56′E，30°50′N），長江三峽大壩上游5 km處，典型的農(nóng)林復(fù)合小流域，面積1 100 hm2。屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫18.0 ℃，年均日照時(shí)間1 624.8 h，年均相對濕度77%，年均降水量1 150 mm，無霜期307 d。土壤以黃壤和山地黃棕壤為主。由于長期過度開發(fā)，自然植被破壞嚴(yán)重，林地主要類型為馬尾松（Pinus massoniana）次生林、松櫟（Pinus and Quercus）混交林；灌木地以黃荊（Vitex negundo）、莢蒾（Viburnum dilatatum）、毛黃櫨（Cotmus coggygria）、杜鵑（Rhododendron simsii）、胡枝子（Lespedeza bicolor）和馬桑（Coriaria sinica）等為主；草地以蘭草（Cymbidium faberi）、蕨類（Pteridium aquilinum var. atiusculum）、魚腥草（Houttuynia cordata）、薹草（Carex montana）和飛蓬（Erigeron speciosus）等為主；農(nóng)地作物以玉米（Zea mays）、紅薯（Ipomoea batatas）、花生（Arachis hypogaea Linn.）、小麥（Triticum aestivum Linn.）為主，茶葉種植面積較大。

1.2 調(diào)查樣地的設(shè)置

依據(jù)典型代表性原則和裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，把蘭陵溪流域劃分為草地、茶園地、灌木地、林地和農(nóng)地等5類土地，每類土地利用隨機(jī)設(shè)計(jì)7個(gè)調(diào)查樣方，共有35個(gè)調(diào)查樣方。林地樣方為10 m×10 m，灌木樣方5 m×5 m，其他均為2 m×2 m。各樣方環(huán)境因子特征見表1。

1.3 土壤樣品采集及分析

2013年8月，調(diào)查統(tǒng)計(jì)各樣方立地條件及喬木、灌木、草本植物生長指標(biāo)。每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇3～5個(gè)取樣點(diǎn)，各樣點(diǎn)用Φ5 cm土鉆取0～30 cm層土，充分混合，獲得各樣方土樣。自然風(fēng)干，除去草根、大石礫等雜質(zhì)，過2 mm鋼篩，磨細(xì)。取樣同時(shí)，用100 cm 3環(huán)刀另取樣，稱重，105 ℃烘干至恒重，計(jì)算土壤含水率和土壤容重。測定土壤pH、沙粒、黏粒、總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）、有機(jī)質(zhì)含量等，重鉻酸鉀-外加熱法測定SOC含量[12]，SOC含量及密度計(jì)算公式如下：

式中，CSOC為土壤有機(jī)碳含量，g/kg；c為0.800 0 mol/L（1/6K2Cr2O7）標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度；5為重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液加入的體積，mL；V0為空白滴定消耗的FeSO4體積，mL；3.0為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量， g/mol；1.1為氧化校正系數(shù)；m為風(fēng)干土樣質(zhì)量，g； k為烘干土換算系數(shù)。

式中，ρk為第k層SOC密度，kg/m2；k為土壤層次；Ck為第k層SOC含量，g/kg；Dk為第k層土壤密度，g/cm3；Ek為第k層土壤厚度，cm；Gk為第k層土層中直徑大于2 mm石礫所占體積百分比，%[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

土壤理化性質(zhì)正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤理化性質(zhì)滿足正態(tài)性（P<0.05）。采用SPSS 19.5軟件和Excel 2010程序包進(jìn)行多重比較、單因素方差分析、因子相關(guān)性分析和多元線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘭陵溪流域SOC分布及主要環(huán)境因子的變化

蘭陵溪流域地形復(fù)雜，海拔落差較大，長期不合理的開發(fā)利用使流域景觀破碎。SOC密度及環(huán)境因子變化較大（表1）。取樣土壤中直徑大于2 mm石礫含量占25%～35%，沙粒含量為62.55%～72.99%，黏粒為0.55%～15.95%；pH為5.26～8.55。蘭陵溪流域表層土壤理化指標(biāo)差異顯著，原因可能是植物特性及人類活動的影響。植被、海拔和土地利用方式等環(huán)境因子使SOC密度變化明顯，變化范圍為2.45～12.34 kg/m2，平均為6.09 kg/m2，最大值是最小值的5.04倍。5類土地中，林地SOC含量最高，這可能與林地受外界干擾較小、生產(chǎn)力較高以及形成的腐殖質(zhì)量、動植物殘?bào)w量和微生物體量較大有關(guān)。而農(nóng)地受周期性耕作的影響，SOC分解量較大，含量較低。

2.2 土地利用方式對土壤有機(jī)碳密度的影響

土地利用方式是表層SOC密度變化的主要影響因子。秭歸縣蘭陵溪流域草地、茶園地、灌木地、林地、農(nóng)地等5種主要土地利用方式SOC密度分別為7.55±1.60、3.83±0.86、6.04±0.71、10.24±1.42、2.83±0.25 kg/m2。SOC密度表現(xiàn)為林地>草地>灌木地>茶園地>農(nóng)地，各土地利用類型間差異顯著（P<0.05），SOC密度多重比較結(jié)果見圖1。

2.3 土壤有機(jī)碳密度與環(huán)境因子的相關(guān)性

秭歸縣蘭陵溪流域環(huán)境因子與SOC密度二元變量相關(guān)性分析結(jié)果見表2。SOC密度與有機(jī)質(zhì)含量（r=0.942）、黏粒含量（r=0.898）、全氮含量（r=0.863）、海拔（r=0.599）均呈極顯著正相關(guān)；與沙粒含量（r=-0.932，P<0.01）和坡度（r=-0.407，P<0.05）呈負(fù)相關(guān)；與土壤pH、全磷含量、全鉀含量相關(guān)性不明顯。SOC密度與有機(jī)質(zhì)含量正相關(guān)性最強(qiáng)，說明提高土地管理措施，提高有機(jī)質(zhì)含量，是增加土壤碳匯功能的重要措施。SOC密度還與海拔呈極顯著正相關(guān)，可能原因是研究流域海拔相差較大，直接影響土壤溫度、土壤微生物活性，使得高海拔樣地SOC分解作用較弱，密度值較高。

2.4 土壤有機(jī)碳密度與環(huán)境因子的回歸模型

SOC的遷移轉(zhuǎn)化、存儲固定是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)過程，受多個(gè)環(huán)境生態(tài)因子的影響。這里將SOC密度作為因變量y，表1中9個(gè)環(huán)境因子作為自變量x，即：海拔因子為x1，坡度因子為x2，pH為x3，有機(jī)質(zhì)含量為x4，全氮含量為x5，全磷含量為x6，全鉀含量為x7，沙粒含量為x8，黏粒含量為x9。利用SPSS 19.5軟件包進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)果顯示SOC密度與環(huán)境因子復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.986（R>0.8，即為高度相關(guān)），判定系數(shù)R2=0.963（P<0.01），復(fù)相關(guān)系數(shù)大于任一自變量與因變量之間的單相關(guān)關(guān)系（表2），這充分說明了環(huán)境因子對SOC密度的綜合影響規(guī)律。方差分析統(tǒng)計(jì)量F=98.466，P<0.01，環(huán)境因子（自變量）與SOC密度（因變量）之間存在線形回歸關(guān)系，回歸方程為：y=0.001x1+0.005x2-0.045x3+0.177x4+0.041x5-0.299x6-0.082x7-0.214x8+5.164x9+20.462。

3 小結(jié)與討論

3.1 土地利用方式與土壤有機(jī)碳密度的關(guān)系

林地、草地、灌木地等SOC密度值均表現(xiàn)為近地表層最高，隨土壤剖面深度的增加，SOC密度呈冪函數(shù)形式迅速下降，0～30 cm表層土壤剖面層中SOC含量是0～100 cm層的64.5%～85.4%，表層SOC性質(zhì)不穩(wěn)定，易受降雨等氣候環(huán)境因子的影響，深層SOC性質(zhì)較穩(wěn)定[5，9，10，14]。農(nóng)地受周期性農(nóng)耕活動的影響，在0～30 cm耕作層內(nèi)，SOC密度較低，幾乎為一定值[9]，SOC存儲量約占0～100 cm剖面層的54%左右，耕作層以下SOC性質(zhì)也較為穩(wěn)定，年動態(tài)變化較小。本研究0～30 cm土層SOC密度代表著研究流域SOC密度空間分布及動態(tài)變化。

土地利用方式是區(qū)域SOC分布的決定因素，氣候和土壤質(zhì)地是區(qū)域SOC總量的主要控制因素，植被生產(chǎn)力、地上和地下生物量配置、土壤微生物機(jī)制等都影響土壤碳的分布模式[7，15]。本研究結(jié)果也表明土地利用方式深刻地影響著SOC密度空間分布。Jackson等[16]認(rèn)為植物根系分布影響SOC的分布，植物地上和地下部分的分配差異影響SOC的相對量，土壤地表凋落物量影響表層SOC量。林地0～30 cm土層SOC密度最高，這可能是林木地上部分生物量比例較灌木和草地都高。例如，溫帶草原根與莖的比值平均為3或4，而溫帶森林比值僅為0.26[16，17]。林地地表木質(zhì)素碳的輸入量較大，分解性較低，大大增加了表層SOC密度。農(nóng)地受人類經(jīng)營活動的影響，0～30 cm的耕作層內(nèi)，SOC含量幾乎沒有變化。雖然相關(guān)性并不能說明植被對SOC變化的因果關(guān)系，但是植被格局變化后，SOC分布也發(fā)生變化。如，新西蘭草原栽植松林，20年后表層SOC含量增加；哥倫比亞熱帶稀樹草原引進(jìn)外國草種后，SOC儲量變大[5]。

3.2 環(huán)境因子與土壤有機(jī)碳密度的關(guān)系

土壤0～30 cm層SOC密度受土地利用方式影響外，還受土壤機(jī)械組成、降雨量、溫度及海拔等環(huán)境因子的影響。黏粒含量增加，SOC含量升高；沙粒含量增加，SOC含量下降[15]。坡度在一定程度上影響植被蒸騰、水分入滲及土壤流失程度等，繼而影響到植被的生長與凋落物的歸還量及其分解，SOC密度隨之產(chǎn)生差異性[18]。研究流域SOC密度與海拔顯著相關(guān)，這可能是海撥相差較大，影響到了溫度、降水等氣象條件的變化，這一點(diǎn)與王曉麗等[11]的研究結(jié)果一致；但隨著土壤深度的增加，SOC與氣候的相關(guān)性減弱，與土壤質(zhì)地的關(guān)系逐漸增強(qiáng)[10]。土壤過酸或過堿均會影響植被的生長發(fā)育，土壤微生物活性對土壤酸堿度較為敏感。蘭陵溪流域土壤pH變化范圍為5.26～8.55，pH對微生物干擾較小，與SOC密度相關(guān)性不顯著。N、P是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，對SOC密度具有一定的影響。土壤中的N絕大部分以有機(jī)態(tài)形式存在，有利于SOC的積累，礦質(zhì)有效氮會降低SOC的礦化速率[19]。

3.3 土壤有機(jī)碳密度的回歸方程

SOC的積累存儲是一個(gè)復(fù)雜生態(tài)過程，本研究選取上述9個(gè)環(huán)境因子并不能代表整個(gè)影響因素，較高的相關(guān)系數(shù)也不能證明SOC密度之間的因果關(guān)系。本研究在利用上述方程進(jìn)行預(yù)測時(shí)，結(jié)果總存在一定的誤差，這可能與方程自身缺陷、選樣時(shí)間、SOC含量的測定方法有關(guān)?；貧w方程是建立在表1數(shù)據(jù)絕對真實(shí)可靠基礎(chǔ)之上，但調(diào)查數(shù)據(jù)必定有一定的誤差和錯(cuò)誤，這也可能是預(yù)測誤差的一個(gè)來源；同時(shí)流域微生物因素、微地形因素，以及采樣時(shí)間的差異并沒有考慮，這也增加了方程預(yù)測的誤差性。

本研究還利用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)[20]對SOC密度回歸方程進(jìn)行模擬能力檢測，結(jié)果表明構(gòu)建期和驗(yàn)證期效率系數(shù)分別為0.74、0.68，均大于可接受的臨界值0.6，說明該方程可以進(jìn)行研究流域SOC密度的預(yù)測[1，6，21]。研究提出的土壤有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地、全氮含量等環(huán)境因子與SOC密度的模型可以在誤差允許范圍內(nèi)對研究流域SOC進(jìn)行評估。土地利用方式、立地條件及土壤自身?xiàng)l件都是影響區(qū)域土壤碳匯能力的因子，合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，推廣退耕還林等工程措施，加強(qiáng)植被保護(hù)，可有效提高土壤碳儲量。

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