土地利用方式變化對(duì)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳空間分布的影響

虞舟魯，邱樂豐，林 霖

(1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)村發(fā)展研究所，浙江 杭州 310021)

土地利用方式變化對(duì)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳空間分布的影響

虞舟魯1，邱樂豐2，林 霖1

(1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)村發(fā)展研究所，浙江 杭州 310021)

將地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，研究浙江省杭州市富陽區(qū)1979—2006年0～20 cm土層土壤有機(jī)碳的時(shí)間和空間變異特征。結(jié)果表明，1979—2006年富陽區(qū)土壤平均有機(jī)碳含量從17.3 g·kg-1增長到18.5 g·kg-1。根據(jù)半方差模型分析結(jié)果，富陽區(qū)1979年和2006年土壤有機(jī)碳的分布在空間自相關(guān)上均表現(xiàn)為中等強(qiáng)度。不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量依次為菜地>林地>水田>旱地>未利用地>園地。研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳發(fā)生變化的主要驅(qū)動(dòng)力是土地利用方式及其相應(yīng)的管理措施差異。城鎮(zhèn)日常生活產(chǎn)生的生活廢水與廢棄物，以及工業(yè)特別是造紙產(chǎn)生的工業(yè)廢水的處置方式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不同種植方式下有機(jī)肥和化肥的使用情況，均對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳水平的高低和空間異質(zhì)性有直接影響。研究結(jié)果可為研究區(qū)土壤有機(jī)碳管理提供科學(xué)依據(jù)。

土壤有機(jī)碳；地統(tǒng)計(jì)；時(shí)空變異；土地利用

土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中貯存量最大的碳庫[1]，是全球碳循環(huán)的重要節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，土壤有機(jī)碳又是土壤生產(chǎn)力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，對(duì)土壤的生物、物理和化學(xué)特性及各種變化過程有重要影響，也是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要因子。在全球變暖和CO2減排背景下，研究土壤有機(jī)碳的時(shí)空變異及其影響因素具有積極意義[2-4]。

不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的分布和變化影響很大。宇萬太等[5]對(duì)中國遼河平原地區(qū)暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候下不同土地利用方式的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及C/N進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)林地、割草地、荒地及裸地各土層有機(jī)碳含量高于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；吳崇書等[6]通過采集90組杭嘉湖平原耕地表層土壤樣本，研究不同土地利用方式和農(nóng)藝措施轉(zhuǎn)變對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響，結(jié)果表明，施用有機(jī)肥和化肥可顯著提高土壤有機(jī)碳含量，水田改果樹或茶葉等旱植經(jīng)濟(jì)林可引起土壤有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量的明顯下降。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，菜地和水田的土壤有機(jī)碳和其他養(yǎng)分含量較高，而園地和旱地的土壤養(yǎng)分含量較低，不同施肥方式和耕作措施都會(huì)影響土壤有機(jī)碳和其他養(yǎng)分水平[7-8]。本研究擬以浙江省杭州市富陽區(qū)為研究區(qū)域，通過土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與分析，結(jié)合遙感和土地利用等數(shù)據(jù)，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，探索研究區(qū)1979—2006年土壤有機(jī)碳的時(shí)空變異，分析土壤有機(jī)碳的空間分布格局及土地利用方式等對(duì)其的影響，以期為富陽區(qū)土壤有機(jī)碳管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

富陽區(qū)位于浙江省杭州市域范圍的西南部，地理位置為119.42°～120.33°E、29.75°～30.20°N。東部、西部分別與杭州市蕭山區(qū)、桐廬縣相接，北部與杭州市西湖區(qū)、余杭區(qū)、臨安市相連，南部毗鄰諸暨市。區(qū)域范圍東西長68.67 km，南北寬50.37 km。面積1 831 km2。下轄5個(gè)街道、13個(gè)鎮(zhèn)、6個(gè)鄉(xiāng)。整體地貌以“兩山夾江”為最大特征，山地、丘陵面積占區(qū)域總面積的78.61%，平原、盆地面積占16.36%，水域占5.02%，故有“八山半水分半田”之稱[9]。

富陽區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱，四季分明，春夏雨熱同步，秋冬光溫互補(bǔ)，氣候垂直變化明顯。年平均氣溫16.1 ℃，年平均降雨量1 441.9 mm。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以水稻、蔬菜、茶葉、毛竹為主。富陽區(qū)的耕層土壤質(zhì)地有壤土、黏土、砂土和黏壤土。全區(qū)土壤分屬于16土屬，主要以黃泥土與紅泥土為主，合計(jì)占比超過全區(qū)總面積的50%，油黃泥、洪積泥砂田的分布面積分別占全區(qū)總面積的6.79%、6.03%，其他土壤類型所占比例均較低[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

收集富陽當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)局1979年第二次土壤普查資料，共228個(gè)土壤采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。2006年，與富陽區(qū)農(nóng)業(yè)局土肥站合作在全區(qū)范圍內(nèi)通過土壤采樣，分析調(diào)查農(nóng)用地地力。取樣方案如下：以1979年土壤采樣點(diǎn)為參考就近采樣，同時(shí)增加采樣點(diǎn)密度以獲得更多土壤空間與屬性信息。采樣深度20 cm，每個(gè)土樣以1個(gè)取土點(diǎn)為中心，在5 m半徑內(nèi)取5點(diǎn)混合而成，并使用手持GPS儀記錄中心點(diǎn)位置(圖1)。為充分考慮采樣點(diǎn)在不同土地利用類型、不同土類上的分布，利用富陽區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類型圖，共采集土壤樣品1 104個(gè)。土壤樣品常規(guī)理化性質(zhì)分析參照《土壤農(nóng)化分析》[11]中的方法進(jìn)行，土壤有機(jī)質(zhì)含量使用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定[12]。

本研究所用1979年土地利用數(shù)據(jù)來自于1979年Landsat MSS影像的監(jiān)督分類[13]；2006年土地利用數(shù)據(jù)由富陽區(qū)國土資源局提供。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)用地土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征

Kolmogorov-Smirnov (K-S)檢驗(yàn)[14]結(jié)果表明，1979年和2006年的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布要求，符合地統(tǒng)計(jì)分析的要求。結(jié)果(表1)顯示，2006年研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量顯著(P<0.05)高于1979年，說明研究區(qū)0～20 cm土層有機(jī)碳含量有顯著提高。根據(jù)計(jì)算得到的變異系數(shù)(CV)結(jié)果，富陽區(qū)1979年、2006年土壤有機(jī)碳在空間分布上的變異程度均屬于中等強(qiáng)度(0.1～1)。

2.2 農(nóng)用地土壤有機(jī)碳時(shí)空變化特征

如表2所示，用于研究區(qū)1979年和2006年土壤有機(jī)碳空間變化的最優(yōu)半方差模型為球狀(spherical)模型。塊金值(C0)是由測(cè)量誤差和人為等隨機(jī)因素引起的變異，塊金值越大則表明空間變異程度越大；基臺(tái)值(C+C0)表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異，當(dāng)半變異函數(shù)值超過基臺(tái)值時(shí)，即函數(shù)值不隨采樣點(diǎn)間隔距離而改變時(shí)，空間相關(guān)性不存在；變程即最大相關(guān)距離，表示了在某種觀測(cè)尺度下空間相關(guān)性的作用范圍，當(dāng)某土壤屬性觀測(cè)值之間的距離大于該值時(shí)，它們之間是相互獨(dú)立的，小于該值時(shí)它們之間存在一定的空間相關(guān)性，且樣點(diǎn)間的距離越小，其空間相關(guān)性越大。空間相關(guān)性的強(qiáng)弱可由塊金效應(yīng)即塊金值與基臺(tái)值之比[C0/(C+C0)]來反映：塊金效應(yīng)<0.25，說明變量空間相關(guān)性很弱，變量樣本間的變異更多是由隨機(jī)因素引起；塊金效應(yīng)在0.25～0.75之間，變量具有中等的空間相關(guān)性；塊金效應(yīng)>0.75，表明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。1979年和2006年研究區(qū)土壤有機(jī)碳的塊金效應(yīng)值分別為0.583和0.523，空間自相關(guān)性表現(xiàn)為中等強(qiáng)度，說明研究區(qū)內(nèi)自然因素和人為因素共同影響了土壤有機(jī)碳分布的空間異質(zhì)性。

圖1 1979與2006年土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Spatial distribution of soil samples in 1979 and 2006

表1 研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Table 1 Statistic summary of soil organic carbon (SOC) content in study area

年份Year樣點(diǎn)數(shù)n平均值Mean/(g·kg-1)標(biāo)準(zhǔn)差SD/(g·kg-1)中值Median/(g·kg-1)最小值Minimum/(g·kg-1)最大值Maximum/(g·kg-1)變異系數(shù)CVPk-s197922817 34 617 70 729 80 270 2072006110418 55 718 00 643 90 310 085

基于半方差模型的分析結(jié)果，利用ArcGIS 10.0的地統(tǒng)計(jì)分析模塊(geostatistical analyst)中的普通克里格(Kriging)方法，根據(jù)研究區(qū)1979年和2006年樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行插值，分別得到1979和2006年富陽土壤有機(jī)碳空間分布(圖2)。1979年富陽區(qū)東南部、西北部和中北部的土壤有機(jī)碳含量明顯高于其他區(qū)域；2006年，富陽區(qū)中部、東南部的土壤有機(jī)碳含量有所下降，而西部和東部的土壤有機(jī)碳含量明顯上升，其余地區(qū)相對(duì)保持穩(wěn)定。

為了定量分析研究區(qū)土壤有機(jī)碳的變化情況，參照浙江省第二次土壤普查中的土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(表3)，整體來看，研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，無五、六級(jí)土。1979年，研究區(qū)的土壤有機(jī)碳整體水平中等偏上，以二級(jí)和三級(jí)為主，合計(jì)占研究區(qū)總面積的99%以上；2006年，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)水平三級(jí)的土地面積下降較為明顯，但一級(jí)和二級(jí)的土地面積有明顯增加?？傮w來看，研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，但不同研究區(qū)域的變化幅度差異較大。

表2 研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量半方差分析結(jié)果

Table 2 Semivariogram models for SOC content in study area

年份Year模型Model塊金值C0基臺(tái)值C+C0C0/(C+C0)變程Range/km平均誤差Meanerror均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差Root?mean?squarestandardizederror1979球狀Spherical13 623 30 58313 4-0 040 942006球狀Spherical18 435 20 5234 50 010 95

圖2 1979和2006年研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量空間分布Fig.2 Distribution maps of SOC content in 1979 and 2006 in study area

2.3 土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

方差分析結(jié)果(圖3)顯示，土壤有機(jī)碳含量在不同土地利用類型下有顯著(P<0.05)差異。菜地的土壤有機(jī)碳含量最高，其次為林地、水田和旱地，未利用地和園地的土壤有機(jī)碳含量偏低。菜地土壤有機(jī)碳含量顯著高于未利用地和園地。

進(jìn)一步分析1979—2006年間土地利用方式變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，結(jié)果如表4所示。1979—2006年從水田轉(zhuǎn)化為菜地的部分土壤有機(jī)碳含量增長幅度最大，其次是從水田轉(zhuǎn)化為林地和旱地，轉(zhuǎn)化為園地時(shí)土壤有機(jī)碳含量小幅降低。同時(shí)，利用方式?jīng)]有發(fā)生變化的水田土壤有機(jī)碳含量也呈現(xiàn)小幅增長趨勢(shì)。

表3 研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量分級(jí)面積表

Table 3 Land areas and percentages of different SOC levels in 1979 and 2006

等級(jí)Level1979面積Area/km2比例Percentage/%2006面積Area/km2比例Percentage/%一級(jí)LevelⅠ——55 86 5二級(jí)LevelⅡ442 851 4511 659 4三級(jí)LevelⅢ416 348 3287 433 4四級(jí)LevelⅣ2 90 36 50 7

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量無五、六級(jí)，故表中未列出。

As there was no level Ⅴ， Ⅵ soil in the study area， it was not shown in the above table.

柱上無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)Bars marked with no same letters indicated significant difference atP<0.05圖3 不同土地利用方式的土壤有機(jī)碳含量Fig.3 Mean SOC content of different land use types

不同土地利用類型的土壤有機(jī)質(zhì)輸入水平，因管理措施不同而存在明顯差異，這是土壤有機(jī)碳空間變異的重要原因之一。以菜地為例，隨著建設(shè)用地增加、城市人口集聚，富陽全區(qū)特別是城郊范圍內(nèi)部分原本種植糧食的水田、旱地通過農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整改為種植蔬菜的菜地，以滿足因城鎮(zhèn)人口增加而帶來的巨大生活需求，但蔬菜種植期內(nèi)投入的肥料遠(yuǎn)高于糧食種植期內(nèi)投入的肥料，因此菜地的土壤肥力通常遠(yuǎn)高于其他類型農(nóng)用地[6]。與菜地、耕地相比，園地的有機(jī)碳含量相對(duì)較低，主要是因?yàn)閳@地相對(duì)集中在低丘緩坡區(qū)域，該區(qū)域土層厚度相對(duì)較薄，土壤肥力特別是有機(jī)質(zhì)含量較低，同時(shí)園地管理的人工干預(yù)亦較少[15]。

表4 土地利用方式變化與土壤有機(jī)碳含量變化的關(guān)系

Table 4 SOC variation with changes of land use type from 1979 to 2006

土地利用方式Landusetypes19792006面積Area/hm2有機(jī)碳變化SOCvariation/(g·kg-1)水田菜地Vegetableland776 53 50Paddy旱地Dryland1711 00 98field林地Forestland6999 41 61水田Paddyfield14126 31 21園地Orchard3377 3-0 98

2.4 城市化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

富春江及其支流兩岸的河谷平原地區(qū)是富陽傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)地區(qū)，也是城市擴(kuò)張和工業(yè)發(fā)展最快速的地區(qū)，土地利用方式急劇變化[9]。借助于ArcGIS 10.0平臺(tái)，以富春江及其支流為中心生成距離為0.5、1、2、3、4和5 km的6個(gè)緩沖區(qū)，分別疊合土壤有機(jī)碳空間分布圖(圖2)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出土壤有機(jī)碳在各個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)的變異平均值。選取不同范圍內(nèi)的工廠數(shù)目、工廠密度和建設(shè)用地比例來表征工業(yè)和城市發(fā)展水平。相關(guān)性分析結(jié)果(表5)顯示：土壤有機(jī)碳含量與離河距離、建設(shè)用地比例、工廠數(shù)目和工廠密度均有顯著的相關(guān)性，距離富春江及其支流越近、城市化和工業(yè)化程度越高的區(qū)域，土壤有機(jī)碳含量越高。

表5 土壤有機(jī)碳含量與城市化程度的相關(guān)性分析

Table 5 Pearson’s correlation within SOC variation and urbanization factors

指標(biāo)Index相關(guān)性Correlation離河距離DistancetoFuchunRiver-0 996??工廠數(shù)目Numberoffactories0 988??工廠密度Densityoffactories0 953??建設(shè)用地比例Percentageofbuilt?up0 982??

**表示P<0.01。

**indicatedP<0.01.

造紙產(chǎn)業(yè)是富陽的支柱產(chǎn)業(yè)，在富春江兩岸共分布有200余家造紙廠，其排放的污水占富陽區(qū)工業(yè)廢水排放總量的90%以上。根據(jù)富陽區(qū)2007年統(tǒng)計(jì)年鑒，富陽區(qū)年均產(chǎn)生工業(yè)廢水25 100萬t，工業(yè)固體廢物91萬t，生活廢水1 731萬t。富春江作為研究區(qū)內(nèi)最主要的進(jìn)出境河流，接納了境內(nèi)的大部分廢水，而富春江及其支流又是富陽區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要來源。國內(nèi)外的研究普遍證實(shí)，造紙產(chǎn)生的廢水和污泥對(duì)提高土壤氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分水平作用顯著，這可能是富陽區(qū)城市化進(jìn)程提高土壤有機(jī)質(zhì)水平的重要原因。

3 結(jié)論

本研究顯示，1979—2006年富陽區(qū)土壤平均有機(jī)碳含量從17.3 g·kg-1增長到18.5 g·kg-1，研究區(qū)土壤有機(jī)碳分布在空間自相關(guān)上表現(xiàn)為中等強(qiáng)度，人為因素與自然因素的共同作用對(duì)土壤有機(jī)碳分布的空間異質(zhì)性有明顯影響。研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量變化差異較大，中部、東南部的土壤有機(jī)碳含量有所下降，而西部和東部的土壤有機(jī)碳含量明顯上升，其余地區(qū)相對(duì)保持穩(wěn)定。不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳含量依次為菜地>林地>水田>旱地>未利用地>園地。研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳發(fā)生變化的主要驅(qū)動(dòng)力是不同土地利用方式及其相應(yīng)的管理措施差異。城鎮(zhèn)日常生活產(chǎn)生的生活廢水與廢棄物，以及工業(yè)特別是造紙產(chǎn)生的工業(yè)廢水，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不同種植方式引起的有機(jī)肥和化肥使用量差異，均對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳水平及其空間異質(zhì)性具有直接影響。

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(責(zé)任編輯 高 峻)

Influence of land use changes on soil organic carbon distribution in agricultural soils

YU Zhoulu1， QIU Lefeng2， LIN Lin1

(1.CollegeofEnvironmentandResourceScience，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China; 2.InstituteofRuralDevelopment，ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences，Hangzhou310021，China)

In the present study， geo-statistic method and GIS were combined to reveal the temporal and spatial variation characteristics of soil organic carbon (SOC) in 0-20 cm soil layer. It was shown that the mean SOC in Fuyang District was 17.3 g·kg-1in 1979 and 18.5 g·kg-1in 2006. Geo-statistical analysis indicated that SOC had a moderate spatial correlation. Different land use types had significantly influence on soil fertility levels. SOC content of different land use types decreased as vegetable land>forest land>paddy field>dry land>unused land>orchard. The main driving force of SOC variation in the study area was the management measures of different land use types. The treatment of wastewater， wastes， and use of manure and chemical fertilizers directly influenced SOC content in soil. These results could provide references for SOC management.

soil organic carbon; geo-statistics; temporal and spatial variation; land use

http://www.zjnyxb.cn虞舟魯，邱樂豐，林霖. 土地利用方式變化對(duì)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳空間分布的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，29(5)： 806-811.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.05.17

2016-12-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401595)

虞舟魯(1986—)，男，浙江舟山人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事土地利用變化、地理信息技術(shù)應(yīng)用等方面的研究。E-mail: yuzl@zju.edu.cn

S153.6+21

A

1004-1524(2017)05-0806-06

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(5): 806-811