旱作區(qū)土壤有機碳密度空間分布特征與其驅(qū)動力分析

孫忠祥 李 勇 趙云澤 黃元仿,2 郭孝理 曹 夢

(1.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 北京 100193； 2.國土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室， 北京 100035)

0 引言

近年來，國際社會不斷尋找控制氣候變化的最佳途徑，土壤固碳效應(yīng)被廣泛認為是能夠延緩全球氣候變化的有效措施之一[1-2]。在研究全球碳循環(huán)方面，土壤學常用的土壤有機碳含量單位是g/kg，沒有包含面積的概念，土壤有機碳密度(Soil organic carbon density，SOCD)是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的儲量，是表征土壤質(zhì)量及陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化貢獻和衡量土壤中有機碳儲量的重要指標[3]。0～40 cm土層是土壤變動較為頻繁的部分，其有機碳也最容易受到氣候等環(huán)境因素的影響。我國東北和黃淮海旱地作物種植區(qū)從北到南，土壤類型復雜，土壤性質(zhì)差異巨大，因此明確其SOCD空間分布特征和影響因素對科學制定固碳減排政策十分重要。

圖1 旱作區(qū)采樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points in dry farming region

已有研究表明：氣候在土壤有機碳含量的分布過程中起著重要的作用，而在土壤有機碳的輸入與分解過程中起作用的氣候因子主要是溫度和降水[4]；土壤質(zhì)地對于土壤有機碳的影響也是巨大的，土壤黏粒結(jié)構(gòu)可以與土壤有機碳形成有機-無機復合體，進而保護土壤有機碳不被土壤微生物分解[5]；土壤所在區(qū)域的地理環(huán)境背景不同，影響土壤有機碳的主導因素就會不同[6]。目前研究對以下2個方面較少關(guān)注：①當前有關(guān)土壤屬性空間分布的研究，主要集中在二維空間[7]，土壤性質(zhì)在垂直方向上是連續(xù)的，如果忽略了垂直方向的影響，對于研究不同土層的土壤性質(zhì)是有缺陷的[8-9]。②目前宏觀尺度上關(guān)于土壤有機碳含量分布的主要影響因素及其控制過程仍了解很少，以常規(guī)線性回歸模型擬合空間數(shù)據(jù)，其估計參數(shù)僅能反映區(qū)域總體的平均狀況，并不能反映出局部的地區(qū)特征情況[10]。

針對當前該領(lǐng)域的研究不足，本文通過2017年采集的土壤樣品進行測試分析，結(jié)合中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)，對旱作區(qū)0～40 cm土層SOCD進行計算，對SOCD空間分布進行三維模擬，深入分析不同空間SOCD與氣候和黏粒含量的相關(guān)性，以期為制定農(nóng)田土壤管理政策、促進土壤碳固定和減少碳損失提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

以地形坡度小于5°、1 km2網(wǎng)格內(nèi)旱地占耕地比在40%以上作為劃分依據(jù)，界定了旱作區(qū)內(nèi)涵與范圍(圖1)，研究區(qū)年降水量300～900 mm、年平均氣溫2～16℃。依據(jù)年降水量和年平均氣溫將研究區(qū)分為東北旱作區(qū)和黃淮海旱作區(qū)。其中東北旱作區(qū)主要土壤類型為黑土和黑鈣土，黃淮海旱作區(qū)主要為潮土、褐土和砂姜黑土。研究區(qū)耕地破碎度小且耕作條件良好，主要種植玉米、小麥等糧食作物和大豆、甜菜等經(jīng)濟作物，是中國重要旱作作物種植區(qū)及商品糧基地。

實施網(wǎng)格采樣(網(wǎng)格大小為1 km×1 km)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)土壤類型、土壤顆粒組成與耕地質(zhì)量等級(原則上高、中、低產(chǎn)田上均有若干樣點分布)進行分層抽樣。采樣層次為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm，為保證樣品的代表性，每個樣點均在中心點和相鄰的2個角采集分層土樣，并將同一深度土樣混合組成待測樣品，其中容重土樣用容重鉆分層采集。實際完成402個位置1 608個樣品(圖1)，采樣時間為2017年，采回的土樣混勻后經(jīng)自然風干、研磨、過篩后分析測定其有機質(zhì)含量、容重和質(zhì)地，測試方法分別為重鉻酸鉀外加熱法、環(huán)刀法和激光粒度儀法。根據(jù)南京土壤研究所提供的1∶100萬尺度土壤類型圖提取了每個采樣點的土壤類型。根據(jù)中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)，以距離每個采樣點最近的氣象站為依據(jù)，分別統(tǒng)計了各采樣點年平均氣溫與年平均降水量。

1.2 研究方法

根據(jù)2017年分層采樣點數(shù)據(jù)計算了旱作區(qū)SOCD，采用反距離加權(quán)法模擬了SOCD空間三維分布特征，用地理加權(quán)回歸分析了SOCD的影響因素，用方差分解分析了影響因素的驅(qū)動作用。

1.2.1土壤有機碳密度

一般認為，SOCD是由有機碳含量、礫石(粒徑大于2 mm)含量和容重共同決定的，有研究認為中國農(nóng)業(yè)土壤經(jīng)過長期人為的耕作熟化，耕層中粒徑大于2 mm 的礫石含量可能不大[11]，而旱作區(qū)為平原區(qū)域，大于2 mm 的礫石含量可以忽略不計。用計算出的有機質(zhì)含量乘以Bemmelen換算系數(shù)(0.58)得到該土層有機碳含量。某一土層i的有機碳密度計算公式為

(1)

式中Oi——土壤有機質(zhì)含量,g/kg

Di——容重,g/cm3

Ei——土層厚度,cm

SOCDi——有機碳密度，kg/m2

1.2.2三維空間插值

土壤是一個連續(xù)的三維實體，土壤屬性在各個方向上即使在很短的距離內(nèi)變異也非常大[12]。對研究區(qū)SOCD空間分布進行三維模擬，以圖形圖像方式直觀展示SOCD的三維空間分布，與二維空間分布圖相比，其表達的信息量更加豐富，可以同時獲取SOCD在水平方向和垂直方向的空間分布信息，并可對其進行旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小、切割等，直觀展示任意土體切面的SOCD分布。吳亞坤等[13]分別采用三維反距離加權(quán)法和二維分層反距離加權(quán)法對南疆巴州典型綠洲區(qū)土壤全鹽量進行了空間插值，結(jié)果表明三維插值結(jié)果精度較高。由于沖積平原區(qū)土壤屬性在垂直方向上的變化非常復雜，當水平方向的取樣間距遠大于垂直方向的取樣間距時，與傳統(tǒng)的克里格法相比，反距離加權(quán)法( Inverse distance weighting，IDW)更能準確地描述土壤屬性的空間分布特征，采用三維反距離加權(quán)法進行區(qū)域SOCD三維空間分布的估值，其中權(quán)重系數(shù)采用Shepards方法計算[14-15]，公式為

(2)

其中

(3)

(4)

式中V——待估點的屬性值，對應(yīng)坐標為(x,y,z)

vi——已知觀測點的屬性值，對應(yīng)坐標為(xi,yi,zi)

wi——對應(yīng)已知點的權(quán)重系數(shù)

hi——未知點到已知點的距離

D——參與計算的n個已知點到未知點距離的最大值

1.2.3地理加權(quán)回歸

地理加權(quán)回歸模型是由地理學家FORTHERINGHAM等提出的一種新的空間局部回歸方法[16-17]，其模型的一般形式為

(5)

式中y(u)——在位置u的因變量值

xk(u)——位置u的第k個協(xié)變量的值

β0(u)——截距項

βk(u)——第k個協(xié)變量的回歸系數(shù)

p——協(xié)變量的個數(shù)

ε(u)——位置u的隨機誤差項

1.2.4數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件完成數(shù)據(jù)的常規(guī)統(tǒng)計、方差分析等。數(shù)據(jù)三維插值在GMS 10.3軟件中進行(具體操作過程可進一步參照文獻[18])，由于x、y跨度較大，而垂直方向(z)范圍較小，為獲得更佳的可視化效果，在成圖時，將垂直方向均放大1 000 000倍。影響因素的貢獻率借助于Canoco 5線性模型的冗余分析(Redundancy analysis，RDA)，影響因素的地理加權(quán)回歸分析采用ArcGIS 10.5 軟件的地統(tǒng)計學模塊(Geostatistical analyst)。

2 結(jié)果與分析

2.1 SOCD描述性統(tǒng)計特征

采用SPSS 20.0軟件，對各層SOCD進行了統(tǒng)計分析，其中Levine’s方差齊次性檢驗表明4組(層次)SOCD數(shù)據(jù)均滿足方差齊性，故兩兩比較采用最小顯著性差異方法(Least-significant difference，LSD)。

由表1可看出，在0～40 cm深度的SOCD中，最大值為18.54 kg/m2，最小值為1.22 kg/m2，平均值為5.86 kg/m2，通過各層SOCD可以看出，隨著土壤深度的逐漸增加，研究區(qū)SOCD均值逐漸減少，最大值為5.54 kg/m2，最小值僅為0.09 kg/m2，自上而下4層SOCD變化范圍分別為(1.76±0.74) kg/m2，(1.60±0.85) kg/m2，(1.22±0.76) kg/m2，(1.02±0.67) kg/m2，不同層次土壤之間均存在顯著性差異。自上而下4個土層SOCD變異系數(shù)分別為42.30%、52.94%、61.95%、65.98%，按照一般的對變異系數(shù)的評價[19]，研究區(qū)4個土層SOCD均呈中等空間變異，變異系數(shù)越小，變異程度越小，因此上層SOCD變異程度小于下層。

表1 不同土層SOCD描述性統(tǒng)計特征Tab.1 Descriptive statistical characteristics of soil organic carbon density in different soil layers

注：同列不同小寫字母表示顯著性差異(P<0.05)，N為采樣點個數(shù)，下同。

2.2 SOCD空間分布特征

2.2.1SOCD空間三維模擬

基于旱作區(qū)SOCD，對0～40 cm土層的SOCD進行三維空間模擬，x、y方向分別為500個柵格，z方向為4個柵格。因?qū)嶋H研究范圍邊界不是標準網(wǎng)格型，故插值后先將邊界外的值去掉。

圖2 旱作區(qū)SOCD三維空間模擬及各層分布Fig.2 Three-dimensional spatial simulation and distribution of soil organic carbon density in dry farming region

由圖2a可以看出，0～40 cm各層深度的旱作區(qū)SOCD整體呈東北高、西南低趨勢，均值為1.47 kg/m2，最高為5.54 kg/m2、最低為0.09 kg/m2。其中東北旱作區(qū)SOCD平均值為1.90 kg/m2，黃淮海旱作區(qū)為1.14 kg/m2。在遼寧省西部和黃淮海平原的大部分旱作區(qū)，20～40 cm深度的SOCD明顯小于0～20 cm深度的SOCD。

將圖2a中 0～40 cm的三維模擬圖分層顯示，可以看出：在0～10 cm土層中，東北旱作區(qū)SOCD平均值為1.99 kg/m2，黃淮海旱作區(qū)為1.64 kg/m2，是東北旱作區(qū)的82%；在10～20 cm土層中，東北旱作區(qū)SOCD平均值為2.18 kg/m2，黃淮海旱作區(qū)為1.31 kg/m2，是東北旱作區(qū)的60%；在20～30 cm土層中，東北旱作區(qū)SOCD平均值為1.84 kg/m2，黃淮海旱作區(qū)為0.91 kg/m2，是東北旱作區(qū)的49%；在30～40 cm土層中，東北旱作區(qū)SOCD平均值為1.60 kg/m2，黃淮海旱作區(qū)為0.72 kg/m2，是東北旱作區(qū)的45%。隨著土層深度的增加，東北旱作區(qū)的SOCD變化較小，都處于相對較高的水平，而黃淮海旱作區(qū)的SOCD下降明顯，30～40 cm深度的SOCD普遍低于1 kg/m2。

2.2.2SOCD在各土壤類型的分布特征

土壤類型是土壤有機碳空間分布的一個相關(guān)因子，在全球和國家尺度的土壤有機碳研究中，多以土壤類型的圖斑作為土壤有機碳的基本空間分布單元并結(jié)合一定深度的土壤剖面進行碳庫估算[20]。本文根據(jù)每個采樣點的土壤類型，計算了每個采樣點各層SOCD。

從表2可看出，不同土壤類型的SOCD差別較大。在主要的7個土壤類型中，0～40 cm深度的SOCD平均值為5.86 kg/m2，其中草甸土的SOCD最大，為9.69 kg/m2，其次為黑土、黑鈣土、砂姜黑土、褐土和棕壤，潮土的SOCD最低，僅為4.15 kg/m2。在0～10 cm土層中，草甸土SOCD最大，為2.62 kg/m2，其次為黑土、砂姜黑土、褐土、黑鈣土和潮土，棕壤的SOCD最低，僅為1.30 kg/m2；在10～20 cm土層中，草甸土的SOCD最大，為2.83 kg/m2，其次為黑土、黑鈣土、砂姜黑土、褐土和棕壤，潮土的SOCD最低，僅為1.17 kg/m2；在20～30 cm土層中，草甸土的SOCD最大，為2.27 kg/m2，其次為黑土、黑鈣土、砂姜黑土、褐土和棕壤，潮土的SOCD最低，僅為0.82 kg/m2；在30～40 cm土層中，草甸土的SOCD最大，為1.97 kg/m2，其次為黑土、黑鈣土、砂姜黑土、棕壤和褐土，潮土SOCD最低，僅為0.68 kg/m2。除黑土和草甸土在0～10 cm至10～20 cm的SOCD增加外，其余各土壤類型的SOCD均隨著土壤深度的增加而降低。從0～20 cm SOCD占0～40 cm的百分比來看，平均值為59.71%，其中砂姜黑土占比最高，為64.47%，其次為潮土、褐土、草甸土、棕壤和黑鈣土，黑土的占比最低，僅為54.53%。

表2 主要土壤類型各層的SOCD分布Tab.2 Soil organic carbon density distribution of major soil types in each layer

2.3 SOCD的影響因素

2.3.1影響因素的驅(qū)動力分析

已有研究表明氣候(溫度、降水)和土壤黏粒含量在土壤有機碳含量的分布過程中起著重要的作用[3-4]，由于土壤類型本身包含著成土過程中的氣候、成土母質(zhì)等因素，所以在此不單獨做分析。通過方差分解分析來探究氣候(年平均氣溫、年降水量)和黏粒含量對SOCD的影響程度，結(jié)果如圖3所示。氣候與黏粒含量對0～40 cm深度SOCD的總解釋度達到49.9%，其中氣候的解釋度最高(25.6%)。在不同土層中可看出，氣候與黏粒含量對0～10 cm深度的SOCD解釋度最小，僅為26.3%，但是黏粒含量對該層SOCD解釋度最高，達到13.2%。隨著土層深度的增加，氣候和黏粒含量對SOCD的解釋度呈增大的趨勢，其中氣候因素的解釋度不斷增大，而黏粒含量的解釋度一直在降低。

圖3 不同因素對SOCD的方差分解分析Fig.3 Variance decomposition analyses of soil organic carbon density on different factors

2.3.2基于地理加權(quán)回歸的空間相關(guān)性分析

為研究各指標對SOCD的影響程度，采用地理加權(quán)回歸的方法，研究年平均氣溫、年降水量、黏粒含量對不同空間各層SOCD的影響程度。地理加權(quán)回歸方法針對每一個坐標位置點都有相對應(yīng)的參數(shù)，獲得不同地理位置上各影響因子的影響程度，可以更加準確地分析SOCD與其各影響因子之間的內(nèi)在聯(lián)系[21]。

由圖4可以看出，各指標對應(yīng)的地理加權(quán)局部回歸系數(shù)的空間分布，結(jié)果顯示：年平均氣溫與SOCD呈負相關(guān)性，在0～40 cm深度的土壤中回歸系數(shù)較高，整體范圍在-0.92～-0.05之間，平均值為-0.39。在空間上可以看出，黑龍江省東北部的三江平原旱作區(qū)回歸系數(shù)最高，范圍在-0.92～-0.63之間，黑龍江省中部、吉林省、遼寧省其次，華北旱作區(qū)的回歸系數(shù)較低，大于-0.50。在各深度土層中，10～20 cm深度的回歸系數(shù)相對較高。在不同區(qū)域，不同深度土層中，年降水量與SOCD的回歸系數(shù)呈東北旱作區(qū)高，黃淮海旱作區(qū)低的趨勢，但都低于0.01，相關(guān)性很低。黏粒含量與SOCD呈正相關(guān)性，整體范圍在0.16～0.49之間，平均值為0.38，在0～40 cm深度的土壤中回歸系數(shù)平均值與氣溫相當，但是變化范圍較小，回歸系數(shù)在空間上分布與氣溫相似，在各深度土層中，0～30 cm深度的各土層之間回歸系數(shù)差別不大，30～40 cm深度的回歸系數(shù)小于0.05。

圖4 SOCD與年平均氣溫、年降水量和黏粒含量回歸系數(shù)的空間分布Fig.4 Spatial distributions of relationship between soil organic carbon density and temperature, precipitation and clay content

3 討論

SOCD隨著土壤深度的增加而降低，這是因為土體的表層部分人類活動和動植物活動較為頻繁，特別是近年來，隨著有機肥的增施，SOCD相對較高[22-23]。0～40 cm深度的旱作區(qū)SOCD呈東北高、西南低的趨勢，隨著土層深度的增加，東北旱作區(qū)的SOCD變化較小，都處于相對較高的水平，而黃淮海旱作區(qū)的SOCD下降明顯，這主要是因為東北旱作區(qū)溫度較低，有機碳礦化速率較慢，利于有機碳的積累，并且黑龍江旱作區(qū)黑土層較厚，所以0～40 cm垂直方向上SOCD下降不明顯(表1)。研究區(qū)上層SOCD變異程度小于下層，這可能是因為研究區(qū)域范圍較大，南北氣候差別較人為耕作施肥差別更大，下層SOCD更容易受氣候的影響，而上層土壤更容易受到人為耕作施肥的影響。不同類型土壤的SOCD差別較大，這是因為不同土壤類型的土壤成土環(huán)境不同[24]，旱作區(qū)從北向南，主要土壤類型依次為黑土、草甸土、黑鈣土、棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土，年平均氣溫逐漸升高，有機碳輸出大于輸入。

氣候與黏粒含量對0～40 cm深度SOCD的總解釋度達到49.9%，其中氣候的解釋度最高(25.6%)。說明氣候是旱作區(qū)SOCD的主要影響因素，這也與SINGH等[4]研究結(jié)果相同。隨著土層深度的增加，氣候和黏粒含量對SOCD的解釋度呈增大趨勢，其中氣候因素的解釋度不斷增大，而黏粒含量的解釋度一直在減小。這可能是因為土壤表層SOCD更容易受到人為耕作和施肥因素的影響，而深層土壤受人為因素影響較少，所以隨著土層深度的增加氣候因素的解釋度越來越大。

年平均氣溫與SOCD呈負相關(guān)性，這主要是因為氣溫可導致土壤有機碳的釋放量發(fā)生變動[25]，隨著緯度的升高，年平均氣溫降低，植物生長較為緩慢，微生物活性也相對較低，有機碳的輸入大于輸出。隨著緯度的降低，年平均氣溫升高，植物生長較為旺盛，微生物活性也相對較強，有機碳的輸入量較大，但是微生物對有機碳的分解量遠大于其輸入量，微生物是土壤有機碳分解和轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力，在一定的溫度范圍內(nèi)，土壤微生物活性隨著氣溫的提高而升高，土壤有機碳分解就越快，因此，在一定范圍內(nèi)，土壤有機碳含量與年平均氣溫呈顯著負相關(guān)，年積溫越高，土壤有機碳含量越低[26-27]。在空間上黑龍江東北部回歸系數(shù)最高，黑龍江中部、吉林、遼寧其次，華北旱作區(qū)的回歸系數(shù)較低，這是因為東北旱作區(qū)比較寒冷，氣溫的增加對微生物的活性影響較大。在不同區(qū)域，不同深度土層中，降水量與SOCD的系數(shù)都低于0.01，這可能是由于旱作區(qū)的整體降水量都在300～900 mm之間，年降水量適中，因此年降水量不是旱作區(qū)SOCD的主要影響因素。黏粒含量與SOCD呈正相關(guān)性，這是因為當土壤黏粒含量高時，土壤質(zhì)地重，通氣性差，土壤含水率也較高，好氣微生物的活動在一定程度上受到抑制，致使有機質(zhì)分解緩慢，容易積累；而輕質(zhì)地土壤，保蓄力弱，養(yǎng)分流失量大，土體內(nèi)常常是氣多水少，微生物對有機質(zhì)分解很旺盛，有機質(zhì)不易積累[5-28]。

4 結(jié)論

(1)旱作區(qū)2017年SOCD在空間上從南到北不斷增加，其中黑龍江東北部SOCD最大。就40 cm深度的SOCD而言，草甸土的SOCD最大，潮土最低。隨著土層深度的增加，SOCD不斷下降，其中東北旱作區(qū)南部、黃淮海旱作區(qū)下降最為明顯。

(2)氣候是旱作區(qū)SOCD的主要影響因素。隨著土層深度的增加，氣候和黏粒含量對SOCD的解釋度呈增大的趨勢，其中氣候因素的解釋度不斷增大，而黏粒含量的解釋度一直在減小。

(3)年平均氣溫與SOCD呈負相關(guān)性，在空間上可以看出，黑龍江東北部旱作區(qū)回歸系數(shù)最高，黑龍江中部、吉林、遼寧其次，華北旱作區(qū)的回歸系數(shù)較低。在各深度土層中，10～20 cm深度的回歸系數(shù)相對較低。在不同區(qū)域，不同深度土層中，年降水量與SOCD的回歸系數(shù)都低于0.01，相關(guān)性很小。黏粒含量與SOCD呈正相關(guān)性，在0～40 cm深度的土壤中回歸系數(shù)平均值與氣溫相當，但是變化范圍較小，在空間上回歸系數(shù)分布與氣溫相似。