半干旱區(qū)土壤有機(jī)碳時(shí)空變異特征研究

李龍, 秦富倉(cāng)*, 姜麗娜, 姚雪玲

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 100018; 2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所, 北京 100091; 3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院, 北京 100091)

陸地生態(tài)系統(tǒng)中的土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量(1 200～2 500 Pg )最為巨大[1-2]，其中，土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)含量不僅是準(zhǔn)確評(píng)估土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量的關(guān)鍵指標(biāo)，也是研究土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與土壤質(zhì)量演變的重要內(nèi)容。然而，在實(shí)際工作中，由于土壤有機(jī)碳復(fù)雜的空間異質(zhì)性常常導(dǎo)致不同時(shí)空尺度上的研究結(jié)果存在較大差異[3-4]。在空間上，由于不同研究區(qū)的地理位置跨度較大，自然條件和人為活動(dòng)的顯著差異均導(dǎo)致土壤有機(jī)碳在空間上的變異；而在時(shí)間尺度上，土地利用方式的頻繁轉(zhuǎn)換，加之缺少多年連續(xù)的數(shù)據(jù)資料支撐，這均給土壤碳庫(kù)的準(zhǔn)確估算及土地質(zhì)量評(píng)價(jià)提出了挑戰(zhàn)[5-6]。因此，區(qū)域尺度上，土壤有機(jī)碳的時(shí)空變異特征研究對(duì)土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和科學(xué)利用土地資源具有重大意義。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，各學(xué)科的交叉融合日益成熟，土壤有機(jī)碳時(shí)空變異的研究也基于3S技術(shù)和模型法取得了眾多有價(jià)值的成果[7]?？臻g尺度上，多采用克里格插值法在區(qū)域尺度上繪制有機(jī)碳的空間分布圖，陶吉興等[8]采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與Moran’s I相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地描述了土壤有機(jī)碳的空間分布格局。時(shí)間尺度上，多以遙感影像為基礎(chǔ)，通過模型對(duì)比分析動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，杲廣文等[9]分析了我國(guó)東北黑土區(qū)1980年、2000年和2011年3個(gè)時(shí)期土壤有機(jī)碳密度與儲(chǔ)量，并探討了30 a前后東北地區(qū)土壤有機(jī)碳密度與儲(chǔ)量在時(shí)間與空間的變化情況。目前，同時(shí)從時(shí)間和空間尺度上分析土壤有機(jī)碳變異特征的研究還并不多見。本研究在全球氣候變化的背景下，結(jié)合土地利用方式，深入分析了赤峰市敖漢旗1984—2014年30 a間的土壤有機(jī)碳含量時(shí)空變異特征，旨在為科學(xué)評(píng)價(jià)同類型區(qū)域土壤質(zhì)量、合理利用土地資源提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東南部的敖漢旗(東經(jīng)119°30′～120°54′、北緯41°42′～42°02′)，全旗總面積約8 300 km2，相當(dāng)于我國(guó)內(nèi)地省份的縣級(jí)行政區(qū)劃。地勢(shì)起伏多變、總體呈南高北低特征，海拔為300～1 250 m(與南高北低順序一致)。氣候類型屬于溫帶半干旱大陸性氣候，年均降水量310～460 mm。植被類型屬于歐亞干草原區(qū)，地帶性植被以疏林草原為主，從南到北呈現(xiàn)出由森林和森林草原逐漸向干草原過渡的規(guī)律，全旗主要分布有4個(gè)土類，南部山地主要為棕壤和褐土，中部黃土丘陵及黃土漫崗主要為栗鈣土，北部沙地主要以風(fēng)沙土為主。敖漢旗土地利用類型多樣屬于農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，耕地面積為1 776 km2，約占全旗面積的21.39%；林地面積為3 945 km2，草地面積為1 695 km2，占全旗面積的20.41%；敖漢旗風(fēng)沙土面積為1 816 km2，占全旗面積的21.88%[10]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選取 為分析敖漢旗1985—2014年30 a間土壤有機(jī)碳含量的時(shí)空變異特征，收集敖漢旗土壤歷史資料，通過分析敖漢旗林業(yè)局土壤普查數(shù)據(jù)，獲得1985年敖漢旗土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、土壤容重、機(jī)械組成、土壤含水量、有效土層厚度以及采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、地形因素、土地利用方式、土壤類型等基本信息，采樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location and sample points in study area

根據(jù)1985年敖漢旗采樣點(diǎn)的坐標(biāo)位置，2014年8月對(duì)30 a前的樣地進(jìn)行再次調(diào)查取樣，為降低土壤背景值影響以及土地使用方式頻繁改變的干擾，所確定的樣地需滿足在取樣前至少10 a內(nèi)(1975—1985年期間)該樣地的土地利用方式未發(fā)生過改變；同時(shí)，選取土地利用方式發(fā)生轉(zhuǎn)變至少經(jīng)過20 a的樣地，以確保新的土地利用方式在原位置上已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，2014年8月對(duì)研究區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充采樣。采用人為選擇典型樣地法，充分考慮每個(gè)樣區(qū)內(nèi)的不同植被類型、土壤類型、地貌特征等因素，盡量全面反映樣區(qū)的自然特征，共選取182個(gè)樣地(表1)。

表1 1985和2014年研究區(qū)采樣點(diǎn)屬性Table 1 The sampling points attribute of study area in 1985 and 2014

1.2.2樣品采集與測(cè)定 確定研究樣地后，詳實(shí)記錄樣地坐標(biāo)、地形、土壤類型、土地利用方式等基本信息。清理樣地表層植被與枯落物等雜物，取0～20 cm深度土壤樣品，每個(gè)樣地取3個(gè)重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定土壤樣品中有機(jī)碳含量，采用激光粒度分析儀(Mastersizer3000，英國(guó)馬爾文儀器有限公司出產(chǎn))測(cè)定土壤機(jī)械組成，并將土壤樣品按粒徑劃分為砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)與粘粒(<0.002 mm)[11]。

1.2.3數(shù)據(jù)分析 20世紀(jì)50年代初，地統(tǒng)計(jì)學(xué)開始形成，它是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法[12]。半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)分析的特有函數(shù)，其計(jì)算公式如下。

(4)

式中，γ(h)是h的半方差函數(shù)值；h為兩樣本點(diǎn)空間距離；N(h)是間隔距離等于h的樣本點(diǎn)的對(duì)數(shù)；Z(xi)為空間位置點(diǎn)xi處指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；Z(xi+h)為空間位置點(diǎn)xi處指標(biāo)的實(shí)測(cè)值。

采用GS+7.0軟件擬合半變異函數(shù)理論模型，通過ArcGIS10.0進(jìn)行克里格插值，并生成土壤有機(jī)碳含量的空間分布圖；采用方差分析解釋不同土地利用類型之間土壤有機(jī)碳的差異性。采用R3.0.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)比1985年與2014年研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量(表2)，結(jié)果顯示，1985年與2014年土壤有機(jī)碳含量分別為6.91、7.49 g·kg-1，均屬養(yǎng)分相對(duì)虧缺等級(jí)[14]；方差分析顯示，2014年土壤有機(jī)碳含量顯著高于1985年土壤有機(jī)碳含量(P<0.05)。就數(shù)據(jù)分布特征而言，1985年與2014年土壤有機(jī)碳含量均處于輕度的正向右偏態(tài)分布特征。從變異系數(shù)分析，二者的土壤有機(jī)碳含量均處在0.1～0.9之間，均屬于中等程度的變異[15]；其中，2014年土壤有機(jī)碳含量的變異系數(shù)略高于1985年，這說明了2014年的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)的離散程度更高，受到人類長(zhǎng)期活動(dòng)的影響，土壤受到了極大的干擾，土地利用格局變得復(fù)雜多樣化，均是造成土壤有機(jī)碳含量差異較大的原因，局部地區(qū)的有機(jī)碳含量出現(xiàn)了偏高或偏低的現(xiàn)象，致使2014年土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)的離散程度較高。而敖漢旗在1985年之前的土地利用方式主要以農(nóng)地為主，耕作方式以及肥料的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，土地利用方式相對(duì)單一，有機(jī)碳均一化程度表現(xiàn)較高，導(dǎo)致1985年的有機(jī)碳數(shù)據(jù)分布較為集中，土壤有機(jī)碳的異常值較少。

表2 1985和2014年土壤有機(jī)碳含量的描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Descriptive statistical characteristics of SOC content in 1985 and 2014

2.2 不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量的半變異函數(shù)分析

對(duì)比1985與2014年土壤有機(jī)碳含量的半變異函數(shù)的擬合精度，得出2個(gè)時(shí)期土壤有機(jī)碳含量的半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)，見表3。

表3 1985和2014年土壤有機(jī)碳含量的半方差函數(shù)理論模型Table 3 Semi-variance function theoretical model for SOC content in 1985 and 2014

結(jié)果表明，指數(shù)模型能夠準(zhǔn)確擬合1985年土壤有機(jī)碳含量的空間變異結(jié)構(gòu)特征，球狀模型能夠較準(zhǔn)確擬合2014年土壤有機(jī)碳含量的空間變異結(jié)構(gòu)特征。模型對(duì)二者的擬合殘差均處于較低水平，在0.04～2.11之間，且模型擬合得到的決定系數(shù)R2較高，在0.73～0.74之間，表明理論模型對(duì)1985年與2014年土壤有機(jī)碳含量的擬合精度較高，能夠有效反映土壤有機(jī)碳的空間變異結(jié)構(gòu)。塊金基臺(tái)比反映了土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)的空間變異結(jié)構(gòu)。1985年土壤有機(jī)碳的塊金基臺(tái)比較小，僅為0.26%(小于25%)，說明1985年土壤有機(jī)碳含量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其空間變異主要是由地形、土壤母質(zhì)、降雨分布格局等素結(jié)構(gòu)性因素所引起的。而2014年土壤有機(jī)碳的塊金基臺(tái)比為36.61%(在25%～75%之間)，屬于中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)性因素共同作用影響著土壤有機(jī)碳的空間變異結(jié)構(gòu)，而隨機(jī)性因素主要表現(xiàn)為土地利用方式轉(zhuǎn)變等人為活動(dòng)。1985年土壤有機(jī)碳含量的變程遠(yuǎn)大于2014年的變程，表明1985年研究區(qū)內(nèi)部土壤有機(jī)碳在較大的空間范圍內(nèi)仍保持著較高的內(nèi)在自相關(guān)關(guān)系，這說明，研究區(qū)經(jīng)過30 a的變化后，土壤有機(jī)碳含量的空間自相關(guān)距離變短。我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了30 a間的空前發(fā)展，直接對(duì)土壤環(huán)境和土壤有機(jī)碳的空間分布格局造成巨大沖擊。Qiu等[16]研究明確指出，開荒、造林以及城市擴(kuò)張等大規(guī)模發(fā)生的土地利用方式的改變是顯著削弱土壤有機(jī)碳含量空間相關(guān)性的主要因素。Juan等[17]研究也同樣表明，土地利用方式的變化通過影響土壤有機(jī)碳的分布格局，顯著地增強(qiáng)土壤有機(jī)碳含量的空間變異特征。

2.3 不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量的空間分布特征

由普通克里格插值得到研究區(qū)1985年與2014年土壤有機(jī)碳含量的空間分布 (圖2)。如圖所示，2個(gè)時(shí)期內(nèi)土壤有機(jī)碳含量總體均表現(xiàn)為南高北低的分布特點(diǎn)，1985年土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)為相對(duì)連續(xù)的過渡分布特征，而2014年呈現(xiàn)出斑塊狀分布特征。采用疊加分析，將1985年的土壤有機(jī)碳含量分布圖與2014年土壤有機(jī)碳含量分布圖相減，計(jì)算得到研究區(qū)30 a間的土壤有機(jī)碳含量空間變化格局。1985—2014年，土壤有機(jī)碳含量整體處于增長(zhǎng)情況，尤其是研究區(qū)北部的風(fēng)沙土區(qū)，在常年進(jìn)行植被恢復(fù)并有針對(duì)性不斷營(yíng)建固沙植被的過程中，有機(jī)碳含量增加，而中部偏南的部分地區(qū)土壤有機(jī)碳含量相比1985年有所降低。

圖2 土壤有機(jī)碳含量的時(shí)空分變化特征Fig.2 Spatial and temporal characteristic of SOC content

2.4 不同時(shí)期土地利用方式變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

圖3顯示，各土地利用方式下有機(jī)碳含量由高到低均表現(xiàn)為林地>農(nóng)地>草地的特征,且1985年不同土地利用類型上土壤有機(jī)碳平均含量均低于2014年。其中，1985年各土地利用類型上有機(jī)碳平均含量的差異顯著(P<0.05)；2014年林地有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)地與草地(P<0.05)。林地土壤有機(jī)碳平均含量由8.12 g·kg-1提高到8.95 g·kg-1，增加了10.22%；農(nóng)地土壤有機(jī)碳平均含量對(duì)比30 a前增加了5.92%；草地土壤有機(jī)碳平均含量增加了8.47%。綜上可見，經(jīng)過30 a的變化，研究區(qū)內(nèi)各土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量均得到提高，30 a間敖漢旗土地利用方式的巨大轉(zhuǎn)變對(duì)土壤有機(jī)碳含量的累積也產(chǎn)生著較大的影響，土地集約化經(jīng)營(yíng)、林草結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及退耕還林還草等生態(tài)工程的大規(guī)模投入，都使敖漢旗農(nóng)林牧結(jié)構(gòu)和土地資源的利用趨于科學(xué)合理，總體表現(xiàn)為林地有機(jī)碳含量顯著提高，農(nóng)地與草地有機(jī)碳含量穩(wěn)定的升高，二者的差異不斷降低。

注：不同字母表示差異在P<0.05水平有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different letters indicate that the differences were statistically significant at P<0.05 level.圖3 1985和2014年不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量的分布特征Fig.3 Distribution characteristics of SOC content under different land use types in 1985 and 2014

不同時(shí)期各土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出較大差異。2014年林地土壤有機(jī)碳密度較1985年升高了6.97%，農(nóng)地提升了5.39%，草地升高了12.12%。各土地利用方式下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在30 a間呈現(xiàn)出較大的變化，其主要原因是土地利用方式的改變將各土地利用類型的面積進(jìn)行重新調(diào)整，隨著敖漢旗多年來退耕還林還草、沙區(qū)植被恢復(fù)、荒山造林等生態(tài)工程的開展，敖漢旗林地面積由1985年的1 085 km2增加到2014年的3 945 km2，而農(nóng)地和草地的面積分別減少了553和772 km2。土地利用方式的改變是敖漢旗土壤有機(jī)碳含量變化的驅(qū)動(dòng)因素，林地的大面積增加有效地提升了敖漢旗土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

土地利用方式的改變直接影響著土壤有機(jī)碳含量，如表5所示，由農(nóng)地改變?yōu)榱?、草地時(shí)，其有機(jī)碳含量分別提高了33.33%、20.14%，并均顯著高于原農(nóng)地有機(jī)碳水平(P<0.05)；由林地轉(zhuǎn)化為草地時(shí)，土壤有機(jī)碳含量降低了18.77%；風(fēng)沙區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)后，土壤有機(jī)碳含量顯著升高約2.16倍 (P<0.05)。土地利用方式的改變同時(shí)導(dǎo)致土壤其他理化性質(zhì)的改變，農(nóng)地退耕以及沙地恢復(fù)植被后，土壤C/N與粘粒含量均顯著升高(P<0.05)，土壤C/N分別提高了16.94%、17.68%，粘粒含量提高了71.43%、25.77%。而由林地轉(zhuǎn)化為草地導(dǎo)致土壤C/N升高了17.75%(P<0.05)，砂粒含量也顯著升高(P<0.05)。

3 討論

土壤有機(jī)碳在不同時(shí)空尺度上均表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性，本研究結(jié)果顯示，合理調(diào)整土地利用方式能夠有效提升土壤有機(jī)碳含量。羅由林等[18]研究也指出，土地利用方式的轉(zhuǎn)變是引起土壤有機(jī)碳空間差異的主因。與此同時(shí)，敖漢旗北部的風(fēng)沙土區(qū)通過多年不懈的植被恢復(fù)工程，控制風(fēng)沙活動(dòng)有效地減弱區(qū)域的水土流失流失強(qiáng)度，植被蓋度明顯增加。隨著植被恢復(fù)年限的增加，極大促進(jìn)了風(fēng)沙土區(qū)植被的正向演替，顯著地提高了土壤肥力，也使得風(fēng)沙區(qū)成為研究區(qū)土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)速率最高的地區(qū)。由此可見,通過合理的恢復(fù)治理措施，風(fēng)沙區(qū)能夠釋放出其巨大的土壤固碳潛力[19]。彭文英等[20]在黃土丘陵區(qū)的研究也表明退耕還林措施的實(shí)行能夠在30 a間將土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提升19.21%；張蕊等[21]研究也表明，隨著退耕還林年限的增加土壤有機(jī)碳含量也隨之增加，土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)也向著有利的方向轉(zhuǎn)變，這均驗(yàn)證了本研究得出的結(jié)論。

表5 土地利用方式轉(zhuǎn)變對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 5 Effect of land use types change on soil physical and chemical properties

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土地利用方式的改變，土壤粘粒含量的增高有利于土壤有機(jī)碳含量的累積。Rice等[22]研究發(fā)現(xiàn)，土壤粘粒含量高可以有效緩解有機(jī)碳的分解速度，進(jìn)而促進(jìn)土壤中有機(jī)碳含量的累積。土地利用方式的改變后在漫長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能夠?qū)е峦寥澜Y(jié)構(gòu)、機(jī)械組成等理化性質(zhì)的改變，重新調(diào)節(jié)土壤砂粒、粘粒、粉粒比例，為土壤有機(jī)碳的積累、轉(zhuǎn)化與分解提供了一個(gè)穩(wěn)定的新環(huán)境。本研究指出，退耕還林還草等植被恢復(fù)等措施能夠顯著降低土壤砂粒比例，提升土壤粘粒比例。同時(shí)，敖漢旗隨著退耕還林還草及沙區(qū)植被恢復(fù)措施的實(shí)施土壤C/N也顯著提高(P<0.05)。Marin-Spiotta等[23]的研究也佐證了較低的土壤C/N能夠積極促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解，不利于土壤有機(jī)碳的累積。綜上所述，土地利用方式的改變從多方面影響著土壤理化性質(zhì)，在新的土地環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定后，無論是土壤C/N,還是機(jī)械組成,均對(duì)土壤有機(jī)碳的累積、轉(zhuǎn)換、分解發(fā)揮著重要作用，由此可知，土地利用方式的轉(zhuǎn)化不單純是地表植被的替換過程，其對(duì)土壤內(nèi)部各理化性質(zhì)的改變才是影響土壤有機(jī)碳累積的內(nèi)在因素。

土地利用方式改變所形成的新的土壤環(huán)境是土壤有機(jī)碳時(shí)空分變異的主導(dǎo)因素，這與各土地利用方式本身具有直接關(guān)系。地表枯落物是土壤有機(jī)碳的重要來源，研究區(qū)林地積累了較厚的枯落物層，促使林地土壤有機(jī)碳含量遠(yuǎn)高于其他土地。Breuer等[24]研究指出，農(nóng)地表層(20 cm)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較草地低22 mg·hm-2；由于植被的影響，風(fēng)沙土地區(qū)的有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著低于其他地區(qū)。Christopher等[25]研究表明，農(nóng)地退耕為林、草地均顯著提升土壤有機(jī)碳含量。另一方面，土地利用方式轉(zhuǎn)變后的前10 a是土壤有機(jī)碳含量變化集中時(shí)期，隨著時(shí)間的增加，趨于穩(wěn)定的新環(huán)境將加速土壤有機(jī)碳累積/分解速率。農(nóng)地受人活動(dòng)的影響，在作物刈割后,地表大面積裸露，失去了枯落物對(duì)土壤碳補(bǔ)給，特別是在秋季風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，裸露地表加劇了農(nóng)田土壤侵蝕。Poeplau等[26]研究同樣發(fā)現(xiàn)，頻繁的耕作措施升高了土壤溫度加劇土壤有機(jī)碳的礦化速率。這均導(dǎo)致農(nóng)地土壤有機(jī)碳含量低于林、草地。因此，退耕還林還草措施能夠改變?cè)型寥拉h(huán)境，促進(jìn)土壤有機(jī)碳含量的累積。