基于CENTURY模型的張掖草地土壤有機(jī)碳模擬及影響因素研究

摘要：研究草地土壤有機(jī)碳的時空分布及影響因素有利于推動區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳匯管理，對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有重要意義。以張掖草地為研究對象，運(yùn)用CENTURY模型模擬張掖草地土壤有機(jī)碳密度，采用結(jié)構(gòu)方程模型分析各環(huán)境因子對草地土壤有機(jī)碳的作用路徑及強(qiáng)度。結(jié)果表明：1970—2022年土壤總有機(jī)碳密度呈增長趨勢，與緩性及惰性土壤有機(jī)碳的變化趨勢較為一致；有機(jī)碳密度呈現(xiàn)東南高，西北低的空間分布格局；總有機(jī)碳密度的高值區(qū)主要是肅南縣的東南部與民樂縣，高臺、臨澤、甘州區(qū)相對較低；海拔、年降水量對土壤總有機(jī)碳密度存在正效應(yīng)，而年均溫度、土壤含水量、pH值是負(fù)效應(yīng)。年均溫度的直接效應(yīng)最大，海拔通過影響降水、溫度和pH值等間接影響土壤有機(jī)碳密度，降水量對土壤有機(jī)碳密度不僅有直接影響，還會通過影響土壤含水量、pH值等間接影響土壤有機(jī)碳密度。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)碳密度；CENTURY模型；時空分布；克里金插值；結(jié)構(gòu)方程模型

中圖分類號：S812.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-0435（2023）04-1173-13

Simulation of Soil Organic Carbon and Analysis on its Influencing Factors in

Zhangye Grassland Based on CENTURY Model

WANG Xin-jing ZHANG Mei-ling YANG Min-cong SUN Qian XU Shi-bo XU Yu-juan HUANG Shan-feng GAO Zhi-wen

（1.College of Science， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China;

2. Climate Bridge （Shanghai） Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract：Studying the spatial and temporal distribution and influencing factors of soil organic carbon in grassland is conducive to promoting the management of regional ecosystem carbon sinks，which is of great significance for achieving the goal of “dual carbon”. Taking the grassland of Zhangye district as the research object，the CENTURY model is used to simulate the soil organic carbon density of the grassland in Zhangye，and the structural equation model is used to analyze the action path and intensity of various environmental factors on the grassland soil organic carbon. The results show that the total soil organic carbon density showed an increasing trend from 1970 to 2022，which is consistent with the change trend of slow and inert soil organic carbon. Soil Organic carbon density shows high in southeast and low in northwest. The high-value areas of total organic carbon density are mainly located in the southeast of Sunan County and Minle County，the Gaotai，Linze and Ganzhou district are relatively low. Altitude and annual precipitation has positive effects on total soil organic carbon density，while annual average temperature，soil water content and pH value has negative effects. The direct effect of annual average temperature is the largest，and altitude indirectly affects soil organic carbon density by affecting precipitation，temperature and pH value，and precipitation not only has a direct impact on soil organic carbon density，but also indirectly affects soil organic carbon density by affecting soil water content and pH value.

Key words：Soil organic carbon density;CENTURY model;Spatiotemporal distribution;Kriging interpolation;Structural equation model

氣候變化不僅是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問題，更是人類需要面對的重大挑戰(zhàn)。為應(yīng)對氣候變化，近年來各國紛紛采取積極措施來減緩溫室氣體排放的增長速度［1］。作為負(fù)責(zé)任的大國，中國一直積極參與和引領(lǐng)全球氣候變化治理，在第七十五屆聯(lián)合大會上提出“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)，并提前和超額完成了2020年的溫室氣體減排目標(biāo)。土壤有機(jī)碳存儲是土壤的一個關(guān)鍵功能，不僅對氣候調(diào)節(jié)具有決定性作用，對土壤的其他功能也會產(chǎn)生一些影響［2］。作為最大的陸地碳庫，全球土壤中儲存的碳超過了植物群和大氣中儲存的碳量［3］。草地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，覆蓋了全球約30%的陸地生態(tài)系統(tǒng)面積，儲存了全球土壤有機(jī)碳的10%～30%，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用［4］。如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砭S持土壤有機(jī)碳儲量，未來氣候變化將導(dǎo)致草原土壤有機(jī)碳儲量減少［5］。因此，研究土壤有機(jī)碳密度的空間分布規(guī)律及其影響因素，對維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者就草地土壤有機(jī)碳的空間分布與影響因素這一問題從不同區(qū)域?qū)用骈_展了大量研究。R. Calvo de Anta等［6］研究西班牙半島的有機(jī)碳儲量及其地理分布時發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)出較高的空間異質(zhì)性，中國草地碳匯、水源地等方面的土壤有機(jī)碳密度研究，同樣也表明了土壤有機(jī)碳密度存在較高的空間異質(zhì)性［4，7-8］。而在不同空間尺度、不同生態(tài)系統(tǒng)中，引起空間變異的主要因子也有所差異。在不同空間尺度上有許多環(huán)境條件會影響土壤有機(jī)碳的存儲［9-10］。在區(qū)域尺度，大量研究表明影響土壤有機(jī)碳密度的主要環(huán)境因子是降水和海拔。邱思慧等［10］研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量與海拔呈正相關(guān)，并且土壤有機(jī)碳的礦化程度隨海拔的升高而增加。丁金梅等［11］分析了寧夏草地，海拔高度對土壤有機(jī)碳的影響總效應(yīng)是最大的，并且海拔會通過影響降水和溫度等間接影響土壤有機(jī)碳密度。常帥等［12］研究表明隨著土層深度的增加，海拔成為土壤有機(jī)碳含量的一個制約因子，海拔越高，土壤有機(jī)碳含量越低；降水與土壤有機(jī)碳含量之間存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，并且降水對深層土壤的影響減弱。除此之外，土地利用方式［6，13］、植被類型與蓋度［15-16］、粉粒與粘粒含量［9，16-17］、pH值［6，9，17］、地上生物量［15］等因素也對土壤有機(jī)碳密度分異有影響。在流域尺度，海拔、降水和NDVI等地形因子是影響土壤有機(jī)碳密度的主要因素［7，18］。綜上，影響草地土壤有機(jī)碳密度的因素是多樣的，但值得注意的是，大部分研究僅通過分析其相關(guān)性定性來確定影響因素，缺乏定量分析。本研究采用結(jié)構(gòu)方程模型，從定量方面，通過總效應(yīng)，直接效應(yīng)與間接效應(yīng)來分析各影響因子對草地土壤有機(jī)碳的影響機(jī)理和作用路徑。

張掖地處河西走廊腹地，草原面積分布廣泛，草地類型多種多樣，既是國家畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，又是國家重要的生態(tài)安全屏障，研究張掖草地狀況對保護(hù)甘肅省乃至整個西北地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)有重要意義。針對張掖土地利用變化的研究相對豐富，但是關(guān)于張掖草地土壤有機(jī)碳密度及其影響因素的研究尚顯不足。本文基于野外實(shí)驗(yàn)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)［19-21］，利用CENTURY模型和結(jié)構(gòu)方程模型就土壤總有機(jī)碳及其各組分庫的密度進(jìn)行研究，分析其時空變化特征及主要影響因素，為張掖地區(qū)未來草地碳匯管理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

張掖隸屬于甘肅省，地處甘肅省西北部、河西走廊中部，自古以來就是絲綢之路的咽喉要道。地理坐標(biāo)位于97°20′～102°12′ E，37°28′～39°57′N，東西跨度4°52′，南北跨度2°29′，平均海拔3 633 m。屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，冬寒夏熱，降水稀缺且分布不均，氣溫年差較大，年平均氣溫為7.8℃，年降水量174.9 mm。下轄臨澤、高臺、山丹、民樂、肅南及甘州區(qū)（張掖市），總面積38 600 km²，草地19 286.315 5 km²，占全市土地面積的49.96%，其中天然牧草7 020.373 8 km²，占草地總面積的36.40%，草地主要分布在肅南裕固族自治縣，占全市草地的69.09%。張掖草地類型復(fù)雜多樣，有荒漠草原、山地草原、高寒草原、高寒草甸等。祁連山山地草原區(qū)，包括肅南、山丹、民樂縣的大部分地區(qū)和高臺縣、甘州區(qū)的部分沿山地區(qū)，草地優(yōu)良，產(chǎn)草量高，是張掖主要的草原畜牧業(yè)基地；而河西走廊中部地區(qū)由于灌溉便利，農(nóng)田集中，天然草地分布相對零散，甘州、臨澤、高臺地區(qū)分布有不連片的低濕地草甸［22］。就植物多樣性而言，山地草原、山地草甸數(shù)量多且分布廣，而荒漠和高寒草甸草原種類貧乏，數(shù)量少，植被構(gòu)成單一，分布區(qū)域較為狹窄。張掖地勢平坦，土壤富饒，土壤類型主要有灰棕漠土、灰鈣土、栗鈣土、黑鈣土、高山土等。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1土壤采樣及測定土壤含水量、土壤容重、pH值與地上地下生物量通過野外實(shí)驗(yàn)獲得。本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置33個采樣點(diǎn)，使用GPS導(dǎo)航儀到達(dá)采樣點(diǎn)測定樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔，每個采樣點(diǎn)設(shè)置3個實(shí)驗(yàn)樣地。自上而下用環(huán)刀分層取0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm的土樣，每個樣點(diǎn)重復(fù)3次。為避免水分蒸發(fā)，將環(huán)刀內(nèi)土壤樣品全部轉(zhuǎn)移至自封袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤含水量、土壤容重及pH值［23］。其中土壤容重計(jì)算公式為：

土壤容重=烘干土樣質(zhì)量/環(huán)刀容積（1）

去除采樣點(diǎn)處的表土，用土鉆垂直插入土壤中，自上而下分層取樣，將土鉆中的土壤先放入自封袋并寫好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)碳含量。采用刈割法測定地上生物量，采用土柱法測定地下生物量（每類3個重復(fù)）。在樣地拉取5 m×5 m的樣方，將樣方內(nèi)灌木分類并記錄名稱，每種類型分別選取樣方內(nèi)生長適中植株作為標(biāo)準(zhǔn)株，按大、中、小分為3類分別數(shù)其株數(shù)，同時記錄其冠幅。在5 m×5 m的大樣方中取0.5 m×0.5 m的小樣方，將樣方內(nèi)地上部分植被齊地剪下，地下部取0.1 m×0.1 m樣方，用根鉆挖取，并用小于或等于2 mm的篩子將根系過濾并清洗，去除表面的泥土等雜物后稱其鮮重，放入自封袋存放，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行殺青烘干后稱其干重。

1.2.2土壤數(shù)據(jù)處理用公式將測定數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如下［24］：

式中：SOCD為土壤有機(jī)碳密度（kg·m^-2）；Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量（g·kg^-1）；θi為第i層土壤容重（g·cm^-3）；D_i為第i層土層厚度（cm）；δ_i為第i層直徑gt;2 mm的礫石含量（體積百分?jǐn)?shù)）；n表示土層數(shù)量。在本研究中，i=1，2；n=2；每層土壤厚度均為10 cm，張掖地勢平坦，直徑gt;2 mm的礫石含量可忽略不計(jì)［25-26］。

1.2.3基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取根據(jù)實(shí)驗(yàn)所選采樣點(diǎn)，從谷歌搜索引擎（google earth engine）和WorldClim網(wǎng)站（https：//worldclim.org）下載1970—2022年的氣溫、降水遙感圖，利用ArcGIS提取出研究站點(diǎn)的月值氣象數(shù)據(jù)，包括各站點(diǎn)的月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月均降水量，用于對模型進(jìn)行參數(shù)本地化調(diào)試。從英國國家大氣科學(xué)中心制作的crudata網(wǎng)站（https：//crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg）下載1970—2022年年均溫度遙感圖，利用ArcGIS提取出采樣點(diǎn)的年均溫度數(shù)據(jù)，以便研究年平均溫度對草地土壤有機(jī)碳密度的影響。從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn）下載中國土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS提取出張掖草地圖。張掖草地土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)部分來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），該數(shù)據(jù)庫里面包含了各個格網(wǎng)點(diǎn)的土壤類型、相位、理化性狀等信息，利用ArcGIS提取出研究站點(diǎn)的土壤質(zhì)地信息，包括土壤質(zhì)地、土壤粘粒含量、粉粒含量、砂粒含量。

1.3研究方法

1.3.1CENTURY模型CENTURY模型［27］是一個以月為步長的生物地球化學(xué)模型，隨著不斷的優(yōu)化，該模型不僅可以用于模擬C，N，P和S的通量，也適用于對農(nóng)田、草地、森林等生態(tài)系統(tǒng)的模擬，并先后在世界多個國家和地區(qū)得到驗(yàn)證及應(yīng)用［28-31］。該模型包括12個參數(shù)文件：氣象數(shù)據(jù)（.wth）、站點(diǎn)文件（site.100）、植被參數(shù)（crop.100）、事件文件（.sch）、管理措施（cult.100，fert.100，fire.100，graz.100，harv.100，irri.100）等。主要輸入?yún)?shù)有：月降水量（mm）；月最高、最低氣溫（℃）；土壤砂粒、粘粒、粉粒含量（%）；土壤容重（vw·g^-1·cm^-3）；土壤萎蔫點(diǎn)；田間持水量；pH值等［32］。針對土壤有機(jī)碳，CENTURY模型可以輸出總有機(jī)碳庫及其3個組分庫（活性有機(jī)碳庫、緩性有機(jī)碳庫及惰性有機(jī)碳庫）的密度。本研究將從這3種組分庫出發(fā)，利用CENTURY模型4.0版本，根據(jù)提示符在DOS窗口下操作，對每個采樣點(diǎn)分別進(jìn)行參數(shù)的本地化調(diào)試，主要調(diào)整參數(shù)包括氣候參數(shù)（月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月均降水量等）、土壤參數(shù)（土壤容重、pH值、土壤沙粒含量、粘粒含量、粉粒含量等）和作物管理參數(shù)（作物種類、種植時間、作物開始生長時間、作物結(jié)束生長時間、收獲方式等）。研究可為分析張掖地區(qū)草地土壤有機(jī)碳提供一套適用的模型參數(shù)，并有利于今后進(jìn)一步應(yīng)用CENTURY模型評價(jià)未來氣候變化對張掖草地生產(chǎn)力的影響。

1.3.2地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析在分析空間自相關(guān)時采用半變異函數(shù)，并應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的普通克里金插值法進(jìn)行空間插值來分析草地土壤有機(jī)碳的空間變異結(jié)構(gòu)，在GS+9.0與ArcGIS 10.8中操作。半變異函數(shù)包括3個特征參數(shù)：塊金值（C0）、基臺值（C0+C）和變程（Range）。塊金值表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性；基臺值表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異；而塊金值與基臺值之比表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)度。通常以25%和75%作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，小于25%說明變量間的空間相關(guān)性很強(qiáng)；大于75%說明變量間的空間相關(guān)性很弱；介于兩者之間則說明具有中等的空間相關(guān)性［33］。比值越高說明由隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性越大，相反則說明樣本間的變異更多的是由結(jié)構(gòu)性因素引起的。利用MSE（標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差）接近于0和RMSSE（標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差）接近于1來選擇克里金插值中的理論模型［34］。

1.3.3統(tǒng)計(jì)學(xué)分析基于樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對草地土壤有機(jī)碳密度及其各組分庫和各個環(huán)境因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在SPSS 27.0軟件中，選擇Pearson相關(guān)性分析探究各碳庫密度與各因子的相關(guān)性強(qiáng)度。采用結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）中的路徑分析來研究土壤有機(jī)碳密度與各影響因素之間的作用機(jī)理及強(qiáng)度，在AMOS 24.0中操作，使用Origin軟件制圖。

2結(jié)果與分析

2.1模型模擬結(jié)果驗(yàn)證

采用2022年野外實(shí)驗(yàn)所得采樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳密度實(shí)測值對CENTURY模型的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。對CENTURY模型進(jìn)行校正，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)做線性回歸，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示?？傮w來說，模擬結(jié)果較好，R²=0.8998gt;0.7。這表明CENTURY模型在調(diào)參與校正后，本地參數(shù)化較為合理，可以用此參數(shù)來模擬張掖天然草地土壤有機(jī)碳密度。

2.21970—2022年土壤有機(jī)碳密度的時間動態(tài)變化

采用本地化后的模型參數(shù)，將模型運(yùn)行5 000年，使模型達(dá)到平衡狀態(tài)，觀察其在1970—2022年間的變化。在從圖3可以看出，過去53年張掖草地土壤有機(jī)碳密度在總體上表現(xiàn)較為穩(wěn)定，雖然有小幅波動，但總體上呈現(xiàn)上升趨勢。整個模擬期（1970—2022年），張掖草地土壤總有機(jī)碳密度（圖3 a）由5.30×10³g·m^-2上升至1.34×10⁴g·m^-2。在其各組分庫中，活性土壤有機(jī)碳庫（圖3b）波動最為劇烈，從總體來看呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，1984年達(dá)到最高，為507.86 g·m^-2，而后波動式下降，活性土壤有機(jī)碳占總有機(jī)碳的2.71%；緩性土壤有機(jī)碳庫（圖3c）與總有機(jī)碳庫的變動趨勢相似，均呈現(xiàn)出上升趨勢，且從1986年之后上升速度加快，占總有機(jī)碳的59.20%；惰性土壤有機(jī)碳庫（圖3 d）呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，整個研究期（1970—2022年）僅增加了22.41 g·m^-2，占總有機(jī)碳的21.11%?？傮w而言，近年來土壤有機(jī)碳密度在整體上呈現(xiàn)增加的趨勢。

土壤總有機(jī)碳密度的變化是由各組分庫的波動共同影響的，但影響最為顯著的是緩性土壤有機(jī)碳庫和惰性土壤有機(jī)碳庫，主要是因?yàn)檫@兩大碳庫占總有機(jī)碳的90%以上。從張掖草地土壤有機(jī)碳密度模擬結(jié)果可以看到，土壤總有機(jī)碳與各組分庫間具有明顯相關(guān)性（Plt;0.01）。土壤總有機(jī)碳與各組分庫間均存在著顯著正相關(guān)關(guān)系（圖4），土壤總有機(jī)碳與緩性土壤有機(jī)碳相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.98，說明土壤有機(jī)碳庫主要是由緩性土壤有機(jī)碳庫波動引起。這是由于活性土壤有機(jī)碳庫占土壤有機(jī)碳庫比例較小，僅占2%左右，惰性土壤有機(jī)碳雖占比較高，但其變化緩慢。

2.31970—2022年張掖土壤有機(jī)碳密度的空間分布

研究期內(nèi)（1970—2022年）張掖草地土壤有機(jī)碳密度平均值為9 709.058 g·m^-2，其中肅南裕固族自治縣、民樂縣、山丹縣的土壤有機(jī)碳密度高于全市平均水平，而甘州區(qū)、高臺縣以及臨澤縣的有機(jī)碳密度低于全市平均水平（圖5）。不同區(qū)（縣）間的草地土壤碳密度也存在差異，肅南裕固族自治縣、民樂縣的草地土壤碳密度相對較高，占全市碳密度的23.94%和23.04%；臨澤縣和高臺縣的草地土壤碳密度相對較低，碳密度貢獻(xiàn)比分別為11.08%，11.92%。張掖各區(qū)（縣）草地土壤碳密度依次為肅南裕固族自治縣gt;民樂縣gt;山丹縣gt;甘州區(qū)gt;高臺縣gt;臨澤縣。

本文采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對有機(jī)碳密度的空間變異性進(jìn)行分析。借助GS+9.0軟件，通過偏度與峰度值確定其分布類型，在地統(tǒng)計(jì)學(xué)中，一般認(rèn)為偏度接近于0，峰度接近3為正態(tài)分布，土壤總有機(jī)碳密度及其各組分庫均符合正態(tài)分布（表1）；依靠標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差（MSE）接近0和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（RMSSE）接近1來選擇克里金插值中的模型，經(jīng)擬合，四種土壤有機(jī)碳密度適合的模型均為高斯模型，決定系數(shù)R2都大于0.8；塊金值/基臺值均小于25%，說明四種土壤有機(jī)碳庫均具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，表明土壤總有機(jī)碳及其各組分庫的空間變異更多的受結(jié)構(gòu)性因素（土壤理化性質(zhì)、地形因子、氣候等）的影響。

基于半變異函數(shù)，針對土壤總有機(jī)碳密度與各組分庫密度的模擬值，采用普通克里金插值繪制空間分布圖（圖6）。土壤總有機(jī)碳密度呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢，各組分庫與土壤總有機(jī)碳庫變化趨勢一致。肅南裕固族自治縣和民樂縣草地土壤有機(jī)碳密度相對較高，高臺、臨澤、甘州區(qū)草地土壤有機(jī)碳密度相對較低。其中，肅南裕固族自治縣地形狹長，東南部土壤有機(jī)碳密度最高，中部次之，到西部最低。從地形與政策角度分析，東南部由于海拔較高并且天然禁牧區(qū)草地較多，人為干擾因素較少；肅南中部的康樂草原作為祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)，近年來一直受到保護(hù)；而高臺、臨澤、甘州等地海拔低，人群聚集，人類活動對有機(jī)碳影響較大?？傮w而言，草地土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)西北低，東南高的空間分布特征。

為進(jìn)一步探究有機(jī)碳密度在時間尺度上的空間變化情況，考慮到張掖自2000年起先后實(shí)行一系列生態(tài)保護(hù)措施，我們將研究期分為前31年（1970—2000年）和后22年（2001—2022年），以兩段時間的相對變化來研究其在空間上的變化情況（圖7）。

從土壤總有機(jī)碳來看（圖7a1，7a2），前31年肅南裕固族自治縣中部及東南部地區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢，尤其是肅南東南部較為明顯，而山丹北部以及肅南西北部地區(qū)減少較為明顯，相比之下，其他地區(qū)的相對變化較小。后22年，這種趨勢雖大致相符，但其相對變化幅度減小。這種變化不僅與溫度、降水等因素的變化有關(guān)，也受各地政策、放牧等人為因素的影響［35］。活性土壤有機(jī)碳（圖7b1，7b2）在這五十多年間變化較大，其移動較快，不穩(wěn)定，易分解，受降水等結(jié)構(gòu)因素影響更強(qiáng)烈。前31年肅南西北部以及高臺縣、臨澤縣、甘州區(qū)、民樂西北部、山丹西北部的活性土壤有機(jī)碳密度均呈現(xiàn)下降趨勢，但是后22年間這些地區(qū)的活性土壤有機(jī)碳密度雖然相對變化幅度不大，但均呈現(xiàn)增加趨勢，肅南西北部及山丹北部尤為明顯。而肅南中部及東南部一直呈增加趨勢。緩性土壤有機(jī)碳不論是在時間還是空間上均與土壤總有機(jī)碳的變動十分相似（圖3c，6c），但此處其相對變化呈現(xiàn)出不同的變化，前31年肅南西北部和高臺、臨澤、甘州北部、山丹北部這些區(qū)域有輕微下降，但在后22年這些區(qū)域呈現(xiàn)上升趨勢，可以明顯看到，后22年其相對變化幅度降低。整個張掖地區(qū)的緩性土壤有機(jī)碳上升趨勢大于下降趨勢，所以53年間總體呈現(xiàn)上升的趨勢。惰性土壤有機(jī)碳（圖7d1，7d2）總體上變動非常小，這與惰性土壤有機(jī)碳難分解，周轉(zhuǎn)時間長有很大的關(guān)系，其中變化最大的仍為肅南東南部地區(qū)。

2.4張掖土壤有機(jī)碳密度空間分布差異的影響因素

草地土壤有機(jī)碳密度主要與氣候、地理環(huán)境、土壤理化性質(zhì)等因素密切相關(guān)，除此之外，一些人為因素比如放牧與圍欄等也對土壤有機(jī)碳密度有影響。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，張掖自2000年起先后實(shí)施草原“禁牧、休牧、輪牧”三牧政策及退耕還林還草等生態(tài)保護(hù)政策，極大的減少了人為因素對草地的影響，因此自然因素對草地土壤有機(jī)碳密度的空間分異起主要作用［11］。

首先利用SPSS對所有變量進(jìn)行K-S正態(tài)檢驗(yàn)，再運(yùn)用Pearson分析土壤有機(jī)碳密度與海拔（ASL）、年均降水（MAP）、年均溫度（MAT）、地上生物量（AGB）、地下生物量（BGB）、土壤含水量（SWC）、容重（BULK）、pH值、土壤粒徑（SPS）等因素的相關(guān)關(guān)系。由相關(guān)圖可以看出（圖8a），研究區(qū)土壤總有機(jī)碳密度與海拔高度、年均降水量存在非常顯著的正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01），與土壤含水量顯著正相關(guān)（Plt;0.05）；與年均溫度、pH值存在非常顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01），與容重呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.05）；與地上生物量、地下生物量及土壤粒徑之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系。活性、緩性、惰性土壤有機(jī)碳密度與總有機(jī)碳密度的相關(guān)情況類似，但活性土壤有機(jī)碳、緩性土壤有機(jī)碳與含水量呈非常顯著的相關(guān)性（Plt;0.01）（圖8b，8c），惰性土壤有機(jī)碳與含水量的相關(guān)性極為顯著（Plt;0.001），且惰性土壤有機(jī)碳與容重?zé)o明顯相關(guān)關(guān)系（圖8d）。

采用結(jié)構(gòu)方程模型中的路徑分析來研究不同因素對草地土壤有機(jī)碳密度的影響程度及其作用路徑。相關(guān)分析中，土壤容重雖與土壤有機(jī)碳密度存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但因其相關(guān)程度較低（R2=0.36），所以在結(jié)構(gòu)方程模型建模時不作為分析因子。運(yùn)用Amos24.0，采用極大似然法，以海拔、年均降水量、年均溫度、土壤含水量、pH值作為自變量，以土壤總有機(jī)碳密度作為因變量建模。通過觀察模型輸出的路徑系數(shù)可分析各變量之間的不同作用效果，并分析其總效應(yīng)、直接效應(yīng)與間接效應(yīng)。

從結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果來看，各因素對土壤有機(jī)碳密度的影響路徑和作用大小不盡相同。輸出結(jié)果顯示，卡方/自由度為0.822lt;3，GFI為0.993gt;0.9，適配理想；AGFI為0.834，適配良好；RMSEAlt;0.05，結(jié)果適配理想；R2為0.734gt;0.7，說明五個自變量可以解釋土壤總有機(jī)碳空間變異的73.4%。從總效應(yīng)來看（表2），對土壤有機(jī)碳影響最大的是海拔因素，按其絕對值由大到小排序?yàn)椋汉０危?.791）gt;年降水量（0.733）gt;年均溫度（-0.721）gt;pH值（-0.122）gt;土壤含水量（-0.117）。海拔、年降水量與土壤總有機(jī)碳密度呈正相關(guān)，而年均溫度、土壤含水量、pH值與土壤總有機(jī)碳密度呈負(fù)相關(guān)。從直接效應(yīng)來看，年均溫度的直接效應(yīng)最高（-0.850），其次是年降水量（0.698），海拔、土壤含水量、pH值分別為0.327，-0.141與-0.122。從間接效應(yīng)來看，海拔（0.464）gt;年均溫度（0.130）gt;年降水量（0.035）gt;土壤含水量（0.024）。

總的來看，年均溫度對草地土壤有機(jī)碳密度的直接效應(yīng)最明顯，溫度變化會直接影響土壤有機(jī)碳的分解速率，從而使土壤有機(jī)碳的分解量改變，溫度升高會促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解速率，使更多的碳釋放到大氣中，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的積累減少。海拔通過引起降水、溫度和pH值等因素的區(qū)域差異間接影響土壤有機(jī)碳密度（圖9），海拔越高，溫度越低，微生物分解有機(jī)質(zhì)的速度越慢，導(dǎo)致留在土壤中的有機(jī)碳密度高。降水量不僅會直接影響土壤有機(jī)碳的形成，還會通過影響土壤含水量、pH值等對土壤有機(jī)碳密度產(chǎn)生作用。土壤含水量和pH值均對土壤有機(jī)碳密度存在負(fù)效應(yīng)，分別可以解釋土壤有機(jī)碳密度空間變異的11.7%和12.2%。

3討論

在本研究中，草地土壤有機(jī)碳的空間變異主要是由溫度、降水、海拔等結(jié)構(gòu)性因素導(dǎo)致，這與Niu［36］的研究一致，但也有研究表明土壤有機(jī)碳的空間變異主要受人類活動等隨機(jī)因素的影響［26］。這說明不同空間尺度或生態(tài)系統(tǒng)中，引起空間變異的主要因子存在差異。在時間尺度上，土壤有機(jī)碳的變異性主要受各組分庫因各種因素導(dǎo)致的周轉(zhuǎn)時間長短影響，本研究中活性土壤有機(jī)碳波動最為明顯，這與曹瑞紅等人［37］的研究一致，其小幅度的波動與溫度及降水對土壤質(zhì)地的影響有關(guān)。緩性和惰性土壤有機(jī)碳在土壤總有機(jī)碳中占比90%以上［27］，正如我們的研究結(jié)果，總有機(jī)碳密度的變化與緩性和惰性土壤有機(jī)碳的變化更為相似。

土壤有機(jī)碳密度存在較高的空間異質(zhì)性。在本研究中，張掖草地土壤總有機(jī)碳呈現(xiàn)由東南向西北逐漸減少的空間分布格局，這與李妙宇［38］研究的黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳密度空間分布格局相似。區(qū)域空間分布上，從研究區(qū)南部的肅南往北，包括高臺、臨澤、甘州、山丹等地，隨著海拔降低，氣溫升高，有機(jī)碳密度呈現(xiàn)減少的趨勢，從側(cè)面驗(yàn)證了草地土壤有機(jī)碳隨溫度升高而降低的特征［13］。隨著海拔的升高，土壤有機(jī)碳的變動呈現(xiàn)先增后減的趨勢［39］。本研究中土壤有機(jī)碳密度的變化與海拔變化一致：肅南地域廣闊，幾乎橫跨整個張掖地區(qū)，從東南到西北，其海拔高度增加，有機(jī)碳含量降低；而除肅南縣的其他縣區(qū)，海拔從西北至東南降低，但是有機(jī)碳含量卻呈現(xiàn)增加的趨勢。在一定范圍內(nèi)，海拔高的地區(qū)，氣溫較低，微生物的分解作用減弱，同時人口密度低，人類活動對其影響較小，所以土壤有機(jī)碳密度較高。但當(dāng)海拔超過一定范圍時，低氣溫影響植物的生長，使有機(jī)碳的輸入減少。

各影響因子對草地土壤有機(jī)碳的作用路徑及強(qiáng)度不盡相同。年均溫度對張掖草地土壤總有機(jī)碳密度的直接效應(yīng)最大且呈負(fù)相關(guān)，說明土壤有機(jī)碳密度對溫度的變化極為敏感。但Chen等［40］在研究青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳對氣候變暖具有抗性。土壤有機(jī)碳密度是由碳輸入和碳分解之間關(guān)系決定的［41］。溫度也不例外，一般通過兩種方式作用于土壤有機(jī)碳密度，溫度升高影響植物生長從而改變土壤有機(jī)碳的輸入；另外，溫度變化會影響微生物分解速率，增溫使微生物分解速率提高，從而減少土壤有機(jī)碳密度。但溫度對土壤有機(jī)碳密度的變化存在不確定性，因?yàn)樵鰷仉m然增加了植物生物量，但微生物的分解速率也增加了，最終對土壤有機(jī)碳的影響是模糊的［37］。降水對草地土壤有機(jī)碳密度有直接顯著的正向效應(yīng)，降水一方面直接影響草地土壤有機(jī)碳密度，同時通過土壤含水量、pH值間接對其產(chǎn)生影響。降水會影響土壤水分變化，改變草地凋落物的輸入和土壤呼吸速率進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳密度［42］。閆蒙等［25］研究發(fā)現(xiàn)在科爾沁沙地，降水較溫度對土壤有機(jī)碳的影響更大，這是由于區(qū)域不同而導(dǎo)致的差異，因?yàn)樵诟珊导鞍敫珊祬^(qū)降水是其土壤水分的唯一來源，降水的增加會提高植被生產(chǎn)力，同時提高微生物活性，使有機(jī)質(zhì)分解速率加快。

實(shí)際上，土地利用、管理（比如放牧、草地圍封刈割）等是研究草地土壤有機(jī)碳密度必不可少的因素，它們通過影響土壤有機(jī)碳密度對碳循環(huán)產(chǎn)生作用。本研究在對CENTURY模型參數(shù)調(diào)整時，因數(shù)據(jù)的有限性，在人類活動方面僅根據(jù)張掖具體情況在event.100文件中對放牧、灌溉、刈割等參數(shù)進(jìn)行了簡單調(diào)整，沒有考慮其他人為因素。人類活動對土壤有機(jī)碳密度的作用路徑有待進(jìn)一步探究，這也是本研究在之后的分析過程中需要重點(diǎn)解決的問題。

4結(jié)論

運(yùn)用CENTURY模型模擬了張掖草地土壤有機(jī)碳密度，1970—2022年張掖草地土壤總有機(jī)碳密度呈現(xiàn)增長趨勢，與緩性土壤有機(jī)碳及惰性土壤有機(jī)碳的變化趨勢較為一致。其空間分布格局呈現(xiàn)東南高，西北低，各組分庫與土壤總有機(jī)碳庫的分布類似；1970—2022年，肅南縣中部的草地土壤總有機(jī)碳增長較為明顯，山丹縣、甘州區(qū)有所下降。采用結(jié)構(gòu)方程模型定量分析了各環(huán)境因子對草地土壤有機(jī)碳的作用路徑及強(qiáng)度，主要影響因素是海拔、年降水量、年均溫度、土壤含水量和pH值。年均溫度對草地土壤有機(jī)碳密度的直接效應(yīng)最大，海拔通過影響降水、溫度和pH值等因素間接影響土壤有機(jī)碳密度，降水量對土壤有機(jī)碳密度不僅有直接影響，還會通過影響土壤含水量、pH值等間接土壤有機(jī)碳密度。為加快實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和，提升碳匯能力是必不可少的，近53年來，張掖降水量增多，同時對草地采取了各項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)措施，人類干擾減少，草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯作用明顯，未來可通過調(diào)整草地資源保護(hù)政策以增加碳匯，實(shí)現(xiàn)碳中和。

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（責(zé)任編輯 劉婷婷）