寧夏黃土區(qū)典型坡面表層土壤有機碳含量的空間變化特征及尺度效應(yīng)*

韓新生 劉廣全 許 浩 董立國 郭永忠 安 鈺 萬海霞 王月玲

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院 北京 100038； 2. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)與草地生態(tài)研究所 寧夏防沙治沙與水土保持重點實驗室 寧夏生態(tài)修復(fù)與多功能林業(yè)綜合研究中心 銀川 750002）

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是土壤的重要組分，占土壤有機質(zhì)的60%～80%，與土壤的物質(zhì)循環(huán)過程和能量流動特征關(guān)系密切，在提升土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu)、提供植物營養(yǎng)、改善植被生境等方面意義重大。SOC 一般富集在土壤表層（王一佩等，2020；王深華等，2021），主要源于植物、動物和微生物的殘體、合成及分解產(chǎn)物、腐殖質(zhì)等（張全軍等，2012），直接關(guān)系到土壤的質(zhì)量與健康（Zimmermanet al.，2011；余健等，2014），影響植物的產(chǎn)量質(zhì)量及生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性（Zhuet al.，2018）。另外，SOC 庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫（Schipperet al.，2007），約為植被和大氣碳庫的3 倍（Diffenbaughet al.，2013），對碳循環(huán)與碳平衡（Fanget al.，2007；周曉宇等，2010；Chenet al.，2012）、全球生態(tài)環(huán)境與氣候變化（Postet al.，2000）等起重要作用。定量研究和精準預(yù)測SOC 含量的時空變化是陸地生態(tài)系統(tǒng)管理、碳收支計算、氣候變化研究的重點內(nèi)容。

SOC 含量動態(tài)取決于一段時間內(nèi)碳輸入和碳輸出的差異。以往研究表明，SOC 含量的時間波動性和空間異質(zhì)性受生物因素（植被類型與結(jié)構(gòu)、植被恢復(fù)年限、人類活動特別是土地利用變化等）和非生物因素（土壤特性、地形地貌、氣候變化等）的綜合影響（周鑫等，2016），如Kirschbaum 等（2008）在澳大利亞研究發(fā)現(xiàn)，草地改造成人工林后18年內(nèi)，其SOC含量持續(xù)下降；Friggens 等（2020）在蘇格蘭北部調(diào)查發(fā)現(xiàn)，荒地上種植鄉(xiāng)土樹種12年或39年后，SOC 含量并未增加；Kyaschenko 等（2017）在瑞典多年未受人為干擾的自然保護區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，SOC 含量與生態(tài)系統(tǒng)肥力呈負相關(guān)；Yang 等（2022）在蘭州市榆中縣研究表明，壟溝覆蓋玉米（Zea mays）秸稈能顯著增加0～20 cm 土層SOC 含量；衛(wèi)瑋等（2019）在秦嶺南坡調(diào)查顯示，坡位和海拔是影響林地SOC 空間分異的主導(dǎo)立地因子；Zhang 等（2021）在寧夏六盤山區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，天然林改為人工林后SOC 含量呈先降后升變化，草地和農(nóng)地改為人工林后呈先微弱降低后升高趨勢；徐占軍等（2018）采用普通Kriging 插值法和分區(qū)Kriging 插值法預(yù)測了徐州九里煤炭開采沉陷區(qū)SOC含量的空間變化；祝元麗等（2021）結(jié)合無人機平臺與土壤高光譜技術(shù)反演了比利時黃土和中國東北黑土的表層SOC 含量。以往研究多在較小的樣地、林分尺度上開展，側(cè)重評價植被類型及恢復(fù)年限對SOC 的作用；或在較大的流域尺度上開展，主要考慮土地利用及植被覆蓋變化等對SOC 的影響，在中等尺度的坡面上研究較少（南雅芳等，2012；李龍等，2014；張美麗等，2017）。坡面作為開展植被建設(shè)及管理的基本空間單元，受林業(yè)生態(tài)工程、水保工程的影響，劇烈的土地利用變化與植被特征變化可能會加劇SOC 含量的空間異質(zhì)性與尺度效應(yīng)，但相關(guān)研究還很不足，限制了對SOC 時空變化的定量認識與精準管理。

本研究選取寧夏南部黃土區(qū)中莊小流域坡頂相連的3 個典型坡面，設(shè)置空間上連續(xù)的樣點，于2021年10月測定各樣點表層（0～20 cm）SOC 含量，分析SOC 含量的空間變異及滑動平均值隨離坡頂距離增加的變化，探討將特定樣點實測SOC 含量尺度上推估算坡面平均值的轉(zhuǎn)化方法，量化SOC 含量的坡面尺度效應(yīng)，以期為細致刻畫坡面土壤資源狀況、全面理解生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、制定土壤高質(zhì)量管理方案提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏固原市彭陽縣的中莊小流域，面積88.38 km2，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，梁峁交錯，海拔變化在1 248～2 418 m 之間。屬典型溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫7.4～8.5 ℃，≥10 ℃的年積溫2 500～2 800 ℃，年降水量350～550 mm，且主要集中在6—9月，年蒸發(fā)量1 360.6 mm，無霜期140～170 天。土層深厚，土壤類型以黃綿土和黑壚土為主。生態(tài)環(huán)境極為脆弱、水土流失嚴重。為減少土壤侵蝕、提高雨水利用率、增加作物產(chǎn)量與林木生長量，當?shù)赜?1 世紀初相繼開展“退耕還林還草”、“坡改梯”（坡耕地推成水平梯田）、“水平溝整地”等生態(tài)修復(fù)工程，坡面上多形成“上退下推”的景觀格局。2021年在小流域各土地利用、立地環(huán)境、植被類型共采集0～20 cm 表層土壤樣品1 548 份，化驗得出SOC 含量平均為5.98±3.31 g·kg?1。

2 研究方法

2.1 坡面樣點設(shè)置

選擇坡頂相鄰的3 個典型坡面（圖1），東坡、西坡、南坡3 個坡面的最高海拔均為1 680 m，最低海拔分別為1 580、1 574 和1 575 m，坡面長度分別為293.1、346.1 和382.6 m，坡面平均坡度分別為19.9o、17.9o和16.0o，水平坡面長度分別為275.6、329.4 和367.8 m。

圖1 研究坡面的位置Fig. 1 Locations of the study slopes

退耕前，坡面上部為荒山，下部為坡耕地。退耕后，坡面上部被水平溝截斷成若干段間隔的坡地，植被蓋度高；下部推成水平梯田，坡度接近0o。土壤侵蝕極微弱。在各坡面上，沿山頂向下設(shè)置調(diào)查樣線（圖1），在樣線經(jīng)過的隔坡和梯田的中間位置布設(shè)樣點，調(diào)查每個樣點的立地特征及主要植被種類等。隔坡上通過2 個樣點間的坡面距離及坡度計算出水平距離，梯田上通過2 個樣點間的水平距離及高差計算出坡面距離。東坡和西坡各26 個樣點，南坡29 個樣點。東坡上部17 個樣點位于坡地，下部9 個樣點位于梯田；西坡上部13 個樣點位于坡地，下部13 個樣點位于梯田；南坡上部17 個樣點位于坡地，下部12 個樣點位于梯田（表1）。

表1 坡面及樣點的基本信息①Tab. 1 The basic information of slopes and sample points

2.2 SOC 測定

2021年10月中旬，在3 個坡面各樣點按5 m間距設(shè)置4 個子樣點取樣，采集0～20 cm 表層土壤樣品。將土樣帶回實驗室風(fēng)干，剔除植物根系等雜質(zhì)，研磨后過100 目篩，加入0.5 mol·L-1鹽酸去除無機碳，水洗，烘干，制樣，置于Elementar TOC 總有機碳分析儀中測定SOC 含量，4 個子樣點所測數(shù)據(jù)的均值為所在樣點的SOC 含量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

3 個坡面上，各樣點表層SOC 含量的絕對值為樣點表層SOC 含量的實測值；各樣點表層SOC 含量的相對值為各樣點表層SOC 含量的實測值與坡面均值的差值及比值。表層SOC 含量從坡頂向下隨水平坡長增加的滑動加權(quán)平均值計算見式（1），當東坡、西坡、南坡的n分別為26、26 和29 時，計算得出所有樣點的加權(quán)平均值，即為坡面加權(quán)平均值（坡面均值）：

式中：SSOCC 指表層SOC 含量的坡面均值；SSOCC1、SSOCC2、SSOCC3···SSOCCn指坡面從上至下各樣點表層SOC 含量實測值（g·kg?1）；L1、L2、L3···Ln指各樣點代表坡段的水平長度（m）或相對長度。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡面表層SOC 含量的坡向差異

東坡表層SOC 含量變化在2.32～18.27 g·kg?1之間，變異系數(shù)67.20%；西坡和南坡分別變化在2.65～13.99和4.09～13.81 g·kg?1之間，變異系數(shù)分別為52.06%和39.59%。 表層SOC 含量的坡面均值在東坡為6.42 g·kg?1，比西坡（5.65 g·kg?1）高13.63%，比南坡（7.60 g·kg?1）低15.53%。

3.2 坡面表層SOC 含量絕對值的變化

由圖2 可知，3 個坡面表層SOC 含量隨離坡頂距離增大均呈先降低后穩(wěn)定的變化。在東坡和西坡，當離坡頂水平距離200 和150 m（相對距離0.73 和0.45）后，表層SOC 含量趨于穩(wěn)定；在南坡，當離坡頂水平距離280 m（相對距離0.76）后微弱升高。所有樣點表層SOC 含量的變異系數(shù)均為弱變異性或中等變異性，其坡面變化與表層SOC 含量相似，且2 種土地利用差異顯著（P＜0.05）。其中，坡地表層SOC 含量的變異系數(shù)（東坡、西坡、南坡分別為13.70%、12.99%、10.46%）顯著高于梯田（9.02%、8.66%、5.24%），可能是整地和翻耕使梯田的表層SOC 含量比坡地更均勻。

圖2 表層土壤有機碳含量隨離坡頂水平距離和相對距離的變化Fig. 2 Variation of surface SOC content along the horizontal distance from slope top and relative distance from slope top

3.3 坡面表層SOC 含量相對值的變化

為定量評估表層SOC 含量的坡面變化特征，分析各樣點表層SOC 含量與坡面均值的差值隨離坡頂距離的變化（圖3）。在東坡、西坡、南坡，從坡頂至離坡頂水平距離110、120 和150 m（相對距離0.40、0.36 和0.41）處，表層SOC 含量與坡面均值的差值逐漸下降，但基本均大于0；之后隨距離增加，差值基本小于0，且呈降低后穩(wěn)定或微弱升高的變化。

圖3 表層土壤有機碳含量與坡面均值的差值隨離坡頂水平距離和相對距離的變化Fig. 3 Variation of the difference of surface SOC content of plots to the slope average along the horizontal distance fromslope top and relative distance from slope top

為定量評價不同樣點表層SOC 含量的坡面代表性，分析各樣點表層SOC 含量與坡面均值的比值隨離坡頂距離的變化（圖4）。在東坡、西坡、南坡，從坡頂至離坡頂水平距離110、120 和150 m（相對距離0.40、0.36 和0.41）處，表層SOC 含量與坡面均值的比值逐漸下降，但基本均大于1；之后隨距離增加，比值基本小于1，且呈降低后穩(wěn)定或微弱升高的變化。由上可見，利用坡面頂部、中部或底部某點位表層SOC 含量代表整個坡面均值時可能有較大誤差，存在很大不確定性。

圖4 表層土壤有機碳含量與坡面均值的比值隨離坡頂水平距離和相對距離的變化Fig. 4 Variation of the ratio of surface SOC content of plots to the slope average along the horizontal distance from slope top and relative distance from slope top

為從任意點位表層SOC 含量測定值換算坡面均值，實現(xiàn)表層SOC 含量由“點”到“面”的尺度轉(zhuǎn)換，在3 個坡面分別建立各樣點表層SOC 含量觀測值與坡面均值的比值隨離坡頂水平距離和相對距離的二項式擬合方程（表2），確定系數(shù)均在0.7 以上，且均在0.001 水平上極顯著，擬合效果較好?；跀M合方程（表2）可由特定樣點表層SOC 含量實測值估算坡面均值。

表2 表層土壤有機碳含量與坡面均值的比值（y）與離坡頂距離（x）的擬合關(guān)系Tab. 2 Fitting relationship between the ratio of surface SOC content of plots to the slope average (y) and the distance from slope top (x)

因各坡面長度不一致，且不同坡向擬合形成的方程難以具有普適性，故將3 個坡面所有樣點數(shù)據(jù)融合在一起，分析表層SOC 含量實測值與坡面均值的比值隨離坡頂相對距離的變化（圖5）。從坡頂至離坡頂相對距離0.40 時，表層SOC 含量與坡面均值的比值逐漸下降，但均大于1；之后隨距離增加，比值小于1，且呈降低后穩(wěn)定的變化。以離坡頂相對距離為X值、表層SOC 含量與坡面均值的比值為Y值，擬合的二項式方程（Y= 2.550 3X2– 4.136 3X+ 2.219 8，R2=0.72，P＜0.001）效果較好。根據(jù)實測的坡面各樣點表層SOC 含量及離坡頂相對距離，利用該方程估算東坡、西坡、南坡坡面均值（各樣點的估算值）的平均數(shù)值（6.08、5.70 和7.96 g·kg?1）比實測表層SOC 含量坡面均值（6.42、5.65 和7.60 g·kg?1）分別低5.30%、高0.88%、高4.74%。因此，基于該方程可由特定樣點表層SOC 含量實測值估算坡面均值，更具適用性。

圖5 3 個坡面所有樣點表層SOC 含量與坡面均值的比值隨離坡頂相對距離的變化Fig. 5 Variation of the ratio of surface SOC content of all plots to the three slope averages along the relative distance from slope top

3.4 坡面表層SOC 含量的空間尺度效應(yīng)

為定量理解坡面表層SOC 含量的尺度效應(yīng)（即坡面加權(quán)平均值隨坡長的變化），選擇表層SOC 含量從坡頂向下隨坡長增加的滑動平均值為指標，分析其隨水平坡長和相對坡長增加的變化（圖6）。3 個坡面的表層SOC 含量存在相似的坡面長度尺度效應(yīng)，即隨坡長增加，表層SOC 含量滑動平均值呈下降趨勢，最大值基本均在坡頂，最小值均在坡底。東坡、西坡、南坡表層SOC 含量坡面滑動平均值變化范圍分別為6.42～14.94、5.65～13.99、7.60～12.68 g·kg?1，變幅分別為8.52、8.34、5.08 g·kg?1。為分析表層SOC 含量的順坡滑動平均值隨水平坡長和相對坡長的變化，建立二者的數(shù)量關(guān)系（表3），其R2均在0.96 以上，且均在0.001 水平上顯著，擬合效果較好。各坡面尺度效應(yīng)存在差異，從坡頂?shù)剿狡麻L300 m 處，東坡、西坡、南坡水平坡長平均每增加100 m，滑動平均值分別降低3.40、2.50、1.51 g·kg?1，即水平坡長坡面尺度效應(yīng)分別為?3.40、?2.50、?1.51 g·kg?1(100 m)?1；從坡頂?shù)较鄬嚯x1.0 處，東坡、西坡、南坡相對坡長平均每增加0.1， 滑動平均值分別降低0.96、 0.75、0.55 g·kg?1，即相對坡長坡面尺度效應(yīng)分別為?0.96、?0.75、?0.55 g·kg?1(0.1)?1?？梢姡韺覵OC 含量的坡面尺度效應(yīng)在東坡最強，其次為西坡，南坡最弱。

表3 表層土壤有機碳含量的坡面滑動平均值（y）隨坡長距離（x）增加而變化的擬合關(guān)系Tab. 3 Fitting relationship between the moving average (y) of surface SOC content and the distance (x) from slope top

3.5 表層SOC 含量的土地利用和植被特征差異

由圖7 可知，2 種土地利用的表層SOC 含量存在差異，在3 個坡面上均表現(xiàn)為坡地顯著（P＜0.001）高于梯田。對同一土地利用來說，坡地在各坡面間的差異不顯著（P＞0.05），梯田在南坡與東坡間差異顯著（P＜0.05）。東坡、西坡、南坡的坡地表層SOC 含量平均值分別為9.78、9.44、8.52 g·kg?1，變化范圍分別為4.39～18.27、4.34～13.99、5.01～13.81 g·kg?1；東坡、西坡、南坡的梯田表層SOC 含量平均值分別為2.54、4.12、5.36 g·kg?1，變化范圍分別為2.32～2.90、2.65～6.74、4.09～9.32 g·kg?1。

圖7 3 個坡面上2 種土地利用表層土壤有機碳含量的差異Fig. 7 Differences of surface SOC content between two land use types on three slopes

將3 個坡面所有樣點數(shù)據(jù)混合分析土地利用及植被類型對表層SOC 含量的影響（圖8）。坡地草地和坡地林地的表層SOC 含量均顯著（P＜0.01）高于梯田農(nóng)地和梯田林地，坡地草地與坡地林地間、梯田農(nóng)地與梯田林地間差異不顯著（P＞0.05），說明土地利用對表層SOC 含量的影響強于植被類型；坡地草地、坡地林地、梯田農(nóng)地、梯田林地表層SOC 含量平均值分別為9.47、9.67、3.83、5.14 g·kg?1，變化范圍分別為4.39～18.27、4.34～13.99、2.32～6.85、3.60～9.32 g·kg?1。

圖8 不同土地利用-植被類型表層土壤有機碳含量的差異Fig. 8 Differences of surface SOC content between different land use-vegetation types

4 討論

4.1 坡面SOC 含量空間變異的影響因素分析

4.1.1 坡向影響 通常來說，隨溫度升高，SOC 的礦化速率和分解速率增大，相應(yīng)地積累量減少（Reyet al.，2005），因此從坡向上看，陽坡的SOC 積累量應(yīng)小于陰坡。李龍等（2014）發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古赤峰梯田SOC 含量的坡向差異為陰坡＞半陰坡＞半陽坡＞陽坡，并解釋為陽坡日照時間長、溫度高，植被蒸騰、土壤水分蒸發(fā)劇烈，水分虧缺限制固碳速率和SOC 積累，同時陽坡上的微生物活動更劇烈，SOC 分解更快；陰坡則恰好相反。余杭等（2020）在亞熱帶干熱河谷和溫帶濕潤山嶺的調(diào)查結(jié)果也表明，陰坡SOC 含量均大于陽坡。本研究中，東坡即半陰坡的SOC 含量（6.42 g·kg?1）高于西坡即半陽坡（5.65 g·kg?1），與上述研究結(jié)果一致，但比較特殊的是，二者均低于南坡即陽坡的SOC含量（7.60 g·kg?1），原因可能是其他因素（如土地利用或植被類型的差異）的影響強度超過坡向。

4.1.2 植被類型影響 林草地土壤碳庫積累主要源于自身凋落物、地上植被及地下根系殘體、根系分泌物等的持續(xù)補充（Vesterdalet al.，2002），但農(nóng)地土壤經(jīng)常翻耕導(dǎo)致表層土壤結(jié)構(gòu)破壞，透氣性增加，微生物活性增強，SOC 分解速度加快（Chenet al.，2016），降低了SOC 含量（楊思存等，2019），且作物收獲后植物殘體不能歸還到土體中，造成SOC 凈虧缺，因此退耕還林后林草地表層SOC 含量常高于撂荒地（韓新輝等，2012）或坡耕地（張祎等，2019）。郭勝利等（2009）發(fā)現(xiàn)黃土區(qū)天然與人工恢復(fù)植被（喬木和灌木）的表層SOC 含量為耕地的1.8～8.0 倍，天然植被SOC 含量為人工植被的2～3 倍。崔東等（2016）發(fā)現(xiàn)伊犁河谷3 種植被類型中，表層SOC 含量最高為草地，其次為林地和園地，耕地最差。本研究也證實，自然恢復(fù)的林草植被表層SOC 含量高于人工林、更高于農(nóng)作物，這也造成研究區(qū)坡面上部（自然林草）表層SOC 含量高于下部（人工林農(nóng)）的格局，也解釋了南坡平均表層SOC 含量高于東坡和西坡的原因。在3 個坡面上部均為自然林草植被且表層SOC 含量差異不顯著的前提下，南坡下部梯田（植被種類以林木和苜蓿為主）的表層SOC 含量顯著高于其余坡面下部梯田（植被種類以玉米、小麥、馬鈴薯等農(nóng)作物為主）。可以說，坡面上植被分布及類型差異對表層SOC 含量的影響超過坡向。

4.1.3 植被恢復(fù)年限影響 從時間維度上看，SOC 含量增減與平衡取決于單位時間內(nèi)的SOC 輸入（植被凋落物數(shù)量及分解速率等）與SOC 輸出（土壤礦化作用等）的差值（Davidsonet al.，2006）。Deng 等（2017）認為隨退耕還林年限延長，地表凋落物及植物殘體不斷富集增加、降解轉(zhuǎn)化，SOC 含量將顯著提升。但也有不同例證，如Zhang 等（2021）發(fā)現(xiàn)六盤山區(qū)的農(nóng)地轉(zhuǎn)為林地后，土壤碳密度隨林齡增加（0～40年）呈先微弱降低后升高的變化，可能是因造林等人為擾動導(dǎo)致土壤碳密度先下降，后隨林齡增加，凋落物分解轉(zhuǎn)化引起SOC 增加。Kirschbaum 等（2008）的觀測結(jié)果表明，造林后18年時間內(nèi)SOC 呈下降趨勢，可能與造林前SOC 較高及觀測年限較短有關(guān)。Wang等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，隨恢復(fù)年限延長，黃土高原地區(qū)的天然草、人工草、灌叢、人工林4 種植被類型的SOC 呈先升高后穩(wěn)定的趨勢，可能與SOC 含量越高土壤礦化作用越強有關(guān)；黃土丘陵區(qū)坡耕地恢復(fù)成刺槐林后50年內(nèi)，土壤碳庫各組分含量顯著線性增加，主要因為原先坡耕地SOC 含量偏低及刺槐林可依靠生物的自肥作用增加SOC 含量。本研究坡面在退耕還林前，上部為荒山、下部為坡耕地，在退耕還林和坡改梯后近20年內(nèi)，上部的林草植被恢復(fù)與生長較好，植被凋落物及殘體等持續(xù)積累，促進表層SOC 含量逐步升高；而下部水平梯田上逐年翻耕，人為活動頻繁，表層土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴重，地上農(nóng)作物殘體并未歸還土壤，碳輸入持續(xù)低于輸出，導(dǎo)致表層SOC 含量降低或保持低穩(wěn)狀態(tài)。這2 個因素共同造成研究坡面上部表層SOC 含量顯著高于下部。

4.1.4 坡位影響 本研究顯示，隨坡位降低，3 個坡面表層SOC 含量均逐漸減小，可能是因上部土地利用為自然狀態(tài)的坡地，下部為擾動較大的梯田；且上部植被以沙棘和天然草為主，下部植被以農(nóng)作物和苗圃地等為主。退耕還林后坡面林草地表層產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著降低，尤其是產(chǎn)沙量（姜娜等，2011）。研究位點均在退耕后的林草地（覆蓋度高、坡度?。┗蛱萏锷?，土壤侵蝕極微弱。諸多學(xué)者發(fā)現(xiàn)SOC 含量坡位差異不完全一致，如低山丘陵區(qū)下坡SOC 含量顯著高于上坡（周鑫等，2016），主要是因從上坡到下坡，土壤逐漸由侵蝕區(qū)過渡到堆積區(qū)，且坡位能獨立解釋SOC 含量空間變異的60%左右；山西綏德王茂溝流域SOC 含量在坡上和坡中最高，其次為坡下，坡頂最低（張祎等，2019），主要是因坡中上部植被類型多且完整，土壤侵蝕弱，坡下積累泥沙少且攜帶的SOC含量低，坡頂為耕地和果園，種類單一，人為翻耕頻繁；陜西延安羊圈溝流域下坡位表層SOC 含量高于上坡位（Liet al.，2006），與長期耕作導(dǎo)致土壤從上向下遷移等有關(guān)。因各研究區(qū)植被類型、土地利用、人為活動、氣候特征、地形地貌等差異，上述報道均與本研究結(jié)論不同，本研究結(jié)論是由不同坡位土地利用等條件差異導(dǎo)致的。還有學(xué)者在黃土丘陵區(qū)退耕小流域發(fā)現(xiàn)溝肩和峁坡表層SOC 含量高于溝谷（馬南方等，2022），主要是地形和植被種類差異引起SOC 特征的空間變化，與本研究結(jié)果類似。

4.2 坡面SOC 含量的空間尺度效應(yīng)定量描述

尺度效應(yīng)指自然界中某指標特征值隨時間或空間尺度增加（減?。┒兓默F(xiàn)象，掌握尺度效應(yīng)便于精準推算相關(guān)指標值。張桐等（2016）在六盤山土石山區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）林與灌叢土壤密度的坡面變化明顯，從坡頂?shù)狡履_，前者表現(xiàn)為先增加后穩(wěn)定，主導(dǎo)因素為海拔等；后者則“增加-減小-增加”，主導(dǎo)因素為植被生長狀況；并建立了土壤密度特征值由樣地到坡面轉(zhuǎn)換的模型。劉澤彬等（2018）在相同地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，華北落葉松林土壤質(zhì)量含水量存在明顯坡面尺度效應(yīng)，隨水平坡長增加，表現(xiàn)為先逐漸升高、之后逐漸降低、最后有所回升，并歸因于土壤總孔隙度和持水能力、葉面積指數(shù)、植被生物量等因素的坡位差異。本研究在寧夏南部黃土區(qū)典型坡面上調(diào)查表明，表層SOC 含量也存在坡面尺度效應(yīng)，即表層SOC 含量的滑動平均值從坡頂向下隨水平（相對）坡長增加而降低，隨水平坡長增加，東坡、西坡、南坡的坡面尺度效應(yīng)分別為?3.40、?2.50、?1.51 g·kg?1(100 m)?1，隨相對坡長增加，東坡、西坡、南坡的坡面尺度效應(yīng)分別為?0.96、?0.75、?0.55 g·kg?1(0.1)?1，這主要因為影響表層SOC含量的因子（如土地利用、植被種類、人為擾動、恢復(fù)年限等）具有明顯的坡位差異。東坡表層SOC 含量的坡面尺度效應(yīng)最強，可能是因東坡下部的梯田植被均為玉米地，每年翻耕，人為擾動頻繁，導(dǎo)致其與東坡上部的表層SOC 含量差異較大，但SOC 含量的坡面尺度效應(yīng)隨影響要素的變化，以及植被、地形、人為活動等多個因素在坡面尺度效應(yīng)中的作用機制及貢獻大小還需深入研究。此外，本研究限定在3 個典型坡面的表層土壤中，而表層以下SOC 含量的坡面尺度效應(yīng)如何，及生物因子與非生物因子的影響如何隨坡面特征變化，還有待進一步研究。

4.3 坡面土壤資源調(diào)查建議及尺度轉(zhuǎn)換路徑

以往土壤資源調(diào)查中，坡面上的整體情況往往是通過設(shè)置數(shù)量有限的典型樣點或樣地來測算的。但本研究顯示，不同坡位樣點表層SOC 含量的坡面代表性差異巨大，這也表明，想要得到相對精準的坡面特征值時，僅在坡面上調(diào)查數(shù)量不多的典型樣點后計算坡面平均值難以滿足需求。此外，花費大量人力物力和時間調(diào)查整個坡面的土壤資源是不現(xiàn)實的?；诖?，本研究定量分析3 個坡面不同坡位樣點表層SOC 含量與坡面均值的比值隨離坡頂相對距離和水平距離的變化，表明均有較好關(guān)系，藉此可將任一坡位樣點的表層SOC 含量調(diào)查值由樣點尺度上推到坡面尺度，估算得出一定范圍內(nèi)較準確的坡面平均值，進而提出能夠提高土壤資源調(diào)查的精度與效率的方法。

本研究僅在黃土區(qū)設(shè)置3 個相鄰典型坡面（上部退耕還林水平溝整地，下部水平梯田整地）調(diào)查1 次表層SOC 含量，得出的研究結(jié)論僅能代表“上退下推”景觀模式的典型坡面（從上至下的土壤遷移可忽略），不能說明連續(xù)坡面或階段性連續(xù)坡面的SOC含量變化特征，得出的結(jié)論應(yīng)用性和普適性有限。本研究利用擬合方程估算東坡、西坡、南坡坡面均值的平均數(shù)值比實測表層SOC 含量坡面均值分別低5.30%、高0.88%、高4.74%，在土壤資源碳儲量調(diào)查時計算誤差仍較大，主要原因可能是不同坡面各坡位的植被種類及恢復(fù)年限存在一定差異，也可能與設(shè)置的坡面數(shù)量相對較少有關(guān)。綜上，一方面，還需選取足夠多的相似恢復(fù)模式不同立地環(huán)境、植被類型及恢復(fù)年限等特征的坡面，進行不同年份的長期監(jiān)測，在深入理解多種影響因子及其作用的基礎(chǔ)上，準確量化SOC 含量的坡面變化規(guī)律，進而得到黃土丘陵區(qū)典型坡面上的普遍性規(guī)律；另一方面，也可選取大量的相似恢復(fù)模式相同植被類型及恢復(fù)年限的典型坡面（如坡面上部為天然草，下部為梯田玉米等），采用相似方法耦合估算模型，得到更為精準的、適用特定植被類型的SOC 含量坡面變化規(guī)律。上述2 種方法在構(gòu)建坡面SOC 估算模型時需要一定的人力及物力，但建立的模型能夠獲得更為普遍或精準的坡面土壤資源特征值，對未來估算其他坡面土壤資源特征值上有很大幫助。

5 結(jié)論

在寧夏南部黃土區(qū)中莊小流域，于2021年生長季末期，選取坡頂相鄰的3 個典型坡面，調(diào)查表層SOC 含量，并分析其坡面變化。結(jié)果顯示：

1） 表層SOC 含量存在明顯的坡向和坡位差異。表層SOC 含量的坡面平均值在南坡最高， 為7.60 g·kg?1，其次為東坡（6.42 g·kg?1），最低為西坡（5.65 g·kg?1）。3 個坡面表層SOC 含量的坡位變化大致相同，在東坡、西坡、南坡，從坡頂至離坡頂水平距離200、150、280 m（相對距離0.73、0.45、0.76）呈下降趨勢，之后趨于穩(wěn)定。

2） 表層SOC 含量受土地利用、植被類型及恢復(fù)年限等因素共同影響。坡面上部的坡地林草植被形成良好土壤碳平衡、下部的梯田農(nóng)地翻耕頻繁促進SOC 分解等原因?qū)е缕碌乇韺覵OC 含量顯著高于梯田；林草植被的凋落物及殘體較多、農(nóng)作物殘體未歸還土壤，林草植被退耕后自然恢復(fù)20年、梯田未形成良好土壤結(jié)構(gòu)，植被類型及恢復(fù)年限共同造成坡面上的林地及草地表層SOC 含量均顯著高于梯田上的農(nóng)地及林地。

3） 表層SOC 含量具有坡面尺度效應(yīng)且存在坡向差異。東坡、西坡、南坡水平坡長上的坡面尺度效應(yīng)分別為?3.40、?2.50、?1.51 g·kg?1(100 m)?1，相對坡長上的坡面尺度效應(yīng)分別為?0.96、?0.75、?0.55 g·kg?1(0.1)?1。

4） 表層SOC 含量從坡面上任一樣點向整個坡面的尺度轉(zhuǎn)換。構(gòu)建3 個坡面（或所有數(shù)據(jù)融合）各樣點表層SOC 含量實測值與坡面平均值的比值隨離坡頂水平距離或相對距離增加而變化的數(shù)量關(guān)系，基于此，可將3 個坡面（或相似的任意坡面）任一樣點的表層SOC 含量實測值通過已知關(guān)系推求得出較為可靠的坡面平均值，實現(xiàn)由“點”到“面”的尺度上推。