半干旱區(qū)不同土層深度土壤有機碳變化

李 龍，姚云峰，秦富倉，郭月峰，HABURA Borjigin，常偉東

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳庫約在1 200～2 500Pg之間［1－5］，是大氣碳庫的2倍，是陸地生物圈碳庫的2～3倍，土壤碳庫的微小變動都將對整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫產(chǎn)生巨大影響，在維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡中發(fā)揮著重要作用［6－7］。然而，由于不同學(xué)者對土壤碳庫的研究的尺度大小不同，土壤本身不同土層的有機碳也存在明顯差異，難以準(zhǔn)確獲得土壤碳信息，致使同一地區(qū)的研究結(jié)果常常存在較大的差異。因此，以小流域為單位分土層分析土壤碳庫的研究開始被廣泛關(guān)注，并開始逐步探究其影響因素。在以小流域為研究對象時，影響不同土層土壤有機碳分布的因素眾多，而自然因素中地貌的起伏變化對土壤有機碳的影響十分顯著，其主要以不同的坡度、坡向、坡位、海拔等因素來控制區(qū)域的水熱再分配，從而影響土壤有機碳的空間分布及大?。?］。

對于影響土壤碳庫的因素我國已有許多相關(guān)研究［9－10］。其中，一些學(xué)者將海拔高度的變化與不同土層土壤建立聯(lián)系對土壤碳庫進(jìn)行了分析，并得出許多有價值的結(jié)論?？聥闺?、張璐等［11］對粵北亞熱帶山地森林的土壤有機碳的研究結(jié)果表明0—20cm和20—40cm土層有機碳含量均隨海拔梯度變化呈極顯著差異。郭建明，胡理樂等［12］研究表明秦嶺太白紅杉林北坡0—100cm土層土壤有機碳密度隨海拔的增加呈顯著減小趨勢。傅華、陳亞明等人［13］在阿拉善主要草地類型土壤有機碳特征研究中發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳含量隨海拔高度的降低而逐漸降低，其垂直分異規(guī)律為山地荒漠草原沿土壤剖面依次降低，高山草甸、草原化荒漠和沙礫質(zhì)草原化荒漠0—20cm與20—40cm土層差異不顯著，但高于40—60cm土層。由此可見，在地形因子的影響下不同土層的土壤碳分布也有著明顯差異，并以海拔作為影響土壤有機碳的主導(dǎo)因子，在不同研究區(qū)對土壤有機碳的影響作用也具有明顯差別，同時海拔對不同土壤深度的土壤含水率、有機質(zhì)含量以及土壤質(zhì)量都有著重要影響，這些因素對土壤碳庫都有著不同程度的影響［14－16］。

內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗位于半干旱地區(qū)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，在我國碳匯林營造中起步較早規(guī)模較大，其中在敖漢旗的中意合作項目“中國東北部內(nèi)蒙古敖漢旗防治荒漠化青年造林項目”是我國第一個碳匯造林項目，其造林面積達(dá)3 000hm2，對我國其它地區(qū)的碳匯研究工作具有積極的借鑒作用，對該地區(qū)的土壤碳庫研究更具指導(dǎo)價值。因此，以內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗黃花甸子流域為研究對象，以實地調(diào)查土壤數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)與地統(tǒng)計學(xué)，分析流域不同土層土壤有機碳的空間分布情況，以及海拔對土壤有機碳分布的影響，以期為土壤碳庫的研究提供科學(xué)參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于赤峰市敖漢旗西部的黃花甸子流域內(nèi)。流域位于老哈河中游南岸，科爾沁沙地南緣。地處42°17′—42°33′N，119°36′—119°53′E，面積為32.5 km2，東臨通遼市奈曼旗，西與遼寧省建平縣接壤，南與遼寧省朝陽市、北票市毗鄰，北與赤峰市松山區(qū)、翁牛特旗隔老哈河相望。流域內(nèi)總體屬于低山丘陵區(qū)，地勢起伏不大，海拔在440～806m。屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。年均降雨量多在400～470mm，年均蒸發(fā)量多在2 290～2 400mm。全年日照數(shù)2 940～3 060h，歷年平均日照數(shù)2 999.3h，10℃以上積溫為3 189℃。春季風(fēng)力大持續(xù)時間較長，年平均風(fēng)速4～6m／s。土壤類型大部分為栗鈣土，伴隨著少量的風(fēng)沙土，體現(xiàn)了森林土壤向草原土壤過渡的特點，pH值呈弱堿性到堿性，全剖面具有石灰反應(yīng)。該流域主要有天然草地、灌叢林、喬灌混交林、針闊混交林和闊葉純林等森林植被類型，主要以人工植被為主。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)提取 對不同土層土壤有機碳的分布及海拔對土壤有機碳含量、密度及其儲量的影響情況進(jìn)行研究。在ArcGIS軟件的空間分析工具支持下，根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)提取流域高程信息并劃分等級［17－18］。以體現(xiàn)研究區(qū)域地形特征、符合自然規(guī)律為原則，將高程以50m為一個單元等距劃分為：＜550m，550～600m，600～650m，650～700m，700～750m，＞750 m共6個等級，用以對比分析不同海拔高度下土壤有機碳分布狀況的。

1.2.2 土壤樣品采集 于2012年6月采集研究區(qū)土壤樣品，結(jié)合流域1︰5萬地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖，采用網(wǎng)格法［19］，兼顧代表性和均勻性沿海拔梯度均勻取樣，保證不同海拔等級下的樣地數(shù)基本相同，每個樣地內(nèi)采用S采樣法共確定4個采樣點。每個樣點挖掘深1m×1m×1.5m土壤剖面，按0—20 cm表層，20—60cm中層，60—100cm底層劃分3個層級分層取樣，每層取3個重復(fù)，并用環(huán)刀法取土測定土壤容重。共計148個土壤剖面，2 220個土壤樣品。將每個樣地的4個樣點采得土壤樣品均勻混合。采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機碳含量，105℃恒溫烘干法測定土壤含水率等數(shù)據(jù)。

采用手持GPS標(biāo)記各采樣點坐標(biāo)并導(dǎo)入Arc－GIS軟件，生成具有土壤有機碳信息的采樣樣點數(shù)據(jù)用以進(jìn)行克里格空間插值分析。

1.2.3 土壤有機碳密度、儲量的計算方法 土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的儲量。采用的計算方法為［20］：

式中：i——土壤不同層次；SOCi——土壤的碳密度（kg／m2）；di——研究土層平均厚度（cm）；pi——土壤 平 重 均 容 （g／cm3）；Oi——土 壤 有 機 碳 含 量（g／kg）；A——各類型所占面積（m2）；S——土壤有機碳儲量（kg）。

在不同土層深度下有機碳密度的計算中，均采取10cm土層厚度進(jìn)行計算，以便結(jié)果的對比分析。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 通過ArcGIS軟件下3D分析工具以TIN格式生成研究區(qū)高程圖并統(tǒng)計不同海拔高度下所對應(yīng)的海拔面積；基于地統(tǒng)計學(xué)原理，在Arc－GIS軟件Geostatistical Analyst工具下對采樣點進(jìn)行克里格插值，生成不同土層土壤有機碳含量、密度的空間分布圖。利用ArcGIS空間分析工具建立覆蓋整個研究區(qū)的30m×30m的grid網(wǎng)格，共計16 800個；通過區(qū)域統(tǒng)計分析，計算出每個grid網(wǎng)格的內(nèi)對應(yīng)的海拔高度、各層土壤有機碳含量、密度以及碳儲量格數(shù)據(jù)的均值，從而生成海拔與土壤有機碳空間數(shù)據(jù)庫，采用SAS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析得出海拔影響土壤有機碳的顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳含量和密度的水平分布特征

如附圖5所示，研究區(qū)表層土壤有機碳含量大體呈斑塊狀分布，其高值區(qū)（10～20g／kg）集中分布在流域西北部，低值區(qū)（1.1～5.4g／kg）集中分布在流域西南部；中層土壤碳含量呈條帶狀分布，其高值區(qū)（7.4～12g／kg）集中分布在流域西北部，低值區(qū)（1.1～4.7g／kg）集中分布在流域西南部；底層土壤碳含量呈斑塊狀零散分布，在流域中部和東北部出現(xiàn)極低值區(qū)（0.23～1.40g／kg），底層土壤碳含量的分布無明顯規(guī)律。

不同土層下土壤有機碳密度的分布情況與有機碳含量的分布情況基本相同（圖略），表層和中層土壤存在較為明顯的碳密度高值區(qū)和低值區(qū)，而底層土壤有機碳密度則呈現(xiàn)斑塊狀零散分布，無明顯分布規(guī)律。就其原因可能是土壤有機碳密度與土壤有機碳含量的相關(guān)性分析表明二者具有極顯著的相關(guān)性（p＜0.001）。因而二者在研究區(qū)的分布情況也呈現(xiàn)較為相似的分布規(guī)律，同時流域內(nèi)小地形的變化易導(dǎo)致小流域局部降雨不均勻分配、小范圍內(nèi)植被生長的地帶性差異等現(xiàn)象，并且研究區(qū)內(nèi)人為因素明顯，在研究區(qū)西北部分布大面積農(nóng)田，具有較好的水源灌溉條件；而這些因素都是促使土壤有機碳含量和密度的不均勻分布的重要原因，在一定范圍內(nèi)易形成明顯的高值區(qū)與低值區(qū)。而底層土壤有機碳的含量與密度均處在60—100cm深度土層，距離地表較遠(yuǎn)，受地上局部的地形、氣候、植被、人為因素等因子的變化并不敏感，以致其土壤有機碳含量與密度的水平分布規(guī)律性不強。進(jìn)而得出，研究區(qū)土壤有機碳密度及其含量的水平分布受自然因素和人為因素到綜合作用影響，但60cm以下土層土壤有機碳密度及其含量受其影響較弱。

2.2 土壤有機碳含量的垂直分布特征

如圖1所示，土壤有機碳含量隨土層深度的增加而明顯下降。表層土壤有機碳含量均值為6.49 g／kg，占0—100cm層土壤有機碳含量的40.72%；中層有機碳含量均值為5.25g／kg，占0—100cm土層土壤有機碳含量的32.91%；底層有機碳含量均值為4.20g／kg，占0—100cm 層土壤有機碳含量的26.37%。不同海拔高度下土壤有機碳含量均表現(xiàn)為：表層＞中層＞底層；土壤有機碳含量的這一特點并不隨海拔的變化而發(fā)生改變。方差分析表明，不同土層土壤有機碳含量差異極為顯著（p＜0.001）。這一結(jié)果與國內(nèi)其他相關(guān)研究基本一致［21］，這可能與表層土壤根系分布較廣，微生物活性較大，地上殘枝分解補給易于傳輸有關(guān)。隨土層深度增加，動植物殘體以及植物根系分布較少，且土壤與地上植被和空氣中碳交換減少，不利于土壤有機碳的積累，因此，底層土壤有機碳含量積累明顯小于中層和表層。

表層土壤有機碳含量隨海拔高度的上升基本呈現(xiàn)拋物線變化，其峰值為7.51g／kg出現(xiàn)在550～600m海拔高度處，此后隨海拔的升高，土壤有機碳含量呈現(xiàn)出逐級遞減的趨勢，并在＞750m處出現(xiàn)最小值，而中層和底層土壤有機碳受海拔的影響無明顯變化。究其原因，海拔直接影響土壤與植被的垂直地帶性分布，600m以下的低海拔地區(qū)受人類活動影響較大，由于地勢低平有利于大規(guī)模農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)，因此這一地區(qū)多種植高產(chǎn)經(jīng)濟作物如玉米，高粱等，加之具有人為灌溉條件，以致土壤有機質(zhì)得到大量積累，然而，海拔過低（＜550m）地區(qū)，地勢低洼不利于排水，部分地區(qū)出現(xiàn)鹽漬化，因此土壤有機碳含量的峰值并未出現(xiàn)在＜550m的最低海拔高度處，而是在排水條件較好，人為干擾較強的550～600m海拔高度處。此后隨海拔高度的增加，太陽輻射強度增強，影響土壤水分的固持，植被蒸發(fā)增強，不利于作物生長［22］。高海拔地區(qū)也不宜大型農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)，所以以天然次生林，荒草地為主要植被類型，土壤出現(xiàn)不同程度的沙化，固碳能力較低。

從土壤有機碳含量的垂直變異情況上看，表層土壤碳含量的變化范圍在7.51～5.50g／kg，極差為2.01g／kg；中層土壤的變化范圍在 5.99～4.33 g／kg，極差為1.66g／kg；底層土壤的變化范圍在3.53～4.62g／kg，極差為1.09g／kg。其變異系數(shù)表現(xiàn)為：表 層 （13.86%）＞ 中 層 （13.64%）＞ 底 層（9.95%）。由此可見，隨著土層深度的增加土壤有機碳含量的變異逐漸減小，其原因可能是表層土壤長期受到自然以及人為因素頻繁而均勻地干擾，不確定因素較多導(dǎo)致表層土壤碳含量具有較大變異；而深層土壤環(huán)境較表層土壤相對封閉，隨土層深度的加深，土壤對地上自然以及人為因素的影響反應(yīng)并不敏感，土壤有機碳含量基本趨于穩(wěn)定，并無大幅度變動。

圖1 海拔高度與不同土層土壤有機碳含量的關(guān)系

2.3 土壤有機碳密度垂直的分布特征

如圖2所示，隨土壤深度的增加土壤有機碳密度顯著下降（p＜0.001），其由高到低有機碳密度表現(xiàn)為：表層＞中層＞底層，且這一關(guān)系不隨海拔高度的變化而發(fā)生改變。表層土壤有機碳密度為0.96kg／m2，分別是中層和底層有機碳密度的1.31和1.81倍；中層密度為0.74kg／m2，前兩層（0—60cm）有機碳密度之和占土壤有機碳密度的76%，而底層土壤有機碳密度為0.53kg／m2，僅占總密度的24%。由此可見，在土壤有機碳密度的垂直分布上0—60cm土層的貢獻(xiàn)占主要地位。

表層和中層土壤有機碳密度大體都隨海拔的增高逐級遞減，其最高值分別出現(xiàn)在海拔高度＜550m處和550～600m處，最低值均出現(xiàn)在＞750m海拔高度處。方差分析表明，表層土壤有機碳密度和海拔呈現(xiàn)出極強的負(fù)相關(guān)性（r＝－0.43，p＜0.001）。

底層土壤有機碳密度隨海拔的增加大體呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，其峰值為0.59kg／m2出現(xiàn)在600～650m處，此后隨海拔增加有機碳密度逐級下降，并在＞750m海拔高度出現(xiàn)最小值，為0.46kg／m2。究其原因可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)無論表層、中層、底層土壤有機碳密度均在550～600m海拔高度后出現(xiàn)明顯的下降趨勢，并在＞750m的最高海拔處出現(xiàn)最小值。這一現(xiàn)象是由于當(dāng)海拔高度＞600m以后，受海拔影響植被和土壤的垂直地帶性分布明顯，植被由玉米等高產(chǎn)量農(nóng)田向天然次生林轉(zhuǎn)換，土壤由栗鈣土向風(fēng)沙土過渡，使得有機質(zhì)的積累明顯降低，直到＞750m的最高海拔處有部分地區(qū)已出現(xiàn)地表裸露、土地沙化等現(xiàn)象，從而在不同土層均表現(xiàn)為在600～650m海拔高度以后，隨海拔增加有機碳密度逐級下降的現(xiàn)象。而在海拔高度＜550m處的低海拔地區(qū)，受人類生產(chǎn)生活影響嚴(yán)重，影響土壤有機碳密度的可變因素較多，以致表層、中層以及底層土壤的有機碳密度并未表現(xiàn)為一致的升降規(guī)律。

圖2 海拔高度與不同土層土壤有機碳密度的關(guān)系

2.4 土壤有機碳儲量的分布特征

如表1所示，研究區(qū)面積為28.25km2，總碳儲量為2.04×105t。土壤有機碳儲量表現(xiàn)為：中層（8.56×104t）＞底層（6.41×104t）＞表層（5.47×104t），中層土壤碳儲量分別是底層和表層碳儲量的1.34和1.57倍，土壤碳儲量的這一分布現(xiàn)象主要受土層厚度的影響，表層土壤雖然有機碳密度較高，但其深度僅為20cm，對土壤有機碳的儲存能力有限；而中層土壤和底層土壤的剖面較深，對有機碳的儲量更大，因此20cm以下的深層土壤有機碳的儲量更加不容忽視，這一研究結(jié)果與郭建明、胡理樂等人［12］的研究結(jié)果相符。

表1 研究區(qū)不同海拔高度土壤有機碳儲量及其分配

研究區(qū)83.15%的地區(qū)海拔高度在550～700m范圍內(nèi)，這一海拔高度下與其相對應(yīng)的碳儲量為1.73×105t，占總儲量的84.64%，而海拔高度＞750m和＜550m的地區(qū)碳儲量之和僅為研究區(qū)總碳儲量的5.13%，這與不同海拔高度所占面積的大小有直接關(guān)系。相關(guān)分析表明，研究區(qū)不同海拔高度下所占的面積與其對應(yīng)的碳儲量表現(xiàn)為機顯著相關(guān)（p＜0.001）。其主要原因可能是研究區(qū)土壤有機碳密度的分布較為平均，各海拔高度下的碳密度無大幅度的變異，因此，由公式（2）可知，不同海拔高度土壤有機碳儲量的大小主要取決于各海拔高度下的土壤面積大小。

3 結(jié)論

研究區(qū)土壤有機碳含量和密度的水平分布具有較高的相似性，60cm以上土層的有機碳含量和密度的高值區(qū)均集中分布在流域西北部，低值區(qū)分布在流域西南不，而底層土壤有機碳含量與密度的水平分布較為破碎，規(guī)律并不明顯。這一分布規(guī)律是由于底層土壤環(huán)境較為封閉，對外界自然及人為因素反應(yīng)不敏感而產(chǎn)生。

研究區(qū)不同土層土壤有機碳含量與有機碳密度均隨土層深度的增加而明顯下降，由高到低均表現(xiàn)為：表層（0—20cm）＞中層（20—60cm）＞底層（60—100cm），土壤有機碳的這一垂直分布規(guī)律并不受海拔高度的影響而發(fā)生改變。60cm以上土層有機碳密度隨海拔的增加而明顯的下降，60—100cm層土壤有機碳密度受海拔影響較小。海拔高度對土壤有機碳含量及密度的影響主要體現(xiàn)在表層土壤中，隨土層深度增加海拔對土壤有機碳含量及密度的影響逐漸減弱。

研究區(qū)有機碳總儲量為2.04×105t，土壤有機碳儲量表現(xiàn)為：中層（8.56×105t）＞底層（6.41×104t）＞表層（5.47×104t）。以小流域為單元對土壤碳庫進(jìn)行分土層研究，更細(xì)化了研究內(nèi)容，提升了研究精度，為今后大尺度土壤碳庫的研究提供了科學(xué)參考和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

［1］ Post W M，Peng T H，Emanuel W R，et a1.The global carbon cycle［J］.American Scientist，1990，78（4）：310－326.

［2］ Bohn V L.Estimate of organic carbon in world soils：Ⅰ［J］.Soil Science Society of America Journal，1976，40（3）：468－470.

［3］ Bohn H L.Estimate of organic carbon in world soils：Ⅱ［J］.Soil Science Society of America Journal，1982，46（5）：1118－1119.

［4］ Post W M，Emanuel W R，Zinke P J，et al.Soil carbon pools and life zones［J］.Nature，1982，298（8）：156－159.

［5］ Batjes N H.Total carbon and nitrogen in the soils of the world［J］.European Journal of soil Science，1996，47（2）：151－163.

［6］ 陳泮勤.地球系統(tǒng)碳循環(huán)［M］.北京：科技出版社，2004.

［7］ 蘇永中，趙哈林.土壤有機碳儲量影響因素及其環(huán)境效應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.中國沙漠，2002，22（3）：220－28.

［8］ 杜有新，吳從建.廬山不同海拔森林土壤有機碳密度及分布特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22（7）：1675－1681.

［9］ 許信旺，潘根興，曹志紅，等.安徽省土壤有機碳空間差異及影響因素［J］.地理研究，2007，26（6）：1078－1086.

［10］ 唐國勇，黃道友，黃敏，等.紅壤丘陵景觀表層土壤有機碳空間變異特點及其影響因子［J］.土壤學(xué)報，2010，47（4）：754－759.

［11］ 柯嫻氡，張璐，蘇志堯.粵北亞熱帶山地森林土壤有機碳沿海拔梯度的變化［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2012，28（2）：151－156.

［12］ 郭建明，胡理樂，林偉，等.秦嶺太白紅杉林土壤有機碳密度研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2012，23（12）：1465－1469.

［13］ 傅華，陳亞明，王彥榮，等.阿拉善主要草地類型土壤有機碳特征及其影響因素［J］.生態(tài)學(xué)報，2004，24（3）：470－476.

［14］ 秦松，樊燕，劉洪斌，等.地形因子與土壤養(yǎng)分空間分布的相關(guān)性研究［J］.水土保持研究，2008，15（1）：47－52.

［15］ 葛翠萍，趙軍，王秀峰，等.東北黑土區(qū)坡耕地地形因子對土壤水分和容重的影響［J］.水土保持通報，2008，28（6）：17－19.

［16］ 何福紅，黃明斌，黨廷輝.黃土高原溝壑區(qū)小流域土壤水分空間分布特征［J］.水土保持通報，2002，22（4）：6－9.

［17］ 宋豐驥，常慶瑞，鐘德燕.黃土高原溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異及其與地形因子的相關(guān)性［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（12）：167－180.

［18］ 楊尚斌.黃土丘陵區(qū)延河流域退耕還林草土壤固碳潛力評估［D］.陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

［19］ 張俊華，李國棟.黑河中游不同土地利用類型下土壤碳儲量及其空間變化［J］.地理科學(xué)，2011，31（8）：983－988.

［20］ 孫文義，郭勝利.黃土丘陵溝壑區(qū)小流域土壤有機碳空間分布及其影響因素［J］.生態(tài)學(xué)報2011，31（6）：1604－1616.

［21］ 方運霆，莫江明.鼎湖山自然保護區(qū)土壤有機碳貯量和分配特征［J］.生態(tài)學(xué)報，2011，24（1）：136－142.

［22］ 劉留輝.基于GIS技術(shù)的區(qū)域耕地耕層土壤碳儲量及其價值時空變化研究［D］.福建 福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2009.