北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳垂直分布特征

胡瑩潔,孔祥斌,*,姚靜韜

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193 2 國(guó)土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193

土壤有機(jī)碳不僅在土壤質(zhì)量演變過(guò)程中具有重要作用[1],而且構(gòu)成了陸地生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)[2- 3],其含量和變化已成為全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、氣候變化及碳循環(huán)研究的焦點(diǎn)與熱點(diǎn)。土壤中有機(jī)碳的分布在橫向和縱向上都是連續(xù)的,是一個(gè)空間連續(xù)體[4],研究土壤有機(jī)碳分布特征是精確測(cè)算土壤有機(jī)碳含量的前提和基礎(chǔ)。對(duì)于土壤有機(jī)碳在水平方向的分布特征,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究[5- 12]所用土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)采樣深度多集中于表層20 cm(10—40 cm),該采樣深度在一定程度上影響了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測(cè)算精度[13]。研究表明,掌握土壤有機(jī)碳在垂直方向的分布規(guī)律是準(zhǔn)確測(cè)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量,研究其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)響應(yīng)的關(guān)鍵[14]。國(guó)內(nèi)土壤有機(jī)碳垂直分布研究所用數(shù)據(jù)主要有兩大來(lái)源：一是1979—1985年開(kāi)展的全國(guó)第二次土壤普查[14- 17]和1999 年開(kāi)始實(shí)施的全國(guó)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查[18]；二是通過(guò)野外調(diào)查實(shí)地挖取土壤剖面獲取。前者數(shù)據(jù)空間尺度大,但數(shù)據(jù)年份相對(duì)陳舊；后者研究目前多集中于部分關(guān)鍵生態(tài)區(qū)[19- 22],如楊帆等[21]在祁連山中段陰坡和陽(yáng)坡各挖取5個(gè)深度為120 cm的土壤剖面,研究不同地形條件下土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的垂直分布特征；丁咸慶等[22]在大圍山采集4個(gè)深度為100 cm的土壤剖面土樣,分析不同海拔森林土壤有機(jī)碳垂直分布特征。針對(duì)城市平原區(qū)的土壤有機(jī)碳垂直分布特征的研究較少[23- 24]。

北京市平原區(qū)面積雖然僅占全市土地面積38%,但是該區(qū)域既是耕地尤其是高質(zhì)量耕地集中區(qū)域,同時(shí)又是城市發(fā)展的主要地區(qū),土地利用矛盾突出。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化推進(jìn),北京市平原區(qū)土地利用變化劇烈[25- 26],對(duì)土壤有機(jī)碳含量變化有重要影響[27- 28]。研究該地區(qū)土壤有機(jī)碳在垂直方向的變化特點(diǎn),揭示不同土壤質(zhì)地、不同土體構(gòu)型、不同土地利用類型下土壤有機(jī)碳的垂直分布特征差異,既能夠豐富城市地區(qū)土壤有機(jī)碳研究,也可以為準(zhǔn)確測(cè)算北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳含量提供科學(xué)依據(jù),具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市平原區(qū)位于北京市東南部,屬暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,春秋短暫,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥。該地區(qū)土層較深,土壤肥沃,土壤類型以潮土、褐土為主,熱量條件滿足一年兩熟制,典型種植制度為冬小麥-夏玉米。北京市平原區(qū)既是城市集中發(fā)展區(qū)域,也是都市農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要區(qū)域,地上植被及土地利用類型變化劇烈[25- 26]。

1.2 土樣采集與測(cè)定方法

從成土母質(zhì)、地形地貌、土地利用等成土因素對(duì)土壤有機(jī)碳的影響特征出發(fā),以第二次全國(guó)土壤普查的土壤類型圖為基礎(chǔ)圖件,結(jié)合北京市植被類型圖、北京市土地利用類型圖(2010年)、北京市地形圖等圖件以及2010年9月所開(kāi)展的野外調(diào)查實(shí)際情況,最終確定布設(shè)40個(gè)典型土壤剖面,利用GPS獲取樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)(圖1),按照《野外土壤描述與采樣手冊(cè)》[29]要求,詳細(xì)記錄各樣點(diǎn)的剖面形態(tài)、土壤性狀以及海拔、地形地貌、植被類型與土地利用類型等環(huán)境條件,按土壤發(fā)生學(xué)分層次共計(jì)采集169個(gè)土壤樣品。采用吸管法進(jìn)行土壤顆粒分析,利用重鉻酸鉀氧化-外熱源法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

圖1 北京市高程及剖面樣點(diǎn)分布圖 Fig.1 Digital elevation model (DEM) and profile sampling sites of Beijing

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于是按土壤發(fā)生層次進(jìn)行土壤剖面層次劃分及土壤取樣,故各樣點(diǎn)土壤剖面深度不一,且剖面劃分層次數(shù)目及每層的深度都不盡相同,為便于比較,需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,即將各剖面層次不同厚度有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)歸一化至可比較的相同深度上[30]。本研究統(tǒng)一將剖面深度1 m以內(nèi)的部分等間距地劃分為5層,每層深度為20 cm,對(duì)剖面深度超過(guò)1 m的部分不做分層。鑒于實(shí)際采樣剖面程度最深不超過(guò)150 cm,故本研究將土壤剖面劃分為0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm和100—150 cm共計(jì)6層,對(duì)原有的土壤剖面層次的土壤有機(jī)碳含量按照深度進(jìn)行加權(quán)處理。

(1)

式中:a(0≤a≤80)、b(20≤b≤100)分別為加權(quán)后各層次的深度(cm)；Ca-b為加權(quán)后土壤深度在a—bcm范圍內(nèi)的土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；Ci為加權(quán)前剖面第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg),Hi為i層在等間距20 cm,即a—bcm范圍內(nèi)的深度。該處理可將不同厚度土層的有機(jī)碳數(shù)據(jù)都?xì)w一化為5層等間距為20 cm 的土壤有機(jī)碳含量。

類似地,對(duì)于100—150 cm的最深層,加權(quán)處理公式如下：

(2)

式中:C100-150為加權(quán)后土壤深度在100—150 cm范圍內(nèi)的土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；Cj為加權(quán)前剖面第j層土壤有機(jī)碳含量(g/kg),Hj為j層在100—150 cm范圍內(nèi)的深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳總體分布特征

將各發(fā)生層土壤有機(jī)碳含量按土層厚度進(jìn)行加權(quán)平均,得到各剖面樣點(diǎn)的平均土壤有機(jī)碳含量,利用SPSS 18.0軟件對(duì)其進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。結(jié)果表明,北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳含量服從正態(tài)分布(K—S檢驗(yàn)),平均含量為(5.98±2.62)g/kg,在全國(guó)屬中等平偏下水平[15]。最大值為16.95 g/kg,最小值為1.32 g/kg,極差較大。變異系數(shù)為43.82%,表明北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳研究樣本總體上呈中等程度變異。

由圖2可知,隨著深度增加,各層次的土壤平均有機(jī)碳含量逐步降低,且在淺層(≤60 cm)下降速度顯著快于深層(>60 cm)。0—20、20—40 cm和40—60 cm土壤平均有機(jī)碳含量依次為8.49、6.47 g/kg和4.78 g/kg；0—20 cm到20—40 cm間和20—40 cm到40—60 cm間土壤有機(jī)碳含量下降幅度分別為23.81%和26.02%。60 cm后各層次間變化幅度趨緩,60—80、80—100 cm和100—150 cm土壤平均有機(jī)碳含量依次為4.94、4.61 g/kg和3.87 g/kg。

不同剖面深度的土壤有機(jī)碳含量差異大小亦存在一定差別。0—20 cm和20—40 cm土壤有機(jī)碳含量差異較大,范圍依次為1.78—16.95 g/kg和0.99—16.95 g/kg。隨著剖面深度增加,各層次有機(jī)碳含量差異整體呈逐漸縮小趨勢(shì),60—80 cm和80—100 cm有機(jī)碳含量的差異相對(duì)變大,可能是由于個(gè)別土壤剖面在淀積層的60—100 cm深度中存在埋藏層。

圖2 剖面內(nèi)不同深度層次土壤有機(jī)碳含量變化Fig.2 SOC of different layers in profile

土壤有機(jī)碳含量與剖面深度的關(guān)系(圖3)顯示,隨著剖面深度的增加,土壤有機(jī)碳含量整體呈遞減趨勢(shì),此外,土壤有機(jī)碳在剖面中的縱向分布也出現(xiàn)不規(guī)則的變化,不同質(zhì)地層次的土壤有機(jī)碳含量在橫向上延伸[30]。利用40個(gè)土壤剖面共計(jì)169個(gè)土壤樣品的有機(jī)碳測(cè)定數(shù)據(jù)擬合土壤有機(jī)碳的縱向變化情況,在已有散點(diǎn)圖基礎(chǔ)上,利用相關(guān)分析確定土壤有機(jī)碳含量與剖面深度在1%置信水平下存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.541,然后利用線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次多項(xiàng)式等多個(gè)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行回歸擬合,比較選擇擬合結(jié)果最佳的回歸模型,擬合曲線方程如下(式3)：

y=-7.2200×10-6×x3+0.0023x2-0.2362x+12.8417

(3)

以上回歸模型擬合優(yōu)度(R2)為0.380,且通過(guò)t檢驗(yàn),表明以上回歸系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)意義,擬合數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬效果較好(圖3)。

圖3 土壤有機(jī)碳含量隨剖面深度變化的擬合曲線Fig.3 Simulated curve of SOC in profile

2.2 不同土壤質(zhì)地的有機(jī)碳含量差異

作為土壤最基本的物理性質(zhì)之一,土壤質(zhì)地對(duì)包括通透性、養(yǎng)分含量在內(nèi)的各種土壤性狀均有重要影響。本研究依據(jù)土壤黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.5 mm)及砂粒(0.05—2 mm)的含量比例,比照美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類三角坐標(biāo)圖進(jìn)行土壤質(zhì)地劃分,研究各發(fā)生層次不同土壤質(zhì)地的有機(jī)碳含量差異。40個(gè)土壤剖面各發(fā)生層的土壤質(zhì)地主要有以下6類：黏壤土、粉(砂)質(zhì)黏壤土、粉(砂)壤土、壤土、砂質(zhì)壤土和壤質(zhì)砂土。其中,粉(砂)質(zhì)黏壤土質(zhì)地在第3層開(kāi)始出現(xiàn)。

各發(fā)生層次不同土壤質(zhì)地的有機(jī)碳含量存在一定差異(圖4)。表層土壤中,黏壤土和壤質(zhì)砂土僅有1個(gè)樣本,土壤有機(jī)碳含量分別為6.38 g/kg和1.95 g/kg,SPSS單因素方差分析結(jié)果表明,表層土壤有機(jī)碳含量在不同質(zhì)地間差異顯著(P<0.05),具體大小關(guān)系為：砂質(zhì)壤土<壤土<粉(砂)壤土。表層土壤質(zhì)地為粉(砂)壤土的土壤平均有機(jī)碳含量最高,為11.32 g/kg,壤土次之,為8.06 g/kg,砂質(zhì)壤土略低于壤土,為7.67 g/kg。亞表層土壤中壤質(zhì)砂土僅有1個(gè)樣本,其余4種土壤質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)含量大小關(guān)系為：砂質(zhì)壤土<黏壤土<壤土<粉(砂)壤土,土壤平均有機(jī)質(zhì)含量依次分別為4.21、4.62、6.07 g/kg和6.70 g/kg。第3層土壤中,各土壤質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)含量大小關(guān)系為：壤質(zhì)砂土<砂質(zhì)壤土<壤土<黏壤土<粉(砂)壤土<粉(砂)質(zhì)黏壤土。第4層土壤中,各土壤質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)含量大小關(guān)系為：壤質(zhì)砂土<黏壤土<砂質(zhì)壤土<壤土<粉(砂)壤土<粉(砂)質(zhì)黏壤土。整體上,各發(fā)生層次不同土壤質(zhì)地的有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為粉粒及黏粒含量比例越高,即質(zhì)地越黏重,土壤有機(jī)碳含量越高的趨勢(shì)。

圖4 各剖面層次不同土壤質(zhì)地的有機(jī)碳含量差異Fig.4 SOC with different soil texture in different profile layers 同剖面層次中不同土壤質(zhì)地間不同字母表示差異顯著(P<0.05),誤差線為標(biāo)準(zhǔn)偏差

在此基礎(chǔ)上,利用相關(guān)分析探究各發(fā)生層次土壤有機(jī)碳含量與土壤黏粒、粉粒及砂粒含量之間的關(guān)系(表1)。結(jié)果顯示,表層和亞表層土壤有機(jī)碳含量與砂粒含量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與粉粒含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,與黏粒含量關(guān)系不顯著；而在相對(duì)較深的第3層和第4層,土壤有機(jī)碳含量與砂粒含量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與粉粒和黏粒含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。一般在氣候條件相當(dāng)情況下,土壤有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量呈正相關(guān)[24,31]。本研究中表層和亞表層土壤有機(jī)碳含量與黏粒相關(guān)關(guān)系不顯著可能是由于各剖面表層和亞表層土壤質(zhì)地相近且多為壤土,黏粒含量相差不大,顆粒組成差異主要在于砂粒與粉粒含量不同。

2.3 不同土體構(gòu)型的有機(jī)碳垂直分布特征

土體構(gòu)型是整個(gè)土體的各個(gè)層次的排列組合關(guān)系,不僅影響土壤的形態(tài)特征及其發(fā)育程度,同時(shí)也與土壤肥力關(guān)系密切[32- 34]。為研究不同土體構(gòu)型的土壤有機(jī)碳分布特征差異,先將發(fā)生層次小于2層(含2層)以及土層厚度小于100 cm的剖面樣本剔除,其余37個(gè)剖面按發(fā)生層次質(zhì)地進(jìn)行分類,共分為通體黏(通體黏壤土、通體黏土)、通體壤、通體砂(通體砂土、通體壤質(zhì)砂土)、夾黏(壤/黏/壤、壤/黏壤/壤、壤/黏/黏壤/壤)、上壤下黏 (壤/黏壤、壤/黏)5類。通體黏僅有1個(gè)剖面樣本,有機(jī)碳含量為4.51 g/kg,因樣本量過(guò)少代表性不強(qiáng)故未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。其余4類土體構(gòu)型的平均土壤有機(jī)碳含量存在一定差異(表2),平均土壤有機(jī)碳含量由小到大的土體構(gòu)型依次為通體砂<通體壤<上壤下黏<夾黏,通體砂型土壤平均有機(jī)碳含量顯著低于其他土體構(gòu)型,僅為1.41 g/kg；夾黏型、上壤下黏型和通體壤型有機(jī)碳含量較高,依次為6.08、5.87 g/kg和5.77 g/kg,三者之間差異較小。從變異系數(shù)的角度上看,通體砂型變異系數(shù)為8.55%,為弱變異,其余3類土體構(gòu)型土壤有機(jī)碳含量變異系數(shù)介于24.27%—34.48%之間,均屬中等程度變異。

表1 各層次土壤有機(jī)碳含量與顆粒組成的相關(guān)關(guān)系

*表示5%置信水平下顯著相關(guān),**表示1%置信水平下顯著相關(guān)

表2 不同土體構(gòu)型土壤有機(jī)碳含量差異

垂直分布上,各土壤構(gòu)型的土壤有機(jī)碳含量從表層到底層總體均呈下降趨勢(shì),但不同土壤構(gòu)型間存在一定差異(圖5)。通體砂型土壤各個(gè)剖面深度的土壤有機(jī)碳含量均顯著低于其他土體構(gòu)型,且在垂直變化上相對(duì)平緩,從0—20 cm 的1.86 g/kg逐步下降至100—150 cm的1.32 g/kg。上壤下黏型土壤有機(jī)碳含量變化則呈現(xiàn)“降-略升-降”的趨勢(shì),從0—20 cm 的8.70 g/kg降至40—60 cm的4.94 g/kg,而后略有增加,60—80、80—100 cm土壤有機(jī)碳含量分別為5.16、5.25 g/kg,隨后繼續(xù)降低。通體壤及夾黏型土壤的有機(jī)碳含量垂直變化均呈先快速下降后緩慢下降的特征,其中,通體壤型土壤在0—20 cm至40—60 cm 間下降迅速,之后緩慢下降,而夾黏型土壤在0—20 cm至20—40 cm間下降迅速,之后下降速度顯著減小。上述結(jié)果表明,質(zhì)地過(guò)輕的土壤,如通體砂型中的砂土及壤質(zhì)砂土,在孔隙多通透性好的同時(shí)有機(jī)碳分解快,故而有機(jī)碳含量低。質(zhì)地黏重的土壤,如上壤下黏型土壤的下層黏重土壤以及夾黏型土壤的夾層黏重土壤,有利于有機(jī)碳積累,有機(jī)碳含量相對(duì)較高,故上壤下黏型土壤有機(jī)碳含量在垂直方向呈現(xiàn)“降-略升-降”的趨勢(shì),而夾黏型土壤則呈先快速下降后緩慢下降的變化趨勢(shì)。但是過(guò)于黏重的土壤(如通體黏)通透性相對(duì)較差,不利于植物根系生長(zhǎng)及微生物活動(dòng),一定程度上限制了有機(jī)碳的來(lái)源,因而有機(jī)碳含量不高[23,34]。

利用相關(guān)分析探究不同土體構(gòu)型土壤的有機(jī)碳含量與剖面深度的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果顯示,通體砂型土壤的有機(jī)碳含量與剖面深度相關(guān)關(guān)系并不顯著,這可能與通體砂型土壤在整個(gè)剖面上質(zhì)地較粗,保水保肥性相對(duì)較差有關(guān)。通體壤、夾黏及上壤下黏型土壤的有機(jī)碳含量與剖面深度均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)系數(shù)存在一定差異(表3)。

表3 不同土體剖面構(gòu)型土壤有機(jī)碳含量與剖面深度的相關(guān)關(guān)系

在相關(guān)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次多項(xiàng)式等多項(xiàng)函數(shù)分別對(duì)通體壤、夾黏及上壤下黏型土壤的有機(jī)碳含量與剖面深度進(jìn)行回歸擬合,比較選擇擬合優(yōu)度及顯著性最佳的回歸模型(圖6),3個(gè)擬合回歸結(jié)果均通過(guò)t檢驗(yàn),表明所得回歸系數(shù)均具有統(tǒng)計(jì)意義,擬合方程對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬效果較好。

圖6 不同土體剖面構(gòu)型土壤有機(jī)碳含量隨剖面深度變化的擬合曲線Fig.6 Simulated curve of SOC in profile of different soil configurations

2.4 不同土地利用類型的有機(jī)碳垂直分布特征

圖7 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量隨剖面深度變化 Fig.7 SOC with increasing profile depth in different land use types 同一利用類型下不同土層深度間不同字母表示差異顯著(P<0.05),誤差線為標(biāo)準(zhǔn)偏差

土地利用類型也是影響土壤有機(jī)碳含量的一項(xiàng)重要因素,尤其是當(dāng)自然環(huán)境條件相當(dāng)時(shí),不同的土地利用類型將改變土壤水、熱、光、氣和養(yǎng)分間的相互關(guān)系,進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量及其在垂直方向的分布。依據(jù)土地利用類型的不同,將各剖面樣點(diǎn)劃分為耕地、園地、荒草地三類,其中,荒草地包括植被類型為草本植物和灌木的荒草地及未利用地。統(tǒng)計(jì)海拔低于100 m的不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量差異,結(jié)果表明,3種利用類型中,耕地土壤有機(jī)碳含量為6.05 g/kg,高于園地(5.09 g/kg)和荒草地(4.59 g/kg)；耕地、園地和荒草地的變異系數(shù)相近,依次為30.69%、46.32%和46.08%,均屬于中等變異。耕地上人類進(jìn)行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中,耕作施肥、灌溉排水、平整土地、改造地形等農(nóng)田管理行為,均是旨在提高土壤肥力的措施,對(duì)土壤有機(jī)碳含量具有一定的提升作用,因而耕地的平均土壤有機(jī)碳含量整體上高于其他土地利用類型,且變異性相對(duì)較小。園地和荒草地土壤有機(jī)碳變異系數(shù)相對(duì)較高,可能與地上植被種類差異較大有關(guān)。

分析不同土地利用類型土壤有機(jī)碳垂直分布特征(圖7),可知從淺到深各剖面層次中耕地平均土壤有機(jī)碳含量均居于該三種土地利用類型之首。受人類活動(dòng)直接影響相對(duì)較少的荒草地在垂直方向上的變化相對(duì)平緩,隨剖面深度增加,有機(jī)碳含量從0—20 cm的6.34 g/kg逐步下降至100—150 cm的3.51 g/kg。受人類活動(dòng)直接影響相對(duì)較多的耕地和園地的土壤有機(jī)碳含量則隨剖面深度增加呈先快速下降后緩慢下降的特征,有機(jī)碳含量分別從0—20 cm的9.00 g/kg和7.08 g/kg快速下降至40—60 cm的5.23 g/kg 和3.05 g/kg,降幅分別為41.89%和54.61%,剖面深度超過(guò)60 cm之后,下降速度顯著放緩。

利用相關(guān)分析探究不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量與剖面深度的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果顯示,園地土壤有機(jī)碳含量與剖面深度無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,耕地及荒草地的土壤有機(jī)碳含量與剖面深度均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-5.73和-0.602(表4)。

在相關(guān)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次多項(xiàng)式等多項(xiàng)函數(shù)分別對(duì)耕地和荒草地土壤有機(jī)碳含量與剖面深度進(jìn)行回歸擬合,比較選擇擬合優(yōu)度及顯著性最優(yōu)的回歸模型(圖8),各擬合回歸結(jié)果均通過(guò)t檢驗(yàn),表明回歸系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)意義,擬合數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬效果良好。

表4 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量與剖面深度的相關(guān)關(guān)系

圖8 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳含量隨剖面深度變化的擬合曲線Fig.8 Simulated curve of SOC in profile of different land use types

3 討論

3.1 北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳含量與山區(qū)的比較

本研究利用2010年野外實(shí)地挖取的40個(gè)剖面樣點(diǎn)數(shù)據(jù),對(duì)北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳含量及垂直分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明,北京市平原區(qū)有機(jī)碳平均含量為(5.98±2.62)g/kg,最大值為16.95 g/kg,最小值為1.32 g/kg,變異系數(shù)為43.82%。同時(shí)期王秀麗等人[23]對(duì)北京市山區(qū)土壤有機(jī)碳分布的研究顯示,北京山區(qū)有機(jī)碳平均含量為(12.61±9.58)g/kg,最大值為46.17 g/kg,最小值為2.33 g/kg,變異系數(shù)為76.02%。將本研究結(jié)果與上述結(jié)果進(jìn)行比較,可知北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳平均含量約為山區(qū)的一半,極差和變異性均顯著低于山區(qū)。該差異符合本研究及王秀麗等人[23]研究中土壤有機(jī)碳含量隨海拔增加而增加的趨勢(shì)。

從垂直分布特征角度上看,本研究表明北京市平原區(qū)各層次的土壤平均有機(jī)碳含量隨剖面深度增加而逐步降低,且在淺層(<60 cm)下降速度顯著快于深層(>60 cm),0—20 cm到20—40 cm間和20—40 cm到40—60 cm間土壤有機(jī)碳含量下降幅度分別為23.81%和26.02%,60 cm后各層次間變化幅度趨緩。王秀麗等人[23]的研究將所有剖面依據(jù)發(fā)生層次劃分為4個(gè)層次,結(jié)果表明,隨著剖面深度增加,北京市山區(qū)各發(fā)生層次的土壤平均有機(jī)碳含量逐步降低,表層到第二發(fā)生層次迅速降低,下降幅度達(dá)44.48%；第二發(fā)生層次以下的下降幅度趨緩。綜上所述,北京市平原區(qū)與山區(qū)土壤有機(jī)碳含量在垂直方向的變化趨勢(shì)基本一致。

3.2 土壤有機(jī)碳垂直分布與碳儲(chǔ)量的測(cè)算

本文分析北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳垂直分布特征規(guī)律,研究結(jié)果可以為精確測(cè)算研究區(qū)土壤碳儲(chǔ)量提供一定的科學(xué)參考?，F(xiàn)有土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究多集中于表層土壤,亦有部分學(xué)者嘗試使用剖面數(shù)據(jù)對(duì)深度超過(guò)1 m的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)算[18,30,35]。徐艷等[30]運(yùn)用縱向擬合方法和橫向插值方法對(duì)河北省曲周縣四疃鄉(xiāng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)算,將所獲取的30個(gè)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向擬合,獲得對(duì)數(shù)函數(shù)曲線方程擬合效果最佳。奚小環(huán)等[18]在對(duì)全國(guó)土壤碳儲(chǔ)量方法研究中,發(fā)現(xiàn)直線模型計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的誤差遠(yuǎn)大于指數(shù)模型。該研究基于各省及全國(guó)土壤有機(jī)碳含量的垂直分布特征分析,發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量一般從表層至深層遞減,表層遞減速率較快, 深層逐漸減慢,符合指數(shù)模型的空間變化規(guī)律,故而運(yùn)用指數(shù)模型對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)進(jìn)行測(cè)算。本研究中將所獲取的40個(gè)剖面所有數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向擬合,模擬效果較好的是三次多項(xiàng)式函數(shù)模型；將各剖面數(shù)據(jù)按照不同土體構(gòu)型、不同土地利用類型分別進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量與土壤深度關(guān)系擬合,所得最佳擬合方程類型及擬合優(yōu)度存在一定差異。在數(shù)據(jù)允許的情況下,未來(lái)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量核算研究可將模型擬合法與土壤類型法、植被類型法[36- 37]等方法相結(jié)合,即基于不同土壤類型或植被類型研究土壤有機(jī)碳含量垂直分布規(guī)律,分別進(jìn)行土壤有機(jī)碳含量與土壤深度關(guān)系擬合,繼而進(jìn)行區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測(cè)算。

3.3 不足與展望

土壤有機(jī)碳含量由碳輸入與碳輸出兩方面決定,碳輸入主要源于自然植被及人類土地利用活動(dòng)(施肥等),碳輸出主要指土壤碳的分解[38]。氣候條件(氣溫、降水)等是決定土壤有機(jī)碳的重要先決條件[31,38],一方面直接影響植被生物量進(jìn)而影響土壤碳輸入大小,另一方面直接影響土壤微生物活動(dòng)進(jìn)而影響土壤碳分解強(qiáng)弱。考慮北京市平原區(qū)內(nèi)氣候條件相對(duì)一致,故本研究中未考慮上述因素對(duì)土壤有機(jī)碳含量及垂直分布的影響。如何定量刻畫(huà)不同氣候條件下土壤有機(jī)碳含量及垂直分布特征差異及其形成機(jī)理,還需進(jìn)一步在更大的空間尺度上進(jìn)行深入研究。

除自然因素外,人類活動(dòng)也是影響土壤有機(jī)碳的重要因素。北京市平原區(qū)是城市發(fā)展與耕地保護(hù)矛盾最為激烈的地區(qū),土地利用類型變化劇烈,如何定量刻畫(huà)該背景下北京市不同剖面深度土壤有機(jī)碳的時(shí)空演變規(guī)律是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳垂直分布特征的分析,得出北京平原區(qū)土壤有機(jī)碳平均含量為(5.98±2.62)g/kg,屬于中下水平,變異系數(shù)為43.82%,中等程度變異。垂直方向上,各層次土壤平均有機(jī)碳含量隨深度增加逐步降低,且在淺層(≤60 cm)下降速度顯著快于深層(>60 cm),0—20 cm土壤有機(jī)碳含量差異較大,20 cm以下層次的有機(jī)碳含量差異隨著深度增加而逐漸縮小。在不同影響因素下,北京市平原區(qū)土壤有機(jī)碳垂直分布具有以下特征：1)各發(fā)生層次有機(jī)碳含量整體上均表現(xiàn)出質(zhì)地越黏重,土壤有機(jī)碳含量越高的變化趨勢(shì)；2)不同土體構(gòu)型的平均土壤有機(jī)碳含量大小關(guān)系為通體砂<通體壤<上壤下黏<夾黏,通體砂型土壤有機(jī)碳含量顯著低于其他土體構(gòu)型,且在垂直方向上變化相對(duì)平緩,上壤下黏型土壤有機(jī)碳含量則呈現(xiàn)“降-升-降”的趨勢(shì),通體壤及夾黏型土壤的有機(jī)碳含量垂直變化均呈先快速下降后緩慢下降的特征；3)耕地和園地土壤平均有機(jī)碳含量高于荒草地,耕地在各個(gè)剖面層次中土壤有機(jī)碳含量均居于3種土地利用類型之首。垂直方向上,受人類活動(dòng)直接影響相對(duì)較少的荒草地變化相對(duì)平緩,耕地和園地的土壤有機(jī)碳含量在淺層下降明顯,剖面深度超過(guò)60 cm之后,下降速度顯著放緩。