土壤有機(jī)碳及空間分布研究進(jìn)展

周薇 吳洪娥 龍世林

摘 ? 要：土壤有機(jī)碳是判斷土壤肥力的重要指標(biāo)之一，也是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素。從植被、地形、pH值、土地利用方式等方面綜述了土壤有機(jī)碳及其空間分布的研究進(jìn)展，以期為土地可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)碳;巖溶地區(qū);空間分布;影響因素

陸地自然生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是最為重要的一環(huán)，其連接了水圈、巖石圈、生物圈以及大氣圈（Eswaran H，1992）。土壤碳大致可分為土壤有機(jī)碳（SOC）和土壤無機(jī)碳（SIC），目前對(duì)SOC的研究是國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤碳研究的重點(diǎn)（Wu et al.2009）。影響有機(jī)碳含量與分布因子的因素很多，主要為氣候、植被、母質(zhì)及土地利用等自然因素和人為因素2個(gè)方面。此外，土壤中有機(jī)碳的含量和分布還受到以上不同因子間相互作用的影響。

1 ? 植被對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

對(duì)植被如何影響土壤有機(jī)碳的含量，學(xué)者得到的研究成果有差異。Turber J（2000）研究認(rèn)為森林經(jīng)采伐之后，有機(jī)碳含量沒有發(fā)生明顯改變，但采伐后再對(duì)同一土地進(jìn)行農(nóng)業(yè)墾殖或放牧活動(dòng)，土壤有機(jī)碳的含量會(huì)發(fā)生不同程度的變化;而Houghton R A（1991）則認(rèn)為，在熱帶和溫帶地區(qū)，森林經(jīng)砍伐后土壤中有機(jī)碳的含量將降低36%～50%。我國(guó)學(xué)者對(duì)植被變化與土壤有機(jī)碳之間關(guān)系的研究主要是以實(shí)地采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的定量研究，劉夢(mèng)云等（2010）對(duì)黃土臺(tái)塬喬、灌、草、農(nóng)田等不同植被類型，純林和混交林不同的栽培模式下，對(duì)土壤有機(jī)碳的含量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，灌木林地和天然草地在整個(gè)土壤剖面上積累更多的SOC;林培松（2011）對(duì)粵東北山區(qū)天然常綠闊葉林地、茶園、柚子園、人工桉樹林地、旱地的紅壤的團(tuán)聚體和有機(jī)碳的分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，闊葉林地中不同粒級(jí)紅壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，之后依次為果園、旱地和桉樹林地;譚文峰（2006）研究了江漢平原果園、旱地、水田等利用方式下土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布和積累特性，發(fā)現(xiàn)不同粒徑的團(tuán)聚體中，土壤活性有機(jī)碳含量為水田高于果園和旱地。

2 ? 地形對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

地形的差異導(dǎo)致植被狀況產(chǎn)生差異，使其地表所積累有機(jī)碳含量各有不同，是地形影響土壤有機(jī)碳含量的重要原因。岳曼（2008）對(duì)延安地區(qū)進(jìn)行了有機(jī)碳碳儲(chǔ)量的估算，結(jié)果表明：陜西南部地區(qū)的平原區(qū)和丘陵區(qū)中，土壤有機(jī)碳含量存在差異，具體表現(xiàn)為亞高山區(qū)平瑣區(qū)>丘陵區(qū);何燕等（2009）對(duì)川西茶區(qū)典型低山丘陵茶園上、中、下坡位的土壤有機(jī)碳差異進(jìn)行研究，結(jié)果表明：中坡位上，土壤有機(jī)碳最小值出現(xiàn)在茶園土壤中，同一坡面上的有機(jī)碳含量表現(xiàn)為中坡位<上坡位<下坡位，其原因是該研宄區(qū)是東偏南向坡面的25°陡坡，土壤中沙粒比重較大，氣候潮濕，但土壤保水保肥性能差，水肥容易流失，導(dǎo)致了坡面流失的土壤、水肥等集中在下坡位，使下坡位的有機(jī)物質(zhì)量增大，有機(jī)體大量積累，故研究區(qū)中下坡位總有機(jī)碳的含量顯著高于其他坡位;姜航（2015）對(duì)帽兒山次生林區(qū)地形對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響進(jìn)行研究，按坡位和坡向的差異設(shè)置了20塊樣地，回歸分析發(fā)現(xiàn)：坡位是土壤有機(jī)碳含量差異的主控因子，在該研究區(qū)的范圍內(nèi)上、下坡對(duì)土壤有機(jī)碳的含量并無顯著的影響。

3 ? 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

土壤的物理性質(zhì)如容重、質(zhì)地、含水量等幾個(gè)方面對(duì)有機(jī)碳的存在和發(fā)生作用也有重要的影響。陳偉等（2013）對(duì)云南熱區(qū)4種林分土壤有機(jī)碳比較研究得出，土壤有機(jī)碳的含量與土壤的容重呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤中有機(jī)碳含量越小，土壤的容重反而越大[1]。王鳳等（2015）在黑河上游冰溝流域進(jìn)行試驗(yàn)，也得出了相同的結(jié)論[2];劉偉等（2012）以黃土高原區(qū)的4種主要的植被類型為研究對(duì)象，結(jié)果顯示，表層土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)土層深度>1 m時(shí)，土壤SOC含量與土壤含水量之間不存在明顯的相關(guān)性。

在對(duì)土壤有機(jī)碳含量與化學(xué)因素之間關(guān)系的研究中，倪吾鐘（2000）發(fā)現(xiàn)，菜園土壤中的全鋅、有效鋅含量與有機(jī)碳含量具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，銅的有效性與有機(jī)碳的含量也呈顯著正相關(guān)關(guān)系;李永濤（2006）對(duì)水稻土壤中的重金屬與有機(jī)碳的有效性研究發(fā)現(xiàn)，重金屬會(huì)抑制微生物的數(shù)量及其呼吸活性，影響了活性有機(jī)碳的礦化率，導(dǎo)致溶解態(tài)的有機(jī)碳積累，進(jìn)一步阻礙了微生物對(duì)有機(jī)碳的礦化作用。

4 ? 土壤碳的空間分布研究進(jìn)展

全球范圍內(nèi)關(guān)于土壤碳的研究已經(jīng)有一些成果，李克讓（2003）研究發(fā)現(xiàn)，熱帶、溫帶、北方帶和苔原帶的碳庫(kù)各約占1/4;森林土壤中的SOC庫(kù)占全球總SOC庫(kù)的約39.0%（Wang S Q，2004），濕潤(rùn)區(qū)的SOC占全球土壤碳庫(kù)的36.0%，遠(yuǎn)大于半干旱地區(qū)和凍土區(qū)。一些研究結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，溫帶土壤的SOC儲(chǔ)值低于對(duì)應(yīng)的熱帶地區(qū)的SOC儲(chǔ)值（Vejre H，2003）。Sanchez（2001）分析了45個(gè)溫帶和60個(gè)熱帶的土壤碳含量，分析結(jié)果表明兩者間不存在相關(guān)性。

4.1 ? 土壤空間SOC密度

我國(guó)學(xué)者對(duì)土壤碳的空間分布也進(jìn)行了大量研究，解憲麗（2004）以《中華人民共和國(guó)土壤圖》和第2次土壤普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)0～20 cm的土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行了估算。我國(guó)土壤SOC的空間分布存在一定規(guī)律性，SOC密度最高處出現(xiàn)在東北地區(qū)，云南、貴州和青海、西藏的東南部有植被類型為草地和森林的地區(qū)，SOC密度最低處出現(xiàn)在寧夏、青海等的沙漠地區(qū)（楊光，2000）。王秀紅（2001）基于全國(guó)第2次土壤普查的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)出我國(guó)SOC空間分布水平地帶性特征：我國(guó)東部SOC含量在北亞熱帶的黃棕壤上普遍含量偏低，而溫帶的暗棕壤和中亞熱帶的黃壤則存在2個(gè)極大值;SOC含量在北部的波動(dòng)幅度較大，而南部亞熱帶和熱帶SOC含量的變化幅度較?。ɡ羁俗?，2003）。徐勇（2001）研究發(fā)現(xiàn)，從東到西SOC含量逐漸減小。隨著向濕度小的氣候區(qū)過渡，溫帶SOC含量高于與其相鄰的暖溫帶;在干旱區(qū)，兩個(gè)相鄰溫帶SOC的含量相似（胡建波，2008）。王紹強(qiáng)等（2000）認(rèn)為，SOC空間分布規(guī)律總體上表現(xiàn)為：隨緯度的增加，東部沿海地區(qū)SOC空間分布大致增加;北部地區(qū)SOC空間分布呈現(xiàn)隨經(jīng)度減小而減小，但存在著一定程度的偏轉(zhuǎn)，西部地區(qū)SOC空間分布則表現(xiàn)出隨緯度減小而增加的趨勢(shì);中部和西部地區(qū)的SOC密度存在較大的差異。

已有研究表明，由于我國(guó)國(guó)土面積大，跨越的區(qū)域多，土壤空間分布差異大，結(jié)構(gòu)不均勻，SOC空間分布具有很大的差異，SOC儲(chǔ)量介于80.0～l00.0 Gt，一些人為因素，如土壤實(shí)測(cè)深度、類型劃分、估算方法、數(shù)據(jù)收集和處理等問題上的差異也是造成空間部分差異的原因（李旭文，2008;楊逸飛，2008）。羅友進(jìn)（2011）在研究四川盆地內(nèi)土壤總碳、有機(jī)碳和無機(jī)碳含量的空間分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳盆地區(qū)、老地層區(qū)以及山背斜部分地區(qū)含量顯著高于其他地區(qū)。對(duì)土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳含量比較發(fā)現(xiàn)，土壤總碳主要來源于土壤無機(jī)碳，但也應(yīng)注意到，無機(jī)碳含量的分布變異性較大，很大程度上取決于母質(zhì)。

4.2 ? 土壤空間異質(zhì)性

空間異質(zhì)性是土壤的基本屬性，不同的自然因素（如母質(zhì)、地形、氣候）和人為因素（施肥、耕作、土地利用方式）使得土壤性質(zhì)具有很大差異（秦松等，2008），雖然是在很小的范圍內(nèi)，但土壤性質(zhì)也可能會(huì)發(fā)生很大的變化（Mallarino，1996）。土壤的空間異質(zhì)性是土壤中理化生復(fù)雜過程共同作用的結(jié)果。許多學(xué)者運(yùn)用常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤碳的空間變異做了一系列的研究，目前主要以地統(tǒng)計(jì)學(xué)作為技術(shù)手段，研究土壤碳及其他土壤性質(zhì)的空間變異性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法作為空間統(tǒng)計(jì)學(xué)中一個(gè)重要的分支，具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的優(yōu)點(diǎn)，相比于常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)，不但可以充分利用樣本值的大小，還能夠重視樣本空間位置及其之間的距離。

范曉暉等（2016）分析了南寧市桉樹人工林下土壤有機(jī)碳的空間變異及其與地形之間的關(guān)系;樊燕（2015）研究了三峽庫(kù)區(qū)土壤碳的有機(jī)質(zhì)空間分布狀況和空間變異;李龍等（2014）以內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗黃花甸子小流域作為研究對(duì)象，研究了小流域尺度下土壤有機(jī)碳密度空間變異特征及尺度效應(yīng);范勝龍等（2012）對(duì)不同采樣點(diǎn)布設(shè)下，土壤有機(jī)碳的空間變異特性作了分析對(duì)比;王其兵等（1998）研究了SOC的空間變異特性，以內(nèi)蒙古錫林河流域草原土壤為例;吳玉光等（1997）對(duì)北京郊區(qū)菜園土壤微生物量碳及一些土壤性質(zhì)空間上的變異特點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比。對(duì)土壤的空間變異特性的研究，可以為土地的規(guī)劃者、政策制定者以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及其他相關(guān)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為方案的制定和規(guī)劃提供依據(jù)。

5 ? 土壤碳研究存在的主要問題

目前，我國(guó)土壤碳空間分布的研究多為區(qū)域尺度，或是在國(guó)家尺度上估算碳儲(chǔ)量，對(duì)森林、草地、濕地、農(nóng)田、土壤生態(tài)系統(tǒng)研究較多，對(duì)流域尺度以及西南巖溶區(qū)的研究都較少。以巖溶地區(qū)土壤碳研究現(xiàn)狀為例，現(xiàn)有的巖溶區(qū)域土壤碳的研究成果有：對(duì)土壤碳作為濕潤(rùn)亞熱帶表層巖溶作用的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行研究，一些學(xué)者用不同的插值法對(duì)不同巖溶區(qū)域的土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算，研究巖溶峽谷區(qū)土壤呼吸速率及日變化，表明石漠化區(qū)與非石漠化區(qū)土壤呼吸速率存在差異，導(dǎo)致碳排放有所不同。在不同的研究區(qū)內(nèi)研究了巖溶區(qū)域不同土地利用方式對(duì)土壤碳的影響。以近3年巖溶地區(qū)土壤碳的研究成果來看，其側(cè)重點(diǎn)主要為巖溶地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的估算、不同影響因素（地形、土地利用類型等）對(duì)土壤碳分布的影響，多以區(qū)域尺度為主。

綜上所述，目前對(duì)于土壤有機(jī)碳及其空間分布的研究主要存在于宏觀研究，土壤有機(jī)碳時(shí)空分布特征和土壤碳庫(kù)研究將是今后土壤有機(jī)碳的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。其次，通過對(duì)當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)碳含量檢測(cè)以及結(jié)合影響因素分析，結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)了解演化過程以及微觀基礎(chǔ)理論，完善碳循環(huán)機(jī)制也是今后的研究重點(diǎn)。研究方法上，在完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的前提下，利用GIS等平臺(tái)技術(shù)與數(shù)學(xué)方法相互結(jié)合得到更可靠的科學(xué)結(jié)論，也是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2019-06-14）