重慶低山區(qū)SOCD空間格局變異特征及影響因子分析

肖作林

摘要：采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究低山區(qū)農(nóng)耕地土壤有機(jī)碳空間分布特征及其與海拔、土壤類型、成土母質(zhì)和種植制度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，研究區(qū)20cm深度耕地土壤有機(jī)碳密度（SOCD）均值2.65kg/m2，低于全國(guó)平均水平（3.00kg/m2）。隨著高程的增加，土壤有機(jī)碳密度呈增加趨勢(shì)。各土壤類型土壤有機(jī)碳密度由大到小依次是石灰?guī)r土>山地黃壤>沖積土>水稻土>紫色土。石灰?guī)r風(fēng)化物和白云巖風(fēng)化物分布區(qū)更有利于土壤有機(jī)碳的積累。不同種植制度下土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)為：麥-玉-薯輪作>油-稻輪作>麥-玉輪作>玉米、水稻單一種植。土壤有機(jī)碳密度空間分布表現(xiàn)為帶狀各向異性，南北方向?yàn)橹饕儺惙较?。海拔、土壤類型、成土母質(zhì)和種植制度共同決定了研究區(qū)耕地土壤有機(jī)碳的空間分布格局。

Abstract： The spatial variability and main influencing factors of cultivated soil organic carbon （SOC） were analyzed in low mountainous areas based on traditional statistics and geostatistics methods. The mean soil organic carbon density （SOCD） of the top 20cm depth was 2.65kg/m2，which was lower than the average value of the cultivated soils of China （3.00kg/m2）. A positive relationship between elevation and SOCD was found in the study area. Mean value of SOCD of different soil types showed in order of Limestone soil > Muntian yellow soil > Alluvial soil > Rice soil > Purple soil. The areas with weathering products of limestone or dolomite presented significant higher values of SOCD than other areas. The SOCD of five different cropping systems was in order of wheat-corn-sweet potato > rape-rice > wheat-corn > corn-fallow and rice-fallow. SOCD presented a strong zonal anisotropy in north-south direction. The results showed that the spatial distribution of SOCD strongly depends on the coupling effects of elevation， parent materials， soil types and cropping systems.

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)碳密度;地統(tǒng)計(jì)學(xué);各向異性

Key words： soil organic carbon density;geostatistics;anisotropy

中圖分類號(hào)：F302.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0230-03

0? 引言

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)。土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）通過吸收和釋放CO2，成為決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子。耕地土壤有機(jī)碳是土壤肥力的重要組成部分，其含量降低會(huì)造成土壤貧瘠化。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在較強(qiáng)的空間變異，自然因素和人為因素共同影響了土壤有機(jī)碳的空間變異特征，且不同地理區(qū)域影響SOC空間分布的主控因子有所差異。Tan[1]以美國(guó)大湖區(qū)俄亥俄州為研究區(qū)，探討了表層土壤有機(jī)碳與自然因素之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)高程對(duì)土壤有機(jī)碳密度（Soil organic carbon density，SOCD）影響顯著。在對(duì)蘇格蘭東北部SOC的研究結(jié)果表明[2]，SOC的空間分布與成土母質(zhì)密切相關(guān)。此外，不同種植制度對(duì)SOC含量也有較大影響。例如，Varvel[3]的研究表明，玉米連作方式對(duì)SOC含量的影響大于玉米-大豆和大豆連作。

近年來(lái)，一些學(xué)者利用全國(guó)第二次土壤普查資料，對(duì)國(guó)家或區(qū)域尺度的SOC含量和分布進(jìn)行了研究[4]。然而，在進(jìn)行較大區(qū)域范圍的研究中，尤其是地形復(fù)雜區(qū)域，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致某些信息的損失。因此，有必要進(jìn)行較小區(qū)域，尤其是縣域尺度上的SOC含量深入研究，以提高在區(qū)域、國(guó)家或全球尺度下，碳循環(huán)研究中的準(zhǔn)確性。本文采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，以三峽庫(kù)區(qū)腹地—云陽(yáng)縣為研究區(qū)域，探討低山區(qū)農(nóng)耕地SOC的空間分布特征和影響因子，為評(píng)估三峽庫(kù)區(qū)耕地土壤有機(jī)碳損失和截留能力提供參考數(shù)據(jù)。

1? 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云陽(yáng)縣地處于三峽庫(kù)區(qū)腹心地帶（108°24′32″～109°14′51″E，30°35′6″～31°26′30″N），幅員面積3649km2，屬喀斯特地貌，嶺谷地貌明顯，以低山為主。該縣屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，日照充足，冬暖夏熱，多伏旱，多秋雨，立體氣候顯著。因?yàn)楹０魏偷貏?shì)等因素，農(nóng)作物種植區(qū)多呈東西帶狀分布。研究區(qū)土壤類型多樣，分布有水稻土、沖積土、紫色土、山地黃壤、石灰?guī)r土五個(gè)土類。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及土壤有機(jī)碳庫(kù)的構(gòu)建

土壤樣點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)從云陽(yáng)縣農(nóng)委獲取，數(shù)據(jù)包括2011年云陽(yáng)縣6151個(gè)采樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量。由全國(guó)第二次土壤普查成果中的1：5萬(wàn)土壤圖，獲得土壤類型（精確到土種）;由《云陽(yáng)縣土壤志》中的典型坡面數(shù)據(jù)獲得成土母質(zhì)、容重、礫石含量等屬性數(shù)據(jù)。由1：1萬(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖獲得土地利用類型數(shù)據(jù)，由30m的數(shù)字高程模型（DEM）（圖1）獲得高程數(shù)據(jù)。在GIS技術(shù)的支持下，將以上屬性賦值到有機(jī)質(zhì)矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)上，計(jì)算土壤有機(jī)碳密度（SOCD），構(gòu)建SOCD數(shù)據(jù)庫(kù)。

SOCD計(jì)算公式：

Cd=0.58×（1-A）×H×B×SOM? ? ? ? ? （1）

其中Cd為土壤有機(jī)碳密度（kg/m2）;A為礫石含量（%）;H為土層厚度（20cm）;B為體積質(zhì)量（g/cm3）;SOM為有機(jī)質(zhì)含量（g/kg）;0.58為Bemmelen換算系數(shù)。

1.3 軟件和數(shù)據(jù)分析

本文采用Games-Howell方法檢驗(yàn)組間數(shù)據(jù)的差異顯著性。采用ArcGIS9.3，GS+9.0進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，建立半方差模型進(jìn)行各向異性分析以及Morans I指數(shù)分析。采用SPSS18.0和MATLAB7.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和制圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1 基本描述和統(tǒng)計(jì)

由SOCD樣點(diǎn)基本統(tǒng)計(jì)可知，有機(jī)碳密度最大值為6.29kg/m2，最小值為0.62kg/m2，平均值為2.65kg/m2，低于全國(guó)平均水平（3.00kg/m2）。變異系數(shù)29.8%，屬于中等程度變異。由偏度和峰度均接近零（偏度0.4，峰度0.18）可知，研究區(qū)有機(jī)碳密度基本符合正態(tài)分布。

將高程分為四組，分別為：≤300m、300～600、600～900、>900。不同海拔對(duì)SOCD的影響在小于900m的范圍內(nèi)有顯著性差異，隨著海拔的增高，SOCD平均值增加。當(dāng)海拔>900m時(shí)，對(duì)應(yīng)的SOCD平均值與600～900m組的SOCD平均值相差不大，但顯著高于另外兩個(gè)低海拔組。各土類SOCD平均值由大到小依次是石灰?guī)r土>山地黃壤>沖積土>水稻土>紫色土。土類之間的SOCD的差別較為明顯，石灰?guī)r土SOCD的平均值最大，達(dá)到3.27kg/m2。較含量第二位的山地黃壤高出0.29kg/m2。紫色土最小，SOCD平均值為2.53kg/m2。在八種成土母質(zhì)中，白云頁(yè)巖風(fēng)化物SOCD平均值最大，為3.45kg/m2，顯著高于其他七種成土母質(zhì);石灰?guī)r風(fēng)化物和長(zhǎng)石石英砂巖風(fēng)化物SOCD均值組間相差不大，但顯著小于白云巖風(fēng)化物，且顯著大于灰棕紫色泥（頁(yè)）巖風(fēng)化物、棕紅色厚層泥巖和新沖積物。不同種植制度下，SOCD具有很大差別。主要表現(xiàn)為：一年三熟制> 一年二熟制> 一年一熟制。在同一熟制下，不同作物間SOCD均值也不相同。一年兩熟制中，油-稻（2.71kg/m2）大于麥-玉（2.46kg/m2），且差異顯著。一年一熟制中，玉米方式下SOCD均值略大于水稻方式，但差異不顯著。

2.2 各向異性分析

分析過程中定義四個(gè)方向，北-南（N-S）、東南-西北（SE-NW）、西-東（W-E）和東北-西南（NE-SW），相鄰方向相隔45°角。由GS+9.0計(jì)算半方差函數(shù)模型和函數(shù)值，并導(dǎo)出每個(gè)方向的步長(zhǎng)和半方差函數(shù)值，然后利用matlab7.0對(duì)每個(gè)方向上的半方差函數(shù)進(jìn)行擬合并檢驗(yàn)擬合效果，其中高斯模型的擬合效果最好。各個(gè)方向的基臺(tái)值和變程各不相同，屬于帶狀各向異性。N-S方向上的基臺(tái)值最大（Sill為0.63），變程最?。≧ange為3.24km），表明在該方向上，研究區(qū)的SOCD空間變異最強(qiáng)烈，樣點(diǎn)之間的空間相關(guān)作用范圍為四個(gè)方向中最短。相反，在W-E方向上，基臺(tái)值最?。⊿ill為0.58），變程最大（Range為5.57km），說明在該方向上，SOCD的空間變異程度最小，樣點(diǎn)間的空間相關(guān)作用范圍最大。NE-SW方向和SE-NW兩個(gè)方向上的基臺(tái)值和變程均屬于中間值，且相差不大。由此可知，在這兩個(gè)方向上，SOCD的變異程度屬于中等水平，同樣，樣點(diǎn)間的相互影響的有效距離也處于中等水平。在四個(gè)方向上的塊金值與基臺(tái)值之比值都處于25～75%，說明四個(gè)方向上，SOCD都屬于中等空間相關(guān)。

2.3 Morans I指數(shù)分析

利用GS+9.0分析Morans I指數(shù)，獲得研究區(qū)SOCD各向異性Morans I指數(shù)分布圖（圖2）?？梢钥闯觯骄介L(zhǎng)小于2km時(shí)，四個(gè)方向的指數(shù)相差不大且變化一致，都是急劇變小。當(dāng)步長(zhǎng)處于2～8km之間時(shí)，N-S方向上的Morans I指數(shù)的減小程度比其他方向更為劇烈，在W-E方向上的Morans I指數(shù)減小則最為緩慢。說明在該步長(zhǎng)范圍內(nèi)，N-S方向是主要變異方向。

注意到，當(dāng)步長(zhǎng)處于12～18km之間時(shí)，N-S方向上的Morans I指數(shù)成為四個(gè)方向上的最大值，而W-E方向上的Morans I指數(shù)則成了最小值，另外兩個(gè)方向依然處于中間值。這很可能是由于成土母質(zhì)、海拔、土壤類型和種植區(qū)呈東西向帶狀、南北對(duì)稱分布，從而造成SOCD的空間分布在N-S方向上對(duì)稱的原因。在N-S方向上，SOCD成規(guī)律性的相間分布，必然會(huì)導(dǎo)致Morans I指數(shù)劇烈降低后再次升高，并有可能在某一步長(zhǎng)范圍內(nèi)為四個(gè)方向中最大值。

3? 討論與結(jié)論

研究區(qū)SOCD與海拔存在正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)楹０屋^高的地區(qū)多分布在南北兩端和中部鐵峰山背斜，馬尾松、杉樹生長(zhǎng)茂密，林地耕地交錯(cuò)分布，0～20cm表層耕地土壤更易積累有機(jī)碳。另外隨著海拔的升高，溫度降低，有機(jī)碳分解速度減慢，這也是有利于有機(jī)碳積累的一個(gè)原因。白云巖風(fēng)化物是研究區(qū)主要成土母質(zhì)之一，在山地冷涼氣候條件下的針葉林植物群落作用下，主要由白云巖風(fēng)化物風(fēng)化而來(lái)的山地黃壤，土壤粘化程度不太深，有機(jī)質(zhì)積累多，故含有較高的SOCD。石灰?guī)r土是研究區(qū)主要土壤類型之一，由石灰?guī)r風(fēng)化物發(fā)育而來(lái)，山地黃壤不連續(xù)地鑲嵌其中。在成土過程中，植被覆蓋度高，生草茂密，加之石灰?guī)r水化作用提供的大量Ca2+，Mg2+，利于有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膠體的形成，母質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量高，結(jié)構(gòu)好，給土壤的發(fā)育留下深刻的影響?；易刈仙啵?yè)）巖風(fēng)化物，是研究區(qū)紫色土主要成土母質(zhì)，呈東西走向條帶狀，下伏基巖坡度較大，發(fā)育成粗骨性砂質(zhì)土，植被稀少，水土流失極為嚴(yán)重，導(dǎo)致SOCD較低。研究區(qū)典型種植制度分為三個(gè)類型，以麥-玉-薯為代表的一年三熟，以油-稻、麥-玉為主的一年二熟和以玉米、水稻單一種植為代表的一年一熟。不同種植制度下SOCD表現(xiàn)為：一年三熟制>一年兩熟制>一年一熟制。這是因?yàn)樵谝欢〞r(shí)間多次輪作時(shí)，作物還田量也有相應(yīng)增加。另外，有機(jī)肥的施用，彌補(bǔ)了多次輪作對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的消耗。

研究區(qū)農(nóng)耕地土壤的SOCD平均值2.68kg/m2，低于全國(guó)耕地水平（3.0kg/m2）。SOCD在整個(gè)研究區(qū)屬于中等程度變異。高程、成土母質(zhì)、土壤類型和耕作制度都對(duì)SOCD的含量有顯著的影響。石灰?guī)r土SOCD最高（3.27kg/m2）;海拔越高，SOCD值越大;不同種植制度下土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)為：麥-玉-薯輪作>油-稻輪作>麥-玉輪作>玉米、水稻單一種植;石灰?guī)r風(fēng)化物和白云巖風(fēng)化物分布區(qū)更有利于SOC的積累。地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，研究區(qū)SOCD呈帶狀各向異性分布特征，主要變異方向?yàn)槟媳狈较?。成土母質(zhì)、海拔、土壤類型和種植制度方式共同決定了SOC的空間分布格局。采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法更能全面分析SOCD空間格局。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tan Z X， Lal R， Smeck N E， Calhoun F G. Relationships between surface soil organic carbon pool and site variables[J]. Geoderma， 2004， 121： 187-195.

[2]Cresser M S， Gonzalez R L， Leon A. Evaluation of the use of soil depth and parent material data when predicting soil organic carbon concentration from LOI values [J]. Geoderma， 2007， 140：132-139.

[3]Varvel G E，Wilhel W W. No-tillage increases soil prole carbon and nitrogen under long-term rainfed cropping systems[J].Soil & Tillage Research，2011， 114： 28-36.

[4]王紹強(qiáng)，周成虎，李克讓，等.中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)及空間分布特征分析[J].地理學(xué)報(bào)，2000，55（5）：533-544.