半干旱区不同土层深度土壤有机碳变化

2014-01-26姚云峰秦富仓郭月峰HABURABorjigin常伟东

水土保持通报 2014年4期

李龙，姚云峰，秦富仓，郭月峰，HABURA Borjigin，常伟东

全球陆地生态系统中，土壤碳库约在1 200～2 500Pg之间［1－5］，是大气碳库的2倍，是陆地生物圈碳库的2～3倍，土壤碳库的微小变动都将对整个陆地生态系统碳库产生巨大影响，在维持陆地生态系统的碳平衡中发挥着重要作用［6－7］。然而，由于不同学者对土壤碳库的研究的尺度大小不同，土壤本身不同土层的有机碳也存在明显差异，难以准确获得土壤碳信息，致使同一地区的研究结果常常存在较大的差异。因此，以小流域为单位分土层分析土壤碳库的研究开始被广泛关注，并开始逐步探究其影响因素。在以小流域为研究对象时，影响不同土层土壤有机碳分布的因素众多，而自然因素中地貌的起伏变化对土壤有机碳的影响十分显著，其主要以不同的坡度、坡向、坡位、海拔等因素来控制区域的水热再分配，从而影响土壤有机碳的空间分布及大小［8］。

对于影响土壤碳库的因素我国已有许多相关研究［9－10］。其中，一些学者将海拔高度的变化与不同土层土壤建立联系对土壤碳库进行了分析，并得出许多有价值的结论。柯娴氡、张璐等［11］对粤北亚热带山地森林的土壤有机碳的研究结果表明0—20cm和20—40cm土层有机碳含量均随海拔梯度变化呈极显著差异。郭建明，胡理乐等［12］研究表明秦岭太白红杉林北坡0—100cm土层土壤有机碳密度随海拔的增加呈显著减小趋势。傅华、陈亚明等人［13］在阿拉善主要草地类型土壤有机碳特征研究中发现，土壤有机碳含量随海拔高度的降低而逐渐降低，其垂直分异规律为山地荒漠草原沿土壤剖面依次降低，高山草甸、草原化荒漠和沙砾质草原化荒漠0—20cm与20—40cm土层差异不显著，但高于40—60cm土层。由此可见，在地形因子的影响下不同土层的土壤碳分布也有着明显差异，并以海拔作为影响土壤有机碳的主导因子，在不同研究区对土壤有机碳的影响作用也具有明显差别，同时海拔对不同土壤深度的土壤含水率、有机质含量以及土壤质量都有着重要影响，这些因素对土壤碳库都有着不同程度的影响［14－16］。

内蒙古自治区赤峰市敖汉旗位于半干旱地区，属于温带大陆性季风气候，在我国碳汇林营造中起步较早规模较大，其中在敖汉旗的中意合作项目“中国东北部内蒙古敖汉旗防治荒漠化青年造林项目”是我国第一个碳汇造林项目，其造林面积达3 000hm2，对我国其它地区的碳汇研究工作具有积极的借鉴作用，对该地区的土壤碳库研究更具指导价值。因此，以内蒙古自治区赤峰市敖汉旗黄花甸子流域为研究对象，以实地调查土壤数据为基础，结合GIS地理信息系统与地统计学，分析流域不同土层土壤有机碳的空间分布情况，以及海拔对土壤有机碳分布的影响，以期为土壤碳库的研究提供科学参考和基础数据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于赤峰市敖汉旗西部的黄花甸子流域内。流域位于老哈河中游南岸，科尔沁沙地南缘。地处42°17′—42°33′N，119°36′—119°53′E，面积为32.5 km2，东临通辽市奈曼旗，西与辽宁省建平县接壤，南与辽宁省朝阳市、北票市毗邻，北与赤峰市松山区、翁牛特旗隔老哈河相望。流域内总体属于低山丘陵区，地势起伏不大，海拔在440～806m。属于中温带半干旱大陆性季风气候区，四季分明。年均降雨量多在400～470mm，年均蒸发量多在2 290～2 400mm。全年日照数2 940～3 060h，历年平均日照数2 999.3h，10℃以上积温为3 189℃。春季风力大持续时间较长，年平均风速4～6m／s。土壤类型大部分为栗钙土，伴随着少量的风沙土，体现了森林土壤向草原土壤过渡的特点，pH值呈弱碱性到碱性，全剖面具有石灰反应。该流域主要有天然草地、灌丛林、乔灌混交林、针阔混交林和阔叶纯林等森林植被类型，主要以人工植被为主。

1.2 研究方法

1.2.1 数据提取对不同土层土壤有机碳的分布及海拔对土壤有机碳含量、密度及其储量的影响情况进行研究。在ArcGIS软件的空间分析工具支持下，根据流域DEM数据提取流域高程信息并划分等级［17－18］。以体现研究区域地形特征、符合自然规律为原则，将高程以50m为一个单元等距划分为：＜550m，550～600m，600～650m，650～700m，700～750m，＞750 m共6个等级，用以对比分析不同海拔高度下土壤有机碳分布状况的。

1.2.2 土壤样品采集于2012年6月采集研究区土壤样品，结合流域1︰5万地形图、土地利用现状图，采用网格法［19］，兼顾代表性和均匀性沿海拔梯度均匀取样，保证不同海拔等级下的样地数基本相同，每个样地内采用S采样法共确定4个采样点。每个样点挖掘深1m×1m×1.5m土壤剖面，按0—20 cm表层，20—60cm中层，60—100cm底层划分3个层级分层取样，每层取3个重复，并用环刀法取土测定土壤容重。共计148个土壤剖面，2 220个土壤样品。将每个样地的4个样点采得土壤样品均匀混合。采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳含量，105℃恒温烘干法测定土壤含水率等数据。

采用手持GPS标记各采样点坐标并导入Arc－GIS软件，生成具有土壤有机碳信息的采样样点数据用以进行克里格空间插值分析。

1.2.3 土壤有机碳密度、储量的计算方法土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量。采用的计算方法为［20］：

式中：i——土壤不同层次；SOCi——土壤的碳密度（kg／m2）；di——研究土层平均厚度（cm）；pi——土壤平重均容（g／cm3）；Oi——土壤有机碳含量（g／kg）；A——各类型所占面积（m2）；S——土壤有机碳储量（kg）。

在不同土层深度下有机碳密度的计算中，均采取10cm土层厚度进行计算，以便结果的对比分析。

1.2.4 数据处理通过ArcGIS软件下3D分析工具以TIN格式生成研究区高程图并统计不同海拔高度下所对应的海拔面积；基于地统计学原理，在Arc－GIS软件Geostatistical Analyst工具下对采样点进行克里格插值，生成不同土层土壤有机碳含量、密度的空间分布图。利用ArcGIS空间分析工具建立覆盖整个研究区的30m×30m的grid网格，共计16 800个；通过区域统计分析，计算出每个grid网格的内对应的海拔高度、各层土壤有机碳含量、密度以及碳储量格数据的均值，从而生成海拔与土壤有机碳空间数据库，采用SAS软件进行相关性分析得出海拔影响土壤有机碳的显著水平。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量和密度的水平分布特征

如附图5所示，研究区表层土壤有机碳含量大体呈斑块状分布，其高值区（10～20g／kg）集中分布在流域西北部，低值区（1.1～5.4g／kg）集中分布在流域西南部；中层土壤碳含量呈条带状分布，其高值区（7.4～12g／kg）集中分布在流域西北部，低值区（1.1～4.7g／kg）集中分布在流域西南部；底层土壤碳含量呈斑块状零散分布，在流域中部和东北部出现极低值区（0.23～1.40g／kg），底层土壤碳含量的分布无明显规律。

不同土层下土壤有机碳密度的分布情况与有机碳含量的分布情况基本相同（图略），表层和中层土壤存在较为明显的碳密度高值区和低值区，而底层土壤有机碳密度则呈现斑块状零散分布，无明显分布规律。就其原因可能是土壤有机碳密度与土壤有机碳含量的相关性分析表明二者具有极显著的相关性（p＜0.001）。因而二者在研究区的分布情况也呈现较为相似的分布规律，同时流域内小地形的变化易导致小流域局部降雨不均匀分配、小范围内植被生长的地带性差异等现象，并且研究区内人为因素明显，在研究区西北部分布大面积农田，具有较好的水源灌溉条件；而这些因素都是促使土壤有机碳含量和密度的不均匀分布的重要原因，在一定范围内易形成明显的高值区与低值区。而底层土壤有机碳的含量与密度均处在60—100cm深度土层，距离地表较远，受地上局部的地形、气候、植被、人为因素等因子的变化并不敏感，以致其土壤有机碳含量与密度的水平分布规律性不强。进而得出，研究区土壤有机碳密度及其含量的水平分布受自然因素和人为因素到综合作用影响，但60cm以下土层土壤有机碳密度及其含量受其影响较弱。

2.2 土壤有机碳含量的垂直分布特征

如图1所示，土壤有机碳含量随土层深度的增加而明显下降。表层土壤有机碳含量均值为6.49 g／kg，占0—100cm层土壤有机碳含量的40.72%；中层有机碳含量均值为5.25g／kg，占0—100cm土层土壤有机碳含量的32.91%；底层有机碳含量均值为4.20g／kg，占0—100cm 层土壤有机碳含量的26.37%。不同海拔高度下土壤有机碳含量均表现为：表层＞中层＞底层；土壤有机碳含量的这一特点并不随海拔的变化而发生改变。方差分析表明，不同土层土壤有机碳含量差异极为显著（p＜0.001）。这一结果与国内其他相关研究基本一致［21］，这可能与表层土壤根系分布较广，微生物活性较大，地上残枝分解补给易于传输有关。随土层深度增加，动植物残体以及植物根系分布较少，且土壤与地上植被和空气中碳交换减少，不利于土壤有机碳的积累，因此，底层土壤有机碳含量积累明显小于中层和表层。

表层土壤有机碳含量随海拔高度的上升基本呈现抛物线变化，其峰值为7.51g／kg出现在550～600m海拔高度处，此后随海拔的升高，土壤有机碳含量呈现出逐级递减的趋势，并在＞750m处出现最小值，而中层和底层土壤有机碳受海拔的影响无明显变化。究其原因，海拔直接影响土壤与植被的垂直地带性分布，600m以下的低海拔地区受人类活动影响较大，由于地势低平有利于大规模农业机械化作业，因此这一地区多种植高产经济作物如玉米，高粱等，加之具有人为灌溉条件，以致土壤有机质得到大量积累，然而，海拔过低（＜550m）地区，地势低洼不利于排水，部分地区出现盐渍化，因此土壤有机碳含量的峰值并未出现在＜550m的最低海拔高度处，而是在排水条件较好，人为干扰较强的550～600m海拔高度处。此后随海拔高度的增加，太阳辐射强度增强，影响土壤水分的固持，植被蒸发增强，不利于作物生长［22］。高海拔地区也不宜大型农业机械的作业，所以以天然次生林，荒草地为主要植被类型，土壤出现不同程度的沙化，固碳能力较低。

从土壤有机碳含量的垂直变异情况上看，表层土壤碳含量的变化范围在7.51～5.50g／kg，极差为2.01g／kg；中层土壤的变化范围在 5.99～4.33 g／kg，极差为1.66g／kg；底层土壤的变化范围在3.53～4.62g／kg，极差为1.09g／kg。其变异系数表现为：表层（13.86%）＞中层（13.64%）＞底层（9.95%）。由此可见，随着土层深度的增加土壤有机碳含量的变异逐渐减小，其原因可能是表层土壤长期受到自然以及人为因素频繁而均匀地干扰，不确定因素较多导致表层土壤碳含量具有较大变异；而深层土壤环境较表层土壤相对封闭，随土层深度的加深，土壤对地上自然以及人为因素的影响反应并不敏感，土壤有机碳含量基本趋于稳定，并无大幅度变动。

图1 海拔高度与不同土层土壤有机碳含量的关系

2.3 土壤有机碳密度垂直的分布特征

如图2所示，随土壤深度的增加土壤有机碳密度显著下降（p＜0.001），其由高到低有机碳密度表现为：表层＞中层＞底层，且这一关系不随海拔高度的变化而发生改变。表层土壤有机碳密度为0.96kg／m2，分别是中层和底层有机碳密度的1.31和1.81倍；中层密度为0.74kg／m2，前两层（0—60cm）有机碳密度之和占土壤有机碳密度的76%，而底层土壤有机碳密度为0.53kg／m2，仅占总密度的24%。由此可见，在土壤有机碳密度的垂直分布上0—60cm土层的贡献占主要地位。

表层和中层土壤有机碳密度大体都随海拔的增高逐级递减，其最高值分别出现在海拔高度＜550m处和550～600m处，最低值均出现在＞750m海拔高度处。方差分析表明，表层土壤有机碳密度和海拔呈现出极强的负相关性（r＝－0.43，p＜0.001）。

底层土壤有机碳密度随海拔的增加大体呈现先增加后减小趋势，其峰值为0.59kg／m2出现在600～650m处，此后随海拔增加有机碳密度逐级下降，并在＞750m海拔高度出现最小值，为0.46kg／m2。究其原因可以发现，研究区无论表层、中层、底层土壤有机碳密度均在550～600m海拔高度后出现明显的下降趋势，并在＞750m的最高海拔处出现最小值。这一现象是由于当海拔高度＞600m以后，受海拔影响植被和土壤的垂直地带性分布明显，植被由玉米等高产量农田向天然次生林转换，土壤由栗钙土向风沙土过渡，使得有机质的积累明显降低，直到＞750m的最高海拔处有部分地区已出现地表裸露、土地沙化等现象，从而在不同土层均表现为在600～650m海拔高度以后，随海拔增加有机碳密度逐级下降的现象。而在海拔高度＜550m处的低海拔地区，受人类生产生活影响严重，影响土壤有机碳密度的可变因素较多，以致表层、中层以及底层土壤的有机碳密度并未表现为一致的升降规律。

图2 海拔高度与不同土层土壤有机碳密度的关系

2.4 土壤有机碳储量的分布特征

如表1所示，研究区面积为28.25km2，总碳储量为2.04×105t。土壤有机碳储量表现为：中层（8.56×104t）＞底层（6.41×104t）＞表层（5.47×104t），中层土壤碳储量分别是底层和表层碳储量的1.34和1.57倍，土壤碳储量的这一分布现象主要受土层厚度的影响，表层土壤虽然有机碳密度较高，但其深度仅为20cm，对土壤有机碳的储存能力有限；而中层土壤和底层土壤的剖面较深，对有机碳的储量更大，因此20cm以下的深层土壤有机碳的储量更加不容忽视，这一研究结果与郭建明、胡理乐等人［12］的研究结果相符。

表1 研究区不同海拔高度土壤有机碳储量及其分配

研究区83.15%的地区海拔高度在550～700m范围内，这一海拔高度下与其相对应的碳储量为1.73×105t，占总储量的84.64%，而海拔高度＞750m和＜550m的地区碳储量之和仅为研究区总碳储量的5.13%，这与不同海拔高度所占面积的大小有直接关系。相关分析表明，研究区不同海拔高度下所占的面积与其对应的碳储量表现为机显著相关（p＜0.001）。其主要原因可能是研究区土壤有机碳密度的分布较为平均，各海拔高度下的碳密度无大幅度的变异，因此，由公式（2）可知，不同海拔高度土壤有机碳储量的大小主要取决于各海拔高度下的土壤面积大小。

3 结论

研究区土壤有机碳含量和密度的水平分布具有较高的相似性，60cm以上土层的有机碳含量和密度的高值区均集中分布在流域西北部，低值区分布在流域西南不，而底层土壤有机碳含量与密度的水平分布较为破碎，规律并不明显。这一分布规律是由于底层土壤环境较为封闭，对外界自然及人为因素反应不敏感而产生。

研究区不同土层土壤有机碳含量与有机碳密度均随土层深度的增加而明显下降，由高到低均表现为：表层（0—20cm）＞中层（20—60cm）＞底层（60—100cm），土壤有机碳的这一垂直分布规律并不受海拔高度的影响而发生改变。60cm以上土层有机碳密度随海拔的增加而明显的下降，60—100cm层土壤有机碳密度受海拔影响较小。海拔高度对土壤有机碳含量及密度的影响主要体现在表层土壤中，随土层深度增加海拔对土壤有机碳含量及密度的影响逐渐减弱。

研究区有机碳总储量为2.04×105t，土壤有机碳储量表现为：中层（8.56×105t）＞底层（6.41×104t）＞表层（5.47×104t）。以小流域为单元对土壤碳库进行分土层研究，更细化了研究内容，提升了研究精度，为今后大尺度土壤碳库的研究提供了科学参考和数据基础。

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