土地利用方式变化对农业土壤有机碳空间分布的影响

虞舟鲁，邱乐丰，林 霖

(1.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省农业科学院 农村发展研究所，浙江 杭州 310021)

土地利用方式变化对农业土壤有机碳空间分布的影响

虞舟鲁1，邱乐丰2，林 霖1

(1.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省农业科学院 农村发展研究所，浙江 杭州 310021)

将地统计学和地理信息系统相结合，研究浙江省杭州市富阳区1979—2006年0～20 cm土层土壤有机碳的时间和空间变异特征。结果表明，1979—2006年富阳区土壤平均有机碳含量从17.3 g·kg-1增长到18.5 g·kg-1。根据半方差模型分析结果，富阳区1979年和2006年土壤有机碳的分布在空间自相关上均表现为中等强度。不同土地利用类型土壤有机碳含量依次为菜地>林地>水田>旱地>未利用地>园地。研究区内土壤有机碳发生变化的主要驱动力是土地利用方式及其相应的管理措施差异。城镇日常生活产生的生活废水与废弃物，以及工业特别是造纸产生的工业废水的处置方式，农业生产中不同种植方式下有机肥和化肥的使用情况，均对研究区土壤有机碳水平的高低和空间异质性有直接影响。研究结果可为研究区土壤有机碳管理提供科学依据。

土壤有机碳；地统计；时空变异；土地利用

土壤有机碳是陆地生态系统中贮存量最大的碳库[1]，是全球碳循环的重要节点。同时，土壤有机碳又是土壤生产力最重要的物质基础之一，对土壤的生物、物理和化学特性及各种变化过程有重要影响，也是评价土壤肥力的重要因子。在全球变暖和CO2减排背景下，研究土壤有机碳的时空变异及其影响因素具有积极意义[2-4]。

不同土地利用方式对土壤有机碳的分布和变化影响很大。宇万太等[5]对中国辽河平原地区暖温带半湿润大陆性季风气候下不同土地利用方式的土壤有机碳储量及C/N进行估算，发现林地、割草地、荒地及裸地各土层有机碳含量高于农田生态系统；吴崇书等[6]通过采集90组杭嘉湖平原耕地表层土壤样本，研究不同土地利用方式和农艺措施转变对土壤有机碳含量的影响，结果表明，施用有机肥和化肥可显著提高土壤有机碳含量，水田改果树或茶叶等旱植经济林可引起土壤有机碳数量和质量的明显下降。在农业生态系统中，菜地和水田的土壤有机碳和其他养分含量较高，而园地和旱地的土壤养分含量较低，不同施肥方式和耕作措施都会影响土壤有机碳和其他养分水平[7-8]。本研究拟以浙江省杭州市富阳区为研究区域，通过土壤样点数据采集与分析，结合遥感和土地利用等数据，应用地理信息系统(GIS)和地统计学相结合的方法，探索研究区1979—2006年土壤有机碳的时空变异，分析土壤有机碳的空间分布格局及土地利用方式等对其的影响，以期为富阳区土壤有机碳管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

富阳区位于浙江省杭州市域范围的西南部，地理位置为119.42°～120.33°E、29.75°～30.20°N。东部、西部分别与杭州市萧山区、桐庐县相接，北部与杭州市西湖区、余杭区、临安市相连，南部毗邻诸暨市。区域范围东西长68.67 km，南北宽50.37 km。面积1 831 km2。下辖5个街道、13个镇、6个乡。整体地貌以“两山夹江”为最大特征，山地、丘陵面积占区域总面积的78.61%，平原、盆地面积占16.36%，水域占5.02%，故有“八山半水分半田”之称[9]。

富阳区地处亚热带季风气候区，冬冷夏热，四季分明，春夏雨热同步，秋冬光温互补，气候垂直变化明显。年平均气温16.1 ℃，年平均降雨量1 441.9 mm。农业生产以水稻、蔬菜、茶叶、毛竹为主。富阳区的耕层土壤质地有壤土、黏土、砂土和黏壤土。全区土壤分属于16土属，主要以黄泥土与红泥土为主，合计占比超过全区总面积的50%，油黄泥、洪积泥砂田的分布面积分别占全区总面积的6.79%、6.03%，其他土壤类型所占比例均较低[10]。

1.2 数据来源与处理

收集富阳当地农业局1979年第二次土壤普查资料，共228个土壤采样点数据。2006年，与富阳区农业局土肥站合作在全区范围内通过土壤采样，分析调查农用地地力。取样方案如下：以1979年土壤采样点为参考就近采样，同时增加采样点密度以获得更多土壤空间与属性信息。采样深度20 cm，每个土样以1个取土点为中心，在5 m半径内取5点混合而成，并使用手持GPS仪记录中心点位置(图1)。为充分考虑采样点在不同土地利用类型、不同土类上的分布，利用富阳区土地利用现状图、土壤类型图，共采集土壤样品1 104个。土壤样品常规理化性质分析参照《土壤农化分析》[11]中的方法进行，土壤有机质含量使用重铬酸钾容量法-外加热法测定[12]。

本研究所用1979年土地利用数据来自于1979年Landsat MSS影像的监督分类[13]；2006年土地利用数据由富阳区国土资源局提供。

2 结果与分析

2.1 农用地土壤有机碳含量统计特征

Kolmogorov-Smirnov (K-S)检验[14]结果表明，1979年和2006年的土壤有机碳数据均符合正态分布要求，符合地统计分析的要求。结果(表1)显示，2006年研究区土壤有机碳含量显著(P<0.05)高于1979年，说明研究区0～20 cm土层有机碳含量有显著提高。根据计算得到的变异系数(CV)结果，富阳区1979年、2006年土壤有机碳在空间分布上的变异程度均属于中等强度(0.1～1)。

2.2 农用地土壤有机碳时空变化特征

如表2所示，用于研究区1979年和2006年土壤有机碳空间变化的最优半方差模型为球状(spherical)模型。块金值(C0)是由测量误差和人为等随机因素引起的变异，块金值越大则表明空间变异程度越大；基台值(C+C0)表示系统内的总变异，当半变异函数值超过基台值时，即函数值不随采样点间隔距离而改变时，空间相关性不存在；变程即最大相关距离，表示了在某种观测尺度下空间相关性的作用范围，当某土壤属性观测值之间的距离大于该值时，它们之间是相互独立的，小于该值时它们之间存在一定的空间相关性，且样点间的距离越小，其空间相关性越大。空间相关性的强弱可由块金效应即块金值与基台值之比[C0/(C+C0)]来反映：块金效应<0.25，说明变量空间相关性很弱，变量样本间的变异更多是由随机因素引起；块金效应在0.25～0.75之间，变量具有中等的空间相关性；块金效应>0.75，表明变量具有强烈的空间相关性。1979年和2006年研究区土壤有机碳的块金效应值分别为0.583和0.523，空间自相关性表现为中等强度，说明研究区内自然因素和人为因素共同影响了土壤有机碳分布的空间异质性。

图1 1979与2006年土壤采样点分布Fig.1 Spatial distribution of soil samples in 1979 and 2006

表1 研究区土壤有机碳含量描述性统计结果

Table 1 Statistic summary of soil organic carbon (SOC) content in study area

年份Year样点数n平均值Mean/(g·kg-1)标准差SD/(g·kg-1)中值Median/(g·kg-1)最小值Minimum/(g·kg-1)最大值Maximum/(g·kg-1)变异系数CVPk-s197922817 34 617 70 729 80 270 2072006110418 55 718 00 643 90 310 085

基于半方差模型的分析结果，利用ArcGIS 10.0的地统计分析模块(geostatistical analyst)中的普通克里格(Kriging)方法，根据研究区1979年和2006年样点数据的土壤有机碳含量进行插值，分别得到1979和2006年富阳土壤有机碳空间分布(图2)。1979年富阳区东南部、西北部和中北部的土壤有机碳含量明显高于其他区域；2006年，富阳区中部、东南部的土壤有机碳含量有所下降，而西部和东部的土壤有机碳含量明显上升，其余地区相对保持稳定。

为了定量分析研究区土壤有机碳的变化情况，参照浙江省第二次土壤普查中的土壤肥力分级标准进行分类(表3)，整体来看，研究区内土壤有机质含量较高，无五、六级土。1979年，研究区的土壤有机碳整体水平中等偏上，以二级和三级为主，合计占研究区总面积的99%以上；2006年，研究区土壤有机质水平三级的土地面积下降较为明显，但一级和二级的土地面积有明显增加。总体来看，研究区土壤有机碳含量呈现增长趋势，但不同研究区域的变化幅度差异较大。

表2 研究区土壤有机碳含量半方差分析结果

Table 2 Semivariogram models for SOC content in study area

年份Year模型Model块金值C0基台值C+C0C0/(C+C0)变程Range/km平均误差Meanerror均方根标准预测误差Root⁃mean⁃squarestandardizederror1979球状Spherical13 623 30 58313 4-0 040 942006球状Spherical18 435 20 5234 50 010 95

图2 1979和2006年研究区土壤有机碳含量空间分布Fig.2 Distribution maps of SOC content in 1979 and 2006 in study area

2.3 土地利用方式对土壤有机碳的影响

方差分析结果(图3)显示，土壤有机碳含量在不同土地利用类型下有显著(P<0.05)差异。菜地的土壤有机碳含量最高，其次为林地、水田和旱地，未利用地和园地的土壤有机碳含量偏低。菜地土壤有机碳含量显著高于未利用地和园地。

进一步分析1979—2006年间土地利用方式变化对土壤有机碳的影响，结果如表4所示。1979—2006年从水田转化为菜地的部分土壤有机碳含量增长幅度最大，其次是从水田转化为林地和旱地，转化为园地时土壤有机碳含量小幅降低。同时，利用方式没有发生变化的水田土壤有机碳含量也呈现小幅增长趋势。

表3 研究区土壤有机碳含量分级面积表

Table 3 Land areas and percentages of different SOC levels in 1979 and 2006

等级Level1979面积Area/km2比例Percentage/%2006面积Area/km2比例Percentage/%一级LevelⅠ——55 86 5二级LevelⅡ442 851 4511 659 4三级LevelⅢ416 348 3287 433 4四级LevelⅣ2 90 36 50 7

研究区土壤有机质含量无五、六级，故表中未列出。

As there was no level Ⅴ， Ⅵ soil in the study area， it was not shown in the above table.

柱上无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)Bars marked with no same letters indicated significant difference atP<0.05图3 不同土地利用方式的土壤有机碳含量Fig.3 Mean SOC content of different land use types

不同土地利用类型的土壤有机质输入水平，因管理措施不同而存在明显差异，这是土壤有机碳空间变异的重要原因之一。以菜地为例，随着建设用地增加、城市人口集聚，富阳全区特别是城郊范围内部分原本种植粮食的水田、旱地通过农业结构调整改为种植蔬菜的菜地，以满足因城镇人口增加而带来的巨大生活需求，但蔬菜种植期内投入的肥料远高于粮食种植期内投入的肥料，因此菜地的土壤肥力通常远高于其他类型农用地[6]。与菜地、耕地相比，园地的有机碳含量相对较低，主要是因为园地相对集中在低丘缓坡区域，该区域土层厚度相对较薄，土壤肥力特别是有机质含量较低，同时园地管理的人工干预亦较少[15]。

表4 土地利用方式变化与土壤有机碳含量变化的关系

Table 4 SOC variation with changes of land use type from 1979 to 2006

土地利用方式Landusetypes19792006面积Area/hm2有机碳变化SOCvariation/(g·kg-1)水田菜地Vegetableland776 53 50Paddy旱地Dryland1711 00 98field林地Forestland6999 41 61水田Paddyfield14126 31 21园地Orchard3377 3-0 98

2.4 城市化对土壤有机碳的影响

富春江及其支流两岸的河谷平原地区是富阳传统的农业粮食生产地区，也是城市扩张和工业发展最快速的地区，土地利用方式急剧变化[9]。借助于ArcGIS 10.0平台，以富春江及其支流为中心生成距离为0.5、1、2、3、4和5 km的6个缓冲区，分别叠合土壤有机碳空间分布图(图2)进行分区统计，计算出土壤有机碳在各个缓冲区内的变异平均值。选取不同范围内的工厂数目、工厂密度和建设用地比例来表征工业和城市发展水平。相关性分析结果(表5)显示：土壤有机碳含量与离河距离、建设用地比例、工厂数目和工厂密度均有显著的相关性，距离富春江及其支流越近、城市化和工业化程度越高的区域，土壤有机碳含量越高。

表5 土壤有机碳含量与城市化程度的相关性分析

Table 5 Pearson’s correlation within SOC variation and urbanization factors

指标Index相关性Correlation离河距离DistancetoFuchunRiver-0 996∗∗工厂数目Numberoffactories0 988∗∗工厂密度Densityoffactories0 953∗∗建设用地比例Percentageofbuilt⁃up0 982∗∗

**表示P<0.01。

**indicatedP<0.01.

造纸产业是富阳的支柱产业，在富春江两岸共分布有200余家造纸厂，其排放的污水占富阳区工业废水排放总量的90%以上。根据富阳区2007年统计年鉴，富阳区年均产生工业废水25 100万t，工业固体废物91万t，生活废水1 731万t。富春江作为研究区内最主要的进出境河流，接纳了境内的大部分废水，而富春江及其支流又是富阳区农业灌溉用水的主要来源。国内外的研究普遍证实，造纸产生的废水和污泥对提高土壤氮、磷、钾和有机质等养分水平作用显著，这可能是富阳区城市化进程提高土壤有机质水平的重要原因。

3 结论

本研究显示，1979—2006年富阳区土壤平均有机碳含量从17.3 g·kg-1增长到18.5 g·kg-1，研究区土壤有机碳分布在空间自相关上表现为中等强度，人为因素与自然因素的共同作用对土壤有机碳分布的空间异质性有明显影响。研究区内不同区域土壤有机质含量变化差异较大，中部、东南部的土壤有机碳含量有所下降，而西部和东部的土壤有机碳含量明显上升，其余地区相对保持稳定。不同土地利用类型的土壤有机碳含量依次为菜地>林地>水田>旱地>未利用地>园地。研究区内土壤有机碳发生变化的主要驱动力是不同土地利用方式及其相应的管理措施差异。城镇日常生活产生的生活废水与废弃物，以及工业特别是造纸产生的工业废水，农业生产中不同种植方式引起的有机肥和化肥使用量差异，均对研究区土壤有机碳水平及其空间异质性具有直接影响。

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(责任编辑 高 峻)

Influence of land use changes on soil organic carbon distribution in agricultural soils

YU Zhoulu1， QIU Lefeng2， LIN Lin1

(1.CollegeofEnvironmentandResourceScience，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China; 2.InstituteofRuralDevelopment，ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences，Hangzhou310021，China)

In the present study， geo-statistic method and GIS were combined to reveal the temporal and spatial variation characteristics of soil organic carbon (SOC) in 0-20 cm soil layer. It was shown that the mean SOC in Fuyang District was 17.3 g·kg-1in 1979 and 18.5 g·kg-1in 2006. Geo-statistical analysis indicated that SOC had a moderate spatial correlation. Different land use types had significantly influence on soil fertility levels. SOC content of different land use types decreased as vegetable land>forest land>paddy field>dry land>unused land>orchard. The main driving force of SOC variation in the study area was the management measures of different land use types. The treatment of wastewater， wastes， and use of manure and chemical fertilizers directly influenced SOC content in soil. These results could provide references for SOC management.

soil organic carbon; geo-statistics; temporal and spatial variation; land use

http://www.zjnyxb.cn虞舟鲁，邱乐丰，林霖. 土地利用方式变化对农业土壤有机碳空间分布的影响[J]. 浙江农业学报，2017，29(5)： 806-811.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.05.17

2016-12-27

国家自然科学基金项目(41401595)

虞舟鲁(1986—)，男，浙江舟山人，硕士，研究实习员，主要从事土地利用变化、地理信息技术应用等方面的研究。E-mail: yuzl@zju.edu.cn

S153.6+21

A

1004-1524(2017)05-0806-06

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(5): 806-811