土壤有机碳及空间分布研究进展

周薇 吴洪娥 龙世林

摘   要：土壤有机碳是判断土壤肥力的重要指标之一，也是影响农作物生长的重要因素。从植被、地形、pH值、土地利用方式等方面综述了土壤有机碳及其空间分布的研究进展，以期为土地可持续利用提供科学依据。

关键词：土壤有机碳;岩溶地区;空间分布;影响因素

陆地自然生态系统中，土壤是最为重要的一环，其连接了水圈、岩石圈、生物圈以及大气圈（Eswaran H，1992）。土壤碳大致可分为土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC），目前对SOC的研究是国内外对土壤碳研究的重点（Wu et al.2009）。影响有机碳含量与分布因子的因素很多，主要为气候、植被、母质及土地利用等自然因素和人为因素2个方面。此外，土壤中有机碳的含量和分布还受到以上不同因子间相互作用的影响。

1   植被对土壤有机碳的影响

对植被如何影响土壤有机碳的含量，学者得到的研究成果有差异。Turber J（2000）研究认为森林经采伐之后，有机碳含量没有发生明显改变，但采伐后再对同一土地进行农业垦殖或放牧活动，土壤有机碳的含量会发生不同程度的变化;而Houghton R A（1991）则认为，在热带和温带地区，森林经砍伐后土壤中有机碳的含量将降低36%～50%。我国学者对植被变化与土壤有机碳之间关系的研究主要是以实地采样数据为基础的定量研究，刘梦云等（2010）对黄土台塬乔、灌、草、农田等不同植被类型，纯林和混交林不同的栽培模式下，对土壤有机碳的含量进行研究发现，灌木林地和天然草地在整个土壤剖面上积累更多的SOC;林培松（2011）对粤东北山区天然常绿阔叶林地、茶园、柚子园、人工桉树林地、旱地的红壤的团聚体和有机碳的分布特征进行研究，结果表明，阔叶林地中不同粒级红壤团聚体有机碳含量最高，之后依次为果园、旱地和桉树林地;谭文峰（2006）研究了江汉平原果园、旱地、水田等利用方式下土壤团聚体中有机碳的分布和积累特性，发现不同粒径的团聚体中，土壤活性有机碳含量为水田高于果园和旱地。

2   地形对土壤有机碳的影响

地形的差异导致植被状况产生差异，使其地表所积累有机碳含量各有不同，是地形影响土壤有机碳含量的重要原因。岳曼（2008）对延安地区进行了有机碳碳储量的估算，结果表明：陕西南部地区的平原区和丘陵区中，土壤有机碳含量存在差异，具体表现为亚高山区平琐区>丘陵区;何燕等（2009）对川西茶区典型低山丘陵茶园上、中、下坡位的土壤有机碳差异进行研究，结果表明：中坡位上，土壤有机碳最小值出现在茶园土壤中，同一坡面上的有机碳含量表现为中坡位<上坡位<下坡位，其原因是该研宄区是东偏南向坡面的25°陡坡，土壤中沙粒比重较大，气候潮湿，但土壤保水保肥性能差，水肥容易流失，导致了坡面流失的土壤、水肥等集中在下坡位，使下坡位的有机物质量增大，有机体大量积累，故研究区中下坡位总有机碳的含量显著高于其他坡位;姜航（2015）對帽儿山次生林区地形对土壤有机碳储量的影响进行研究，按坡位和坡向的差异设置了20块样地，回归分析发现：坡位是土壤有机碳含量差异的主控因子，在该研究区的范围内上、下坡对土壤有机碳的含量并无显著的影响。

3   土壤理化性质对土壤有机碳的影响

土壤的物理性质如容重、质地、含水量等几个方面对有机碳的存在和发生作用也有重要的影响。陈伟等（2013）对云南热区4种林分土壤有机碳比较研究得出，土壤有机碳的含量与土壤的容重呈显著的负相关关系，土壤中有机碳含量越小，土壤的容重反而越大[1]。王凤等（2015）在黑河上游冰沟流域进行试验，也得出了相同的结论[2];刘伟等（2012）以黄土高原区的4种主要的植被类型为研究对象，结果显示，表层土壤有机碳含量与土壤含水量之间有着显著的正相关关系，但当土层深度>1 m时，土壤SOC含量与土壤含水量之间不存在明显的相关性。

在对土壤有机碳含量与化学因素之间关系的研究中，倪吾钟（2000）发现，菜园土壤中的全锌、有效锌含量与有机碳含量具有极显著的正相关关系，铜的有效性与有机碳的含量也呈显著正相关关系;李永涛（2006）对水稻土壤中的重金属与有机碳的有效性研究发现，重金属会抑制微生物的数量及其呼吸活性，影响了活性有机碳的矿化率，导致溶解态的有机碳积累，进一步阻碍了微生物对有机碳的矿化作用。

4   土壤碳的空间分布研究进展

全球范围内关于土壤碳的研究已经有一些成果，李克让（2003）研究发现，热带、温带、北方带和苔原带的碳库各约占1/4;森林土壤中的SOC库占全球总SOC库的约39.0%（Wang S Q，2004），湿润区的SOC占全球土壤碳库的36.0%，远大于半干旱地区和冻土区。一些研究结果数据显示，温带土壤的SOC储值低于对应的热带地区的SOC储值（Vejre H，2003）。Sanchez（2001）分析了45个温带和60个热带的土壤碳含量，分析结果表明两者间不存在相关性。

4.1   土壤空间SOC密度

我国学者对土壤碳的空间分布也进行了大量研究，解宪丽（2004）以《中华人民共和国土壤图》和第2次土壤普查数据为基础数据，对我国0～20 cm的土壤有机碳密度进行了估算。我国土壤SOC的空间分布存在一定规律性，SOC密度最高处出现在东北地区，云南、贵州和青海、西藏的东南部有植被类型为草地和森林的地区，SOC密度最低处出现在宁夏、青海等的沙漠地区（杨光，2000）。王秀红（2001）基于全国第2次土壤普查的统计数据，分析总结出我国SOC空间分布水平地带性特征：我国东部SOC含量在北亚热带的黄棕壤上普遍含量偏低，而温带的暗棕壤和中亚热带的黄壤则存在2个极大值;SOC含量在北部的波动幅度较大，而南部亚热带和热带SOC含量的变化幅度较小（李克让，2003）。徐勇（2001）研究发现，从东到西SOC含量逐渐减小。随着向湿度小的气候区过渡，温带SOC含量高于与其相邻的暖温带;在干旱区，两个相邻温带SOC的含量相似（胡建波，2008）。王绍强等（2000）认为，SOC空间分布规律总体上表现为：随纬度的增加，东部沿海地区SOC空间分布大致增加;北部地区SOC空间分布呈现随经度减小而减小，但存在着一定程度的偏转，西部地区SOC空间分布则表现出随纬度减小而增加的趋势;中部和西部地区的SOC密度存在较大的差异。

已有研究表明，由于我国国土面积大，跨越的区域多，土壤空间分布差异大，结构不均匀，SOC空间分布具有很大的差异，SOC储量介于80.0～l00.0 Gt，一些人为因素，如土壤实测深度、类型划分、估算方法、数据收集和处理等问题上的差异也是造成空间部分差异的原因（李旭文，2008;杨逸飞，2008）。罗友进（2011）在研究四川盆地内土壤总碳、有机碳和无机碳含量的空间分布时发现，土壤有机碳盆地区、老地层区以及山背斜部分地区含量显著高于其他地区。对土壤有机碳和无机碳含量比较发现，土壤总碳主要来源于土壤无机碳，但也应注意到，无机碳含量的分布变异性较大，很大程度上取决于母质。

4.2   土壤空间异质性

空间异质性是土壤的基本属性，不同的自然因素（如母质、地形、气候）和人为因素（施肥、耕作、土地利用方式）使得土壤性质具有很大差异（秦松等，2008），虽然是在很小的范围内，但土壤性质也可能会发生很大的变化（Mallarino，1996）。土壤的空间异质性是土壤中理化生复杂过程共同作用的结果。许多学者运用常规统计学方法对土壤碳的空间变异做了一系列的研究，目前主要以地统計学作为技术手段，研究土壤碳及其他土壤性质的空间变异性。地统计学方法作为空间统计学中一个重要的分支，具有随机性和结构性的优点，相比于常规统计学，不但可以充分利用样本值的大小，还能够重视样本空间位置及其之间的距离。

范晓晖等（2016）分析了南宁市桉树人工林下土壤有机碳的空间变异及其与地形之间的关系;樊燕（2015）研究了三峡库区土壤碳的有机质空间分布状况和空间变异;李龙等（2014）以内蒙古赤峰市敖汉旗黄花甸子小流域作为研究对象，研究了小流域尺度下土壤有机碳密度空间变异特征及尺度效应;范胜龙等（2012）对不同采样点布设下，土壤有机碳的空间变异特性作了分析对比;王其兵等（1998）研究了SOC的空间变异特性，以内蒙古锡林河流域草原土壤为例;吴玉光等（1997）对北京郊区菜园土壤微生物量碳及一些土壤性质空间上的变异特点进行了分析对比。对土壤的空间变异特性的研究，可以为土地的规划者、政策制定者以及精准农业及其他相关领域提供基础数据，从而为方案的制定和规划提供依据。

5   土壤碳研究存在的主要问题

目前，我国土壤碳空间分布的研究多为区域尺度，或是在国家尺度上估算碳储量，对森林、草地、湿地、农田、土壤生态系统研究较多，对流域尺度以及西南岩溶区的研究都较少。以岩溶地区土壤碳研究现状为例，现有的岩溶区域土壤碳的研究成果有：对土壤碳作为湿润亚热带表层岩溶作用的驱动力进行研究，一些学者用不同的插值法对不同岩溶区域的土壤碳储量进行估算，研究岩溶峡谷区土壤呼吸速率及日变化，表明石漠化区与非石漠化区土壤呼吸速率存在差异，导致碳排放有所不同。在不同的研究区内研究了岩溶区域不同土地利用方式对土壤碳的影响。以近3年岩溶地区土壤碳的研究成果来看，其侧重点主要为岩溶地区土壤碳储量的估算、不同影响因素（地形、土地利用类型等）对土壤碳分布的影响，多以区域尺度为主。

综上所述，目前对于土壤有机碳及其空间分布的研究主要存在于宏观研究，土壤有机碳时空分布特征和土壤碳库研究将是今后土壤有机碳的重点研究领域。其次，通过对当地土壤有机碳含量检测以及结合影响因素分析，结合室内模拟实验了解演化过程以及微观基础理论，完善碳循环机制也是今后的研究重点。研究方法上，在完善基础数据的前提下，利用GIS等平台技术与数学方法相互结合得到更可靠的科学结论，也是当今的发展趋势。

参考文献：

[ 1 ] 陈伟，杨斌，李江，等.云南热区人工林科学经营的探索与实践[J].林业调查规划，2013（5）：104-108.

[ 2 ] 王凤，孟浩峰，侯德明，等.黑河上游冰沟流域3种林地土壤有机碳分布特征与土壤特性的关系[J].草业科学，2015，32（4）：640-646.

（收稿日期：2019-06-14）