南水北调中线工程水源地土壤有机碳密度空间分异及驱动因素研究

刘 珂，李明阳*，李 灵，田 康，樊亚男，王志刚，瞿明凯，黄 标

(1.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；2.武夷学院生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300；3.中国科学院南京土壤研究所，土壤环境与污染修复重点实验室，江苏 南京 210008；4.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010)

土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)库是陆地碳库的主要组成部分，约是陆地植被碳库的3倍、大气碳库的2倍，土壤排放于大气中CO2的年通量约是化石燃料燃烧释放量的10倍[1]，对气候变化产生显著影响。全球固碳水平为0.24 t/(hm2·a)，土壤固碳达0.4～0.6 t/(hm2·a)时可抵消全球当年温室气体的排放量[2]，土壤具有较大的固碳潜力。因此，SOC库储量、土壤有机碳密度(soil organic carbon density，SOCD)分布规律等成为当前的研究热点。因不同研究区的气候、地形(海拔、坡度、坡向、坡位等)、植被、土壤类型、土壤理化性质、土地利用方式等的差异，SOCD大小、分布特征等存在较大差异。SOCD随海拔梯度的增加呈增加[3]、减少[4]、先增加后减小[5]、先减小后增加的“V”形[6]的趋势。从耕地、园地、林地到草地，SOCD依次增加，天然林转变为其他土地利用类型后，SOCD下降了25.6%～51.2%[7]。梁晨等[8]研究发现，SOCD在不同的森林类型分布大小表现为阔叶林>针阔混交林>针叶林。以往有关土壤碳储量的研究主要集中在典型气候带的生态系统，在气候过渡带开展土壤碳储量的研究仍较为缺乏。作为生态脆弱区和敏感区域，气候过渡带的土壤碳储量对气候变化的响应更为迅速和敏感[9]。

南水北调中线工程是我国经济建设中一项规模宏大的跨流域水资源配置战略工程，丹江口水库水源地位于北亚热带向暖温带的气候过渡区，地貌、植被、土壤、土地利用类型多样，为研究土壤有机碳空间格局提供了理想场所。本研究通过对南水北调中线工程水源地较大空间尺度的野外调查、采样和分析，探索SOCD的分布特征及驱动因素，以期为研究区保护和有效利用土地资源，改善生态环境及正确评估气候过渡带上的生态系统碳循环提供基础数据和科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于南水北调中线工程水源地(106°5′19″～111°49′48″E，31°25′0″～34°11′10″N)，地处河南、湖北、陕西三省交界处，总面积约9.52×106hm2(图1A)。该区处于我国北亚热带与暖温带过渡区，年均气温15.8 ℃，年均降水量804.3 mm。区域南北高中间低，西部高东部低，区内地貌类型多样，山区地形复杂，垂直高差大，海拔133～3 549 m(图1B)。根据水源地调查研究情况，将海拔分为<500 m、≥500～1 000 m、≥1 000～1 500 m、≥1 500～2 000 m和≥2 000 m等5个梯度。

底图审图号：GS(2016)2923号。下同。图1 南水北调中线工程水源地研究区采样点分布(A)、土地利用类型(B)和土壤类型(C)Fig.1 The study region and distribution of sampling sites (A)，the land use types (B) and soil types(C) in the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

研究区的土壤类型按照发生分类(系统分类)的方法，分为暗棕壤(冷凉湿润雏形土)、棕壤(简育湿润淋溶土)、褐土(简育干润淋溶土)、黄褐土(黏磐湿润淋溶土)、石灰(岩)土(钙质湿润淋溶土)、粗骨土(湿润正常新成土)、黄棕壤(铁质湿润淋溶土)、水稻土(铁聚水耕人为土)、新积土(潮湿冲积新成土)、紫色土(紫色湿润雏形土)等(图1C)[10]。其中，以黄棕壤和棕壤为主，分别占总面积的53.97%和16.44%。植被分布和土地利用具有明显随海拔变化的特征，高强度的土地利用类型如农田主要集中于海拔1 000 m以下的平缓地区，而高海拔地区主要是林地。土地利用方式主要有林地、草地、灌丛、农田(图1B)，其中森林类型(林地)包括阔叶林、针叶林和针阔混交林(混交林)。

1.2 样品采集与测定

2015—2018年间，完成土壤样品采集和分析工作，土壤采样点布置如图1A。根据Envisat卫星2009年的地表覆盖数据(林地面积大于50%)，充分考虑海拔、土壤类型、土地利用方式、森林类型、分布及结构等基础上布设样地，共采集399个表层(0～20 cm)样点(包括252个森林、35个灌丛、20个草地和92个农田样点)和374个亚表层(≥20～40 cm)样点(包括243个森林、23个灌丛样地、20个草地和88个农田样点)，在样方内采集至少5处0～20 cm和≥20～40 cm深度的土壤样品，混合缩分至1 kg。每个取样点以GPS精确定位，土壤样品运回实验室后及时进行风干、研磨、过筛备用。参照文献[11-13]进行相关数据分析，有机质采用重铬酸钾-硫酸消化法，土壤颗粒组成采用激光粒度仪法，容重采用环刀法，pH以电位法[11]测定。

1.3 地理探测器模型分析

采用王劲峰等[13]研发的地理探测器对研究区土壤有机碳密度(soil organic carbon density，SOCD,式中记为cSOCD)的影响因素进行交互探测分析，探测两因子间的交互作用、程度和类型，计算公式如下：

(1)

1.4 数据处理与分析

不同层次土壤有机碳密度计算公式为：

Ci,SOCD=Ci×Di×Hi×(1-Gi)/100。

(2)

式中：Ci,SOCD为第i层土壤有机碳密度，kg/m2；i为土壤层次；Ci为第i层土壤有机碳含量，g/kg；Di为第i层土壤容重，g/cm3；Hi为第i层土层厚度，cm；Gi为第i层土层中直径大于2 mm的石砾所占的体积百分比，%。

在众多的插值模型中，由于克里金插值以空间结构分析为基础，权重的计算不仅基于待测点和已知点之间的空间距离，还充分考虑了已知点位置和属性值的整体空间分布特征，因此插值精度往往高于反距离权重、样条函数等插值模型。在地形起伏较大的山区，普通克里金插值的模型优于指数、线状、高斯模型[12]。在ArcGIS 10.6软件支持下，选用普通克里金的球面模型对采样点进行插值获得SOCD空间分布图，土壤类型、数字高程模型(digital elevation model，DEM)、土地利用及森林类型数据分别来自国家地理空间数据云网站的全国1∶100万土壤类型数据、水源地DEM(分辨率90 m)和水源地Landsat影像(分辨率30 m)。

图2 南水北调中线工程水源地研究区0～20 cm(A)和 ≥20～40 cm(B)土层土壤有机碳密度(SOCD)的空间分布Fig.2 Spatial distributions of SOCD in 0-20 cm (A) and ≥20-40 cm (B) in the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳密度统计及空间分布特征

研究发现，南水北调中线工程水源地表层(0～20 cm)与亚表层(≥20～40 cm)SOCD空间分布基本一致，具有较高的非均质性特征，呈现南北高、中间低的格局(图2)。表层SOCD均值为4.18 kg/m2，在草地中为最小值(0.29 kg/m2)，在林地中为最大值(17.07 kg/m2)，最小值和最大值样点均位于水源地东南部，变幅达16.78 kg/m2；亚表层的SOCD介于0.21～13.75 kg/m2，均值为2.67 kg/m2，变幅为13.54 kg/m2。表层的SOCD显著高于亚表层的(P<0.05)，前者是后者的1.57倍，土壤有机碳具有明显的表聚性，这与以往的研究结果[14]一致。表层与亚表层的SOCD变异系数分别为56.94%和60.69%，均属于中等空间变异，表层的SOCD变异程度小于亚表层。研究区表层SOCD高于谢宪丽等[15]根据第二次土壤普查数据计算的全国平均水平(2.67 kg/m2)，是全国平均水平的1.57倍，高于陕西省平均水平(3.89 kg/m2)，低于湖北省平均水平(4.52 kg/m2)[16]。研究区表层平均SOCD最高的是林地，高于相应土层的江西省林地平均水平(4.52 kg/m2)[17]，低于自然土壤表层平均SOCD(5.70 kg/m2)。高程上，SOCD在高海拔区域较高，在低海拔区域较低；土壤类型上，石灰(岩)土、暗棕壤及棕壤的较高，褐土、黄褐土及新积土的较低；土地利用上，林地的高，草地的低；森林类型上，阔叶林的高，针叶林的低。

由图2A结合图1发现，高程上，表层SOCD随海拔梯度升高呈先增大后减小的趋势，在0～500 m最小，为3.15 kg/m2；在海拔≥1 500～2 000 m最大，为7.32 kg/m2；在海拔≥2 000 m时，SOCD下降；土壤类型上，SOCD最大的石灰(岩)土与最小的褐土分别为5.44 kg/m2和3.35 kg/m2，石灰(岩)土的SOCD比褐土的高62.39%；土地利用类型上，SOCD最大的是林地(4.87 kg/m2)，最小的是草地(1.45 kg/m2)，草地的SOCD只有林地的29.77%；森林类型上，SOCD最大的阔叶林(5.35 kg/m2)是最小的针叶林(4.43 kg/m2)的1.21倍。低海拔地区的多数草地样点SOCD低于1 kg/m2。亚表层SOCD在高程、土地利用类型及森林类型上的变化规律与表层基本一致，而在土壤类型上，亚表层SOCD最大的是棕壤(3.69 kg/m2)，最小的是新积土(1.50 kg/m2)，棕壤的SOCD是新积土的2.46倍。

2.2 不同土壤类型的土壤有机碳密度分布差异

土壤类型对土壤有机碳的影响主要通过土壤结构、养分状况以及土壤理化性质等方面的差异来体现。不同类型的土壤成土过程不同，以及生物地化过程的差别将导致土壤有机碳含量的差异。不同土壤类型表层与亚表层SOCD差异显著(P<0.05)，均随土层深度的增加而降低(表1)。不同土壤类型表层SOCD均值处于3.35～5.44 kg/m2，表层SOCD最大的是石灰(岩)土(5.44 kg/m2)，最小的是褐土(3.35 kg/m2)(表1)，石灰(岩)土的SOCD是褐土的1.62倍。总体上，表层石灰(岩)土、棕壤和暗棕壤SOCD远大于其他土壤类型的(P<0.05)。不同土壤类型亚表层SOCD均值变化范围为1.50～3.69 kg/m2，SOCD最大的是棕壤(3.69 kg/m2)，最小的是新积土(1.50 kg/m2)。亚表层棕壤和石灰(岩)土SOCD基本上与其他土壤类型差异显著(P<0.05)(表1)。

表1 南水北调中线工程水源地研究区不同类型土壤有机碳密度及碳储量Table 1 The SOCD and carbon storage of different soil types in the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

黄棕壤和棕壤是研究区主要的土壤类型，分别占研究区面积的53.97%和16.44%，其表层SOCD均高于相应的全国平均水平黄棕壤的3.24 kg/m2和棕壤的3.13 kg/m2[18]，分别是全国平均水平的1.21倍和1.66倍；其碳储量也是研究区碳库的主要组成部分，有机碳储量分别为2.005 Pg和0.815 Pg，分别占总储量的51.78%和21.05%。石灰(岩)土、暗棕壤和水稻土表层SOCD较高，但其占总面积的比例仅为4.77%、0.60%和2.81%，在研究区分布较少，表层土壤有机碳储量仅占总储量的6.38%、0.76%和3.20%(表1)。表层与亚表层不同土壤类型SOCD在海拔<2 000 m时随海拔梯度的升高呈增大的趋势。在表层，海拔从≥500～1 000 m、≥1 000～1 500 m到≥1 500～2 000 m不同土壤类型SOCD均值分别从3.96、4.97增加到5.09 kg/m2(表1)。

2.4 不同土地利用类型的土壤有机碳密度分布差异

不同土地利用类型是影响土壤有机碳分布的重要因素之一，不同的土地利用改变生态系统植物种类的组成和群落结构，通过影响凋落物、根系分泌物、土壤微生物群落等导致土壤碳储量的变化[19]。不同土地利用类型表层与亚表层SOCD均表现为林地>灌丛>农田>草地。表层林地与灌丛SOCD间无显著差异(P>0.05)，其他土地利用类型间均差异显著(P<0.05)，亚表层不同土地利用类型SOCD均差异显著(表2)。

表2 南水北调中线工程水源地不同土地利用类型土壤有机碳密度Table 2 The SOCD in different land use types of the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

土地利用类型中林地的SOCD及分布面积最大，是区内碳储量贡献最大的土地利用类型。由于灌丛分布面积最小，其碳储量占比最小。土地利用的变化将会影响土地利用方式的分布和SOCD，进一步引起土壤碳储量的升高和降低，成为区域“碳源”或“碳汇”区。林地在区内分布较广且SOCD较大，被开垦利用的可能性较大，林地若受到人为破坏转变为农田，将由“碳汇”区向“碳源”区转变，因此林地和农田的分布和变化是控制和影响本研究区内土壤碳储量的主要土地利用类型(表2)。在相同海拔梯度不同土地利用方式中，表层与亚表层SOCD大小表现为林地、灌丛>农田、草地(图3)。

不同海拔区域的气温、降水和植被类型等会存在一定差异，植被凋落物与微生物活性的差异会影响土壤有机碳的积累[20]。从图3可以看出，在相同土地利用类型不同海拔梯度，表层与亚表层均表现为林地和灌丛SOCD在海拔≥1 500～2 000 m最大，农田SOCD在海拔<1 500 m范围内随海拔梯度的升高而增大，草地SOCD在海拔<1 000 m的范围内随海拔梯度的升高而减小(图3)。

图3 南水北调中线工程水源地不同海拔和土地利用类型土壤有机碳密度Fig.3 The SOCD of different elevation gradients and land uses SOCD of different land use types in the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

2.5 不同森林类型的土壤有机碳分布差异

不同类型的森林因地表植被覆盖、凋落物量、土壤微生物的分解作用及人为干扰等差异，影响SOC的输入和输出，从而影响SOCD[21]。分析可知(表3)，3种森林类型林地表层与亚表层SOCD由大到小的顺序为阔叶林>混交林>针叶林，阔叶林的SOCD显著大于针叶林的(P<0.05)。阔叶林地表层与亚表层SOCD比针叶林分别提高了20.77%和22.64%，但阔叶林与混交林、混交林与针叶林的SOCD差异不显著(P>0.05)；不同森林类型林地表层与亚表层SOCD均差异显著(P<0.05)。

阔叶林和针叶林地表层SOCD均在海拔≥1 500～2 000 m范围最大，而混交林在海拔≥2 000 m范围最大，阔叶林亚表层的SOCD在海拔≥1 500～2 000 m范围最大，针叶林和混交林在海拔≥2 000 m范围最大(图4)。

表3 南水北调中线工程水源地不同森林类型土壤有机碳密度Table 3 The SOCD of different forest types SOCD in different land use types of the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

图4 南水北调中线工程水源地不同海拔和森林类型土壤有机碳密度Fig.4 The SOCD in different elevation gradients and forest layers SOCD of different land use types in the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

2.6 影响土壤有机碳密度的驱动因子分析

土壤作为复杂的耦合系统，SOCD的含量与分布受多种因素共同影响，交互作用是检验两因子交互是否增加、减弱或相互独立的影响因变量。本研究中森林类型的分类较少，运用地理探测器分析的准确度低，海拔和土地利用等的改变必然会引起土壤的理化性质发生相应的改变，而这些因素对SOCD的影响不容忽视。故本研究采用地理探测器对海拔、土壤类型、不同土地利用类型及土壤性质(黏粒、砂粒、容重、pH)对SOCD空间分异影响进行交互分析。结果表明，海拔和土地利用对SOCD空间分异的解释力较大，q值分别为0.25和0.20，土壤性质的解释力为黏粒(0.11)>pH(0.086)>砂粒(0.066)>容重(0.048)，土壤类型的解释力相对较小，为0.07。不同因子在交互作用下的解释力均明显增强，海拔与土地利用交互影响最强(0.35)，海拔与黏粒含量交互影响(0.33)次之(表4)，表明研究区SOCD受到多因素的共同制约，并非单一因子对SOCD空间分布起决定性作用。

表4 南水北调中线工程水源地因子交互值及交互效应Table 4 Interaction values and effects of SOCD influencing factors of different land use types of the water source area of the Middle Route of China South-to-North Water Diversion Project

3 讨 论

随着土壤深度的增加土壤有机碳密度(SOCD)减小，主要因为植物根系集中分布在土壤表层，凋落物和腐殖质以及土壤微生物的分解对土壤有机碳的贡献主要作用于地表，且随土壤深度的增加而减弱，由于农田人为施肥使表层SOCD相对较高，有机物料的施用也会影响土壤碳[22]。环境变量也会影响土壤有机碳空间分布[23]，研究区表层SOCD比全国平均水平高56.55%，这可能与南水北调中线工程水源地林地分布面积较大(占比77.38%)有关，丰富的凋落物可使林地土壤有机碳长期保持在较高水平。山地土壤中，不同土壤类型的形成主要是成土母质在不同海拔受不同水热条件和地表植被影响的结果。石灰(岩)土较高的SOCD可能与石灰岩发育的土壤含有较高比例的黏粒、水稳性团聚体数量和质量等特性有关，暗棕壤及棕壤主要分布在较高海拔的林地，高海拔区域温度低，植被保存较为完好，人为干扰小，故其SOCD较高。水稻土属于水成土，水分长期饱和使土壤处于前期还原状态，有利于有机质的积累，使水稻土SOCD相对较高。新积土可能因为成土时间短、生物活动性较低，土壤有机质积累缓慢；褐土主要分布在丹江流域西北部海拔1 000 m左右的油松(Pinustabuliformis)林内，油松针叶林凋落物中木质素、树脂较含量高，分解速率较慢；黄褐土是研究区内除棕壤和黄棕壤外分布面积相对较大的土壤类型，因其质地黏重，渗透性差，遇降水易形成地面径流等使土壤贫瘠，因此研究区内新积土、黄褐土和褐土表层的SOCD低于其平均值(4.18 kg/m2)。

水源地的林地土壤类型主要是黄棕壤和棕壤，灌丛和草地土壤类型主要是黄棕壤，农田的主要土壤类型是黄棕壤和水稻土。落叶阔叶林的主要植被类型是栓皮栎(Quercusvariabilis)林和锥栗(Castaneahenryi)林，针阔叶混交林的主要植被类型是马尾松(Pinusmassoniana)-栓皮栎混交林、油松-栓皮栎混交林，针叶林的主要植被类型是马尾松林、油松林。林地转变为农田后，植被枯落物和根系死亡周转输入到土壤中的碳减少，同时山区的坡耕地由于地表覆盖降低，加剧了土壤侵蚀，造成土壤碳的流失，尤其是表层土壤[24]。翻耕管理导致团聚体对土壤有机碳的保护作用遭到破坏，使原来受团聚体保护的土壤有机质暴露在微生物和酶的作用下，导致矿化速率增加。凋落物是林地土壤有机碳的主要来源，凋落物分解的快慢及其养分释放的多少，决定了土壤中有效养分的供应状况，较低的C/N促进凋落物的分解[25]，阔叶林凋落物中的C/N比针叶林的小，针叶林凋落物分解后形成的酸性环境抑制了微生物的活动等，是使SOCD表现为阔叶林>混交林>针叶林的主要原因。在林地经营过程中，可补种阔叶林来提高林地SOCD[26]。

海拔通过改变温度和降水，使土壤微气候、植被、土壤类型、土地利用等发生相应的改变，进而影响SOCD沿海拔梯度的分布[27-28]。南水北调中线工程水源地SOCD在海拔1 500～2 000 m达到峰值，当海拔≥2 000 m时，SOCD下降，这与李龙等[29]的研究结果一致。低海拔区域，温度相对较高，降水较少，有机质分解快，且人口密度大及人为干扰强，导致SOCD较低。随海拔升高，温度降低，微生物活动降低，利于有机碳积累，同时人口密度减小和人为干扰降低，植被质量提高，故SOCD随海拔升高而增大。当海拔升至一定高度时，温度进一步下降使植被生长期缩短，林分类型发生相应变化，同时林分郁闭度和质量下降，造成SOCD下降。