文 雯，周寶同，汪亞峰，梁 地

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100871 3 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715

黃土高原羊圈溝小流域土地利用時(shí)空變化的土壤有機(jī)碳效應(yīng)

文 雯1,2，周寶同3，汪亞峰1,*，梁 地1

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100871 3 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715

土地利用變化是影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和分布變化的重要驅(qū)動(dòng)因素，為進(jìn)一步探討土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，根據(jù)土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、土地利用類型圖，分析了黃土丘陵溝壑區(qū)羊圈溝小流域2006—2011年土地利用變化及其對(duì)表層土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量的影響，主要結(jié)論如下：(1)小流域土地利用發(fā)生較大變化，主要集中在喬木林地和灌木林地面積的增加，分別為39.697、46.404 hm2；以及草地面積的減少，為64.030 hm2；(2)土地利用方式的變化會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳密度及儲(chǔ)量的變化，其中轉(zhuǎn)變用地類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加587.25 kg，以荒草地轉(zhuǎn)出類型增加的土壤表層有機(jī)碳儲(chǔ)量最多，為441.64 kg；灌木林地轉(zhuǎn)出類型減少的土壤表層有機(jī)碳儲(chǔ)量最多，為-21.01 kg。草地-灌木林地、草地-喬木林地、坡耕地-草地、坡耕地-灌木林地、坡耕地-喬木林地、坡耕地-壩地、梯田-草地、梯田-灌木林地、梯田-喬木林地、梯田-壩地、壩地-草地、壩地-灌木林地、壩地-喬木林地等轉(zhuǎn)換用地類型的表層土壤碳密度增加值高于保持用地類型碳密度的增加值，說(shuō)明這些地類的轉(zhuǎn)換有利于表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加，即有利于表層土壤碳匯的形成；而其他地類轉(zhuǎn)換造成了表層土壤的碳排放，應(yīng)該引起足夠的重視；(3)土壤固碳應(yīng)著眼于長(zhǎng)期效應(yīng)，頻繁的土地利用類型轉(zhuǎn)化可能會(huì)降低土壤碳截流效果，黃土丘陵區(qū)植被重建的長(zhǎng)期利用和保持更有利于土壤有機(jī)碳的積累。

土地利用變化; 土壤有機(jī)碳; 羊圈溝小流域; 黃土丘陵地區(qū)

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大而又最活躍的有機(jī)碳庫(kù)，也是全球碳循環(huán)的重要組成部分，對(duì)全球氣候變化有著重要的影響[1]，其微小變化都將顯著地影響著碳匯或碳源的大小和分布[2]，增加土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量可以減緩由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣CO2的增加，相反，土壤中碳的釋放將加速大氣CO2的升高[3]，它是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和土地可持續(xù)利用管理中必須考慮的重要指標(biāo)[4]。

土地利用變化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要因素之一，也是僅次于石化燃料燃燒而使大氣CO2濃度急劇增加的主要人為活動(dòng)[5]。土地利用變化發(fā)生后，由于影響土壤有機(jī)碳(SOC)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和相關(guān)性質(zhì)發(fā)生了變化，使SOC的儲(chǔ)量、分布等也發(fā)生了變化，這些變化又將進(jìn)一步影響土壤向大氣釋放CO2的強(qiáng)度與過(guò)程，因此土地利用變化對(duì)SOC儲(chǔ)量、分布的影響，是對(duì)SOC影響的本質(zhì)[6]。使土壤碳庫(kù)貯量積累的過(guò)程是碳匯，而使土壤碳貯量減少的過(guò)程是碳源。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)土地利用變化過(guò)程對(duì)土壤碳貯量的影響是增加還是減少，是直接影響還是間接影響，對(duì)于準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯功能具有重大意義[7]。

SOC的時(shí)空變異性是指在土壤質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi)，SOC在同一時(shí)刻、各個(gè)空間位置上或在不同時(shí)刻、同一空間位置上量值的差異性，其變化情況不僅反映SOC變化趨勢(shì)，印證了區(qū)域生態(tài)演變規(guī)律和生態(tài)建設(shè)的基本成果，也是國(guó)際全球氣候變化問(wèn)題研究的核心內(nèi)容之一[2]。目前對(duì)于SOC變化的研究多集中于同一時(shí)刻的不同土地利用類型之間的比較分析[8]，而不同時(shí)刻同一地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換后的土壤碳效應(yīng)差異研究還有待深入。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究也表明合理的土地利用方式變化可以增加SOC含量并影響其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化[7-9]，但在黃土高原小流域尺度上的相關(guān)試驗(yàn)研究較少。黃土高原地區(qū)地形破碎，土地利用類型復(fù)雜多樣，也是我國(guó)SOC儲(chǔ)量最低的地區(qū)之一[9-10]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，該地區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作，尤其是退耕還林工程，通過(guò)植被恢復(fù)引起了土地利用的變化，并改變了土壤內(nèi)部及與植物群落的養(yǎng)分循環(huán)，必然引起土壤碳庫(kù)變化[11]。由于大量的SOC集中于20 cm以內(nèi)的表層中，在不同的土地利用方式作用下，其空間變異較深層(20 cm以下)的影響更大[12-13]。因此，本文以黃土丘陵溝壑區(qū)的羊圈溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合碳“匯”、“源” 的概念，采用野外調(diào)查、室內(nèi)分析并與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)小流域尺度在2006—2011年土地利用變化影響表層土(0—20 cm)有機(jī)碳密度、儲(chǔ)量及其空間分布格局變化進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)提供參考，也可以為大尺度的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)槲挥谘影彩袑毸^(qū)東北方向14 km處李渠鎮(zhèn)的羊圈溝流域(36°42′N，109°31′E)，總面積為2.02 km2，為延河左岸的二級(jí)支溝，碾莊溝流域的一級(jí)支流。區(qū)域地貌類型為黃土梁和黃土溝，溝谷密度為2.74 km/km2，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)。區(qū)域氣候?yàn)榘敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量535 mm，降水多集中在7—9月，年際變率大。流域內(nèi)土壤以黃綿土為主，抗蝕性差，水土流失嚴(yán)重。近年來(lái)流域內(nèi)實(shí)施了退耕還林工程，經(jīng)過(guò)十幾年的流域治理，農(nóng)業(yè)景觀發(fā)生了很大的變化。流域植被在區(qū)劃上屬于森林草原過(guò)渡帶，流域內(nèi)由于人為活動(dòng)的干擾，自然植被破壞殆盡，多為人工種植而形成的次生植被，植物種類主要有刺槐(Robiniapseudoacacia)、柳樹(shù)(Salixspp.)和楊樹(shù)(Poplarspp.)等。

1.2 采樣方法

分別于2006年和2011年在黃土丘陵區(qū)羊圈溝流域選取6種具有代表性的土地利用方式進(jìn)行采樣：草地、灌木林地、喬木林地、梯田、坡耕地和壩地(水域和建設(shè)用地?zé)o采樣點(diǎn))。兩次采樣方法相同，均按土地利用類型和土壤斷面，同時(shí)考慮微地貌布設(shè)采樣點(diǎn)，采用地形剖面線法進(jìn)行坡面采樣，采用5點(diǎn)混合的方式采集混合樣。采樣點(diǎn)為114個(gè)，按照土地利用類型面積比例分配采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，以保證樣本對(duì)不同土地利用類型的代表性，面積比例較大的地類如喬木林地和灌木林地樣點(diǎn)分布較多，而面積比例較小的地類，如壩地和坡耕地樣點(diǎn)分布較少。取樣器為荷蘭Eijkekamp公司生產(chǎn)的直徑為6 cm的半圓鑿型土鉆。采樣深度為0—20 cm，土壤樣點(diǎn)的具體分配和分布情況如表1、圖1所示。野外采樣時(shí)采用GPS定點(diǎn)，確定每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，同時(shí)詳細(xì)記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的坡度、坡向及其土地利用類型等信息。

表1 黃土丘陵區(qū)羊圈溝流域土地利用面積、采樣數(shù)及其所占比例

圖1 研究區(qū)域樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sample sites in study area

1.3 樣品分析方法

(1)粒徑測(cè)定 取土壤樣品過(guò)2 mm篩后測(cè)定土壤粒徑，分析采用Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行，測(cè)定前處理主要是去除土壤有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，上機(jī)前用六偏磷酸鈉溶液分散土壤溶液，測(cè)量范圍為0.02—2000 μm，重復(fù)測(cè)量誤差小于±3%。

(2)SOC含量測(cè)定 取土壤樣品過(guò)0.28 mm篩后，采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法[14]進(jìn)行測(cè)定。

(3)土壤容重(Db)測(cè)定 采用環(huán)刀法測(cè)定[15]。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 有機(jī)碳密度(DOC)計(jì)算方法

DOC=SOC×γ×H×(1-δ2mm/100)×10-1

(1)

式中，DOC為SOC密度(g/m2)；SOC為SOC重量含量(g/kg)；γ為土壤容重(g/cm3)；H為土層厚度(cm)；δ2mm為>2 mm土壤粒徑百分含量[16]。

1.4.2 有機(jī)碳儲(chǔ)量(POC)計(jì)算方法

(2)

式中，POC為SOC儲(chǔ)量(g)；Si為第i種土地利用的面積(m2)，DOCi為第i種土地利用類型的SOC重量密度(g/m2)[5]。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

土地利用變化對(duì)SOC的影響是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其研究方法包括間接方法和直接方法。間接方法包括相鄰樣地比較(Paired sites)和空間代替時(shí)間方法(Chronosequence)[17-18]，需要的時(shí)間較短、易于操作，但是不夠客觀，是預(yù)測(cè)的理想結(jié)果，忽略了土地利用變化中的實(shí)際演變過(guò)程；直接測(cè)定的方法為不同時(shí)間在同一土地利用方式下重復(fù)采樣分析，這種方法雖然需要較長(zhǎng)的時(shí)間和嚴(yán)格的控制條件，但是反映的是樣地的實(shí)際變化特征，真實(shí)客觀。本研究鑒于對(duì)研究地區(qū)的土地利用變化的長(zhǎng)期觀測(cè)、準(zhǔn)確的時(shí)間記載和系統(tǒng)的研究，采用直接測(cè)定比較的方法。

首先在Mapgis軟件中，將2006年和2011年通過(guò)GPS測(cè)得的采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)與羊圈溝流域的空間分布坐標(biāo)相連接，將測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入羊圈溝流域的點(diǎn)位表中，添加到地形圖中，得到研究區(qū)域采樣點(diǎn)的分布圖(圖1)。然后，根據(jù)采樣點(diǎn)的數(shù)值，采用基于土地利用類型修正的普通克里金空間插值法[19]生成2006年和2011年羊圈溝流域表層的SOC密度圖，并提取出不同土地利用類型的平均有機(jī)碳密度，并據(jù)此分析2006—2011年羊圈溝流域表層SOC密度的變化情況。再對(duì)羊圈溝流域2006和2011年的土地利用遙感解譯圖進(jìn)行空間疊加生成2006—2011年土地利用變化圖，將此圖與生成的表層SOC密度的變化圖疊加后進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)，即可得出土地利用變化與表層SOC密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

以羊圈溝流域2006和2011年的土地利用類型圖(圖1)為底圖得到的2006—2011年各土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表2所示。其中變化最為劇烈的主要有：草地轉(zhuǎn)化為灌木林地，面積為27.680 hm2，占2006年草地總量的30.35%；草地轉(zhuǎn)化為喬木林地的面積為30.927 hm2，占2006年草地總量的33.91%；坡耕地轉(zhuǎn)為梯田，約為10.999 hm2，占2006年坡耕地總量的43.54%。這是由于這期間流域內(nèi)加大了水土流失治理措施，調(diào)整了土地利用結(jié)構(gòu)，使得流域內(nèi)喬木林地和灌木林地所占比重增加，遍布整個(gè)小流域。由于植樹(shù)造林，梯田轉(zhuǎn)換為喬木林地和灌木林地的趨勢(shì)較大，尤其是在流域東邊和西邊較為明顯，大部分荒草地也轉(zhuǎn)換為喬木林地、灌木林地和坡耕地，草地是最大的轉(zhuǎn)出者，喬木林地和灌木林地是最大的轉(zhuǎn)入者。

表2 羊圈溝流域2006至2011年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

2.2 土壤有機(jī)碳密度變化

2006年羊圈溝流域表層土壤平均有機(jī)碳密度為10.27 g/m2，其中喬木林地>灌木林地>草地>壩地>梯田>坡耕地；2011年表層SOC密度較2006年略有所增加，平均值為11.01 g/m2，兩年的SOC密度空間分布圖見(jiàn)圖2，不同地類表層土壤碳密度兩年間的變化情況見(jiàn)表3。從羊圈溝流域SOC密度變化圖(圖3)可知，西北地區(qū)表層SOC密度以增加為主，其轉(zhuǎn)變用地類型主要為：轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖值亍棠玖值氐募氨３植蛔兊墓嗄玖值?、喬木林地等；而中部及東南地區(qū)的地區(qū)以減少為主，其轉(zhuǎn)變用地類型主要為轉(zhuǎn)變?yōu)榧氨３植蛔兊钠赂氐取?/p>

圖2 2006年、2011年羊圈溝流域表層土壤有機(jī)碳密度圖 Fig.2 Surface Soil Organic Carbon (SOC) density in Yangjuangou watershed in 2006 and 2011

圖3 2006年—2011年羊圈溝流域表層土壤有機(jī)碳密度空間格局變化 Fig.3 Spatial changes of the surface SOC density in Yangjuangou watershed from 2006 to 2011

表3 2006年—2011年羊圈溝流域表層土壤有機(jī)碳密度變化

2.3 土地利用變化對(duì)表層土壤有機(jī)碳密度及儲(chǔ)量的影響

2.3.1 保持用地類型土壤有機(jī)碳變化

SOC儲(chǔ)量比較全面地反映了土地利用變化對(duì)SOC的影響。由于不同土地利用類型SOC密度存在著差異，因此SOC儲(chǔ)量也存在差異[5]。由保持利用類型的SOC密度及碳儲(chǔ)量變化表(表4)可知：2006—2011年保持不變的土地利用類型面積61.852 hm2，占整個(gè)流域總面積的30.62%。就SOC密度而言，雖然整個(gè)流域保持利用類型的SOC密度變化較小，但保持不變的草地、灌木林地、喬木林地、梯田及壩地的變化值均為正；而保持坡耕地的變化值均為負(fù)。整個(gè)流域保持用地類型表層SOC儲(chǔ)量共增加211.64 kg，其中坡耕地減少量最多，為-88.25 kg，而喬木林地增加量最多，為177.53 kg。

2.3.2 轉(zhuǎn)變土地用地類型土壤有機(jī)碳變化

轉(zhuǎn)變土地利用類型SOC密度及碳儲(chǔ)量變化情況如下：羊圈溝流域從2006到2011年，轉(zhuǎn)變用地類型面積1.25×106 m2，占羊圈溝流域總面積的63.79%，轉(zhuǎn)變土地利用類型的表層SOC密度的變化區(qū)間為-0.08—0.14 g/m2。從有機(jī)碳密度來(lái)看，轉(zhuǎn)入為灌木林地、喬木林地及梯田的類型，有機(jī)碳密度多為增加，而轉(zhuǎn)為坡耕地的均減少。

整個(gè)流域轉(zhuǎn)變用地類型的SOC儲(chǔ)量增加587.25 kg，其中草地轉(zhuǎn)出類型增加的土壤表層有機(jī)碳儲(chǔ)量最多，為441.64 kg；灌木林地轉(zhuǎn)出類型減少的土壤表層有機(jī)碳儲(chǔ)量最多，為-21.01 kg。

表4 2006年至2011年保持用地類型土壤有機(jī)碳密度、儲(chǔ)量變化表

圖4 2006年至2011年轉(zhuǎn)變與保持用地類型有機(jī)碳密度變化值比較Fig.4 Comparison of SOC density change between changed and maintained land use types from 2006 to 2011

2.3.3 保持和轉(zhuǎn)變用地類型土壤有機(jī)碳變化對(duì)比分析

將小流域2006—2011年保持用地類型表層土壤碳密度的變化值與轉(zhuǎn)變用地類型表層土壤的碳密度變化值進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)(圖4),保持用地類型和轉(zhuǎn)變用地類型的表層SOC密度均發(fā)生顯著變化。草地-灌木林地、草地-喬木林地、坡耕地-草地、坡耕地-灌木林地、坡耕地-喬木林地、坡耕地-壩地、梯田-草地、梯田-灌木林地、梯田-喬木林地、梯田-壩地、壩地-草地、壩地-灌木林地、壩地-喬木林地等轉(zhuǎn)換類型表現(xiàn)為表層土壤碳密度增加值高于保持用地類型碳密度的增加值，說(shuō)明這些地類的轉(zhuǎn)換有利于表層SOC儲(chǔ)量的增加，即有利于表層土壤碳匯的形成；而其他地類之間的轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出轉(zhuǎn)變用地類型的表層土壤碳密度增加值低于保持用地類型碳密度的增加值，說(shuō)明在這些地類轉(zhuǎn)換過(guò)程中造成了表層有機(jī)碳的釋放，不利于土壤碳匯的形成。

3 討論

3.1 易形成碳匯的土地利用轉(zhuǎn)變方式

研究表明，得益于國(guó)家退耕還林政策的實(shí)施，羊圈溝小流域的耕地面積明顯減少，灌木林地和喬木林地面積顯著增加，植被恢復(fù)效果明顯。通過(guò)合理的土地利用方式轉(zhuǎn)變，可以提高土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入量，減少土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化分解，增加SOC匯[21]。

林地植被覆蓋度較高，林下凋落物較厚，攔蓄水土、阻擋表層土壤養(yǎng)分功能較強(qiáng)，且根系分泌物和凋落物輸入較大，從而使表層SOC的密度高于其他用地，坡耕地和草地造林后SOC匯的功能強(qiáng)度都將增強(qiáng)[13]。因而草地-灌木林地、草地-喬木林地、坡耕地-灌木林地、坡耕地-喬木林地、梯田-灌木林地、梯田-喬木林地、壩地-灌木林地、壩地-喬木林地等轉(zhuǎn)變均有利于土壤表層碳匯的形成。造林作為干旱-半干旱區(qū)一種重要的生態(tài)恢復(fù)手段，已在世界范圍引起重視和關(guān)注[7]。

壩地可以攔截泥沙、流域地表的有機(jī)質(zhì)及其它大量養(yǎng)分。土壤水分充足，則其透氣性差，原有機(jī)碳分解速率小，外源有機(jī)殘?bào)w在水分作用下易于腐爛降解成有機(jī)物質(zhì)，從而有利于SOC密度的提高。壩地在流域的上、中和下游均有分布，黃土高原侵蝕劇烈，降雨侵蝕導(dǎo)致的水沙能在很短的時(shí)間內(nèi)被壩地?cái)r截，泥沙淤積迅速，所以SOC被氧化的可能性較小，并搬運(yùn)到壩地中累積。在流域單元內(nèi)，淤地壩工程的固碳效應(yīng)是整個(gè)流域固碳的重要方面[11]。坡耕地土壤水分不足，土壤孔隙度大，加大有機(jī)碳分解速率，不利于SOC的積累，因而，坡耕地-壩地的有機(jī)碳密度增加。

梯田主要分布在峁坡，其有效地控制了水土流失并承接了來(lái)自峁頂?shù)膮R水匯沙，因而使處于強(qiáng)烈侵蝕帶的峁坡SOC密度升高。而坡耕地以果園為主，果園屬于經(jīng)濟(jì)林，林種單一，凋謝物少，植物殘?bào)w歸還量少，導(dǎo)致碳輸入量低，控制水土流失能力以及承接上方泥沙的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于梯田，因而坡耕地-梯田會(huì)使有機(jī)碳密度增加[13, 20]。

草地主要以自然恢復(fù)天然草地為主，大面積分布在峁坡，植被覆蓋度較高，且有零星的喬木和灌木植被，有效地減少了土壤侵蝕和水土流失。坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸豐OC蓄積量的增加主要來(lái)源于高生物量、凋落物留存和高根系生物量[22]，因而坡耕地-草地的轉(zhuǎn)變有利于有機(jī)碳密度的增加。正如Gebhart等[23]發(fā)現(xiàn)美國(guó)中部平原的農(nóng)地變成草地之后300 cm土壤中有機(jī)碳增加110.0 gC m-2a-1，該值是最大的增長(zhǎng)速率。Lugo等[24]在亞熱帶濕潤(rùn)森林區(qū)的研究證明了農(nóng)田被草地代替之后，平均積累速率為33.2 gC m-2a-1等。然而草地?cái)r截水土能力弱于林地，天然草地根系分泌物和凋落物輸入高于農(nóng)田和坡耕地(果園)但低于喬木林地和灌木林地[23-24]。

3.2 易形成碳源的土地利用轉(zhuǎn)變方式

由于實(shí)施退耕還林工程，從2006年以來(lái)，流域內(nèi)坡耕地基本消失，僅為0.23 hm2，到2011年，原有坡耕地逐漸轉(zhuǎn)換為梯田及灌木林地，但是仍有少量處于坡面的荒草地被開(kāi)發(fā)為耕地，于是出現(xiàn)了少量坡耕地。轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂?果園和旱地)從而引起SOC損失的機(jī)制為：首先由于耕作的物理效應(yīng)，即耕作破壞了土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使土壤透氣性、溫度、水分條件得到改善，微生物呼吸作用增強(qiáng)，加速了SOC的分解，導(dǎo)致SOC的大量釋放；其次，開(kāi)墾使土壤的溫度和濕度條件在耕作中得到了改善，在一定程度上促進(jìn)了土壤的呼吸作用，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解；另外，收獲作物時(shí)大量地上部分被移走，從而大大減少了植被對(duì)土壤碳的歸還量，耕地的燒荒措施也使固定在植被中的碳全部釋放到大氣中[22]。因而草地-坡耕地造成土壤碳密度的減少，應(yīng)該降低土壤耕作強(qiáng)度，減少土壤呼吸強(qiáng)度，從而達(dá)到減少SOC消耗的目的[5]。

3.3 有機(jī)碳匯的長(zhǎng)期效應(yīng)

本研究中2006—2011年小流域尺度土壤碳密度雖整體雖呈增加趨勢(shì)，其變化幅度卻很小。這是由于SOC的累積和恢復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)應(yīng)著眼于長(zhǎng)期效應(yīng)，頻繁的土地利用變化可能會(huì)降低土壤碳截流效果，而長(zhǎng)期保持更有利于本區(qū)域土壤固存大氣中的CO2[25]。隨著退耕還林的開(kāi)展和壩地的增加，從生態(tài)系統(tǒng)流失的碳可以通過(guò)固碳重新被土壤和植被吸收，從而恢復(fù)退化的土壤，增加生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[26]。由圖5可知，喬木林地與灌木林地雖均為碳匯[16]，然而互相轉(zhuǎn)換后均造成SOC密度的降低，即不利于土壤碳的保持，因而就林地來(lái)說(shuō)，更適合保持不變，轉(zhuǎn)換樹(shù)種后，由于對(duì)土壤進(jìn)行了擾動(dòng)，反而造成了碳損失。增加生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能應(yīng)從增加輸入量、減少輸出量和增加穩(wěn)定性去實(shí)現(xiàn)[7]。

4 結(jié)論

(1)2006年到2011年，羊圈溝流域土地利用類型發(fā)生較大變化，主要集中在喬木林地和灌木林地面積的增加以及荒草地及坡耕地面積的減少。黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)的土壤固碳效應(yīng)表現(xiàn)出一定的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)評(píng)估本區(qū)域植被恢復(fù)的SOC截流量，以及預(yù)測(cè)未來(lái)SOC截流潛力有重要影響。

(2)土地利用方式的變化會(huì)導(dǎo)致SOC密度及儲(chǔ)量的變化，其中，轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍⑻萏?、壩地等類型的土地利用方式，有利于表層SOC儲(chǔ)量的增加，應(yīng)該保留；而轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂氐念愋驮斐闪吮韺油寥赖奶寂欧?，?yīng)該引起足夠的重視。然而在研究區(qū)域內(nèi)，居民點(diǎn)附近仍出現(xiàn)少量將荒草地開(kāi)發(fā)為坡耕地的現(xiàn)象，因此應(yīng)加強(qiáng)植被恢復(fù)的力度和管理強(qiáng)度，兼顧淤地壩、梯田的維護(hù)和建設(shè)。

(3)土壤固碳應(yīng)著眼于長(zhǎng)期效應(yīng)，頻繁的土地利用類型轉(zhuǎn)化可能會(huì)降低土壤碳截流效果，黃土丘陵區(qū)植被重建的長(zhǎng)期利用和保持更有利于SOC的積累。在野外條件下開(kāi)展關(guān)于土地利用變化后SOC庫(kù)的研究，可以在最接近自然狀況的條件下揭示SOC庫(kù)與土地利用變化相互作用的規(guī)律，但會(huì)受到土壤異質(zhì)性及人為頻繁擾動(dòng)的影響，雖然可以通過(guò)重復(fù)樣地和多點(diǎn)采樣進(jìn)行彌補(bǔ)，仍會(huì)造成一些變異性和不確定性結(jié)果，或會(huì)掩蓋某些規(guī)律性的變化，因此今后研究應(yīng)輔助以可控性更強(qiáng)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

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Effects of spatio-temporal changes of land-use on soil organic carbon in Yangjuangou watershed in Loess Plateau, China

WEN Wen1,2, ZHOU Baotong3，WANG Yafeng1,*, LIANG Di1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,China3CollegeofGeographicSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

Land use change is an important driving factor for changes of storage and spatial distribution of soil organic carbon (SOC). In order to study effects of land use change on SOC, we analyzed the spatio-temporal changes of land use and their effects on SOC content, density and storage of topsoil based on soil sampling data and land-use map from 2006 to 2011 in Yangjuangou watershed. The main conclusions include that, (1) Land use types in this watershed changed significantly from 2006 to 2011. The area of grass land, which mainly transformed into shrub land and arboreal land, decreased the most with 64.030 hm2, following by sloping farmland mainly transformed into terrace; the area of shrub land and arboreal land increased rapidly by 39.697 hm2, and 46.404 hm2respectively, which were converted from the grass land, terrace, sloping farmland, dam land and construction land; the area of terrace was so small that the transformation was not obvious. (2) Land use change caused change of density and storage of SOC. The increase of carbon storage due to land type changes was 587.25 kg, among which the contribution from changed land types converted from grass land was 441.64 kg. Within all the land use transformations, ‘grass land to shrub land’, ‘grass land to arboreal land’, ‘sloping farmland to grass land’, ‘sloping farmland to shrub land’, ‘sloping farmland to arbor land’, ‘sloping farmland to terrace’, ‘sloping farmland to terrace’, ‘terrace to grass land’, ‘terrace to shrub land’, ‘terrace to arboreal land’, ‘terrace to dam land’, ‘dam land to grass land’, ‘dam land to shrub land’, and ‘dam land to arboreal land’ showed higher SOC densities than those of the original land use types. It indicated that these land use transformations were conducive to increase of surface SOC and reduction of carbon emissions, which were beneficial to formation of surface soil carbon sink. However, other land use transformations, which caused increase of surface soil organic carbon emissions, should be paid more attention to. (3) The content, density and storage of SOC didn′t increase so much in Yangjuangou watershed from 2006 to 2011. Nevertheless, soil carbon sequestration should focus on the long-term effects, and frequent transformations of land use types may reduce the intercepting effect of soil carbon. The long-term utilization and maintain of vegetation reconstruction are much more conducive to accumulation of SOC in the Loess hilly-gully regions.Different transformations of land use types led to different regional changes of SOC storage. Those land use types which converted into shrub land and arboreal land contained the most SOC storage. Therefore, it is of extremely importance to protect forests to mitigate global warming, and the attention should be paid to afforestation and plantation tending management. Only seeking out a suitable mode of land resources management, which is beneficial to increase of sequestration of atmospheric CO2through soil and could reverse land degradation process, can it be the best choice for mitigating rising levels of CO2.

land use change; soil organic carbon; yangjuangou watershed; loess plateau

國(guó)家自然科學(xué)基金(40901098)

2014-01-25;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401250188

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yfwang@rcees.ac.cn

文雯，周寶同，汪亞峰，梁地.黃土高原羊圈溝小流域土地利用時(shí)空變化的土壤有機(jī)碳效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(18):6060-6069.

Wen W, Zhou B T，Wang Y F, Liang D.Effects of spatio-temporal changes of land-use on soil organic carbon in Yangjuangou watershed in Loess Plateau, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6060-6069.