周李磊，朱華忠，鐘華平，楊 華

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400047;3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

?

新疆伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間格局分析

周李磊1,2，朱華忠1，鐘華平3，楊 華2

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400047;3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

為了研究伊犁地區(qū)草地土壤碳庫(kù)的空間分布規(guī)律，本研究基于146個(gè)草地樣地的土壤全碳含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感及氣象數(shù)據(jù)，并利用地理學(xué)相關(guān)分析方法，構(gòu)建土壤全碳含量空間化模型，分析了伊犁地區(qū)草地不同土壤深度全碳含量空間格局特征，并對(duì)影響土壤全碳含量分布的主要因素進(jìn)行探討。結(jié)果表明,1)伊犁地區(qū)草地不同土壤深度(0-10、10-20、20-30、30-40 cm和4個(gè)土層均值)的全碳含量與海拔、年均氣溫、≥10 ℃年積溫和8月份NDVI極顯著相關(guān)(P<0.01)，與年均降水和濕潤(rùn)度顯著相關(guān)(P<0.05)，以這6個(gè)生態(tài)要素建立土壤全碳含量空間化模型，反演得到空間分辨率1 km的不同草地深度土壤全碳含量空間格局分布數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)結(jié)果表明空間化結(jié)果精度較高。2)伊犁地區(qū)草地0-40 cm土層土壤全碳平均含量為4.251 9%，并隨著土層深度的增加，草地土壤全碳含量呈下降趨勢(shì)。3)伊犁地區(qū)空間化結(jié)果反映不同深度土壤全碳含量空間格局存在差異，土壤全碳含量最小值出現(xiàn)在伊犁河沿岸兩側(cè)及特克斯河與伊犁河交匯處人類(lèi)活動(dòng)密集的區(qū)域，最大值均出現(xiàn)在南、北天山兩側(cè)，并沿著伊犁河向兩側(cè)高海拔區(qū)域逐漸增加。4)伊犁地區(qū)草地不同深度土壤全碳含量空間分布規(guī)律與草地類(lèi)型分布規(guī)律一致；人為活動(dòng)干擾(過(guò)度放牧、盲目開(kāi)墾)對(duì)草地土壤全碳含量影響較大。

土壤全碳；空間格局；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；草地；伊犁地區(qū)

隨著全球氣候變暖日益加劇，碳循環(huán)作為當(dāng)前全球氣候變化研究的核心問(wèn)題[1-2]，備受人們的關(guān)注，而草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球碳收支平衡中起重要作用[3-4]。中國(guó)天然草地面積4×108hm2，占國(guó)土面積的41.7%，主要分布在東北平原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、青藏高原以及新疆山地[4]，是中國(guó)最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)[5]。草地生態(tài)系統(tǒng)不具有明顯的地上碳庫(kù)，其90%碳庫(kù)儲(chǔ)存在土壤中[6]，其微弱變化均會(huì)對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生巨大影響，進(jìn)而影響全球碳平衡格局[7]。因此，分析草地土壤碳素含量的空間變化過(guò)程及其影響機(jī)理對(duì)了解全球碳循環(huán)有著重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)(包括有機(jī)碳庫(kù)和無(wú)機(jī)碳庫(kù))的研究主要基于不同草地類(lèi)型[8-10]、不同利用方式[11-13]、人為干擾強(qiáng)度[14-15]以及氣候變化[16]對(duì)土壤碳庫(kù)的影響。不同植被類(lèi)型對(duì)應(yīng)的土壤碳含量差異明顯，對(duì)藏北高寒草地植被碳密度與碳貯量的研究[17]發(fā)現(xiàn)，不同草地間植被碳密度和碳貯量差異顯著；對(duì)黃土高原草地土壤有機(jī)碳含量研究[18]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量最高的是高寒草甸，其空間變異最大，最小的是荒漠草原，其變異最小。隨著人口的增加，草畜矛盾突出，草地資源遭到破壞，人為干擾活動(dòng)嚴(yán)重影響草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，在科爾沁草原上[19]研究發(fā)現(xiàn)，圍封草地土壤有機(jī)碳含量隨著土層的加深呈遞減的變化，放牧地土壤有機(jī)碳含量不同土層間無(wú)顯著差異；在錫林郭勒地區(qū)研究[20]發(fā)現(xiàn)，放牧強(qiáng)度在短期內(nèi)對(duì)典型草原植被土壤有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著影響；同時(shí)，溫度、降水等氣候因素的變化對(duì)草地土壤碳庫(kù)的積累產(chǎn)生重要影響，楊紅飛等[21]對(duì)氣候變化對(duì)草地系統(tǒng)土壤碳含量的影響進(jìn)行了綜述，指出溫度和降水對(duì)草地植物土壤碳庫(kù)影響較大。伊犁地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)的西北部，是新疆最濕潤(rùn)、降水最豐富、植被土壤發(fā)育最好的區(qū)域[22]，作為新疆的重點(diǎn)牧區(qū)，伊犁地區(qū)典型草地土壤無(wú)機(jī)碳含量隨著海拔的升高而降低，從土壤剖面垂直變化來(lái)看，除高寒草甸隨著土層深度的加深無(wú)明顯變化外，其它各類(lèi)型草地?zé)o機(jī)碳含量均隨著土層加深而增大[23]；而短期放牧對(duì)昭蘇草甸草原土壤有機(jī)碳含量影響較小[24]。這些研究成果從氣候因子、植被因子和人為干擾因子等方面，對(duì)土壤碳含量進(jìn)行了較為全面的研究，但都是基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法，不能準(zhǔn)確地描述土壤碳素積累的空間異質(zhì)性；同時(shí)，新疆伊犁地區(qū)屬于半干旱區(qū)，土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)含量較高，單一的研究土壤有機(jī)碳或者土壤無(wú)機(jī)碳都不能很好地反映伊犁地區(qū)的碳庫(kù)分布情況。

基于此，以新疆伊犁地區(qū)草地為研究對(duì)象，利用地理學(xué)相關(guān)分析方法，構(gòu)建草地土壤全碳含量空間化模型，分析土壤碳庫(kù)空間分布規(guī)律，以期為進(jìn)一步開(kāi)展伊犁地區(qū)草地土壤的碳循環(huán)研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁地區(qū)(42°14′16″-44°53′30″ N，80°09′42″-84°56′50″ E)，位于歐亞大陸腹地，北與新疆境內(nèi)的博爾塔拉蒙古自治州接壤，南與阿克蘇地區(qū)的拜城、溫宿縣隔山相望，東北與塔城地區(qū)的烏蘇縣相連，東南與巴音郭勒蒙古自治州的和靜縣相鄰，西與哈薩克共和國(guó)交界。區(qū)轄1市7縣和1個(gè)自治縣，分別為伊寧市、伊寧縣、霍城縣、尼勒克縣、鞏留縣、新源縣、特克斯縣、昭蘇縣和察布查爾錫伯自治縣，總面積55 848.23 km2。伊犁地區(qū)東、南、北三面高山環(huán)繞，地勢(shì)東高西低，東窄西寬，呈楔形向西敞開(kāi)，來(lái)自西部里海的濕潤(rùn)水汽和巴爾喀什湖的暖流沿伊犁河長(zhǎng)驅(qū)直入谷地深處[25]，形成了溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)。獨(dú)特的地形地貌使得伊犁地區(qū)降水充沛，境內(nèi)有伊犁河、喀什河和特克斯河3條主要河流，年均降水量為200～800 mm，年均氣溫為2.9～9.1 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2 700～3 000 h[26]，是新疆最濕潤(rùn)的地區(qū)，素有“中亞濕島”之稱(chēng)。新疆伊犁地區(qū)自然條件優(yōu)越，農(nóng)、牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯，農(nóng)畜產(chǎn)品豐富，是新疆的糧倉(cāng)和全國(guó)著名的牧場(chǎng)。伊犁地區(qū)天然草地類(lèi)型主要有溫性草甸草原類(lèi)、溫性草原類(lèi)、溫性荒漠草原類(lèi)、溫性荒漠類(lèi)、低地草甸類(lèi)、山地草甸類(lèi)和高寒草甸類(lèi)，天然草地面積約為3.71×106hm2，占新疆草地資源的6.38%，其產(chǎn)草量以及載畜能力均處于全疆最好水平[27-28]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.2.1 樣品采集與測(cè)定 綜合考慮伊犁地區(qū)草地類(lèi)型的分布特點(diǎn)、草地利用方式和利用強(qiáng)度等，在全區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置了146個(gè)草地樣地(圖1)，于2013年7月-9月對(duì)全部樣地進(jìn)行實(shí)地GPS定位，同步記錄經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔和利用方式，依據(jù)代表性原則，選擇代表整個(gè)樣地植被、地形及土壤等特征的地段，設(shè)置3個(gè)樣方，在完成草地樣方調(diào)查的基礎(chǔ)上，清理樣方土壤表面的植物殘留物和雜質(zhì)，用土鉆在0-40 cm土壤內(nèi)每隔10 cm取土，即0-10、10-20、20-30、30-40 cm，帶回實(shí)驗(yàn)室自然晾干后，去除植物根系及礫石后，用研缽磨碎過(guò)149 μm篩。全碳(TC)含量由中科院植物研究所采用干燒法，運(yùn)用元素分析儀vario MACRO cube測(cè)得。

圖1 伊犁地區(qū)位置及樣點(diǎn)分布Fig.1 The location of Ili area and distribution of sample sites

1.2.2 遙感數(shù)據(jù) 研究區(qū)內(nèi)中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，主要是指歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)的成品數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD 13Q1)，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間為2013年8月11日，用MODIS Reprojection Tool(MRT)拼接轉(zhuǎn)投影，空間分辨率1 km。

1.2.3 氣候數(shù)據(jù) 包括1957-2012年伊犁地區(qū)的年均氣溫、年均降雨量、≥10 ℃年積溫、濕潤(rùn)度(伊萬(wàn)諾夫濕潤(rùn)度[28])，根據(jù)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用ANUSPLIN專(zhuān)業(yè)氣象插值軟件，空間插值得到，空間分辨率1 km。

1.2.4 其它數(shù)據(jù) 數(shù)字高程模型(DEM)從國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(www.geodata.cn)下載，空間分辨率30 m；伊犁地區(qū)草地類(lèi)型數(shù)據(jù)為20世紀(jì)80年代全國(guó)草地調(diào)查1∶100萬(wàn)草地類(lèi)型圖矢量數(shù)據(jù)。

1.3 分析方法

1.3.1 生態(tài)要素的選取 從影響土壤碳積累的氣候、地形和植被因素考慮，選取年均氣溫、年均降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤(rùn)度、海拔和NDVI這6個(gè)生態(tài)要素，來(lái)評(píng)價(jià)草地土壤全碳的空間分布情況。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 將土壤全碳含量數(shù)據(jù)按0-10、10-20、20-30、30-40 cm分層統(tǒng)計(jì)，0-40 cm取0-10、10-20、20-30和30-40 cm 4層土壤全碳含量的均值。按照樣地編號(hào)，將能被3整除的取出，每層共48個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，剩下的98個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)作為分析統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；刪除明顯異常點(diǎn)，最終每層得到41個(gè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和93個(gè)分析數(shù)據(jù)，每層共134個(gè)有效數(shù)據(jù)；利用ArcGIS 10.3軟件對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及生態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)做數(shù)據(jù)提取及空間化表達(dá)，用Origin 9.1進(jìn)行土壤全碳與各生態(tài)要素間的相關(guān)回歸分析及制圖，建立回歸方程，探討不同土壤深度全碳含量與各生態(tài)要素間的相互關(guān)系。

1.3.3 土壤全碳含量空間化模型 確定各生態(tài)要素對(duì)土壤全碳的權(quán)重，構(gòu)建了多元數(shù)據(jù)的土壤全碳含量空間化模型：

(1)

(2)

(3)

式中，P表示土壤全碳，wi表示某種生態(tài)要素對(duì)土壤全碳的影響權(quán)重，yi表示某種生態(tài)要素的與土壤全碳的回歸方程，即生態(tài)要素與實(shí)測(cè)土壤全碳回歸所得到的土壤全碳預(yù)測(cè)值，i=1、2……6，表示6個(gè)生態(tài)要素；Re表示比值；R2表示反演結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的復(fù)相關(guān)系數(shù)，R2越大，表示反演結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合度越高；K表示離散程度，即實(shí)際測(cè)定值和反演值回歸模型的斜率，K越接近1說(shuō)明反演結(jié)果越和實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

1.3.4 空間化結(jié)果精度評(píng)價(jià)方法 空間化結(jié)果精度通過(guò)41組檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與空間化模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算均方根誤差(rootmeansquareerror，RMSE)、偏離度(E)和相關(guān)系數(shù)(R)來(lái)檢驗(yàn)[29]。

(4)

(5)

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 草地土壤全碳含量與生態(tài)要素回歸分析

分別建立草地不同土壤深度全碳含量與海拔、年均氣溫、年均降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤(rùn)度和NDVI的回歸方程。由于篇幅所限，以4個(gè)土層土壤全碳含量均值(0-40cm)為例，回歸方程如圖2所示。其中，土壤全碳含量與海拔、年均氣溫、≥10 ℃年積溫和濕潤(rùn)度呈拋物線(xiàn)狀分布趨勢(shì)，與年均降水和NDVI呈逐步遞增趨勢(shì)。

回歸分析結(jié)果顯示(表1)，草地土壤全碳含量(0-40cm)與海拔、年均氣溫、≥10 ℃年積溫、8月份NDVI呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，草地土壤全碳含量(0-40cm)與年均降水、濕潤(rùn)度呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；草地土壤全碳含量(0-40cm)與NDVI和海拔的協(xié)相關(guān)系數(shù)最大，R2分別為0.446和0.461，草地土壤全碳含量(0-40cm)與年均降水的協(xié)相關(guān)系數(shù)最小，R2為0.226，但草地土壤全碳含量(0-40cm)與生態(tài)要素的回歸分析全部滿(mǎn)足99%可信度的F檢驗(yàn)，說(shuō)明草地土壤全碳含量(0-40cm)與生態(tài)要素的相關(guān)關(guān)系成立且非常顯著，線(xiàn)性回歸擬合的方程是有意義的。

2.2 生態(tài)評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

根據(jù)0-10、10-20、20-30、30-40和0-40cm土壤全碳含量與6個(gè)生態(tài)要素的回歸方程，分別進(jìn)行單要素草地全碳含量空間反演，提取參與分析的93個(gè)樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果，與樣點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，計(jì)算擬合方程斜率k和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2，按照公式(2)和公式(3)計(jì)算各生態(tài)要素的權(quán)重(表2)。

圖2 草地土壤全碳含量均值與生態(tài)要素的回歸分析Fig.2 Regression analysis of the soil total carbon with different ecological factors表1 土壤全碳含量均值與生態(tài)要素的回歸分析結(jié)果Table 1 Test of regression analysis between soil total content and ecological factors

生態(tài)要素Ecologicalfactor PR2FSig.海拔Altitude0.303**0.46138.4900.000年均氣溫Averageannualtemperature-0.271**0.39729.4500.000年均降水量Averageannualrainfall0.236*0.22612.0040.000≥10℃年積溫≥10℃Annualaccumulatedtemperature-0.382**0.41531.8870.000濕潤(rùn)度Humidity0.227*0.36423.7720.0008月份NDVI指數(shù)NDVIindexinAugust0.630**0.44673.2030.000

注：**表示在0.01水平達(dá)到極顯著相關(guān)，*表示在0.05水平達(dá)到顯著相關(guān)。

Note：* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

表2 不同草地土壤深度生態(tài)要素權(quán)重Table 2 Ecological factors weight at different soil depth

2.3 草地土壤全碳含量空間化

按照土壤全碳含量空間化模型，在ArcGIS中加權(quán)反演伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間格局分布，用伊犁地區(qū)草地類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)掩膜裁剪出草地區(qū)域，排除非草地區(qū)域(包括伊犁河兩側(cè)的大片耕地、天山和博羅科努山山脊的裸巖以及居住用地等非草地區(qū)域)對(duì)空間化結(jié)果的影響，最終得到伊犁地區(qū)草地不同土壤深度全碳含量的空間格局分布(圖3)。

2.4 草地土壤全碳含量評(píng)價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)

在0-10、10-20、20-30、30-40 cm這4個(gè)土壤層之間，30-40 cm土層的均方根誤差相對(duì)較小，為0.75%，壤層的偏離度最大，為26.66%，平均預(yù)測(cè)精度達(dá)到73.34%；0-10，10-20 cm土層的復(fù)相關(guān)系數(shù)全部大于0.60，30-40 cm土層復(fù)相關(guān)系數(shù)最小，只有0.42(表3)。整體上(0-40 cm)，空間化結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間的均方根誤差為0.96%，整體偏離度為23.33%，平均預(yù)測(cè)精度達(dá)到76.67%，復(fù)相關(guān)系數(shù)0.59，整體上空間化結(jié)果精度較高。

表3 精度檢驗(yàn)Table 3 Testing of the accuracy

2.5 草地土壤全碳含量空間格局分析

關(guān)于這四首鋼琴小曲的音樂(lè)分析，我們?cè)凇吨袊?guó)鋼琴音樂(lè)的拓荒者—新發(fā)現(xiàn)的早期鋼琴家李樹(shù)化的照片史料》一文③中有簡(jiǎn)單的藝術(shù)分析，可供讀者參考。

伊犁地區(qū)全碳含量較低區(qū)域出現(xiàn)在霍城縣南部、伊寧市南部，察布查爾錫伯自治縣北部、鞏留縣北部以及新源縣西部的低海拔區(qū)域，主要分布著溫性荒漠類(lèi)草地，草地質(zhì)量較差；而與這些草地相鄰的伊犁河沿岸兩側(cè)區(qū)域水土肥沃，分布著大片耕地，是伊犁地區(qū)主要的糧食產(chǎn)地，也是主要城市的聚集地，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)草地的干擾較大；全碳含量較高區(qū)域，主要分布在南北天山兩側(cè)及中部高山區(qū)，該區(qū)域主要是山地草甸類(lèi)草地，草地質(zhì)量較好，人類(lèi)活動(dòng)干擾較少。

其中，0-10、10-20、20-30和30-40 cm土層的全碳含量空間分布格局顯示。不同土壤深度草地土壤全碳含量空間格局分布差異明顯，土壤全碳含量最大值都出現(xiàn)在南、北天山兩側(cè)，最小值出現(xiàn)在伊犁河沿岸兩側(cè)及特克斯河與伊犁河交匯處人類(lèi)活動(dòng)密集的區(qū)域，土壤全碳含量沿著河流向兩側(cè)高山逐漸增加；且隨著土壤層深度的增加，土壤全碳含量呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，草地土壤全碳含量大于5%的區(qū)域在0-10 cm土層全碳空間分布最廣，10-20 cm土層相對(duì)減少，20-30 cm土層近一步減少，直到30-40 cm土層不存在土壤全碳含量大于5%的區(qū)域。

伊犁地區(qū)0-40 cm草地土壤全碳含量平均水平為4.251 9%，其中，0-10 cm土層草地土壤全碳含量平均水平為5.101 6%，10-20 cm土層草地土壤全碳含量平均水平為4.538 7%，20-30 cm土層草地土壤全碳含量平均水平為4.069 3%，30-40 cm土層草地土壤全碳含量平均水平為3.535 1%(表4)。隨著土層深度的增加，草地土壤全碳含量呈下降趨勢(shì)，與空間格局分布規(guī)律一致。

不同深度不同草地類(lèi)型的土壤全碳含量不同，0-40 cm土層草地土壤全碳含量最高的是溫性山地草甸,為5.188 4%，其次是溫性草甸草原,為4.882 3%，最小的是溫性荒漠類(lèi),為1.899 6%。0-10、10-20、20-30和30-40 cm土層，土壤全碳含量最高的是溫性山地草甸，土壤全碳含量分別為6.279 6%、5.547 9%、4.868 7%和4.207 4%；其次是溫性草甸草原，分別為5.835 2%、5.210 4%、4.614 1%和4.032 5%；最小的是溫性荒漠類(lèi)，分別為2.155 5%、1.950 9%、1.970 4%和1.917 7%。但不同草地類(lèi)型土壤全碳含量在各深度土壤層里表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即溫性山地草甸>溫性草甸草原>高寒草甸>改良草地>溫性草原>溫性荒漠草原>溫性荒漠。其中，溫性山地草甸、溫性草甸草原、高寒草甸和改良草地這4類(lèi)草地類(lèi)型的土壤全碳含量在0-10、10-20和20-30 cm土層中，大于各層平均值；溫性草原、溫性荒漠草原和溫性荒漠這3類(lèi)小于各層平均值；在30-40 cm土層中，溫性山地草甸、溫性草甸草原、改良草地和溫性草原這4類(lèi)草地類(lèi)型的土壤全碳含量大于全區(qū)平均值；高寒草甸、溫性荒漠草原和溫性荒漠這3類(lèi)小于全區(qū)平均值。

圖3 不同土壤深度草地土壤全碳含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil total carbon content of different soil depth表4 不同草地類(lèi)型土壤全碳含量(%)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Soil total carbon content(%)of different depths of different type grassland

草地類(lèi)型Grasslandtype 0-10cm10-20cm20-30cm30-40cm0-40cm溫性草甸草原類(lèi)Temperatemeadow-steppetype5.83525.21044.61414.03254.8823溫性草原類(lèi)Temperatesteppetype4.79124.37833.97893.62744.1349溫性荒漠草原類(lèi)Temperatedesert-steppetype4.40154.04693.72513.41883.8268溫性荒漠類(lèi)Temperatedeserttype2.15551.95091.97041.91771.8996溫性山地草甸類(lèi)Temperatemontanemeadowtype6.27965.54794.86874.20745.1884高寒草甸類(lèi)Alpinemeadowtype5.52114.90354.39483.39054.4681改良草地Improvedgrassland5.23734.63434.13603.76634.4062均值Mean5.10164.53874.06933.53514.2519

3 討論

3.1 生態(tài)評(píng)價(jià)因子與草地土壤全碳含量的關(guān)系

土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性是地形、氣候、植被、土壤母質(zhì)以及外界干擾等因素共同作用的結(jié)果[29-32]。伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量與海拔、年均氣溫、≥10 ℃年積溫和8月份NDVI呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與年均降水和濕潤(rùn)度呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05);隨著海拔、年均溫度、≥10 ℃年積溫和濕潤(rùn)度的增加，土壤全碳含量也呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)；隨著降水和NDVI的增加，土壤全碳含量呈現(xiàn)出正向增加的趨勢(shì)。這是由于隨著海拔的增高，氣溫降低，主要是溫性山地草甸類(lèi)草地，草地植被覆蓋度和生物量高，地上生物量及地下根系生物量充足，土壤有機(jī)碳分解比較慢，根系和微生物活動(dòng)弱[23]，沉淀形成的碳酸鈣少，積累的有機(jī)質(zhì)多[18,30]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤全碳含量增加；但海拔超過(guò)一定高度，氣溫進(jìn)一步降低，主要是高寒草甸類(lèi)草地，草地植被長(zhǎng)勢(shì)較差，地上生物量及地下根系生物量作為土壤全碳含量的來(lái)源相比其它區(qū)域減少[13]，導(dǎo)致土壤全碳含量降低；相對(duì)應(yīng)的低海拔河谷地區(qū)氣溫高，主要是溫性荒漠類(lèi)草地，草地質(zhì)量較差，土壤有機(jī)碳分解較快，不利于土壤有機(jī)碳的積累，區(qū)域全碳含量以無(wú)機(jī)碳為主，相比其它區(qū)域全碳含量減少。

3.2 不同草地類(lèi)型對(duì)土壤全碳含量空間格局分布的影響

楊玉海等[22]對(duì)伊犁地區(qū)土壤有機(jī)碳含量的研究表明，高山草甸>草甸草原>荒漠草原>沼澤類(lèi)，韓文娟等[23]對(duì)伊犁地區(qū)土壤無(wú)機(jī)碳含量的研究表明，溫性荒漠>溫性荒漠草原>溫性草原>溫性草甸草原>溫性山地草甸>高寒草甸。本研究表明，伊犁地區(qū)不同草地土壤深度(0-10、10-20、20-30、30-40 cm和4個(gè)土層均值)全碳含量表現(xiàn)為溫性山地草甸>溫性草甸草原>高寒草甸>改良草地>溫性草原>溫性荒漠草原>溫性荒漠。這種不同的結(jié)果可能與溫度的高低，植被凋落物的多少及微生物活動(dòng)[35]的強(qiáng)弱有關(guān)。

從土壤全碳含量空間分布(圖3)及分區(qū)統(tǒng)計(jì)表(表4)可知，伊犁地區(qū)溫性荒漠分布區(qū)土壤全碳含量低，而溫性山地草甸分布區(qū)土壤全碳含量高，不同草地類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的土壤全碳含量差異較大，草地土壤全碳含量空間分布格局符合草地類(lèi)型分布規(guī)律。

3.3 人類(lèi)活動(dòng)干擾對(duì)土壤全碳含量空間格局分布的影響

隨著人口的增加，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，過(guò)度放牧[24]、草地開(kāi)墾[36]等人為活動(dòng)已嚴(yán)重干擾了天然草地資源，草地退化、水土流失[37]和荒漠化問(wèn)題[38-39]逐漸突出。伊犁河河谷兩側(cè)，包括霍城縣南部、察布查爾錫伯自治縣北部、鞏留縣北部、新源縣西部、伊寧市北部和伊寧市南部，土壤全碳含量較其它區(qū)域低，其原因可能是因?yàn)橐晾绾觾蓚?cè)居民點(diǎn)較多，耕地分布比較集中，受傳統(tǒng)觀(guān)念及人口增長(zhǎng)過(guò)快等因素的影響，天然草地被大量開(kāi)墾，據(jù)統(tǒng)計(jì)1950-2002年伊犁河谷已累積開(kāi)墾29.18萬(wàn)hm2[40]，人為盲目地就近開(kāi)墾及過(guò)度的放牧破壞了草地資源[41]，使得草地退化，水土流失加劇，土壤有機(jī)碳大量流失造成土壤碳素減少。而高海拔區(qū)域土壤及氣候不適合農(nóng)作物的種植，且居民定居點(diǎn)較為松散及稀少，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)草地干擾強(qiáng)度小，故土壤全碳含量較河谷平原地區(qū)高。

3.4 草地土壤全碳含量空間化方法

草地土壤全碳含量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)往往是分散的點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)草地土壤全碳含量的空間化表達(dá)，采用最多的是克里格插值法，但是空間插值的結(jié)果，在插值點(diǎn)數(shù)據(jù)較少或者分布不均勻的情況下，往往存在局部插值結(jié)果偏大或者偏小的情況。本研究通過(guò)分析土壤全碳含量與生態(tài)因子間的相關(guān)性，構(gòu)建了土壤全碳含量空間化模型，實(shí)現(xiàn)了土壤全碳含量的空間化表達(dá)。與直接用克里格插值法對(duì)實(shí)測(cè)土壤有機(jī)碳含量做空間插值[42]的結(jié)果相比較，不存在局部偏大偏小的異常值；有研究表明[43]，基于土地類(lèi)型修正的克里格插值法的有機(jī)碳空間化插值的結(jié)果優(yōu)于普通克里格插值法、反距離權(quán)重法和徑向基函數(shù)法(RBF)，而本研究同時(shí)考慮了6個(gè)生態(tài)因子，空間化結(jié)果更優(yōu)；與傳統(tǒng)插值方法相比，空間分布更加連續(xù)自然，不存在“牛眼”現(xiàn)象。本研究采用單因子回歸分析而沒(méi)有采用多因子回歸，是因?yàn)橥寥廊己颗c生態(tài)因子間存在的不是簡(jiǎn)單線(xiàn)性關(guān)系，多因子回歸是線(xiàn)性擬合，會(huì)降低空間化結(jié)果的精度。

由于缺乏0―40 cm土壤全碳含量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本研究以0-10、10-20、20-30和30-40 cm這4層土壤全碳含量的均值代替，不同土層(0-10、10-20、20-30、30-40和0-40 cm)全碳含量與生態(tài)因子的回歸分析趨勢(shì)相同，因此，本研究沒(méi)有將所有數(shù)據(jù)分析全部列出來(lái)，而是以0-40 cm土層為代表進(jìn)行了分析討論，結(jié)果較好地反映了伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量的空間格局分布規(guī)律，但如何賦予不同土層(0-10、10-20、20-30和30-40 cm)不同的權(quán)重來(lái)求取0-40 cm土層土壤全碳的含量，提高數(shù)據(jù)的精度，在今后的研究中有待進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

本研究利用2013年伊犁地區(qū)146個(gè)樣地土壤全碳含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合1957-2012年伊犁地區(qū)的氣候數(shù)據(jù)(年均氣溫、年均降水量、≥10 ℃年積溫和濕潤(rùn)度氣候數(shù)據(jù))、DEM數(shù)據(jù)以及2013年8月份的NDVI數(shù)據(jù)，采用地理學(xué)相關(guān)分析方法，構(gòu)建了伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間化模型，分析伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間分布特征，得到以下結(jié)論：

1)伊犁地區(qū)不同草地土壤深度(0-10、10-20、20-30、30-40 cm和4個(gè)土層均值)全碳含量與海拔、年均氣溫、≥10 ℃年積溫、8月份NDVI呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與年均降水量和濕潤(rùn)度呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

2)伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間化結(jié)果，直觀(guān)反映了伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間分布格局。土壤全碳含量最小值出現(xiàn)在伊犁河沿岸兩側(cè)及特克斯河與伊犁河交匯處人類(lèi)活動(dòng)密集的區(qū)域，最大值都出現(xiàn)在南、北天山兩側(cè)，沿著伊犁河向兩側(cè)高海拔區(qū)域逐漸增加。

3)不同土壤深度，其草地土壤全碳含量差異顯著。伊犁地區(qū)0-40 cm土層(4個(gè)土層均值)草地土壤全碳含量為4.251 9%，其中，0-10、10-20、20-30和30-40 cm土層草地土壤全碳含量平均水平分別為5.101 6%、4.538 7%、4.069 3%和3.53 1%，隨著土層深度的增加，草地土壤全碳含量呈下降趨勢(shì)。

4)伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間格局分布受地形和植被影響較大，不同深度草地土壤全碳含量空間分布規(guī)律與草地類(lèi)型分布一致；人為活動(dòng)干擾(過(guò)度放牧、盲目開(kāi)墾)對(duì)草地土壤全碳含量影響較大。

致謝：感謝課題組鐘橫、張祎、劉清和周星杰等同學(xué)對(duì)野外采樣的幫助，特此感謝！

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(責(zé)任編輯 王芳)

Spatial analysis of the soil total carbon in Ili,Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Zhou Li-lei1,2, Zhu Hua-zhong1, Zhong Hua-ping3, Yang Hua2

(1.State Key Laboratory of Resources and Environment Information System, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Researches, CAS, Beijing 100101,China; 2.Chongqing Key Laboratory of Earth Surface Processes and Environmental Remote Sensing in Three Gorges; Reservoir Area, College of Geographical and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China； 3.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China)

Currently, the studies of soil total carbon of grassland are mainly focused on traditional statistical analysis based on survey data and spatial analysis of soil total carbon are limited. The present study attempted to apply multi-source data including field survey soil total carbon data, remote sensing data and meteorological data obtained from 146 grassland sampling plots by using geostatistics to study the spatial analysis of soil total carbon data in the Ili region, located at the northwest margin of Xinjiang Uygur Autonomous Region. The results show that there was a significant correlation between the total carbon content from various depths (0-10, 10-20, 20-30, 30-40 cm and the mean of four soil depths) and altitude, average annual temperature, annual precipitation, ≥10 ℃ annual accumulated temperature, humidity and NDVI. A comprehensive evaluation model was established using this six ecological factors, and the spatial distribution pattern of grassland soil total carbon content was inversed with 1 km spatial resolution. The soil total carbon content in 0-40 cm depth was 4.2519% and it decreased with the increase of soil depth. The results indicated that the spatial distribution of soil total carbon content in different depths significantly varied in areas of Ili. The total carbon content in high altitude region was higher than that of the river valley. The highest total carbon content was distributed on northern slopes of the Southern Tianshan mountains and southern slopes of Boluokenu mountains, and the lowest was found in intensive human activity areas, distributed in both sides of Ili river and interchange of the Teks River and the Ili River. The results indicated that the spatial distribution of soil total carbon content was correlated with the types of grassland in Ili, soil total carbon content significantly influenced by human activities, i.e. overgrazing, blind land reclamation.

soil total carbon; spatial pattern; geostatistics; grassland; Ili region

Zhong Hua-ping E-mail:zhonghp@igsnrr.ac.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0745

2015-12-30 接受日期：2016-05-10

科技部國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(2012FY111900-2、2011FY110400-3)；國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)——地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(2005DKA32300)第一作者：周李磊(1989-)，男，江蘇東海人，在讀博士生，主要從事資源環(huán)境遙感與GIS應(yīng)用研究。E-mail:zhoull_001@126.com

鐘華平(1964-)，男，江西興國(guó)人，副研究員，碩士，主要從事草地資源與草地生態(tài)研究。E-mail:zhonghp@igsnrr.ac.cn

S812.2

A

1001-0629(2016)10-1963-12*

周李磊,朱華忠,鐘華平,楊華.新疆伊犁地區(qū)草地土壤全碳含量空間格局分析.草業(yè)科學(xué),2016,33(10)：1963-1974.

Zhou L L,Zhu H Z,Zhong H P,Yang H.Spatial analysis of the soil total carbon in Ili,Xinjiang Uygur Autonomous Region,China.Pratacultural Science，2016,33(10)：1963-1974.