張珍明,周運超,3,*,田 瀟,黃先飛

1 貴州大學貴州省森林資源與環(huán)境研究中心, 貴陽 550025 2 貴州大學林學院, 貴陽 550025 3 中國科學院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站, 安順 562100

喀斯特小流域土壤有機碳空間異質(zhì)性及儲量估算方法

張珍明1,2,周運超1,2,3,*,田 瀟1,2,黃先飛1,2

1 貴州大學貴州省森林資源與環(huán)境研究中心, 貴陽 550025 2 貴州大學林學院, 貴陽 550025 3 中國科學院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站, 安順 562100

為了準確估算土壤有機碳儲量,利用網(wǎng)格法采集2755個土壤剖面,共計23536個土壤樣品,研究了喀斯特小流域土壤有機碳含量分布特征,并以“土壤類型法”為基準,對土壤分布面積、石礫含量、巖石裸露率、土層厚度等指標進行修正,合理的優(yōu)化了土壤有機碳儲量計算公式,探索出一種專屬于喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量的估算方法,結(jié)果表明：不同土層深度和土壤類型下土壤有機碳含量存在明顯差異,土壤有機碳含量隨著土層深度的增加而逐漸減小,不同土屬的有機碳含量減小的幅度有所差異,不同坡位和坡向的有機碳含量大小為：陽坡>陰坡,坡中上部>坡頂>坡中>坡中下坡>坡底,不同土地利用方式下土壤有機碳含量大小順序為：林地>灌草地>旱地>水田；土壤有機碳含量與坡度、海拔、巖石裸露率均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土層厚度、土壤容重呈顯著負相關(guān)；喀斯特地區(qū)土壤異質(zhì)性較大,不同修正指標對土壤有機碳儲量估算的影響程度為：土壤厚度>巖石裸露率>石礫含量>土壤有機碳含量>土壤容重；通過修正后的計算公式估算出普定后寨河小流域表層20 cm土壤有機碳密度區(qū)間為3.53—5.44 kg/m2,平均值為：1.24 kg/m2,100 cm土壤有機碳密度區(qū)間為4.44—14.50 kg/m2,平均值為12.12 kg/m2,土壤有機碳儲量為5.39×105t。

優(yōu)化指標；影響因素；土壤有機碳儲量；小流域；喀斯特

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且最為活躍的碳庫,是全球碳循環(huán)和氣候變化研究的核心內(nèi)容,其碳源/匯功能在調(diào)節(jié)碳平衡、減緩溫室氣體體積上升方面具有不可替代的作用[1]。土壤中碳庫微小的變化都會對全球氣候產(chǎn)生很大的影響,那么準確估算土壤有機碳儲量顯得極其的重要,如何科學、準確地估算土壤中有機碳儲量,是當前碳循環(huán)研究的重點和難點[2- 3]。目前,學術(shù)界許多學者在全球[4- 5]、國家[6]和區(qū)域等尺度上[7- 8]對土壤有機碳儲量的估算開展了大量研究,但在同一尺度不同研究結(jié)果之間存在很大差異,甚至是同一種方法和同一個研究區(qū)域的結(jié)果也相差甚遠,這些研究采用的數(shù)據(jù)源、樣本大小、采樣深度和估算方法的不同是導致估算結(jié)果差異的主要原因[9],同時土壤有機碳含量空間分布存在較大變異性,樣點數(shù)不夠和圖件比例尺不同,使得土壤剖面代表性往往不夠,導致估算結(jié)果不準確[10- 11]。因此,大量的采樣分析和估算過程中相關(guān)指標的取值,對其估算結(jié)果的可靠性起著至關(guān)重要的作用。

喀斯特生態(tài)系統(tǒng)是受特殊地質(zhì)背景制約的生態(tài)系統(tǒng),其地形和地貌條件、水熱條件、植被的立地條件以及土壤的發(fā)育條件等都不同于非喀斯特地區(qū)[12],因而具有不同的土壤碳循環(huán)特征[13-14]。認識喀斯特地區(qū)土壤碳儲量是評估我國陸地土壤生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力不可或缺的內(nèi)容[15],喀斯特地區(qū)由于其特殊的地質(zhì)和氣候條件造成該地區(qū)環(huán)境容量小,抗干擾能力弱,穩(wěn)定性低,自我調(diào)整能力差,受干擾后恢復速度慢、難度大。加之喀斯特地區(qū)土壤環(huán)境具有基巖出露,土壤存量少、分布不連續(xù)、微地貌復雜多樣等基本特征,導致喀斯特土壤有機碳儲量的計算也有許多不確定的因素[16]。目前,學術(shù)界在估算喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量時,有少數(shù)學者關(guān)注了巖石裸露率和土層厚度等指標[17-18],但仍未考慮影響土壤有機碳儲量的石礫含量和估算中各指標影響程度,為此本研究通過探討高原型喀斯特小流域內(nèi)土壤分布面積、石礫含量、巖石裸露率、土層厚度、土壤容重及土壤有機碳含量等指標的空間變異性,用土壤類型法對傳統(tǒng)公式進行修正土壤有機碳密度及儲量的計算公式,提出基于“土壤類型法”適宜的計算模式,以期為準確估算高原型喀斯特小流域土壤有機碳儲量的研究提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)貴州省普定縣后寨河小流域?qū)俑咴涂λ固匦×饔?覆蓋該縣城關(guān)鎮(zhèn)、馬官鎮(zhèn)和白巖鎮(zhèn)等地,流域面積75 km2,經(jīng)緯度在105°40′43″—105°48′2″E,26°12′29″—26°17′15″N之間,海拔在1223.4—1567.4 m之間,氣壓在80610—88380 pa之間。年均氣溫為15.3℃,年均降雨量為1170.9 mm以上,年蒸發(fā)量920 mm。土壤主要是石灰?guī)r和白云巖發(fā)育的石灰土、黃壤和水稻土,土壤質(zhì)地粘重且抗腐蝕性差。植被主要有柏木(Cupressusfunebris)、響葉楊(PopulusAdenopoda)、香椿(Toonasinensis)、砂梨(PyruspyrifoliaBurm Nakai)等；農(nóng)作物主要有水稻(OryzasativaOryzaglaberrima)、玉米(Zeamays)、大豆(Glycinemax)、向日葵(Helianthusannuus)、紅薯(Ipomoeabatatas)等,農(nóng)作物種植方式為玉米、大豆及水稻、向日葵輪作,套種紅薯。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1樣點布置

利用地理信息系統(tǒng)ArcGIS9.3軟件平臺,根據(jù)網(wǎng)格法原理在1∶10000的研究區(qū)地形圖上布置空間分布網(wǎng)格,網(wǎng)格實地大小為0.15×0.15km2,在網(wǎng)格中心設(shè)置采樣點,理論采樣點為3333個,因有些樣點位于河流、公路、住宅等處,實際樣點為2755個,各采樣點對應(yīng)位置和植被類型情況,見圖1。在開展野外土壤樣品采集及本底信息調(diào)查過程中,利用手持GPS、羅盤儀和樣點分布地形圖進行采樣點定位。

1.2.2樣品采集

在每個采樣點處挖掘土壤剖面,通過分層帶狀取樣采集土壤樣品。土壤樣品采集采用土壤剖面自下而上分層取樣法。土壤剖面挖掘深度≤100cm,土層淺挖至基巖或母質(zhì),深則挖至100cm,按0—5,5—10,10—15,15—20,20—30,30—40,40—50,50—60,60—70,70—80,80—90,90—100cm分層,共1—12層。每個采樣點需記錄本底信息,并測定土壤容重、土壤厚度、巖石裸露率等指標。

圖1 研究區(qū)位置和采樣點Fig.1 Location of the studied area and sampling sites

1.3 樣品處理及測定分析

首先風干處理野外采集的土壤樣品,再研磨制備試驗測定所需樣品。土壤有機碳用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定[19]；土壤分布面積采用遙感數(shù)據(jù)驗證和實地踏查相結(jié)合的方法統(tǒng)計；土壤容重用環(huán)刀法沿土壤剖面自上而下分層測定；土壤厚度用插釬法按小生境類型分別測定,鐵釬長度為60cm和120cm兩種,適用于測定不同深度的土體,測定8—10個點土層厚度的平均值表示；巖石裸露率用樣線法測定,通過樣點范圍內(nèi)植被覆蓋面積百分比和巖石出露面積百分比表示；石礫含量采用大于2mm的石礫所占的體積百分比表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用獲取的2755個采樣點數(shù)據(jù)進行分析,土壤按土屬分類,流域內(nèi)共有3大土類(圖2),即石灰土、水稻土和黃壤,包括9個土屬,其中,黃泥土457個、黑色石灰土613個、黃色石灰土397個、大土泥129個、小土泥439個、白大土泥125個、白沙土106個、大泥田185個、黃泥田304個。試驗數(shù)據(jù)利用SPSS19.0、Excel2013和ArcGIS9.3軟件平臺完成。

圖2 后寨河流域不同土壤類型分布圖Fig.2 Distribution map of different soil types of Houzhai River

1.5 土壤有機碳儲量計算及公式優(yōu)化

①常用計算公式

(1)

Cj=0.58SjHjOjWj

(2)

公式(2)引自王紹強等[21]研究論文中碳庫的估算方法公式,式中j為土壤類型,Cj為第j種土屬土壤有機碳儲量(t)；Sj為第j種土壤類型分布面積(hm2)；Hj為第j種土壤類型的平均厚度(cm)；Oj為第j種土壤類型的平均有機質(zhì)含量(% )；Wj為j種土壤類型的平均容重(g/cm3)。

SOCdj=cj×hj×wj÷10,SOCj=SOCdj×sj

(3)

公式(3)引自梁二等[22]研究論文中土壤有機碳密度的估算方法公式,式中j為某土壤類型,SOCDj為第j種土壤類型有機碳密度(kg/m2)；cj為第j種土壤有機碳含量(%)；hj為第j種土壤類型的平均厚度(cm)；Wj為j種土壤類型的平均容重(g/cm3)；socj為研究區(qū)域土壤有機碳總儲量(t)；sj是第j種土屬的土壤分布面積(km2)。

以上三組計算公式均用于土壤有機碳儲量估算,雖表達形式不同,但萬變不離其宗,都離不開土壤有機碳含量、土壤容重、土壤厚度和土壤分布面積4大指標。公式(1)考慮了不同土類,但土壤容重取均值1.4g/cm3；公式(2)均用平均值進行計算,僅表達某類土壤有機碳儲量；公式(3)考慮了分層計算土壤有機碳含量,也僅能表達某類土壤有機碳儲量。喀斯特地區(qū)土壤有機碳含量、土壤容重、土壤厚度等指標變異性較大,且土壤種類較多,若用“土壤類型法”估算喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量,需對以上公式進行優(yōu)化。

②初次優(yōu)化計算公式

考慮到喀斯特地區(qū)土壤種類較多,用“土壤類型法”進行估算；且土壤有機碳含量、土壤容重和土壤厚度等指標變異性較大,需分層計算土壤有機碳密度。將土壤剖面劃分為1—12層次,通過相應(yīng)層次土壤有機碳含量、土壤容重和土壤厚度值分層計算各層次土壤有機碳密度,從而得到普定后寨河小流域土壤有機碳密度空間特征值。再利用土壤有機碳密度和各類土壤分布面積分層計算有機碳儲量,進而得到研究區(qū)土壤有機碳總儲量。因此,以上土壤有機碳密度及其儲量計算公式可優(yōu)化為公式Ⅰ。

(4)

公式(4)中,SOCDi,j為第j種土屬第i層的土壤有機碳密度(kg/m2)；Csoci,j為第j種土屬第i層的土壤有機碳含量(g/kg)；ρi,j是第j種土屬第i層的土壤容重(g/cm3)；Ti,j是第j種土屬第i層的土壤的厚度(cm)；10-2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。SOCS為研究區(qū)域土壤有機碳總儲量(t)；Sj是第j種土屬的土壤分布面積(km2)；103為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

③再次優(yōu)化計算公式

為了消除喀斯特地區(qū)巖石部分帶來的估算誤差,修正土壤有機碳儲量估算結(jié)果,使之更接近真實值,特以石礫含量、巖石裸露率進行修正,土壤有機碳密度及其儲量計算公式Ⅰ可再次優(yōu)化為公式Ⅱ。

SOCDi,j=Csoci,j×ρi,j×Ti,j×10-2,

(5)

公式(5)中,δj表示第j種土屬分區(qū)的巖石裸露率(%),Gj為第j種土屬分區(qū)的大于2mm的石礫所占的體積百分比(%),其余與公式(4)一致。通過對常見計算公式兩次優(yōu)化,公式Ⅱ考慮了喀斯特地區(qū)相關(guān)指標變異性較大的問題,屬于喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量估算的專用計算公式。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤相關(guān)指標統(tǒng)計分析

2.1.1土壤面積、巖石裸露率、石礫含量、土壤厚度分布特征

采用遙感數(shù)據(jù)驗證和實地踏勘相結(jié)合的方法,對不同土屬進行歸類分區(qū),各分區(qū)交錯分布于流域內(nèi),每個土屬分區(qū)面積差異較大(表1),其中,黑色石灰土面積分布最大為13.79km2,白沙土面積最小為2.38km2,不同土屬面積分布大小為：黑色石灰土>黃泥土>大泥田>小土泥>黃色石灰土>黃泥田>大土泥>白大土泥>白沙土。黑色石灰土區(qū)和黃色石灰土區(qū)一般位于峰叢上,二者相互滲透,用二者采樣點數(shù)量權(quán)重區(qū)分,換算得到黑色石灰土區(qū)和黃色石灰土區(qū)面積分別為13.79km2和8.93km2。

表1 不同土屬相關(guān)指標描述

圖3 后寨河流域各采樣點巖石裸露率分布圖 Fig.3 Distribution of rock exposed rate at each sampling point of Hou Zai River

流域內(nèi)石灰土、水稻土和黃壤交錯分布,空間異質(zhì)性極高。在統(tǒng)計土壤分布面積時沒有考慮巖石的存在,而石灰土區(qū)石漠化較為嚴重,大量巖石裸露于地表,將土被分割成大小不一的斑塊,土被不連續(xù),因此,土壤分布面積需用巖石裸露率進行修正。不同土屬分區(qū)巖石裸露率存在一定的差異(表1和圖3),黑色石灰土區(qū)最大43.34%,耕地中大土泥區(qū)最小29.22%。黃泥土區(qū)、大泥田區(qū)和黃泥田區(qū)3大耕地區(qū)域幾乎無裸露的巖石,巖石裸露率計為0；石礫含量的分布特征和巖石裸露率的分布基本一致,大泥田和黃泥田的石礫含量為零,其他土壤類型的石礫含量大小為：黑色石灰土>黃色石灰土>白沙土>白大土泥>小土泥>大土泥>黃泥土。

石灰土由碳酸鹽巖發(fā)育而成,成土速率較慢,加之石質(zhì)山區(qū)水土流失嚴重,峰叢上的土壤很薄,存在大量無土壤的石面或裸地,而洼地土壤相對較深厚。不同土屬分區(qū)土壤厚度差異較大,黃泥土區(qū)土壤厚度大多超過100 cm,而黑色石灰土區(qū)則約為20 cm,部分區(qū)域甚至僅幾厘米。黃泥土區(qū)為旱地,由第四紀黃黏土發(fā)育而成的黃壤較為深厚,而極少部分由砂頁巖發(fā)育而成的黃壤較為淺薄,將其劃歸黃泥土區(qū),因此黃泥土區(qū)土壤厚度計為100 cm。大土泥區(qū)、小土泥區(qū)、白大土泥區(qū)、白沙土區(qū)也均為旱地,深淺不一,白沙土區(qū)較淺。大泥田區(qū)和黃泥田區(qū)為水田,流域上游大泥田區(qū)土壤厚度較淺,下游較深,黃泥田區(qū)土壤厚度大多超過100 cm。黑色石灰土區(qū)和黃色石灰土區(qū)為自然土壤,分布在峰叢上,土壤厚度均較淺。

2.1.2土壤容重

不同土壤類型下土壤容重分布特征見表2：總體趨勢上,黑色石灰土、黃色石灰土和小土泥容重隨著土層加深而逐漸增大；黃泥土、大土泥、白大土泥、大泥田、黃泥田容重均隨著土層加深而呈先增大后減小的趨勢,大土泥和白大土泥在深層趨于穩(wěn)定,黃泥土在深層又有增大的趨勢；白沙土容重隨著土層加深呈先減小后增大的趨勢。黑色石灰土、黃色石灰土和小土泥底層容重最大,大泥田和黃泥田犁底層容重最大,其余土屬容重均在A層與B層之間的過渡帶最大。同一層位不同土屬容重差異較大,在15—20cm大泥田容重比黑色石灰土的大0.16g/cm3。大泥田犁底層容重最大值為1.44g/cm3,黑色石灰土表層容重最小值為0.94g/cm3。不同土壤深度下各土壤類型土壤容重差異性顯著,0—5cm深度下黃泥田土壤容重最大,顯著高于其他8種土壤類型；5—10cm深度下黑手石灰土土壤容重最大,顯著高于黃色石灰土、黃泥土、大土泥、白大土泥、小土泥、白沙土；10—15cm深度下黃泥田土壤容重最大,顯著高于石灰土、黃泥土、大土泥、白大土泥、小土泥、白沙土；15—20cm深度下表現(xiàn)為黃泥田土壤容重最大,顯著高于石灰土、黃泥土、白大土泥；20—70cm深度下均表現(xiàn)為大泥田土壤容重最大,70—100cm土壤深度下黑色石灰土土壤容重最大,與其他土壤類型有不同程度的顯著性差異。

2.1.3土壤有機碳含量

為了對小流域土壤有機碳含量的統(tǒng)計學特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個初步的了解(表3),對23536個樣本的數(shù)據(jù)進行常規(guī)統(tǒng)計分析。流域內(nèi)土壤樣品的有機碳平均含量為16.40g/kg,變幅為0.13—128.74g/kg,極差為128.61g/kg,范圍較寬,最大值是最小值的990.31倍。表層土壤(0—20cm)有機碳平均含量為25.07g/kg,最小值僅為1.61g/kg,而最大值為119.11g/kg,極差范圍為117.50g/kg,具有高度變異性。剖面土壤有機碳平均含量為20.71g/kg,變幅為1.35—119.11g/kg。分土層看,0—5cm土層土壤有機碳平均含量最高,為29.66g/kg,5—10cm土層次之,為25.77g/kg,隨著土層加深,土壤有機碳平均含量減小,90—100cm土層達到最小,為5.25g/kg。各土層平均值大于中數(shù),且兩者的差值隨土層加深逐漸減小。標準差和變異系數(shù)表示樣本的變異程度。各土層土壤有機碳含量變異性較大,變異系數(shù)變化范圍為52.68%—75.28%,在10%—100%之間,呈中等強度變異。

表2 不同土屬中土壤容重平均值(標準差)/(g/cm3)

同列不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)

表3 土壤有機碳含量描述性統(tǒng)計特征

為進一步的分析不同土壤類型下有機碳含量的變化規(guī)律(圖4)：不同土屬有機碳含量均隨著土層加深而逐漸減小,不同土屬減小的幅度有所差異。在0—50 cm土層范圍內(nèi),土壤有機碳含量呈線性關(guān)系減小；在50—100 cm土層范圍內(nèi),土壤有機碳含量變化不大。同一層位不同土屬有機碳含量差異較大,黑色石灰土表層有機碳含量是黃泥土的2.61倍?？傮w而言,黑色石灰土有機碳含量最大,黃泥土有機碳含量最小；表層土壤有機碳含量大于深層土壤有機碳含量,黑色石灰土和黃色石灰土兩種峰叢林地自然土壤的有機碳含量大于其余7種耕作土壤的有機碳含量,且峰叢中上部的黑色石灰土有機碳含量大于中下部的黃色石灰土有機碳含量。對不同土壤類型下的土壤有機碳含量(0—100 cm土層)擬合不同函數(shù)為：黑色石灰土、黃色石灰土、黃泥土、黃泥田為對數(shù)方程,方程分別y=-17.212ln(x) + 48.897(R2=0.9415)、y=-12.723ln(x) + 37.838(R2=0.9852)、y=-6.6206ln(x) + 20.832(R2= 0.9814)、y=-9.4901ln(x) + 26.713(R2=0.9332)；白沙土、白大土泥、大泥田指數(shù)函數(shù)y= 39.226e-0.1807x(R2= 0.9708)、y=29.939e-0.1315x(R2=0.9602)、y=31.926e-0.1502x(R2=0.9438)；小土泥和大土泥為多項式,其函數(shù)分別為y=0.151x2- 3.7972x+ 29.74(R2=0.9981)、y=0.1543x2- 3.7127x+ 28.466(R2=0.996)。

圖4 不同土屬土壤有機碳含量Fig.4 Content of soil organic carbon of different soil genus

坡向和坡位的變化會對土壤有機碳含量產(chǎn)生明顯影響(表4),不同坡向間有機碳含量大小均表現(xiàn)為陽坡大于陰坡,陰坡的不同土壤深度間表現(xiàn)為顯著差異。而不同坡位表現(xiàn)為：表層土壤(0—20 cm)有機碳平均含量大于整個剖面土壤(0—100 cm)平均含量,坡中上部表層土壤有機碳含量最高為39.83 g/kg,坡底最低為19.21 g/kg,上坡是坡底的2.07倍,除坡中上部外其他坡位間不同土壤深度土壤有機碳含量呈差異性顯著。而整個剖面中(0—100 cm),坡中上部最高為37.84 g/kg,坡底最低為12.77 g/kg,坡中上部是坡底的2.96倍。表層土壤有機碳含量與剖面土壤有機碳含量差值較小,變幅為1.99—6.44 g/kg,坡中上相差最小,坡底相差最大。表層和整個剖面有機碳大小都表現(xiàn)為：坡中上部>坡頂>坡中>坡中下坡>坡底。

不同人為因素對土壤有機碳含量產(chǎn)生明顯影響(表4),不同土地利用方式下表層土壤(0—20 cm)有機碳平均含量高于剖面土壤(0—100 cm)有機碳平均含量,土壤有機碳含量大小順序為：林地>灌草地>旱地>水田。表層中(0—20 cm),林地最高為33.83 g/kg,水田最低為20.51 g/kg,兩者相差13.32 g/kg。林地剖面土壤有機碳含量為30.80 g/kg,水田為12.92 g/kg,林地是水田的2.38倍。水田表層土壤有機碳含量與剖面土壤有機碳含量差值最大,為7.59 g/kg,灌草地最小,為2.41 g/kg。旱地和灌草地不同深度的土壤有機碳含量呈差異性顯著,林地和水田間相關(guān)性不明顯。

影響土壤有機碳含量的因素眾多,為深入分析坡度、海拔、土層厚度、石礫含量、容重、巖石裸露率與土壤有機碳含量之間的相關(guān)關(guān)系,利用SPSS軟件進行相關(guān)分析結(jié)果(表5)表明：表層土壤有機碳含量與坡度、海拔、巖石裸露率均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r分別為0.865,0.993和0.880；與土層厚度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r為-0.910；容重呈顯著負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r為-0.832；與石礫含量的顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.510。剖面土壤有機碳含量與坡度、海拔、巖石裸露率均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r分別為0.994,0.971和0.959；與土層厚度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r為-0.932；與容重呈顯負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r為和-0.790；與石礫含量的相關(guān)關(guān)系不顯著。土壤厚度與海拔、容重量呈顯著相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為-0.513、0.601。石礫含量與海拔呈、巖石裸露率呈正顯著相關(guān),與土壤厚度呈負顯著相關(guān)；巖石裸露率與坡度、海拔正顯著相關(guān),與土壤厚度呈極顯著負相關(guān)。

表4 不同坡向、坡度、土地利用方式下土壤有機碳含量平均值(標準差)/(g/kg)

同列不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)

表5 土壤有機碳影響與各影響因素的相關(guān)分析

**表示在置信度(雙測)為0.01 時,相關(guān)性是顯著的;*表示在置信度(雙測)為0.05時,相關(guān)性是顯著的

2.2 有機碳儲量估算的指標取值

用2755個采樣點數(shù)據(jù)進行分析,得到了普定后寨河小流域土壤有機碳含量、土壤容重、土壤厚度、土壤分布面積和巖石裸露率等指標區(qū)間值(表6)。在研究區(qū),在0—20 cm范圍內(nèi)5 cm厚土壤有機碳密度區(qū)間為0.21—3.43 kg/m2；在20—100 cm范圍內(nèi)10 cm厚土壤有機碳密度區(qū)間為0.16—4.21 kg/m2；不同土屬20—100 cm厚土壤有機碳密度區(qū)間為5.14—19.32 kg/m2。在0—100 cm范圍內(nèi)土壤容重區(qū)間為0.94—1.44 g/cm3。土壤厚度區(qū)間為20—100 cm,若土壤厚度大于100 cm時計為100 cm,研究區(qū)土壤平均厚度為64 cm?？λ固氐貐^(qū)巖石裸露率區(qū)間為29.22%—43.34%,石礫含量區(qū)間為0—75.71%,可用于修正土壤分布面積。流域面積為75 km2,其中水域面積為0.83 km2,土壤面積為74.17 km2,但土壤面積包含巖石所占部分。由于研究區(qū)不同土屬土壤有機碳含量、土壤容重及土壤厚度的差異較大,不同土屬土壤分布面積差異較大,且石灰土分區(qū)巖石裸露率、石礫含量差異也較大,因此,在估算土壤有機碳儲量時得利用各指標分類分層計算,再求出土壤有機碳總儲量。

表6 不同指標區(qū)間值

SOC表示有機碳密度；ρ表示土壤容重；T表示土壤深度；δ表示巖石裸露率；Gj表示大于2 mm的石礫含量百分比；S表示土壤面積

2.3 土壤有機碳密度估算

在0—20 cm范圍內(nèi)不同土屬分區(qū)5 cm厚土壤有機碳密度總體上隨土層深度加深而逐漸減小。黑色石灰土有機碳密度最大,而黃泥土有機碳密度最小。在20—100 cm范圍內(nèi)不同土屬分區(qū)10 cm厚土壤有機碳密度總體上隨土層深度加深而逐漸減小,并在土壤深層逐漸趨于穩(wěn)定。10 cm厚土壤有機碳密度最大值是最小值1.58倍。表層20 cm厚土壤有機碳密度區(qū)間為3.29—5.44 kg/m2,100 cm以內(nèi)土壤有機碳密度區(qū)間為4.44—14.50 kg/m2(表7)。

表7 流域內(nèi)不同土屬有機碳密度空間分布特征值/(kg/m2)

土壤有機碳密度與土壤厚度一一對應(yīng)

2.4 土壤有機碳儲量計算方法比較

不同土壤有機碳儲量計算方法比較,見表8：在土壤有機碳含量、土壤容重和土壤厚度的變異性,但不考慮巖石影響土壤面積的情況下,后寨河小流域土壤有機碳儲量為SOCS7=9.37×105t。若土壤有機碳含量、土壤容重和土壤厚度分別取均值,而考慮其他指標的變異性時,后寨河小流域土壤有機碳儲量分別為SOCS4=9.61×105t、SOCS5=9.28×105t、SOCS6=8.53×105t,SOCS6

若假定土壤為100 cm深均質(zhì)土壤,土壤容重取平均值1.20 g/cm3,SOCS1>SOCS2>SOCS3=1.8SOCS7,即隨著有機碳含量均值計算范圍的加深,土壤有機碳儲量在不斷減小,且SOCS3是SOCS7(CK)的1.8倍。在未考慮巖石裸露率、石礫含量的情況下,后寨河小流域土壤有機碳儲量為SOCS7=9.37×105t,但通過巖石裸露率、石礫含量修正后,土壤有機碳儲量為SOCS8=5.39×105t,二者估算結(jié)果差異較大,在75 km2的流域內(nèi)盡然相差3.98×105t(表8)。表明,巖石裸露率、石礫含量是影響喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量估算結(jié)果準確性的重要因素。

表8 不同取值和計算方式下土壤有機碳儲量

3 討論

土壤中有機碳含量是土壤碳庫的重要組成部分,不同地點的土壤有機碳都會受到自然和人為措施以及它們相互作用的影響[23-24]。喀斯特地區(qū)土體空間分布極其復雜,土壤種類較多,零星交錯分布,土被不連續(xù),裸露巖石將土體分割成大小不一的斑塊,導致了不同土壤類型下土壤有機碳含量差異較大[25]?？λ固囟臻g異質(zhì)性導致了土壤有機碳含量、土壤厚度、石礫含量等指標的變異性,這些指標卻決定了土壤有機碳的含量及分布特征。有關(guān)學者研究發(fā)現(xiàn),喀斯特土壤有機碳和土壤容重存在顯著的負指數(shù)相關(guān)[26],本研究結(jié)果也表明,土壤有機碳與土壤容重呈顯著負相關(guān),最終讓土壤有機碳和容重在空間分布上存在相反的分布趨勢。土壤有機碳與巖石出露率呈極顯著正相關(guān),而與土層厚度呈極顯著負相關(guān),這與Zhang等研究結(jié)果一致[27]?？λ固氐貐^(qū)多為石槽、石縫,一般土層淺薄,有機碳集中在少量的土壤中,同時,由于石漠化作用致使大量表土流失、巖石裸露、土被不連續(xù)、生境復雜化,加劇了土壤有機碳的流失[28]。由人類活動及自然因素的變化引起的土壤屬性的差異,是土壤碳庫和碳循環(huán)最直接的影響因子[29],在此基礎(chǔ)上,本文也研究了地形因子(坡度、坡向)及土地利用方式對土壤有機碳的影響,結(jié)果顯示自然和人為因素的影響下土壤有機碳儲差異較大。

迄今為止,全球土壤有機碳儲量存在很大爭議,碳源/匯的大小和位置存在極大不確定性,在全球碳平衡研究中,發(fā)現(xiàn)全球大氣變化并不平衡,存在相當大量的碳失蹤匯,約為0.4—4 Gt[30]。早期對土壤有機碳庫的估算是根據(jù)幾十個或幾百個土壤剖面資料,使用世界土壤地圖估算的全球陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫碳在1462—1548 Pg之間[31]；而中國的學者往往借助第二次土壤普查資料,利用地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件將一定比例的土壤圖數(shù)字化,建立相關(guān)模型,然后利用GIS 的空間分析功能計算出中國陸地土壤有機碳儲量處于50.6—154.0 Pg之間,雖然屬同一數(shù)量級,但其最大值與最小值卻相差2倍多[32]。這些研究結(jié)果都是利用有限的采樣點對區(qū)域內(nèi)未觀測點進行估值,受樣點密度、采樣方法等影響,估算方法誤差,當前學術(shù)界所用的土壤碳儲量估算方法存在一定的不足,到底哪一種方法估算的結(jié)果更準確,暫時沒有定論,其主要原因是土壤剖面代表性能不夠強。而喀斯特區(qū)域土壤空間異質(zhì)極高,利用少數(shù)代表剖面估算有機碳儲量不能直接挪用到喀斯特區(qū)域,為此,本研究共用2755個土壤剖面,23536個土壤樣品,采樣點數(shù)較多,具有詳細的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),能準確的估算出土壤有機碳密度及儲量,同時本研究合理修正碳儲量的估算公式,建立了一套專門的喀斯特區(qū)域土壤碳儲量估算方法。

巖石裸露率和土層厚度的變化對土壤有機碳轉(zhuǎn)化的影響等,已成為人們非常關(guān)心和研究的熱點,而對石礫含量的關(guān)注度欠佳,為了驗證石礫含量對土壤有機碳儲量估算結(jié)果的影響[33- 34]。在充分考慮喀斯特地區(qū)土壤的空間異質(zhì)性問題上,土壤容重取研究區(qū)平均值1.20 g/cm3,用潘根興等的公式A估算后寨河小流域土壤有機碳儲量為7.33×105t,比本研究優(yōu)化的公式Ⅱ計算值大1.94×105t；用王紹強等公式B計算得7.63×105t,比本研究優(yōu)化的公式Ⅱ計算值大2.24×105t,公式A、B均未考慮巖石裸露率及石礫含量,同樣影響估算結(jié)果的準確性,造成這么大誤差原因是喀斯特地區(qū)石礫含量不同和高巖石裸露所致?？λ固氐貐^(qū)多為白云巖石灰?guī)r地區(qū)發(fā)育的土壤,其石礫含量和巖石裸露率高,基于巖石出露率、石礫含量校正來估算喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量和碳密度時優(yōu)于傳統(tǒng)估算方法,更接近樣區(qū)的實際值。

喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量估算結(jié)果的準確性除了與估算方法有關(guān),也與土壤有機碳含量、土壤容重、土壤厚度和土壤分布面積等指標的準確性有關(guān)。在土壤有機碳儲量估算時,土壤有機碳含量、土壤容重和土壤厚度分別取均值,交替考慮其他指標的變異性時,有機碳儲量變化范圍8.53×105—9.61×105t(SOCS4—SOCS6),在考慮喀斯特土壤屬性空間異質(zhì)性時,還必須把土壤有機碳含量、土壤容重等指標的變異性,作為關(guān)鍵影響因子納入采樣方案以及碳儲量估算方法。當考慮土壤有機碳含量、土壤容重和土壤厚度的變異性,不考慮巖石影響土壤面積的情況下,有機碳儲量為9.37×105t(SOCS7),在估算喀斯特碳儲量和碳密度時應(yīng)充分考慮巖石裸露率、土壤厚度、石礫含量,可以大大降低估算誤差。這些指標都是土壤有機碳儲量的重要影響因素,加上喀斯特地區(qū)土壤分布面積受裸露巖石、石礫含量的影響,所統(tǒng)計的土壤分布面積比實際面積大,需用巖石裸露率、石礫含量進行修正可以得到準確的計算結(jié)果為5.39×105t(SOCS8)。各指標與準確的估算結(jié)果差異較大,SOCS4比SOCS7大0.24×105t,SOCS5比SOCS7小0.092×105t,SOCS6比SOCS7大0.84×105t,SOCS8比SOCS7小3.98×105t,表明這些指標對土壤有機碳儲量的影響程度關(guān)系為土壤厚度>巖石裸露率>石礫含量>土壤有機碳含量>土壤容重。因此,在估算喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量時應(yīng)首先考慮土壤厚度、巖石裸露率和石礫含量三大因素,其次是土壤有機碳含量,最后是土壤容重。說明基于巖石出露率、石礫含量的校正的估算方法在估算喀斯特地區(qū)表層土壤有機碳儲量時優(yōu)于傳統(tǒng)估算方法,更接近樣區(qū)的實際值,尤其在估算喀斯特高巖石出露坡地表層有機碳儲量時更具適用性,而傳統(tǒng)估算方法并不適合估算喀斯特高裸巖坡地有機碳儲量。

4 結(jié)論

(1)喀斯特地區(qū)土壤有機碳含量、土壤容重、土壤厚度、巖石裸露率等指標的空間變異性較大,估算土壤有機碳儲量應(yīng)考慮土壤的二元空間異質(zhì)性,用“土壤類型法”估算時應(yīng)以“垂直分層+水平分類”模式計算。

(3)不同指標對喀斯特地區(qū)土壤有機碳儲量估算的影響程度關(guān)系為土壤厚度>巖石裸露率>石礫含量>土壤有機碳含量>土壤容重。通過巖石裸露率、石礫含量修正后的計算公式,估算出普定后寨河小流域土壤有機碳儲量為5.39×105t,其中表層20 cm土壤有機碳密度區(qū)間為3.53—5.44 kg/m2,平均值為：1.24 kg/m2,100 cm土壤有機碳密度區(qū)間為4.44—14.50 kg/m2,平均值為12.12 kg/m2。

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Studyonspatialheterogeneityandreserveestimationofsoilorganiccarboninasmallkarstcatchment

ZHANG Zhenming1,2, ZHOU Yunchao1,2,3,*, TIAN Xiao1,2,HUANG Xianfei1,2

1GuizhouInstituteforForestResources&Environment,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China2CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China3PudingKarstEcosystemResearchStation,ChineseAcademyofSciences,Anshun562100,China

Using a grid-based sampling method, 2755 soil profiles consisting of 23536 soil samples were sampled and analyzed to study the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) in the karst basin of Guizhou Province. Further, we established an estimation method of SOC stock exclusively for karst after correcting for soil distribution area, particle content, percentage of exposed rock, and soil thickness, and optimizing the calculation formula. The results showed that there were obvious differences in the SOC content of different soil types and at different soil depths. The content of SOC decreased with an increase in soil depth, but the extent of the decrease differed in soils of different types. The content of SOC in soils on shady slopes was higher than that in soils on sunny slopes. The content of SOC at different slope positions decreased in the following order: upper-middle, top, middle, lower-middle, and bottom. There was extensive SOC heterogeneity in the karst area. The order of SOC content under different land use patterns was as follows: woodland > shrub grassland > dry land > paddy field. SOC content showed a very significant positive correlation with slope, elevation, and percentage of exposed rock, and a significant negative correlation with soil thickness and soil bulk density. There was a large spatial variability in SOC in the karst area, with the influences of different indicators for SOC reserve estimation being as follows: soil thickness > percentage of exposed rock > particle content > content of SOC > soil bulk density. Using the revised formula to make estimations, the SOC density of the surface 20 cm of soil in a small watershed of the Houzhai River catchment in Pudin was 3.53—5.44 kg/m2, with an average value of 1.24 kg/m2. The SOC of the surface 100 cm of soil was 4.44—14.50 kg/m2, with an average value of 12.12 kg/m2, and the SOC storage was 5.39 × 105t.

optimization index; influence factor; soil organic carbon storage; small watershed; karst

國家重大科學研究計劃項目(2013CB956702);百層次人才計劃【黔科合人才(2015)4022號】貴州省基礎(chǔ)研究項目黔科合[J]字2014-2002-03

2016-09-14; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017-07-12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yc409@163.com

10.5846/stxb201609141863

張珍明,周運超,田瀟,黃先飛.喀斯特小流域土壤有機碳空間異質(zhì)性及儲量估算方法.生態(tài)學報,2017,37(22):7647- 7659.

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