張 祎 李 鵬 肖 列 趙賓華 時 鵬

（西安理工大學，西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048）

土壤有機碳（SOC）是重要的土壤屬性之一，在陸地生態(tài)系統(tǒng)功能中起著重要作用［1］，SOC含量大小對土壤性質(zhì)以及質(zhì)量起著至關(guān)重要的影響，是評價土壤肥力的重要指標［2］。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲量大約是大氣中CO2的2倍多，陸地植被碳庫的3倍［3］。全球0.3 m土壤深度的碳儲存量為684～724 Pg，1 m土壤深度碳儲量為1 462～1 548 Pg［4］。大量的有機碳被儲存在土壤中，即使是土壤碳含量的微小變化也會顯著改變大氣中CO2的濃度，并造成全球氣候變化［5］。因此，學者們在全球［6］、國家［7］和區(qū)域［8］尺度上對SOC分布以及儲量進行了大量的研究，然而這些研究由于數(shù)據(jù)來源的不同和SOC固有的空間變異性，導致結(jié)果的不確定性。SOC受到諸多因素的影響，包括氣候，地形、土壤質(zhì)地、土地利用等，因此在給定區(qū)域建立一個詳細的數(shù)據(jù)庫，應該考慮到以上因素。黃土高原地區(qū)地形破碎，土地利用類型復雜多樣，在區(qū)域尺度上，形成了典型的黃土高原溝壑和黃土丘陵溝壑等流域侵蝕地貌特征，成為世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一［9］。受水土流失的影響，SOC在黃土丘陵溝壑的梁峁頂、梁峁坡、溝谷地等呈現(xiàn)不同規(guī)律的遷移［10-11］。經(jīng)過長期的植被恢復與重建，黃土高原土地利用和植被發(fā)生了明顯的變化。從另一個角度而言，地形支配著水、熱資源的分配，從而影響植被和土地利用方式在空間上的配置，對SOC的輸入產(chǎn)生作用［12］。因此在黃土高原地區(qū)，地形和土地利用對SOC庫的響應最為敏感［13］，而在不同流域尺度SOC的研究［14-15］中，地形與土地利用方式共同作用下有機碳變化研究的報道較少，并且已有的研究大多集中在傳統(tǒng)統(tǒng)計和地理統(tǒng)計上［16］，不同土層尤其是深層（＞20 cm）SOC受地形及土地利用因子共同作用的貢獻率計算更是鮮見。

在本文中，選擇在黃土高原典型流域-王茂溝流域開展相關(guān)工作，對研究區(qū)SOC的分布和儲量進行研究。通過分析典型小流域0～100 cm土層SOC的分布特征，分析地形、土地利用對其分布的影響，基于方差探討黃土高原小流域地形、植被及其交互作用對SOC的影響貢獻率，從小流域尺度揭示各因子對SOC垂直分布的影響規(guī)律，為黃土高原地區(qū)植被恢復的土壤碳效應評估和生態(tài)規(guī)劃提供理論依據(jù)，對科學認識黃土高原土壤在全球變化的作用與響應機制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇陜西省綏德縣王茂溝流域為研究區(qū)，其位于陜西省綏德縣東南5 km處無定河流域（圖1a），是黃河中游黃土丘陵區(qū)第一副區(qū)具有代表性的流域之一（110°20′～110°22′E，37°34′～37°36′N）。王茂溝流域面積5.97 km2，主溝長3.75 km，溝道平均比降2.7，溝壑密度4.3 km?km-2，海拔936～1 188 m，該流域的平均坡度為2.7%。流域內(nèi)高地和溝壑土地面積為2.97 km2，占總面積的46.7%（圖1b）。流域?qū)俅箨懶约撅L氣候，年平均氣溫10.2 ℃，多年平均降雨量513.1 mm， 主要集中在7—9月，汛期降水量占全年降水量的73.1%，且多以暴雨形式出現(xiàn)。土壤類型均為黃綿土，水土流失嚴重，流域年輸沙量可達74.13 Mg?hm-2?a-1。作為黃土高原水土流失的典型流域，王茂溝流域主要以水力侵蝕為主。

從20世紀50年代開始，為改善黃土丘陵區(qū)嚴重的水土流失，黃河水利委員會綏德水土保持科學實驗站將王茂溝流域作為試驗性治理小流域之一。直至90年代，生物措施（退耕還林還草）及工程措施（梯田，淤地壩）在流域內(nèi)大面積開展。其中修筑梯田112.47 hm2，植樹造林199.96 hm2，恢復草地27.25 hm2，淤積壩地25.16 hm2（圖1c）。人工草被主要為紫花苜蓿（Medicago sativa L.）、賴草（Leymus secalinus T.）、大針茅（Stipa grandis P.）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus N.）、長芒草（Stipa bungeana T.）等，人工林地主要為杏樹（Armeniaca vulgaris L.）、刺槐（Robinia pseudoacacia L.）、棗樹（Ziziphus jujube M.）等，坡耕地主要種植大豆（Glycine max M.）、谷子（Setaria italica）、馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）等，灌木植被主要為檸條（Caragana Korshinskii M.）、沙棘（Hippophae rhamnoides L.）、酸棗（Ziziphus jujube M.）等，梯田主要植被類型為蘋果（Malus domestica）、杏樹（Armeniaca vulgaris L.）、側(cè)柏（Platycladus orientalis L.）等，壩地主要種植玉米（Zea mays）。水土流失治理面積為367.81 hm2，侵蝕控制率為61.61%［17］。

1.2 樣品采集

基于小流域內(nèi)地形和土地利用兩大因素，采用“分層采樣的方法”收集土壤樣品。將地形（坡頂、坡上、坡中、坡下）作為一級層次，將不同地形部位土地利用方式（坡耕地、林地、草地、灌木地、梯田）作為二級層次，對土壤樣品進行系統(tǒng)分析。在2014年7月，在研究區(qū)進行網(wǎng)格采樣，網(wǎng)格間距為150 m，結(jié)合王茂溝流域?qū)嶋H地形后，樣點分布情況見圖1c。使用直徑為6.9 cm手鉆進行土壤樣品采集，共布設采樣點位216個，每個點位采樣深度為100 cm，分為5層（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm）。并對應在采樣原位各層使用環(huán)刀采集土樣，測量土壤容重，用于有機碳儲量計算。在采集土壤樣品同時，記錄采樣點土地利用類型、坡度和坡向等相關(guān)信息。其中，坡耕地土壤樣品75個，林地55個，草地325個，灌木地90個，梯田225個，共得到分析樣品770個，環(huán)刀樣770個。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situations of the study region

1.3 分析方法

有機碳采用德國耶拿公司生產(chǎn)的有機碳分析儀multi N/C?3100測定，取研磨過100目篩的土樣1.000 g，用1 mol?L-1的鹽酸溶液浸泡24 h，去除土壤中的無機碳，用TOC分析儀測定土壤中的有機碳含量；土壤容重采用環(huán)刀法測定（表1）。

表1 各土地利用類型下的土壤容重Table 1 Soil bulk density relative to land use /（g?cm-3）

1.4 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)檢驗研究區(qū)的土壤有機碳數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)假設，因此本文采用ArcGIS 10.2中的普通Kriging插值方法進行有機碳儲量的空間插值，重點考慮區(qū)域化變量數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，并以GS+軟件擬合的半變異函數(shù)進行插值。估算某測量點z值的通用方程為［18］：

式中，Z0為待估計值，ZX為已知點的x值，WX為與已知點關(guān)聯(lián)的權(quán)重，s為用于估算的已知點的數(shù)目，權(quán)重由數(shù)據(jù)空間特性擬合的半變異函數(shù)得到。

有機碳儲量可以通過以下等式計算［19］：

式中，ρi為土壤容重（g?cm-3），hi為土層厚度（cm），ci為有機碳含量（g?kg-1），SOCi為有機碳儲量（kg），Ai代表每個土地利用面積（m2），Di為有機碳密度（kg?m-2）。

根據(jù)野外實測數(shù)據(jù)與實驗室的分析結(jié)果，采用一般線性模型（GLM）分析了土地利用、地形、深度以及它們的交互作用對SOC的影響。利用SPSS18.0對SOC含量進行方差分析（ANOVA）。

2 結(jié) 果

2.1 地形對剖面SOC分布特征的影響

研究區(qū)0～100 cm土層SOC含量在3.13～4.72 g?kg-1之間，且以表層SOC含量最高。地形顯著影響了剖面SOC的空間分布（表2），表現(xiàn)為坡上（4.49 g?kg-1）＞坡中（4.30 g?kg-1）＞坡下（3.97 g?kg-1）＞坡頂（3.34 g?kg-1）。100 cm土層中，坡上、坡中、坡下SOC含量分別較坡頂高34.6%、28.9%和18.8%（P＜0.05）。坡頂、坡上和坡中位置，0～20 cm土層SOC含量均顯著高于20～100 cm各土層SOC含量，同一坡位，20 cm以下土層SOC含量差異不顯著；而在該流域坡下部位，包括表層在內(nèi)，各層SOC含量之間均無顯著性差異。

表2 地形對土壤剖面SOC空間分布的影響Table 2 Effects of topography on spatial distribution of soil organic carbon in soil profile /（g?kg-1）

2.2 土地利用方式對剖面SOC分布特征的影響

土地利用方式也顯著影響剖面SOC含量空間分布特征（表3）。100 cm土層中，坡耕地SOC含量最低，僅為3.47 g?kg-1（P＜0.05）。林地（4.31 g?kg-1）、梯田（4.25 g?kg-1）、草地（4.12 g?kg-1）和 灌 木（3.82 g?kg-1）分別較坡耕地SOC含量增加24.2%、22.4%、18.7%和10.1%。0～20 cm土層林地SOC含量最高（P＜0.05）。SOC含量在60 cm出現(xiàn)臨界層，在60 cm土層以上，坡耕地SOC含量最低，其他各土地利用類型之間SOC含量均沒有顯著性差異；在60 cm土層以下，僅梯田與坡耕地SOC含量表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）。且對于同一土地利用而言，林地、草地、灌木表層（0～20 cm）SOC與其各自深層土壤SOC含量表現(xiàn)出顯著差異。

2.3 地形與土地利用交互作用對剖面SOC分布特征的影響

地形和土地利用方式交互作用極顯著（P＜0.01）影響土壤剖面SOC分布特征（圖2）。坡頂草地（3.19 g?kg-1）、灌木（3.60 g?kg-1）、梯田（3.33 g?kg-1）SOC平均含量分別為坡耕地（2.93 g?kg-1）的1.09倍、1.23倍、1.14倍，坡頂0～20 cm土層SOC含量均顯著高于坡耕地，草地、灌木、梯田0～20 cm土層SOC含量均高于其他各土層SOC含量（P＜0.05）。除坡耕地外，其余各土地利用0～20 cm土層SOC含量均顯著高于其他土層SOC含量（P＜0.05），20～40 cm土層林地、草地、灌木SOC含量均顯著高于坡耕地，其余各土層間SOC含量分布較為均一。坡中位置，坡耕地在0～60 cm土層SOC含量最低，林地、草地、梯田0～20 cm土層SOC含量均顯著高于各20～100 cm土層SOC含量（P＜0.05）。在坡下位置，坡耕地SOC含量在0～80 cm土層顯著低于草地和灌木，草地和灌木0～20 cm土層SOC含量最高（P＜0.05），坡耕地各土層之間SOC含量差異不顯著。同一地形條件下生態(tài)建設措施的不同，可以導致進入土壤的植物殘體數(shù)量和性質(zhì)各異，且由于人為干擾程度的不同，影響土壤碳素礦化、運輸以及植物的吸收利用，最后導致土壤中SOC含量存在差異。在不同的地形條件下，坡耕地0～20 cm土層SOC含量均表現(xiàn)為最低，且各土層之間SOC含量變化也較為一致，與Zhao等［20］研究結(jié)論一致。將坡耕地恢復為林地、草地、梯田或者灌木地可以顯著增加SOC的含量，對于區(qū)域而言，進行生態(tài)恢復可增加碳截存量，從而加強土壤碳匯的能力及區(qū)域碳儲量。

表3 土地利用對土壤剖面SOC空間分布的影響Table 3 Effects of land use on spatial distribution of soil organic carbon in soil profile/（g?kg-1）

圖2 同一地形不同土地利用方式對土壤剖面SOC空間分布的影響Fig.2 Effects of land-uses the same in topography on spatial distribution of soil organic carbon in soil profiles

2.4 剖面SOC含量的影響因子

根據(jù)一般線性模型（GLM）的方差成分分析，對土地利用、地形、深度及其交互作用對SOC含量變異性的貢獻進行了計算。各因子以及土地利用與地形的交互作用對流域剖面SOC含量空間分布有極顯著影響（P＜0.01）。土地利用與深度的交互作用、地形與深度的交互作用以及土地利用、地形、深度三者的交互作用對剖面SOC含量分布影響不顯著。7種不同角度的對比分析發(fā)現(xiàn)，地形對SOC含量影響最為顯著，可解釋32.50%的變異性。其次為土地利用與地形的交互作用，可解釋7.40%的變異性，地形對其貢獻率較其他影響因子高出3倍甚至更高。單因子的貢獻率中，土層深度對SOC含量的影響最小，解釋其5%的變異性。土地利用與深度對SOC的交互作用影響最小，僅解釋其0.80%的變異性。由此可知，地形是本研究區(qū)SOC的重要影響因子。

2.5 區(qū)域SOC空間分布特征

以上文數(shù)據(jù)和分析為基礎，通過GS＋軟件對王茂溝流域不同土層SOC進行半方差函數(shù)分析（表4），研究土壤特性空間分布的方向性和相關(guān)距離，根據(jù)軟件得出的決定系數(shù)和殘差平方和選擇最優(yōu)插值模型并對流域未采集部位SOC進行最優(yōu)內(nèi)插估值和成圖。對Kriging插值模型結(jié)果進行正交檢驗，參考最優(yōu)模型評價標準：標準平均值最接近于0，均方根預測誤差最小，平均標準誤差最接近于均方根預測誤差，標準均方根預測誤差最接近于1，插值結(jié)果精度越高。因此，本文采用普通Kriging插值模型對王茂溝流域土壤有機碳含量的插值結(jié)果滿足精度要求。

表4 不同土層土壤有機碳的半方差結(jié)構(gòu)特征Table 4 Semivariance analysis of SOC in soil layers relative to depths

將流域內(nèi)各層SOC含量通過K-S正態(tài)檢驗，通過比較檢測P值，均與正態(tài)性沒有顯著差異（P＞0.05），流域SOC符合正態(tài)分布，因此根據(jù)半方差分析所得出的參數(shù)，對各土層的SOC進行普通Kriging插值（圖3），空間分布基本呈現(xiàn)相似的格局。總體而言，王茂溝流域SOC集中呈斑塊分布。隨著深度的增加，流域SOC的空間分布向均一性發(fā)展，這是因為土壤表層與外界環(huán)境因子相互作用更加密切，異質(zhì)性更強。SOC高的地區(qū)對應于林地、灌木地、草地和梯田，與實際調(diào)查相符。這些地區(qū)由于管理良好，土壤流失減小，同時林地、灌木地、梯田凋落物等外源出入碳聚集在土壤表層，可為微生物活動提供充足的能量和物質(zhì)來源，從而會促進土壤中生物的活動。草地地上部分的枯枝落葉可以為土壤提供大量的碳源。因此，這些地區(qū)具有良好的保肥保水作用。

3 討 論

3.1 地形和土地利用對SOC的影響

圖3 王茂溝流域土壤有機碳含量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of SOC in Wangmaogou watershed

復雜的地形因子對土壤的物質(zhì)、能量過程、理化性質(zhì)、土地生產(chǎn)力、土壤水分狀況、微氣候等均會產(chǎn)生影響［21］。坡位、坡向、海拔等相關(guān)地形因素控制著小尺度區(qū)域尤其是坡面土壤的水、肥、氣、熱等。千溝萬壑的黃土高原，地形破碎、復雜多變，起伏的地形地貌景觀對SOC有重要影響。坡位不同，土壤有機質(zhì)空間分布特征及凋落物腐殖化、礦化過程也不盡相同，與本研究結(jié)果相同。在黃土高原腹地延河流域，Sigua等［22］也發(fā)現(xiàn)溝坡（即坡面）SOC含量較峁頂高。坡（峁）頂土地利用類型相對單一，農(nóng)作物和果樹是其主要的植被類型，由于人為翻耕，土壤的通透性增加，土壤質(zhì)地松軟，水蝕作用強烈，水土流失嚴重，土壤中SOC也隨之流失；作物收獲后其植物體內(nèi)的碳不能歸還至土壤中，導致坡耕地不利于SOC的積累和保護［23］。坡上、坡中位置植被類型最為完整且具有多樣性，凋落物等外源輸入碳聚集在土壤表層，同時為微生物活動提供充足的能量和物質(zhì)來源，從而促進了土壤表層的生物活動［24］，表層較多的SOC輸入，以及發(fā)達的植被細根分布，使其控制土壤侵蝕和水土流失能力較強［25］。盡管坡下有來自其他坡位侵蝕泥沙的碳輸入，但經(jīng)過坡上和坡中植被的攔截作用，到達坡下的泥沙所攜帶的SOC含量較低，因此坡下SOC輸入較小，使得坡下SOC含量相對較低。正是由于不同地形部位對SOC含量影響的不同，使得地形因子對SOC變異性的解釋度最高。

針對土地利用方式的結(jié)構(gòu)調(diào)整，不僅可以明顯控制和減緩土壤侵蝕的發(fā)生，而且是提高陸地生態(tài)系統(tǒng)SOC的有效措施。在耕作過程中，土壤在耕層內(nèi)上下擾動，導致本研究區(qū)坡耕地SOC含量在垂直方向上未呈現(xiàn)出表層高于底層的現(xiàn)象。與坡耕地相比，梯田種植物種多樣性較高，枯落物層、根系發(fā)達程度均較坡耕地高，導致梯田整體SOC含量高于坡耕地。0～60 cm土層是SOC在土壤剖面中分布變化最為活躍的層次，尤其表現(xiàn)在退耕還林（草）之后的土地利用類型中；60～100 cm土層是SOC分布相對穩(wěn)定的區(qū)域［26］，這與本文得出的流域SOC空間分布結(jié)果一致。林地凋落物在土壤表層大量積累和分解，致使0～20 cm土層SOC急劇增加。研究結(jié)果顯示將坡耕地恢復為灌木、林地、草地、梯田后，均可以增加0～60 cm土層SOC含量?？傮w來看坡耕地在退耕還林或撂荒后，由于枯落物輸入、微生物活動等影響，表層土壤有機碳含量明顯增加。而梯田作為我國較常用的水土保持耕作措施，改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，增加土壤通透性，提高了水分入滲量和蓄存量，從而影響土壤水、肥、氣、熱狀況［27］。

3.2 各因子及其交互作用對SOC變異的貢獻

分布在0～100 cm深度的SOC，極易受人為干擾和氣候變化的影響，同時土地利用［28］、地形［29］、土壤類型、成土母質(zhì)、管理措施［30］等多種因子也會使得SOC分布及空間異質(zhì)性發(fā)生改變。我國黃土高原地區(qū)千溝萬壑，支離破碎，土地利用類型復雜多樣，形成了典型的溝壑侵蝕地貌（梁峁頂、梁峁坡及溝谷地）。因此該區(qū)有機碳的分布也往往是多種因子綜合作用的結(jié)果，針對某一具體地區(qū)而言，SOC的主控因子也就會因時間、空間和尺度不同而不同。趙明月等［31］對陜西安塞縣典型小流域的有機碳研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)地形因子對有機碳含量和密度的影響高于土地利用；而在黃河腹地延河流域［32］，植被類型對SOC的影響大于地形因子。在本研究流域，地形因子對SOC含量影響最大，其中又以坡位對SOC含量的影響最大［33］。黃土高原梁峁頂土地利用方式相對單一，由于常年遭受暴雨沖蝕，且植被蓋度較低，侵蝕劇烈，在坡位較高、單一土地利用方式兩種因素的共同影響下，其SOC含量最低。峁坡上廣泛分布梯田、林地、草地及果園等，植被蓋度較高，有效減緩了水土-養(yǎng)分流失的發(fā)生，使得峁坡面SOC含量高于坡頂。因此，與其他因子的交互作用相比，土地利用與地形的交互作用對本研究流域SOC含量變異性貢獻最大（7.4%）。此外，分布在坡頂?shù)钠赂乇韺油寥澜Y(jié)構(gòu)疏松，植被蓋度較低，且遭受雨滴擊濺、沖刷程度更大，因而較其他坡位、土地利用更易發(fā)生侵蝕，伴隨土壤侵蝕的表層有機碳也隨之流失，從而表現(xiàn)出坡頂表層SOC含量最低，隨著土層變深，SOC含量逐漸增加的規(guī)律。林草地有機碳的輸入多以表層枯落物為主，加之梯田肥料施入，且侵蝕相對坡頂較弱，因此坡上、坡中、坡下各土地利用方式下均以土壤表層SOC含量最高。較深層土壤水分匱缺，通氣性較好，微生物相對活躍，促進了SOC的分解，使得深層土壤SOC含量較低。不同土地利用方式下SOC含量的垂直變化規(guī)律較為一致，因而土地利用與土層深度的交互作用對SOC含量變異的解釋度最低。除梯田外，其他土地利用方式深層（＞20 cm）SOC含量顯著小于表層（0～20 cm）土壤，說明人為活動對土壤干擾程度明顯，經(jīng)過人為精耕細作與水土保持措施的有效發(fā)揮，SOC可以有效被固存。

綜上所述，為了增加研究區(qū)碳儲量，不僅要合理規(guī)劃不同地貌部位的土地利用，還應減少坡耕地面積及人為干擾等不利因素，重視水土保持措施生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益，降低區(qū)域內(nèi)SOC的流失，增加區(qū)域土壤“碳匯”能力。

4 結(jié) 論

黃土丘陵第一副區(qū)王茂溝小流域在0～100 cm土層中，SOC平均含量坡上、坡中含量最高，其次為坡下，坡頂SOC含量最低；坡耕地SOC含量最低。林地、梯田、草地和灌木分別較坡耕地SOC含量增加24.2%、22.4%、18.7%和10.1%。表層SOC更易受到環(huán)境因子的影響，梯田等水土保持措施可明顯固存深層SOC。方差成分估計表明，土地利用、地形、深度以及土地利用與地形的交互作用對流域剖面SOC含量空間分布有著極顯著的影響（P＜0.01），其中地形對SOC含量的貢獻率最高，達到32.50%。土地利用與地形的交互作用在各因子的交互作用中表現(xiàn)出對SOC含量變異解釋度最高。流域SOC在空間上呈斑塊分布，隨著深度的增加，流域SOC的空間分布向均一性發(fā)展。