周卓麗, 張卓棟, 羅建勇, 鄒心雨, 肖人杰

(北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/防沙治沙教育部工程研究中心, 北京100875)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)，大于全球植被和大氣碳庫(kù)的總量[1]。土壤有機(jī)碳作為土壤的組成部分，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、持水能力、土壤肥力等具有重要作用[2]，其受自然和人為因素的綜合影響，具有明顯的空間差異[3]。研究土壤有機(jī)碳及其空間變異特征對(duì)土壤資源的可持續(xù)利用、全球碳循環(huán)等具有重要意義[4-5]。

近年來(lái)，大多數(shù)研究表明土壤有機(jī)碳主要呈現(xiàn)強(qiáng)烈或中等空間自相關(guān)，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)因子影響或由結(jié)構(gòu)因子和隨機(jī)因子共同引起[3,6-9]。地形、土壤性質(zhì)、植被覆蓋等是造成土壤有機(jī)碳空間變異的結(jié)構(gòu)因子[3,6-9]，而生態(tài)工程[10]、放牧等[11]人類(lèi)活動(dòng)是造成其空間變異的隨機(jī)因子，土壤侵蝕是有機(jī)碳空間變異的重要驅(qū)動(dòng)力[12-15]。這些研究從分布特征、影響因子與機(jī)制等多個(gè)方面開(kāi)展，為有機(jī)碳的空間變異研究做了有益的探索。然而，當(dāng)前研究主要集中在0—20 cm的表層，20 cm以下有機(jī)碳儲(chǔ)量仍占有較高的比重[16]，且在不同深度有機(jī)碳空間變異特征及機(jī)理存在差異[17]，研究這種差異有利于土壤資源的合理利用和碳儲(chǔ)量的準(zhǔn)確估算。土壤有機(jī)碳空間變異的強(qiáng)弱受尺度效應(yīng)的影響明顯[18]，目前研究多集中于小流域、區(qū)域及更大的空間尺度，對(duì)坡面尺度缺乏全面深入的研究。坡面尺度的研究能更直接地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，且坡面是水土流失的重要單元[19]，侵蝕引起的土壤再分配會(huì)增強(qiáng)有機(jī)碳的空間變異，研究其空間變異對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水土保持具有重要意義。已有研究主要集中在黃土高原[6,18]、東北黑土區(qū)等[14]土壤侵蝕高發(fā)區(qū)，及西北森林草原和北方草原等重要碳匯區(qū)[4,7]，鮮有關(guān)注生態(tài)脆弱、土壤性質(zhì)空間變異較為突出的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)。

河北壩上地區(qū)屬于典型的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，其生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣直接影響著京津地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量[20]。該區(qū)域草地面積占51.4%，由于大規(guī)模開(kāi)墾與過(guò)度放牧導(dǎo)致草地退化、水土流失嚴(yán)重，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理的重要對(duì)象[20]，加強(qiáng)該區(qū)草地有機(jī)碳的研究對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。

本研究選取河北壩上草地坡面為研究對(duì)象，實(shí)測(cè)0—60 cm不同深度的土壤有機(jī)碳含量。本研究目標(biāo)是獲取草地坡面尺度不同深度有機(jī)碳含量空間變異特征，分析小尺度下有機(jī)碳空間變異機(jī)理及其在不同深度的差異性，為農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤資源管理與更有效的水土保護(hù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省豐寧滿族自治縣，地處內(nèi)蒙古高原東南緣，燕山山脈北部，海拔1 500～1 800 m。區(qū)域內(nèi)雨熱同期，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，年均溫約為0.6℃，年均降水量約400 mm，降水主要集中于6—9月[21]。土壤類(lèi)型為簡(jiǎn)育干潤(rùn)均腐土[22]。植被優(yōu)勢(shì)種包括中華隱子草(CleistogeneschinensisMaxim.Keng.)、散穗早熟禾(PoasubfastigiateTrin.)、黃囊苔草(CarexkorshinskyiKom)等，土地利用類(lèi)型以草地為主。

采樣點(diǎn)分布于豐寧縣大灘鎮(zhèn)二道河村火石溝南側(cè)一草地坡面(41.534°N,116.112°E)(圖1)，樣地坡向?yàn)?8°，坡度為14.8°。坡面東西跨度280 m，南北跨度200 m，高差為90 m，總面積約2.7 hm2。該坡面起伏較小，根據(jù)微地形可分為凸坡、偏凸坡、偏凹坡和凹坡4種坡形，表現(xiàn)出壩上草原典型的丘陵山地的地形特征。

圖1 研究坡面概況及采樣點(diǎn)分布

1.2 野外采樣及實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定

在4種坡形順坡方向各布設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)32個(gè)點(diǎn)。凸坡、偏凸坡、偏凹坡和凹坡4個(gè)坡形分別編號(hào)為A，B，C和D，所有樣點(diǎn)由坡上至坡下分別編號(hào)為1—8(圖1)。使用土鉆在每個(gè)點(diǎn)按5 cm間隔取樣，取樣深度為60 cm，凸坡頂部以及偏凹坡中部有兩個(gè)采樣點(diǎn)由于礫石影響，分別只取到了45 cm和50 cm，共獲取379個(gè)樣。土樣自然風(fēng)干后，除去植物根系和礫石并稱(chēng)重，研磨后過(guò)0.15 mm篩，使用德國(guó)Elementar Vario TOC總有機(jī)碳分析儀測(cè)定所有樣品有機(jī)碳含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 20.0對(duì)有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用Origin 2017繪制不同坡位、坡形有機(jī)碳含量隨深度變化的箱型圖。利用GS+9.0進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，分析不同深度有機(jī)碳含量的自相關(guān)程度，在ArcGIS 10.4中對(duì)各層有機(jī)碳含量進(jìn)行克里金插值，并將插值結(jié)果在Surfer 13中建立3D模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征

隨著深度的增加土壤有機(jī)碳含量總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)(表1)，這與席小康等[7]在錫林河流域草地的研究結(jié)果相同。從0—5 cm到55—60 cm平均值降低了1.69%。30 cm以下深度的有機(jī)碳平均值低于坡面平均水平。各個(gè)深度的有機(jī)碳含量都屬于中等變異，但是隨著深度增加變異系數(shù)逐漸增大，這與劉偉等[23]在黃土高原草地的研究結(jié)果一致。說(shuō)明該坡面上層土壤中有機(jī)碳含量更為均一，深層土壤中有機(jī)碳含量差異相對(duì)更為明顯。K-S檢驗(yàn)表明各個(gè)深度的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，可以對(duì)其進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析。

表1 不同采樣深度土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征

2.2 土壤有機(jī)碳含量空間變異特征

土壤有機(jī)碳的地統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表2)，塊金值在0.00～0.13，說(shuō)明在一些深度存在由隨機(jī)因子引起的土壤有機(jī)碳的空間異質(zhì)性。隨著深度增加基臺(tái)值逐漸增大，表明系統(tǒng)空間內(nèi)的總變異在增大。塊金比分布在0.06%～8.80%，各深度均為強(qiáng)空間自相關(guān)，其空間變異主要由結(jié)構(gòu)因子引起，與馮娜娜等[9]坡面尺度的研究結(jié)果相同，小于李龍等[18]研究的小流域、中等區(qū)域、縣域尺度的塊金比27.66%，33.42%，36.61%，這些較大尺度有機(jī)碳的空間變異由隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素共同引起。大尺度上植被、土壤分布可以綜合體現(xiàn)研究區(qū)的環(huán)境特征，是影響有機(jī)碳空間變異的主導(dǎo)因子，而小尺度上植被、土壤分布相對(duì)單一，地形是關(guān)鍵因素[18]。表層受到人類(lèi)活動(dòng)干擾，變程最小，其他深度變程在100.90—108.50 m，表明表層土壤有機(jī)碳的空間自相關(guān)距離明顯小于其他深度。該坡面變程小于馮娜娜等[9]的311 m，可能原因是本研究選取的是存在4種坡形的不規(guī)則坡面，在地形影響下土壤有機(jī)碳的自相關(guān)距離減弱，變異性增強(qiáng)。以上結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳的空間變異特征及其影響因素具有明顯的尺度效應(yīng)，對(duì)坡面尺度土壤有機(jī)碳的研究具有重要意義。

表2 不同采樣深度土壤有機(jī)碳地統(tǒng)計(jì)特征

土壤有機(jī)碳插值結(jié)果顯示(圖2)，各層有機(jī)碳含量的空間分布特征較為一致，沿坡形走向呈條帶狀分布，總體趨勢(shì)為從凸坡向凹坡逐漸升高。Wiaux等[12]對(duì)黃土侵蝕坡面有機(jī)碳分布的研究也認(rèn)為凸形坡肩的有機(jī)碳含量比其他地貌類(lèi)型更低。表層坡中有機(jī)碳含量高于坡上和坡下部位。在坡形和坡位的綜合作用下，凹坡中下部土壤有機(jī)碳含量高，偏凹坡和偏凸坡中部有機(jī)碳含量較高，而凸坡在深層坡中上部位高于坡下。表層到深層有機(jī)碳含量總體呈降低趨勢(shì)，表層受人為因素的干擾，減弱了表層各坡形之間的差異，而深層差異相對(duì)較大。A3，B5，B8，C1，D5，D6點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的坡形中各個(gè)深度有機(jī)碳含量都較高，A1，A8，B7，C7，D1點(diǎn)在對(duì)應(yīng)坡形的各個(gè)深度都較低，A5，B4，C2，D4點(diǎn)從表層到深層有機(jī)碳含量降低的比較明顯。坡面有機(jī)碳的最大值位于5—10 cm凹坡的D3點(diǎn)，最小值位于55—60 cm凸坡的A2點(diǎn)。以上結(jié)果表明，微地形中的坡形和坡位是影響坡面土壤有機(jī)碳含量空間變異的關(guān)鍵因素。

圖2 坡面各個(gè)深度土壤有機(jī)碳的空間分布

2.3 土壤有機(jī)碳含量隨深度變化特征

按采樣點(diǎn)的海拔將其分為坡上、坡中、坡下3個(gè)坡位。有機(jī)碳含量在各個(gè)坡位均呈現(xiàn)由表層至深層逐漸減小的特點(diǎn)，且坡中有機(jī)碳含量隨深度減小的速率相對(duì)更大(圖3)?？傮w上有機(jī)碳含量坡下>坡中>坡上，基本符合有機(jī)碳在坡上隨土壤侵蝕流失，搬運(yùn)、堆積在坡中、坡下的一般規(guī)律，這與何燕等[24]研究結(jié)論相似。坡下和坡中之間沒(méi)有顯著差異，而坡上與坡下、坡中差異顯著(p<0.01)。與總體趨勢(shì)不同，有機(jī)碳含量在表層0—10 cm表現(xiàn)為坡中>坡下>坡上。

圖3 土壤有機(jī)碳在不同坡位隨深度變化規(guī)律

隨著土層深度的增加有機(jī)碳含量在4個(gè)坡形均減小，其中凸坡減小的速率相對(duì)最快，偏凸坡和凹坡次之，偏凹坡減小的最慢，且隨著深度增加坡形之間的差異越明顯(圖4)。各深度有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)凹坡>偏凹坡>偏凸坡>凸坡，凹坡、偏凹坡與其他坡形間差異顯著(p<0.01)。楊丹等[8]的研究表明在不同深度土壤有機(jī)碳含量與地形的凸凹度有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。凹坡有一個(gè)有機(jī)碳含量明顯偏小的點(diǎn)(D1)，該點(diǎn)位于凹坡頂部，是坡面采樣點(diǎn)中海拔最高的點(diǎn)，在各個(gè)深度有機(jī)碳含量都明顯低于凹坡的其他樣點(diǎn)。

圖4 土壤有機(jī)碳在不同坡形隨深度變化規(guī)律

2.4 土壤有機(jī)碳空間變異機(jī)制

以上結(jié)果表示坡面土壤有機(jī)碳空間差異較大，受結(jié)構(gòu)因子的影響，各層均為強(qiáng)空間自相關(guān)性，但在一些深度也受人為活動(dòng)的干擾產(chǎn)生一定的隨機(jī)差異。研究區(qū)為小尺度草地坡面，氣候、土地利用條件一致，結(jié)構(gòu)因子主要是地形、土壤性質(zhì)和植被，隨機(jī)因子為試驗(yàn)誤差、放牧等人類(lèi)活動(dòng)。

坡位和坡形是導(dǎo)致坡面有機(jī)碳含量空間變異的重要因子，有機(jī)碳含量從地勢(shì)高的排水區(qū)向低洼匯水區(qū)遞增(圖3)。土壤在排水區(qū)更易受到侵蝕，而土壤侵蝕優(yōu)先使與細(xì)顆粒結(jié)合的有機(jī)碳在流水及重力作用下遷移流失，并堆積在匯水區(qū)[14]。土壤有機(jī)碳含量與土壤顆粒大小有密切關(guān)系，砂粒含量大的土壤水肥易流失，而粉粒對(duì)土壤水分有效性具有正效應(yīng)，黏粒通過(guò)與有機(jī)碳結(jié)合形成有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合體對(duì)有機(jī)碳有保護(hù)作用[25]。該坡面土壤機(jī)械組成的空間變異研究[21]表明坡上、坡中部位及凸坡砂粒含量較高，黏粒和粉粒主要分布在地勢(shì)較低的坡下和偏凹坡、凹坡。此外，地勢(shì)低洼區(qū)土壤水分含量高，有利于減緩有機(jī)碳的礦化[14]。

土壤有機(jī)碳含量與根系生物量分布趨勢(shì)相似。植物根系死亡后進(jìn)入土壤碳循環(huán)過(guò)程，是草原土壤有機(jī)碳的重要物質(zhì)來(lái)源[4]，其對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于地表植被[26]。該坡面地表植被條件較為一致，但根系生物量的差異較為明顯[27]，極大值多出現(xiàn)在凹坡和凸坡，但凹坡有機(jī)碳含量卻顯著大于凸坡。凹坡優(yōu)越的水土條件利于植物根系生長(zhǎng)，為凹坡有機(jī)碳的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而凸坡土壤礫石含量高、土壤粗化嚴(yán)重，冷蒿根系攀附于礫石對(duì)土壤侵蝕不利條件做出逆反饋，有機(jī)碳含量隨土壤侵蝕加劇而進(jìn)一步減小。根系的垂直分布特征及分解速率對(duì)不同深度有機(jī)碳含量有直接影響[25]。0—20 cm的有機(jī)碳含量顯著高于下層，底層僅為表層的55%，該坡面植被根系生物量表層明顯大于深層，且微生物活動(dòng)更強(qiáng)，導(dǎo)致有機(jī)碳含量高。例如淺層的A3，A6點(diǎn)、深層的D6點(diǎn)附近根系含量較大，有機(jī)碳含量也高。此外，偏凹坡隨深度增加有機(jī)碳含量減小的速率最緩，這與偏凹坡的根系生物量呈現(xiàn)出相似特征。

表層土壤有機(jī)碳含量受人類(lèi)活動(dòng)的影響而降低。與其他土層不同，該坡面表層0—10 cm深度坡下有機(jī)碳含量小于坡中(圖3)。坡底為一級(jí)河流階地，同時(shí)有鄉(xiāng)間土路穿過(guò)，牲畜踩踏、人車(chē)通行對(duì)坡下表層土壤擾動(dòng)較大，破壞坡下的植被及土壤結(jié)構(gòu)，降低了有機(jī)物質(zhì)的輸入和分解，進(jìn)一步導(dǎo)致有機(jī)碳含量降低，減弱了坡形、坡位的影響程度，王明君等[11]的研究也發(fā)現(xiàn)同樣的問(wèn)題。

地形控制著坡面的水熱再分配，決定了坡面水土流失的方向和強(qiáng)度，影響土壤性質(zhì)的空間變異。粉粒和黏粒與有機(jī)碳聚合形成膠體對(duì)有機(jī)碳積累具有正效應(yīng)，在相同動(dòng)能條件下比砂粒更易被侵蝕、搬運(yùn)，土壤有機(jī)碳也表現(xiàn)出相應(yīng)的空間分布特征。植物根系是有機(jī)碳積累的重要物質(zhì)來(lái)源，其分割、粘結(jié)作用也利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)。植物根系的垂直分布及分解速率差異形成了不同深度有機(jī)碳的空間變異。

3 結(jié) 論

該坡面土壤有機(jī)碳含量平均為2.72%，隨深度增加其含量逐漸減少，各層變異系數(shù)均屬于中等。土壤有機(jī)碳空間分布差異較大，整體表現(xiàn)為凹坡>偏凹坡>偏凸坡>凸坡，坡下>坡中>坡上。各層土壤有機(jī)碳均屬于強(qiáng)空間自相關(guān)，表層變程為49.8 m，其他層穩(wěn)定分布在100.90～108.50 m。

坡面土壤有機(jī)碳的空間變異主要由地形、土壤顆粒和植物根系等結(jié)構(gòu)性因子引起。坡形、坡位是影響坡面尺度土壤有機(jī)碳的關(guān)鍵因素，不同深度土壤有機(jī)碳的差異主要受根系生物量的直接影響，在衡量區(qū)域有機(jī)碳水平、估算有機(jī)碳儲(chǔ)量時(shí)，需要著重加以考慮。

致謝:感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部高曉飛高級(jí)實(shí)驗(yàn)師在試驗(yàn)方面提供的指導(dǎo)，感謝于浩、冀東瑩、李曉輝、旦周加、孫傳龍等人在野外采樣和樣品處理方面的幫助。