王曉 于兵 李繼紅

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土地利用和土地覆被變化(LUCC)，是以社會經(jīng)濟(jì)為前提，地表生態(tài)系統(tǒng)分布格局因人類經(jīng)營活動而變化的過程[1-2]。自19世紀(jì)以來，人類活動對土地資源開采和利用日益頻繁，改變土地表面分布類型和組成方式，影響植被的類型和凋落物數(shù)目以及土壤有機(jī)質(zhì)輸入和分布[3-4]，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲量發(fā)生改變，影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。土地利用和土地覆被變化最早出現(xiàn)在1992年聯(lián)合國發(fā)布“21世紀(jì)議程”上[5]，隨著土地利用和土地覆被變化不斷延伸和展開，發(fā)現(xiàn)工業(yè)革命以來，土地利用和土地覆被變化是繼化石燃料后，對二氧化碳溫室氣體排放第二人為因素[6-7]。

關(guān)于土地利用和土地覆被變化對土壤有機(jī)碳儲量的影響，已有較多研究成果[8-13]，從不同角度、不同時間間隔，闡述了各自研究區(qū)域土壤有機(jī)碳儲量變化和影響土壤有機(jī)碳儲量變化的影響因素。但多集中在全球或者國家較大規(guī)模進(jìn)行研究，并且主要是通過已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行模型估算。然而實(shí)際的土壤有機(jī)碳密度不是恒定值，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行土地利用和土地覆被對區(qū)域碳循環(huán)計(jì)算，容易差異較大；而且不同時間尺度，區(qū)域土壤有機(jī)碳儲量受到影響因素作用也不同。為此，本研究以大慶地區(qū)土地利用和土地覆被變化、土壤有機(jī)碳為研究對象，以2019年為研究時間結(jié)束節(jié)點(diǎn)，分別以10 a的短期時間間隔、35 a的較長期時間間隔，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的空間分析方法，分析土地利用和土地覆被變化對土壤有機(jī)碳儲量的影響；結(jié)合地理探測器與地理信息系統(tǒng)，分析土壤有機(jī)碳儲量的各個影響因素之間關(guān)系；旨在為大慶地區(qū)土地利用格局優(yōu)化和土地資源最大生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)榇髴c市，是中國最大的石油石化城市，位于黑龍江省西南部的松遼盆地，地理坐標(biāo)：北緯45°46′～46°55′，東經(jīng)124°19′～125°12′。大慶地區(qū)總面積21 219 km2，人口約320萬人。大慶地區(qū)地處北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受蒙古內(nèi)陸冷空氣和海洋暖流季風(fēng)的影響，冬季寒冷有雪、春秋季風(fēng)多；年平均氣溫4.2 ℃，年均無霜期143 d，年日照時間2 726 h；年降水量350～550 mm。研究區(qū)土壤以草甸土為主，其次是草甸黑鈣土和草甸風(fēng)沙土，還有少量鹽化黑鈣土和草甸黑土。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

大慶地區(qū)1984、2009、2019年衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的陸地衛(wèi)星TM影像，空間分辨率30 m，所選的衛(wèi)星圖像的云層覆蓋度均小于10%。根據(jù)國土資源部土地使用狀況分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2017)，并結(jié)合大慶地區(qū)當(dāng)?shù)貙?shí)際生態(tài)環(huán)境，將土地類型分類為：耕地、林地、草地、建筑用地、水域、鹽堿地、沼澤。

土壤數(shù)據(jù)主要通過現(xiàn)場采樣獲取(見圖1)。按照土地利用類型采集土樣，每一類型至少選取5個采樣點(diǎn)，采樣深度(h)取3個土層深度，分別為0

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)設(shè)置

氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國氣象局(http://www.cma.gov.cn/)和中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)；大慶地區(qū)各縣市的人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、石油產(chǎn)量，來自大慶地區(qū)相應(yīng)年份的大慶各政府公開的國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公告、大慶統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 遙感影像處理

使用地理信息系統(tǒng)軟件對預(yù)處理后的大慶地區(qū)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化。通過目視解譯，對影像的形狀、大小、色調(diào)、質(zhì)地等直接顯示特征進(jìn)行區(qū)別分類，將數(shù)據(jù)歸類為林地、草地、建筑用地、水域、農(nóng)田、沙地、鹽堿地、沼澤。目視解譯結(jié)果需要野外調(diào)查進(jìn)行檢驗(yàn)，隨機(jī)選取目視解譯不同土地類型，對其經(jīng)緯度及顯著地物進(jìn)行標(biāo)注，根據(jù)記錄的經(jīng)緯度，利用GPS到達(dá)實(shí)際所在的目標(biāo)點(diǎn)，對其進(jìn)行判讀，根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果對目視解譯結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)；然后，使用地理信息系統(tǒng)軟件的空間分析中疊加分析，獲得大慶地區(qū)1984—2019年(較長期)、2009—2019年(短期)動態(tài)變化的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.3 土地利用和土地覆被變化評價模型

先將不同時間間隔的土地覆被變化簡單地計(jì)算面積變化，然后加入多種參數(shù)計(jì)算特定的土地覆被類型增量和減量的差異，定量表示出大慶地區(qū)短期10 a內(nèi)和較長期35 a土地類型變化的方向。

土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣，可直觀反映不同時期各個土地利用和土地覆被之間轉(zhuǎn)移情況，定量展示土地利用和土地覆被變化的數(shù)量特征和方向；應(yīng)用土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣，分析大慶地區(qū)1984—2019、2009—2019年變化情況，數(shù)學(xué)模型為：

式中：M為土地利用和土地覆被類型面積；n為土地利用和土地覆被類型數(shù)目；i、j分別為特定研究時間的開始和終止時的土地利用和土地覆被類型。

土地覆被動態(tài)指數(shù)(k)[14]，表示特定土地覆被類型面積變化幅度，計(jì)算公式為k=[(Ub-Ua)/(Ua×T)]×100%。式中的Ua、Ub分別為研究時間間隔開始和結(jié)束時特定土地覆被類型的面積；T為研究時間間隔。

土地覆被變化重要指數(shù)[15]，表示在某一時間段內(nèi)，土地覆被類型變化面積中占主導(dǎo)類型，計(jì)算公式為：Di=Ai/A、A=∑Ai，i=1、2、…、n。式中的Di為第i種土地覆被變化重要指數(shù)；Ai為第i種土地覆被類型面積變化；A為某一時間內(nèi)所有土地覆被變化面積總和。

土地覆被變化貢獻(xiàn)指數(shù)，由兩部分組成：特定土地覆被類型轉(zhuǎn)變成其他類型(Zo)、其他土地覆被類型轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟愋?Zin)。主要表示在研究時間間隔中，目標(biāo)土地覆被類型主要轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)入目標(biāo)覆被類型的主導(dǎo)類型。計(jì)算公式為Zo=∑i∑j(Sij/St)、Zin=∑i∑j(Tij/Tt)，i=1、2、…、n，j=1、2、…、n。式中：Sij為研究對象的土地覆被類型i轉(zhuǎn)變成其他土地覆被類型j的面積；Tij為其他土地覆被類型j轉(zhuǎn)入研究對象的土地覆被類型i的面積；St、Tt分別為對象的土地覆被類型轉(zhuǎn)出的總面積和其他類型轉(zhuǎn)入研究對象的土地覆被類型的總面積。

2.4 土壤有機(jī)碳變化評價方法

2019年，大慶地區(qū)土壤樣品通過2 km×2 km的網(wǎng)格，利用網(wǎng)格中心作為預(yù)采點(diǎn)。為了便于數(shù)據(jù)對比，預(yù)采點(diǎn)要滿足1984年全國第二次土壤普查中大慶地區(qū)測樣點(diǎn)不超過500 m范圍的條件進(jìn)行采集；通過GPS定位土樣樣本點(diǎn)的經(jīng)緯度以及高程值，并且布設(shè)以S型進(jìn)行采樣點(diǎn)標(biāo)記；采集5個點(diǎn)，并且每5個點(diǎn)混為一種樣本編號；采樣時避開建設(shè)用地和水體，對耕地、林地、沙地、鹽堿地、沼澤等同一種土地覆被采集不少于3塊樣地，并且使用環(huán)刀在0

土壤有機(jī)碳取決于不同土地類型所占的面積、單位面積的土壤有機(jī)碳密度[16]，土壤有機(jī)碳密度(E)單位通常用kg/m2表示，計(jì)算公式為E=h×wc×ρ。式中：h為土層厚度(單位為cm)；ρ為土壤密度(單位為g/cm3)；wc是土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(單位為g/kg)。

2.5 土壤有機(jī)碳儲量計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳儲量是一定區(qū)域內(nèi)土壤含有有機(jī)碳的總質(zhì)量[17-18]。根據(jù)定義，碳儲量計(jì)算是不同土地利用和土地覆被類型面積與該類型土壤有機(jī)碳密度乘積[19]，以土地利用和土地覆被變化、土壤有機(jī)碳密度為研究對象，分析兩者對土壤有機(jī)碳儲量的貢獻(xiàn)。

(1)當(dāng)土壤有機(jī)碳儲量變化受到土地利用和土地覆被、土壤有機(jī)碳密度影響時，總的土壤有機(jī)碳儲量計(jì)算公式為CE=∑i(Si2Ei2-Si1Ei1)，i=1、2、…、n。式中：CE為土壤有機(jī)碳儲量變化量；Si1、Si2分別為土地利用和土地覆被類型i研究時間開始時的面積、研究時間結(jié)束時的面積；Ei1、Ei2分別為土地利用和土地覆被類型i研究時間開始時的土壤有機(jī)碳密度、研究時間結(jié)束時的土壤有機(jī)碳密度。

(2)假設(shè)每一種土地利用和土地覆被的土壤有機(jī)碳密度，在研究時間段內(nèi)保持不變，土壤有機(jī)碳儲量效應(yīng)只受到土地利用和土地覆被面積變化影響，則計(jì)算公式為：CE1=∑i[(Si2-Si1)Ei1]，i=1、2、…、n。式中CE1為土壤有機(jī)碳儲量變化量(只考慮土地利用和土地覆被面積變化)。

(3)假設(shè)土地利用和土地覆被面積不會發(fā)生變化，土壤有機(jī)碳儲量只受到土壤有機(jī)碳密度變化影響，則計(jì)算公式如下：CE2=∑i[(Ei2-Ei1)Si1]，i=1、2、…、n。式中CE2為土壤有機(jī)碳儲量變化量(只考慮土壤有機(jī)碳密度變化)。

(4)土地利用和土地覆被面積變化對土壤有機(jī)碳儲量變化的貢獻(xiàn)率(RS)、土壤有機(jī)碳密度變化對土壤有機(jī)碳儲量變化的貢獻(xiàn)率(RE)，計(jì)算公式為：RS=[CE1/(CE1+CE2)]×100%、RE=[CE2/(CE1+CE2)]×100%。

用q(X1)、q(X2)代表影響因素X1和X2的空間分異性影響程度，然后計(jì)算X1、X2兩個因素之間交互時的q值，記作q(X1∩X2)。將這三者的q值進(jìn)行比較，如果兩因素交互值比兩個單因素值都要小，則說明兩個因素交互后線性減弱；如果交互值大于兩個單因素最小值，但小于兩個單因素的最大值，則說明單因素非線性減弱；如果交互值比兩個單因素任何一個最大值都大，則說明交互后雙線性增強(qiáng)；如果滿足q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2)條件，則說明兩個因素相互獨(dú)立；如果滿足q(X1∩X2)>q(X1)+q(X2)條件，則說明兩個因素交互后非線性增強(qiáng)。

大慶地區(qū)不同時間點(diǎn)的土壤有機(jī)碳儲量有所不同，出現(xiàn)這種變化主要因素分為兩類：一類是社會因素，即人口(X1)、地區(qū)GDP(X2)、地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)值(X3)、地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)值(X4)、地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)值(X5)、原油產(chǎn)量(X6)；另一類是自然因素，即氣溫(X7)、降水(X8)。本研究運(yùn)用地理探測器，將大慶地區(qū)的土壤有機(jī)碳儲量作為評價目標(biāo)(Y)，分析不同影響因素類型對大慶土壤有機(jī)碳儲量的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 大慶地區(qū)土地利用和土地覆被變化特征

在2009—2019年中，大慶地區(qū)建筑用地、林地、水域、鹽堿地增加，草地、農(nóng)田、沙地、沼澤減少(見表1)。2019年與2009年相比，建筑用地、林地、水域、鹽堿地面積增加了，草地、農(nóng)田、沙地、沼澤地面積減少了。在這十年間，沙地變化幅度最大，其動態(tài)指數(shù)為2.51%；其次是林地，動態(tài)指數(shù)為1.58%；變化幅度最小的土地類型是農(nóng)田，為0.01%。說明大慶地區(qū)在這一時間段中，草地是比較活躍的土地覆被類型，參與到其他類型轉(zhuǎn)換。并且林地面積增加，表明近年來植樹造林工程取得了初步成效。1984—2019年，大慶地區(qū)35 a與近10 a變化有所不同，建筑用地、林地、農(nóng)田、沙地、鹽堿地面積增加，草地、水域、沼澤面積減少，其中沙地土地覆被類型動態(tài)指數(shù)為21.63%，說明這段時間段內(nèi)沙地變化幅度最大，其他土地覆被類型變化比較小。

表1 1984—2019年大慶地區(qū)土地利用和土地覆被變化

由表1可知，耕地在這3個時期仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，占比分別為35.57%(1984年)、42.15%(2009年)、42.12%(2019年)；其次是草地、開闊水域，在1984年占比較高，分別為23.97%、12.51%；最低土地覆被類型占比是沙地，3個時間段都位于少于1%的水平。大慶地區(qū)在1984—2019年35 a內(nèi)，建筑用地、林地、開闊水域、鹽堿地、沙地增加；其中沙地增加速率最快，與1984面積相比，2019年沙地增加了8倍；其次是鹽堿地和林地。減少速度最快是沼澤，為48.74%，其次是草地。雖然沙地變化幅度最大，但在這35 a間，占主導(dǎo)地位是沼澤，沼澤地?fù)p失了143 882 hm2(重要指數(shù)為68%)；其次是耕地，耕地增加了138 617 hm2(重要指數(shù)為65%)。說明在1984—2019年間，土地覆被流失最嚴(yán)重的是沼澤地，面積增加最多是耕地。大慶地區(qū)在2009—2019年內(nèi)，建筑用地、林地、開闊水域、鹽堿地增加，其中林地增加較快，為15.79%。在這10 a內(nèi)，草地減少占主導(dǎo)地位(重要指數(shù)為34%)，說明草地減少是10 a內(nèi)主要的變化特征。結(jié)合35 a時間尺度可見，建筑用地、林地是增加趨勢，草地、沼澤是減少趨勢；在這期間，雖然沙地增加速度較大，但在最近10 a內(nèi)得到了有效防范，扼制其增加勢頭。

由于每個土地覆被類型變化幅度和比例，會因?yàn)闀r間尺度不同而不同，為分析土地類型增加或減少的原因，本研究進(jìn)行土地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)分析。草地在近10 a內(nèi)減少了6.18%，由表2可見：在轉(zhuǎn)入土地覆被類型中，農(nóng)田、鹽堿地占總轉(zhuǎn)入類型72.91%，最少的是沙地(占0.01%)；在轉(zhuǎn)出土地覆被類型中，草地主要轉(zhuǎn)向農(nóng)田，其次是轉(zhuǎn)向鹽堿地。這表明，農(nóng)田、鹽堿地是草地動態(tài)變化主要參與者，相比而言，沙地對草地變化影響甚微。并且，草地近35 a面積減少了104 510 hm2，這與近10 a趨勢相近。在轉(zhuǎn)出土地覆被類型中，農(nóng)田是草地類型主要轉(zhuǎn)出方向，這與大慶地區(qū)人為開墾農(nóng)田有關(guān)。雖然這期間，也有其他類型對草地補(bǔ)給，但補(bǔ)給量小于減少量，草地在1984—2019年間減少了20.63%面積，在大慶地區(qū)草地仍然處于減少趨勢。

表2 不同時間尺度大慶地區(qū)土地覆被類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出比例

林地是大慶地區(qū)10 a增加面積最多的土地覆被類型，在林地動態(tài)變化中，主要參與的土地覆被類型是農(nóng)田、草地，由農(nóng)田轉(zhuǎn)入林地占總68.5%、由林地轉(zhuǎn)出到農(nóng)田占總75.72%，由草地轉(zhuǎn)入林地占總24.17%、由林地轉(zhuǎn)出草地占總16.89%。這說明農(nóng)田、草地是林地增加主要因素，對大慶地區(qū)固碳有很大積極作用。林地在1984—2019年中，面積增加了26 513 hm2。在轉(zhuǎn)入方向上，49.31%草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀?8.05%農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，這說明，在近35 a中草地、農(nóng)田是林地主流方向。但是，這也是轉(zhuǎn)出林地類型的主要方向，這說明，林地與草地、農(nóng)田動態(tài)變化中，林地土地覆被類型增加對大慶地區(qū)固碳有積極作用。耕地在2009—2019年間總體上保持不變，在轉(zhuǎn)入土地覆被類型中，草地、林地為主要貢獻(xiàn)者，兩者共占轉(zhuǎn)入耕地的76.83%。與此同時，農(nóng)田主要轉(zhuǎn)向草地、林地，達(dá)到了動態(tài)平衡。雖然農(nóng)田在10 a間減少甚微，但其中是復(fù)雜的排碳和吸碳的交互過程。但農(nóng)田在這35 a中，增幅比較明顯，土地覆被變化重要指數(shù)(65.30%)僅次于沼澤的(67.78%)，與沼澤一起起著重要作用。農(nóng)田主要來源于草地，有156 521 hm2面積草地補(bǔ)給了農(nóng)田，占農(nóng)田總轉(zhuǎn)入變化的59.69%，說明農(nóng)田主要擴(kuò)張對象是草地，草地是農(nóng)田增加主要因素。

3.2 大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及密度變化特征

應(yīng)用SPSS23.0軟件對不同土地覆被類型的2019年土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行單因素方差分析，不同采樣深度對土壤有機(jī)碳影響不大，差異性不顯著，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10～20 g/kg之間。由表3可見：在0

表3 大慶地區(qū)6種土地覆被類型不同采樣深度土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

大慶地區(qū)的土壤有機(jī)碳密度，在1984—2019、2009—2019年不同時間尺度，變化速率也不同。由表4可見：耕地、林地、草地、沙地、鹽堿地、沼澤的土壤有機(jī)碳變化，在不同時間間隔的速率變化幅度和方向都具有差異；耕地、林地、草地、沼澤在1984—2019年內(nèi)是減少狀態(tài)，其中，沼澤減少幅度最大(達(dá)0.19 kg·m-2·a-1)。變化速率，草地的土壤有機(jī)碳密度趨近于不變，但在以2019年為節(jié)點(diǎn)10 a尺度時，即2009—2019年間，均由減少變?yōu)樵黾?；沼澤相對?009年時期恢復(fù)速度最快(為0.35 kg·m-2·a-1)；沙地、鹽堿地在近35 a間是增加狀態(tài)，分別為0.07、0.40 kg·m-2·a-1，但在近10 a增加態(tài)勢轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少。在同一時期，1984—2019年，鹽堿地速率變化幅度最大，草地速率變化幅度最低；2009—2019年，沼澤速率變化幅度最大，林地速率變化幅度最低，這說明，雖然以2019年為時間結(jié)果節(jié)點(diǎn)，但以35、10 a時間尺度去比較，同一土地覆被類型的土壤有機(jī)碳密度變化速度方向和大小均不一樣，也證明了土壤有機(jī)碳密度并不是穩(wěn)定不變或勻速變化。

表4 大慶地區(qū)6種土地利用和土地覆被類型不同時間尺度的土壤有機(jī)碳密度變化速率

以大慶地區(qū)0

圖2 大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂直結(jié)構(gòu)分布

3.3 大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量變化

利用地理信息系統(tǒng)軟件中疊加分析，獲得大慶地區(qū)1984—2019、2009—2019年土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣為Si2-Si1的差值；通過野外采集大慶地區(qū)的土樣，將測得數(shù)據(jù)整理后賦給Ei1、Ei2，代入計(jì)算公式，分別獲得大慶地區(qū)近35 a和近10 a的土壤有機(jī)碳儲量變化、土地利用和土地覆被變化貢獻(xiàn)、土壤有機(jī)碳密度變化貢獻(xiàn)等數(shù)據(jù)。由表5可見：在1984—2019年，土壤有機(jī)碳儲量減少了1.19×1010kg；在2009—2019年，土壤有機(jī)碳儲量增加了8.06×109kg。

表5 大慶地區(qū)6種土地利用和土地覆被類型不同時間尺度的土壤有機(jī)碳儲量變化

大慶地區(qū)在近35 a內(nèi)，草地、沼澤土地覆被類型是導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲量減少的主要因素。其中，草地因土地覆被和土壤有機(jī)碳變化，排放出2.03×1010kg碳，草地面積銳減是主要原因(貢獻(xiàn)率91.08%)，草地的土壤有機(jī)碳密度減少貢獻(xiàn)率為8.92%；沼澤地因土地覆被和土壤有機(jī)碳密度變化，排放出5.56×1010kg碳，與草地因素相似，沼澤地面積減少占主導(dǎo)因素(貢獻(xiàn)率65.57%)；草地和沼澤當(dāng)中，土地覆被面積減少與其土壤有機(jī)碳密度減少，都是該類型土壤有機(jī)碳儲量減少的原因。林地、耕地土地覆被面積，在固碳作用上起到了重要作用，貢獻(xiàn)率分別為144.90%、196.00%；耕地施肥，在一定程度上增加土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，讓農(nóng)作物吸收起到固碳成效；大慶地區(qū)自1990年起的植樹造林工程起到了初步生態(tài)效應(yīng)，不僅使林地面積得到了擴(kuò)增，還促進(jìn)了林地土壤有機(jī)碳密度得到了提升。

應(yīng)用地理探測器對大慶地區(qū)不同時間尺度的土壤有機(jī)碳的影響因素進(jìn)行了分析，利用q值表示不同影響因素對土壤有機(jī)碳儲量影響程度。在1984年，影響力最大是氣溫(q值達(dá)到了98.70%)，說明氣溫是該時間的影響土壤有機(jī)碳儲量的主導(dǎo)因素；其次是降水(q值達(dá)到了84.90%)；以人口、石油產(chǎn)量等社會人文因素影響力相對較低(q值為10.30%)；表明在1984年，大慶地區(qū)初期，社會因素影響程度低，土壤有機(jī)碳儲量主要受氣溫、降水的自然因素影響。在2009年，降水成為大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量減少主要原因，影響力是99.40%；其次是氣溫(q值達(dá)到了93.70%)；社會人文因素影響力是8.63%；說明2009年，由原來的氣溫主導(dǎo)因素變成了降水為主導(dǎo)因素，自然因素依然是大慶地區(qū)的土壤有機(jī)碳儲量的主要因素。2019年，社會人文因素仍然保持較低的影響力水平(q值為8.63%)，同時降水的影響力降到了68.80%，氣溫的影響力降到了87.80%，氣溫占土壤有機(jī)碳儲量的主要因素。

不同的影響因素之間交互作用，對評價目標(biāo)的影響顯著性不同[21]。在大慶地區(qū)實(shí)際情況中，土壤有機(jī)碳儲量不可能受單一影響因素影響，而是受到自然地理因素和人文社會因素多種因素相互復(fù)雜結(jié)合對土壤有機(jī)碳產(chǎn)生作用[22]。本研究運(yùn)用地理探測器分析各種影響因素之間交互關(guān)系。由表6可見：1984年，不同影響因素關(guān)系，大部分都是雙因子增強(qiáng)，即兩種影響因素交互后，對土壤有機(jī)碳儲量的影響力有增強(qiáng)作用；但人口與其他社會人文因素交互后，對評價目標(biāo)影響力有所下降。2019年，大慶地區(qū)不同影響因素交互關(guān)系，與1984年結(jié)果分析一致。2009年，降水與其他影響因素交互后，增強(qiáng)程度比1984年表現(xiàn)的更強(qiáng)，對土壤有機(jī)碳儲量影響力有所提升。這表明，大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量影響不是單一獨(dú)立的，有減弱或增強(qiáng)，多種影響因素復(fù)雜的疊加，產(chǎn)生不同的地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量。

表6 大慶地區(qū)對土壤有機(jī)碳儲量影響因素在不同時間的交互作用

4 討論

本研究以大慶全地區(qū)為研究范圍，以2019年為時間結(jié)束節(jié)點(diǎn)，分別以近10 a和近35 a不同的時間尺度，分析不同土地利用和土地覆被類型變化，發(fā)現(xiàn)不同土地利用和土地覆被之間是處于動態(tài)變化中，并且流向不是簡單單向，而是復(fù)雜多向變化。耕地面積在這3個時間點(diǎn)都處于主導(dǎo)地位，這與東北三省“產(chǎn)量基地”背景密不可分。在1984—2019年間，耕地面積增加了138 617 hm2，處于增長態(tài)勢，最大的來源是草地，占總轉(zhuǎn)入面積的59.69%；這反應(yīng)大慶地區(qū)近35 a耕地開辟主要對象是草地，并且耕地在這期間與1984年相比，土壤有機(jī)碳密度減少了0.051 kg/m2，耕地的肥力有所下降。以2009年為時間開始點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)耕地面積處于動態(tài)平衡中，變化幅度不大，這與國家2009年頒布“保護(hù)耕地紅線”政策有關(guān)；大慶地區(qū)的耕地面積已經(jīng)基本處于耕地紅線范疇中，在這10 a，耕地沒有明顯增加或減少，與此同時，大慶倡導(dǎo)輪作種植方式，土壤有機(jī)碳密度比2009年有所回升。草地，無論是在近10 a，還是近35 a，都是在不斷減少，草地連年的減少主要原因還是耕地開墾；根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣發(fā)現(xiàn)，近10 a占草地轉(zhuǎn)出面積的41.27%，并且近35 a占草地轉(zhuǎn)出面積的53.22%；這說明草地轉(zhuǎn)出主要流向是農(nóng)田。大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳密度，因土地利用和土地覆被類型不同而不同，介于9.00～29.89 kg/m2之間，在解憲麗等[19]研究的中國土壤有機(jī)碳密度0.27～53.46 kg/m2區(qū)間內(nèi)；大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，呈現(xiàn)出東北高、西南低的空間趨勢，與孫維俠等[23]調(diào)查研究東北三省總體趨勢相符合。大慶地區(qū)，總體上土壤有機(jī)碳儲量比全國平均值偏高，這與該地區(qū)處于廣袤松嫩平原有關(guān)，植被凋落物更容易堆積在土壤表層，使其周圍有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高，土壤表層腐殖質(zhì)累積更加明顯；同時，大慶地區(qū)多濕地的景觀特征，以草本沼澤為代表的濕地，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同時間尺度中，都略高于其他土地覆被類型。

利用地理信息系統(tǒng)軟件疊加分析，獲得大慶地區(qū)1984—2019年和2009—2019年土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣；通過土壤有機(jī)碳儲量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，大慶地區(qū)在在1984—2019年土壤有機(jī)碳儲量減少了1.19×1010kg，而在2009—2019年土壤有機(jī)碳儲量增加了8.06×109kg。雖然以同一個時間為結(jié)束點(diǎn)，但是不同時間點(diǎn)作為開端，得到的土壤有機(jī)碳儲量變化也不同。大慶地區(qū)在近35 a內(nèi)，草地、沼澤土地覆被類型是土壤有機(jī)碳減少的主要因素，其中草地因土地覆被和土壤有機(jī)碳變化，排放出2.03×1010kg碳。而在近10 a內(nèi)，林地、耕地、鹽堿地是土壤有機(jī)碳儲量增加主要原因，其中，林地類型土壤有機(jī)碳增加了2.56×109kg，林地面積占主導(dǎo)地位(貢獻(xiàn)率93.83%)。應(yīng)用地理探測器對大慶地區(qū)不同時間尺度的土壤有機(jī)碳的影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同影響因素在不同時間對大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳影響程度也不同；在1984年，影響力最大是氣溫(達(dá)到了98.70%)；在2009年，降水成為大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量主要原因，影響力是99.40%；在2019年，降水的影響力降到了68.80%，氣溫的影響力降到了87.80%。利用地理探測器的交互分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳儲量不是受單一因素影響，而是受到自然地理因素和人文社會因素多種因素相互復(fù)雜結(jié)合對土壤有機(jī)碳產(chǎn)生作用。

5 結(jié)論

大慶地區(qū)的土地利用和土地覆被，因不同時間尺度變化的強(qiáng)度和方向而有顯著不同，并且不同土地利用和土地覆被之間流動方向是復(fù)雜的過程。

大慶地區(qū)土壤有機(jī)碳，經(jīng)歷了由減少到回升的變化曲線。經(jīng)過單因素方差分析得出，0～20 cm土層的土壤有機(jī)碳變化，與不同土地利用和土地覆被類型有顯著性差異，表層土壤有機(jī)碳更容易受到土地利用和土地覆被變化的影響，并且土壤有機(jī)碳密度也會因時間尺度不同有所區(qū)別。

1984—2019年土壤有機(jī)碳儲量損失了2.03×1010kg，但2009—2019年土壤有機(jī)碳儲量增加了2.56×109kg，并且影響因素復(fù)雜結(jié)合作用于土壤有機(jī)碳儲量變化中。