土地利用方式和地形對半干旱區(qū)土壤有機碳含量的影響

土地利用方式和地形對半干旱區(qū)土壤有機碳含量的影響李龍;秦富倉;姜麗娜;姚雪玲;王曉軍【摘要】以內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗為研究對象，以實地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合土地利用方式與地形的變化，對敖漢旗0~100cm深度土壤有機碳含量的空間分布特征進行了研究，旨在對地區(qū)碳儲量的估算和科學利用土地資源起到積極的借鑒作用.結(jié)果表明，敖漢旗土壤有機碳含量在0~100cm深度的土壤剖面內(nèi)的變化范圍為0.23~20.71g/kg,主要集中在40cm以上土層，且隨著土層深度的增加土壤有機碳平均含量逐漸降低;各土地利用方式下土壤有機碳含量均表現(xiàn)為林地〉農(nóng)地〉草地.土壤有機碳含量主要富集在高海拔區(qū)的平緩地段;受土壤侵蝕的影響,當坡度＞10°后，不同土地利用類型的有機碳含量均顯著降低.【期刊名稱】《土壤》【年(卷)，期】2019(051)002【總頁數(shù)】7頁(P406-412)【關(guān)鍵詞】土壤有機碳;土壤深度;土地利用方式;地形因素【作者】李龍;秦富倉;姜麗娜;姚雪玲;王曉軍【作者單位】內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院,呼和浩特100018;內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，呼和浩特100018;中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術(shù)研究所,北京100091;中國林業(yè)科學研究院荒漠化所，北京100091;內(nèi)蒙古天睿水土保持生態(tài)技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，內(nèi)蒙古包頭014030【正文語種】中文【中圖分類】S157.9土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其動態(tài)變化和儲量的分布不僅對土地質(zhì)量起著重要的指示作用，同時對全球氣候變化也有著巨大的影響［1］。自然因素和人為活動都直接或間接地對土壤有機碳含量的空間分布起著重要作用，而土地利用方式的改變對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有著極其重要的影響，是僅次于化石燃料燃燒而使大氣中CO2濃度劇烈增長的最主要的人為活動［2］。Murty等［3］也研究指出原始植被和土地利用方式的改變極大地影響著土壤碳循環(huán)，是控制土壤有機碳排放或吸收的重要因素。然而由于深層土壤取樣的難度較大，土壤有機碳空間變異的研究對樣本數(shù)量具有較高的要求，這就使得目前針對土壤有機碳空間變異的研究多集中于表層土壤，對土壤有機碳垂直分布特征的研究相對較少［4-5］。而深層土壤有機碳儲量巨大，Jobb9gy和Jackson［6］研究表明，土壤碳庫中約59%的土壤有機碳儲存在20cm以下深度的土壤中，深層土壤有機碳儲量及其垂直分布特征同樣在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)中扮演著重要角色。敖漢旗土地利用方式復(fù)雜多樣，土壤有機碳在水平方向所表現(xiàn)出的空間變異是各種因素共同作用的結(jié)果，土壤有機碳的空間分布格局也直接反映了其土壤巴力的分布特征。而土壤有機碳的垂直分布則是準確評價該地區(qū)碳儲量的關(guān)鍵因素，深層土壤中的有機碳儲量極為豐富，更是植物健康生長的重要保障［7］。因此，本研究選擇敖漢旗0~100cm深度內(nèi)的土壤有機碳為研究對象，結(jié)合地形因素分析土地利用方式對土壤有機碳含量的影響，旨在為研究區(qū)土壤碳庫的評價和土地資源的合理利用提供參考。研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市東南部的敖漢旗(41。42,~42°02'N、119°30‘~120°54'E),全旗總面積約為8300km2，總體地勢南高北低，地形起伏多變，海拔為300~1250m;年降水量在310~460mm之間，降水自南向北遞減；年蒸發(fā)量2000~2600mm，年平均氣溫為6°C,冬季寒冷干燥，夏季溫熱且降雨集中，屬于溫帶半干旱大陸性氣候。敖漢旗處于歐亞干草原區(qū)，地帶性植被以疏林草原為主，受區(qū)域水熱條件和地形等因素的影響，自然植被分布具有較明顯的南北差異，從南到北呈現(xiàn)出由森林和森林草原逐漸向干草原過渡的規(guī)律，同時受生境條件的影響，有沙生植被以及灌叢植被分布。全旗主要分布有4個土類（圖1），南部山地主要為棕壤和褐土，中部黃土丘陵及黃土漫崗主要為栗鈣土，北部沙地主要為風沙土，以流動、半流動、固定沙地和覆沙地為主。敖漢旗土地利用類型多樣，屬于農(nóng)牧交錯地帶，是以農(nóng)為主，農(nóng)牧林結(jié)合的經(jīng)濟類型區(qū)（圖2）。其中，林地面積為3945km2，全旗形成帶網(wǎng)片、喬灌草相結(jié)合的防護林體系；耕地面積為1776km2，約占全旗面積的21.39%；研究區(qū)北部以旱作農(nóng)業(yè)為主，中部及北部多分布水澆地，主要種植作物為玉米、高粱、谷子等。牧草地面積為1695km2，占全旗面積的20.41%。1.2.1樣地選擇基于敖漢旗1:50000地形圖和2014年8月的Landsat8影像（30m分辨率）等基本資料，于2014年8月對研究區(qū)進行采樣。沿敖漢旗東北向西南方向等間距布設(shè)6條樣線，貫穿全旗，相鄰兩條樣線間距為15km，于每條樣線上等距離布設(shè)采樣的樣區(qū)，每個樣區(qū)規(guī)格均為5kmx5km，同一條樣帶上相鄰的兩個樣區(qū)間隔為13km。研究樣區(qū)內(nèi)的樣地布設(shè)采用人為選擇典型樣地法。充分考慮每個樣區(qū)內(nèi)的不同植被類型、土壤類型、地貌特征等因素，盡量全面反映樣區(qū)的自然特征，每個樣區(qū)內(nèi)選擇3~5個典型樣地，共選取182個樣地。1.2.2樣品采集與測定樣地確定后，使用手持GPS記錄樣地坐標信息和海拔、坡度、坡向、土壤類型、土地利用類型等基本信息。于每塊樣地內(nèi)按“S”形布設(shè)4個樣點，相鄰兩樣點間隔3~5m,以確定土壤剖面位置。去除土壤表層的植被與枯落物，于樣點處挖掘長1.5m,寬1.5m,深1m的土壤剖面，按照0~20,20~40,40~60,60~80,80~100cm劃分5層，由下至上分層取樣，每層取3個重復(fù)，將每個土壤剖面中同一層次的土壤樣品混合均勻，除去土樣中的礫石、植物體等雜質(zhì)，按四分法去除多余土樣后裝入無菌袋帶回實驗室。將帶回的土壤樣品經(jīng)晾曬、研磨、過篩后，采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤樣品中有機碳含量［8］。根據(jù)覆蓋整個敖漢旗的182個采樣點的實測數(shù)據(jù)，對研究區(qū)0~100cm深度的土壤有機碳含量進行描述性統(tǒng)計分析(表1)。結(jié)果表明土壤有機碳含量在0~100cm深度的土壤剖面內(nèi)的變化范圍為0.23~20.71g/kg；各土層內(nèi)土壤有機碳平均含量變化范圍為4.47~7.49g/kg，且隨著土層深度的增加土壤有機碳平均含量逐漸降低；自0~20cm深度開始，土壤深度每下降20cm，土壤有機碳平均含量分別降低了12.55%、13.74%、7.79%、14.20%，由此可見當土壤深度達到80cm以下時，土壤有機碳含量的下降幅度最大。方差分析表明，0~20cm和20~40cm土壤有機碳含量顯著高于40cm深度以下的其他3層土壤有機碳含量(P<0.05)，且土壤有機碳含量主要富集在0~40cm深度的土壤中，占100cm深度土壤剖面內(nèi)有機碳含量的47.80%。地表枯落物是土壤有機碳的主要來源之一，表層土壤直接接受來自于枯落層中有機質(zhì)的補給，因此土壤有機質(zhì)大量富集在表層土壤中［9］。根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級系統(tǒng)，將土壤有機質(zhì)含量由高到低劃分為6個級別:1(>40g/kg)、H(30~40g/kg)、B(20~30g/kg)、IV(10~20g/kg)、V(6~10g/kg)、VI(<6g/kg)［10］。土壤有機質(zhì)(SOM)=±壤有機碳(SOC)x1.724,由此可知，敖漢旗0~100cm深度內(nèi)各層土壤有機碳總體偏低，0~40cm土壤深度內(nèi)有機碳含量屬于V級水平，而40~100cm的3層土壤有機碳平均含量均屬于V級水平。變異系數(shù)用以反映數(shù)據(jù)的離散程度，各深度土壤有機碳含量的變異系數(shù)相差不大，介于46.02%~54.59%，根據(jù)Nielsen和Bouma［11］分級標準，均表現(xiàn)為中等程度的變異且無顯著差異，說明各土層有機碳含量的離散程度適中。峰度和偏度是反映土壤有機碳分布特征的重要指標，土壤有機碳含量均表現(xiàn)為輕度的正向右偏態(tài)，0~20、40~60以及80~100cm土壤有機碳含量近似正態(tài)分布，而20~40和60~80cm土壤有機碳不服從正態(tài)分布，其偏度值較大，說明這兩層土壤有機碳含量平均數(shù)在眾數(shù)右側(cè)，表現(xiàn)為右偏的分布特征。土地利用方式是帶有較強的目的性對土地進行改造、開發(fā)和保護，受人為活動的影響極大。受土地利用類型的影響土壤有機碳含量也呈現(xiàn)出較為明顯的差異。如圖3所示，敖漢旗不同土地利用類型下有機碳含量表現(xiàn)出顯著的差異，土壤有機碳含量均表現(xiàn)為：林地〉農(nóng)地〉草地，且這一分布特征并不隨土壤深度的變化而改變。其中，0~40cm深度的土壤范圍內(nèi)，林地內(nèi)有機碳含量顯著高于農(nóng)地和草地(P＜0.05)，其含量約為農(nóng)地和草地有機碳含量的1.3倍，而農(nóng)地和草地在這一土壤深度內(nèi)有機碳含量并未表現(xiàn)出顯著差異。40~60cm土壤深度范圍內(nèi)，農(nóng)地和林地下有機碳含量均下降較快，使得這一深度土壤有機碳含量在各土地利用類型下未表現(xiàn)出顯著差異。60~100cm深度范圍內(nèi)，各土地利用類型下有機碳含量差異顯著(P＜0.05)，且農(nóng)地與草地在這一土壤深度內(nèi)有機碳含量顯著下降。綜上所述，研究區(qū)內(nèi)隨著土壤深度的增加，各土地利用類型下土壤有機碳含量的差異性逐漸降低［9］。其中，0~100cm林地與農(nóng)地的有機碳含量分別降低了37.86%和37.33%，而草地土壤有機碳含量下降最多，降低了46.70%。這就導(dǎo)致了在深層土壤中不同土地利用類型之間的有機碳含量的差異性增加。2.2.1林地土壤有機碳含量空間分布特征為了進一步揭示各土地利用類型下土壤有機碳含量的空間分布特征，結(jié)合海拔和坡度對不同土地利用類型下0~100cm深度土壤有機碳平均含量進行研究。由于敖漢旗林地、農(nóng)地和草地在全旗范圍內(nèi)分布廣泛，覆蓋不同海拔和坡度，因此本研究將海拔按照＜600m，600~900m和＞900m劃分為3個級別；坡度按照＜5°，5°~10°，10°~15°和＞15°劃分為4個級別，從而研究不同地形上各土地利用方式下土壤有機碳含量的差異。如圖4所示，林地土壤有機碳含量介于1.12~10.63g/kg，平均含量為6.55g/kg。海拔對林地土壤有機碳含量的影響較為明顯，不同坡度上有機碳含量基本隨著海拔的升高而升高；當坡度＜5°時，900m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于900m以下海拔上的土壤有機碳含量(P＜0.05)。坡度5°~10°的土壤有機碳含量受海拔的影響最顯著，隨著海拔的升高，土壤有機碳含量顯著上升(P＜0.05)。當坡度＞10°時，600m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于600m以下海拔的土壤有機碳含量(P＜0.05)。在相同海拔上林地土壤有機碳含量整體均表現(xiàn)為隨著坡度的增加有機碳含量降低的特點。海拔在900m以下時，坡度＞15°的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(P＜0.05)；當海拔在＞900m時，坡度＜10°的土壤有機碳含量顯著高于其他坡度(P＜0.05)。2.2.2農(nóng)地土壤有機碳含量空間分布特征如圖5所示，農(nóng)地土壤有機碳含量在1.83~10.21g/kg之間，平均含量為5.45g/kg。海拔對農(nóng)地土壤有機碳含量的影響較為明顯，當坡度＜5°時，土壤有機碳含量隨著海拔的升高而顯著升高(P＜0.05)；當坡度在5°~10°時，900m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于900m以下海拔的土壤有機碳含量(P＜0.05)；而當坡度＞10°時，隨著海拔的變化各坡度上土壤有機碳含量并未表現(xiàn)出顯著差異。在相同海拔上農(nóng)地土壤有機碳含量整體均表現(xiàn)為隨著坡度的增加有機碳含量降低的特點。海拔在900m以下時，坡度＞15°的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(P＜0.05)；當海拔在＞900m時，坡度＞10°的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(P＜0.05)。2.2.3草地土壤有機碳含量空間分布特征如圖6所示，草地土壤有機碳含量在2.46~10.13g/kg之間，其平均含量為4.90g/kg。海拔對草地土壤有機碳含量的影響較為明顯，當坡度＜15°時，土壤有機碳含量隨著海拔的升高而顯著升高(P＜0.05)。當坡度＞15°時，900m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于900m以下海拔上的土壤有機碳含量(P<0.05)。在相同海拔上草地土壤有機碳含量總體表現(xiàn)為隨著坡度的增加有機碳含量降低的特點。海拔在600m以下時，坡度<5°的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(P<0.05)；當海拔在600~900m時，坡度5°~10°的土壤有機碳含量顯著高于其他坡度(P<0.05)，同時，坡度>15°的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(P<0.05)；當海拔>900m時，坡度>10°的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(P<0.05)。研究區(qū)0~100cm深度各土層有機碳平均含量變化范圍為4.47~7.49g/kg，土壤有機碳含量整體偏低，處于全國土壤有機碳平均水平(20.1g/kg)以下［12］。從水平分布上看，不同的土地利用方式下，土地的管理措施，凋落物的質(zhì)量、數(shù)量等差異都是引起土壤有機碳含量差異的重要原因。土地利用方式直接改變地表覆被，這也是土壤有機碳的最重要的來源，植被覆蓋、根系分布、枯落層等都是影響土壤有機碳積累的重要因素。研究區(qū)內(nèi)林地分布廣泛，常伴有喬灌混交、針闊混交等多種人工林搭配，合理的植被配置模式形成較為穩(wěn)定的林分結(jié)構(gòu)，林下積累豐富的枯落層為土壤有機碳的累積提供來源；農(nóng)地受到人為干預(yù)最為強烈，在人類活動的長期選擇作用下，大部分土壤巴力較高的優(yōu)質(zhì)土地被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，受人為灌溉施肥等影響，農(nóng)地的水肥條件要遠優(yōu)于草地，而敖漢旗天然草地受到人為的管護較少，同時還存在部分坡耕地、低產(chǎn)旱地，由于長期撂荒而自然演替成為荒草地；更重要的是，研究區(qū)北部受到科爾沁沙地的影響，風沙活動強烈，屬于荒漠草地類型，分布面積廣泛，在這一地區(qū)以沙生植被為主，覆蓋度低，且初級生產(chǎn)力遠低于其他土地，這就導(dǎo)致了這些草地生產(chǎn)力相對農(nóng)地和林地較低，加之局部地區(qū)不合理放牧，羊群啃噬、踩踏嚴重，草地缺乏科學的管理而導(dǎo)致土壤中有機碳的累積也受到限制。就小尺度上，同一土壤類型區(qū)的不同樹種下土壤有機碳的分布都表現(xiàn)出較大的差別［13］，在大空間尺度上，植被群落表現(xiàn)出明顯的地域性特征，土壤有機碳受到植被地帶性分布的影響更加明顯［14-15］。對于縣域尺度的敖漢旗而言，植被由南向北為森林植被向旱生草本再到沙地植被過渡的分布特征。就氣候條件而言，研究區(qū)的降雨量由南向北逐漸遞減，這也導(dǎo)致了在北部風沙土區(qū)常年干旱少雨，以沙地植被為主，而在雨水豐沛的南部地區(qū)，分布森林植被，有效地對土壤有機碳進行補給。本研究發(fā)現(xiàn)敖漢旗土壤有機碳含量主要富集在0~40cm深度的土壤中，占100cm深度剖面內(nèi)有機碳含量的47.80%，40cm深度以上的土壤有機碳含量顯著高于其他深度土壤碳含量。這一研究結(jié)果與王欣等［16］在該地區(qū)的研究結(jié)論相符，其他研究也普遍認為土壤有機碳的垂直分布規(guī)律表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加有機碳含量逐漸降低［17-18］。土壤有機碳的垂直分布特征主要受植被根系分布和有效土層厚度的影響。在本研究中，林地、農(nóng)田和草地土壤有機碳含量在垂直分布上存在顯著差異，這與不同土地利用類型上植物根系的延展長度密切相關(guān)。林地相對于農(nóng)地與草地根系更加密集，且表層土壤根密度較高，枯落層較厚，因而在0~40cm深度林地有機碳含量遠高于農(nóng)地和草地。就農(nóng)地而言，農(nóng)地表面基本沒有枯枝落葉層的存留，地上部分對土壤有機質(zhì)的供應(yīng)也相對較少，其主要原因是農(nóng)作物收獲后帶走了大量的有機物質(zhì)（籽粒和秸稈），導(dǎo)致土壤無法得到來自地表植被有機碳的補給。另一方面，農(nóng)地在翻耕條件下，土壤有機質(zhì)易于分解，有機碳循環(huán)過程得到促進，從而使有機質(zhì)含量降低，同時翻耕后水土流失過程加劇，加速了土壤有機碳的流失［19］；草地植物根系分布較淺，很難在深層土壤內(nèi)扎根，而農(nóng)地耕作層深度一般在40cm，對深層土壤的擾動也較弱，因此，深層土壤中農(nóng)地和草地土壤有機碳含量急劇下降，有機碳含量形成更為顯著的林地〉農(nóng)地〉草地的分布特征。而林地主要種植高大喬木，根系分布較深，使得深層土壤仍然保持較高的有機質(zhì)輸送量，因此當土壤深度大于60cm后，林地的有機碳含量明顯高于草地與農(nóng)地?？镂臐獾龋?0］研究指出群落優(yōu)勢種根系分布是影響土壤有機碳垂直分布格局的重要因素，這種影響特別是在根系發(fā)達的荒漠植被上體現(xiàn)得較為明顯。王凱等[21]研究也發(fā)現(xiàn)根際土有機碳含量明顯高于非根際土，深層土壤有機碳含量主要來自于根系。另一方面，土壤自身的垂直結(jié)構(gòu)也是影響土壤有機碳垂直分布的關(guān)鍵因素之一°Turri6n等[22]研究發(fā)現(xiàn)，土壤基巖類型是影響土壤發(fā)展和土壤肥力的關(guān)鍵因素，受到鈣積層深度和有效土層厚度等因素的影響極為明顯。這與土壤本身的成土過程有著密切關(guān)系。綜上所述，植物根系的分布和土地的管護方式是影響各土地利用方式下土壤有機碳累積的重要因素，林地土壤具有較高的固碳能力，應(yīng)繼續(xù)加強對天然林的保護和人工林的管護；受耕作方式和植被根系伸展的影響，農(nóng)地和草地土壤有機碳含量均集中在表層，對農(nóng)地積極采取秸稈還田等保護性耕作，對草地進行合理放牧以保護表層土壤不被侵蝕破壞，都將對高效合理地利用土地具有積極作用。敖漢旗土壤有機碳含量在0~100cm深度的土壤剖面內(nèi)的變化范圍為0.23~20.71g/kg，且隨著土層深度的增加土壤有機碳平均含量逐漸降低，土壤有機碳含量主要富集在0~40cm深度的土壤中，占100cm深度剖面內(nèi)有機碳含量的47.80%。土地利用類型對土壤有機碳含量具有顯著影響，各土地利用方式下土壤有機碳含量均表現(xiàn)為：林地〉農(nóng)地〉草地。各土地利用類型有機碳含量基本均隨海拔的升高而增加，隨坡度的增加而降低。高海拔區(qū)的平緩地段是各土地利用類型土壤有機碳含量的主要富集區(qū)域；受土壤侵蝕的影響，當坡度＞10°后，不同土地利用類型的有機碳含量均顯著降低?！鞠嚓P(guān)文獻】PostWM,EmanuelWR,ZinkePJ,etal.Soilcarbonpoolsandworldlifezones[J].Nature,1982,298:156-159WatsonRT,BolinB.Landusechangeandforestry:AspecialreportoftheIPCC[M].Cambridge,UK:CambridgeUniversityPress,2000:189-217MurtyD,KirschbaumMUF,McMurtrieRE,etal.Doesconversionofforesttoagriculturallandchangesoilcarbonandnitrogen?Areviewoftheliterature[J].GlobalChangeBiology,2002,8:105-123LiBY,TangHP,WuLH,etal.RelationshipsbetweenthesoilorganiccarbondensityofsurfacesoilsandtheinfluencingfactorsindifferinglandusesinInnerMongolia[J].EnvironmentalEarthSciences,2012,65:195-202ZhangZQ,YuDS,ShiXZ,etal.PriorityselectionratingofsamplingdensityandinterpolationmethodfordetectingthespatialvariabilityofsoilorganiccarboninChina[J].EnvironmentalEarthSciences,2015,73:2287-2297JobbagyEG,JacksonRB.Theverticaldistributionofsoilorganiccarbonanditsrelationtoclimateandvegetation[J].EcologicalApplications,2000,10:423-436裴智琴，周勇，鄭元潤,等.干旱區(qū)琵琶柴群落細根周轉(zhuǎn)對土壤有機碳循環(huán)的貢獻[J].植物生態(tài)學報,2011,35(11):1182-1191WalkleyA.Acriticalexaminationofarapidmethodfordeterminingorganiccarboninsoils—effectsofvariationsindigestionconditionsandofinorganicsoilconstituents[J].SoilScience,1947,63:251-264梁啟鵬,余新曉，龐卓，等.不同林分土壤有機碳密度研究[J].生態(tài)環(huán)境學報,2010,19(4):889-893全國土壤普查辦公室.中國土壤普查數(shù)據(jù)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1997NielsenDR,B