三江源區(qū)土壤有機(jī)碳空間分布研究

三江源區(qū)土壤有機(jī)碳空間分布研究

土壤中的有機(jī)碳含量（si）是耕地系統(tǒng)中土壤肥力的重要組成部分。作為土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的核心，它在提高土壤質(zhì)量、保持作物產(chǎn)量和水處理方面發(fā)揮著重要作用。土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地植被碳庫(kù)的主要組成部分,全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1500Pg,是大氣碳庫(kù)的2倍,陸地植被碳庫(kù)的2~4倍,其變化與大氣二氧化碳濃度變化密切相關(guān),在全球碳循環(huán)中扮演著重要的角色。隨著全球變化研究的深入,碳循環(huán)研究受到人們的普遍關(guān)注,與水循環(huán)、食物和纖維一起成為全球變化研究的三大熱點(diǎn),土壤有機(jī)碳研究也成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。土壤有機(jī)碳含量是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量與在微生物作用下分解損失量之間平衡的結(jié)果,其庫(kù)容量大小受到氣候、地形、植被、土壤類型、土地利用類型等多種因素影響,是多種復(fù)雜因子共同作用結(jié)果。通過(guò)研究土壤有機(jī)碳影響因素,可以增強(qiáng)對(duì)土壤有機(jī)碳的調(diào)控能力,充分利用有利因素,控制不利因素,達(dá)到科學(xué)利用土地。三江源區(qū)位于青海省南部,是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區(qū),因其地理位置和獨(dú)特的地貌特征使其成為高海拔地區(qū)生物多樣性最為集中的地區(qū),具有重要的生態(tài)地位,整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳收支變化對(duì)氣候有巨大的調(diào)節(jié)作用。此外該區(qū)域以畜牧業(yè)為主,土壤有機(jī)碳含量及其動(dòng)態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量和草地健康的重要指標(biāo),因此對(duì)三江源區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、分布、轉(zhuǎn)化及影響因素研究有重要的意義。以三江源區(qū)典型代表區(qū)域玉樹(shù)縣為研究區(qū),根據(jù)土壤有機(jī)碳的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),探討了土壤有機(jī)碳空間分布特征及其環(huán)境因子、土壤類型、土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響,為三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)及修復(fù)提供參考依據(jù)。1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法1.1玉樹(shù)縣氣候特征玉樹(shù)縣位于青海省三江源區(qū)南部,其南部與囊謙縣相鄰,西南部與雜多縣相鄰,西北部與治多縣接壤,北部與稱多縣等相鄰,東部、東北部與西藏自治區(qū)、四川省石渠縣毗鄰,土地總面積為1.57×104km2。玉樹(shù)縣縱跨長(zhǎng)江、瀾滄江兩大水系,地形以高原為主,地勢(shì)高聳,地形復(fù)雜,由唐古拉山余脈色吉嘎牙-格拉山構(gòu)成地形骨干,平均海拔為4493.4m。氣候?yàn)楦咴箨懶詺夂?表現(xiàn)為冷熱兩季交替,年均溫2.9℃,1月均溫-7.5℃,7月均溫12.5℃,年溫差小,日溫差大;干濕兩季分明,年降水量為487mm,無(wú)明顯的四季區(qū)分等氣候特征。受高寒氣候條件影響,區(qū)內(nèi)土壤大多厚度較薄、質(zhì)地粗、保水性能差、肥力較低,高山寒漠土、山地草甸土、沼澤土和高山草甸土等土壤類型分布廣泛。1.2采樣點(diǎn)采樣及定位采樣時(shí)間為2012年8月,采樣分別沿著結(jié)古鎮(zhèn)至通天河、結(jié)古鎮(zhèn)至治多縣、結(jié)古鎮(zhèn)至雜多縣、結(jié)古鎮(zhèn)至囊謙縣、結(jié)古鎮(zhèn)至小蘇莽鄉(xiāng)等主要路線進(jìn)行,平均每15~20km一個(gè)采樣點(diǎn)。采集表層0~30cm的土樣,每份樣品采集2kg左右,采集了110個(gè)樣品,每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度及采集量基本保持均勻一致,采集的樣品用土壤密實(shí)袋密封保存。采樣點(diǎn)用手持GPS定位,并詳細(xì)記錄采樣點(diǎn)的土地利用類型、土壤及植被覆蓋狀況等相關(guān)信息,采樣路線及采樣點(diǎn)如圖1所示。將土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干,并用木棒壓磨去除沙礫和植物根系、動(dòng)物殘?bào)w,然后混合均勻過(guò)200目尼龍篩,密封干燥保存,送交同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)分析,利用島津TOC-V系列SSM-5000A有機(jī)碳分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。1.3土壤有機(jī)碳含量空間分布的統(tǒng)計(jì)分析研究所用的數(shù)據(jù)主要有:土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù);1980~2011共32年年平均氣溫和年平均降雨量數(shù)據(jù);30m分辨率的DEM數(shù)據(jù);1∶100萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)集。利用GS+9.0軟件對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,建立變異函數(shù)的半方差理論模型,并運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和OrdinaryKriging方法對(duì)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行空間插值,獲得土壤有機(jī)碳含量空間分布。運(yùn)用多元逐步回歸和通徑分析方法,分析影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子,自變量主要有環(huán)境因子、土壤類型和土地利用類型,其中環(huán)境因子包括經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、年平均氣溫、年平均降水量。土壤類型和土地利用類型為分類變量,采用啞變量為其賦值。2結(jié)果與分析2.1統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,剔除異常值,最終保留98個(gè)樣品。將符合要求的土樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1所示。研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量的變異系數(shù)為36%,屬于中等強(qiáng)度空間異質(zhì)性,通過(guò)單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn),得到K-S雙側(cè)檢驗(yàn)原假設(shè)成立的概率值為0.48,表明樣本基本符合正態(tài)分布,滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)要求,可用于變異函數(shù)分析。2.2最佳擬合模型的建立半方差函數(shù)(Semi-variogram)又稱為半變異函數(shù),是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究土壤空間結(jié)構(gòu)的重要函數(shù)。根據(jù)變異函數(shù)公式計(jì)算出土壤有機(jī)碳含量的變異函數(shù)值,經(jīng)理論模型的最優(yōu)擬合,得到最佳擬合模型,結(jié)果如表2所示。研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量的最佳擬合模型為指數(shù)模型,決定系數(shù)為0.78,殘差為0.0002,該模型能夠很好地反映土壤有機(jī)碳含量的空間分布特征。土壤有機(jī)碳含量的塊金值為0.0211,基臺(tái)效應(yīng)值為0.0524,結(jié)構(gòu)比為0.596,具有中等空間自相關(guān)性,表明其空間異質(zhì)性主要由土壤母質(zhì)、氣候、地形、植被等結(jié)構(gòu)性因素和放牧、耕作措施、土地利用類型等隨機(jī)性因素共同引起。2.3區(qū)域分布及有機(jī)碳含量高利用OrdinaryKriging方法對(duì)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行空間插值,結(jié)果如圖2。土壤有機(jī)碳含量高值區(qū)主要集中在玉樹(shù)縣北部、西南部和東部。其中,位于隆寶鎮(zhèn)的隆寶灘濕地自然保護(hù)區(qū)及其周圍區(qū)域土壤有機(jī)碳含量最高,達(dá)到90g/kg以上;低值區(qū)主要集中在玉樹(shù)縣結(jié)古鎮(zhèn)附近、仲達(dá)鄉(xiāng)及通天河附近以及隆寶鎮(zhèn)西部,有機(jī)碳含量在26.5~45g/kg,小部分區(qū)域小于26.5g/kg;巴塘鄉(xiāng)及其西南部、下拉秀鄉(xiāng)西南部及周邊區(qū)域土壤有機(jī)碳含量在中等范圍,多集中在50~75g/kg。2.4影響土壤碳含量的因素分析2.4.1土壤有機(jī)碳的回歸分析土壤有機(jī)碳含量受到氣候、地形、植被、土壤類型、土地利用類型、人類活動(dòng)等多種因素的影響,但特定區(qū)域影響土壤有機(jī)碳含量的主導(dǎo)因子各不相同。本文利用多元逐步回歸和通徑分析方法,分析環(huán)境因子、土壤類型、土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng),探討影響玉樹(shù)縣土壤有機(jī)碳含量空間分布的主導(dǎo)因子。對(duì)土壤有機(jī)碳含量、經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、年平均氣溫和年平均降水量進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表3。研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量與環(huán)境因子具有顯著相關(guān)關(guān)系,但同時(shí)各環(huán)境因子之間也存在著較強(qiáng)的相關(guān)性,因此進(jìn)行回歸分析時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)共線性現(xiàn)象,為減少共線性影響,本研究首先采用多元逐步回歸分析比較環(huán)境因子、土壤類型、土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響大小,然后采用通徑分析方法進(jìn)一步比較各環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)程度。以土壤有機(jī)碳含量為因變量,環(huán)境因子、土壤類型、土地利用/土地覆被類型為自變量進(jìn)行多元逐步回歸分析,并利用判定系數(shù)比較各變量對(duì)土壤有機(jī)碳的影響大小,回歸結(jié)果見(jiàn)表4。其中△R2為增加該變量時(shí)回歸方程判定系數(shù)的增量,其值越大說(shuō)明變量在回歸方程中越重要;R2adj為調(diào)整確定系數(shù),指回歸方程中自變量對(duì)因變量變異性的解釋能力,其值越大說(shuō)明自變量對(duì)因變量的影響程度越大。從表4可以看出環(huán)境因子、土壤類型和土地利用/土地覆被類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量變異性的解釋能力分別為23.8%、12.9%、5.4%,其中環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng)最強(qiáng),土地利用/土地覆被類型最弱。2.4.2環(huán)境因子的作用通徑分析可用于分析多個(gè)自變量與因變量之間線性關(guān)系,是回歸分析的拓展,可以處理較為復(fù)雜的變量關(guān)系。前面分析表明經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、年平均氣溫、年平均降水量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,為了消除共線性現(xiàn)象,建立如圖3所示通徑模型研究環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng)。圖3中年平均氣溫和年平均降水量直接影響土壤有機(jī)碳含量,其它環(huán)境因子則是通過(guò)這2個(gè)因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生間接作用。利用通徑分析方法計(jì)算經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、年平均氣溫、年平均降水量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng)值,并進(jìn)行效應(yīng)分解,得到各環(huán)境因子的影響貢獻(xiàn)(表5)。年平均氣溫和年平均降水量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng)值分別為-0.425和0.185,年平均氣溫對(duì)土壤有機(jī)碳含量有較強(qiáng)的正作用效應(yīng),年平均降水的負(fù)作用效應(yīng)相對(duì)較弱。地形因子中海拔和坡度對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng)分別為0.204和-0.159,海拔對(duì)土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)較強(qiáng)正作用效應(yīng),坡度呈現(xiàn)負(fù)作用效應(yīng)。通過(guò)年平均氣溫對(duì)土壤有機(jī)碳含量作用效應(yīng)最大的為海拔高度,影響效應(yīng)值達(dá)到了0.259,而經(jīng)緯度和坡度都在0.2以下。3土壤有機(jī)碳含量與氣溫、降水的關(guān)系玉樹(shù)縣土壤有機(jī)碳含量空間分布有明顯髙值區(qū)和低值區(qū),髙值區(qū)集中在隆寶灘自然保護(hù)區(qū),低值區(qū)集中在結(jié)古鎮(zhèn)、通天河及附近區(qū)域。隆寶灘自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)碳含量達(dá)到了90g/kg以上,成為明顯髙值區(qū),該區(qū)土壤有機(jī)碳含量介于青藏高原若爾蓋高原泥炭土和草甸沼澤土(分別為51g/kg和255g/kg)之間,這是由局部地形、氣候等環(huán)境因子所決定的。隆寶灘自然保護(hù)區(qū)海拔在4200m以上,氣候寒冷,環(huán)境潮濕,雨量充沛,屬于典型的草甸沼澤區(qū),土壤微生物活動(dòng)微弱,植物殘?bào)w在土壤中的分解緩慢,土壤有機(jī)碳積累明顯。結(jié)古鎮(zhèn)、通天河及附近區(qū)域?yàn)槊黠@低值區(qū),土壤有機(jī)碳含量在26.5~45g/kg,區(qū)域主要的土地利用類型為建設(shè)用地,并有少量的耕地分布,植被覆蓋程度低,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量明顯低下。氣候因子中氣溫和降水被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳輸入和輸出過(guò)程中起主導(dǎo)作用的因子,但針對(duì)不同的研究區(qū)來(lái)說(shuō)其作用效應(yīng)不同。張勇等對(duì)滇黔桂地區(qū)氣溫和降雨對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)氣溫的作用效應(yīng)為降雨的2~3倍;鐘聰?shù)葘?duì)青海省土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量源匯因素分析,結(jié)果表明氣溫是影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的主導(dǎo)因子;徐信旺等對(duì)安徽省土壤有機(jī)碳空間差異影響因素進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量與降水有顯著相關(guān)性,與氣溫相關(guān)性不顯著。根據(jù)分析,玉樹(shù)縣土壤有機(jī)碳含量與年平均氣溫呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.442,P<0.01),與年平均降水量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性(r=0.224,P<0.05),這與多數(shù)研究結(jié)果一致[3，15]。將年平均氣溫等值線圖、年平均降水量等值線圖分別與土壤有機(jī)碳含量空間分布圖進(jìn)行空間疊加(見(jiàn)圖4),可以從空間上更直觀地看出土壤有機(jī)碳含量隨氣溫、降水的變化趨勢(shì)。玉樹(shù)縣城、通天河附近區(qū)域?yàn)闅鉁伢{值區(qū),有機(jī)碳含量相對(duì)偏低;隆寶灘濕地自然保護(hù)區(qū)的年平均氣溫較低,有機(jī)碳含量達(dá)到了區(qū)域最高值,土壤有機(jī)碳含量和氣溫的空間分布呈現(xiàn)了較好的對(duì)應(yīng)性;玉樹(shù)縣西南部情況比較復(fù)雜,年平均氣溫和土壤有機(jī)碳含量都相對(duì)較高,兩者沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性,這可能是其它影響因素作用效應(yīng)要大于氣溫。降水量低值區(qū)主要集中在玉樹(shù)縣城和通天河附近,該區(qū)域的土壤有機(jī)碳含量偏低;隆寶灘自然保護(hù)區(qū)和西南部區(qū)域降水相對(duì)偏多,土壤有機(jī)碳含量相應(yīng)較高,土壤有機(jī)碳含量和年平均降水量有較好一致性。玉樹(shù)縣年平均氣溫和年平均降水量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的作用效應(yīng)分別為-0.425和0.185,年平均氣溫作用效應(yīng)為年平均降水量的2.3倍,氣溫的作用效應(yīng)明顯強(qiáng)于降水。海拔通過(guò)氣溫對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生間接正作用效應(yīng),坡度對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生間接負(fù)作用效應(yīng),綜合效應(yīng)值分別為0.259和-0.170,說(shuō)明海拔和坡度主要通過(guò)影響氣溫和土壤中水資源的分配以及植被生長(zhǎng)狀況,從而影響土壤有機(jī)碳的空間分布[9，16]。研究區(qū)地形起伏度較大,海拔的變化伴隨著氣溫的相應(yīng)變化,最終引起土壤有機(jī)碳含量發(fā)生改變。將坡度等級(jí)分為0°~5°、5°~15°、15°~25°、>25°,相對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)碳平均含量分別為54.06、50.61、43.26、41.50g/kg。坡度為0°~5°的樣點(diǎn)主要分布在階地或坡腳,土壤母質(zhì)主要為坡積物或殘積物,土壤養(yǎng)分豐富且水分豐沛,植被生長(zhǎng)覆蓋程度高,土壤有機(jī)碳富集,這在巴塘鄉(xiāng)、隆寶灘自然保護(hù)區(qū)表現(xiàn)的較為明顯。隨著坡度增大,土壤侵蝕能力增強(qiáng),富含土壤養(yǎng)分的表層土壤大量流失,造成土壤有機(jī)碳含量下降。土壤類型和土地利用/土地覆被類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生一定影響,但這種影響在空間上表現(xiàn)并不明顯。土壤類型和土地利用/土地覆被類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量變異性的解釋能力分別為12.9%和5.4%,說(shuō)明土壤類型和土地利用/土地覆被類型對(duì)土壤有機(jī)碳空間分布產(chǎn)生一定影響。研究區(qū)4種土壤類型有機(jī)碳平均含量為:高山草甸土55.50g/kg,沼澤土47.69g/kg,灰褐土43.13g/kg,山地草甸土35.18g/kg,且有機(jī)碳含量差異性達(dá)到了極顯著水平(F=7.12,P=0.0002)。典型土地利用/土地覆被類型的土壤有機(jī)碳含量分別為高覆蓋草地55.81g/kg,林地50.39g/kg,低覆蓋草地44.16g/kg,耕地39.08g/kg,4種土地利用/土地覆被類型的土壤有機(jī)碳含量差異明顯(F=2.57,P<0.05)。玉樹(shù)縣土壤類型和土地利用/土地覆被類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響在空間上表現(xiàn)并不明顯,這主要是土壤類型和土地利用/土地覆被類型的單一性導(dǎo)致的。研究區(qū)土壤類型較為單一(圖5(a)),高山草甸土面積占土地總面積的74.01%,高山碎石土為8.21%,灰褐土和高山草原土為分別為5.51%和4.02%,高山寒土、沼澤土和山地草甸土均在3%以下;土地利用/土地覆被類型以草地為主,面積占區(qū)域面積80%以上,其余土地利用類型總面積不超過(guò)20%(圖5(b))。研究雖取得了一些有意義的結(jié)果,但也存在不足之處,有待于今后進(jìn)一步深入的研究。首先,由于研究區(qū)域的特殊地形條件,采樣路線主要沿通達(dá)性好的交通路線采樣,因此采樣點(diǎn)不均勻,這在一定程度上會(huì)影響Kriging空間插值效果和預(yù)測(cè)精度,今后將根據(jù)土壤有機(jī)碳的空間