黃土丘陵區人工檸條恢復為主小流域土壤有機碳空間變異性及其影響因素

栗文玉, 劉小芳, 趙勇鋼, 高 冉, 杜雨佳, 張星星

(山西師范大學 生命科學學院, 山西 臨汾 041000)

黃土高原地區水土流失嚴重，是我國典型的生態環境脆弱地區之一[1]。近幾十年來，通過退耕還林(草)、小流域綜合治理等生態環境工程的整治，黃土高原區域生態功能已得到大幅提升。土壤有機碳庫作為陸地生態系統碳庫的主要組成，其動態變化在全球碳循環中具有重要作用[2-4]。許多研究證明，黃土高原退耕還林(草)工程提升了區域的土壤有機碳庫，其中人工植被恢復起著重要的作用[5-6]。小流域是黃土高原生態環境治理的基本單元。相較于大尺度，小流域尺度上的研究會更準確地反映出土壤有機碳的空間變異[7]。因此，研究小流域土壤有機碳的空間變異性并辨析其影響因素，對于退耕還林(草)工程在小流域尺度下的水土保持效益和生態服務功能評價具有重要意義。

由于黃土高原小流域地貌的復雜性和土壤自身的高異質性，加之受到各種人類活動和自然因素的影響，其有機碳分布具有高度的空間變異性[8]。Shi等[1]認為黃土高原丘陵小流域土地利用變化使得土壤有機碳在小流域中進行重新分配，并且0—20 cm土層中有機碳含量會顯著高于下層。賈宇平等[3]研究了黃土丘陵溝壑區小流域的有機碳分布的空間變異特征得出該流域有機碳含量為中等變異程度，而溝壩地土壤有機碳含量比梁峁地的高，且土壤有機碳含量在空間上的分布主要受土壤動植物在土體中的分布、土壤含水量、水土流失情況及人類生產活動等因素的影響。魏孝榮等[9]認為地形條件是影響黃土高原溝壑區小流域土壤性質空間分布的主要因素。孫文義等[10]認為不同地形和土地利用方式都會對黃土丘陵溝壑區小流域表層土壤有機碳空間分布產生顯著影響。Sun等[11-12]認為地形位置、海拔、坡度、坡向等地形因素會影響土壤有機碳的分布和含量?？傮w來看，由于區域氣候、地貌、植被、土壤和人為活動等因素具有較大差異性，小流域土壤有機碳空間變異性的研究結果也不盡相同，仍有必要進行進一步的研究。

人工植被恢復是黃土丘陵區生態環境建設的主要舉措，其中檸條(CaraganaKorshinskii)是主要的灌木樹種之一。檸條由于其具有較強的抗逆性和固土保水能力，同時也是優質的飼料植物資源，已在寧夏、陜北、晉西、甘肅等地大面積種植[13-14]。許多區域已形成以檸條種植為主導的植被配置格局，加之恢復過程中多輔以微地形整地方式，多因素影響下的小流域土壤有機碳分布空間變異特征仍是值得研究的重要問題。因此，本研究選擇以人工檸條種植為主導恢復方式的寧夏火岔灣小流域為對象，研究其土壤有機碳空間變異特征，分析土壤有機碳產生空間異質性的影響因素，以期為黃土丘陵區植被恢復與重建以及區域碳庫的評估提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區選擇位于寧夏回族自治區固原市原州區中國科學院水利部水土保持研究所上黃生態試驗站附近的火岔灣小流域(106°26′50.515″—106°27′16.513″E，35°59′55.619″—36°1′9.074″N)，該區地處黃土高原寬谷丘陵溝壑區(圖1)。流域面積約為0.85 km2，海拔高度為1 615～1 753 m，多年平均氣溫和降水量分別為6.9℃和419.1 mm，屬溫帶半干旱氣候區。土壤類型主要為黃土母質上發育的黃綿土。該流域主要有灌木地、農地、草地和林地4種土地利用方式，分別占流域總面積的49.02%，15.47%，11.57%，9.53%。各樣地概況信息詳見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集 以火岔灣小流域土地利用圖和地形圖為參照，采用網格法同時結合實際土地利用方式和地形特征進行布點設計和采樣，網格間距為150 m×150 m，用GPS記錄每個樣點的地理坐標信息，共采集50個樣點(圖1)。每個樣點設置水平距離約10 m的3個采樣小區，在每個小區挖40 cm深的土壤剖面，并按照0—10，10—20，20—30，30—40 cm共4個層次進行取土，每個樣點所取同一層土樣組成混合樣。采集土樣帶回實驗室自然風干，挑揀出植物根系及動物殘體后，研磨過0.15 mm篩，用于土壤有機碳含量的測定。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定[15]。

1.2.2 數據處理與方法 利用SPSS 17.0軟件對土壤有機碳含量數據進行描述性統計分析，利用變異系數(CV)分析數據的離散程度，其值為≤10%，10%～100%和≥100%時，分別表示研究變量具有弱、中等和強變異性[16]。用ANVOA方差分析法分析不同土地利用方式、不同土層深度和不同地形條件下土壤有機碳含量的差異顯著性。將數據進行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗，將服從正態分布的數據進行地統計學分析，若不符合正態分布則需進行對數轉換或博克斯—考克斯轉換。地統計學中的空間變異分析常利用半方差函數進行計算，其公式為[17]：

(1)

式中：h為兩樣本點空間分隔距離；r(h)為半方差函數值；N(h)是間隔距離等于h的樣本點的對數；Z(xi)為空間位置點xi處指標的實測值；Z(xi+h)為空間位置點xi+h處指標的實測值。

圖1 火岔灣小流域采樣點分布

表1 樣地概況

注：表中括號內數字為不同整地方式和地形條件下的樣點數。

用于擬合該函數模型有線性模型、球狀模型、指數模型等，其中球狀模型公式如下：

(2)

式中：C0為塊金值，反映隨機因素所造成空間變異性特征；C為結構方差，反映空間自相關因素引起的結構性變異；a為變程，變程表示變量的最大相關距離；C0+C為基臺值，是半變異函數達到的極限值，反映總的空間異質性；C0/(C0+C)為空間異質比，表示隨機因素導致的變異占總變異的比例，反映隨機因素引起的空間變異程度大小[18]。當C0/(C0+C)為≤25，25%～75%和≥75%時，分別表示研究變量有較強、中等和較弱的空間分布相關性[19]。半方差函數分析利用GS+9.0軟件進行，綜合考慮決定系數R2和殘差RSS選擇出最佳理論模型。利用ArcGIS 10.2軟件對小流域有機碳含量進行普通克里格插值分析，形成小流域土壤有機碳含量的空間分布圖。插值后在ArcGIS進行交叉驗證分析并通過均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)、平均相對誤差(MRE)對預測值與實際測定值進行對比分析，來評價插值精度，其計算公式如下[20]：

(3)

(4)

(5)

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤有機碳含量描述性統計特征

不同土地利用類型間和不同土層間的土壤有機碳含量存在顯著性差異(p<0.05，表2)。林地0—40 cm土層有機碳含量顯著高于其他3種土地利用方式，灌木地顯著高于草地(p<0.05)，但和農地無顯著差異(p>0.05)，農地與草地僅在0—10 cm存在顯著差異(圖2)。不同土地利用方式下有機碳含量的垂直分布呈現出隨土層加深而逐漸降低的趨勢(表2，圖2)?？傮w上，0—20 cm土層有機碳含量顯著高于20—40 cm土層(p<0.05，表2)，其中林地0—10 cm土層有最大值為27.56 g/kg，草地30—40 cm有最小值為10.23 g/kg(圖2)。不同土地利用方式下土壤有機碳的變異程度不同，農地變異系數最大為24.86%，灌木地及林地次之，而草地最小為14.48%，4種土地利用方式均為中等變異。從0—40 cm各土層來說，變異系數相差不大(19.03%～21.80%)，且隨土層深度的加深變異系數逐漸減少，各土層均具有中等強度的空間變異性。

表2 不同土地利用方式下及不同土層土壤有機碳含量描述性統計特征

注：表中不同小寫字母表示不同土地利用方式間有顯著性差異，不同大寫字母表示不同土層間有顯著性差異(p<0.05)。

注：圖中不同小寫字母表示不同土地利用方式間有機碳含量有顯著性差異(p<0.05)。

圖2 0-40 cm土層不同土地利用方式對有機碳含量的影響

2.2 土壤有機碳的空間變異特征

在描述性統計基礎上進一步利用地統計學方法定量分析小流域土壤有機碳含量的空間變異結構。每層有機碳數據K-S檢驗結果表明數據服從正態分布，可以進行地統計學分析與空間差值分析。土壤有機碳含量半方差變異函數擬合后選取的最優半方差模型見表3。本研究中不同土層土壤有機碳最佳半方差模型均為球狀模型，其中以0—10 cm土層土壤有機碳的擬合程度最好(R2=0.529)。不同土層土壤有機碳含量的空間異質比即C0/(C0+C)介于1.18%～6.51%，均小于25%，且隨土層深度的增加而減少。這說明小流域土壤有機碳含量具有強烈的空間自相關性，且隨土層深度的增加，其空間分布自相關性增強，變異主要由結構性因素引起。0—40 cm土壤有機碳強烈的空間相關性主要存在于變程為139—175 m的范圍內，且不同土層間有不同的變程范圍，其中0—10，10—20 cm土層要高于20—30，30—40 cm。

由圖3可知，塊金值C0及基臺值C0+C都有逐層降低的趨勢，表明隨土層的加深隨機性因素所產生的空間變異在總變異中所占比例逐漸降低。也就是說由于耕作、施肥等人為活動引起的土壤有機碳含量的空間相關性有降低的趨勢。在一定的步長范圍內，增加相同步長，半方差變化范圍隨土層加深有減少的趨勢，即土層有機碳變異程度隨土層加深而減弱。

表3 不同土層土壤有機碳含量的半方差函數理論模型及參數

圖3 土壤有機碳各向同性半方差函數

2.3 土壤有機碳的空間分布特征

小流域0—40 cm土層土壤有機碳含量呈斑塊狀分布，且各層分布規律基本相似(圖4)。東北部及中南部有機碳含量普遍較高為14.96～22.48 g/kg，南部及中北部含量較低為12.58～17.60 g/kg。從垂直分布上看，呈現出隨土層加深含量逐漸減少的趨勢。0—10 cm土層有機碳含量最高為17.80～22.48 g/kg；10—20 cm及20—30 cm土層有機碳含量分別為15.93～20.33，13.66～16.39 g/kg；而30—40 cm含量最低為12.58～14.96 g/kg。

克里格交叉驗證參數見表4。不同土層土壤有機碳含量插值結果大多比實測值偏大，且隨土層的加深偏離程度有減小的趨勢。表4結果說明，各層有機碳插值結果基本可靠但從插值精度來說30—40 cm土層的土壤有機碳含量插值結果最好，20—30，10—20 cm土層次之，0—10 cm土層稍差，這可能與表層土壤容易受到人類活動等隨機因素的影響。而各層均方根誤差RMSE值相對偏大可能是因為本研究采樣點的設置并不是完全根據網格進行等間距的采樣從而造成的采樣點間距偏大。

2.4 小流域土壤有機碳的影響因素

小流域坡位、坡向及整地方式對土壤有機碳含量的影響見表5。方差分析表明，3種坡位之間土壤有機碳含量存在顯著差異(p<0.05，表5)。其中，坡上有機碳含量為17.36 g/kg，顯著高于坡中(15.99 g/kg)。不同坡位的變異系數介于22.58%～27.37%，為中等變異程度，坡上變異程度略高。不同坡向對土壤有機碳含量沒有顯著性影響(p>0.05，表5)，半陽坡和半陰坡的變異系數分別為27.94%，27.89%，均為中等變異。不同整地方式對小流域土壤有機碳含量產生了影響，其中水平溝和梯田有機碳含量顯著高于水平階和坡地，但不同整地方式下的變異系數相差不大(24.04%～25.83%)，均為中等變異。

表4 克里格交叉驗證參數

同一坡向和坡位下不同土地利用方式有機碳含量存在顯著性差異(p<0.05，圖5)，且均表現為林地顯著高于草地(p<0.05)。在同一土地利用方式下，除農地在不同坡位存在差異外，其他土地利用方式在坡向和坡位的有機碳含量均沒有顯著性差異(p>0.05，圖5)。農地在坡下的有機碳含量顯著高于坡上(p<0.05)。同一整地方式下，坡底和水平階的不同土地利用方式有機碳含量存在顯著性差異(p<0.05，圖5)，林地整體較高。在同一土地利用方式下，林地有機碳含量沒有顯著性差異(p>0.05)，但灌木地存在顯著高于草地(p<0.05)。檸條是小流域灌木地的主要植被類型，也是小流域土壤有機碳含量較高的斑塊(圖1、圖4)，從結果來看，坡地土壤有機碳含量顯著高于水平階(p<0.05)，水平溝處于兩者中間并且與它們沒有顯著差異。

圖4 土壤有機碳含量分布

表5 不同地形條件和整地方式對小流域土壤有機碳含量的影響

注：圖中不同小寫字母表示不同坡位間有機碳含量有顯著性差異,不同大寫字母表示不同地形間有機碳含量有顯著差異(p<0.05)；未標字母的表示差異不顯著(p>0.05)。

3 討 論

本研究中，小流域中不同土地利用方式土壤有機碳含量具有顯著差異，林地最高，灌木地和農地次之，草地最低(圖2)。這種差異可能是由于不同的土地利用方式改變了地表植物覆蓋和枯枝落葉量以及根系生物量，從而改變有機碳的主要來源[21]。相較于農地和草地，灌木地和林地的植物根系更發達，枯枝落葉等凋落物更豐富，更加有利于有機碳的積累。變異系數表明，農地的變異程度最大，灌木地及林地次之，草地最小。這主要是因為農地受人類活動影響強度較大，耕作、施肥及灌溉等土壤管理措施的不同導致土壤有機質輸入存在差異，導致變異程度最高[1,8]；而灌木地及林地雖然地表凋落物較為豐富，但土壤團聚體相對穩定，因此表現出相對穩定的變異程度；草地有機碳來源輸入較穩定，故表現出較低的變異程度。本研究中，小流域的土壤有機碳含量在垂直分布上均表現出隨土層的加深而顯著降低的趨勢，這一研究結果與多數研究結果一致[22-23]。這主要是由于以地表凋落物積累為主要來源的有機碳，隨著土層深度的增加，其輸入逐漸降低的原因[24]。

本研究中地統計學分析表明，隨土層深度的加深，各土層塊金值與基臺值的比值即C0/(C0+C)有減小的趨勢且均小于25%，表現出強烈的空間相關性，其中結構性因素起主要作用(表3，圖3)。賈宇平等[3]同樣對各層土壤有機碳含量進行分析，結果C0/(C0+C)值均小于12%。這表明雖然不同的土地利用方式，管理措施等人為活動作用于表層土壤，破壞了表層原有的空間相關性，但土壤仍保持著氣候、地形等自然因素的長期作用形成的空間相關性[22]，且這種變異性隨土層的加深，結構因素的作用越來越強。這與呂成文等[21]的研究結果相一致，他們認為0—100 cm土壤有機碳比表層0—20 cm更容易受結構性因素的影響。小流域土壤有機碳含量在其東北部及中南部有機碳含量較高，南部及中北部含量較低(圖4)。結合樣點土地利用方式分布來看，小流域東北部及中南部地區主要以人工種植的檸條為主，其較高的生物量和土壤動物及微生物活動量會促進有機碳含量的增加[15]，且檸條多以水平溝和水平階的整體方式進行種植，這在一定程度上減緩坡面徑流流速有效積累有機碳含量。中北部地區為耕地，位于坡下位置易受土壤沉積作用的影響但由于長期耕作會破壞土壤團聚體穩定性，加速有機碳的礦化作用從而一定程度上造成土壤有機碳含量的相對減少[25]。而南部地區土壤有機碳含量也相對較低，一方面是因為該區域以坡面為主的撂荒草地實際占比面積較大，其根系及生物量較少也受到侵蝕作用影響易造成有機碳的流失，另一方面也可能與采樣林地多為人工種植樹齡較低的果樹有關。

注：圖中不同小寫字母同一地形條件不同土地利用方式間有機碳含量有顯著性差異，不同大寫字母表示同一土地利用方式不同地形條件下有機碳含量有顯著差異(p<0.05)；未標字母的表示差異不顯著(p>0.05)。

圖5 不同地形條件和不同土地利用條件下土壤有機碳含量

本研究中，地形條件的差異對小流域土壤有機碳的空間分布產生了明顯的影響。從整個小流域尺度來說，坡位和微地形整地方式均對土壤有機碳有顯著影響(p<0.05)，但坡向則沒有顯著影響(p>0.05，表5)。從坡位來說，本研究中有機碳含量表現為坡上>坡下>坡中，這與一些研究表現出坡下>坡中>坡上的結果不盡相同[6]。影響坡面土壤有機碳分布的原因比較復雜，一般來說，受侵蝕—沉積作用的影響，坡上和坡中位置土壤有機碳常伴隨水土流失會向坡下發生轉移并在坡下逐漸沉積富集，致使坡下有機碳含量較高[26]。但坡面微地形整地方式與不同植被類型種植相結合可改變原有坡面的這種土壤有機碳空間分布特征。沈艷等[27]研究了不同管理方式下寧夏典型草原土壤的理化特征，認為經過較長時間的水平溝整地方式其土壤養分總體較高主要是由于水平溝能夠攔截坡地徑流中攜帶的養分。而水平階整地方式能夠有效減緩坡面徑流流速進而影響土壤有機碳的累積情況[28]。梯田則通過改變地形地貌，使田面變得平整均勻，從而減少地表徑流起到蓄水保肥積累土壤有機碳的作用[29]。小流域4種整地方式下土壤有機碳的差異也體現出這種影響，檸條為主的水平溝顯著高于檸條為主的水平階和農田為主的梯田，以荒草地為主的坡地最低(表5)。整地方式與植被類型的差異也使得半陽坡和半陰坡的土壤有機碳差異不顯著。對于梯田來說，位于坡下的梯田有機碳含量會顯著高于坡上，這主要因為坡下位置更容易出現有機碳的沉積現象從而提高其含量。從檸條灌木地這一小流域主要土地利用方式來說，坡位和坡向對土壤有機碳沒有顯著影響(p>0.05)，但微地形整地方式則有顯著影響(p<0.05，表6)，破壞較小的緩坡地要高于整地較大的水平溝和水平階，這也進一步說明整地方式在小流域土壤有機碳積累中的重要作用?？傮w來說，人工種植檸條的灌木地對小流域土壤有機碳的積累產生了積極作用，但其作用效果也受微地形整地方式的較大影響。

4 結 論

黃土丘陵區火岔灣小流域0—40 cm土壤有機碳含量為8.78～29.81 g/kg，且表現為林地>灌木地>農地>草地，變異系數為19.03%～21.80%，屬中等程度變異。不同土地利用方式下有機碳含量均隨土層加深而逐漸降低。各土層土壤有機碳的半方差擬合模型均為球狀模型，存在著強烈的空間自相關性，土壤的結構性因素引起的空間變異在總變異中所占比例較大起主要作用，由隨機因素引起的空間變異較小?？死锔癫逯到Y果表明，以人工種植檸條為主的區域整體土壤有機碳含量較高，而耕地及撂荒草地為主的區域整體含量較低。破壞較小的緩坡地要有機碳含量高于整地較大的水平溝和水平階。在研究區，人工種植檸條為主的生態恢復方式改變了小流域土壤有機碳空間變異性，并且其作用效果也與微地形整地方式有較大關系。本研究表明，在人工植被恢復主導的小流域土壤有機碳研究中，將植被恢復類型與整地方式耦合分析非常重要。