文 雯,周寶同,汪亞峰,梁 地
1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 北京大學環境科學與工程學院, 北京 100871 3 西南大學地理科學學院,重慶 400715
黃土高原羊圈溝小流域土地利用時空變化的土壤有機碳效應
文 雯1,2,周寶同3,汪亞峰1,*,梁 地1
1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 北京大學環境科學與工程學院, 北京 100871 3 西南大學地理科學學院,重慶 400715
土地利用變化是影響土壤有機碳儲量和分布變化的重要驅動因素,為進一步探討土地利用變化對土壤有機碳的影響,根據土壤樣點數據、土地利用類型圖,分析了黃土丘陵溝壑區羊圈溝小流域2006—2011年土地利用變化及其對表層土壤有機碳密度和儲量的影響,主要結論如下:(1)小流域土地利用發生較大變化,主要集中在喬木林地和灌木林地面積的增加,分別為39.697、46.404 hm2;以及草地面積的減少,為64.030 hm2;(2)土地利用方式的變化會導致土壤有機碳密度及儲量的變化,其中轉變用地類型的土壤有機碳儲量增加587.25 kg,以荒草地轉出類型增加的土壤表層有機碳儲量最多,為441.64 kg;灌木林地轉出類型減少的土壤表層有機碳儲量最多,為-21.01 kg。草地-灌木林地、草地-喬木林地、坡耕地-草地、坡耕地-灌木林地、坡耕地-喬木林地、坡耕地-壩地、梯田-草地、梯田-灌木林地、梯田-喬木林地、梯田-壩地、壩地-草地、壩地-灌木林地、壩地-喬木林地等轉換用地類型的表層土壤碳密度增加值高于保持用地類型碳密度的增加值,說明這些地類的轉換有利于表層土壤有機碳儲量的增加,即有利于表層土壤碳匯的形成;而其他地類轉換造成了表層土壤的碳排放,應該引起足夠的重視;(3)土壤固碳應著眼于長期效應,頻繁的土地利用類型轉化可能會降低土壤碳截流效果,黃土丘陵區植被重建的長期利用和保持更有利于土壤有機碳的積累。
土地利用變化; 土壤有機碳; 羊圈溝小流域; 黃土丘陵地區
土壤碳庫是陸地生態系統中最大而又最活躍的有機碳庫,也是全球碳循環的重要組成部分,對全球氣候變化有著重要的影響[1],其微小變化都將顯著地影響著碳匯或碳源的大小和分布[2],增加土壤碳庫儲量可以減緩由于人類活動導致的大氣CO2的增加,相反,土壤中碳的釋放將加速大氣CO2的升高[3],它是土壤質量評價和土地可持續利用管理中必須考慮的重要指標[4]。
土地利用變化是影響陸地生態系統碳循環的主要因素之一,也是僅次于石化燃料燃燒而使大氣CO2濃度急劇增加的主要人為活動[5]。土地利用變化發生后,由于影響土壤有機碳(SOC)的動態過程和相關性質發生了變化,使SOC的儲量、分布等也發生了變化,這些變化又將進一步影響土壤向大氣釋放CO2的強度與過程,因此土地利用變化對SOC儲量、分布的影響,是對SOC影響的本質[6]。使土壤碳庫貯量積累的過程是碳匯,而使土壤碳貯量減少的過程是碳源。準確認識土地利用變化過程對土壤碳貯量的影響是增加還是減少,是直接影響還是間接影響,對于準確認識和評價陸地生態系統的碳源/匯功能具有重大意義[7]。
SOC的時空變異性是指在土壤質地相同的區域內,SOC在同一時刻、各個空間位置上或在不同時刻、同一空間位置上量值的差異性,其變化情況不僅反映SOC變化趨勢,印證了區域生態演變規律和生態建設的基本成果,也是國際全球氣候變化問題研究的核心內容之一[2]。目前對于SOC變化的研究多集中于同一時刻的不同土地利用類型之間的比較分析[8],而不同時刻同一地區土地利用類型轉換后的土壤碳效應差異研究還有待深入。近年來,國內外學者的研究也表明合理的土地利用方式變化可以增加SOC含量并影響其時空動態變化[7-9],但在黃土高原小流域尺度上的相關試驗研究較少。黃土高原地區地形破碎,土地利用類型復雜多樣,也是我國SOC儲量最低的地區之一[9-10]。20世紀90年代以來,該地區進行了大規模的生態環境修復工作,尤其是退耕還林工程,通過植被恢復引起了土地利用的變化,并改變了土壤內部及與植物群落的養分循環,必然引起土壤碳庫變化[11]。由于大量的SOC集中于20 cm以內的表層中,在不同的土地利用方式作用下,其空間變異較深層(20 cm以下)的影響更大[12-13]。因此,本文以黃土丘陵溝壑區的羊圈溝小流域為研究對象,結合碳“匯”、“源” 的概念,采用野外調查、室內分析并與地統計學相結合的方法,對小流域尺度在2006—2011年土地利用變化影響表層土(0—20 cm)有機碳密度、儲量及其空間分布格局變化進行綜合評價,以期為黃土高原植被恢復與生態建設提供參考,也可以為大尺度的研究提供依據。
研究區域為位于延安市寶塔區東北方向14 km處李渠鎮的羊圈溝流域(36°42′N,109°31′E),總面積為2.02 km2,為延河左岸的二級支溝,碾莊溝流域的一級支流。區域地貌類型為黃土梁和黃土溝,溝谷密度為2.74 km/km2,屬典型黃土丘陵溝壑區。區域氣候為半干旱大陸性季風氣候,多年平均降水量535 mm,降水多集中在7—9月,年際變率大。流域內土壤以黃綿土為主,抗蝕性差,水土流失嚴重。近年來流域內實施了退耕還林工程,經過十幾年的流域治理,農業景觀發生了很大的變化。流域植被在區劃上屬于森林草原過渡帶,流域內由于人為活動的干擾,自然植被破壞殆盡,多為人工種植而形成的次生植被,植物種類主要有刺槐(Robiniapseudoacacia)、柳樹(Salixspp.)和楊樹(Poplarspp.)等。
分別于2006年和2011年在黃土丘陵區羊圈溝流域選取6種具有代表性的土地利用方式進行采樣:草地、灌木林地、喬木林地、梯田、坡耕地和壩地(水域和建設用地無采樣點)。兩次采樣方法相同,均按土地利用類型和土壤斷面,同時考慮微地貌布設采樣點,采用地形剖面線法進行坡面采樣,采用5點混合的方式采集混合樣。采樣點為114個,按照土地利用類型面積比例分配采樣點個數,以保證樣本對不同土地利用類型的代表性,面積比例較大的地類如喬木林地和灌木林地樣點分布較多,而面積比例較小的地類,如壩地和坡耕地樣點分布較少。取樣器為荷蘭Eijkekamp公司生產的直徑為6 cm的半圓鑿型土鉆。采樣深度為0—20 cm,土壤樣點的具體分配和分布情況如表1、圖1所示。野外采樣時采用GPS定點,確定每個采樣點的經緯度坐標,同時詳細記錄每個采樣點的坡度、坡向及其土地利用類型等信息。

表1 黃土丘陵區羊圈溝流域土地利用面積、采樣數及其所占比例

圖1 研究區域樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sample sites in study area
(1)粒徑測定 取土壤樣品過2 mm篩后測定土壤粒徑,分析采用Mastersizer 2000激光粒度儀進行,測定前處理主要是去除土壤有機質和碳酸鹽,上機前用六偏磷酸鈉溶液分散土壤溶液,測量范圍為0.02—2000 μm,重復測量誤差小于±3%。
(2)SOC含量測定 取土壤樣品過0.28 mm篩后,采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法[14]進行測定。
(3)土壤容重(Db)測定 采用環刀法測定[15]。
DOC=SOC×γ×H×(1-δ2mm/100)×10-1
(1)
式中,DOC為SOC密度(g/m2);SOC為SOC重量含量(g/kg);γ為土壤容重(g/cm3);H為土層厚度(cm);δ2mm為>2 mm土壤粒徑百分含量[16]。
(2)
式中,POC為SOC儲量(g);Si為第i種土地利用的面積(m2),DOCi為第i種土地利用類型的SOC重量密度(g/m2)[5]。
土地利用變化對SOC的影響是一個長期過程,其研究方法包括間接方法和直接方法。間接方法包括相鄰樣地比較(Paired sites)和空間代替時間方法(Chronosequence)[17-18],需要的時間較短、易于操作,但是不夠客觀,是預測的理想結果,忽略了土地利用變化中的實際演變過程;直接測定的方法為不同時間在同一土地利用方式下重復采樣分析,這種方法雖然需要較長的時間和嚴格的控制條件,但是反映的是樣地的實際變化特征,真實客觀。本研究鑒于對研究地區的土地利用變化的長期觀測、準確的時間記載和系統的研究,采用直接測定比較的方法。
首先在Mapgis軟件中,將2006年和2011年通過GPS測得的采樣點的經緯度坐標與羊圈溝流域的空間分布坐標相連接,將測得的數據導入羊圈溝流域的點位表中,添加到地形圖中,得到研究區域采樣點的分布圖(圖1)。然后,根據采樣點的數值,采用基于土地利用類型修正的普通克里金空間插值法[19]生成2006年和2011年羊圈溝流域表層的SOC密度圖,并提取出不同土地利用類型的平均有機碳密度,并據此分析2006—2011年羊圈溝流域表層SOC密度的變化情況。再對羊圈溝流域2006和2011年的土地利用遙感解譯圖進行空間疊加生成2006—2011年土地利用變化圖,將此圖與生成的表層SOC密度的變化圖疊加后進行區域統計,即可得出土地利用變化與表層SOC密度的對應關系[20]。
以羊圈溝流域2006和2011年的土地利用類型圖(圖1)為底圖得到的2006—2011年各土地利用轉移矩陣如表2所示。其中變化最為劇烈的主要有:草地轉化為灌木林地,面積為27.680 hm2,占2006年草地總量的30.35%;草地轉化為喬木林地的面積為30.927 hm2,占2006年草地總量的33.91%;坡耕地轉為梯田,約為10.999 hm2,占2006年坡耕地總量的43.54%。這是由于這期間流域內加大了水土流失治理措施,調整了土地利用結構,使得流域內喬木林地和灌木林地所占比重增加,遍布整個小流域。由于植樹造林,梯田轉換為喬木林地和灌木林地的趨勢較大,尤其是在流域東邊和西邊較為明顯,大部分荒草地也轉換為喬木林地、灌木林地和坡耕地,草地是最大的轉出者,喬木林地和灌木林地是最大的轉入者。

表2 羊圈溝流域2006至2011年土地利用轉移矩陣/hm2
2006年羊圈溝流域表層土壤平均有機碳密度為10.27 g/m2,其中喬木林地>灌木林地>草地>壩地>梯田>坡耕地;2011年表層SOC密度較2006年略有所增加,平均值為11.01 g/m2,兩年的SOC密度空間分布圖見圖2,不同地類表層土壤碳密度兩年間的變化情況見表3。從羊圈溝流域SOC密度變化圖(圖3)可知,西北地區表層SOC密度以增加為主,其轉變用地類型主要為:轉變為灌木林地、喬木林地的及保持不變的灌木林地、喬木林地等;而中部及東南地區的地區以減少為主,其轉變用地類型主要為轉變為及保持不變的坡耕地等。

圖2 2006年、2011年羊圈溝流域表層土壤有機碳密度圖 Fig.2 Surface Soil Organic Carbon (SOC) density in Yangjuangou watershed in 2006 and 2011

圖3 2006年—2011年羊圈溝流域表層土壤有機碳密度空間格局變化 Fig.3 Spatial changes of the surface SOC density in Yangjuangou watershed from 2006 to 2011

表3 2006年—2011年羊圈溝流域表層土壤有機碳密度變化
SOC儲量比較全面地反映了土地利用變化對SOC的影響。由于不同土地利用類型SOC密度存在著差異,因此SOC儲量也存在差異[5]。由保持利用類型的SOC密度及碳儲量變化表(表4)可知:2006—2011年保持不變的土地利用類型面積61.852 hm2,占整個流域總面積的30.62%。就SOC密度而言,雖然整個流域保持利用類型的SOC密度變化較小,但保持不變的草地、灌木林地、喬木林地、梯田及壩地的變化值均為正;而保持坡耕地的變化值均為負。整個流域保持用地類型表層SOC儲量共增加211.64 kg,其中坡耕地減少量最多,為-88.25 kg,而喬木林地增加量最多,為177.53 kg。
轉變土地利用類型SOC密度及碳儲量變化情況如下:羊圈溝流域從2006到2011年,轉變用地類型面積1.25×106 m2,占羊圈溝流域總面積的63.79%,轉變土地利用類型的表層SOC密度的變化區間為-0.08—0.14 g/m2。從有機碳密度來看,轉入為灌木林地、喬木林地及梯田的類型,有機碳密度多為增加,而轉為坡耕地的均減少。
整個流域轉變用地類型的SOC儲量增加587.25 kg,其中草地轉出類型增加的土壤表層有機碳儲量最多,為441.64 kg;灌木林地轉出類型減少的土壤表層有機碳儲量最多,為-21.01 kg。

表4 2006年至2011年保持用地類型土壤有機碳密度、儲量變化表

圖4 2006年至2011年轉變與保持用地類型有機碳密度變化值比較Fig.4 Comparison of SOC density change between changed and maintained land use types from 2006 to 2011
將小流域2006—2011年保持用地類型表層土壤碳密度的變化值與轉變用地類型表層土壤的碳密度變化值進行比較分析發現(圖4),保持用地類型和轉變用地類型的表層SOC密度均發生顯著變化。草地-灌木林地、草地-喬木林地、坡耕地-草地、坡耕地-灌木林地、坡耕地-喬木林地、坡耕地-壩地、梯田-草地、梯田-灌木林地、梯田-喬木林地、梯田-壩地、壩地-草地、壩地-灌木林地、壩地-喬木林地等轉換類型表現為表層土壤碳密度增加值高于保持用地類型碳密度的增加值,說明這些地類的轉換有利于表層SOC儲量的增加,即有利于表層土壤碳匯的形成;而其他地類之間的轉換表現出轉變用地類型的表層土壤碳密度增加值低于保持用地類型碳密度的增加值,說明在這些地類轉換過程中造成了表層有機碳的釋放,不利于土壤碳匯的形成。
研究表明,得益于國家退耕還林政策的實施,羊圈溝小流域的耕地面積明顯減少,灌木林地和喬木林地面積顯著增加,植被恢復效果明顯。通過合理的土地利用方式轉變,可以提高土壤有機物質的輸入量,減少土壤有機物質的礦化分解,增加SOC匯[21]。
林地植被覆蓋度較高,林下凋落物較厚,攔蓄水土、阻擋表層土壤養分功能較強,且根系分泌物和凋落物輸入較大,從而使表層SOC的密度高于其他用地,坡耕地和草地造林后SOC匯的功能強度都將增強[13]。因而草地-灌木林地、草地-喬木林地、坡耕地-灌木林地、坡耕地-喬木林地、梯田-灌木林地、梯田-喬木林地、壩地-灌木林地、壩地-喬木林地等轉變均有利于土壤表層碳匯的形成。造林作為干旱-半干旱區一種重要的生態恢復手段,已在世界范圍引起重視和關注[7]。
壩地可以攔截泥沙、流域地表的有機質及其它大量養分。土壤水分充足,則其透氣性差,原有機碳分解速率小,外源有機殘體在水分作用下易于腐爛降解成有機物質,從而有利于SOC密度的提高。壩地在流域的上、中和下游均有分布,黃土高原侵蝕劇烈,降雨侵蝕導致的水沙能在很短的時間內被壩地攔截,泥沙淤積迅速,所以SOC被氧化的可能性較小,并搬運到壩地中累積。在流域單元內,淤地壩工程的固碳效應是整個流域固碳的重要方面[11]。坡耕地土壤水分不足,土壤孔隙度大,加大有機碳分解速率,不利于SOC的積累,因而,坡耕地-壩地的有機碳密度增加。
梯田主要分布在峁坡,其有效地控制了水土流失并承接了來自峁頂的匯水匯沙,因而使處于強烈侵蝕帶的峁坡SOC密度升高。而坡耕地以果園為主,果園屬于經濟林,林種單一,凋謝物少,植物殘體歸還量少,導致碳輸入量低,控制水土流失能力以及承接上方泥沙的能力遠遠低于梯田,因而坡耕地-梯田會使有機碳密度增加[13, 20]。
草地主要以自然恢復天然草地為主,大面積分布在峁坡,植被覆蓋度較高,且有零星的喬木和灌木植被,有效地減少了土壤侵蝕和水土流失。坡耕地轉變為草地SOC蓄積量的增加主要來源于高生物量、凋落物留存和高根系生物量[22],因而坡耕地-草地的轉變有利于有機碳密度的增加。正如Gebhart等[23]發現美國中部平原的農地變成草地之后300 cm土壤中有機碳增加110.0 gC m-2a-1,該值是最大的增長速率。Lugo等[24]在亞熱帶濕潤森林區的研究證明了農田被草地代替之后,平均積累速率為33.2 gC m-2a-1等。然而草地攔截水土能力弱于林地,天然草地根系分泌物和凋落物輸入高于農田和坡耕地(果園)但低于喬木林地和灌木林地[23-24]。
由于實施退耕還林工程,從2006年以來,流域內坡耕地基本消失,僅為0.23 hm2,到2011年,原有坡耕地逐漸轉換為梯田及灌木林地,但是仍有少量處于坡面的荒草地被開發為耕地,于是出現了少量坡耕地。轉變為坡耕地(果園和旱地)從而引起SOC損失的機制為:首先由于耕作的物理效應,即耕作破壞了土壤的團聚體結構,使土壤透氣性、溫度、水分條件得到改善,微生物呼吸作用增強,加速了SOC的分解,導致SOC的大量釋放;其次,開墾使土壤的溫度和濕度條件在耕作中得到了改善,在一定程度上促進了土壤的呼吸作用,加速了土壤有機質的分解;另外,收獲作物時大量地上部分被移走,從而大大減少了植被對土壤碳的歸還量,耕地的燒荒措施也使固定在植被中的碳全部釋放到大氣中[22]。因而草地-坡耕地造成土壤碳密度的減少,應該降低土壤耕作強度,減少土壤呼吸強度,從而達到減少SOC消耗的目的[5]。
本研究中2006—2011年小流域尺度土壤碳密度雖整體雖呈增加趨勢,其變化幅度卻很小。這是由于SOC的累積和恢復是一個長期過程,黃土丘陵區植被恢復應著眼于長期效應,頻繁的土地利用變化可能會降低土壤碳截流效果,而長期保持更有利于本區域土壤固存大氣中的CO2[25]。隨著退耕還林的開展和壩地的增加,從生態系統流失的碳可以通過固碳重新被土壤和植被吸收,從而恢復退化的土壤,增加生態系統碳儲量[26]。由圖5可知,喬木林地與灌木林地雖均為碳匯[16],然而互相轉換后均造成SOC密度的降低,即不利于土壤碳的保持,因而就林地來說,更適合保持不變,轉換樹種后,由于對土壤進行了擾動,反而造成了碳損失。增加生態系統的碳匯功能應從增加輸入量、減少輸出量和增加穩定性去實現[7]。
(1)2006年到2011年,羊圈溝流域土地利用類型發生較大變化,主要集中在喬木林地和灌木林地面積的增加以及荒草地及坡耕地面積的減少。黃土丘陵區植被恢復的土壤固碳效應表現出一定的時空變化規律,對評估本區域植被恢復的SOC截流量,以及預測未來SOC截流潛力有重要影響。
(2)土地利用方式的變化會導致SOC密度及儲量的變化,其中,轉變為林地、梯田、壩地等類型的土地利用方式,有利于表層SOC儲量的增加,應該保留;而轉變為坡耕地的類型造成了表層土壤的碳排放,應該引起足夠的重視。然而在研究區域內,居民點附近仍出現少量將荒草地開發為坡耕地的現象,因此應加強植被恢復的力度和管理強度,兼顧淤地壩、梯田的維護和建設。
(3)土壤固碳應著眼于長期效應,頻繁的土地利用類型轉化可能會降低土壤碳截流效果,黃土丘陵區植被重建的長期利用和保持更有利于SOC的積累。在野外條件下開展關于土地利用變化后SOC庫的研究,可以在最接近自然狀況的條件下揭示SOC庫與土地利用變化相互作用的規律,但會受到土壤異質性及人為頻繁擾動的影響,雖然可以通過重復樣地和多點采樣進行彌補,仍會造成一些變異性和不確定性結果,或會掩蓋某些規律性的變化,因此今后研究應輔助以可控性更強的室內模擬試驗。
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Effects of spatio-temporal changes of land-use on soil organic carbon in Yangjuangou watershed in Loess Plateau, China
WEN Wen1,2, ZHOU Baotong3,WANG Yafeng1,*, LIANG Di1
1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,China3CollegeofGeographicSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China
Land use change is an important driving factor for changes of storage and spatial distribution of soil organic carbon (SOC). In order to study effects of land use change on SOC, we analyzed the spatio-temporal changes of land use and their effects on SOC content, density and storage of topsoil based on soil sampling data and land-use map from 2006 to 2011 in Yangjuangou watershed. The main conclusions include that, (1) Land use types in this watershed changed significantly from 2006 to 2011. The area of grass land, which mainly transformed into shrub land and arboreal land, decreased the most with 64.030 hm2, following by sloping farmland mainly transformed into terrace; the area of shrub land and arboreal land increased rapidly by 39.697 hm2, and 46.404 hm2respectively, which were converted from the grass land, terrace, sloping farmland, dam land and construction land; the area of terrace was so small that the transformation was not obvious. (2) Land use change caused change of density and storage of SOC. The increase of carbon storage due to land type changes was 587.25 kg, among which the contribution from changed land types converted from grass land was 441.64 kg. Within all the land use transformations, ‘grass land to shrub land’, ‘grass land to arboreal land’, ‘sloping farmland to grass land’, ‘sloping farmland to shrub land’, ‘sloping farmland to arbor land’, ‘sloping farmland to terrace’, ‘sloping farmland to terrace’, ‘terrace to grass land’, ‘terrace to shrub land’, ‘terrace to arboreal land’, ‘terrace to dam land’, ‘dam land to grass land’, ‘dam land to shrub land’, and ‘dam land to arboreal land’ showed higher SOC densities than those of the original land use types. It indicated that these land use transformations were conducive to increase of surface SOC and reduction of carbon emissions, which were beneficial to formation of surface soil carbon sink. However, other land use transformations, which caused increase of surface soil organic carbon emissions, should be paid more attention to. (3) The content, density and storage of SOC didn′t increase so much in Yangjuangou watershed from 2006 to 2011. Nevertheless, soil carbon sequestration should focus on the long-term effects, and frequent transformations of land use types may reduce the intercepting effect of soil carbon. The long-term utilization and maintain of vegetation reconstruction are much more conducive to accumulation of SOC in the Loess hilly-gully regions.Different transformations of land use types led to different regional changes of SOC storage. Those land use types which converted into shrub land and arboreal land contained the most SOC storage. Therefore, it is of extremely importance to protect forests to mitigate global warming, and the attention should be paid to afforestation and plantation tending management. Only seeking out a suitable mode of land resources management, which is beneficial to increase of sequestration of atmospheric CO2through soil and could reverse land degradation process, can it be the best choice for mitigating rising levels of CO2.
land use change; soil organic carbon; yangjuangou watershed; loess plateau
國家自然科學基金(40901098)
2014-01-25;
日期:2014-11-19
10.5846/stxb201401250188
*通訊作者Corresponding author.E-mail: yfwang@rcees.ac.cn
文雯,周寶同,汪亞峰,梁地.黃土高原羊圈溝小流域土地利用時空變化的土壤有機碳效應.生態學報,2015,35(18):6060-6069.
Wen W, Zhou B T,Wang Y F, Liang D.Effects of spatio-temporal changes of land-use on soil organic carbon in Yangjuangou watershed in Loess Plateau, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6060-6069.