土地利用方式變化對農業土壤有機碳空間分布的影響

虞舟魯，邱樂豐，林 霖

(1.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省農業科學院 農村發展研究所，浙江 杭州 310021)

土地利用方式變化對農業土壤有機碳空間分布的影響

虞舟魯1，邱樂豐2，林 霖1

(1.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省農業科學院 農村發展研究所，浙江 杭州 310021)

將地統計學和地理信息系統相結合，研究浙江省杭州市富陽區1979—2006年0～20 cm土層土壤有機碳的時間和空間變異特征。結果表明，1979—2006年富陽區土壤平均有機碳含量從17.3 g·kg-1增長到18.5 g·kg-1。根據半方差模型分析結果，富陽區1979年和2006年土壤有機碳的分布在空間自相關上均表現為中等強度。不同土地利用類型土壤有機碳含量依次為菜地>林地>水田>旱地>未利用地>園地。研究區內土壤有機碳發生變化的主要驅動力是土地利用方式及其相應的管理措施差異。城鎮日常生活產生的生活廢水與廢棄物，以及工業特別是造紙產生的工業廢水的處置方式，農業生產中不同種植方式下有機肥和化肥的使用情況，均對研究區土壤有機碳水平的高低和空間異質性有直接影響。研究結果可為研究區土壤有機碳管理提供科學依據。

土壤有機碳；地統計；時空變異；土地利用

土壤有機碳是陸地生態系統中貯存量最大的碳庫[1]，是全球碳循環的重要節點。同時，土壤有機碳又是土壤生產力最重要的物質基礎之一，對土壤的生物、物理和化學特性及各種變化過程有重要影響，也是評價土壤肥力的重要因子。在全球變暖和CO2減排背景下，研究土壤有機碳的時空變異及其影響因素具有積極意義[2-4]。

不同土地利用方式對土壤有機碳的分布和變化影響很大。宇萬太等[5]對中國遼河平原地區暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候下不同土地利用方式的土壤有機碳儲量及C/N進行估算，發現林地、割草地、荒地及裸地各土層有機碳含量高于農田生態系統；吳崇書等[6]通過采集90組杭嘉湖平原耕地表層土壤樣本，研究不同土地利用方式和農藝措施轉變對土壤有機碳含量的影響，結果表明，施用有機肥和化肥可顯著提高土壤有機碳含量，水田改果樹或茶葉等旱植經濟林可引起土壤有機碳數量和質量的明顯下降。在農業生態系統中，菜地和水田的土壤有機碳和其他養分含量較高，而園地和旱地的土壤養分含量較低，不同施肥方式和耕作措施都會影響土壤有機碳和其他養分水平[7-8]。本研究擬以浙江省杭州市富陽區為研究區域，通過土壤樣點數據采集與分析，結合遙感和土地利用等數據，應用地理信息系統(GIS)和地統計學相結合的方法，探索研究區1979—2006年土壤有機碳的時空變異，分析土壤有機碳的空間分布格局及土地利用方式等對其的影響，以期為富陽區土壤有機碳管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

富陽區位于浙江省杭州市域范圍的西南部，地理位置為119.42°～120.33°E、29.75°～30.20°N。東部、西部分別與杭州市蕭山區、桐廬縣相接，北部與杭州市西湖區、余杭區、臨安市相連，南部毗鄰諸暨市。區域范圍東西長68.67 km，南北寬50.37 km。面積1 831 km2。下轄5個街道、13個鎮、6個鄉。整體地貌以“兩山夾江”為最大特征，山地、丘陵面積占區域總面積的78.61%，平原、盆地面積占16.36%，水域占5.02%，故有“八山半水分半田”之稱[9]。

富陽區地處亞熱帶季風氣候區，冬冷夏熱，四季分明，春夏雨熱同步，秋冬光溫互補，氣候垂直變化明顯。年平均氣溫16.1 ℃，年平均降雨量1 441.9 mm。農業生產以水稻、蔬菜、茶葉、毛竹為主。富陽區的耕層土壤質地有壤土、黏土、砂土和黏壤土。全區土壤分屬于16土屬，主要以黃泥土與紅泥土為主，合計占比超過全區總面積的50%，油黃泥、洪積泥砂田的分布面積分別占全區總面積的6.79%、6.03%，其他土壤類型所占比例均較低[10]。

1.2 數據來源與處理

收集富陽當地農業局1979年第二次土壤普查資料，共228個土壤采樣點數據。2006年，與富陽區農業局土肥站合作在全區范圍內通過土壤采樣，分析調查農用地地力。取樣方案如下：以1979年土壤采樣點為參考就近采樣，同時增加采樣點密度以獲得更多土壤空間與屬性信息。采樣深度20 cm，每個土樣以1個取土點為中心，在5 m半徑內取5點混合而成，并使用手持GPS儀記錄中心點位置(圖1)。為充分考慮采樣點在不同土地利用類型、不同土類上的分布，利用富陽區土地利用現狀圖、土壤類型圖，共采集土壤樣品1 104個。土壤樣品常規理化性質分析參照《土壤農化分析》[11]中的方法進行，土壤有機質含量使用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[12]。

本研究所用1979年土地利用數據來自于1979年Landsat MSS影像的監督分類[13]；2006年土地利用數據由富陽區國土資源局提供。

2 結果與分析

2.1 農用地土壤有機碳含量統計特征

Kolmogorov-Smirnov (K-S)檢驗[14]結果表明，1979年和2006年的土壤有機碳數據均符合正態分布要求，符合地統計分析的要求。結果(表1)顯示，2006年研究區土壤有機碳含量顯著(P<0.05)高于1979年，說明研究區0～20 cm土層有機碳含量有顯著提高。根據計算得到的變異系數(CV)結果，富陽區1979年、2006年土壤有機碳在空間分布上的變異程度均屬于中等強度(0.1～1)。

2.2 農用地土壤有機碳時空變化特征

如表2所示，用于研究區1979年和2006年土壤有機碳空間變化的最優半方差模型為球狀(spherical)模型。塊金值(C0)是由測量誤差和人為等隨機因素引起的變異，塊金值越大則表明空間變異程度越大；基臺值(C+C0)表示系統內的總變異，當半變異函數值超過基臺值時，即函數值不隨采樣點間隔距離而改變時，空間相關性不存在；變程即最大相關距離，表示了在某種觀測尺度下空間相關性的作用范圍，當某土壤屬性觀測值之間的距離大于該值時，它們之間是相互獨立的，小于該值時它們之間存在一定的空間相關性，且樣點間的距離越小，其空間相關性越大?？臻g相關性的強弱可由塊金效應即塊金值與基臺值之比[C0/(C+C0)]來反映：塊金效應<0.25，說明變量空間相關性很弱，變量樣本間的變異更多是由隨機因素引起；塊金效應在0.25～0.75之間，變量具有中等的空間相關性；塊金效應>0.75，表明變量具有強烈的空間相關性。1979年和2006年研究區土壤有機碳的塊金效應值分別為0.583和0.523，空間自相關性表現為中等強度，說明研究區內自然因素和人為因素共同影響了土壤有機碳分布的空間異質性。

圖1 1979與2006年土壤采樣點分布Fig.1 Spatial distribution of soil samples in 1979 and 2006

表1 研究區土壤有機碳含量描述性統計結果

Table 1 Statistic summary of soil organic carbon (SOC) content in study area

年份Year樣點數n平均值Mean/(g·kg-1)標準差SD/(g·kg-1)中值Median/(g·kg-1)最小值Minimum/(g·kg-1)最大值Maximum/(g·kg-1)變異系數CVPk-s197922817 34 617 70 729 80 270 2072006110418 55 718 00 643 90 310 085

基于半方差模型的分析結果，利用ArcGIS 10.0的地統計分析模塊(geostatistical analyst)中的普通克里格(Kriging)方法，根據研究區1979年和2006年樣點數據的土壤有機碳含量進行插值，分別得到1979和2006年富陽土壤有機碳空間分布(圖2)。1979年富陽區東南部、西北部和中北部的土壤有機碳含量明顯高于其他區域；2006年，富陽區中部、東南部的土壤有機碳含量有所下降，而西部和東部的土壤有機碳含量明顯上升，其余地區相對保持穩定。

為了定量分析研究區土壤有機碳的變化情況，參照浙江省第二次土壤普查中的土壤肥力分級標準進行分類(表3)，整體來看，研究區內土壤有機質含量較高，無五、六級土。1979年，研究區的土壤有機碳整體水平中等偏上，以二級和三級為主，合計占研究區總面積的99%以上；2006年，研究區土壤有機質水平三級的土地面積下降較為明顯，但一級和二級的土地面積有明顯增加。總體來看，研究區土壤有機碳含量呈現增長趨勢，但不同研究區域的變化幅度差異較大。

表2 研究區土壤有機碳含量半方差分析結果

Table 2 Semivariogram models for SOC content in study area

年份Year模型Model塊金值C0基臺值C+C0C0/(C+C0)變程Range/km平均誤差Meanerror均方根標準預測誤差Root?mean?squarestandardizederror1979球狀Spherical13 623 30 58313 4-0 040 942006球狀Spherical18 435 20 5234 50 010 95

圖2 1979和2006年研究區土壤有機碳含量空間分布Fig.2 Distribution maps of SOC content in 1979 and 2006 in study area

2.3 土地利用方式對土壤有機碳的影響

方差分析結果(圖3)顯示，土壤有機碳含量在不同土地利用類型下有顯著(P<0.05)差異。菜地的土壤有機碳含量最高，其次為林地、水田和旱地，未利用地和園地的土壤有機碳含量偏低。菜地土壤有機碳含量顯著高于未利用地和園地。

進一步分析1979—2006年間土地利用方式變化對土壤有機碳的影響，結果如表4所示。1979—2006年從水田轉化為菜地的部分土壤有機碳含量增長幅度最大，其次是從水田轉化為林地和旱地，轉化為園地時土壤有機碳含量小幅降低。同時，利用方式沒有發生變化的水田土壤有機碳含量也呈現小幅增長趨勢。

表3 研究區土壤有機碳含量分級面積表

Table 3 Land areas and percentages of different SOC levels in 1979 and 2006

等級Level1979面積Area/km2比例Percentage/%2006面積Area/km2比例Percentage/%一級LevelⅠ——55 86 5二級LevelⅡ442 851 4511 659 4三級LevelⅢ416 348 3287 433 4四級LevelⅣ2 90 36 50 7

研究區土壤有機質含量無五、六級，故表中未列出。

As there was no level Ⅴ， Ⅵ soil in the study area， it was not shown in the above table.

柱上無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)Bars marked with no same letters indicated significant difference atP<0.05圖3 不同土地利用方式的土壤有機碳含量Fig.3 Mean SOC content of different land use types

不同土地利用類型的土壤有機質輸入水平，因管理措施不同而存在明顯差異，這是土壤有機碳空間變異的重要原因之一。以菜地為例，隨著建設用地增加、城市人口集聚，富陽全區特別是城郊范圍內部分原本種植糧食的水田、旱地通過農業結構調整改為種植蔬菜的菜地，以滿足因城鎮人口增加而帶來的巨大生活需求，但蔬菜種植期內投入的肥料遠高于糧食種植期內投入的肥料，因此菜地的土壤肥力通常遠高于其他類型農用地[6]。與菜地、耕地相比，園地的有機碳含量相對較低，主要是因為園地相對集中在低丘緩坡區域，該區域土層厚度相對較薄，土壤肥力特別是有機質含量較低，同時園地管理的人工干預亦較少[15]。

表4 土地利用方式變化與土壤有機碳含量變化的關系

Table 4 SOC variation with changes of land use type from 1979 to 2006

土地利用方式Landusetypes19792006面積Area/hm2有機碳變化SOCvariation/(g·kg-1)水田菜地Vegetableland776 53 50Paddy旱地Dryland1711 00 98field林地Forestland6999 41 61水田Paddyfield14126 31 21園地Orchard3377 3-0 98

2.4 城市化對土壤有機碳的影響

富春江及其支流兩岸的河谷平原地區是富陽傳統的農業糧食生產地區，也是城市擴張和工業發展最快速的地區，土地利用方式急劇變化[9]。借助于ArcGIS 10.0平臺，以富春江及其支流為中心生成距離為0.5、1、2、3、4和5 km的6個緩沖區，分別疊合土壤有機碳空間分布圖(圖2)進行分區統計，計算出土壤有機碳在各個緩沖區內的變異平均值。選取不同范圍內的工廠數目、工廠密度和建設用地比例來表征工業和城市發展水平。相關性分析結果(表5)顯示：土壤有機碳含量與離河距離、建設用地比例、工廠數目和工廠密度均有顯著的相關性，距離富春江及其支流越近、城市化和工業化程度越高的區域，土壤有機碳含量越高。

表5 土壤有機碳含量與城市化程度的相關性分析

Table 5 Pearson’s correlation within SOC variation and urbanization factors

指標Index相關性Correlation離河距離DistancetoFuchunRiver-0 996??工廠數目Numberoffactories0 988??工廠密度Densityoffactories0 953??建設用地比例Percentageofbuilt?up0 982??

**表示P<0.01。

**indicatedP<0.01.

造紙產業是富陽的支柱產業，在富春江兩岸共分布有200余家造紙廠，其排放的污水占富陽區工業廢水排放總量的90%以上。根據富陽區2007年統計年鑒，富陽區年均產生工業廢水25 100萬t，工業固體廢物91萬t，生活廢水1 731萬t。富春江作為研究區內最主要的進出境河流，接納了境內的大部分廢水，而富春江及其支流又是富陽區農業灌溉用水的主要來源。國內外的研究普遍證實，造紙產生的廢水和污泥對提高土壤氮、磷、鉀和有機質等養分水平作用顯著，這可能是富陽區城市化進程提高土壤有機質水平的重要原因。

3 結論

本研究顯示，1979—2006年富陽區土壤平均有機碳含量從17.3 g·kg-1增長到18.5 g·kg-1，研究區土壤有機碳分布在空間自相關上表現為中等強度，人為因素與自然因素的共同作用對土壤有機碳分布的空間異質性有明顯影響。研究區內不同區域土壤有機質含量變化差異較大，中部、東南部的土壤有機碳含量有所下降，而西部和東部的土壤有機碳含量明顯上升，其余地區相對保持穩定。不同土地利用類型的土壤有機碳含量依次為菜地>林地>水田>旱地>未利用地>園地。研究區內土壤有機碳發生變化的主要驅動力是不同土地利用方式及其相應的管理措施差異。城鎮日常生活產生的生活廢水與廢棄物，以及工業特別是造紙產生的工業廢水，農業生產中不同種植方式引起的有機肥和化肥使用量差異，均對研究區土壤有機碳水平及其空間異質性具有直接影響。

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(責任編輯 高 峻)

Influence of land use changes on soil organic carbon distribution in agricultural soils

YU Zhoulu1， QIU Lefeng2， LIN Lin1

(1.CollegeofEnvironmentandResourceScience，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China; 2.InstituteofRuralDevelopment，ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences，Hangzhou310021，China)

In the present study， geo-statistic method and GIS were combined to reveal the temporal and spatial variation characteristics of soil organic carbon (SOC) in 0-20 cm soil layer. It was shown that the mean SOC in Fuyang District was 17.3 g·kg-1in 1979 and 18.5 g·kg-1in 2006. Geo-statistical analysis indicated that SOC had a moderate spatial correlation. Different land use types had significantly influence on soil fertility levels. SOC content of different land use types decreased as vegetable land>forest land>paddy field>dry land>unused land>orchard. The main driving force of SOC variation in the study area was the management measures of different land use types. The treatment of wastewater， wastes， and use of manure and chemical fertilizers directly influenced SOC content in soil. These results could provide references for SOC management.

soil organic carbon; geo-statistics; temporal and spatial variation; land use

http://www.zjnyxb.cn虞舟魯，邱樂豐，林霖. 土地利用方式變化對農業土壤有機碳空間分布的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(5)： 806-811.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.05.17

2016-12-27

國家自然科學基金項目(41401595)

虞舟魯(1986—)，男，浙江舟山人，碩士，研究實習員，主要從事土地利用變化、地理信息技術應用等方面的研究。E-mail: yuzl@zju.edu.cn

S153.6+21

A

1004-1524(2017)05-0806-06

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(5): 806-811