土地利用方式和地形對半干旱區土壤有機碳含量的影響①

李 龍，秦富倉，姜麗娜，姚雪玲，王曉軍

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土地利用方式和地形對半干旱區土壤有機碳含量的影響①

李 龍1，秦富倉1，姜麗娜2，姚雪玲3，王曉軍4

(1 內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 100018；2中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091；3中國林業科學研究院荒漠化所，北京 100091；4 內蒙古天睿水土保持生態技術咨詢服務有限公司，內蒙古包頭 014030)

以內蒙古赤峰市敖漢旗為研究對象，以實地調查數據為基礎，結合土地利用方式與地形的變化，對敖漢旗0 ~ 100 cm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。結果表明，敖漢旗土壤有機碳含量在0 ~ 100 cm深度的土壤剖面內的變化范圍為0.23 ~ 20.71 g/kg，主要集中在40 cm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為：林地>農地>草地。土壤有機碳含量主要富集在高海拔區的平緩地段；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。

土壤有機碳；土壤深度；土地利用方式；地形因素

土壤碳庫作為陸地生態系統中最大的碳庫，其動態變化和儲量的分布不僅對土地質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系統碳循環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，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，Jobbágy和Jackson[6]研究表明，土壤碳庫中約59% 的土壤有機碳儲存在20 cm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系統的碳循環中扮演著重要角色。

敖漢旗土地利用方式復雜多樣，土壤有機碳在水平方向所表現出的空間變異是各種因素共同作用的結果，土壤有機碳的空間分布格局也直接反映了其土壤肥力的分布特征。而土壤有機碳的垂直分布則是準確評價該地區碳儲量的關鍵因素，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 ~ 100 cm深度內的土壤有機碳為研究對象，結合地形因素分析土地利用方式對土壤有機碳含量的影響，旨在為研究區土壤碳庫的評價和土地資源的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區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8 300 km2，總體地勢南高北低，地形起伏多變，海拔為300 ~ 1 250 m；年降水量在310 ~ 460 mm之間，降水自南向北遞減；年蒸發量2 000 ~ 2 600 mm，年平均氣溫為 6 ℃，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，地帶性植被以疏林草原為主，受區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，從南到北呈現出由森林和森林草原逐漸向干草原過渡的規律，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，屬于農牧交錯地帶，是以農為主，農牧林結合的經濟類型區(圖2)。其中，林地面積為3 945 km2，全旗形成帶網片、喬灌草相結合的防護林體系；耕地面積為1 776 km2，約占全旗面積的21.39%；研究區北部以旱作農業為主，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1 695 km2，占全旗面積的20.41%。

圖1 研究區土壤及采樣點分布示意圖

圖 2 研究區土地利用現狀圖

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 基于敖漢旗1:50 000地形圖和2014年8月的Landsat 8影像(30 m分辨率)等基本資料，于2014年8月對研究區進行采樣。沿敖漢旗東北向西南方向等間距布設6條樣線，貫穿全旗，相鄰兩條樣線間距為15 km，于每條樣線上等距離布設采樣的樣區，每個樣區規格均為5 km × 5 km，同一條樣帶上相鄰的兩個樣區間隔為13 km。研究樣區內的樣地布設采用人為選擇典型樣地法。充分考慮每個樣區內的不同植被類型、土壤類型、地貌特征等因素，盡量全面反映樣區的自然特征，每個樣區內選擇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。于每塊樣地內按“S”形布設4個樣點，相鄰兩樣點間隔3 ~ 5 m，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1.5 m，寬1.5 m，深1 m的土壤剖面，按照0 ~ 20，20 ~ 40，40 ~ 60，60 ~ 80，80 ~ 100 cm劃分5層，由下至上分層取樣，每層取3個重復，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，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]。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量的描述性統計分析

根據覆蓋整個敖漢旗的182個采樣點的實測數據，對研究區0 ~ 100 cm深度的土壤有機碳含量進行描述性統計分析(表1)。結果表明土壤有機碳含量在0 ~ 100 cm深度的土壤剖面內的變化范圍為0.23 ~ 20.71 g/kg；各土層內土壤有機碳平均含量變化范圍為4.47 ~ 7.49 g/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 ~ 20 cm深度開始，土壤深度每下降20 cm，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80 cm以下時，土壤有機碳含量的下降幅度最大。方差分析表明，0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤有機碳含量顯著高于40 cm深度以下的其他3層土壤有機碳含量(<0.05)，且土壤有機碳含量主要富集在0 ~ 40 cm深度的土壤中，占100 cm深度土壤剖面內有機碳含量的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的補給，因此土壤有機質大量富集在表層土壤中[9]。根據全國第二次土壤普查養分分級系統，將土壤有機質含量由高到低劃分為6個級別:Ⅰ(> 40 g/kg)、Ⅱ(30 ~ 40 g/kg)、Ⅲ(20 ~ 30 g/kg)、Ⅳ(10 ~ 20 g/kg)、Ⅴ(6 ~ 10 g/kg)、Ⅵ(< 6 g/kg)[10]。土壤有機質(SOM)=土壤有機碳(SOC)×1.724，由此可知，敖漢旗0 ~ 100 cm深度內各層土壤有機碳總體偏低，0 ~ 40 cm土壤深度內有機碳含量屬于Ⅳ級水平，而40 ~ 100 cm的3層土壤有機碳平均含量均屬于Ⅴ級水平。變異系數用以反映數據的離散程度，各深度土壤有機碳含量的變異系數相差不大，介于46.02% ~ 54.59%，根據Nielsen和Bouma[11]分級標準，均表現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為輕度的正向右偏態，0 ~ 20、40 ~ 60以及80 ~ 100 cm土壤有機碳含量近似正態分布，而20 ~ 40和60 ~ 80 cm土壤有機碳不服從正態分布，其偏度值較大，說明這兩層土壤有機碳含量平均數在眾數右側，表現為右偏的分布特征。

表1 不同土層深度內土壤有機碳含量的描述性統計

注：表中同列數據小寫字母不同表示不同土層間差異達到<0.05顯著水平。

2.2 土地利用方式對有機碳含量空間分布的影響

土地利用方式是帶有較強的目的性對土地進行改造、開發和保護，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出顯著的差異，土壤有機碳含量均表現為：林地>農地>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 ~ 40 cm深度的土壤范圍內，林地內有機碳含量顯著高于農地和草地(<0.05)，其含量約為農地和草地有機碳含量的1.3倍，而農地和草地在這一土壤深度內有機碳含量并未表現出顯著差異。40 ~ 60 cm土壤深度范圍內，農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出顯著差異。60 ~ 100 cm深度范圍內，各土地利用類型下有機碳含量差異顯著(<0.05)，且農地與草地在這一土壤深度內有機碳含量顯著下降。綜上所述，研究區內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 ~ 100 cm林地與農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，結合海拔和坡度對不同土地利用類型下0 ~ 100 cm深度土壤有機碳平均含量進行研究。由于敖漢旗林地、農地和草地在全旗范圍內分布廣泛，覆蓋不同海拔和坡度，因此本研究將海拔按照<600 m，600 ~ 900 m和>900 m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。

(圖柱上方小寫字母不同表示同一土壤深度不同土地利用方式間差異達到P<0.05顯著水平)

如圖4所示，林地土壤有機碳含量介于1.12 ~ 10.63 g/kg，平均含量為6.55 g/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，900 m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于900 m以下海拔上的土壤有機碳含量(<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(<0.05)。當坡度>10° 時，600 m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于600 m以下海拔的土壤有機碳含量(<0.05)。

(圖中上下虛線表示數據最大值與最小值；小寫字母不同表示在同一海拔下，不同坡度間土壤有機碳含量差異達到P<0.05顯著水平；大寫字母不同表示在同一坡度下，不同海拔分區之間土壤有機碳含量差異達到P<0.05顯著水平，下圖同)

在相同海拔上林地土壤有機碳含量整體均表現為隨著坡度的增加有機碳含量降低的特點。海拔在900 m以下時，坡度>15° 的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(<0.05)；當海拔在>900 m時，坡度<10° 的土壤有機碳含量顯著高于其他坡度(<0.05)。

2.2.2 農地土壤有機碳含量空間分布特征 如圖5所示，農地土壤有機碳含量在1.83 ~ 10.21 g/kg之間，平均含量為5.45 g/kg。海拔對農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(<0.05)；當坡度在5° ~ 10° 時，900 m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于900 m以下海拔的土壤有機碳含量(<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出顯著差異。

在相同海拔上農地土壤有機碳含量整體均表現為隨著坡度的增加有機碳含量降低的特點。海拔在900 m以下時，坡度>15° 的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(<0.05)；當海拔在>900 m時，坡度>10° 的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(<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 ~ 10.13 g/kg之間，其平均含量為4.90 g/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(<0.05)。當坡度>15° 時，900 m以上海拔的土壤有機碳含量顯著高于900 m以下海拔上的土壤有機碳含量(<0.05)。

在相同海拔上草地土壤有機碳含量總體表現為隨著坡度的增加有機碳含量降低的特點。海拔在600 m以下時，坡度<5° 的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(<0.05)；當海拔在600 ~ 900 m時，坡度5° ~ 10° 的土壤有機碳含量顯著高于其他坡度(<0.05)，同時，坡度>15° 的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(<0.05)；當海拔>900 m時，坡度>10° 的土壤有機碳含量顯著低于其他坡度(<0.05)。

圖5 不同地形上農地有機碳含量的分布特征

圖6 不同地形上草地有機碳含量的分布特征

3 討論

研究區0 ~ 100 cm深度各土層有機碳平均含量變化范圍為4.47 ~ 7.49 g/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(20.1 g/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，凋落物的質量、數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。研究區內林地分布廣泛，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定的林分結構，林下積累豐富的枯落層為土壤有機碳的累積提供來源；農地受到人為干預最為強烈，在人類活動的長期選擇作用下，大部分土壤肥力較高的優質土地被用于農業生產，受人為灌溉施肥等影響，農地的水肥條件要遠優于草地，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，在這一地區以沙生植被為主，覆蓋度低，且初級生產力遠低于其他土地，這就導致了這些草地生產力相對農地和林地較低，加之局部地區不合理放牧，羊群啃噬、踩踏嚴重，草地缺乏科學的管理而導致土壤中有機碳的累積也受到限制。

就小尺度上，同一土壤類型區的不同樹種下土壤有機碳的分布都表現出較大的差別[13]，在大空間尺度上，植被群落表現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，研究區的降雨量由南向北逐漸遞減，這也導致了在北部風沙土區常年干旱少雨，以沙地植被為主，而在雨水豐沛的南部地區，分布森林植被，有效地對土壤有機碳進行補給。

本研究發現敖漢旗土壤有機碳含量主要富集在0 ~ 40 cm深度的土壤中，占100 cm深度剖面內有機碳含量的47.80%，40 cm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。這一研究結果與王欣等[16]在該地區的研究結論相符，其他研究也普遍認為土壤有機碳的垂直分布規律表現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。

林地相對于農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 ~ 40 cm深度林地有機碳含量遠高于農地和草地。就農地而言，農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的供應也相對較少，其主要原因是農作物收獲后帶走了大量的有機物質(籽粒和秸稈)，導致土壤無法得到來自地表植被有機碳的補給。另一方面，農地在翻耕條件下，土壤有機質易于分解，有機碳循環過程得到促進，從而使有機質含量降低，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，很難在深層土壤內扎根，而農地耕作層深度一般在40 cm，對深層土壤的擾動也較弱，因此，深層土壤中農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輸送量，因此當土壤深度大于60 cm后，林地的有機碳含量明顯高于草地與農地。匡文濃等[20]研究指出群落優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達的荒漠植被上體現得較為明顯。王凱等[21]研究也發現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，土壤自身的垂直結構也是影響土壤有機碳垂直分布的關鍵因素之一。Turrión等[22]研究發現，土壤基巖類型是影響土壤發展和土壤肥力的關鍵因素，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，應繼續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，農地和草地土壤有機碳含量均集中在表層，對農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。

4 結論

敖漢旗土壤有機碳含量在0 ~ 100 cm深度的土壤剖面內的變化范圍為0.23 ~ 20.71 g/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 ~ 40 cm深度的土壤中，占100 cm深度剖面內有機碳含量的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為：林地>農地>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。

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Effects of Land Use Type and Terrain on Soil Organic Carbon (SOC) Content in Semi-arid Region

LI Long1, QIN Fucang1, JIANG Lina2, YAO Xueling3, WANG Xiaojun4

(1 College of Desert Control Science and Engineer, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2 Research Institute of Forestry New Technology, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 3Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 4 Inner Mongolia Tianrui Soil and Water Conservation Ecological Technology Consulting Services Co. LTD, Baotou, Inner Mongolia 014030, China)

In this study, Aohan county in Chifeng of Inner Mongolia was collected as the study area, the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) content at 0–100 cm was studied based on soil survey data and considering the changes of land use type and terrain in order to estimate carbon storage and to rationally use land resources. The results showed that SOC content was within 0.23–20.71 g/kg, SOC content was mainly concentrated in 0–40 cm soil, SOC content decreased gradually with increasing soil depth and SOC contents exhibited in an order of woodland > farmland > grassland. SOC was mainly stored in the flat area of high altitude. SOC content of different land use types were significantly reduced when slope>10°due to soil erosion.

Soil organic carbon; Soil depth; Land use type; Terrain

國家自然科學基金青年基金項目(41807079)資助。

李龍(1989—)，男，吉林樺甸人，博士，講師，主要研究方向為水土保持與荒漠化防治。E-mail: lilongdhr@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.027

S157.9

A