中國南方喀斯特地區SOC空間異質性及其對碳儲量估算的指示意義

李穎　劉秀明　周德全

摘要：土壤有機碳（soil organic carbon，簡稱SOC）作為土壤碳庫的重要組成部分，在地球表層碳循環中起著不可忽視的作用。SOC儲量的正確評估對研究全球環境變化和碳循環具有重要意義。喀斯特地區由于其特殊的地質背景和人類活動等因素，導致其土壤有機碳易于積累，有機碳含量較高，在全球碳循環中具有重要影響。通過文獻檢索收集近10年來已經公開發表的關于南方喀斯特地區土壤有機碳密度和儲量估算研究中的數據，總結分析南方喀斯特分布區的SOC空間分布特征，認為喀斯特地區SOC空間分布具有高度的空間異質性，并由此導致喀斯特地區的SOC儲量估算存在很大的不確定性。研究分析不同因素制約下的SOC的空間異質性特征，認為地質背景、土壤自身因素、人類活動等是影響土壤SOC空間異質性分布的主要原因。基于喀斯特SOC空間異質性的特征及影響因素，提出適合喀斯特地區土壤有機碳儲量估算的研究思路和方法，旨在為今后喀斯特地區SOC研究工作提供科學的支撐。

關鍵詞：喀斯特;土壤有機碳（SOC）空間異質性;影響因素;碳儲量

中圖分類號： S153.6;X144文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0256-09

隨著近十幾年來經濟的高速發展，我國同時成為全球能源消費和碳排放大國，不可避免地受到國際社會的廣泛關注，在國際碳減排外交談判工作中，我國面臨著前所未有的外交壓力和碳減排的任務。因此，進一步摸清我國的碳庫、碳排放和碳收支的情況，估算我國生態系統的碳匯能力，揭示碳生物地球化學循環及對氣候的響應機制，成為目前國家應對氣候變化和溫室氣體減排的長久之策。學術界認為，在全球生態系統的碳循環過程中，土壤有機碳（soil organic carbon，簡稱SOC）庫是其中重要組成部分，全球土壤碳儲量（約2 500 Pg）比大氣碳庫（約750 Pg）和陸地植被碳庫（約500～600 Pg）的總和還要高出很多[1-3]。其中，SOC儲量在1 395～2 200 Pg 之間[4-7]，占據了土壤總碳庫的1/2以上。SOC的損失對全球大氣CO2含量升高的貢獻率為30%～50%[8]，同時土壤有機碳含量及其動態平衡是反映土壤質量和土壤肥力的1個重要指數[9]。

我國幾乎各省份都有不同面積的石灰巖分布，出露地表的總面積約有130萬km2，約占全國總面積的13.5%，其中南方地區的石灰巖成片分布，面積達到90.7萬km2[10]，以滇、黔、桂為主要分布省份，形成全球三大典型喀斯特分布區域之一（圖1）。喀斯特區域是1個復雜的二元空間異質體結構[12-13]，它的土壤空間變異性很大。同時，喀斯特地區的地形地貌條件、水熱條件、植被立地條件、土壤發育條件以及強烈的巖溶作用等都不同于非喀斯特地區，因此喀斯特地區的SOC循環和空間分布具有獨特的特征[14-16]。加上研究方法的不同，使得南方喀斯特地區SOC密度和碳儲量的研究存在很大的不確定性。鑒于上述情況，本研究通過文獻檢索收集近10年來公開發表的關于南方喀斯特分布區土壤有機碳密度和碳儲量估算研究數據，并統計分析南方喀斯特地區的SOC空間分布特征，研究總結其影響機制及對土壤有機碳儲量估算的指示意義，最后對未來工作進行展望，旨在提出更加適合我國南方喀斯特地區土壤SOC儲量估算的方法和思路，為今后喀斯特地區土壤碳庫和碳平衡研究工作的開展提供科學支撐，為評估喀斯特生態系統的碳截留能力提供參考。

1南方喀斯特地區SOC空間分布特征

由有喀斯特分布的南方8省份SOC密度和碳儲量的空間分布情況（圖2）可知，不同省份的SOC密度和儲量都存在較大差異;同一省份，不同研究者的結果也存在很大出入。分析認為，不同地區間SOC空間分布差異是因為地形、氣候、植被、成土母質、土壤本身性質及人類活動等諸多因子都會對SOC密度及空間分布產生影響;而同一地區不同研究結果的不確定性主要是由不同研究者采用的數據源和研究方法不同導致的。喀斯特地區復雜的土壤環境和理化性質進一步加劇了土壤碳庫研究的不確定性，因此探清喀斯特地區影響SOC空間分布的主要因素，確立適合喀斯特地區的土壤有機碳儲量估算方法是目前準確預測喀斯特碳庫的首要任務。

2喀斯特地區SOC空間異質性的影響機制分析

2.1地質背景對SOC空間異質性的制約

在構造運動上，我國南方喀斯特地區主要受加里東運動和喜馬拉雅運動的影響，形成了西部地槽區、中部揚子準地臺區和東南部華南加里東地槽區[22]。在巖性上，以廣泛分布的深厚、古老的碳酸鹽巖（主要包括石灰巖和白云巖）為特色。在地質、氣候、水文、植被等的綜合影響下，以地層巖性為基礎，地質構造為主導，水動力為決定條件，形成了喀斯特地區復雜的組合地貌類型[23-24]。主要的喀斯特地貌類型有中高山、斷陷盆地、峰叢洼地、巖溶槽谷、巖溶峽谷、巖溶高原、峰林平原和溶丘洼地等[25]。由于強烈的巖溶作用，使得原本就破碎的地表更加破碎，在小尺度范圍內就形成了以出露整體基巖為主體構成的石面、石臺，以土體不連續構成的土面、石土面，以巖石溶蝕溝為主體的石槽、石溝，以巖石裂隙為主體的石縫，以巖層或巖石水平突出構成的石洞，以及以巖石溶蝕凹地為主體的石坑等小生境類型[26-27]。

2.1.1不同地貌單元下SOC的空間異質性

地貌單元的分布受控于構造運動、氣候、水文等因素，同時不同地貌單元所表現出來的區別之處也在于地質構造、水文水動力、氣候、植被以及土被覆蓋等方面。不同的地貌單元在各自水文水動力、氣候、植被和土壤類型等的長期共同作用下，形成了不同厚度、不同養分和不同質地的土被覆蓋，這就導致了不同地貌單元下SOC的空間分異。以SOC密度為例，不同地貌單元表層土壤（0～20 cm深）SOC密度存在很大的空間異質性。由圖3可知，不同地貌單元表層土壤SOC密度表現為喀斯特高原盆地>喀斯特斷陷盆地>喀斯特高原>喀斯特槽谷>峰叢洼地>喀斯特峽谷。喀斯特盆地SOC密度明顯高于其他地貌類型，這可能與盆地地貌單元內更有利于有機物質的沉積與集聚有關。

2.1.2巖性制約下SOC的空間異質性

喀斯特地區典型的特征之一就是廣布的碳酸鹽巖，喀斯特地區的成土速率與喀斯特發育的物質基礎，即碳酸鹽巖沉積建造中的酸不溶物含量密切相關[31]。我國南方地區的土壤與基巖之間具有繼承性的關系[32]，所以巖石巖性不僅影響土壤的成土速率，對于土壤中的元素及物質的含量也有很大的影響。不同巖性下的成土母質是影響土壤類型的重要因素，成土母質的差異往往是土壤分異的主要原因[33]。

通過對貴州省普定縣后寨河流域SOC含量和密度的空間分布特征（圖4）分析認為，發育土壤的母巖巖性差異對土壤SOC的空間分布存在明顯的制約作用。不同巖性發育的土壤表層和剖面的SOC含量變化趨勢一致：石灰巖>白云 巖> 泥灰巖>第四紀黃黏土>砂頁巖，且差異明顯;不同巖性發育的土壤表層和剖面的SOC密度則存在不同變化趨勢，表層SOC密度表現為石灰巖>白云巖>泥灰巖>第四紀黃黏土>砂頁巖，且石灰巖和白云巖發育的土壤SOC密度相差不大;剖面SOC密度表現為第四紀黃黏土>砂頁巖>泥灰巖>白云巖>石灰巖，出現表層SOC密度和剖面密度差異的原因可能與不同巖性發育的土壤土層厚度有關，第四紀黃黏土發育的土壤土層厚度最大，而石灰巖發育的土壤土層厚度最薄。

2.1.3地形因素制約下SOC的空間異質性

地形因素主要包含海拔高度、坡位、坡向、坡度等因子。地形因素主要通過影響水熱分布及過程、植被及微生物的生長、土地管理利用方式等來影響土壤碳含量和空間分布。邱虎森等以貴州省清鎮市王家寨為試驗場，通過協方差分析證明，海拔高度對SOC的方差貢獻率為53.946*，達到了顯著影響水平（P<0.05）[35]。對貴州省普定縣、云南省和湖南省的土壤SOC研究結果（圖5）表明，海拔越高，土壤表層的SOC密度總體上越大，土壤SOC含量也越高;但普定縣的剖面土SOC密度隨海拔高度的增加呈現出先增加后減少的趨勢，分析認為，出現這種情況的原因是隨著海拔高度的增加，土壤厚度變薄，導致剖面SOC密度減小。

有研究結果證明，不同坡位SOC含量大小表現為上坡>坡 頂> 中坡>下坡>坡腳>洼地[34]，分析認為，上坡、中坡和坡頂處多為林地，植被覆蓋度高，有機物質輸入豐富，且人為干擾度小，有利于有機質的貯存，而坡腳和洼地等處多為農用地，植被覆蓋度小，人為干擾多，不利于有機物質的貯存。不同坡向的SOC含量表現為南坡>北坡>西坡>東坡>無坡向;不同坡度的SOC含量及SOC密度大致隨坡度增大而增加[34，37]。分析認為，坡向和坡度對于SOC含量的制約機制和坡位相似，都是通過土壤厚度、植被覆蓋度、有機物質輸入量以及人為干擾程度來制約和影響SOC的貯存。喀斯特峰叢洼地區域存在典型的“養分倒置”規律，所以，在研究喀斯特峰叢洼地景觀單元的土壤有機碳分布特征時，須考慮不同坡位土壤有機碳的異質性[38]。受研究區特殊地形以及在此基礎上土地利用結構的影響，SOC在洼地短軸方向的變異程度大于長軸方向，表現出明顯的帶狀各向異性特征[39]。

2.2土壤本身因素對SOC空間異質性的制約

我國南方喀斯特地區的土壤類型分布既有地帶性的紅壤、黃壤和黃棕壤，也有非地帶性的石灰土、粗骨土、紫色土、山地草甸土、水稻土等。土壤類型對SOC的影響一方面體現在成土母質背景有機質含量有所不同，另一方面體現在土壤自身的理化性質影響有機碳的含量[40]。

2.2.1南方喀斯特地區不同土壤類型SOC空間分布特征

以云南、廣西、貴州和重慶等省份的不同土壤類型表層SOC密度（圖6）為例，從趨勢線走勢可知，不同土壤類型間SOC密度分布具有很大的異質性，大小順序整體表現為暗棕壤>山地草甸土>棕壤>黃棕壤>石灰土>黃壤>水稻土>紅壤>赤紅壤>磚紅壤>紫色土>粗骨土。分析認為，其原因可能與不同土壤發育的環境條件和土壤自身的理化性質有關，暗棕壤主要發育在溫暖濕潤的混交林下，大量的有機物質歸還土壤，微酸性環境又可以抑制微生物的活動，凋落物分解緩慢，因此它的表層土壤SOC含量高于其他土類。紫色土區域由于農業開發較早，加上植被稀疏，水土流失嚴重，使得SOC含量較低。而粗骨土由于發育地形的原因，水土侵蝕嚴重，土壤有機質流失嚴重，導致SOC含量較少[43]。對柱狀圖（圖6）分析可知，同一種土壤類型的SOC密度也存在很大的地區差異性。在SOC儲量估算過程中，既要考慮土壤類型的異質性也要考慮區域空間異質性。

[FK（W12][TPLY6.tif]

2.2.2土壤理化性質對SOC空間分布的影響

土壤理化性質主要包括土壤容重、礫石含量、厚度、結構和質地等。土壤理化性質在局部范圍內影響SOC的含量[44]。通過土壤理化性質與SOC含量的相關性分析可知，全氮含量、水解氮含量、速效鉀含量、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田間持水量、上層滲透性等在α=0.01水平上與SOC含量呈顯著正相關關系;而容重與SOC含量在α=0.01水平上呈顯著負相關關系;全磷含量、下層滲透性與SOC含量在α=0.05水平上呈顯著正相關關系（表1）。有研究認為，土壤SOC的穩定性受到土壤金屬氧化物、黏粒含量以及黏土礦物種類等的影響[45-46]。土壤交換性Ca2+是喀斯特地區SOC的主要控制因素[47]，有機質腐殖化后的胡敏酸易與Ca2+形成能穩定土壤有機質的胡敏酸鈣，從而有利于土壤有機質的積累[48-49]。土壤的結構和質地可以通過影響土壤的容重和土壤的干濕度、松緊度等來影響SOC的含量及碳密度。喀斯特地區不同粒徑顆粒的土壤中SOC含量差異明顯，表現為砂粒>粉砂粒>黏粒[37，50]。土壤團聚體結構與SOC之間存在著密切的關系，不同粒級大小團聚體的有機碳性質存在差異[51]。Jastrow等研究認為，微團聚體中SOC比大團聚體中SOC形成時間更早，大團聚體比微團聚體中有機碳含量多[52]。

土壤的容重、厚度、礫石含量、有機質含量等均是在估算SOC儲量中必不可少的屬性因子，因此，我國南方喀斯特地區SOC儲量估算研究離不開對土壤因素的考慮，只有在探清土壤類型和土壤理化性質對喀斯特地區土壤SOC空間異質性的影響關系時，才能準確地估算出喀斯特地區的SOC儲量。

2.3人類活動對SOC空間異質性的制約

人類活動對土壤SOC的影響主要表現在通過改變土地利用方式或者施用化肥農藥以及過度開墾利用導致的石漠化，影響土壤SOC的排放和增匯效應，進而增加或者減少土壤SOC的含量，改變其空間分布。日益增強的土地利用加速土壤碳呼吸，導致動植物殘體和有機碳分解增強，土壤儲存碳大量減少，通過水土、大氣輸出成為重要碳源[53]。在喀斯特地區，林地、灌木林地、草地不僅具有保持土壤有機碳的功能，而且可以提高土壤CO2濃度，降低pH值，加快碳酸巖鹽的溶蝕反應，而當這些土地利用類型發生變化后，土壤碳含量就會降低，pH值增高[22，54]。

2.3.1土地利用方式對SOC蓄積量的影響

人類活動對SOC蓄積量的影響遠超過自然變化，其中，土地利用變化導致陸地生態系統碳元素的釋放是大氣CO2濃度不斷升高的主要原因之一[55]。土地利用方式的變化會直接影響SOC的含量和分布，同時通過影響與SOC形成和轉換有關的環節間接影響SOC分布[56]，此外，土地利用變化可通過改變土壤有機質的分解速率來影響SOC蓄積量。從南方喀斯特幾個代表區域的研究結果（圖7）可知，不同土地利用方式下土壤SOC含量差異很大，不同研究區之間也存在差異。廣西桂林不同土地利用方式下SOC含量依次為水田>棄耕地>旱地>園地>林地>易澇地>草地，重慶金佛山的研究結果為竹林>耕地>林地>草地>灌草，貴州普定的研究結果為水田>灌草>退耕15年草叢>旱地>退耕3年草叢，貴州晴隆地區為次生 林> 人工林>灌草>草地>水田>旱地。桂林和普定地區的水田SOC含量高于旱地及其他土地利用類型，原因可能是水田長期處于濕潤環境，減少了SOC的礦化分解，加上有機物輸入充足，從而有利于SOC的累積[61]。晴隆地區次生林、人工林的SOC含量較高，主要是由于林地凋落物較多，同時樹木有大量根系的脫落物和分泌物，有機質易于積累。

2.3.2人類干擾對SOC空間分布的影響

在人為干擾對喀斯特地區植被多樣性和土壤養分的影響研究中，有人認為，人為干擾會增加土壤容重、降低土壤含水量、增加PH值，使得土壤碳含量降低[62]。人類干擾一般包括土地利用方式的人為改變、農業化肥施用、退耕還林以及其他形式的人為干擾等。不同的農業管理措施對土壤固碳的影響主要通過對土壤微團聚體更新與轉化的改變，使有機碳的保護機制發生變化實現[63]。

農業化肥施用一方面可以提高農作物的產量，另一方面會影響土壤微生物和土壤酶的活性，進而影響土壤中有機質的礦化和土壤養分的有效性[64]，所以化肥施用必然會影響農田土壤SOC的含量和空間分布。有學者認為，施肥能夠使得土壤SOC含量增加4.71%～34.84%，其中施用有機肥可以使SOC含量增加6.24%～20.08%[65]。施用有機肥顯著提高了土壤剖面有機碳儲量，長期耕作及施用有機肥在增加土壤剖面SOC儲量方面具有突出效應[66]。不同施肥方式影響喀斯特地區農田SOC含量變化趨勢，且在施用有機肥后，第2季農田土壤SOC含量顯著高于第1季，說明有機肥的連續施用能夠顯著增加土壤SOC含量[67]。農業灌溉同樣會影響土壤SOC的含量和空間分布，有研究認為，農田水分變化對SOC含量存在增加、降低或不顯著影響等多種可能，不同氣候、土壤類型下灌溉對土壤SOC含量變化存在明顯不同[68]。

喀斯特地區原本脆弱的生態環境加上越來越頻繁的人類活動，導致了喀斯特地區生態環境的嚴重退化和嚴重的人口貧困問題。因此在國家政策的推動下，近年來，我國南方喀斯特地區普遍實行了退耕還林的生態保護措施。與耕地相比，退耕還林明顯提高了SOC質量分數和密度（P<0.05），SOC密度表現為退耕還林地大于耕地，同時退耕還林還提高了土壤碳庫管理水平[69]。廣西毛南縣典型喀斯特峰叢洼地區的研究結果為，退耕地SOC含量（75.5 g/kg）顯著高于坡耕地（15.1 g/kg）;半變異函數分析結果為，退耕地基臺值（521.7）是坡耕地（25.7）的20.3倍，證明退耕還林能顯著提高SOC累積量，且退耕地SOC空間異質性遠大于坡耕地[70]。

2.3.3石漠化對SOC空間分布的影響

石漠化是指在熱帶、亞熱帶濕潤、半濕潤氣候條件和巖溶極其發育的自然背景下，受人為活動干擾，使地表植被遭受破壞，導致土壤嚴重流失，基巖大面積裸露或礫石堆積的土地退化現象，是巖溶地區土地退化的極端形式[71]。喀斯特充分發育的南方地區也是石漠化發生的重災區，而石漠化的程度和石漠化過程對喀斯特地區的SOC儲量和碳密度具有不可忽視的影響作用。貴州石漠化地區的研究結果（圖8）表明，隨著石漠化程度的加深，土壤有機碳含量和密度均有減少的趨勢，尤其是在石漠化初期，SOC含量和密度降幅較大。有研究認為，SOC儲量隨石漠化程度加劇而急劇降低，且集中存儲在土壤表層，任何水土流失情況都會導致SOC儲量的減少[74]。另有研究發現，石漠化程度從輕度到中度的發展過程中，土壤厚度、土壤覆蓋度同樣呈現顯著下降趨勢，而且在石漠化發展后期的下降程度更為明顯[75]。喀斯特地區土壤有機碳分組測試結果表明，隨著石漠化程度增加，輕組有機碳、重組有機碳、可礦化碳、土壤微生物生物量碳和總有機碳含量均呈下降趨勢，且輕組有機碳占總有機碳的比例也有減少趨勢[72，76]。

石漠化直接導致喀斯特地區土層變薄，大面積的裸巖出露，土被覆蓋呈現不連續、碎片化，因此在小空間尺度上，巖石裸露率是影響SOC空間分布的重要因子[28]。巖石裸露率關系到實際的土壤分布面積，土壤厚度關系到土壤剖面SOC密度，因此，在喀斯特地區的SOC儲量估算中，巖石裸露率和土層實際厚度是不容忽視的2個因子。

2.4環境因素對SOC空間異質性的制約

環境因素主要是指海拔、經緯度等自然地理因素和降水量、氣溫等氣候因素，其中，海拔和經緯度對SOC空間分布的制約也主要反映在通過控制降水和氣溫等因素上。滇黔桂地區的研究結果表明，環境因子對SOC密度的變異性解釋能力大于20%，是影響表層和剖面土壤SOC密度的主要因子，通過建立通徑模型（圖9）可以反映各環境因素對SOC密度的制約關系[41]。

氣候因素在SOC蓄積及消耗過程中起著非常重要的作用，其中降水量和氣溫是主要的影響因子[77]，云南省SOC密度與溫度、降水量的相關系數分別達到0.858 3、0.552 5，湖南省的SOC密度與溫度、降水量的相關系數分別為0.618 8、0.689 5（圖10）。降水量對土壤微生物的活性和有機質轉換產生影響，降水量在一定范圍內時，土壤水分可促進微生物的活性，但降水量過多，會導致土壤通氣不良，抑制微生物活性，有機質分解速度緩慢，有利于有機碳的積累[36]。氣溫會對微生物和植物的初級凈生產力同時產生影響，氣溫的變化可導致SOC的釋放量發生變動[78]，氣溫升高，土壤微生物活動增加，有機質分解速率加快，SOC含量降低，反之亦然[79]。但研究區域不同，不同環境因素對SOC的制約作用也不同，湖南省的研究結果表明，氣候因素不是影響SOC密度空間分布的主要因子[21]。而在云南省，降水量和氣溫都顯著影響SOC密度空間分布，并且不同降雨帶和不同溫度帶對于SOC密度空間分布的制約力不同[36]，廣西SOC密度與年均溫、經緯度、海拔等環境因素均存在顯著的相關性（P<0.01）[80]。

3總結與展望

3.1喀斯特土壤SOC空間異質性對碳儲量估算的指示意義

高度的空間異質性是喀斯特地區土壤碳庫研究中的一大難題，喀斯特地區地形地貌復雜、巖溶作用強烈等，導致土壤的空間異質性遠比非喀斯特地區高。由石灰巖、白云巖和含有其他雜質的碳酸鹽巖發育而來的喀斯特土壤，其土體連續性差、土層淺薄，有大面積的裸巖分布，土壤的剖面形態、理化性質等都不同于地帶性土壤[81-82]。喀斯特地區土壤高度的空間異質性決定了非喀斯特地區碳儲量和碳密度的估算方法并不適用于喀斯特地區[83]。同時，由于喀斯特地區特殊的地質和氣候環境，使得該地區生態系統抗干擾能力弱、穩定性差、自我調節能力低，加上土壤基巖出露、土壤存量少、分布不連續、地貌類型復雜等原因，導致喀斯特土壤有機碳儲量估算存在許多的不確定性因素[84-85]。目前，有些研究者根據喀斯特地區土壤的特點，對已有的土壤研究方法進行了改進，例如有研究者將裸巖的空間分布考慮在喀斯特地區土壤碳儲量的研究中[74，86]。也有學者對喀斯特地區的土樣采集方法進行了改進，如王世杰等認為，喀斯特土壤有機碳的空間異質性和代表性土樣采集方法應以小生境面積為權重確定樣地土壤樣品組成[87]。

在對喀斯特地區土壤有機碳儲量進行估算時，雖然已經有學者將巖石裸露率、土壤厚度等指標考慮在內[88-89]，但基本上均未考慮影響SOC儲量估算的礫石含量和估算中其他指標的影響程度[84]。因此，目前確立1套適用于喀斯特地區SOC儲量估算的研究方法是準確估算喀斯特土壤SOC儲量的前提條件。

3.2我國南方喀斯特地區SOC儲量研究展望

傳統的SOC儲量估算方法主要有土壤類型法、土地利用類型法、生命帶類型法、地理信息系統（GIS）估算法、模型法等[90-91]，各估算方法本質上一致，但限于數據獲取的質量和來源，傳統方法中有一些不適用于喀斯特地區。以應用范圍最廣的土壤類型法為例，根據喀斯特地區土壤空間異質性的特征，可對土壤類型法進行適當改進。

3.2.1基于地貌單元對土壤空間異質性制約的土壤類型法的改進

因地貌單元對SOC含量的空間分布有很大影響，所以在對南方喀斯特地區SOC估算時，首先按照中高山、巖溶斷陷盆地、巖溶高原、巖溶峽谷、峰叢洼地、巖溶槽谷、峰林平原和溶丘洼地等八大地貌類型[92]進行區域劃分，再對不同地貌類型內進行土壤類型的劃分，即基于地貌類型劃分的土壤類型法。

3.2.2基于地形坡度因素對土壤類型法的再改進

坡度大小對土地利用類型、水土分配、土壤養分分配、土壤理化性質等都有很大影響，南方喀斯特中心地區貴州省坡度大于6°的面積占84%左右，因此，有必要根據坡度等級進一步精確劃分SOC空間分布特征，以準確估算SOC儲量。

3.2.3改進SOC儲量估算基本公式

傳統的非喀斯特地區SOC密度計算公式為

SOCDi=Csoci ρiHi/10。（1）

式中：SOCDi表示第i類土壤的有機碳密度，kg/m2;CSOCi表示第i類土壤的有機碳含量，%;ρi表示第i類土壤的容重，g/cm3;Hi表示第i類土壤的厚度，一般表層取20 cm，剖面取100 cm;10為單位轉換系數。

傳統的非喀斯特地區SOC儲量計算公式為

SOCSi=SOCDi×Si×1 000。（2）

式中：SOCSi表示第i類土壤的有機碳儲量，t;Si表示第i類土壤的面積，km2;1 000為單位轉換系數。

喀斯特地區土壤空間異質性大，土壤有機碳含量、土層厚度、容重等指標空間變異性很大。因此，喀斯特地區的土壤有機碳密度須要先分層計算，再求和。此外，由于大部分喀斯特地區土層薄，土壤厚度不足100 cm，甚至一些坡地上土壤平均厚度僅為4.28 cm[93]，嚴重低于100 cm，所以利用原公式計算的土壤剖面有機碳密度將遠大于實際碳密度。因此，在對南方喀斯特地區SOC密度進行計算時，土壤剖面厚度（H）取實際土壤厚度值。喀斯特地區土壤中多含有粒徑大于2 mm的石礫，會使得單位體積內土壤的含量減少，因此在計算碳密度時應去除粒徑大于2 mm的石礫含量。改進后的土壤有機碳密度計算公式如下：

SOCD′ij=CsocijρijHij（1-εij）/10;（3）

SOCD′i=∑mj=1CsocijρijHij（1-εij）/10。（4）

式中：SOCD′ij表示第i類土壤的第j層有機碳密度，kg/m2;Csocij表示第i類土壤的第j層有機碳含量，%;ρij表示第i類土壤的第j層土壤容重，g/cm3;Hij表示第i類土壤的第j層土壤厚度，取實際厚度值，cm;SOCD′i代表第i類土壤的有機碳密度，kg/m2;10為單位轉換系數。

喀斯特地區由于石漠化原因導致的巖石裸露面積十分廣泛，土壤覆蓋度較低。因此在估算土壤有機碳儲量時，應將巖石裸露率考慮在內。基于此對土壤有機碳儲量計算公式進行改進，計算公式如下：

SOCS′i=SOCD′i×Si×（1-δi）×1 000;（5）

SOCS′=∑ni=1SOCS′i。（6）

式中：SOCS′i表示第i類土壤有機碳儲量，t;Si表示第i類土壤分布面積，km2;δi表示第i類土壤分布區域的巖石裸露率，%;SOCS′表示總的土壤有機碳儲量，t。

參考文獻：

[1]Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soils[J]. Nature，1990，348（6298）：232-234.

[2]Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science，2004，304（5677）：1623-1627.

[3]蘇永中，趙哈林. 土壤有機碳儲量、影響因素及其環境效應的研究進展[J]. 中國沙漠，2002，22（3）：220-228.

[4]Eswaran H，Berg E V D，Reich P. Organic carbon in soils of the word[J]. Soil Sci Soc Am J，1993，90（4）：192-194.

[5]Post W M，Emanuel W R，Zinke P J，et al. Soil carbon pools and world life zones[J]. Nature，1982，298（5870）：156-159.

[6]Bohn H L. Estimate of organic carbon in world soils[J]. Soil Sci Soc Am J，1976，40（3）：468-470.

[7]Batjes N H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world[J]. European Journal of Soil Science，2014，65（1）：10-21.

[8]IPCC. In：climate change：the IPCC scientific assessment[R]. Cambridge，UK：Cambridge University Press，1990：81.

[9]Tiessen H，Cuevas E，Chacon P. The role of soil organic matter in sustaining soil fertility[J]. Nature，1994，371（6500）：783-785.

[10]Wang S J，Liu Q M，Zhang D F. Karst rocky desertification in southwestern China：geomorphology，landuse，impact and rehabilitation[J]. Land Degradation & Development，2004，15（2）：115-121.

[11]Cao J H，Yuan D X，Tong L Q，et al. An overview of karst ecosystem in southwest China：current state and future management[J]. J Resour Ecol，2015，6（4）：247-256.

[12]尹亮，崔明，周金星，等. 巖溶高原地區小流域土壤厚度的空間變異特征[J]. 中國水土保持科學，2013，11（1）：51-58.

[13]Zhou Y C，Wang S J，Lu H，et al. Forest soil heterogeneity and soil sampling protocols on limestone outcrops：example from SW China[J]. Acta carsologica，2010，39（1）：115-122.

[14]Chen W，Zheng H，Zhang W，et al. Effects of land cover on soil organic Carbon stock in a karst landscape with discontinuous soil distribution[J]. Journal of Mountain Science，2014，11（3）：774-781.

[15]Liu T Z，Liu C Q，Lang Y C，et al. Dissolved organic carbon and its carbon isotope compositions in hill slope soils of the karst area of southwest China：implications for carbon dynamics in limestone soil[J]. Geochemical Journal，2014，48（3）：277-285.

[16]Li L Q，Wang D，Liu X Y，et al. Soil organic carbon fractions and microbial community and functions under changes in vegetation：a case of vegetation succession in karst forest[J]. Environmental Earth Sciences，2014，71（8）：3727-3735.

[17]Li Z P，Han F X，Su Y，et al. Assessment of soil organic and carbonate carbon storage in China[J]. Geoderma，2007，138（1/2）：119-126.

[18]包承宇，曾和平，張夢妍，等. 云南省土壤有機碳儲量估算及空間分布[J]. 水土保持通報，2014，34（6）：260-266.

[19]倪九派，袁道先，謝德體，等. 重慶巖溶區土壤有機碳庫的估算及其空間分布特征[J]. 生態學報，2009，29（11）：6292-6301.

[20]黃雪夏，倪九派，高明，等. 重慶市土壤有機碳庫的估算及其空間分布特征[J]. 水土保持學報，2005，19（1）：54-58.

[21]陳仕棟. 湖南省土壤有機碳密度、儲量的空間分布格局及其影響因子分析[D]. 長沙：中南林業科技大學，2011.

[22]曹建華，袁道先，章程，等. 受地質條件制約的中國西南巖溶生態系統[J]. 地球與環境，2004，32（1）：1-8.

[23]袁道先. 中國巖溶學[M]. 北京：地質出版社，1994.

[24]沈繼方，李焰云，徐瑞春，等. 清江流域巖溶研究[M]. 北京：地質出版社，1996.

[25]王世杰，張信寶，白曉永. 南方喀斯特石漠化分區的名稱商榷與環境特點[J]. 山地學報，2013，31（1）：18-24.

[26]周運超，王世杰，盧紅梅. 喀斯特石漠化過程中土壤的空間分布[J]. 地球與環境，2010，38（1）：1-7.

[27]周游游，黎樹式，黃天放. 我國喀斯特森林生態系統的特征及其保護利用——以西南地區茂蘭、木論、弄崗典型喀斯特森林區為例[J]. 廣西師范學院學報（自然科學版），2003，20（3）：1-7.

[28]周文龍，熊康寧，龍健，等. 喀斯特石漠化綜合治理區表層土壤有機碳密度特征及區域差異[J]. 土壤通報，2011，42（5）：1131-1137.

[29]鐘銀星. 印江槽谷型喀斯特石漠化地區不同生態系統碳貯量及固碳機制[D]. 貴陽：貴州大學，2013.

[30]宋希娟，王克林，劉淑娟，等. 桂西北喀斯特地區不同土地利用方式土壤的有機碳含量及養分特征[J]. 湖南農業大學學報（自然科學版），2013，39（6）：655-659.

[31]李瑞玲. 貴州巖溶地區土地石漠化形成的自然背景及其空間地域分異[D]. 貴陽：中國科學院地球化學研究所，2004.

[32]王世杰，季宏兵，歐陽自遠，等. 碳酸鹽巖風化成土作用的初步研究[J]. 中國科學（D輯），1999，29（5）：441-449.

[33]王深法，王人潮，吳玉衛. 成土母質的概念及其分類——浙江省成土母質類型劃分[J]. 浙江農業大學學報，1989，15（4）：389-395.

[34]李會. 喀斯特小流域土壤有機碳空間分布及影響因素研究[D]. 貴陽：貴州大學，2016.

[35]邱虎森，蘇以榮，陳香碧，等. 喀斯特高原典型小流域土壤有機碳及其組分的分布特征[J]. 農業環境科學學報，2012，31（10）：1956-1964.

[36]包承宇. 云南省土壤有機碳儲量估算及空間分布分析[D]. 昆明：昆明理工大學，2014.

[37]田瀟. 普定后寨河流域土壤有機碳儲量估算[D]. 貴陽：貴州大學，2015.

[38]夏銀行，黎蕾，陳香碧，等. 基于探地雷達技術估算喀斯特峰叢洼地不同坡位土壤有機碳密度的方法[J]. 農業環境科學學報，2015，34（5）：920-927.

[39]張偉，陳洪松，王克林，等. 種植方式和裸巖率對喀斯特洼地土壤養分空間分異特征的影響[J]. 應用生態學報，2007，18（7）：1459-1463.

[40]宋莎，李廷軒，王永東，等. 縣域農田土壤有機質空間變異及其影響因素分析[J]. 土壤，2011，43（1）：44-49.

[41]張勇，史學正，趙永存，等. 滇黔桂地區土壤有機碳儲量與影響因素研究[J]. 環境科學，2008，29（8）：2314-2319.

[42]陳曦. 廣西土壤有機碳儲量估算及與全國部分省區的比較研究[J]. 地理科學，2014，34（10）：1247-1253.

[43]全國土壤普查辦公室. 中國土壤[M]. 北京：中國農業出版社，1998.

[44]高巖紅. 普定縣農田土壤有機碳庫演變特征及影響因素研究[D]. 重慶：西南大學，2014.

[45]王霖嬌，盛茂銀，李瑞. 中國南方喀斯特石漠化演替過程中土壤有機碳的響應及其影響因素分析[J]. 生態科學，2016，35（1）：47-55.

[46]吳燕飛，季宏兵，褚華碩，等. 黔東南施秉白云巖上覆土壤剖面理化特征與土壤有機碳含量關系研究[J]. 地球與環境，2017，45（3）：267-276.

[47]張偉，劉淑娟，葉瑩瑩，等. 典型喀斯特林地土壤養分空間變異的影響因素[J]. 農業工程學報，2013，29（1）：93-101.

[48]李龍波，劉濤澤，李曉東，等. 貴州喀斯特地區典型土壤有機碳垂直分布特征及其同位素組成[J]. 生態學雜志，2012，31（2）：241-247.

[49]邸欣月，安顯金，董慧，等. 貴州喀斯特區域土壤有機質的分布與演化特征[J]. 地球與環境，2015，43（6）：697-708.

[50]廖洪凱，龍健. 喀斯特山區不同植被類型土壤有機碳的變化[J]. 應用生態學報，2011，22（9）：2253-2258.

[51]彭新華，張斌，趙其國. 土壤有機碳庫與土壤結構穩定性關系的研究進展[J]. 土壤學報，2004，41（4）：618-623.

[52]Jastrow J D，Boutton T W，Miller R M. Carbon dynamics of aggregateassociated organic matter estimated by carbon-13 ?natural ?abundance[J]. Soil Sci Soc Am J，1996，60（30）：801-807.

[53]曲建升，孫成權，張志強，等. 全球變化科學中的碳循環研究進展與趨向[J]. 地球科學進展，2003，18（6）：980-987.

[54]Houghton R A，Skole D L，Lefkowiz D S. Change in the landscape of Latin America between 1850 and 1985：Ⅱ. Net release of CO2 to the atmosphere[J]. Forest Ecology and Management，1991，38（3/4）：173-199.

[55]李正才. 土地利用變化對土壤有機碳的影響[D]. 北京：中國林業科學研究院，2006.

[56]王艷芬，陳佐忠，Tieszen L T. 人類活動對錫林郭勒地區主要草原土壤有機碳分布的影響[J]. 植物生態學報，1998，22（6）：545-551.

[57]陳曦，彭穩，曹建華. 典型峰林平原土壤有機碳儲量和分布特征研究[J]. 科技通報，2012，28（2）：167-173.

[58]章程. 典型巖溶泉流域不同土地利用方式土壤營養元素形態及其影響因素[J]. 水土保持學報，2009，23（4）：165-169，199.

[59]張文娟，廖洪凱，龍健，等. 貴州喀斯特山區土地利用對土壤有機碳及其周轉速率的影響[J]. 生態學雜志，2014，33（5）：1297-1303.

[60]譚秋錦，宋同清，彭晚霞，等. 西南峽谷型喀斯特不同生態系統的碳格局[J]. 生態學報，2014，34（19）：5579-5588.

[61]Liao Q L，Zhang X H，Li Z P，et al. Increase in soil organic carbon stock over the last two decades in Chinas Jiangsu Province[J]. Global Change Biology，2009，15（4）：861-875.

[62]李勝平，王克林. 人為干擾對桂西北喀斯特山地植被多樣性及土壤養分分布的影響[J]. 水土保持研究，2016，23（5）：20-27.

[63]潘根興，周萍，李戀卿，等. 固碳土壤學的核心科學問題與研究進展[J]. 土壤學報，2007，44（2）：327-337.

[64]郭永清. 云南干熱河谷膏桐人工林生態系統碳庫特征[D]. 南京：南京林業大學，2010.

[65]趙海超. 農作措施對春玉米農田土壤有機碳影響機制研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2013.[HJ1.62mm]

[66]周建斌，王春陽，梁斌，等. 長期耕種土壤剖面累積有機碳量的空間分布及影響因素[J]. 農業環境科學學報，2009，28（12）：2540-2544.

[67]張亞杰，鄧少虹，李伏生，等. 喀斯特地區春玉米套作夏大豆下作物產量和農田碳貯量對有機肥與化肥配施的響應[J]. 南方農業學報，2015，46（9）：1584-1590.

[68]齊玉春，郭樹芳，董云社，等. 灌溉對農田溫室效應貢獻及土壤碳儲量影響研究進展[J]. 中國農業科學，2014，47（9）：1764-1773.

[69]唐夫凱，周金星，崔明，等. 典型巖溶區不同退耕還林地對土壤有機碳和氮素積累的影響[J]. 北京林業大學學報，2014，36（2）：44-50.

[70]吳敏，劉淑娟，葉瑩瑩，等. 喀斯特地區坡耕地與退耕地土壤有機碳空間異質性及其影響因素[J]. 生態學報，2016，36（6）：1619-1627.

[71]國家林業局. 中國石漠化狀況公報[EB/OL]. （2012-06-15）[2017-11-22]. http：//www.forestry.gov.cn//uploadfile/main/2012-6/file/2012-6-15-147e8ffa780643d68d6126b67 ae60d7b.

[72]李孝良，陳效民，周煉川，等. 貴州省喀斯特地區石漠化土壤有機碳和全氮變異特征[J]. 南京農業大學學報，2010，33（4）：75-80.

[73]郭紅艷，崔明，周金星，等. 貴州巖溶峽谷區石漠化對土壤碳庫的影響[J]. 林業科學研究，2014，27（6）：822-829.

[74]閆俊華，周傳艷，文安邦，等. 貴州喀斯特石漠化過程中的土壤有機碳與容重關系[J]. 熱帶亞熱帶植物學報，2011，19（3）：273-278.

[75]魏興琥，李森，羅紅波，等. 粵北石漠化過程土壤與植被變化及其相關性研究[J]. 地理科學，2008，28（5）：662-666.

[76]盧紅梅，王世杰. 喀斯特石漠化過程對土壤活性有機碳的影響[J]. 水土保持通報，2009，29（1）：12-17.

[77]Singh S K，Singh A K，Sharma B K，et al. Carbon stock and organic carbon dynamics in soils of Rajasthan，India[J]. Journal of Arid Environments，2007，68（3）：408-421.

[78]Jenkinson D S，Adams D E，Wild A. Model estimates of CO2 emissions from soil in response to global warming[J]. Nature，1991，351（6324）：304-306.

[79]代杰瑞，龐緒貴，曾憲東，等. 山東省土壤有機碳密度的空間分布特征及其影響因素[J]. 環境科學研究，2015，28（9）：1449-1458.

[80]杜虎，曾馥平，宋同清，等. 廣西主要森林土壤有機碳空間分布及其影響因素[J]. 植物生態學報，2016，40（4）：282-291.

[81]劉方，王世杰，羅海波，等. 喀斯特森林生態系統的小生境及其土壤異質性[J]. 土壤學報，2008，45（6）：1055-1062.

[82]曹建華，袁道先，潘根興. 巖溶生態系統中的土壤[J]. 地球科學進展，2003，18（1）：37-44.

[83]Liu Y G，Liu C C，Wang S J，et al. Organic carbon storage in four ecosystem types in the karst region of southwestern China[J]. PLoS One，2013，8（2）：e56443.

[84]張珍明，周運超，田瀟，等. 喀斯特小流域土壤有機碳空間異質性及儲量估算方法[J]. 生態學報，2017，37（22）：7647-7659.

[85]張信寶，王世杰，曹建華，等. 西南喀斯特山地水土流失特點及有關石漠化的幾個科學問題[J]. 中國巖溶，2010，29（3）：274-279.

[86]黃宗勝，符裕紅，喻理飛. 喀斯特森林植被自然恢復過程中土壤有機碳庫特征演化[J]. 土壤學報，2013，50（2）：306-314.

[87]王世杰，盧紅梅，周運超，等. 茂蘭喀斯特原始森林土壤有機碳的空間變異性與代表性土樣采集方法[J]. 土壤學報，2007，44（3）：475-483.

[88]Zhou Y C，Wang S J，Lu H M，et al. Forest soil heterogeneity and soil sampling protocols on limestone outctops：example from SW China[J]. Acta Carsologica，2010，39（1）：115-122.

[89]Heilman J L，Litvak M E，Mclnnes K J，et al. Water-storage capacity controls energy partitioning and water use in karst ecosystems on the Edwards Plateau，Texas[J]. Ecohydrology，2014，7（1）：127-138.

[90]吳瑾，吳克寧，趙華甫，等. 土壤有機碳儲量估算方法及土地利用調控措施研究進展[J]. 中國土地科學，2010，24（10）：18-24.

[91]邵月紅，潘劍君，許信旺，等. 淺談土壤有機碳密度及儲量的估算方法[J]. 土壤通報，2006，37（5）：1007-1011.

[92]王世杰，張信寶，白曉永. 中國南方喀斯特地貌分區綱要[J]. 山地學報，2015，33（6）：641-648.

[93]嚴冬春，文安邦，鮑玉海，等. 黔中高原巖溶丘陵坡地土壤中的137Cs 分布[J]. 地球與環境，2008，36（4）：342-347.