土壤有機碳及空間分布研究進展

周薇 吳洪娥 龍世林

摘 ? 要：土壤有機碳是判斷土壤肥力的重要指標之一，也是影響農作物生長的重要因素。從植被、地形、pH值、土地利用方式等方面綜述了土壤有機碳及其空間分布的研究進展，以期為土地可持續利用提供科學依據。

關鍵詞：土壤有機碳;巖溶地區;空間分布;影響因素

陸地自然生態系統中，土壤是最為重要的一環，其連接了水圈、巖石圈、生物圈以及大氣圈（Eswaran H，1992）。土壤碳大致可分為土壤有機碳（SOC）和土壤無機碳（SIC），目前對SOC的研究是國內外對土壤碳研究的重點（Wu et al.2009）。影響有機碳含量與分布因子的因素很多，主要為氣候、植被、母質及土地利用等自然因素和人為因素2個方面。此外，土壤中有機碳的含量和分布還受到以上不同因子間相互作用的影響。

1 ? 植被對土壤有機碳的影響

對植被如何影響土壤有機碳的含量，學者得到的研究成果有差異。Turber J（2000）研究認為森林經采伐之后，有機碳含量沒有發生明顯改變，但采伐后再對同一土地進行農業墾殖或放牧活動，土壤有機碳的含量會發生不同程度的變化;而Houghton R A（1991）則認為，在熱帶和溫帶地區，森林經砍伐后土壤中有機碳的含量將降低36%～50%。我國學者對植被變化與土壤有機碳之間關系的研究主要是以實地采樣數據為基礎的定量研究，劉夢云等（2010）對黃土臺塬喬、灌、草、農田等不同植被類型，純林和混交林不同的栽培模式下，對土壤有機碳的含量進行研究發現，灌木林地和天然草地在整個土壤剖面上積累更多的SOC;林培松（2011）對粵東北山區天然常綠闊葉林地、茶園、柚子園、人工桉樹林地、旱地的紅壤的團聚體和有機碳的分布特征進行研究，結果表明，闊葉林地中不同粒級紅壤團聚體有機碳含量最高，之后依次為果園、旱地和桉樹林地;譚文峰（2006）研究了江漢平原果園、旱地、水田等利用方式下土壤團聚體中有機碳的分布和積累特性，發現不同粒徑的團聚體中，土壤活性有機碳含量為水田高于果園和旱地。

2 ? 地形對土壤有機碳的影響

地形的差異導致植被狀況產生差異，使其地表所積累有機碳含量各有不同，是地形影響土壤有機碳含量的重要原因。岳曼（2008）對延安地區進行了有機碳碳儲量的估算，結果表明：陜西南部地區的平原區和丘陵區中，土壤有機碳含量存在差異，具體表現為亞高山區平瑣區>丘陵區;何燕等（2009）對川西茶區典型低山丘陵茶園上、中、下坡位的土壤有機碳差異進行研究，結果表明：中坡位上，土壤有機碳最小值出現在茶園土壤中，同一坡面上的有機碳含量表現為中坡位<上坡位<下坡位，其原因是該研宄區是東偏南向坡面的25°陡坡，土壤中沙粒比重較大，氣候潮濕，但土壤保水保肥性能差，水肥容易流失，導致了坡面流失的土壤、水肥等集中在下坡位，使下坡位的有機物質量增大，有機體大量積累，故研究區中下坡位總有機碳的含量顯著高于其他坡位;姜航（2015）對帽兒山次生林區地形對土壤有機碳儲量的影響進行研究，按坡位和坡向的差異設置了20塊樣地，回歸分析發現：坡位是土壤有機碳含量差異的主控因子，在該研究區的范圍內上、下坡對土壤有機碳的含量并無顯著的影響。

3 ? 土壤理化性質對土壤有機碳的影響

土壤的物理性質如容重、質地、含水量等幾個方面對有機碳的存在和發生作用也有重要的影響。陳偉等（2013）對云南熱區4種林分土壤有機碳比較研究得出，土壤有機碳的含量與土壤的容重呈顯著的負相關關系，土壤中有機碳含量越小，土壤的容重反而越大[1]。王鳳等（2015）在黑河上游冰溝流域進行試驗，也得出了相同的結論[2];劉偉等（2012）以黃土高原區的4種主要的植被類型為研究對象，結果顯示，表層土壤有機碳含量與土壤含水量之間有著顯著的正相關關系，但當土層深度>1 m時，土壤SOC含量與土壤含水量之間不存在明顯的相關性。

在對土壤有機碳含量與化學因素之間關系的研究中，倪吾鐘（2000）發現，菜園土壤中的全鋅、有效鋅含量與有機碳含量具有極顯著的正相關關系，銅的有效性與有機碳的含量也呈顯著正相關關系;李永濤（2006）對水稻土壤中的重金屬與有機碳的有效性研究發現，重金屬會抑制微生物的數量及其呼吸活性，影響了活性有機碳的礦化率，導致溶解態的有機碳積累，進一步阻礙了微生物對有機碳的礦化作用。

4 ? 土壤碳的空間分布研究進展

全球范圍內關于土壤碳的研究已經有一些成果，李克讓（2003）研究發現，熱帶、溫帶、北方帶和苔原帶的碳庫各約占1/4;森林土壤中的SOC庫占全球總SOC庫的約39.0%（Wang S Q，2004），濕潤區的SOC占全球土壤碳庫的36.0%，遠大于半干旱地區和凍土區。一些研究結果數據顯示，溫帶土壤的SOC儲值低于對應的熱帶地區的SOC儲值（Vejre H，2003）。Sanchez（2001）分析了45個溫帶和60個熱帶的土壤碳含量，分析結果表明兩者間不存在相關性。

4.1 ? 土壤空間SOC密度

我國學者對土壤碳的空間分布也進行了大量研究，解憲麗（2004）以《中華人民共和國土壤圖》和第2次土壤普查數據為基礎數據，對我國0～20 cm的土壤有機碳密度進行了估算。我國土壤SOC的空間分布存在一定規律性，SOC密度最高處出現在東北地區，云南、貴州和青海、西藏的東南部有植被類型為草地和森林的地區，SOC密度最低處出現在寧夏、青海等的沙漠地區（楊光，2000）。王秀紅（2001）基于全國第2次土壤普查的統計數據，分析總結出我國SOC空間分布水平地帶性特征：我國東部SOC含量在北亞熱帶的黃棕壤上普遍含量偏低，而溫帶的暗棕壤和中亞熱帶的黃壤則存在2個極大值;SOC含量在北部的波動幅度較大，而南部亞熱帶和熱帶SOC含量的變化幅度較小（李克讓，2003）。徐勇（2001）研究發現，從東到西SOC含量逐漸減小。隨著向濕度小的氣候區過渡，溫帶SOC含量高于與其相鄰的暖溫帶;在干旱區，兩個相鄰溫帶SOC的含量相似（胡建波，2008）。王紹強等（2000）認為，SOC空間分布規律總體上表現為：隨緯度的增加，東部沿海地區SOC空間分布大致增加;北部地區SOC空間分布呈現隨經度減小而減小，但存在著一定程度的偏轉，西部地區SOC空間分布則表現出隨緯度減小而增加的趨勢;中部和西部地區的SOC密度存在較大的差異。

已有研究表明，由于我國國土面積大，跨越的區域多，土壤空間分布差異大，結構不均勻，SOC空間分布具有很大的差異，SOC儲量介于80.0～l00.0 Gt，一些人為因素，如土壤實測深度、類型劃分、估算方法、數據收集和處理等問題上的差異也是造成空間部分差異的原因（李旭文，2008;楊逸飛，2008）。羅友進（2011）在研究四川盆地內土壤總碳、有機碳和無機碳含量的空間分布時發現，土壤有機碳盆地區、老地層區以及山背斜部分地區含量顯著高于其他地區。對土壤有機碳和無機碳含量比較發現，土壤總碳主要來源于土壤無機碳，但也應注意到，無機碳含量的分布變異性較大，很大程度上取決于母質。

4.2 ? 土壤空間異質性

空間異質性是土壤的基本屬性，不同的自然因素（如母質、地形、氣候）和人為因素（施肥、耕作、土地利用方式）使得土壤性質具有很大差異（秦松等，2008），雖然是在很小的范圍內，但土壤性質也可能會發生很大的變化（Mallarino，1996）。土壤的空間異質性是土壤中理化生復雜過程共同作用的結果。許多學者運用常規統計學方法對土壤碳的空間變異做了一系列的研究，目前主要以地統計學作為技術手段，研究土壤碳及其他土壤性質的空間變異性。地統計學方法作為空間統計學中一個重要的分支，具有隨機性和結構性的優點，相比于常規統計學，不但可以充分利用樣本值的大小，還能夠重視樣本空間位置及其之間的距離。

范曉暉等（2016）分析了南寧市桉樹人工林下土壤有機碳的空間變異及其與地形之間的關系;樊燕（2015）研究了三峽庫區土壤碳的有機質空間分布狀況和空間變異;李龍等（2014）以內蒙古赤峰市敖漢旗黃花甸子小流域作為研究對象，研究了小流域尺度下土壤有機碳密度空間變異特征及尺度效應;范勝龍等（2012）對不同采樣點布設下，土壤有機碳的空間變異特性作了分析對比;王其兵等（1998）研究了SOC的空間變異特性，以內蒙古錫林河流域草原土壤為例;吳玉光等（1997）對北京郊區菜園土壤微生物量碳及一些土壤性質空間上的變異特點進行了分析對比。對土壤的空間變異特性的研究，可以為土地的規劃者、政策制定者以及精準農業及其他相關領域提供基礎數據，從而為方案的制定和規劃提供依據。

5 ? 土壤碳研究存在的主要問題

目前，我國土壤碳空間分布的研究多為區域尺度，或是在國家尺度上估算碳儲量，對森林、草地、濕地、農田、土壤生態系統研究較多，對流域尺度以及西南巖溶區的研究都較少。以巖溶地區土壤碳研究現狀為例，現有的巖溶區域土壤碳的研究成果有：對土壤碳作為濕潤亞熱帶表層巖溶作用的驅動力進行研究，一些學者用不同的插值法對不同巖溶區域的土壤碳儲量進行估算，研究巖溶峽谷區土壤呼吸速率及日變化，表明石漠化區與非石漠化區土壤呼吸速率存在差異，導致碳排放有所不同。在不同的研究區內研究了巖溶區域不同土地利用方式對土壤碳的影響。以近3年巖溶地區土壤碳的研究成果來看，其側重點主要為巖溶地區土壤碳儲量的估算、不同影響因素（地形、土地利用類型等）對土壤碳分布的影響，多以區域尺度為主。

綜上所述，目前對于土壤有機碳及其空間分布的研究主要存在于宏觀研究，土壤有機碳時空分布特征和土壤碳庫研究將是今后土壤有機碳的重點研究領域。其次，通過對當地土壤有機碳含量檢測以及結合影響因素分析，結合室內模擬實驗了解演化過程以及微觀基礎理論，完善碳循環機制也是今后的研究重點。研究方法上，在完善基礎數據的前提下，利用GIS等平臺技術與數學方法相互結合得到更可靠的科學結論，也是當今的發展趨勢。

參考文獻：

[ 1 ] 陳偉，楊斌，李江，等.云南熱區人工林科學經營的探索與實踐[J].林業調查規劃，2013（5）：104-108.

[ 2 ] 王鳳，孟浩峰，侯德明，等.黑河上游冰溝流域3種林地土壤有機碳分布特征與土壤特性的關系[J].草業科學，2015，32（4）：640-646.

（收稿日期：2019-06-14）