鄂西犟河流域表層土壤有機(jī)碳時(shí)空變化及其影響因素

符雅盛, 張利華, 鄭蕓薔, 朱志儒, 馬永明, 崔 越

〔中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地理與信息工程學(xué)院地理系, 湖北 武漢 430074)〕

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)[1]，是陸地植被碳庫(kù)(5.00×1011～6.00×1011t)的2～3倍，是全球大氣碳庫(kù)(7.50×1011t)的2倍多[2]。土壤有機(jī)碳(soil organic carbon， SOC)包括植物、動(dòng)物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)。土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量是植物殘?bào)w進(jìn)入土壤并受土壤微生物作用分解損失后的動(dòng)態(tài)平衡結(jié)果[3]。土壤碳是全球碳儲(chǔ)量的重要組成，其固定及釋出，不僅影響到陸地植被的養(yǎng)分供給，也影響了陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、分布及功能，更對(duì)溫室氣體及全球氣候變化具有重要影響[4]。其庫(kù)容大小受到氣候、植被、土壤理化性質(zhì)以及人類(lèi)活動(dòng)等諸多自然和人為因素的影響。深入研究SOC在小型丘陵山地集水區(qū)的分異規(guī)律及其影響因素對(duì)小流域碳循環(huán)、碳分配以及防止森林SOC流失、土壤肥力退化具有重要意義。

中外學(xué)者在土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、密度、空間分異、時(shí)間變化及其影響因子等方面做了大量研究，對(duì)全球土壤碳庫(kù)和碳循環(huán)研究具有借鑒意義。全球主要生態(tài)系統(tǒng)及土壤剖面的土壤有機(jī)碳庫(kù)研究已較成熟，不同模型和方法的計(jì)算結(jié)果無(wú)數(shù)量級(jí)差異。區(qū)域插值模型、回歸擬合模型和機(jī)器學(xué)習(xí)等模型被較多的運(yùn)用于土壤有機(jī)碳含量的估算[5]。空間變異性、依賴(lài)性以及各環(huán)境因子對(duì)土壤有機(jī)碳的影響可以被用來(lái)認(rèn)識(shí)和研究其含量[6]。當(dāng)前，隨著研究程度的加深和研究對(duì)象的細(xì)化，中小尺度的土壤有機(jī)碳空間分異和動(dòng)態(tài)變化及其影響因素的研究尚存在一些不足。小尺度的土壤有機(jī)碳研究集中在單一土地覆蓋類(lèi)型下土壤有機(jī)碳含量與海拔、地形之間的關(guān)系[7]。首先，傳統(tǒng)的有機(jī)碳空間分布預(yù)測(cè)局限于土壤普查等歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)陳舊、更新慢、時(shí)間分辨率低。全國(guó)土壤普查在小流域尺度的實(shí)測(cè)剖面不足，空間分辨率低。其次，目前的研究多以土地利用、生態(tài)類(lèi)型和地貌類(lèi)型為研究對(duì)象，研究較多的有耕作模式、植被類(lèi)型以及生境對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響。對(duì)于地表復(fù)雜、山體破碎的小流域尺度土壤SOC的影響因子的研究還不夠充分。此外，人類(lèi)活動(dòng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，地表植被的非自然演替以及土地利用使得傳統(tǒng)方法不再具有普適性。小流域尺度的研究區(qū)還有著地表形態(tài)復(fù)雜、人為活動(dòng)強(qiáng)度大、土壤變異性強(qiáng)等特點(diǎn)，地形的復(fù)雜弱化了空間自相關(guān)，地統(tǒng)計(jì)方法的效果被削弱。

本文基于野外工作、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定、遙感影像解譯和地形因子計(jì)算，研究環(huán)境變量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響；通過(guò)地統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)土壤有機(jī)碳變異特征，引入植被、地形等因子進(jìn)行擬合，比較其相關(guān)性并作主成分分析，確定研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量時(shí)空變化的影響因子和主導(dǎo)因素，以期為當(dāng)?shù)睾皖?lèi)似區(qū)域的水土保持提供科學(xué)建議。

1 研究區(qū)概況

犟河位于丹江口水庫(kù)上游100 km處，是堵河的一級(jí)支流，發(fā)源于十堰市張灣區(qū)大獨(dú)嶺，東西流向，在十堰市黃龍鎮(zhèn)東灣村附近匯入堵河，干流全長(zhǎng)25 km左右。犟河流域跨越東經(jīng)110°31′42″—110°43′24″，北緯32°29′51″—32°42′32″，流域面積326 km2，是南水北調(diào)中線(xiàn)工程的重要水源地之一。流域地處秦巴山區(qū)東延余脈，位于大巴山和武當(dāng)山之間，地勢(shì)南高北低，自西南向東北傾斜，間有河谷平地，海拔集中在150 m到1 100 m之間。流域地層以中元古界武當(dāng)山群為主，巖性為淺變質(zhì)巖系，以石英片巖為主。流域土壤質(zhì)地以壤質(zhì)砂土為主，流域氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，多年平均氣溫為15.4 ℃，多年平均降水量為769.6 mm，年總平均降水日數(shù)為115～120 d。流域?qū)儆诒眮啛釒Ш蜏貛н^(guò)渡區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)，森林覆蓋率近80%，既具有保存完整的原生林，也具有次生經(jīng)濟(jì)林和涵養(yǎng)水源林，植被類(lèi)型以常綠針葉林、落葉闊葉灌木和針闊混交林為主。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

基于ArcGIS的水文分析模塊對(duì)十堰市ALOS World 3 D-DSM(空間分辨率為30 m，下載于http:∥www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3 d30/)進(jìn)行水文分析，獲得犟河流域的流域邊界，以犟河流域的ALOS World 3 D-DSM和2017年3月的Landsat8-OLI影像(下載于http:∥www.gscloud.cn/)為基礎(chǔ)資料，提取犟河流域的主要水系(見(jiàn)封2，附圖4)和土地覆蓋類(lèi)型(見(jiàn)封2，附圖5)。使用ENVI的地形模塊計(jì)算坡度、坡向、剖面曲率、橫向曲率、縱向曲率和水平曲率。提取植被指數(shù)包括經(jīng)典的歸一化植被指數(shù)(NDVI)和比值植被指數(shù)(RVI)。將犟河干流及其支流分為上游、中游、下游3個(gè)部分進(jìn)行土壤樣品采集(見(jiàn)封2，附圖4)：樣品采集時(shí)間為2017年1，6月和10月以及2018年1月，共采集表層土壤樣品100個(gè)；土壤采集樣區(qū)的土地覆蓋方式以針葉林、闊葉灌木和農(nóng)田為主(見(jiàn)封2，附圖5)，采集深度均為去除枯枝落葉層后10—15 cm，每個(gè)樣區(qū)面積為5 m×5 m，均采集四角及對(duì)角線(xiàn)中心點(diǎn)的樣品進(jìn)行混合，然后采用四分法采集總量均為1 000 g左右的混合樣品裝入樣袋并進(jìn)行記錄，回室內(nèi)后自然風(fēng)干研磨過(guò)篩(0.25 mm)備用。土樣SOC含量由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院的總有機(jī)碳分析儀(德國(guó)Elementar公司的vario TOC)進(jìn)行分析和測(cè)定。

2.2 研究方法

用地統(tǒng)計(jì)的克里格模型預(yù)測(cè)研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量的空間分布并作誤差分析，用SPSS軟件作影響因子的非線(xiàn)性擬合以及主成分分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)分析

3.1.1 土壤有機(jī)碳含量的描述性統(tǒng)計(jì) 土壤有機(jī)碳含量的描述性統(tǒng)計(jì)是一種能夠反映土壤有機(jī)碳含量基本特征的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。土壤樣品分為2017年冬(2017年1月)，2017年夏(2017年6月)，2017秋(2017年10月)，2018冬(2018年1月)共4期，次年春季的土樣因?qū)嶒?yàn)室儀器損壞而損毀。根據(jù)SPSS描述性統(tǒng)計(jì)及正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表1)，土壤有機(jī)碳含量的變異系數(shù)大于水體有機(jī)碳，因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地、覆蓋類(lèi)型和地形因素等都對(duì)土壤有機(jī)碳有影響。總體而言，變異系數(shù)由大到小依次為：冬季、夏季、次年冬季、秋季。

表1 4期土壤有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計(jì)特征

Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)(K-S檢驗(yàn))是一個(gè)比較頻率分布f(x)與理論分布g(x)或者兩個(gè)觀測(cè)值分布的檢驗(yàn)方法。K-S檢驗(yàn)是一種適用于小樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。根據(jù)K-S檢驗(yàn)結(jié)果，有3期樣本的顯著性大于0.05，滿(mǎn)足正態(tài)分布，為后續(xù)地統(tǒng)計(jì)分析提供參考。

3.1.2 土壤有機(jī)碳的地統(tǒng)計(jì)空間分布模擬 描述性統(tǒng)計(jì)可以描述數(shù)據(jù)的總體分布特征，但無(wú)法準(zhǔn)確反映土壤有機(jī)碳的空間變異結(jié)構(gòu)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)基于參數(shù)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)的思想，既考慮樣本值的大小，又重視樣本空間位置及樣本間的距離，彌補(bǔ)了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)忽略空間方位的缺陷。因此采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)研究區(qū)SOC含量的結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性進(jìn)行定量描述。2018年1月樣本分布最均勻，且樣本數(shù)量較大，因此選擇該期樣本進(jìn)行克里金插值，擬合全流域的土壤有機(jī)碳分布狀況。

分別用高斯模型和指數(shù)模型對(duì)半變異函數(shù)點(diǎn)云進(jìn)行擬合并制圖，并比較兩種模型生成的預(yù)測(cè)圖的優(yōu)劣，比較的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)，確定高斯模型作為最適模型。插值結(jié)果(見(jiàn)封2，附圖6)示，犟河流域土壤有機(jī)碳含量的低值出現(xiàn)在陽(yáng)南溝上游—鮑花溝中游—安溝下游—安溝一線(xiàn)以北以及財(cái)神溝中游地區(qū)；土壤有機(jī)碳含量的中等水平分布在大西溝下游、鮑花溝下游、犟河中下游低坡地區(qū)；土壤有機(jī)碳含量的高值分布在大西溝上游及財(cái)神溝上游以南的山地地區(qū)。由附圖7可知：犟河中游以西—陽(yáng)南溝鮑花溝中游以南—大西溝和財(cái)神溝中游以北地區(qū)預(yù)測(cè)誤差小，預(yù)測(cè)誤差最大處主要在大西溝和枧堰溝上游及以南山區(qū)。當(dāng)模型非常適合用于生產(chǎn)和制圖時(shí)，預(yù)測(cè)誤差的平均值應(yīng)趨于0，標(biāo)準(zhǔn)均方根趨于1，均方根以及平均標(biāo)準(zhǔn)誤差應(yīng)盡可能小。高斯模型的參數(shù)如下：塊金值C0=36.762，偏基臺(tái)C=0，變程=0.217，方向=9°。空間異質(zhì)比為塊金值/基臺(tái)值，用于衡量隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)性變異對(duì)土壤空間分異性的影響。C0/(C+C0)=1>0.75，說(shuō)明土壤有機(jī)碳的空間相關(guān)性極弱，即距離不是土壤有機(jī)碳含量發(fā)生空間變異的主導(dǎo)因子，其變異主要由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素導(dǎo)致。

表2 克里金交叉驗(yàn)證參數(shù)

3.2 影響土壤有機(jī)碳的因素分析

影響土壤有機(jī)碳含量的結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素主要有土壤質(zhì)地、土地覆蓋、植被等環(huán)境因子以及海拔、坡度、坡向、地表曲率等地形因子。

3.2.1 土地覆蓋 根據(jù)由犟河流域采集得到的46個(gè)表層土壤樣品的SOC含量數(shù)據(jù)以及流域土地利用數(shù)據(jù)，采用描述性統(tǒng)計(jì)分析方法得到如表3所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征

犟河流域SOC含量為14.32±8.62 g/kg，不同土地利用下SOC含量差異不顯著(p>0.01)。其中，農(nóng)田SOC含量的均值最大，園地、混交林和針葉林次之，灌木最小。不同的土地利用方式會(huì)直接導(dǎo)致地表覆被的改變，植被覆蓋越高，枯枝落葉堆積越多，有利于表層土壤有機(jī)碳的富集。土壤SOC的含量存在顯著差異。園地受人為因素影響嚴(yán)重，生活污水的傾倒和排放也間接給作物提供肥力。作物不同，對(duì)農(nóng)田進(jìn)行施肥、播種、松土等活動(dòng)的頻次和強(qiáng)度不同，使得農(nóng)田的土壤有機(jī)碳含量的差異也較大。由此可見(jiàn)，農(nóng)田和園地受人為因素影響最大。比農(nóng)田的土壤有機(jī)碳含量稍低的是混交林，混交林整體的土壤有機(jī)碳水平較針葉林高。混交林中的樹(shù)種有杉樹(shù)、竹、楊樹(shù)、泡桐樹(shù)等，由于生物群落復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，有利于土壤有機(jī)碳的生成與積累[8]。

3.2.2 土壤類(lèi)型 成土過(guò)程、發(fā)育程度及耕作管理措施的差異形成了不同的土質(zhì)類(lèi)型，不同土質(zhì)的理化性質(zhì)也存在不同。石灰性沖積土的土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較高，簡(jiǎn)育高活性淋溶土和不飽和雛形土的土壤有機(jī)碳含量接近(見(jiàn)表4)。

表4 不同土壤類(lèi)型的土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)特征

3.2.3 坡度 分析4期土壤樣品有機(jī)碳含量與坡度的Pearson線(xiàn)性相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)僅2017年夏季樣本相關(guān)系數(shù)為0.618(p<0.05)，即土壤有機(jī)碳含量隨坡度的增加而增加，其他幾期并無(wú)明顯規(guī)律。其中，線(xiàn)性模型為最優(yōu)擬合模型，模型表達(dá)式為：Y=6.067+0.299X，表明其有機(jī)碳含量隨坡度的增加而增加(見(jiàn)表5)。

表5 2017年夏季土壤有機(jī)碳含量與坡度回歸擬合模型

3.2.4 土層深度 課題組于2018年在流域東部的頭堰水庫(kù)采集樣本，樣點(diǎn)位于人跡罕至的山坡坡頂，排除了人為干擾，植被覆蓋為針葉闊葉混交林，坡度為42°。去掉枯枝落葉層后的土壤厚度為25 cm。以5 cm為一個(gè)單位厚度采集同一剖面的土樣5個(gè)，測(cè)得其土壤有機(jī)碳的含量分別為5.22 g/kg(0—5 cm)，15.57 g/kg(5—10 cm)，38.51 g/kg(10—15 cm)，19.17 g/kg(15—20 cm)，8.93 g/kg(20—25 cm)。該剖面土壤有機(jī)碳含量的平均值為17.48 g/kg，且隨土壤厚度的加深有先增后減的趨勢(shì)。

3.2.5 坡位 在頭堰水庫(kù)的42°坡的坡中采集土樣，覆蓋為針闊葉混交林，其土壤有機(jī)碳含量為14.34 g/kg；在坡腳采集土樣，土地覆蓋為灌叢，測(cè)得其土壤有機(jī)碳平均值為13.99 g/kg。坡頂、坡中、坡底的土壤有機(jī)碳含量接近，有不明顯的遞減趨勢(shì)。

3.2.6 植被指數(shù) 秋季是利用遙感影像光譜信息評(píng)估不同植被生長(zhǎng)狀況的最佳觀測(cè)時(shí)期。經(jīng)預(yù)處理后計(jì)算出歸一化植被指數(shù)(NDVI)和比值植被指數(shù)(RVI)(見(jiàn)圖1)。NDVI和RVI都是反映植被長(zhǎng)勢(shì)和營(yíng)養(yǎng)信息的重要指標(biāo)之一，前者在低植被區(qū)的敏感性強(qiáng)，在植被覆蓋度高(50%)的地區(qū)敏感性降低，而RVI對(duì)高值被覆蓋度下的植被差異響應(yīng)明顯。歸一化植被指數(shù)圖中亮色為低值，暗色為高值；圖1中顯示犟河流域除了犟河干流、流域靠近市區(qū)的東北部以及南北數(shù)條溝內(nèi)為非植被，其余地區(qū)都覆有植被。比值植被指數(shù)圖中顏色越暗，植被越密、長(zhǎng)勢(shì)越好。由圖1可知RVI以犟河干流為軸向兩側(cè)逐漸增加，而南北兩側(cè)又沿著溝向兩側(cè)山坡逐漸增加。由于犟河南部的面積比犟河北側(cè)部分的面積大，人類(lèi)活動(dòng)少，海拔差異也越大，植被表現(xiàn)出一定程度的差異：犟河南側(cè)東北部頭堰水庫(kù)附近有較多人工種植的次生針葉林，財(cái)神溝海拔中游和上游海拔700 m以上為原生針葉林，中游海拔500～700 m以下為原生針葉林灌木混交林，下游與頭堰水庫(kù)一致，為次生針葉林。

圖1 犟河流域植被指數(shù)分布

(1) NDVI值。秋季土壤樣本與NDVI存在中等程度的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.49，p<0.01)，即土壤有機(jī)碳含量隨NDVI的增加而增加(見(jiàn)表6)。

表6 2017年秋季土壤有機(jī)碳含量與坡度回歸擬合模型

(2) RVI值。秋季土壤樣本與RVI存在強(qiáng)正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.494，p<0.05)，即土壤有機(jī)碳含量隨RVI的增加而增加(見(jiàn)表7)。

表7 2017年秋季土壤有機(jī)碳含量與RVI回歸擬合模型

3.2.7 地表曲率 地面曲率是度量地形表面單位點(diǎn)的扭曲變化程度的重要因子，是地面復(fù)雜程度以及地面切割破碎程度的體現(xiàn)。垂直方向上的分量稱(chēng)為剖面曲率，水平方向上的水平曲率。

水平曲率是等高線(xiàn)方向的變化率，即坡向的變化率，它是一個(gè)反映等高線(xiàn)彎曲程度的指標(biāo)，反映了坡向的變化。剖面曲率是指地面上任意一點(diǎn)位地表坡度的變化率，即垂直方向上地形的凹凸變化。經(jīng)過(guò)線(xiàn)性和非線(xiàn)性擬合，在2017年1月和6月的樣本中均發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量隨地表曲率絕對(duì)值的增大而增加的規(guī)律。使用線(xiàn)性、指數(shù)、對(duì)數(shù)等模型進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明指數(shù)函數(shù)的擬合效果優(yōu)于其他函數(shù)，最優(yōu)擬合模型的參數(shù)見(jiàn)表8。而秋季和次年冬季的樣本并無(wú)明顯規(guī)律。2017年秋季發(fā)生持續(xù)性降水，犟河干流水位達(dá)到1986年以來(lái)的最高值，土壤有機(jī)碳流失加重；2018年冬季采樣主要目的是分析不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，因此土壤有機(jī)碳含量更多的受土地利用方式控制。

3.2.8 主成分分析 土壤有機(jī)碳含量的影響因子頗多，且各因子之間相互關(guān)聯(lián)，相互作用。用“降維”思想對(duì)各影響因子做主成分分析(見(jiàn)表9)。主成分對(duì)應(yīng)特征值大于1是主成分分析的原則。由表9可知，最終主成分的特征值分別為3.997，1.818，即原始變量的信息量分別被擴(kuò)大了3.997，1.181倍，其中前兩個(gè)主成分指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到66.228%和30.294%，累計(jì)能夠解釋所有原始變量信息的96.582%，且特征值均大于1，達(dá)到主成分分析的要求。

表8 犟河流域表層土壤有機(jī)碳含量與地表曲率回歸擬合模型

表9 土壤有機(jī)碳含量影響因子主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

根據(jù)表10可知，第一主成分由剖面曲率、橫向曲率、水平曲率和縱向曲率決定，它們?cè)谥饕蜃由系妮d荷分別為0.982，-0.978，0.963，0.944，是犟河流域土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)影響因子，而曲率是地形因子的反映；第二主成分由NDVI和RVI構(gòu)成，它們?cè)谥饕蜃由系妮d荷分別為0.926，0.904，是犟河流域土壤有機(jī)碳的次要解釋變量，代表了植被因子。

表10 地形和植被因素主成分因子載荷

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

犟河流域?qū)儆诙跷鞯湫偷那鹆晟降匦×饔颍襟w破碎、地形起伏大。流域內(nèi)土壤樣本有機(jī)碳的平均含量為11.39 g/kg，低于全國(guó)平均值(22.28 g/kg)；變幅為0.6～63.9 g/kg，變異系數(shù)為76.97%，低于全國(guó)水平(96.10%)，最大值是最小值的106.5倍，變異幅度較大，具有強(qiáng)空間異質(zhì)性。塊基比為1，表明隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例高，即樣本間的變異更多的是由隨機(jī)因素引起，而非距離，因此SOC的空間自相關(guān)極弱[9]。地統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明土壤有機(jī)碳含量在水平空間分布上無(wú)明顯趨勢(shì)，建立在地理學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在山體破碎、地表形態(tài)復(fù)雜地區(qū)的適用性不強(qiáng)。

此外，犟河流域?qū)儆诙跷鞅钡そ谒畮?kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)，全區(qū)水土流失面積占區(qū)域國(guó)土面積的29.10%，研究區(qū)北部以中度侵蝕—強(qiáng)烈侵蝕—極強(qiáng)烈侵蝕為主，南部溝谷也有條帶狀輕度侵蝕—中度侵蝕，集中在城鎮(zhèn)建設(shè)用地以及大西溝和枧堰溝內(nèi)，中部犟河干流的侵蝕強(qiáng)度由東至西降低[10]。僅有7.77%的土樣的有機(jī)碳含量高于全國(guó)平均值，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存能力較弱。通常土壤中有機(jī)碳主要集中在土壤表層，并隨土層深度的增加而減少。人為耕作和管理可以提高土壤有機(jī)碳含量，但不合理的土壤資源利用也會(huì)破壞土壤碳儲(chǔ)量。犟河下游以石灰性沖積土為主，土壤類(lèi)型樣本均值和地統(tǒng)計(jì)插值都顯示了高值。除了土壤類(lèi)型因素，下游較多的農(nóng)田和園地，即土地覆蓋類(lèi)型，亦是區(qū)域高值出現(xiàn)的原因。季節(jié)尺度的SOC變化體現(xiàn)了低溫下微生物活動(dòng)分解作用減弱、SOC得以保存，而溫度上升和降水增加都能加重SOC的消耗。

相關(guān)分析表明：水平曲率、剖面曲率等地表曲率的絕對(duì)值以及RVI和NDVI兩個(gè)植被指數(shù)都和土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系。地表曲率能影響流水的侵蝕能力，而流水是地表重力作用的主要營(yíng)力之一，地表曲率直接影響著降水對(duì)地表土壤的侵蝕強(qiáng)度，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的流失，但與此同時(shí)也促使泥沙中有機(jī)碳的富集[11]。中等坡度與凹面剖面曲率和剖面曲率的組合導(dǎo)致了更高的SOC含量[12]。鮑偉佳[13]在安徽省舒城縣龍?zhí)缎×饔虻谋韺油寥烙袡C(jī)碳研究中也發(fā)現(xiàn)了地表曲率與有機(jī)碳含量的相關(guān)性，龍?zhí)缎×饔驅(qū)儆谏降厍鹆晷×饔颍０尾詈偷匦螐?fù)雜程度均不如犟河流域，研究發(fā)現(xiàn)平面曲率和剖面曲率與SOC含量的相關(guān)性分別達(dá)到0.46，0.56(p<0.01)，即SOC含量與平面曲率和剖面曲率存在極顯著的正相關(guān)，但SOC含量與NDVI和坡向的關(guān)系不顯著；盧宏亮等[14]利用隨機(jī)森林模型，預(yù)測(cè)了安徽省全省的土壤屬性，其中以水平曲率為代表的地形因子在隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型中的重要性位列第三，僅次于高程和NDVI，考慮安徽省山地和丘陵地貌類(lèi)型的占比較大，其規(guī)律和本文結(jié)論接近。此外，在水文學(xué)和農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的研究和經(jīng)驗(yàn)也能證明地表曲率在水土流失過(guò)程中的作用，例如凹形坡(收斂形山坡)的含水量較凸形坡多，通常凹陷地貌的土壤碳儲(chǔ)量更高[15]。通過(guò)改造地表曲率，可以提升土壤的固碳能力，例如“順坡溝壟”和“橫坡溝壟”耕作方式可以減輕土壤有機(jī)碳的流失，且后者效果更好[16]。估算相鄰研究區(qū)丹江口某村莊的土壤有機(jī)碳庫(kù)的空間變化時(shí)，考慮建立在區(qū)域地形基礎(chǔ)上發(fā)展的地形農(nóng)業(yè)，可以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可比性，研究發(fā)現(xiàn)水道或支流的分水嶺附近的SOC含量通常較高[17]。

因此，自然狀態(tài)下地表形態(tài)復(fù)雜的山地丘陵地區(qū)的土壤有機(jī)碳主要受地表曲率影響，地表的凸處和凹處分別具有侵蝕強(qiáng)度弱和堆積能力強(qiáng)的儲(chǔ)碳優(yōu)勢(shì)。植被指數(shù)代表了植被生長(zhǎng)狀況，而植被又是土壤有機(jī)碳主要的重要來(lái)源之一[18]，因此植被指數(shù)作為次要解釋變量，可以評(píng)價(jià)相鄰或地表形態(tài)相近研究區(qū)的土壤有機(jī)碳含量。

4.2 結(jié) 論

(1) 丘陵山地小流域山體破碎、地形起伏大，其土壤有機(jī)碳含量變異幅度較大、空間異質(zhì)性強(qiáng)且空間自相關(guān)極弱。樣本間的變異更多的是由隨機(jī)因素引起，而非距離。建立在地理學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)類(lèi)似地貌的研究區(qū)的適用性不強(qiáng)。

(2) 研究區(qū)不同季節(jié)土壤有機(jī)碳的控制因子并不單一，夏秋兩季土壤有機(jī)碳主要受地表曲率影響，意味著地表的凸處和凹處分別具有侵蝕強(qiáng)度弱和堆積能力強(qiáng)的儲(chǔ)碳優(yōu)勢(shì)。植被指數(shù)作為次要解釋變量，可以評(píng)價(jià)相鄰或地表形態(tài)相近研究區(qū)的土壤有機(jī)碳含量。