2. 广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站,百色平果喀斯特生态系统广西野外科学观测研究站,平果 531406;
3. 自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,联合国教科文组织国际岩溶研究中心,桂林 541004;
4. 西北大学城市与环境学院,西安 710127;
5. 南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,南宁 530001;
6. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;
7. 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100190
2. Pingguo Guangxi, Karst Ecosystem, National Observation and Research Station/Pingguo Baise, Karst Ecosystem, Guangxi Observation and Research Station, Pingguo 531406, China;
3. Key Laboratory of Karst Dynamics Ministry of Natural Resources, Guangxi/International Research Center on Karst under the Auspices of United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, Guilin 541004, China;
4. College of Urban and Environmental Sciences, Northwest University, Xi'an 710127, China;
5. Environmental Evolution and Resources Utilization in Beibu Gulf under Ministry of Education, Nanning Normal University, Nanning 530001, China;
6. Institution of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
7. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)是表征土壤质量的重要指标,同时也是陆地生态系统最大的碳库,全球大约有1 500 Pg碳(1 Pg=1015 g)以有机碳形式存在于土壤中[1],其变化对全球气候和碳循环具有重要影响. 我国西南地区裸露型岩溶面积约53.26万km2,占其国土面积的27.36%,是我国石漠化最为严重、生态环境极为脆弱的地区[2],深入认识西南岩溶地区SOC特征,对于评估该地区土壤碳汇潜力和土壤健康状况,提升我国陆地生态系统碳汇能力具有重要意义[3].
在岩溶地区,强烈的岩溶作用塑造了地表-地下二元水文结构和地表复杂多样的微地貌形态,导致其土壤环境具有基岩出露,土层稀薄和分布不连续等基本特征[2,4,5],加上气候、海拔、土地利用和人类活动等诸多因素影响,相比非岩溶区,岩溶地区SOC分布具有更为强烈的空间异质性,增加了区域碳汇评估的难度[3]. 目前,省域尺度[6,7]、流域尺度[3,8,9]和样地尺度[10,11]的SOC研究已广泛报道,谷佳慧等[12]以图幅调查发现,云南广南表层SOC含量高于非岩溶区;肖筱怡等[13]和方芳等[14]在广西桂林的研究认为,岩溶区水稻田、柑橘园和玉米地的SOC含量均高于非岩溶区. Zhu等[15]对岩溶和非岩溶区人工造林地的对比分析发现,植树造林前期非岩溶区土壤碳含量高于岩溶区,但随着年限延长,岩溶区具有更为持久的碳固持能力. 土地利用和石漠化影响下的SOC空间分异研究较为普遍[16 ~ 19];不同土地利用方式上,岩溶和非岩溶地区均表现为林地、灌木地和草地SOC比耕地富集,主要是林草地有更多的凋落物和根系输入土壤,为SOC累积提供了充足的外源碳;另外,石漠化过程也会显著影响区域SOC含量及分布,陈飞[8]认为,石漠化等级越低,植被生长状态越好,SOC越高;反之,石漠化加剧将促使SOC丧失. 刘方等[20]认为,岩溶区植被遭受严重破坏时,基岩大面积裸露,土壤数量和有机碳等养分逐步流失,随着石漠化程度的加剧,SOC下降显著;而王霖娇等[16]和盛茂银等[21]研究发现,石漠化区SOC含量的演变并不随石漠化程度的加剧而一直退化,随着石漠化等级不断增加,裸露岩石对大气沉降养分和岩溶产物的聚集效应逐渐凸显,重度石漠化环境下SOC反而得到明显改善.
综上,目前的研究虽然解释了岩溶与非岩溶区、不同土地类型和石漠化环境下SOC的空间差异,但研究多集中在样地或流域尺度,受调查样本的限制,区域SOC评估的精确性和准确性还有待验证,尤其是以县域尺度的高密度调查研究尚未涉及. 因此,本研究以滇东南石漠化相对严重的文山市为例,按照1 km×1 km网格布点采样,探讨岩溶与非岩溶区SOC含量、密度和储量的差异,明确县域尺度SOC的空间分异及土地利用方式、石漠化和土壤理化性质对SOC的影响,以期为岩溶地区土壤碳库的精确评估和制定土壤碳汇管理措施提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于云南省东南部文山壮族苗族自治州文山市(图 1),地理位置:103°43′~104°27′E,23°06′~23°44′N. 全市总面积2 967.17 km2,本研究使用1∶20万区域地质图提取的裸露型碳酸盐数据,确定文山市岩溶区面积为2 126.31 km2,占国土面积的71.66%,属于滇东南地区典型岩溶县;非岩溶区面积840.86 km2,占国土面积的28.34%,主要分布在文山市西部地区. 文山市地势总体西高东低,最高海拔2 974 m,最低海拔627 m,相对高差2 347 m,岩溶地貌广泛分布,属滇东南典型的岩溶峰丛洼地地貌. 根据第二次全国土壤普查数据,文山市分布有棕壤、黄棕壤、黄壤、红壤、赤红壤、水稻土、石灰土和紫色土等8个土类. 区内年平均气温18.4 ℃,年均降雨量1 187.8 mm,处于中亚热带季风气候区.
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图 1 研究区地理位置示意 Fig. 1 Geographical location of the study area |
根据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258-2014)[22],按照1 km×1 km网格采集0~20 cm表层土壤样品,采样密度为1个点·km-2;为减少随机误差的影响,根据现场地形地貌条件,在主采样点附近100 m范围内等量采取2~4个分样混合后,四分法留取1.00~1.50 kg土壤样品,并记录主采样点的经纬度坐标、海拔以及周围土地利用类型和石漠化状况等信息;2016年7月至2017年2月共采集土壤样品2 921个. 样品采集后进行自然风干,碾碎过20目孔筛,装瓶在阴凉环境下保存,将4 km2大格内样品等量组合成一个分析样,共计716个. 样品测试由安徽省地质实验研究所完成,采用重铬酸钾-外加热法测定SOC含量,蒸馏水浸提-酸度计测定土壤pH值,凯氏氮容量法测定土壤总氮(total nitrogen,TN)含量,X射线荧光光谱法测定土壤总磷(total phosphorus,TP)含量.
1.3 石漠化遥感解译数据来源及处理本研究使用的遥感影像来源于Google earth engine云平台,获取的Landsat8 OLI影像时间为2017年12月,影像空间分辨率30 m,云量小于1%;影像通过辐射定标、大气校正、几何校正和图像增强等预处理. 石漠化信息提取采用人机交互解译法,根据遥感影像的光谱、纹理、色调及形状等特征,在岩溶地区建立石漠化遥感解译判读标志;并通过波段运算提取文山市归一化植被指数和归一化岩石指数,进一步计算植被覆盖率和基岩裸露率[20],综合后形成石漠化提取信息(表 1);之后结合前期野外调查数据进行石漠化解译数据修正,结合地形、坡度、坡向和土地利用类型分析,重新选取不同等级石漠化影像特征标志进行解译,综合解译准确率达90.91%.
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表 1 文山市石漠化等级划分及遥感影像判读标志 Table 1 Karst rocky desertification grade and interpretation signs of remote sensing image in Wenshan County |
目前石漠化等级存在众多划分方法,主要依据基岩裸露、植被和土被覆盖条件、坡度、土壤厚度等因素进行石漠化等级划分[23 ~ 25]. 本研究结合实际情况,选择植被覆盖率、基岩裸露率作为研究区石漠化分级指标,将文山市石漠化划分为无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和重度石漠化这5个等级,其中石漠化面积为轻度、中度和重度石漠化面积之和[26].
1.4 数据处理与分析SOC密度计算公式如下[22]:
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(1) |
式中,SOCD为SOC密度(kg·m-2),D为土壤深度(cm),ρ为土壤容重(g·cm-3),C为SOC含量(%),T为土壤中直径大于2 mm的砾石占比(%),本调查中土壤的砾石粒径均小于2 mm,因此T取值为0[27]. 因调查缺失土壤容重数据,参考已有研究[28],土壤容重使用以下公式计算:
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(2) |
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(3) |
SOC储量计算公式如下:
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(4) |
式中,SCR为SOC储量(t),SOCDi为采样点i有机碳密度(kg·m-2),Ai为采样点所在网格面积(m2).
采用地理探测器中的单因子探测和交互作用探测,分析土地利用、石漠化、海拔、土壤容重、pH、TN、TP、土壤碳氮比(C/N)、土壤碳磷比(C/P)和土壤氮磷比(N/P)等影响因素对SOC空间分异的影响. 在因子探测时通过q值大小来度量单个影响因素对研究区SOC空间分异的驱动力度,其取值范围为0~1,q值越大表明影响因素对SOC空间分异的影响越大. 交互作用探测用于识别两个影响因素对SOC的解释力强弱,可分为非线性减弱、单因子非线性较弱、双因子增强、独立和非线性增强这5类[29].
1.5 数据分析与制图采用Excel 2010、SPSS 13.0、ArcGIS 10.6和Origin 2022软件对数据进行处理和作图. SOC含量、密度和储量数据在岩溶区与非岩溶区比较时,使用T检验法检验其差异显著性(P < 0.05);不同土地利用方式和不同等级石漠化区SOC比较时,使用多重比较LSD法检验其差异显著性(P < 0.05). 使用Pearson分析SOC和海拔及土壤理化性质的相关性,运用ArcGIS 10.6的克里金插值法绘制SOC含量、密度及储量的空间分布图,使用Origin 2022绘制影响因子交互作用图.
2 结果与分析 2.1 文山市表层SOC总体分布特征统计显示,文山市非岩溶区0~20 cm土层中的ω(SOC)和SOC密度均大于岩溶区,其平均值分别为20.88 g·kg-1和4.93 kg·m-2,高出岩溶区27.94%和23.55%(表 2). 空间分布显示(图 2),SOC含量、SOC密度和储量均呈现西部高、中北部低的特征;在薄竹镇南部、坝心乡西部和小街镇北部等文山国家自然保护区,ω(SOC)、SOC密度和储量分别在40.0~65.0 g·kg-1、9.5~13.5 kg·m-2和35.0万~55.0万t,显著高于红甸乡、卧龙街道和马塘镇等农业活动相对集中的地区. 文山市表层SOC储量为1 261.90万t,其中岩溶区因其面积占全市国土空间的71.66%,其储量为858.39万t,高出非岩溶区1.13倍;但从SOC密度平均值来看,岩溶区仅为4.10 kg·m-2,比非岩溶区低7.35%;其中在小街镇等森林覆盖面积较大的地区,SOC密度高达6.38 kg·m-2,虽然该区非岩溶区面积小于岩溶区,但SOC储量高于非岩溶区,表明文山市非岩溶区表层土壤具有更大的固碳能力.
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表 2 文山市不同乡镇0~20 cm土层SOC含量、SOC密度和SOC储量统计 Table 2 Statistics of SOC content, SOC density and SOC storage in 0-20 cm soil layer in different towns of Wenshan County |
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图 2 文山市0~20 cm土层SOC含量、SOC密度和SOC储量空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of SOC content, SOC density, and SOC storage in 0-20 cm soil layer in Wenshan County |
不同土地利用方式下ω(SOC)存在明显差异,总体表现为:灌木林地(24.58 g·kg-1) > 草地(20.92 g·kg-1) > 有林地(20.52 g·kg-1) > 园地(19.89 g·kg-1) > 其他林地(18.87 g·kg-1) > 旱地(16.16 g·kg-1) > 水田(15.58 g·kg-1). 其中灌木林地、草地和有林地SOC含量显著大于旱地和水田(26.98%~57.78%,P < 0.01,表 3),表明受人类活动干扰较少的土地利用类型区具有更高的SOC含量. 非岩溶区各土地类型中的SOC含量均高于岩溶区,其中在灌木林地、其他林地和草地,非岩溶区SOC含量高出岩溶区35.95%,而在水田、旱地和园地,非岩溶区SOC含量高出岩溶区10.50%~16.26%,说明非岩溶区相对岩溶区SOC的高累积现象更多体现在凋落物输入较大的林地和草地等土地类型中.
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表 3 文山市不同土地利用方式下0~20 cm土层SOC含量统计1) Table 3 Statistics of SOC content in 0-20 cm soil layer under different land use types in Wenshan County |
2.3 不同等级石漠化区SOC差异
文山市2017年石漠化面积为837.00 km2,其中轻度、中度和重度石漠化面积分别为639.64、176.30和21.06 km2,轻度石漠化面积占石漠化总面积的76.42%,主要分布在文山市北部和中东部地区(图 3). 对比分析SOC和石漠化的空间分布(图 2和图 3),发现文山市ω(SOC)在8.00~15.00 g·kg-1的地区与石漠化分布区域较好重叠. 进一步分析不同等级石漠化区的SOC含量差异(表 4),显示轻度、中度和重度石漠化区ω(SOC)平均值分别为15.55、15.19和12.98 g·kg-1,显著低于无石漠化区(17.82 g·kg-1,P < 0.01)和潜在石漠化区(17.34 g·kg-1,P < 0.01),其中重度石漠化区SOC含量相比无石漠化区和潜在石漠化区分别显著降低37.29%和33.59%(P < 0.01),表明文山市石漠化程度加重将加速表层SOC损失.
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图 3 文山市石漠化空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of rocky desertification in Wenshan County |
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表 4 文山市石漠化区不同土地利用方式下0~20 cm土层SOC含量统计1) Table 4 Statistics of SOC content in 0-20 cm soil layer under different land use types in rocky desertification area in Wenshan County |
随着石漠化严重程度减轻,SOC含量也逐步增加,这种增加量在灌木林地表现最为明显. 研究显示在重度石漠化区灌木林地的ω(SOC)仅为14.84 g·kg-1(表 4),随着石漠化问题逐步向中度、轻度、潜在和无石漠化改善时,SOC含量分别增加了6.13%、24.39%、52.90%和69.54%,表明文山市灌木林地的恢复对于改善石漠化问题和提升表层SOC水平具有重要作用.
2.4 SOC空间分异影响因素分析单因子探测结果显示,TN、海拔、土壤容重、C/P、石漠化和N/P是解释SOC的主要影响因子,其中TN对SOC空间分异的解释力(Q值)超过0.70,其次为海拔、土壤容重和C/P,其对有机碳的空间分异解释力超过0.30(表 5). 交互作用探测结果表明,任意两个影响因子协同对SOC空间分异的解释能力明显高于单因子的作用,呈现双因子增强或非线性增强的特征(图 4);其中TN与各因子交互后对SOC的解释力均在0.70以上;其次TP和C/P、N/P的交互作用对其解释力也较强,表明土壤氮、磷等养分状况对SOC有重要影响. 相比土地利用和石漠化等人为影响因子,海拔作为外部环境影响因子对SOC的空间分异具有更强的解释能力,表明地理环境在驱动SOC形成和分布的重要性. Pearson相关分析显示,SOC与TN、TP、C/N、C/P、N/P及海拔呈显著正相关,而与pH、土壤容重呈显著负相关(表 6). 无论单因子探测、交互因子探测或者相关性分析,岩溶区各影响因子对SOC的解释能力均低于非岩溶区,表明多因素协同研究对于分析复杂岩溶环境下的SOC空间变异十分必要.
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表 5 文山市0~20 cm土层SOC空间分异的单因子探测分析1) Table 5 Single factor analysis of SOC spatial partitioning in 0-20 cm soil layer in Wenshan County |
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X1~X10依次表示土地利用、石漠化、海拔、土壤容重、pH、TN、TP、C/N、C/P和N/P;*表示双因子增强,**表示非线性增强 图 4 文山市0~20 cm土层SOC影响因子交互作用探测结果 Fig. 4 Interaction detection results of SOC influencing factors in 0-20 cm soil layer in Wenshan County |
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表 6 文山市0~20 cm土层SOC与海拔及土壤理化性质的相关性分析1) Table 6 Correlation analysis of SOC in 0-20 cm soil layer with elevation and soil physicochemical properties in Wenshan County |
3 讨论 3.1 文山市表层SOC空间分异特征
通过对文山市进行网格化的高密度土样采样,研究发现文山市岩溶区ω(SOC)平均值为16.32 g·kg-1,低于非岩溶区(20.88 g·kg-1),与之前在西南地区的研究相反;比如钟聪等[7]和方芳等[14]研究认为广西岩溶区表层ω(SOC)在17.23~42.52 g·kg-1,高于非岩溶区(13.88~25.99 g·kg-1). Zhu等[15]通过野外调查和资料收集,发现西南岩溶区ω(SOC)平均值在29.15 g·kg-1,显著高于非岩溶区(18.40 g·kg-1). 另外,黄先飞等[30]在贵州(15.44~47.41 g·kg-1),邵晗等[31]在云南(16.22~44.23 g·kg-1)的研究均认为岩溶区具有较高的SOC含量.
本研究结果与之前研究不一致,可能是文山市处于云南石漠化较为严重的地区[32 ~ 34],超过30%的采样点位于轻度以上石漠化区. 有研究认为[20,35],石漠化地区地表植被遭到破坏,外源有机碳输入减少;同时,植物的减少致使土壤表层丧失保护作用,导致其受侵蚀风险加强,促进了表层土壤有机质和养分流失. 而在非岩溶区,土壤呈连续分布,植被生长相对较好,地表动植物残体相对聚集,可为土壤提供相对充足的碳源[35]. 从空间分布来看(图 2),文山市SOC低值区主要分布在红甸乡、德厚镇、马塘镇和卧龙街道等文山市中北部地区,该区域也是石漠化严重区域;而SOC高值区位于文山市西部等非岩溶区,土层深厚且乔灌植被生长茂盛,土壤中外源碳输入高于北部和中东部岩溶区,显示了文山市非岩溶区具有良好的土壤固碳能力. 研究证实了县域尺度高密度采样对于精确评估岩溶与岩溶区SOC库水平的重要性.
3.2 土地利用方式和石漠化条件下SOC的空间差异不同土地利用方式下的植被类型差异决定了归还土壤的凋落物和根系分泌物的数量和质量,进而影响SOC含量[36,37]. 本研究表明,无论在岩溶区还是非岩溶区,灌木林地、有林地和草地表层SOC含量均大于水田和旱地. 这与黄先飞等[30]、白义鑫等[36]和邵晗等[31]研究的结果一致. 林灌草地受人为干扰少,生态系统稳定,尤其是林地和灌木,每年有大量的凋落物富集在表土层,利于SOC累积[36];而且林地根系生物量较大,根系活动及分泌物有助于土壤团聚体形成,增强了SOC的物理保护作用[11]. 相反,水田和旱地中的农作物会定期收割,地表凋落物数量有限,同时传统的耕作方式破坏了土壤的团聚体结构,影响SOC的物理稳定性,进而促进土壤微生物对其分解利用,致使耕地SOC相对减少[38].
本研究显示无石漠化和潜在石漠化区SOC含量高于轻度、中度和重度石漠化区,体现了石漠化发展过程与土壤退化的一致性关系,这与王纳伟等[35]、魏兴琥等[39]和王兴富等[40]研究的结果一致. 石漠化地区由于植被破坏、土壤侵蚀严重、土层稀薄及养分含量低等不利因素的共同作用,很大程度上限制了SOC的积累和稳定. 相反,石漠化程度较轻的地区,植被生存环境相对较好,物种多样性更加丰富,SOC含量会高于石漠化严重地区[41]. 研究显示随着石漠化程度降低,SOC含量也逐步增加,尤其是灌木林地SOC增加最为显著,表明灌木林地恢复对于改善石漠化区SOC水平有重要作用.
3.3 文山市SOC空间分异的影响因素本研究显示在单因子探测中,TN对SOC的解释力最为突出,且两者显著正相关(表 5和表 6),表明土壤中碳与氮元素存在强烈的耦合关系. 外源氮输入能促使植物叶片增大,增加叶片有机碳并降低凋落物碳氮比,进而促进凋落物分解和土壤腐殖质形成[42,43]. 另外,土壤中氮素富集可以抑制微生物对SOC矿化和土壤呼吸,利于SOC含量提升[44]. 海拔和土壤容重对SOC也具有较强的单因子解释力,其中海拔与SOC呈显著负相关性,土壤容重与SOC呈显著负相关. 海拔对土壤所处区域的水热条件具有调控作用,海拔越高,土壤温度越低、湿度越大,有机质的矿化速率和微生物活性变慢,利于有机质累积[27,45]. 土壤容重影响土壤透气、持水和入渗能力,容重较低的土壤疏松多孔,分布较多大团聚体,利于土壤微生物活动和植物根系发育,因此SOC含量较高[46,47].
从交互作用探测结果来看,TN与其他影响因子协同对SOC产生双因子增强或非线性增强影响,尤其是TN与C/N的交互作用对SOC解释力超过0.90. C/N可在一定程度上影响微生物活性,常用来指示SOC的分解或累积,较低C/N有利于微生物对有机质分解,反之微生物在分解有机质过程中存在氮限制,从而有利于SOC保存[48,49]. 另外,TP与C/P交互作用对SOC的解释力也较强;在亚热带和热带森林的研究认为[50,51],土壤氮素相对富集,而磷是限制微生物生物量的主要元素,磷添加可减少微生物从土壤有机质中获取磷,并能改善土壤微生物群落结构和真菌/细菌比,进而减少微生物对SOC的分解. 较低的C/P有助于微生物在分解有机质过程中释放有效磷进入土壤,促进植物生长;而C/P较高,微生物会出现磷限制,进而与植物竞争土壤磷,抑制植物生长.
本研究显示,岩溶区各影响因子对SOC的解释能力均低于非岩溶区,可能原因是文山市作为石漠化较为严重的地区,土壤环境的空间异质性较大,土壤养分流失也较快. 研究发现石漠化作为影响因子对SOC有显著影响,其与TN交互作用对SOC的解释力达到0.75,而岩溶区ω(TN)为1.54~2.10 g·kg-1,分别低于非岩溶区11.47%~27.25%,同时也低于之前在西南岩溶区的研究(4.71~13.80 g·kg-1)[15,52],这表明文山市石漠化区土壤可能存在氮限制,这将进一步影响植物生长和微生物活动,进而限制SOC形成. 另外,海拔作为外部环境因子,其在岩溶区对SOC的解释力低于非岩溶区,其原因是文山市非岩溶区主要分布在西部,采样点平均海拔1 642.47 m,而岩溶区分布在北部和中东部,采样点平均海拔1 536.78 m. 在高海拔区,温度较低,枯枝落叶和腐殖质不易被微生物分解利用,且受人类活动的干预较少,土壤中的有机质能最大限度保留下来;而在低海拔区,水热条件不仅有利于微生物对有机碳的分解利用,而且植物的群落结构和物种丰富度也不如非岩溶区,加上低海拔区人为扰动频繁,进一步加速了岩溶区SOC的分解. 因此,文山市应在高海拔的西部非岩溶区,维持林地和灌木地的保护,稳定现有SOC储量;而在北部和中东部低海拔岩溶区,应积极开展石漠化生态修复,实施坡耕地退耕还林、封山育林和植树造林等工程措施,优化土地利用结构;同时在水田、旱地实施秸秆还田、免耕或少耕等管理措施,提升SOC库水平.
4 结论文山市0~20 cm表层SOC、密度和储量均呈现西部高、中北部低的分布格局,其中非岩溶区SOC含量显著高于岩溶区;不同土地利用方式下SOC含量差异显著,在岩溶和非岩溶区均表现为灌木林地 > 草地 > 有林地 > 园地 > 其他林地 > 旱地 > 水田;文山市石漠化主要分布在北部和中东部地区,与SOC低值区分布具有一致性,随着石漠化程度加剧,表层SOC逐步下降,体现了石漠化发展过程与土壤退化的一致性关系. 地理探测器分析表明,TN是SOC的空间分异主要影响因子,其次为海拔、土壤容重和C/P;同时,TN与C/N、TP与C/P交互作用对SOC的解释能力较强;然而由于石漠化的影响,文山市岩溶区土壤可能存在氮限制,这导致上述影响因子对SOC的解释能力低于非岩溶区.
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