2024, Vol. 45
2. 西北农林科技大学农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100;
4. 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100
, YAN Yu-yang1 , ZHANG Xin-ran1 , ZHANG Chu-tian1,2 , GENG Zeng-chao1,2 , HU Fei-nan3,4 , XU Chen-yang1,2
2. Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;
3. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;
4. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China
土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）对地球碳循环和土壤肥力具有极其重要意义, 占地球陆域碳循环总碳量的80%[1, 2]. SOC库是陆地表面最大的碳库, 全球陆地生态系统中1 m土壤深度内SOC储量是生物碳储量的3倍, 大气碳储量的2倍[3].作为全球碳循环的关键组成部分, 土壤碳库的微小变化可能导致土壤与大气之间温室气体通量的巨大变化, 对调节全球气候变化-碳循环反馈过程产生深刻影响[4].因此, 调控土壤碳汇功能是实现碳中和目标和缓解全球气候变化的重要实现途径.目前关于全球SOC库分布及演变有较多研究, Zhang等[5]研究了1980~2020年中国SOC库的变化情况, 发现在过去40 a中国SOC库表现出了碳汇, 我国SOC含量较高的区域主要分布在青藏高原东南部和东北地区, 碳含量较低的区域则主要集中在荒漠和沙地分布较多的西北干旱区.
SOC含量及空间分布受到地形（海拔和坡度等）、气候条件、土地利用类型和植被覆盖等多种因素的调控[6~8], 在小范围内, 土壤质地和养分含量也对SOC含量的变化和分布产生影响[9~11].不同的土地利用管理方式会导致植被生产力和土壤理化性质的差异, 而这些差异与土壤碳储量的变化密切相关[12].海拔和坡度等地形特征控制着水热条件的分布, 从而间接影响SOC分解速率[13].气候变量, 如降水和温度, 通过影响植被的分布和生长, 主导SOC的空间分布[14].陕西省按照气候类型分为陕北干旱区、关中和陕南湿润区, 3个区域的温度和湿度状态存在较大差异；而这些因素与SOC含量动态变化和分布关系密切.
SOC可以提高土壤保水保肥性能, 促进耕地土壤高产稳产[15, 16].以往陕西省SOC的研究主要集中耕层[17~19], 关于耕层以下土层SOC含量以及空间分布相对变化情况研究较少, 且已有研究尚缺乏对陕西省SOC含量与成土因子（地形因子、气候条件、植被状况、土地利用和土壤性质等因素）之间相互影响关系的系统分析.因此有必要对陕西省SOC库的时空分布变化和影响因素进行研究, 以促进对土壤碳库动态变化和全球碳循环的认识.
本研究以陕西省为研究区域, 收集了20世纪80年代和21世纪10年代的共540个土壤剖面数据, 分析陕西省SOC含量时间和空间分布特征, 探讨地形、气候、土地利用、植被状况和土壤理化性质等成土因子与SOC含量的关系, 研究区域尺度范围内水热状况差异较大地区的SOC空间变化特征.伴随国家战略对碳汇的需求, 研究近30年陕西省SOC含量变化特征可以对区域内未来的碳管理措施提供参考和建议.
1 材料与方法 1.1 研究区概况陕西省位于我国西北部, 地域南北狭长, 西北窄, 南北长约880 km、东西长约160~490 km, 总面积20.58万km2, 占我国总面积的2.14%（图 1）.陕西省平均海拔1 127 m, 地势总体呈现出是南北高, 中部低的特点, 从北向南可分为陕北高原、关中平原和秦巴山区3个地貌区, 陕北、关中和陕南海拔分别为800~1 700、320~800和200~3 000 m, 区域主要山脉有秦岭和太白山等.陕西省平均年降水量为576.9 mm, 年平均气温为13.0 ℃, 由于南北狭长, 因此南北气候存在较大差异（表 1）, 从北向南依次属于温带气候、暖温带气候和亚热带气候.全省温度自北向南、自西向东递增, 陕北、关中和陕南年平均气温分别为7~12、12~14和14~16 ℃[20].陕西省内土壤类型丰富, 陕北代表性土壤类型有淡栗钙土和风沙土等；关中代表性土壤有褐土和黑垆土等；陕南代表性土壤有黄棕壤和黄褐土等.
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图 1 研究区位置示意 Fig. 1 Location of the study area |
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表 1 本研究各区域样点数及环境因子变化情况 Table 1 Changes in sample number and environmental variables in each region |
1.2 研究方法 1.2.1 数据来源及预处理
（1）本研究土壤数据来自20世纪80年代全国第二次土壤普查数据汇总资料——《陕西土种志》[21]和《陕西土壤》[22], SOC剖面数据为377个, 共22个土类.21世纪10年代土壤剖面数据来自陕西省土系调查成果——《中国土系志·陕西卷》[23], SOC剖面数据为163个, 共17个土类. 为便于表述及结果描述, 本文将全国第二次土壤普查数据记为1985年数据, 将土系志调查成果数据记为2015年数据.
每个土壤剖面包括：剖面厚度、有机质含量、容重、pH以及土地利用类型数据. SOC含量用有机质含量乘以0.58来表示.第二次土壤普查和土系调查中土壤剖面均按照土壤发生层采样, 层次及深度参差不齐.为方便分析对比, 本研究使用厚度加权平均法[24]对两期土壤剖面发生层次碳数据进行等间隔转换, 将其转换为0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm.当土壤实际深度小于100 cm, 则土壤实际深度以下部分SOC含量被认为是零；当土壤实际深度大于100 cm, 则取前1 m计算[25].
（2）地形因子数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）的DEM数据（digital elevation model, 数字高程模型）, 分辨率为30 m, 海拔、坡度、坡向和曲率均提取自DEM数据.
（3）气候数据为1980~1989年和2014~2015年1 km分辨率的年平均降水量和年平均温度数据, 取其平均值, 数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心资源环境数据云平台（http://www.resdc.cn）.
（4）归一化植被指数（NDVI）为1981~1985年8 km分辨率的NDVI数据, 来源于中国科学院资源环境科学与数据中心资源环境数据云平台（http://www.resdc.cn）和2015~2016年500 m分辨率的MODND1M中国NDVI合成产品, 来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）.使用ArcGIS 10.3将所有环境变量栅格数据统一分辨率为100 m并提取至样点.
1.2.2 数据统计分析使用Excel进行数据汇总整理, 采用SPSS 26软件分析SOC含量数据均值和标准误, 使用单因素方差分析和Duncan检验的两两多重比较（P < 0.05）, 比较不同区域SOC含量差异的显著性.并对SOC含量与地形因素（海拔、坡度、坡向和曲率）、气候因素（年平均降水量和年平均温度）、土地利用类型、植被状况（归一化植被指数）和土壤性质（容重、全氮含量和pH）等因子的相关性进行分析, 进一步使用Amos 26进行路径分析, 识别各因子对SOC含量影响的路径及强度.使用Origin 2021软件绘制图形.
2 结果与分析 2.1 陕西土壤有机碳的时空变化特征陕西省1985年和2015年不同区域SOC含量的剖面分布如图 2所示.从中可以看出, 1985年和2015年各区域SOC含量整体上呈现出随着土壤深度的增加而减小的趋势, 均在表层SOC含量最高.总体来看, 同一土层中, 陕北SOC含量最低, 关中和陕南SOC含量差异不显著.1985年陕北地区60~100 cm土层的SOC含量高于关中和陕南地区, 而2015年陕北地区60~100 cm则显著低于关中和陕南, 与1985年相比, 2015年陕北地区60~80 cm和80~100 cm SOC含量分别下降了39.60%和32.60%.
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图 2 1985年和2015年陕西省各区域剖面SOC含量变化特征 Fig. 2 Changes in SOC content in various regional sections of Shaanxi Province in 1985 and 2015 |
不同时期各区域SOC含量如图 3（a）所示.从中可以看出, 1985年各区域ω（SOC）表现为：关中（5.69 g·kg-1） > 陕南（5.39 g·kg-1） > 陕北（4.28 g·kg-1）.在2015年, 关中（6.56 g·kg-1）和陕南（6.53 g·kg-1）的ω（SOC）差异不显著, 但关中和陕南ω（SOC）显著高于陕北（3.85 g·kg-1）.与1985年SOC含量相比, 2015年陕北SOC含量小幅度下降, 降幅为10.23%, 关中和陕南SOC含量分别上升了15.33%和21.28%.
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图 3 1985年和2015年陕西省SOC含量在区域和土层间的变化差异 Fig. 3 Changes in SOC content between regions and soil layers of Shaanxi Province in 1985 and 2015 |
从图 3（b）可以看出2015年各土层SOC含量均高于1985年SOC含量, 但差异水平不显著.1985年研究区SOC含量呈现出随着土壤深度的增加而减小的趋势, 0~100 cm土层ω（SOC）变化范围为2.94~9.48 g·kg-1. 2015年各土层SOC含量随着土壤深度的变化呈现出与1985年相同的规律, 表层（0~20 cm）ω（SOC）最高（10.31 g·kg-1）, 占0~100 cm总体SOC含量的35.94%.不同土层SOC含量随时间变化增幅不同；伴随剖面深度增加, 0~100 cm各土层从上到下SOC含量增幅依次为8.66%、3.21%、11.76%、14.84%和29.39%.
2.2 陕西省不同土壤类型的有机碳含量变化陕西省1985年和2015年不同土壤类型SOC含量统计数据如表 2和表 3所示.从中可以看出, 1985年不同土壤类型的ω（SOC）介于1.28~22.90 g·kg-1之间（表 2）, 以暗棕壤SOC含量最高, 其次是亚高山草甸土, 石质土的SOC含量最低, 均与其余类型SOC含量差异显著（P < 0.05）. 2015年SOC含量最高的土壤类型为棕壤, 最低的为风沙土（表 3）.黄绵土、褐土和风沙土是陕西省主要土壤类型, 在1985年和2015年其SOC含量大小均为：褐土 > 黄绵土 > 风沙土, 且主要土壤类型中SOC含量均随着时间变化呈现出增加的趋势.与1985年相比, 2015年SOC含量增幅最大的土壤类型为粗骨土（118.75%）, 其次为新积土（64.92%）, 这两种土类分别主要分布在陕北和关中地区, 其余土壤类型的增加或降低幅度较小.
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表 2 1985年陕西省各土壤类型SOC含量统计分析1） Table 2 Statistical analysis of SOC content in different soil types in Shaanxi Province in 1985 |
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表 3 陕西省2015年各土壤类型SOC含量统计分析1） Table 3 Statistical analysis of SOC content in different soil types in Shaanxi Province in 2015 |
2.3 陕西省土壤有机碳与环境变量的相关关系
SOC含量与环境变量的相互关系如图 4所示, 海拔对SOC含量有显著的正向影响（P < 0.05）, 与坡度和坡向的相关关系不显著, 但存在随着坡度升高而增加的趋势；SOC含量随着曲率的增加而呈现显著减小的趋势（P < 0.01）；气候因子中年平均降水量与SOC含量呈现极显著正相关关系（P < 0.01）；而SOC含量随着年平均温度增加呈现减小的趋势, 但不显著；不同土地利用类型对SOC含量的影响不显著；而SOC含量随着归一化植被指数的增加而极显著增加（P < 0.01）；土壤性质中全氮含量与SOC含量存在极显著正相关关系（P < 0.01）, 且与全氮含量相关系数最高, 为0.75；容重和pH与SOC含量均达到极显著水平（P < 0.01）, SOC含量随着土壤容重和pH的增加而极显著减小.
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1.SOC（土壤有机碳）, 2.Altitude（海拔）, 3.Slope（坡度）, 4.SD（坡向）, 5.Curvature（曲率）, 6.MAP（年平均降水量）, 7.MAT（年平均温度）, 8.LUT（土地利用类型）, 9.NDVI（归一化植被指数）, 10.TN（全氮）, 11.BD（容重）, 12.pH；**表示P < 0.01, *表示P < 0.05 图 4 SOC含量与各因子之间的相关关系 Fig. 4 Correlation between SOC content and various factors |
图 5为陕西省SOC含量影响因子的路径分析结果.从中可以看出, 海拔对SOC含量有显著的正向影响, 曲率存在负向影响；年平均降水量对SOC含量有负向的影响, 归一化植被指数存在正向的影响；全氮含量对SOC含量有极显著正效应影响；而容重对土壤年均气温存在负效应影响；pH存在显著的负向影响.各因子的总作用系数由大到小分别为：全氮（0.74）、pH（-0.11）、年均降水量（0.08）、海拔（0.06）、归一化植被指数（0.02）、容重（-0.01）和曲率（-0.01）, 全氮的直接作用路径系数最高（0.73）, pH次之（-0.11）, 其次是海拔（0.08）.
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实线表示正相关关系, 虚线表示负相关关系, 箭头上的数字为标准化的路径系数, 线的粗度表示路径系数相对大小；**表示P < 0.01, *表示P < 0.05 图 5 陕西省SOC含量影响因子的路径分析 Fig. 5 Path analysis of influencing factors of SOC content in Shaanxi Province |
1985年和2015年陕西省SOC含量大小均表现为：关中 > 陕南 > 陕北, 关中和陕南SOC含量差异不显著, 但都显著高于陕北[图 3（a）], 这与以陕西省第二次土壤普查数据为主要资料对SOC密度分布进行研究得到密度较大的区域主要是在关中地区, 陕南次之, 陕北最低的结论相一致[26].关中是主要的粮食产区[27], 农业集约化程度较高[28], 且土层深厚, 长期耕作使得该区域SOC含量较高.与1985年SOC含量相比, 2015年关中和陕南SOC含量均呈现出增大的趋势, 增幅分别为15.33%和21.28%, 这与以往研究中发现1985~2015年陕西黄土台塬SOC密度增加的趋势一致[17].而陕北SOC含量小幅度下降, 降幅为10.23%[图 3（a）], 这可能与陕北地区土地利用类型变化有关.近30年陕北地区土地利用类型变化主要表现为耕地和未利用地的快速减少, 建设用地和林地的快速增加[29].与1980年相比, 2015年陕北耕地和未利用地面积减少702 km2和1 371 km2, 林地面积增加1 209 km2, 且伴随人口增长陕北开发利用强度加大, 建设用地增加537 km2[30].建设用地不断扩张, 耕地面积大幅度减少导致陕北地区SOC含量下降.另外, 造林并不总是增加SOC含量, 造林对SOC的影响取决于本底土壤碳含量；在本底值丰富的区域, 造林会降低SOC含量, 尤其是深层土壤[31].1985年和2015年陕西省各区域SOC含量均呈现出随着土壤深度的增加而减小的趋势（图 2）, 这与杨黎芳等[24]对半干旱区SOC含量的剖面分布进行研究得出SOC含量表层最高, 随着深度增加而减小的规律相同.同时本研究发现从1985年到2015年, 0~100 cm各土层SOC含量均表现出不同程度的增加, 其中底层SOC含量增幅最高, 为29.39%.这与Yan等[32]研究我国农田土壤近30 a来SOC的变化情况, 发现农田底土（20~100 cm）SOC含量增幅远高于表土（0~20 cm）的结论相似, 并推测其可能是由于底土根系周转和根系分泌下碳输入的增加所导致的.
3.2 陕西省土壤有机碳含量的影响因素本研究中地形（海拔和曲率）、气候（年均降水量）、植被覆盖状况（归一化植被指数）和土壤性质（全氮、容重和pH）对陕西省SOC含量均存在不同程度的影响, 其中全氮与SOC含量的相关性最强（图 5）.海拔对SOC含量有着极显著的正向影响, 海拔通过影响年平均降水量和植被状况直接或间接影响SOC含量（图 5）.这是因为在海拔高的区域温度较低且降水量少, 这将限制SOC的分解, 从而更有利于SOC的积累[33].而坡度对SOC含量有负向的影响, 坡度越大时通常会导致更多的水蚀, 导致表层土壤富含的有机物质损失, 从而一定程度上降低SOC含量[34].气候因素中年平均降水量对SOC含量有显著的影响（图 4）, SOC含量随着年平均降水量的增加而增加, 与对青藏高原不同气候梯度下高寒草原SOC含量变化时发现的SOC密度随着降水量的增加而增加的结论一致[35].年平均降水量通过影响植被状况和土壤pH对SOC含量产生影响, 降水量增多使得环境湿度增加, 高土壤湿度和淋滤强度增强了土壤风化和发育[36, 37], 有助于SOC累积.而归一化植被指数对SOC含量有显著正向影响, 归一化植被指数很大程度上反映了地上植被生长状况, 高的植被指数代表其上的植被盖度和林龄越大[38], 而SOC主要来源于植被在地上部分的凋落物及其地下部分根分泌物和细根周转产生的碎屑, 根系生物量被认为是土壤养分的最大贡献者[39], 高植被盖度意味着更高的地上凋落物和地下分泌物, 因此随着归一化植被指数的增加SOC含量增加.
同时本研究发现土壤性质对于SOC含量也有着深刻的影响, 全氮含量是影响SOC含量最重要的因素, 这与已有研究中发现全氮与SOC含量存在显著正相关关系的结论相一致[40, 41], 土壤全氮主要以有机态形式存在, 因此与SOC含量呈极显著相关[42].而容重对SOC含量有显著的负向影响, 这是由于土壤容重影响土壤孔隙度, 较高的容重通常伴随着较低的土壤孔隙率, 不利于有机物质有累积[43].此外, SOC含量随着pH的增加而减小（图 4和图 5）, 这是由于pH值会影响SOC分解和转化的过程, 包括SOC溶解度的降低、土壤微生物/酶活性降低等[44], 同时还会对作物根系的生长发育产生影响[45], 从而导致SOC累积, 使得SOC含量增加.
4 结论1985年和2015年陕西省SOC含量空间分布均为关中最高, 陕南次之, 陕北最低.自1985年到2015年, 关中和陕南SOC含量分别上升了15.33%和21.28%, 而陕北则下降了10.23%.与1985年相比, 2015年陕西省0~100 cm各土层SOC含量分别上升了8.66%、3.21%、11.76%、14.84%、29.39%. 1985年和2015年区域土各层之间SOC含量不同, SOC含量均随着土壤深度增加而减小. 1985年各土壤类型中暗棕壤的SOC含量最高, 2015年SOC含量最高的为棕壤.与1985年相比, 2015年SOC含量增幅最大的土壤类型为粗骨土, 其次为新积土.海拔对SOC含量存在显著影响, 曲率、年平均降水量、归一化植被指数、全氮、容重和pH则对SOC含量存在极显著影响.全氮含量是影响SOC含量最主要的调控因子, SOC含量随着全氮含量的增加极显著增加.
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