《黑龙江农业科学》 2017年08期
35-39
出版日期：2017-08-10
ISSN:1002-2767
CN:23-1204/S
武陵山脉龙山段土壤有机碳密度分布及控制机制
土壤碳包括土壤无机碳和有机碳，土壤无机碳(Soil Inorganic Carbon,SIC）相对稳定；而土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)以有机质的形式贮存于土壤中，稳定性低于无机碳，它一方面影响着土壤物理、化学和生物性状[1-2]，另一方面因土壤有机碳库数量大（全球约有1.5×1018 g[3]，是大气碳库的 2倍[4]，陆地植被的 2～3倍[5-6])，它的变动制约着全球气候的变化。土壤有机碳密度是指单位面积土壤贮存有机碳的数量，不同地方土壤有机碳密度的变化规律能表征土壤有机碳的分布规律，因而研究土壤有机碳密度对充分合理利用土地资源、缓解全球气候变化具有重要意义。本文以湘西北山区龙山县为例，探究山地地貌背景下土壤有机碳密度的分布规律及影响因子，为中南部山区资源保护和利用提供理论依据。1材料与方法1.1研究区概况龙山县位于湘、鄂、渝三省（市）边境，湖南省湘西自治州西北边陲，N28°46′～29°38′、E109°13′～109°46′，处于云贵高原之东，武陵山系东南部，总面积 299 767.4 hm2。境内最高海拔1 736.5 m，最低218.2 m，属于中亚热带山地季风气候，多年平均气温 10.4～17.0 ℃；多年平均降水量为1 046.2～1 740.0 mm，区内降雨量随海拔升高而增多。1.2数据来源本研究土壤数据源自湖南省龙山县第2次土壤普查资料，以土种为单位，按照土壤发生层分别采集227个典型剖面的土壤类型、土壤有机质含量、土层厚度、容重、砾石含量等数据。地理信息数据源自Google earth，利用Google earth软件采集相关土壤剖面所在位置的经纬度、海拔高程。气候数据采自于《湖南省龙山县农业区划报告集?不同地区气候资源简要数据表》，从中采集各典型剖面所在位置的年平均气温和年总降水量数据。1.3方法1.3.1图的绘制采用的基础图件主要包括龙山县行政区划图、龙山县土壤有机碳密度空间分布图、龙山县地形图。土壤有机碳密度空间分布图是用ArcGIS软件制作的数字矢量图形，利用Kriging最优内插法对整个区域进行插值，将插值后的有机碳密度分布图与行政区划图叠加，并进行空间统计，得到龙山县有机碳密度的空间分布图。地形图的绘制是利用Google earth软件采集对应土壤剖面所在位置的经纬度、海拔高程数据，然后将该数据导入Surfer 软件获得等高线地形图。最后，在ArcGIS系统中将等高线地形图与有机碳密度空间分布图进行空间叠加，得到龙山县土壤有机碳密度地形空间分布图。1.3.2土壤剖面有机碳密度、有机碳储量的估算方法有机碳含量由有机质含量除以1.732计算得出。部分缺少土壤容重数据的土壤剖面，其土壤剖面容重数据根据《湖南土壤》[7]提出的不同土壤类型土壤容重与有机质含量的经验公式进行估算。〖BW(S(S,,)〗〖BG(!〗〖BHDWG1*2,WK7ZQ0,WK27,WK10YQ0W〗〖TP土肥.TIF,Z〗[]黑龙江农业科学〖〗8期〖BG)Z〗〖BW)〗〖BW(D(S,,)〗〖BG(!〗〖BHDWG1*2,WK4ZQ0,WK32,WK8YQ0W〗8期[]邓飘云等：武陵山脉龙山段土壤有机碳密度分布及控制机制[]〖TP土肥.TIF,Y〗〖BG)Z〗〖BW)〗本研究中SOC密度（D）和储量（P）计算公式如下:Dj=∑SOCihiwi1 000(1－δ%)〖JY〗（1）P=∑SjDj1 000〖JY〗（2）（1）〖JP4〗式中：Di为i土种土壤有机碳密度(kg?m-2)，SOCi为土壤剖面i土层土壤有机碳含量(%)，wi为i土层土壤容重(t?m-3)，hi为土壤剖面i土层厚度(m)，i为土壤剖面土层序号，δ%为第i层中土壤砾石( 粒径＞2 mm) 的体积分数；（2）式中：P为某区域内土壤碳储量(g)，Sj为某区域内j土种据有的面积(m2)，Dj为j土种土壤有机碳密度（kg?m-2），j为土种序号。对于深度不足100 cm的剖面，根据不同的情况采用孙维侠等[8]的方法计算土壤有机碳密度。1.3.3统计分析方法数据统计分析处理和相关性分析用统计软件SPSS15.0、Excel 2007完成。2结果与分析2.1不同土壤类型有机碳密度和储量由表1可知，龙山县区域土壤包括石灰土、黄壤、红壤、黄棕壤、水稻土等8种类型，其中石灰土面积最大，为 94 142.8 hm2，占全县总面积的31.4%，菜园土总面积最小，仅 30.9 hm2。各土壤类型土壤有机碳密度在5.58～15.40 kg?m-2，平均有机碳密度为 10.61 kg?m-2，其总有机碳储量为 30 537.07×109 g。 〖FL)〗〖JZ(〗〖HTH〗表1龙山县不同土壤类型、土壤利用类型、海拔高度和土壤剖面有机碳密度及储量〖WTHZ〗Table 1Soil organic carbon density and storage in soil profiles of 0~100 cm from different types of soil,patterns of soil use,and altitudes in Longshan county〖WTBZ〗〖JZ)〗〖HT6SS〗〖BG（!SDXD;N〗〖BHDFG6*2,WK13,WK6,WK7,WK9,WK6,WK9,WKW〗项目Items〖〗面积/hm2Area〖〗面积比重/%Percentage of total area〖〗有机碳密度/（kg?m-2）Density of organic carbon〖〗变异系数/%CV〖〗有机碳储量/×109 gStorage of organic carbon〖〗有机碳储量比重/%Percentage of storage of SOC〖BHDG16,WK7,WKW〗〖SQ*2〗土壤类型Types of soil〖〗〖ZB（〗〖BHDG2,WK6,WK6,WK7,WK9,WK6,WK9,WKW〗水稻土〖〗24558.3〖〗8.2〖〗12.87 ab〖〗41.6〖〗3160.66〖〗10.35〖BHDW〗红壤〖〗51743.6〖〗17.3〖〗10.72 ab〖〗49.3〖〗5546.91〖〗18.16〖BH〗黄壤〖〗85565.7〖〗28.5〖〗11.27 ab〖〗48.1〖〗9643.26〖〗31.58〖BH〗黄棕壤〖〗40224.9〖〗13.4〖〗13.17 ab〖〗35.9〖〗5297.62〖〗17.35〖BH〗石灰土〖〗94142.8〖〗31.4〖〗7.10 ab〖〗44.4〖〗6684.14〖〗21.89〖BH〗紫色土〖〗3363.8〖〗1.1〖〗5.58 b〖〗39.4〖〗187.70〖〗0.61〖BH〗潮土〖〗137.3〖〗4.5×10-4〖〗8.76 ab〖〗52.6〖〗12.03〖〗0.04〖BH〗菜园土〖〗30.9〖〗1.0×10-4〖〗15.40 a〖〗5.9〖〗4.75〖〗0.02〖ZB）W〗〖BHDWG6〗〖SQ*2〗土地利用类型Patterns of soil use〖〗〖ZB(〗〖BHDWG2,WK6,WK6,WK7,WK9,WK6,WK9,WKW〗水田〖〗24558.3〖〗8.2〖〗12.87 a〖〗41.6〖〗3160.66〖〗10.35〖BHDW〗旱耕地〖〗33605.1〖〗11.2〖〗11.15 b〖〗51.4〖〗3746.96〖〗11.72〖BH〗山地〖〗241604.0〖〗80.6〖〗10.37 b〖〗45.1〖〗25054.33〖〗78.39〖ZB）W〗〖BHDWG8〗〖SQ*2〗海拔高度Altitudes〖〗〖ZB（〗〖BHDWG2,WK6,WK6,WK7,WK9,WK6,WK9,WKW〗＜500 m〖〗66710.8〖〗22.3〖〗10.51 a〖〗43.7〖〗7011.31〖〗18.80〖BHDW〗500～800 m〖〗148414.1〖〗49.5〖〗12.33 a〖〗45.8〖〗18299.46〖〗49.07〖BH〗800～1000 m 〖〗46584.9〖〗15.5〖〗13.61 a〖〗40.9〖〗6340.21〖〗17.00〖BH〗＞1000 m〖〗38057.6〖〗12.7〖〗14.83 a〖〗35.5〖〗5643.94〖〗15.13〖ZB）W〗〖BG）F〗不同小写字母表示在0.05水平存在显著性差异。下同。Different lowercase mean significant difference at 0.05 level.The same below.该县水稻土主要分布于海拔1 000 m以下的山间盆地及酉水河谷地带，SOC密度为12.87 kg?m-2，远高于相应土层的全县平均土壤有机碳水平（10.61 kg?m-2），其有机碳储量占全县的10.35%。红壤主要分布于本县海拔<500 m的地带，面积占全县土壤总面积的17.3%，其SOC密度为 10.72 kg?m-2，高于全县平均有机碳密度；SOC储量占全县土壤总量的比重为18.16%。黄壤主要分布在该县海拔500～800 m的地带，面积占全县土壤总面积的 28.5%，其SOC密度为11.27 kg?m-2，有机碳储量为9 643.26×109 g，占全县相应土层SOC储量的 31.58%。黄棕壤分布于该县海拔800～1 000 m的高山地带，SOC密度为13.17 kg?m-2，高于全县平均水平，其有机碳储量为5 297.62×109 g，占全县相应土层SOC储量的17.35%。石灰土面积占全县土壤总面积的31.4%，是该县的主要土壤类型。这种土壤成土时间短，其性状保有母岩的特性，并不反映地带性的土壤性状。石灰土SOC密度为7.10 kg?m-2，其SOC储量为6 684.14×109 g，占全县相应土层SOC储量的21.89%，远低于其土壤面积所占的比例（31.4%）。紫色土面积占全县土壤总面积的1.1%。总的来看，紫色土比全县平均SOC密度低，SOC密度为5.58 kg?m-2，并且其面积较小，SOC储量占全县SOC储量的0.61%，对该县土壤碳储量影响不大。潮土，总面积只有137.3 hm2，主要分布在该县酉水的近水河岸。SOC密度为8.76 kg?m-2。该县菜园土只有30.9 hm2，菜园土SOC密度高达15.40 kg?m-2。但是由于两类土壤面积都较小，其有机碳储量在该县土壤中所占比重小，对该地土壤碳储量影响很小。2.2土地利用类型与土壤有机碳密度和储量由表1可知，龙山县区域土地按照利用方式可分为水田、旱耕地、山地3类，其中山地面积占总面积的80.6%，其它两类土壤面积相差不大。3类土壤相比，SOC密度以水田最高，旱耕地其次，山地最低。2.3海拔高度与土壤有机碳密度和储量由表1可知，随着海拔升高，土壤有机碳密度有升高趋势。SOC储量主要分布于海拔500～800 m地带，其有机碳储量比重为49.07%。2.4气候因子与土壤有机碳密度本研究分别探讨了水田(样本数为111)、旱耕地(样本数为46)、山地(样本数为70)3种不同的土壤利用类型的有机碳密度与年平均气温、年总降水量之间的相关性（见表2），水田的土壤有机碳密度与年均气温、年总降水量相关系数接近于0，表明它们与气温、降水量均不相关；旱耕地SOC密度与年均气温、年总降水量分别呈显著负相关、显著正相关，说明旱耕地有机碳密度受气候因子影响大；山地SOC密度与年均气温和年总降水量分别呈不显著负相关和正相关，说明山地有机碳密度受气候因子影响较小。〖FL)〗〖JZ(〗〖HTH〗表2龙山县不同利用方式SOC密度与年均气温、年总降水量的相关系数〖WTHZ〗Table 2The correlation coefficient between soil organic carbon density and annual average temperature and total rainfall under different patterns of soil use in Longshan county〖WTBZ〗〖JZ)〗〖HT6SS〗〖BG（SDXD;N〗〖BHDFG2,WK25,WK11。2,WKW〗因素 Factor〖〗水田 Paddy fields〖〗旱耕地 Dry farmland〖〗山地 Mountain land〖BHDG2〗年平均气温 Annual average temperature〖〗-0.011〖〗-0.143*〖〗-0.156〖BHDW〗年总降雨量 Total rainfall〖〗0.032〖〗0.292*〖〗0.175〖BG）F〗2.5成土母质与土壤有机碳密度由表3可知，只有紫色砂页岩母质发育的土壤SOC密度显著低于其它母质形成的土壤，其余成土母质之间差异不显著；表明成土母质只有部分类型对SOC密度产生影响。〖FL)〗〖JZ(〗〖HTH〗表3龙山县不同成土母质SOC密度〖JZ)〗〖JZ(〗〖WTHZ〗Table 3Soil organic carbon density of different soil parent materials in Longshan county〖WTBZ〗〖JZ)〗〖HT6SS〗〖BG（SDXD;N〗〖BHDFG7,WK7，WKW〗项目Items〖〗〖ZB（〗〖BHDFG2，WKW〗土壤有机碳密度/（kg?m-2） SOC〖BHDG5,WK8*2。5,WKW〗石灰岩Limestone〖〗板页岩Plate shale〖〗砂岩Sandstone〖〗第四季红土The quaternary red earh〖〗紫色砂页岩Purple sandshale〖〗河流冲积物River alluvium〖ZB）〗〖BHDG2，WK7，WK8*2。5，WKW〗0～100 cm 〖〗10.67±7.14 a〖〗11.51±4.95 a〖〗12.05±4.88 a12.43±5.30 a〖〗6.90±2.80 b12.41±5.19 a〖BHDW〗样本数99 53 21 18 14 22 BG）2.6地形与土壤有机碳密度的空间分布由图1可知，在龙山主脉东南坡，土壤有机碳密度0~10.1 kg?m-2区域分布在洗车河谷的南北两端开阔地带，10.1~11.3 kg?m-2区域分布在东南、西南部河谷与山地间的缓坡地带，从缓坡地带向外沿坡度增大、海拔增高的方向依次呈现11.3~12.5 kg?m-2、12.5~13.7 kg?m-2区域，它们分别分布于主脉东南坡的低山、中山地带，四区域分别占总面积的4.2%、12.6%、7.8%、8.9%，在坡地中段峡谷区上述各级图斑细窄、破碎，所占比重小。在龙山主脉及界山的西北坡，从海拔400～550 m的酉水河谷盆地、600～800 m的低山地带到600～900 m的中山山原依次分布着土壤有机碳密度< 10.1 kg?m-2、12.5~13.7 kg?m-2、>13.7 kg?m-2的区域，分别占总面〖JP2〗积的3.4%、19.8%和28.6%，10.1~11.4 kg?m-2、11.4~12.5 kg?m-2区域分布零散破碎，所占比重分别为4.2%和1.3%。图1龙山县0～100 cm土层土壤有机碳密度地形空间分布图Fig.1The distribution map of soil organic carbon density of 0~100 cm soil profile based on topography in Longshan county3结论与讨论3.1土壤有机碳密度的影响因子水热条件是影响土壤有机碳密度的根本因素之一，它的影响形式表现为以下几个方面。其一，海拔高度的变化包含了水热条件的变化，对土壤有机碳密度的影响也最终体现了水热条件的不同导致的土壤生化反应的差异：海拔升高则土壤湿度增大、温度降低，土壤微生物分解有机质的活度下降，故而在保持一定有机碳输入速率的情况下土壤有机碳密度也随之增大，这也是研究区垂直地带性土壤（红壤、黄壤、黄棕壤）中土壤有机碳密度依次增大的原因。其二，不同地点年总降雨量、年均气温对土壤有机碳密度的影响：降雨量较大、年均气温较低，则土壤湿度高、温度低，土壤微生物活动较弱[9]，土壤存留有机碳较多，有机碳密度较大，相反，亦然。因此旱耕地土壤有机碳密度与年降水量、年均气温分别呈显著正相关、显著负相关。其三，表现为山脉阴阳坡相同海拔高度土壤有机碳密度的差异。研究区龙山主脉东南坡属迎风坡及向阳坡，降雨量大、气温较高，一方面雨水对坡面侵蚀作用强烈、土壤有机碳流失严重，另一方面土壤微生物活度较大、土壤有机碳分解作用强，因而土壤有机碳密度较低；相反山脉西北坡属阴坡，雨水较少、气温较低，地貌发育以山原为主，坡面侵蚀作用弱，同时土壤微生物活度较低，因而相同海拔高度土壤有机碳密度较高。这也与马文瑛[10]等关于祁连山南北坡有机碳的结论相似。人为因素也是土壤有机碳的主要影响因子。本研究中，水稻土是长期水耕形成的人为土，因土壤长期淹水而有机碳分解微弱，土壤有机碳密度高，因而受降雨、气温影响小；旱耕地受旱耕影响直接暴露，其中土壤微生物受湿度、温度影响大，所以土壤有机碳密度受年总降水量、年均气温影响程度大。受人为因素影响小的山地因地表被植被覆盖，降水、气温的影响受到植被缓冲，故其对土壤有机碳密度的影响并不显著。土壤类型综合体现了海拔、纬度等空间因子，土壤母质，人为因素的影响。研究区地带性土壤包括沿垂直方向分布的红壤、黄壤、黄棕壤，结果表明从河谷到山原依次呈现的红壤、黄壤、黄棕壤其有机碳密度也按顺序升高，这是水热因子综合作用的结果，与前人结论[11]一致。母质决定的非地带性土壤有石灰土、紫色土土壤有机碳密度都较低，这一方面是因为其实际土层较浅，另一方面也与土壤养分贫乏、植被生长较差有关。区内人为土有水稻土、潮土、菜园土，水稻土有机碳密度较高，原因在于水耕使其有机质分解速度低于积累；菜园土有机碳密度较高是由于人为施入土壤的有机质多；潮土有机碳密度较低则是因为它发育于河流冲积物，土壤颗粒较粗，有机质容易分解。3.2土壤有机碳密度的空间分布研究区境内的地貌主要由东北-西南走向的龙山主脉及其西北、东南两侧的山原、山地、河谷组成。有机碳密度以位于龙山主脉及界山西北坡的山原最高，主脉山脊、紧接河谷的中低山山地有机碳密度次之，河谷开阔地与山地之间的缓坡地带土壤有机碳密度再次，主脉两侧河谷开阔地带最低。山脉西北坡600～900 m的山原气温较低、土壤湿度较大，同时坡度小、地表侵蚀弱，土壤有机碳留存多、输出少，向土层深处迁移积淀多，故有机碳密度较高。中低山地坡陡、侵蚀切割强烈，但表面森林茂密，土壤有机碳虽流失多，但有机碳输入也多，故其土壤有机碳密度仅低于山原。河谷与山地间的缓坡地带因坡度较小，多被辟为旱耕地，在人为耕作影响下，土壤有机碳分解强烈而累积少，同时因坡面具有一定坡度，水土流失输出的有机碳也较多，因此土壤有机碳密度低于中低山。河谷开阔地带地势低气温高，土壤微生物活度大，土壤有机碳分解强烈，同时地表径流的冲刷作用强，土壤有机碳容易流失，此外由于农耕作用输入有机质少、有机质分解快，故其土壤有机碳密度最低。