天山北坡中段土壤有机碳含量的空间分异

胡正超，阿布都克热木江·杂依提，杨晓东，刘宗会，宋瑞宇，张 涛，许仲林，阿不都克依木·阿布力孜

(1.新疆大学资源与环境科学学院，绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430079；3.新疆大学智慧城市与环境建模重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046)

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，存储了陆地生态系统73%以上的碳[1]，是陆地生态系统中最大的碳库，为植被碳储量的2.5～3.0倍，为大气碳库(以CO2形态存在)的2～3倍[2]，在全球碳收支中居主导地位[3]。土壤有机碳在微生物作用下，分解为CO2等温室气体，释放到大气中，因而土壤有机碳的微小变化将会极大地影响大气CO2浓度的变化，进一步改变全球的碳循环[4-6]。随着全球气候和环境变化的加剧，土壤有机碳一直受到国内外学者的高度关注，成为全球变化研究的热点之一[7-8]。土壤有机碳的分布是陆地生态系统碳循环研究的基本内容[9]。

土壤有机质来源于植物、动物及微生物的遗体，主要来源是生长在土壤中自然植被的残体，包括地上部凋落物和地下部的死亡根系及其分泌物，而耕作土壤除作物收获后留在地下部的根茬外，还包括人工施用的有机肥料和还田的秸秆[10]。在较大区域尺度上，土壤有机碳含量受气候、成土母质和水文条件等影响，而在小区域尺度内，主要受植被类型的影响[11-12]。天山是中亚地区的重要生态地理单元，对于中亚地区生态安全具有重要作用。天山北麓是新疆经济最发达的地区，在全疆具有举足轻重的地位，是西部大开发的重点地区。天山北坡拥有完整的植被垂直带谱，海拔由低到高依次为荒漠带、荒漠草原带、山地草原带、草甸草原带、山地森林带、亚高山带和高山带。天山北麓是干旱区山地生态系统和荒漠生态系统的交界地带，生态极为敏感[13]，该地区高强度的人类经济开发活动对于生态系统的影响值得关注，其中土壤碳变化是重要命题。以往对天山北坡土壤碳研究仅限于有限几种植被类型，基于垂直带谱的全面研究较少。笔者以天山中部地区为研究区，应用地统计学基本原理和方法，对几种典型垂直带植被类型的土壤有机碳含量分布格局进行研究，以期为天山北坡土壤碳分布和碳储量的计算提供基础数据。

1 研究区概况与研究方法

1.1研究区概况天山北坡中段指乌苏至乌鲁木齐的南部山区，总面积1.41×105km2，其中山区面积5.09×104km2，平原与沙漠面积9.05×104km2，该区位于山地和荒漠两大生态系统之间，发育有复杂的绿洲生态系统[14]。山区部分可分为高山带、亚高山带、中山带、低山带和山间谷地。该区属于温带大陆性气候，垂直地带性明显，年总辐射量达5.85×105J/cm2，年均气温2～3℃，历年极端最高温30.5 ℃，极端最低气温-30.2 ℃，年降水量400～600 mm，最大积雪深度65 cm，无霜期10～149 d[15]。该研究区仅为天山北坡中段的亚高山带以下(87°0′50″～87°34′52″E，43°24′11″～43°33′48″N，图1)。

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 The sampling sites distribution of the study area

1.2土样采集与处理2016年10月，选择天山中段水西沟、白杨沟、甘沟、板房沟、庙尔沟等为采样区，按照土地覆被类型，分别选择山地森林、山地草原、荒漠草原和耕地4种土地覆被类型，最终布设33个样地，包括10个山地森林样地、9个山地草原样地、9个荒漠草原土样、5个耕地样地(图1)。山地森林植被样地位于亚高山带，以雪岭云杉(Piceaschrenkiana)为主。山地草原样地位于中山带，植被以针茅(Stipacapillata)、早熟禾(Poaannua)、冰草(Agropyroncristatum)、蒿属(Artemisia)等为主，伴生有棘豆(Oxytropis)、火绒草(Leontopodiumleontopodioides)、老鹳草(Geraniumwilfordii)、紫苑(Asterfastigiatus)等杂草。荒漠草原样地位于低山带，植被以小蓬(Nanophytonerinaceum)、优若藜(Eurotiaceratoides)、驼绒藜(Ceratoideslatens)、草麻黄(Ephedrasinica)、蒿属(Artemisia)等为主，但也有少量或零星的针茅(Stipacapillata)、锦鸡儿(Caraganasinica)等植物，菊科(Asteraceae)、十字花科(Brassicaceae)等早春短命植物发育。耕地样地位于山间河谷地，种植作物为小麦(Triticumaestivum)。

每块样地面积30 m×30 m，样地内随机布置3个采样点，样点间距大于10 m，用GPS测定样点经纬度和海拔高程。山地森林样地平均海拔为1 911.6 m，山地草原为1 769.9 m，荒漠草原为1 586 m，耕地为1 283.8 m。用土钻从上到下垂直分层(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm)采集8个土样，然后将同一样地内3个采样点的同层样品混合均匀，采用4分法取样，装入样品袋，贴上标签。样品在室内风干，去除植物根系及砾石等杂物，再将样品磨细过60目筛，待试验分析。

1.3土壤有机质含量测试方法在新疆大学土壤实验室内，根据国家标准GB 7857—1987[16]与LY/T 1237—1999[17]，对野外采集的每层土样，用重铬酸钾氧化-外加热法测试土壤有机碳含量。每样地内的土壤重复测量3次。

1.4数据分析对不同覆被类型各剖面有机碳含量进行描述性统计分析；用单因素方差分析方法(one-way ANOVA)分析不同植被类型间及土壤剖面各层间的差异性；采用一元线性回归分析土壤有机碳含量与海拔的关系。数据处理均在SPSS19.0中完成，P<0.05。

对有限剖面点数据进行地统计学分析，选择最优模型空间插值；然后将采样点经纬度和有机碳含量属性信息导入ArcGIS10.0，对数据进行直方图和QQPlot图分析，剔除异常值，使数据符合正态分布；利用ArcGIS10.0地统计学模块下的kriging插值和CoKriging 插值[18]，形成空间分布图，直观反映天山北坡土壤有机碳含量的分布情况。

2 结果与分析

2.1土壤有机碳含量在土地覆被类型间和土壤垂直层间的变异天山北坡中段不同覆被类型土壤有机碳含量在同一层次水平差异显著(P<0.05)。在0～10、10～20、20～30、30～40、60～80和80～100 cm土层，土壤有机碳含量表现为山地森林含量最高，山地草原其次，耕地再次，荒漠草原最低的分布形式。但在40～50和50～60 cm土层，山地草原土壤有机碳含量低于耕地，其他各层土壤有机碳含量变化趋势与表层0～10 cm一致。4种覆被类型内，随土层深度的增加，土壤有机碳含量显著减小(图2)(P<0.05)。

天山北坡中段不同覆被类型土壤有机碳含量与剖面深度呈幂函数递减趋势(图3)，且垂直差异变小，土壤有机碳含量下降速率表现为山地森林<山地草原<荒漠草原<耕地。

2.2土壤有机碳含量的空间变异性土壤有机碳含量的描述性统计结果表明，同一深度土层的土壤有机碳含量有一定的空间变异。在表层0～10 cm，荒漠草原土壤有机碳含量(14.06～37.25 g/kg)变异系数(CV)最大，为28.63%；其次为山地草原(40.36～91.64 g/kg)，为25.44%；耕地(30.23～58.13 g/kg)再次，为22.57%；山地森林(47.81～101.66 g/kg)最小，为19.87%。山地草原分别在第2、3、6、7、8层变异系数最大，为31.67%～50.98%，这可能与坡度的大小、降水量的多寡有关，导致有机碳向下层发生不同的淋溶程度；耕地的变异系数在剖面各层相对较小，为7.47%～30.76%，说明在人为影响下土地有机碳含量变化程度不大。

注：不同小写字母表示同层土壤不同覆被类型间差异显著(P<0.05)；大写字母表示同一覆被类型不同土层深度间差异显著(P<0.05)Note：Different lowercases stand for significant differences between different vegetations in the same soil layer at 0.05 level;different capital letters stand for significant differences between different soil layers in the same vegetation at 0.05 level图2 不同覆被类型土壤有机碳含量Fig.2 Soil organic carbon contents in different types of vegetation

图3 不同土地覆被类型土壤有机碳含量与剖面深度的回归关系Fig.3 Regression relation between vertical depth and soil organic carbon content in different types of vegetation

根据Nielsen等[19]的空间变异分级(弱变异：CV≤10%；中等变异：10%

2.3土壤有机碳含量随海拔的变异性天山北坡中段土壤剖面各层有机碳含量与海拔表现出显著正回归关系，0～50 cm前5层回归方程的决定系数R2显著高于后3层(表1)。

2.4土壤有机碳含量的空间分布规律对研究区各层土壤有机碳含量进行空间插值，经过数据分析使数据更符合正态分布，对前7层进行了log变换，并通过全局趋势分析去除趋势。根据插值模型的优劣评价判断标准，选择最优空间插值模型及根据模型得出的土壤有机碳空间变异的相应参数(表2)。基于块金系数对系统变量空间相关性强弱评判标准[20](块金系数<25%，强烈空间相关性；块金系数在25%～75%，中等空间相关性；块金系数>75%，空间相关性很弱)，Kriging插值在第2层表现出不同土地覆被类型的土壤有机碳含量具有强烈的空间相关性，CoKriging插值在第2、6层表现出强烈的空间相关性，其余各层均为中等空间相关性。

表1土壤剖面各层有机碳含量与海拔的回归分析

Table1Regressionanalysisofsoilorganiccarboncontentandaltitudeinsoilprofile

土层深度Soil depthcm回归方程Regression equationR2FP0～10y=0.15x-206.150.7579.01<0.0110～20y=0.13x-182.880.84132.83<0.0120～30y=0.07x-97.200.7164.04<0.0130～40y=0.06x-83.700.80105.15<0.0140～50y=0.05x-74.100.7576.48<0.0150～60y=0.04x-55.780.6038.23<0.0160～80y=0.04x-53.340.4521.21<0.0180～100y=0.03x-41.360.4418.63<0.01

将高程数据作为次变量输入，对剖面各层土壤有机碳含量进行CoKriging插值，形成三维预测图(图4)，在天山北坡中段，海拔从高到低，土地覆被类型依次为山地森林、山地草原、荒漠草原和耕地，土壤有机碳含量呈不断减小趋势。

3 讨论

3.1天山北坡土壤有机碳随海拔分异的原因该研究结果表明，天山北坡中段土壤有机碳含量存在明显的空间差异，具体表现为荒漠草原<山地草原<山地森林，这说明天山北坡中段土壤有机碳含量在海拔梯度上具有较明显的垂直分异性。王渊刚等[5]、金峰等[21]对山地土壤有机碳研究发现，土壤有机碳密度存在显著的空间差异，呈现一定的垂直分布特征，表现为有机碳随海拔升高而逐渐增加趋势。土壤有机碳是进入土壤中的植物残体量与其在土壤微生物作用下分解损失量的平衡结果[22]。山地的海拔引起了地表水热状况变化，在一定海拔范围内一般均表现为随海拔升高，温度逐渐降低，降水逐渐增加。气候条件直接决定了地表发育的植被类型，并影响植被的生产力，进而影响土样有机碳的输入量与微生物对土壤有机碳分解量的平衡关系[3]。高海拔对应多降水、低气温与高植物凋落物量、低微生物分解速率，因而土壤有机碳收入远大于支出，土壤拥有较高的有机碳含量。低海拔对应少降水、高气温与低植物掉落物量和高微生物分解速率，因而土壤有机碳收入略大于支出，土壤拥有较低的有机碳含量。因此，天山北坡不同土壤有机碳含量差异是对气候条件和植被类型变化的反映[12]。

表2 土壤有机碳最优模型相关参数

图4 基于CoKriging插值法的研究区土壤有机碳空间分布Fig.4 The spatial distribution of soil organic carbon content based on CoKriging interpolation method in study area

3.2土壤剖面有机碳垂直分异的原因该研究结果表明，几种土地覆被类型的土壤有机碳含量在剖面分布上均体现出“表聚性”[23-24]，土壤有机碳含量随土壤深度增加显著降低。这种土壤有机碳垂直分布的“表聚现象”与地表大量植物凋落物的聚集和分解有关，表层土壤有机碳主要来源于植物凋落物，而下层土壤有机碳主要来源于植物枯死根系以及根系分泌物，含量则相对较少。

不同土地覆被类型之间有所不同，其中山地森林和山地草原的“表聚”程度大于荒漠草原和耕地。由于山地森林和山地草原每年地上有较多凋落物，而由于气温较低，微生物作用下土壤有机物分解速度慢，导致土壤有机质累积较多；而荒漠草原植物的枯枝易被风吹散，表层由凋落物转化来的有机质较少；同时研究表明荒漠植物在水分胁迫下，具有生物量倾向地下分配的适应策略[25-27]，因而荒漠草原土壤有机碳剖面分异程度降低。

3.3开垦耕作对荒漠草地土壤有机碳含量的影响该研究耕地样地的海拔(1 283.8 m)低于荒漠草原样地(1 586 m)，降水也低于荒漠草原，但其土壤有机质含量却高于荒漠草原，并接近山地草原的水平，因而呈岛状分布。这显然与人为干扰有关。由于人为耕作、灌溉、施用有机肥以及秸秆还田，土壤有机碳含量较高(由于耕地种植作物地上生物量被人为收割，因而地表凋落物较少，由此转化而成的土壤有机碳也相对较小)。研究表明，土壤有机碳初始值很低的荒漠自然土壤垦殖后，土壤有机碳含量呈增加趋势[28]，这与该研究结果一致。这与其他土壤有机质较高的土壤开垦不同，如干旱区草地开垦为农田导致土壤有机碳下降15.7%[29]，林地开垦为农田使土壤有机碳总量减少25%～40%[30]。因此，在有利的灌溉条件下，可合理开发利用荒漠草原和荒漠地带，促进土壤碳库增加。

4 结论

在天山北坡中段海拔1 200～1 900 m的垂直带内，土壤有机碳含量与海拔存在显著正相关关系，表现为荒漠草原<耕地<山地草原<山地森林；在剖面中土壤有机碳含量垂直分异明显，随深度增加呈幂函数递减趋势，下降速率表现为山地森林<山地草原<荒漠草原<耕地；由于生境条件不同，群落中植物生物量分配模式存在较大差异，山地森林和山地草原的表层土壤有机碳含量大于荒漠草原和耕地，对于土壤有机碳含量较低的低山带和山间河谷的荒漠草原，开垦种植使土壤有机碳含量增加，应合理管理农田；而其他地区的山地草原和山地森林，应严禁开垦种植和过度放牧，防止生态退化和土壤碳向大气释放。CoKriging插值比单因素Kriging插值拟合精度更高，更好地反映研究区土壤有机碳含量的空间分布情况，空间插值后的数据显示10～20和50～60 cm 土层的土壤有机碳含量存在空间自相关性。