黄土高原丘陵区土地利用变化对土壤有机碳分布的影响

01 研究背景

01 研究背景

植被恢复、梯田和淤地坝建设是黄土高原水土保持的主要措施。这些水土保持措施通过改变植被、地形和水文过程明显改变了土壤碳循环，对土壤有机碳（ SOC ）分布有重要影响。为了准确评估土壤碳储量，有必要评估流域不同景观中土壤有机碳的空间变异性。因此，在流域尺度上分析土壤有机碳的空间分布对于评估土壤碳储量的变化至关重要。本研究的目的是：（ 1 ）研究黄土高原典型丘陵流域植被恢复、梯田和淤地坝建设对土壤有机碳分布的影响；（ 2 ）分析影响 SOC 分布的环境因素。

02 研究方法

2 014 年 7 月于陕西省绥德县王茂沟流域收集剖面土壤样品，土壤样品取样点位依据典型土地利用选取。共从 212 个地点采集了 1060 个土壤样品， 1 00 cm 土壤剖面每隔 2 0 cm 取样一次。在收集土壤样品之前，通过走访当地居民调查历史土地利用情况，并且记录经度、纬度海拔、坡度、坡向和植被情况。土壤样品在实验室测定土壤容重、粒径、有机碳含量等数据。

Kolmogorov–Smirnov 试验用于确定 SOC 浓度是否遵循正态分布。使用 SPSS 16.0 通过单向 ANOVA 分析了六种土地利用类型和五个层次的 SOC 方差。地质统计半变异函数法用于量化 SOC 的空间模式。最佳模型和重要变量用于克里格空间插值。半变差函数（ γ（ h ））由等式（ 1 ）计算。

其中 N(h) 表示区间 h 的样本总数， z(x _i ) 表示在点 i 处的测量样本值， z(x _i + h) 表示在点 i + h 处的测量样本值

地质统计参数在 GS+ 软件中进行评估，包括块金方差（ C ₀ ）、结构方差（ C1 ）、门槛方差（ C0+C1 ）和空间自相关长度。空间依赖度（ GD ）是不同地点空间依赖性的一个指标，通过公式（ 2 ）计算：

03 SOC 统计特征

不同土地利用类型下的平均有机碳含量如下：灌丛（ 9.02 g/kg ） > 林地（ 8.84 g/kg ） > 梯田（ 8.78 g/kg ） > 草地（ 8.71 g/kg ） > 坡耕地（ 8.31g/kg ） > 坝地（ 7.61 g/kg ）。在土地利用相同的情况下，土壤深度从 0 到 80 cm 时，平均 S OC 随着土层深度的增加而降低， 0-20 厘米的 S OC 含量显著高于 20-40 、 40-60 、 60-80 和 80-100 cm 。林地和灌木丛 0-20cm 土层中的 S OC 含量显著高于坡耕地和坝地。在 20-40 、 40-60 、 60-80 和 80-100 cm 土层中，与其他土地利用类型相比，坝地的 S OC 含量最低。

GD 表示 S OC 空间相关性的强弱， GD<25% 、 2 5% ≤ GD ≤ 7 5% 、 G D >75% ，分别表示 S OC 空间相关性为强、中、弱。在该研究中， 0-20 、 20-40 、 40-60 、 60-80 、 80-100 cm 五个土层的 GD 值均低于 25% ，表明流域内的 SOC 空间相关性强。

五个土壤层的 C ₀ 低于 C ₁ 表明 SOC 的空间异质性主要是由地形或土地利用等结构因素引起的。（ C ₀ 反映了随机因素，如施肥和土壤管理。 C ₁ 反映了土壤母质、土地利用、气候和地形等性质引起的变异。）

04 SOC的空间分布

SOC分布模式与土地利用类型相关。一般而言，林地、梯田、草地和灌木丛的有机碳密度（SOCD）高于坝地和坡耕地。高海拔地区土壤SOCD较高。不同土地利用类型之间的有机碳密度差异最大的是0-20cm土层，六种土地利用类型区域表层土的SOCD按以下顺序降低：林地>梯田>灌丛>草地>坝地>坡地。

淤地坝沉积物中的 S OC 含量低于源土壤，表明侵蚀过程中 S OC 含量减少。这可能归因于沉积物运输和沉积过程中的有机碳矿化。

07 编者观点

为了控制黄土高原土壤侵蚀，在过去几十年中，黄土高原采取了多种减缓土壤侵蚀的措施，包括植被恢复、梯田和淤地坝建设。这些景观工程提供了可用于农业的平坦区域。土壤有机碳通过土地利用变化在流域中重新分布。本研究为了解土地利用变化与淤地坝建设对土壤有机碳分布的影响，在王茂沟流域实地取样并分析了土地利用类型、土壤深度和地形对土壤有机碳浓度的影响。

08 参考文献及作者简介

文章来源

Shi, P. et al. Distribution of soil organic carbon impacted by land-use changes in a hilly watershed of the Loess Plateau, China. Science of The Total Environment 652, 505–512 (2019).

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111762

作者简介

张玥，西北农林科技大学，水土保持与荒漠化防治专业。