尺度是地理学研究中的一个基本概念^[1],本质上是自然界所固有的特征或规律。在景观生态学中,尺度是指研究客体或过程的时间维和空间维,是某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率。尺度效应分析主要是评价和理解尺度变化对研究结果的影响,如随着尺度增加而造成景观格局的简单化、景观多样性的减少等。尺度效应不仅依赖于事物的本质,而且与整个环境或背景有关^{[2, 3, 4, 5, 6]}。土壤是时空连续的变异体,由于成土母质、气候、地形、植被和人类干预程度的不同,在不同尺度上都存在着空间变异性。在较大尺度上,土壤主要受母质、气候、地形等因子的控制比较明显；在较小尺度上,主要受土壤特性、植被覆盖、微立地以及干扰的影响^{[7, 8, 9]}。土壤有机碳是土壤质量的一个重要指标,由于土壤物理过程、化学过程以及生物过程在不同方向上存在显著差异,具有不均一性。即使在土壤质地相同的区域内,土壤有机碳在不同空间位置上也存在明显差异,即空间变异性^{[10, 11]}。

研究表明,土地利用方式和环境因子是影响土壤有机碳库变化的重要因素^{[12, 13, 14, 15, 16, 17]}。环境因子一方面通过侵蚀和水土流失影响土壤有机碳空间分布,另一方面地形支配着水、热资源的再分配,影响植被和土地利用方式在空间上的配置,进而影响土壤有机碳的输入。土地利用结构调整不仅有效控制了水土流失,而且是提高陆地生态系统碳蓄存的重要措施。大量的土壤有机碳集中在20 cm以内的表层中,在地形和土地利用方式下,表层土壤有机碳空间变异较深层大。

黄土高原地区地形破碎,土地利用类型复杂多样,土壤侵蚀程度差异较大。这些环境因子共同影响着土壤表层有机碳的分布。在不同尺度上研究表层土壤有机碳也受到关注^{[18, 19, 20, 21]},但综合分析不同尺度土壤表层有机碳的分布特征及其与环境因子和土地利用关系的研究尚不多见。本研究以陕北黄土丘陵沟壑区安塞集水区和集水区内典型小流域——沐浴小流域为例,基于野外采样和统计分析,运用数量生态学中的冗余分析方法(RDA)研究土壤表层土壤有机碳含量和有机碳密度与环境因子的关系,探讨不同尺度不同土地利用条件下表层土壤有机碳的空间变异性,分析土壤表层有机碳与环境因子的关系,以期为深化土壤碳循环研究提供科学参考。

本研究选择中国陕西安塞集水区和沐浴小流域为研究对象。安塞集水区地处西北内陆黄土高原腹地(108°5′44″—109°26′18″E,36°30′45″—37°19′3″N),属典型的黄土丘陵沟壑区,集水区面积1334.00 km²。气候属中温带大陆性半干旱季风气候,年平均气温8.8 ℃,年平均降水量505.3 mm,74%集中在6—9月。区域地形地貌复杂多样,主要为梁峁状黄土丘陵,沟谷发育分布广泛。土壤以黄绵土为主,约占总面积的95%。土壤的成土母质主要有黄土和洪积冲积两大类,黄土土层深厚,质地组成以粉沙为主,抗蚀能力低。境内水土流失严重,水土流失面积占土地总面积的比重约97%,属于强度水土流失区,也是西北典型的生态环境脆弱区。沐浴小流域位于安塞县郝家坪乡,面积1.30 km²。地处安塞集水区中游,是安塞集水区典型的小流域之一。小流域内土地利用方式以农耕地、林地、荒草地、灌木林地为主,农耕地面积较小且分布零散,总体人为干扰较少。位置示意图见图 1。

图1 研究区位置示意和采样点分布图 Fig. 1 Location of study area and the distribution of sampling sites

图选项

土壤采样时间为2012年7—8月,结合研究区土地利用现状图、水系图、地形图、土壤类型图,进行安塞集水区的实地踏勘和采样点布设,选择沐浴小流域为集水区内典型小流域,布设35个采样点,集水区尺度选取79个采样点,在两个尺度上不同土地利用类型的土壤样点采集数目见表 1。每个样点内土壤为5个重复随机采样,同时取环刀测土壤容重,样点分布情况见图 1。

土壤样品过0.28 mm筛后采用油浴加热重铬酸钾氧化—容量法测定有机质。利用有机碳和有机质的系数比计算得到有机碳含量(SOC)(g/kg)。土壤有机碳密度(SOCD)通常是指单位面积一定深度土体中土壤有机碳质量(kg/m²)。研究表层(0—20 cm)土壤有机碳密度,其计算公式为：

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式中,C为表层土壤有机碳的平均含量(g/kg),θ为土壤容重(g/cm³),D为土壤厚度(cm),本研究中取值20,δ为土壤中直径大于2 mm的石砾所占的体积百分比(%)。由于黄土丘陵沟壑区土壤中大于2 mm的石砾含量很少,可忽略不计。

采用SPSS18.0对土壤表层有机碳含量和有机 碳密度进行描述性统计分析,对SOC、SOCD和环境因子之间的关系进行RDA分析。选用RDA分析需要两个矩阵,一个是物种数据矩阵,即本文中的SOC和SOCD,另一个是环境因子数据矩阵,即本文中的土地利用方式和环境因子。RDA分析应用国际标准通用软件CANOCO 4.5进行。

CANOCO是生态学应用软件中用于约束与非约束排序的工具。Canoco for Windows 整合了排序以及回归和排序方法学,可以建立生态数据统计模型。Canoco for Windows 包括线性和曲线单峰方法,RDA属于约束性排序线性模型,它是在特定的梯度(排序轴)上探讨物种的变化情况,在本研究中,具体探讨SOC和SOCD在不同环境因子排序轴上的变化情况。

土壤有机碳含量是指单位土壤中有机碳的含量,代表土壤中有机质的比例。不同土地利用类型对土壤的干扰不同,对土壤有机碳输入和输出的影响也不同。且这种干扰对土壤表层影响比深层土壤大,表层土壤有机碳含量往往随着土地利用方式变化而表现出明显差异。应用SPSS对不同尺度不同土地利用方式下土壤有机碳含量和有机碳密度进行描述性统计,结果见表 1和表 2。

沐浴小流域的表层土壤有机碳含量分布在2.585—4.775 g/kg,不同土地利用方式下平均有机碳含量从高到低依次是：荒草地>林地>灌木林地>耕地,荒草地的表层土壤有机碳含量最高。而在安塞集水区,表层土壤有机碳含量的变化幅度大于沐浴小流域,为2.3464—4.8639 g/kg；不同土地利用方式下平均有机碳含量从高到低依次是：林地>灌木林地>耕地>荒草地,荒草地下的表层土壤有机碳含量则成为了最低。

土地利用方式会导致土壤表层的理化性质、地表情况的变化,耕作地直接影响有机碳的输入和输出,进而导致表层土壤有机碳含量不同。沐浴小流域荒草地分布最多,且多由退耕而来,退耕年数较长,具有良好的群落结构和较好的土壤理化性质,抗蚀性较高,有机碳含量较高。而农耕地散落的分布在沟底和坡下,由于连续耕作和疏于管理,土壤结构松散,养分含量较低,有机碳含量也较低。在安塞集水区,地貌更加复杂,地形也更加破碎。林地土壤中贮存的有机碳是陆地系统土壤有机碳贮存最丰富的部分。集水区有封育林场分布,且林地多为落叶针叶林和常绿针叶林,林地的表层土壤有机碳含量水平普遍高出其他土地利用方式。农耕地分布零散,施肥、收割等措施改变了有机碳的输入和输出,而且耕作、施肥等田间管理水平差距较大,同时变异系数也很高。从沐浴小流域到安塞集水区,由于主要土地利用方式的不同,不同土地利用方式表层土壤有机碳的含量也不同。小流域最主要的土地利用方式是退耕而来的荒草地,表层土壤有机碳也主要贮存于荒草地中,而集水区除荒草地外,有大量的林场,表层土壤有机碳的贮存也依赖林地和灌木林地。相同的是,耕地由于人为影响有机碳的输入和输出,加之水土流失较为严重,表层土壤有机碳含量较低。

有机碳密度是指单位面积一定深度土体中土壤有机碳的储量,由于排除了面积因素的影响而以土体体积为基础来计算,土壤碳密度是评价和衡量土壤中有机碳储量的一个极其重要的指标。在沐浴小流域,表层土壤有机碳密度为0.2912—0.6032 kg/m²。不同土地利用方式下平均有机碳密度从高到低依次是：荒草地>林地>耕地>灌木林地。和土壤有机碳含量不同的是,小流域内耕地的土壤有机碳密度要高于灌木林地。这主要是由于小流域内灌木林地土壤表层结构疏松,孔隙度大,土壤容重小。而耕地土壤相对紧实板硬,土壤孔隙度小,使得土壤容重大。这也说明在沐浴小流域内,有机碳含量低,土壤容重大,耕性较差。在安塞集水区,表层土壤有机碳密度分布在0.2683—0.6318 kg/m²。平均有机碳密度从高到低依次是：林地>耕地>荒草地>灌木林地。这与表层土壤有机碳含量差别较大。但与沐浴小流域相同的是,由于灌木林地的表层土质疏松,导致平均土壤表层有机碳密度最低。

RDA方法常被用来分析生物种群及其与环境因子之间的相互关系。应用Canoco 4.5软件,首先对有机碳含量和有机碳密度进行DCA(除趋势对应分析),生成“梯度长度”,小流域和集水区数据的梯度长度结果均小于3,选择线性模型(RDA或PCA )进行分析比较合理。本研究中采用RDA排序分析有机碳和环境因子之间的关系。排序图见图 2。

图2 沐浴小流域和安塞集水区有机碳和环境因子关系的二维排序图 Fig. 2 The two-dimensional RDA ordination diagram of SOC,SOCD and environmental factors in the Muyu small watershed area and the Ansai catchment

图选项

RDA排序等直观反映环境因子对有机碳空间变异的影响程度。如图所示,在沐浴小流域和安塞集水区,表层土壤有机碳和有机碳密度夹角较小,方向相同,说明二者均具有很强的正相关性。环境因子的箭头连线的长度表示土壤有机碳变异与环境因子的相关性,连线越长,表示相关性越大,夹角越小表示相关性越高,小于90°表示正相关,大于90°表示负相关,90°表示不相关；各箭头连线之间的夹角表示各环境因子之间的相关性,同样夹角越小表示相关性越高。在沐浴小流域,坡向、盖度和坡度与有机碳含量和有机碳密度呈正相关关系,土地利用、海拔高度和坡位与有机碳含量和有机碳密度呈负相关关系。环境因子对有机碳含量影响从高到低依次是：坡向>植被盖度>坡度>坡位>海拔高度>土地利用；对有机碳密度影响的顺序是植被盖度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。在安塞集水区,环境因子对有机碳含量均表现出正相关,除土地利用和海拔高度,其他环境因子对有机碳密度表现正相关。环境因子对有机碳含量影响的顺序依次是：坡位>坡向>坡度>植被盖度>土地利用>海拔高度；对有机碳密度影响的顺序是：植被盖度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。坡度、坡位、坡长等地形因子主要通过对光照、温度、水分的空间分配来影响植被类型分布和土壤养分迁移,从而影响土壤有机碳的分布。而研究区位于黄土丘陵沟壑区,地形复杂,海拔高度差距不大,所以对有机碳分布的影响也不高。

土地利用方式的不同主要表现在覆被类型的不同。在自然土壤中,成土因素的空间差异性导致土壤性状的空间变异性,不同的土壤条件和气候条件又适宜于不同类型植被的生长。不同土地利用方式导致不同植被条件下土壤有机碳状况不同^[22]。人为因素,主要是耕作的影响,对土壤有机碳的输入和输出影响很大。研究表明,土地利用类型不仅直接影响土壤有机碳的含量和分布,还通过影响与土壤有机碳形成和转化有关的因子而间接影响土壤有机碳。吴建国^[23]等在研究天然次生林变成农田或草地,以及农田或草地改造成林地后对土壤有机碳贮量的影响时,发现农田和草地的土壤有机碳含量和有机碳密度均比次生林和人工林低,尤其是表层土壤。这与本文的研究结果是相似的。土壤有机碳方面,沐浴小流域和安塞集水区的林地、灌木林地的含量均比耕地要高。而有机碳密度方面,林地要高于耕地,但由于灌木林地表层土壤质地疏松,容重较低,而导致有机碳密度较低。

沐浴小流域和安塞集水区两个尺度上采样密度分别为每0.03714 km²一个样点和每16.89 km²一个样点。采样强度会对土壤表层有机碳的空间分布产生不同的影响,研究显示,在小流域尺度,平均0.25 km²一个样点可以保证土壤有机碳的采样精度,在县域尺度为平均2—3 km^{2[24, 25]}。在本研究中,小流域的采样强度较高,可以保证采样强度对土壤有机碳的影响在较小的范围内,而集水区面积较大,若保证采样强度将耗费巨大的人力物力。安塞集水区内的主要土地利用方式为荒草地和林地,灌木林地和耕地分布很少,两个尺度的采样点中,荒草地和林地的采样点所占的比例分别为77.14%和64.56%。所以,可以认为采样强度对土壤表层有机碳空间分布的影响基本上在可控制的范围内。

有机碳含量和密度表现出了不同的尺度效应。有机碳含量方面,沐浴小流域从高到低依次是：荒草地>林地>灌木林地>耕地；安塞集水区从高到低依次是：林地>灌木林地>耕地>荒草地。沐浴小流域的主要土地利用方式为荒草地,且荒草地的土壤理化性质较好,能较好的保持水土,表层土壤有机碳含量最高。集水区分布有大片的林地和灌木林地,林地是坡地保持水土最优的土地利用方式,表层土壤有机碳含量明显高于其他利用方式。在两个尺度上表现相似的是,耕地由于人为影响有机碳的输入和输出,加之水土流失较为严重,表层土壤有机碳含量较低。有机碳密度方面,沐浴小流域平均有机碳密度从高到低依次是：荒草地>林地>耕地>灌木林地。由于小流域内灌木林地土壤表层结构疏松,孔隙度大,土壤容重小。而耕地相对土壤紧实板硬,土壤孔隙度小,容重大,使得耕地有机碳密度高于灌木林地。安塞集水区平均有机碳密度从高到低依次是：林地>耕地>荒草地>灌木林地。这与表层土壤有机碳含量差别较大。但与沐浴小流域相同的是,由于灌木林地的表层土质疏松,导致平均土壤表层有机碳密度最低。

土地利用变化对土壤表层土壤有机碳含量和有机碳密度的分布也有很大影响。自20世纪80年代以来,黄土高原的土地利用和产业结构发生了一系列的调整,大面积退耕还林还草。研究表明,得益于国家退耕还林、还草政策的实施,以及行政区经济快速发展和城镇化的发展,延河流域的耕地面积明显减少,林地和草地面积显著增加,植被恢复效果明显^{[26, 27, 28]}。这对土壤表层有机碳含量和有机碳密度有较大的影响。林地转为农地会降低土壤有机碳,农地转为林草地会使土壤有机碳增加,且转为灌木林地或荒草,比转化为人工林地更有利于土壤有机碳的固存^{[29, 30, 31, 32]}。农耕地转为林地或荒草地一般会使土壤表层有机碳含量和有机碳密度增加,这是由于林、草地凋落物量和质量均较高且易分解,土壤有机碳稳定性增加,且随着林草地郁闭度的提高,地表温度降低,土壤湿度和水分得以保持,从而降低了有机碳的分解速率,促进了有机碳的积累^{[23, 33, 34]}。

由沐浴小流域到安塞集水区,随着尺度的增加,由耕地改造成的荒草地对SOC和SOCD的影响作用减小,由耕地和灌木林地改造成的林地对SOC和SOCD的影响作用明显增强。

坡向、坡度和坡位等地形因子决定着物质迁移的方向和速率,海拔高度影响到水热的垂直分布。植被盖度反映植被覆盖情况,作为土地利用方式的补充共同对土壤有机碳造成影响。沐浴小流域环境因子对有机碳含量影响从高到低依次是：坡向>植被盖度>坡度>坡位>海拔高度>土地利用；对有机碳密度影响的顺序是植被盖度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。在安塞集水区环境因子对有机碳含量影响的顺序依次是：坡位>坡向>坡度>植被盖度>土地利用>海拔高度；对有机碳密度影响的顺序是：植被盖度>坡位>坡向>坡度>海拔高度>土地利用。

程先富^[35]等在江西的研究显示,在0—20 cm的土壤表层,坡向、海拔和有机碳含量呈显著正相关。田种存等在青海的研究得到海拔高度与有机质呈负相关。在本研究中,在沐浴小流域和安塞集水区,坡向、坡度和植被盖度均与有机碳含量和有机碳密度正相关；在沐浴小流域,海拔高度、坡位、土地利用与有机碳含量负相关,在集水区正相关；在两个尺度上,相对海拔、土地利用与有机碳密度负相关,坡位与有机碳密度在沐浴小流域负相关,在集水区正相关。由此可见,环境因子对土壤有机碳的影响具有复杂性,与研究区的地理环境有很大的关系。