土壤是陆地生态系统中最大且最为活跃的碳库, 是全球碳循环和气候变化研究的核心内容, 其碳源/汇功能在调节碳平衡、减缓温室气体体积上升方面具有不可替代的作用^[1]。土壤中碳库微小的变化都会对全球气候产生很大的影响, 那么准确估算土壤有机碳储量显得极其的重要, 如何科学、准确地估算土壤中有机碳储量, 是当前碳循环研究的重点和难点^[2-3]。目前, 学术界许多学者在全球^[4-5]、国家^[6]和区域等尺度上^[7-8]对土壤有机碳储量的估算开展了大量研究, 但在同一尺度不同研究结果之间存在很大差异, 甚至是同一种方法和同一个研究区域的结果也相差甚远, 这些研究采用的数据源、样本大小、采样深度和估算方法的不同是导致估算结果差异的主要原因^[9], 同时土壤有机碳含量空间分布存在较大变异性, 样点数不够和图件比例尺不同, 使得土壤剖面代表性往往不够, 导致估算结果不准确^[10-11]。因此, 大量的采样分析和估算过程中相关指标的取值, 对其估算结果的可靠性起着至关重要的作用。

喀斯特生态系统是受特殊地质背景制约的生态系统, 其地形和地貌条件、水热条件、植被的立地条件以及土壤的发育条件等都不同于非喀斯特地区^[12], 因而具有不同的土壤碳循环特征^[13-14]。认识喀斯特地区土壤碳储量是评估我国陆地土壤生态系统碳汇能力不可或缺的内容^[15], 喀斯特地区由于其特殊的地质和气候条件造成该地区环境容量小, 抗干扰能力弱, 稳定性低, 自我调整能力差, 受干扰后恢复速度慢、难度大。加之喀斯特地区土壤环境具有基岩出露, 土壤存量少、分布不连续、微地貌复杂多样等基本特征, 导致喀斯特土壤有机碳储量的计算也有许多不确定的因素^[16]。目前, 学术界在估算喀斯特地区土壤有机碳储量时, 有少数学者关注了岩石裸露率和土层厚度等指标^[17-18], 但仍未考虑影响土壤有机碳储量的石砾含量和估算中各指标影响程度, 为此本研究通过探讨高原型喀斯特小流域内土壤分布面积、石砾含量、岩石裸露率、土层厚度、土壤容重及土壤有机碳含量等指标的空间变异性, 用土壤类型法对传统公式进行修正土壤有机碳密度及储量的计算公式, 提出基于“土壤类型法”适宜的计算模式, 以期为准确估算高原型喀斯特小流域土壤有机碳储量的研究提供科技支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区贵州省普定县后寨河小流域属高原型喀斯特小流域, 覆盖该县城关镇、马官镇和白岩镇等地, 流域面积75 km², 经纬度在105°40′43″—105°48′2″E, 26°12′29″—26°17′15″N之间, 海拔在1223.4—1567.4 m之间, 气压在80610—88380 pa之间。年均气温为15.3℃, 年均降雨量为1170.9 mm以上, 年蒸发量920 mm。土壤主要是石灰岩和白云岩发育的石灰土、黄壤和水稻土, 土壤质地粘重且抗腐蚀性差。植被主要有柏木(Cupressus funebris)、响叶杨(Populus Adenopoda)、香椿(Toona sinensis)、砂梨(Pyrus pyrifolia Burm Nakai)等；农作物主要有水稻(Oryzasativa Oryzaglaberrima)、玉米(Zea mays)、大豆(Glycine max)、向日葵(Helianthus annuus)、红薯(Ipomoea batatas)等, 农作物种植方式为玉米、大豆及水稻、向日葵轮作, 套种红薯。

1.2 试验设计 1.2.1 样点布置

利用地理信息系统ArcGIS 9.3软件平台, 根据网格法原理在1:10000的研究区地形图上布置空间分布网格, 网格实地大小为0.15×0.15 km², 在网格中心设置采样点, 理论采样点为3333个, 因有些样点位于河流、公路、住宅等处, 实际样点为2755个, 各采样点对应位置和植被类型情况, 见图 1。在开展野外土壤样品采集及本底信息调查过程中, 利用手持GPS、罗盘仪和样点分布地形图进行采样点定位。

1.2.2 样品采集

在每个采样点处挖掘土壤剖面, 通过分层带状取样采集土壤样品。土壤样品采集采用土壤剖面自下而上分层取样法。土壤剖面挖掘深度≤100 cm, 土层浅挖至基岩或母质, 深则挖至100 cm, 按0—5, 5—10, 10—15, 15—20, 20—30, 30—40, 40—50, 50—60, 60—70, 70—80, 80—90, 90—100 cm分层, 共1—12层。每个采样点需记录本底信息, 并测定土壤容重、土壤厚度、岩石裸露率等指标。

1.3 样品处理及测定分析

首先风干处理野外采集的土壤样品, 再研磨制备试验测定所需样品。土壤有机碳用重铬酸钾-硫酸氧化法测定^[19]；土壤分布面积采用遥感数据验证和实地踏查相结合的方法统计；土壤容重用环刀法沿土壤剖面自上而下分层测定；土壤厚度用插钎法按小生境类型分别测定, 铁钎长度为60 cm和120 cm两种, 适用于测定不同深度的土体, 测定8—10个点土层厚度的平均值表示；岩石裸露率用样线法测定, 通过样点范围内植被覆盖面积百分比和岩石出露面积百分比表示；石砾含量采用大于2 mm的石砾所占的体积百分比表示。

1.4 数据分析

利用获取的2755个采样点数据进行分析, 土壤按土属分类, 流域内共有3大土类(图 2), 即石灰土、水稻土和黄壤, 包括9个土属, 其中, 黄泥土457个、黑色石灰土613个、黄色石灰土397个、大土泥129个、小土泥439个、白大土泥125个、白沙土106个、大泥田185个、黄泥田304个。试验数据利用SPSS 19.0、Excel 2013和ArcGIS 9.3软件平台完成。

1.5 土壤有机碳储量计算及公式优化

① 常用计算公式

(1)

公式(1)引自潘根兴等^[20]研究论文中碳库的估算方法公式, 式中C_i为第i层土壤类型的有机质含量(%)；H_i为第i层土壤厚度(cm)；Cj为第j 个土种的加权平均有机质含量(%)；C为碳库(kg)；ρ为土壤容重(g/cm³)；S是第j种土属的分布面积(hm²)；是换算成平方米的系数；10^-2为单位转换系数。

(2)

公式(2)引自王绍强等^[21]研究论文中碳库的估算方法公式, 式中j为土壤类型, C_j为第j种土属土壤有机碳储量(t)；S_j为第j种土壤类型分布面积(hm²)；H_j为第j种土壤类型的平均厚度(cm)；O_j为第j种土壤类型的平均有机质含量(%)；W_j为j种土壤类型的平均容重(g/cm³)。

(3)

公式(3)引自梁二等^[22]研究论文中土壤有机碳密度的估算方法公式, 式中j为某土壤类型, SOCD_j为第j种土壤类型有机碳密度(kg/m²)；c_j为第j种土壤有机碳含量(%)；h_j为第j种土壤类型的平均厚度(cm)；W_j为j种土壤类型的平均容重(g/cm³)；soc_j为研究区域土壤有机碳总储量(t)；s_j是第j种土属的土壤分布面积(km²)。

以上三组计算公式均用于土壤有机碳储量估算, 虽表达形式不同, 但万变不离其宗, 都离不开土壤有机碳含量、土壤容重、土壤厚度和土壤分布面积4大指标。公式(1)考虑了不同土类, 但土壤容重取均值1.4 g/cm³；公式(2)均用平均值进行计算, 仅表达某类土壤有机碳储量；公式(3)考虑了分层计算土壤有机碳含量, 也仅能表达某类土壤有机碳储量。喀斯特地区土壤有机碳含量、土壤容重、土壤厚度等指标变异性较大, 且土壤种类较多, 若用“土壤类型法”估算喀斯特地区土壤有机碳储量, 需对以上公式进行优化。

② 初次优化计算公式

考虑到喀斯特地区土壤种类较多, 用“土壤类型法”进行估算；且土壤有机碳含量、土壤容重和土壤厚度等指标变异性较大, 需分层计算土壤有机碳密度。将土壤剖面划分为1—12层次, 通过相应层次土壤有机碳含量、土壤容重和土壤厚度值分层计算各层次土壤有机碳密度, 从而得到普定后寨河小流域土壤有机碳密度空间特征值。再利用土壤有机碳密度和各类土壤分布面积分层计算有机碳储量, 进而得到研究区土壤有机碳总储量。因此, 以上土壤有机碳密度及其储量计算公式可优化为公式Ⅰ。

(4)

公式(4)中, SOCD_{i, j}为第j种土属第i层的土壤有机碳密度(kg/m²)；C_{soci, j}为第j种土属第i层的土壤有机碳含量(g/kg)；ρ_{i, j}是第j种土属第i层的土壤容重(g/cm³)；T_{i, j}是第j种土属第i层的土壤的厚度(cm)；10^-2为单位转换系数。SOCS为研究区域土壤有机碳总储量(t)；S_j是第j种土属的土壤分布面积(km²)；10³为单位转换系数。

③ 再次优化计算公式

为了消除喀斯特地区岩石部分带来的估算误差, 修正土壤有机碳储量估算结果, 使之更接近真实值, 特以石砾含量、岩石裸露率进行修正, 土壤有机碳密度及其储量计算公式Ⅰ可再次优化为公式Ⅱ。

(5)

公式(5)中, δ_j表示第j种土属分区的岩石裸露率(%), G_j为第j种土属分区的大于2 mm的石砾所占的体积百分比(%), 其余与公式(4)一致。通过对常见计算公式两次优化, 公式Ⅱ考虑了喀斯特地区相关指标变异性较大的问题, 属于喀斯特地区土壤有机碳储量估算的专用计算公式。

2 结果与分析 2.1 土壤相关指标统计分析 2.1.1 土壤面积、岩石裸露率、石砾含量、土壤厚度分布特征

采用遥感数据验证和实地踏勘相结合的方法, 对不同土属进行归类分区, 各分区交错分布于流域内, 每个土属分区面积差异较大(表 1), 其中, 黑色石灰土面积分布最大为13.79 km², 白沙土面积最小为2.38 km², 不同土属面积分布大小为：黑色石灰土＞黄泥土＞大泥田＞小土泥＞黄色石灰土＞黄泥田＞大土泥＞白大土泥＞白沙土。黑色石灰土区和黄色石灰土区一般位于峰丛上, 二者相互渗透, 用二者采样点数量权重区分, 换算得到黑色石灰土区和黄色石灰土区面积分别为13.79 km²和8.93 km²。

流域内石灰土、水稻土和黄壤交错分布, 空间异质性极高。在统计土壤分布面积时没有考虑岩石的存在, 而石灰土区石漠化较为严重, 大量岩石裸露于地表, 将土被分割成大小不一的斑块, 土被不连续, 因此, 土壤分布面积需用岩石裸露率进行修正。不同土属分区岩石裸露率存在一定的差异(表 1和图 3), 黑色石灰土区最大43.34%, 耕地中大土泥区最小29.22%。黄泥土区、大泥田区和黄泥田区3大耕地区域几乎无裸露的岩石, 岩石裸露率计为0；石砾含量的分布特征和岩石裸露率的分布基本一致, 大泥田和黄泥田的石砾含量为零, 其他土壤类型的石砾含量大小为：黑色石灰土＞黄色石灰土＞白沙土＞白大土泥＞小土泥＞大土泥＞黄泥土。

石灰土由碳酸盐岩发育而成, 成土速率较慢, 加之石质山区水土流失严重, 峰丛上的土壤很薄, 存在大量无土壤的石面或裸地, 而洼地土壤相对较深厚。不同土属分区土壤厚度差异较大, 黄泥土区土壤厚度大多超过100 cm, 而黑色石灰土区则约为20 cm, 部分区域甚至仅几厘米。黄泥土区为旱地, 由第四纪黄黏土发育而成的黄壤较为深厚, 而极少部分由砂页岩发育而成的黄壤较为浅薄, 将其划归黄泥土区, 因此黄泥土区土壤厚度计为100 cm。大土泥区、小土泥区、白大土泥区、白沙土区也均为旱地, 深浅不一, 白沙土区较浅。大泥田区和黄泥田区为水田, 流域上游大泥田区土壤厚度较浅, 下游较深, 黄泥田区土壤厚度大多超过100 cm。黑色石灰土区和黄色石灰土区为自然土壤, 分布在峰丛上, 土壤厚度均较浅。

2.1.2 土壤容重

不同土壤类型下土壤容重分布特征见表 2：总体趋势上, 黑色石灰土、黄色石灰土和小土泥容重随着土层加深而逐渐增大；黄泥土、大土泥、白大土泥、大泥田、黄泥田容重均随着土层加深而呈先增大后减小的趋势, 大土泥和白大土泥在深层趋于稳定, 黄泥土在深层又有增大的趋势；白沙土容重随着土层加深呈先减小后增大的趋势。黑色石灰土、黄色石灰土和小土泥底层容重最大, 大泥田和黄泥田犁底层容重最大, 其余土属容重均在A层与B层之间的过渡带最大。同一层位不同土属容重差异较大, 在15—20 cm大泥田容重比黑色石灰土的大0.16 g/cm³。大泥田犁底层容重最大值为1.44 g/cm³, 黑色石灰土表层容重最小值为0.94 g/cm³。不同土壤深度下各土壤类型土壤容重差异性显著, 0—5 cm深度下黄泥田土壤容重最大, 显著高于其他8种土壤类型；5—10 cm深度下黑手石灰土土壤容重最大, 显著高于黄色石灰土、黄泥土、大土泥、白大土泥、小土泥、白沙土；10—15 cm深度下黄泥田土壤容重最大, 显著高于石灰土、黄泥土、大土泥、白大土泥、小土泥、白沙土；15—20 cm深度下表现为黄泥田土壤容重最大, 显著高于石灰土、黄泥土、白大土泥；20—70 cm深度下均表现为大泥田土壤容重最大, 70—100 cm土壤深度下黑色石灰土土壤容重最大, 与其他土壤类型有不同程度的显著性差异。

2.1.3 土壤有机碳含量

为了对小流域土壤有机碳含量的统计学特征及内部结构有一个初步的了解(表 3), 对23536个样本的数据进行常规统计分析。流域内土壤样品的有机碳平均含量为16.40 g/kg, 变幅为0.13—128.74 g/kg, 极差为128.61 g/kg, 范围较宽, 最大值是最小值的990.31倍。表层土壤(0—20 cm)有机碳平均含量为25.07 g/kg, 最小值仅为1.61 g/kg, 而最大值为119.11 g/kg, 极差范围为117.50 g/kg, 具有高度变异性。剖面土壤有机碳平均含量为20.71 g/kg, 变幅为1.35—119.11 g/kg。分土层看, 0—5 cm土层土壤有机碳平均含量最高, 为29.66 g/kg, 5—10 cm土层次之, 为25.77 g/kg, 随着土层加深, 土壤有机碳平均含量减小, 90—100 cm土层达到最小, 为5.25 g/kg。各土层平均值大于中数, 且两者的差值随土层加深逐渐减小。标准差和变异系数表示样本的变异程度。各土层土壤有机碳含量变异性较大, 变异系数变化范围为52.68%—75.28%, 在10%—100%之间, 呈中等强度变异。

为进一步的分析不同土壤类型下有机碳含量的变化规律(图 4)：不同土属有机碳含量均随着土层加深而逐渐减小, 不同土属减小的幅度有所差异。在0—50 cm土层范围内, 土壤有机碳含量呈线性关系减小；在50—100 cm土层范围内, 土壤有机碳含量变化不大。同一层位不同土属有机碳含量差异较大, 黑色石灰土表层有机碳含量是黄泥土的2.61倍。总体而言, 黑色石灰土有机碳含量最大, 黄泥土有机碳含量最小；表层土壤有机碳含量大于深层土壤有机碳含量, 黑色石灰土和黄色石灰土两种峰丛林地自然土壤的有机碳含量大于其余7种耕作土壤的有机碳含量, 且峰丛中上部的黑色石灰土有机碳含量大于中下部的黄色石灰土有机碳含量。对不同土壤类型下的土壤有机碳含量(0—100 cm土层)拟合不同函数为：黑色石灰土、黄色石灰土、黄泥土、黄泥田为对数方程, 方程分别y=-17.212ln(x) + 48.897(R²=0.9415)、y=-12.723ln(x) + 37.838(R²=0.9852)、y=-6.6206ln(x) + 20.832(R² = 0.9814)、y=-9.4901ln(x) + 26.713(R²=0.9332)；白沙土、白大土泥、大泥田指数函数y= 39.226e-0.1807x(R² = 0.9708)、y=29.939e-0.1315x(R²=0.9602)、y=31.926e-0.1502x(R²=0.9438)；小土泥和大土泥为多项式, 其函数分别为y=0.151x² -3.7972x + 29.74(R²=0.9981)、y=0.1543x² -3.7127x + 28.466(R²=0.996)。

坡向和坡位的变化会对土壤有机碳含量产生明显影响(表 4), 不同坡向间有机碳含量大小均表现为阳坡大于阴坡, 阴坡的不同土壤深度间表现为显著差异。而不同坡位表现为：表层土壤(0—20 cm)有机碳平均含量大于整个剖面土壤(0—100 cm)平均含量, 坡中上部表层土壤有机碳含量最高为39.83 g/kg, 坡底最低为19.21 g/kg, 上坡是坡底的2.07倍, 除坡中上部外其他坡位间不同土壤深度土壤有机碳含量呈差异性显著。而整个剖面中(0—100 cm), 坡中上部最高为37.84 g/kg, 坡底最低为12.77 g/kg, 坡中上部是坡底的2.96倍。表层土壤有机碳含量与剖面土壤有机碳含量差值较小, 变幅为1.99—6.44 g/kg, 坡中上相差最小, 坡底相差最大。表层和整个剖面有机碳大小都表现为：坡中上部>坡顶>坡中>坡中下坡>坡底。

不同人为因素对土壤有机碳含量产生明显影响(表 4), 不同土地利用方式下表层土壤(0—20 cm)有机碳平均含量高于剖面土壤(0—100 cm)有机碳平均含量, 土壤有机碳含量大小顺序为：林地>灌草地>旱地>水田。表层中(0—20 cm), 林地最高为33.83 g/kg, 水田最低为20.51 g/kg, 两者相差13.32 g/kg。林地剖面土壤有机碳含量为30.80 g/kg, 水田为12.92 g/kg, 林地是水田的2.38倍。水田表层土壤有机碳含量与剖面土壤有机碳含量差值最大, 为7.59 g/kg, 灌草地最小, 为2.41 g/kg。旱地和灌草地不同深度的土壤有机碳含量呈差异性显著, 林地和水田间相关性不明显。

影响土壤有机碳含量的因素众多, 为深入分析坡度、海拔、土层厚度、石砾含量、容重、岩石裸露率与土壤有机碳含量之间的相关关系, 利用SPSS软件进行相关分析结果(表 5)表明：表层土壤有机碳含量与坡度、海拔、岩石裸露率均呈极显著正相关关系, 相关系数r分别为0.865, 0.993和0.880；与土层厚度呈极显著负相关关系, 相关系数r为-0.910；容重呈显著负相关关系, 相关系数r为-0.832；与石砾含量的显著正相关, 相关系数为0.510。剖面土壤有机碳含量与坡度、海拔、岩石裸露率均呈极显著正相关关系, 相关系数r分别为0.994, 0.971和0.959；与土层厚度呈极显著负相关关系, 相关系数r为-0.932；与容重呈显负相关关系, 相关系数r为和-0.790；与石砾含量的相关关系不显著。土壤厚度与海拔、容重量呈显著相关性, 相关系数分别为-0.513、0.601。石砾含量与海拔呈、岩石裸露率呈正显著相关, 与土壤厚度呈负显著相关；岩石裸露率与坡度、海拔正显著相关, 与土壤厚度呈极显著负相关。

2.2 有机碳储量估算的指标取值

用2755个采样点数据进行分析, 得到了普定后寨河小流域土壤有机碳含量、土壤容重、土壤厚度、土壤分布面积和岩石裸露率等指标区间值(表 6)。在研究区, 在0—20 cm范围内5 cm厚土壤有机碳密度区间为0.21—3.43 kg/m²；在20—100 cm范围内10 cm厚土壤有机碳密度区间为0.16—4.21 kg/m²；不同土属20—100 cm厚土壤有机碳密度区间为5.14—19.32 kg/m²。在0—100 cm范围内土壤容重区间为0.94—1.44 g/cm³。土壤厚度区间为20—100 cm, 若土壤厚度大于100 cm时计为100 cm, 研究区土壤平均厚度为64 cm。喀斯特地区岩石裸露率区间为29.22%—43.34%, 石砾含量区间为0—75.71%, 可用于修正土壤分布面积。流域面积为75 km², 其中水域面积为0.83 km², 土壤面积为74.17 km², 但土壤面积包含岩石所占部分。由于研究区不同土属土壤有机碳含量、土壤容重及土壤厚度的差异较大, 不同土属土壤分布面积差异较大, 且石灰土分区岩石裸露率、石砾含量差异也较大, 因此, 在估算土壤有机碳储量时得利用各指标分类分层计算, 再求出土壤有机碳总储量。

2.3 土壤有机碳密度估算

在0—20 cm范围内不同土属分区5 cm厚土壤有机碳密度总体上随土层深度加深而逐渐减小。黑色石灰土有机碳密度最大, 而黄泥土有机碳密度最小。在20—100 cm范围内不同土属分区10 cm厚土壤有机碳密度总体上随土层深度加深而逐渐减小, 并在土壤深层逐渐趋于稳定。10 cm厚土壤有机碳密度最大值是最小值1.58倍。表层20 cm厚土壤有机碳密度区间为3.29—5.44 kg/m², 100 cm以内土壤有机碳密度区间为4.44—14.50 kg/m²(表 7)。

2.4 土壤有机碳储量计算方法比较

不同土壤有机碳储量计算方法比较, 见表 8：在土壤有机碳含量、土壤容重和土壤厚度的变异性, 但不考虑岩石影响土壤面积的情况下, 后寨河小流域土壤有机碳储量为SOCS₇=9.37×10⁵ t。若土壤有机碳含量、土壤容重和土壤厚度分别取均值, 而考虑其他指标的变异性时, 后寨河小流域土壤有机碳储量分别为SOCS₄=9.61×10⁵ t、SOCS₅=9.28×10⁵ t、SOCS₆= 8.53×10⁵ t, SOCS₆＜SOCS₅＜SOCS₄(表 8), 说明土壤有机碳含量、土壤容重和土壤厚度对估算土壤有机碳储量有不同程度的影响。

若假定土壤为100 cm深均质土壤, 土壤容重取平均值1.20 g/cm³, SOCS₁>SOCS₂>SOCS₃=1.8SOCS₇, 即随着有机碳含量均值计算范围的加深, 土壤有机碳储量在不断减小, 且SOCS₃是SOCS₇(CK)的1.8倍。在未考虑岩石裸露率、石砾含量的情况下, 后寨河小流域土壤有机碳储量为SOCS₇=9.37×10⁵ t, 但通过岩石裸露率、石砾含量修正后, 土壤有机碳储量为SOCS₈=5.39×10⁵ t, 二者估算结果差异较大, 在75 km²的流域内尽然相差3.98×10⁵ t(表 8)。表明, 岩石裸露率、石砾含量是影响喀斯特地区土壤有机碳储量估算结果准确性的重要因素。

3 讨论

土壤中有机碳含量是土壤碳库的重要组成部分, 不同地点的土壤有机碳都会受到自然和人为措施以及它们相互作用的影响^[23-24]。喀斯特地区土体空间分布极其复杂, 土壤种类较多, 零星交错分布, 土被不连续, 裸露岩石将土体分割成大小不一的斑块, 导致了不同土壤类型下土壤有机碳含量差异较大^[25]。喀斯特二元空间异质性导致了土壤有机碳含量、土壤厚度、石砾含量等指标的变异性, 这些指标却决定了土壤有机碳的含量及分布特征。有关学者研究发现, 喀斯特土壤有机碳和土壤容重存在显著的负指数相关^[26], 本研究结果也表明, 土壤有机碳与土壤容重呈显著负相关, 最终让土壤有机碳和容重在空间分布上存在相反的分布趋势。土壤有机碳与岩石出露率呈极显著正相关, 而与土层厚度呈极显著负相关, 这与Zhang等研究结果一致^[27]。喀斯特地区多为石槽、石缝, 一般土层浅薄, 有机碳集中在少量的土壤中, 同时, 由于石漠化作用致使大量表土流失、岩石裸露、土被不连续、生境复杂化, 加剧了土壤有机碳的流失^[28]。由人类活动及自然因素的变化引起的土壤属性的差异, 是土壤碳库和碳循环最直接的影响因子^[29], 在此基础上, 本文也研究了地形因子(坡度、坡向)及土地利用方式对土壤有机碳的影响, 结果显示自然和人为因素的影响下土壤有机碳储差异较大。

迄今为止, 全球土壤有机碳储量存在很大争议, 碳源/汇的大小和位置存在极大不确定性, 在全球碳平衡研究中, 发现全球大气变化并不平衡, 存在相当大量的碳失踪汇, 约为0.4—4 Gt^[30]。早期对土壤有机碳库的估算是根据几十个或几百个土壤剖面资料, 使用世界土壤地图估算的全球陆地生态系统土壤碳库碳在1462—1548 Pg之间^[31]；而中国的学者往往借助第二次土壤普查资料, 利用地理信息系统相关软件将一定比例的土壤图数字化, 建立相关模型, 然后利用GIS的空间分析功能计算出中国陆地土壤有机碳储量处于50.6—154.0 Pg之间, 虽然属同一数量级, 但其最大值与最小值却相差2倍多^[32]。这些研究结果都是利用有限的采样点对区域内未观测点进行估值, 受样点密度、采样方法等影响, 估算方法误差, 当前学术界所用的土壤碳储量估算方法存在一定的不足, 到底哪一种方法估算的结果更准确, 暂时没有定论, 其主要原因是土壤剖面代表性能不够强。而喀斯特区域土壤空间异质极高, 利用少数代表剖面估算有机碳储量不能直接挪用到喀斯特区域, 为此, 本研究共用2755个土壤剖面, 23536个土壤样品, 采样点数较多, 具有详细的基础数据, 能准确的估算出土壤有机碳密度及储量, 同时本研究合理修正碳储量的估算公式, 建立了一套专门的喀斯特区域土壤碳储量估算方法。

岩石裸露率和土层厚度的变化对土壤有机碳转化的影响等, 已成为人们非常关心和研究的热点, 而对石砾含量的关注度欠佳, 为了验证石砾含量对土壤有机碳储量估算结果的影响^[33-34]。在充分考虑喀斯特地区土壤的空间异质性问题上, 土壤容重取研究区平均值1.20 g/cm³, 用潘根兴等的公式A估算后寨河小流域土壤有机碳储量为7.33×10⁵ t, 比本研究优化的公式Ⅱ计算值大1.94×10⁵ t；用王绍强等公式B计算得7.63×10⁵ t, 比本研究优化的公式Ⅱ计算值大2.24×10⁵ t, 公式A、B均未考虑岩石裸露率及石砾含量, 同样影响估算结果的准确性, 造成这么大误差原因是喀斯特地区石砾含量不同和高岩石裸露所致。喀斯特地区多为白云岩石灰岩地区发育的土壤, 其石砾含量和岩石裸露率高, 基于岩石出露率、石砾含量校正来估算喀斯特地区土壤有机碳储量和碳密度时优于传统估算方法, 更接近样区的实际值。

喀斯特地区土壤有机碳储量估算结果的准确性除了与估算方法有关, 也与土壤有机碳含量、土壤容重、土壤厚度和土壤分布面积等指标的准确性有关。在土壤有机碳储量估算时, 土壤有机碳含量、土壤容重和土壤厚度分别取均值, 交替考虑其他指标的变异性时, 有机碳储量变化范围8.53×10⁵—9.61×10⁵ t(SOCS₄—SOCS₆), 在考虑喀斯特土壤属性空间异质性时, 还必须把土壤有机碳含量、土壤容重等指标的变异性, 作为关键影响因子纳入采样方案以及碳储量估算方法。当考虑土壤有机碳含量、土壤容重和土壤厚度的变异性, 不考虑岩石影响土壤面积的情况下, 有机碳储量为9.37×10⁵ t(SOCS₇), 在估算喀斯特碳储量和碳密度时应充分考虑岩石裸露率、土壤厚度、石砾含量, 可以大大降低估算误差。这些指标都是土壤有机碳储量的重要影响因素, 加上喀斯特地区土壤分布面积受裸露岩石、石砾含量的影响, 所统计的土壤分布面积比实际面积大, 需用岩石裸露率、石砾含量进行修正可以得到准确的计算结果为5.39×10⁵ t(SOCS₈)。各指标与准确的估算结果差异较大, SOCS₄比SOCS₇大0.24×10⁵ t, SOCS₅比SOCS₇小0.092×10⁵ t, SOCS₆比SOCS₇大0.84×10⁵ t, SOCS₈比SOCS₇小3.98×10⁵ t, 表明这些指标对土壤有机碳储量的影响程度关系为土壤厚度>岩石裸露率>石砾含量＞土壤有机碳含量>土壤容重。因此, 在估算喀斯特地区土壤有机碳储量时应首先考虑土壤厚度、岩石裸露率和石砾含量三大因素, 其次是土壤有机碳含量, 最后是土壤容重。说明基于岩石出露率、石砾含量的校正的估算方法在估算喀斯特地区表层土壤有机碳储量时优于传统估算方法, 更接近样区的实际值, 尤其在估算喀斯特高岩石出露坡地表层有机碳储量时更具适用性, 而传统估算方法并不适合估算喀斯特高裸岩坡地有机碳储量。

4 结论

(1) 喀斯特地区土壤有机碳含量、土壤容重、土壤厚度、岩石裸露率等指标的空间变异性较大, 估算土壤有机碳储量应考虑土壤的二元空间异质性, 用“土壤类型法”估算时应以“垂直分层+水平分类”模式计算。

(2) 岩石影响喀斯特地区土壤有机碳储量估算的准确度, 应以岩石裸露率修正计算公式。修正后喀斯特地区土壤有机碳密度及储量的专属计算公式分别为SOCD_{i, j}=C_{soci, j}×ρ_{i, j}×T_{i, j}×10^-2和SOCS=SOCD_{i, j}×S_j×(1-δ_j)×(1－G_j)×10³。

(3) 不同指标对喀斯特地区土壤有机碳储量估算的影响程度关系为土壤厚度>岩石裸露率>石砾含量＞土壤有机碳含量>土壤容重。通过岩石裸露率、石砾含量修正后的计算公式, 估算出普定后寨河小流域土壤有机碳储量为5.39×10⁵ t, 其中表层20 cm土壤有机碳密度区间为3.53—5.44 kg/m², 平均值为：1.24 kg/m², 100 cm土壤有机碳密度区间为4.44—14.50 kg/m², 平均值为12.12 kg/m²。