全 文 ：河南封丘县域农田土壤固碳速率
空间变异特征及其影响因素
赵占辉１，２　 张丛志１　 刘昌华２　 蔡太义１　 张佳宝１∗
（ １中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室封丘农田生态系统国家试验站， 南京 ２１０００８； ２河南理
工大学测绘学院， 河南焦作 ４５４０００）
摘　 要　 农田土壤固碳速率是评价土壤固碳效应和潜力的重要指标，精确估算区域农田土壤
固碳速率对土壤地力及环境效应均具有重要意义．本研究选取黄淮海平原典型潮土区河南省
封丘县为研究区域，按照土壤利用⁃土壤类型联合单元布点法，于 ２０１１ 年采集了 ７０ 个耕层土
样，测定了土壤有机碳含量、机械组成、容重、ｐＨ，并与全国第二次土壤普查（１９８１ 年）数据进
行对比分析，结合地统计方法和 ＧＩＳ 技术研究了该地区近 ３０ 年农田土壤固碳速率的空间变
异特征，利用显著性检验、回归分析、方差分析等方法定量分析了该区域农田土壤固碳速率的
影响因素．结果表明： 近 ３０年封丘县域土壤固碳速率平均值为 ０．３３ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１，变异系数
为 ７４％，属于中等变异性；土壤固碳速率的变化在东西方向上表现为西高东低、中部高南北
低，呈片状分布，区域结构性因素是引起农田土壤固碳速率空间分布差异的主导因素，如土壤
类型、机械组成、容重、ｐＨ，可解释空间变异的 ５９．５％，其次是随机性因素，如秸秆还田量、施肥
量，可解释空间变异的 ４０．５％．
关键词　 黄海海平原； 空间变异； 有机碳； 固碳速率
本文由中国科学院战略性先导科技专项（ＸＤＡ０５０５０５０２０３，ＸＤＢ１５０３０３０２）、国家自然科学基金项目（４１４７１１８２）和中国科学院科技服务网络计
划项目（ＫＦＪ⁃ＥＷ⁃ＳＴＳ⁃０５５⁃４）资助 Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｔｒａｔｅｇｉｃ Ｐｉｌｏｔ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｆｕｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
（ＸＤＡ０５０５０５０２０３，ＸＤＢ１５０３０３０２）， ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （４１４７１１８２）， ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ （ＫＦＪ⁃ＥＷ⁃ＳＴＳ⁃０５５⁃４） ．
２０１５⁃１０⁃３０ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ， ２０１６⁃０２⁃２７ Ａｃｃｅｐｔｅｄ．
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｊｂｚｈａｎｇ＠ ｉｓｓａｓ．ａｃ．ｃｎ
Ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ
Ｆｅｎｇｑｉｕ Ｃｏｕｎｔｙ， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ． ＺＨＡＯ Ｚｈａｎ⁃ｈｕｉ１，２， ＺＨＡＮＧ Ｃｏｎｇ⁃ｚｈｉ１， ＬＩＵ Ｃｈａｎｇ⁃ｈｕａ２， ＣＡＩ
Ｔａｉ⁃ｙｉ１， ＺＨＡＮＧ Ｊｉａ⁃ｂａｏ１∗ （ １ Ｓｔａｔｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｇｒｏ⁃Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｆｅｎｇｑｉｕ， Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００８， Ｃｈｉｎａ； ２Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｌａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｎａｎ
Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｎ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｄｅｘ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ． Ａｃｃｕｒａｔｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａ⁃
ｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｆｆｅｃｔ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅ⁃
ｓｅａｒｃｈ， ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｆｌｕｖｏｒ⁃ａｑｕｉｃ ｓｏｉｌ ａｒｅａ， Ｆｅｎｇｑｉｕ Ｃｏｕｎｔｙ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉ⁃
ｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｏｆ Ｈｕａｎｇ⁃Ｈｕａｉ⁃Ｈａｉ Ｐｌａｉｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， ｗａｓ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ． Ａ ｔｏｔａｌ ｏｆ ７０ ｓｏｉｌ ｓａｍ⁃
ｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｕｎｉｔ ｇｒｉｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｉｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ ｉｎ ２０１１．
Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｓｏｉｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ， ｓｏｉｌ ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｐＨ ｗｅｒｅ ｍｅａ⁃
ｓｕｒｅｄ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ Ｆｅｎｇｑｉｕ
Ｃｏｕｎｔｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ３０ ｙｅａｒｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｇｅｏｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ｉｎｆｏｒｍａ⁃
ｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ （ＧＩＳ） ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｆｒｏｍ
ｓａｍｐｌｅｓ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ｉｎ ２０１１ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ２ｎｄ ｓｔａｔｅ ｓｏｉｌ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ｉｎ １９８１． Ｉｎ
ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ
ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ， ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｈｅ ｒｅ⁃
ｓｕｌｔｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｒｅｃｅｎｔ ３０ ｙｅａｒｓ ｗａｓ ａｂｏｕｔ ０．３３ ｔ Ｃ·
应 用 生 态 学 报　 ２０１６年 ５月　 第 ２７卷　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｊａｅ．ｎｅｔ
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｍａｙ ２０１６， ２７（５）： １４７９－１４８８　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＤＯＩ： １０．１３２８７ ／ ｊ．１００１－９３３２．２０１６０５．０３１
ｈｍ－２·ａ－１ ｗｉｔｈ ａ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｒｉａｎｃｅ ｏｆ ７４％， ｗｈｉｃｈ ｂｅｌｏｎｇｅｄ ｔｏ ａ ｍｅｄｉｕｍ ｖａｒｉａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ
ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗａｓ ｏｆ ｓｈｅｅｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ
ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｓｔ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｓｔ， ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｒｅｇｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ ａｎｄ
ｎｏｒｔｈ． Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆａｃ⁃
ｔｏｒｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ， ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ， ｓｏｉｌ ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｐＨ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｅｘｐｌａｉｎ
５９．５％ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ． Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｒａｎｄｏｍ ｆａｃｔｏｒｓ， ｓｕｃｈ
ａｓ ｓｔｒａｗ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｅｘｐｌａｉｎ ４０．５％ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｈｕａｎｇ⁃Ｈｕａｉ⁃Ｈａｉ Ｐｌａｉｎ； ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ； ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ； ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ．
　 　 我国农田面积约 １３０×１０６ ｈｍ２，约占陆地面积的
１３．５４％，农田总有机碳库接近 ９０ Ｐｇ，表土有机碳约
５×１０９ ｔ，有机碳密度为 ３８．５ ｔ·ｈｍ－２，农田土壤已有
的固碳速率约 ２０～２５ Ｔｇ·ａ－１［１］，远低于欧洲国家农
田土壤表层有机碳密度（５３．０ ｔ·ｈｍ－２） ［２－３］ ．近 ２０年
来，我国农田表土有机碳贮量总体增加了 ３１１．３ ～
４０１．４ Ｔｇ，从分布面积来看，５３％ ～ ５９％的农田土壤
有机碳含量呈增长趋势，３０％ ～ ３１％呈下降趋势，
４％～６％基本持平［４］ ．作为整个碳库中最重要、最活
跃的组成部分之一，农田土壤碳库的变化不仅能改
变土壤肥力，而且影响区域乃至全球碳循环，土壤肥
力则直接决定了农作物生产力的高低及其稳产性，
而碳循环过程与大气中温室气体浓度及全球变暖密
切相关［４］ ．因此，研究农田土壤有机碳变化规律及其
影响因素具有重要意义．
近年来，关于农田土壤有机碳时空变异特征及
其变化规律研究较多，如国内许多学者研究了我国
华北、华中、华南等区域农田土壤有机碳时空变异特
征，结果表明，农田土壤有机碳存在强烈的空间相关
性，农田土壤有机碳增加受土壤类型、地貌类型、外
源物质投入的影响［３，５－９］ ．目前，研究主要运用地统
计学和 ＧＩＳ相结合的方法，一方面研究了农田尺度
下土壤有机碳的空间变异性，从随机性因素方面分
析了土壤有机质变化的影响因素；另一方面研究了
区域尺度下土壤有机碳的空间分布特点及其变异规
律，揭示了结构性因素对有机碳空间变异特征的影
响［１０］ ．研究表明，有机碳含量增加受自然和人为因
素的影响，尽管农田土壤有机碳的最终饱和度和固
碳持续期受制于自然因素，但人类活动对农田土壤
有机碳的变化具有极其重要的影响［１，１１－１３］ ．
黄淮海平原作为我国典型的旱作农业区，面积
达 ３１．５３×１０６ ｈｍ２，占全国旱地总面积的 ２９．８％，土
壤分布规律为“高砂低黏”，潮土为其主要土壤类
型，有机碳含量相对较低［１４］，黄潮土为华北平原最
主要的耕作土壤，耕性良好，矿物养分丰富，在利用、
改造上的潜力很大．虽然已有黄淮海平原农田土壤
有机碳空间变异特征及影响因素的相关报
道［６，９，１５－１６］，但目前研究还不够深入，特别是针对低
产潮土农田土壤有机碳时空变异特征的研究并不
充分．
本研究选择黄淮海平原黄河流域典型低产潮土
区封丘县作为研究对象，探讨了该地区近 ３０年农田
土壤固碳速率的空间变异规律，并定量分析了土壤
类型、机械组成、容重、ｐＨ、秸秆还田、施肥对土壤有
机碳的影响，旨在为提升黄淮海平原典型潮土区域
土壤固碳能力及应对全球气候变化提供科学依据．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
封丘县位于黄淮海平原中部的黄河流域，地理
坐标为 ３４°５３′—３５°１４′ Ｎ，１１４°１４′—１１４°４６′ Ｅ，属暖
温带大陆性季风气候，年平均气温 １３．９ ℃，年降水
量 ６１５．１ ｍｍ，无霜期 ２１４ ｄ，耕地面积 ０．９ ×１０５ ｈｍ２，
属于黄淮海平原典型农业生态类型区，主要土壤类
型为潮土、风沙土，引黄灌溉旱地作为主要的土地利
用类型，种植与耕地面积比为 ０．７，农业以“一年两
熟的冬小麦⁃夏玉米”种植制度为主．
１􀆰 ２　 样点布设与样品采集
１􀆰 ２􀆰 １样点布设 　 样点布设主要考虑综合性、均衡
性、可对照性，采用土壤利用⁃土壤类型联合单元布
点法；以涵盖典型土壤类型、土地利用方式、种植模
式和地理分布为原则，根据布点单元类型和面积大
小分配点数，考虑地形、河流、道路分布等地理信息
调整布点位置，样点按土壤类型面积比例分布，保证
布设的样点具有代表性，能够代表全县农田土壤的
基本情况．样点在各类型单元中数目及在空间上分
布大致均匀；样点布设点与全国第二次土壤普查样
点相对应，共布设 ７０ 个样点（图 １），样点平均间距
为 ２．７５ ｋｍ．
１􀆰 ２􀆰 ２样品采集 　 ２０１１ 年 １０—１１ 月在封丘县对样
点进行样品采集，取 ０～２０ ｃｍ土壤约 １．５ ｋｇ，将土样
风干后过筛供实验室分析测定．在采样的同时记录
０８４１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
图 １　 封丘县采样点布设
Ｆｉｇ．１　 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｉｔｅｓ ｉｎ Ｆｅｎｇｑｉｕ Ｃｏｕｎｔｙ．
Ⅰ： 采样点 Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ．
每个样点的样点编号、行政区、经纬度、土壤类型、土
地利用、农田管理等属性信息，调查当地的耕作制
度、种植历史、当前种植状况、田间施肥管理情况、耕
作状况、灌溉与水利设施、秸秆还田状况、正常产量
水平等数据指标．
１􀆰 ３　 土壤性质测定
测定指标包括有机碳、容重、机械组成、ｐＨ．其
中，土壤容重采用环刀法测定，机械组成采用吸管法
测定，ｐＨ 采用电位法测定，有机碳采用外加热重铬
酸钾氧化⁃滴定法测定［１７］ ．
１􀆰 ４　 数据处理
土壤有机碳密度（ ｔ Ｃ·ｈｍ－２）采用土壤有机碳
含量、土壤容重和土壤深度的乘积计算，其计算公式
如下：
ＳＯＣＤ＝（１－θ）·ρ·Ｃ·Ｔ·１０００－１ （１）
式中：θ为土壤中＞２ ｍｍ 颗粒的体积百分含量；ρ 为
土壤容重 （ ｇ · ｃｍ－３ ）； Ｃ 为土壤有机碳含量
（Ｃ ｇ·ｋｇ－１）；Ｔ为土壤测量层的厚度（ ｃｍ）．估算了
土壤碳密度后，将土壤碳密度乘以不同区域的面积
即获得区域的有机碳储量［１８］ ．
以土壤类型所代表的面积作权重，采用“土壤
类型面积加权法”计算县域尺度农田土壤有机碳密
度．用相似的加权法计算不同土类及全县农田土壤
有机碳密度的平均值．近 ３０ 年（１９８１—２０１１ 年）农
田土壤固碳速率（ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１）计算公式如下：
　 　 ＳＯＣＤｒａｔｅ ＝［（ＳＯＣＤ２０１１）－（ＳＯＣＤ１９８１）］·３０
－１ （２）
式中： ＳＯＣＤ２０１１ 为 ２０１１ 年采样点的有机碳密度
（ｔ Ｃ·ｈｍ－２）；ＳＯＣＤ１９８１为 １９８１年采样点有机碳密度
（ｔ Ｃ·ｈｍ－２）．
采用 ＳＰＳＳ １９．０软件对数据进行相关统计分析．
其中，单因素方差多重比较分析采用最小显著差异
法（ＬＳＤ），相关性分析采用双变量皮尔逊单侧显著
检验；半方差函数分析在 ＧＳ＋ ７．０ 中完成，为减小特
异值对数据分析的影响，采用域法识别特异值［１９］；
以 ＡｒｃＧＩＳ １０．０作为分析平台，对封丘县 １ ∶ ２０万土
壤类型图、行政区划图进行配准和数字化，采用普通
克里格方法进行克里格插值，生成封丘县农田土壤
固碳速率分布图，并对各含量等级进行面积统
计［２０－２１］ ．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 土壤有机碳含量统计特征
１９８１和 ２０１１年的封丘县表层土壤（０ ～ ２０ ｃｍ）
有机碳含量均服从正态分布（表 １），从 ３０ 年变化来
看，有机碳最大值有显著提高，最小值变化较小，平
均值增加明显．与 １９８１ 年相比，２０１１ 年土壤有机碳
最大值增加了 ８３．１％，最小值降低了 １２．４％，平均值
增加了 ５４．１％．依据全国第二次土壤普查有机碳含
量分级标准［２２］，１９８１ 和 ２０１１ 年封丘县农田土壤有
机碳平均含量处于四级水平（５．８～１１．６ ｇ·ｋｇ－１），从
观测值构成的分布看，有机碳的分布在 １９８１年呈右
偏型，峰度为负，在 ２０１１ 年呈左偏型，峰度为正，反
映了 １９８１年观测值小于均值的样点数量较多，分布
较平缓，经过 ３０年变化，２０１１ 年观测值大于均值的
样点数量增多，且大于均值的观测值离散性变弱，分
布趋于陡峭，土壤有机碳密度趋于增加态势，这可能
是由于受外界因素影响，如大量施入化肥与外源有
机物料，促进了表层土壤有机碳累积，同时受结构性
表 １　 ０～ ２０ ｃｍ土壤有机碳、固碳速率统计特征及有机碳密度
Ｔａｂｌｅ １　 Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ， ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ０－２０ ｃｍ
ｌａｙｅｒ
项目
Ｉｔｅｍ
年份
Ｙｅａｒ
样点数
Ｓａｍｐｌｅ ｓｉｚｅ
正态性
Ｎｏｒｍａｌｉｔｙ
最大值
Ｍａｘ
最小值
Ｍｉｎ
均值
Ｍｅａｎ
标准
ＳＤ
变异系数
ＣＶ （％）
偏度
Ｓｋｅｗｎｅｓｓ
峰度
Ｋｕｒｔｏｓｉｓ
有机碳含量 １９８１ ７０ 正态 ８．４２ ３．０９ ５．９８ １．４１ ２４ ０．５０ －０．４０
Ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ （ｇ·ｋｇ－１） ２０１１ ７０ 正态 １５．４２ ２．７０ ９．２１ ２．８１ ３１ －０．０２ ０．８０
固碳速率
Ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
（ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１）
１９８１—２０１１ ７０ 正态 １．１９ －０．１９ ０．３５ ０．２６ ７４ １．０３ ２．２９
１８４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 赵占辉等： 河南封丘县域农田土壤固碳速率空间变异特征及其影响因素　 　 　 　 　
表 ２　 土壤固碳速率半方差函数理论模型及相关参数
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｓｅｍｉｖａｒｉａｎｃｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
理论模型
Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ
块金值
Ｎｕｇｇｅｔ
基台值
Ｓｔｉｌｌ
变程
Ｒａｎｇｅ （ｋｍ）
块金系数
Ｎｕｇｇｅｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ （％）
决定系数
Ｒ２
残差
ＲＳＳ
线性 Ｌｉｎｅａｒ ０．０４９３ ０．０６７７ ３４０．２５ ７２．９ ０．６３ ０．００８９
球状 Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ０．００４５ ０．０６３１ １８．３０ ７．１ ０．４０ ０．０２３６
指数 Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ０．０３８３ ０．０７０３ ４６．２０ ５４．５ ０．４０ ０．００９１
高斯 Ｇａｕｓｓｉａｎ ０．０３６６ ０．０７２４ ３０．１４ ５０．５ ０．４０ ０．００９６
因素制约，如土壤固碳能力随土壤质地不同而存在
差异，随着时间变化样点观测值值域范围拉大，表现
出峰度值增加．２０１１年有机碳的变异系数较 １９８１ 年
增加了 ２５％，空间变异性明显增强．近 ３０ 年土壤固
碳速率最大值为 １． １９ ｔ Ｃ·ｈｍ－２ ·ａ－１，最小值为
－０．１９ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１，变异系数为 ７４％，属于中等
变异性，样点平均值为 ０．３５ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１，高于全
国农田耕层土壤平均固碳速率［４，２３］；对其进行正态
性检验 ＰＫ－Ｓ ＝ ０．１５（＞０．０５），数据正态分布达到显著
水平，正态 ＱＱ图（图 ２）表明，观测数据符合正态分
布，满足地统计学分析要求．
２􀆰 ２　 土壤固碳速率空间变异结构特征
借助 ＧＳ＋软件对研究区域有机碳密度进行变异
函数拟合，根据拟合参数选择变异函数的最佳拟合
模型，并以决定系数最大、残差最小的原则，选择变
异函数的最佳拟合模型［９］，由表 ２可知，研究区域土
壤固碳速率变异函数最佳拟合模型为线性模型（图
３）．表 ２中块金值（Ｃ０）表示块金效应，反映最小抽
样尺度以下变量的变异性及测量误差，主要受试验
误差和小于试验取样尺度上施肥、耕作方式、种植制
度等随机因素影响而产生的变异；结构方差（Ｃ）又
称偏基台值，主要受土壤母质、地形、气候等结构性
因素影响而产生的变异，基台值（Ｃ０＋Ｃ）表示系统内
图 ２　 土壤有机碳密度变化速率正态 ＱＱ分布图
Ｆｉｇ．２ 　 Ｎｏｒｍａｌ ＱＱ ｐｌｏｔ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｈａｎｇｅ
ｒａｔｅ．
总的变异，块金系数［Ｃ０ ／ （Ｃ０＋Ｃ）］表示随机部分引
起的空间异质性占系统总变异的比例．一般认为，小
于 ２５％变量具有强烈的空间自相关性，在 ２５％ ～
７５％变量具有中等的空间自相关性，大于 ７５％变量
空间自相关性很弱，变异主要由随机变异组成，不适
合采用空间插值的方法进行预测［９，２４］ ．分析结果显
示（表 ２），研究区域的块金值为 ０．０４９３，说明在当前
的采样尺度范围内存在随机因素引起的变异，块金
系数为 ７２．９％，区域内存在中等空间自相关性，说明
结构性因素对研究区有机碳变化速率空间变异起一
定的作用．变程约为 ３４０．２５ ｋｍ，说明研究区样点观
测值在此空间范围内分布连续，存在空间自相关性，
超出此范围空间自相关性消失．
２􀆰 ３　 土壤固碳速率空间分布特征
采用克里格插值后，选用交叉验证参数评价插
值精度：标准平均值（ＭＳ）接近 ０，均方根预测误差
（ＲＭＳＥ）最小，平均标准误差（ＡＳＥ）接近均方根预
测误差（ＲＭＳＥ），标准均方根预测误差（ＲＭＳＳＥ）接
近 １为验证原则，选择预测结果最优插值方法，３ 种
克里格插值方法的交叉验证参数如表 ３，从表中可
以看出，普通克里格对固碳速率的插值预测结果较
好，采用普通克里格对其进行插值绘制研究区域农
田土壤有机碳变化速率空间分布图，并绘制标准误
差预测图（图 ４）．
图 ３　 土壤固碳速率各向同性半方差图
Ｆｉｇ．３　 Ｓｅｍｉｖａｒｉｏｇｒａｍｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
ａｔ ａ ｌａｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ．
２８４１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
表 ３　 克里格插值交叉验证参数
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｃｒｏｓｓ⁃ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｋｒｉｇｉｎｇ
项目
Ｉｔｅｍ
标准平均值　
Ｍｅａｎ　
ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ　
均方根
预测误差
Ｒｏｏｔ⁃
ｍｅａｎ⁃
ｓｑｕａｒｅ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ
平均标准
误差
Ａｖｅｒａｇｅ
ｓｔａｎｄａｒｄ
ｅｒｒｏｒ
标准均方根
预测误差
Ｒｏｏｔ⁃
ｍｅａｎ⁃
ｓｑｕａｒｅ
ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｒｒｏｒ
普通克里格
Ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｋｒｉｇｉｎｇ
０．００２８　 ６．６７３３ ７．３４４２ １．１０８７
简单单克里格
Ｓｉｍｐｌｅ Ｋｒｉｇｉｎｇ
－０．００２６ ０．２４２４ ０．２４５２ １．０１１５
范克里格
Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｋｒｉｇｉｎｇ
０．００７０ ０．２６０３ ０．２６４３ １．００９９
　 　 由图 ４可知，封丘县农田土壤有机碳固存速率
中西部偏高，南北部偏低，各变化等级大致呈片状分
布．高值区出现在研究区域中部、西南部等农业发展
较好的乡镇，而低值区多出现在南部、北部等农业发
展相对落后的地区．有机碳固存速率集中分布在 ０ ～
０．６ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１范围内，占全县总耕地面积的
９９．５％，其中 ０ ～ ０． ３ ｔ Ｃ·ｈｍ－２ ·ａ－１之间面积为
０．０３×１０６ ｈｍ２，占总耕地面积的 ３５．２％，０．３～０．６ ｔ Ｃ·
ｈｍ－２·ａ－１之间面积为 ０．０６×１０６ ｈｍ２，占总耕地面积
的６４．３％．以土壤类型所代表的面积作权重，近 ３０ 年
县域尺度农田土壤有机碳固存速率为 ０． ３３ ｔ Ｃ·
ｈｍ－２·ａ－１，高于全国农田土壤有机碳平均固存速率
（０．１５～０．１９ ｔ Ｃ·ｈｍ２·ａ－１） ［２１］，封丘县农田土壤碳
汇效应表现显著．由图 ４ 普通克里格插值预测标准
误差图可以看出，空间插值精度边际效应明显，误差
图 ４　 普通克里格插值土壤固碳速率空间分布图与预测标
准误差
Ｆｉｇ．４　 Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ＳＯＣ
ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｋｒｉｇｉｎｇ．
高值区集中在研究区域的边界，研究区域西南部表
现尤为突出［９］，其原因可能在于预测误差随样点距
离增加而增加，样点越少区域估值精度越低，最终形
成样点密集区域预测误差小，样点稀疏区域预测误
差迅速增加．因此，采用土壤利用⁃土壤类型联合单
元布点法能在一定程度上减少空间插值预测误差．
以样点空间坐标为 Ｘ⁃Ｙ 平面坐标，Ｘ 轴表示正
东方向，Ｙ轴表示正北方向，Ｚ 轴表示样点固碳速率
大小，将其投影到东西方向和南北方向的正交平面
上，通过投影点做出最佳拟合线，得到土壤固碳速率
的趋势面分析图（图 ５），研究区域土壤固碳速率在
东西方向上表现为西高东低，南北方向为中部高南
北低，呈 ２阶趋势，该分析所得结果与该县土壤固碳
速率的真实分布情况基本吻合．
２􀆰 ４　 土壤固碳速率的影响因素
影响农田土壤固碳速率的因素较复杂，农田土
壤固碳速率影响因素有结构性因素和随机性因素，
结构性因素，如气候、地形、土壤理化性质等，随机性
因素，如施肥、秸秆还田、耕作措施、种植制度等人为
活动［１１，２５］ ．前文初步揭示了研究区域农田土壤有机
碳时空变异存在随机因素影响，但结构性因素起主
导作用，鉴于封丘县区域内气候、地形、耕作措施、种
植制度具有单一性的特点，本研究仅从土壤质地、秸
秆还田、施肥等 ４ 个方面分析封丘县农田土壤有机
碳固碳速率的影响因素．
２􀆰 ４􀆰 １机械组成对土壤有机碳变化速率的影响　 农
田土壤理化性质作为影响有机碳库的首要因素，对
土壤固碳速率有重要影响，如土壤砂粒、黏粒含量、
图 ５　 土壤固碳速率的趋势面分析
Ｆｉｇ．５　 Ｔｒｅｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａ⁃
ｔｉｏｎ ｒａｔｅ．
ａ） 南北方向趋势线 Ｔｒｅｎｄ ｌｉｎｅ ｏｆ ｎｏｒｔｈ ａｎｄ ｓｏｕｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｂ） 东西方
西趋势线 Ｔｒｅｎｄ ｌｉｎｅ ｏｆ ｅａｓｔ ａｎｄ ｗｅｓｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｃ） 观测值坐标 Ｌｏｃａｔｉｏｎ
ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｉｔｅｓ； ｄ） 观测值 Ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｖａｌｕｅ； ｅ） 东西方向投影点 Ｐｒｏ⁃
ｊｅｃｔｉｖｅ ｓｉｔｅｓ ｉｎ ｅａｓｔ ａｎｄ ｗｅｓｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｆ） 南北方向观测值投影点 Ｐｒｏ⁃
ｊｅｃｔｉｖｅ ｓｉｔｅｓ ｉｎ ｎｏｒｔｈ ａｎｄ ｓｏｕｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．
３８４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 赵占辉等： 河南封丘县域农田土壤固碳速率空间变异特征及其影响因素　 　 　 　 　
容重、ｐＨ等．土壤机械组成影响着土壤的易耕性、通
透性、保水保肥性能，影响土壤中有机碳的积累与消
耗，进而影响土壤有机碳变化［２６］ ．
土壤固碳速率与砂粒含量呈负相关关系，相关
系数为－０．１５，固碳速率与粉粒、黏粒含量呈正相关
关系，相关系数分别为 ０．０５、０．２１，且固碳速率与黏
粒含量呈显著相关关系（Ｐ＜０．０５）．这可能由于封丘
县地处黄河北岸，土质偏砂，不利于土壤中有机碳积
累，即砂粒含量较高土质不利于土壤固碳，而黏粒含
量较高会增加土壤物理和化学保护机制，即黏粒通
过与有机物质结合形成有机、无机复合体，吸附稳定
有机碳，降低了有机碳的矿化速度，有利于有机碳的
积累．此外，土壤机械组成的差异性对土壤的水、热
状况均有影响，制约土壤中作物根系生长与微生物
活性，影响土壤有机碳的累积与损耗［１１，２４－２５］ ．
２􀆰 ４􀆰 ２土壤类型对土壤有机碳变化速率的影响　 研
究区域作为黄淮海平原黄河流域典型的冲积平原，
土壤以潮土为主要代表类型，发育于黄河冲积母质，
是经过人为耕作熟化而形成的土壤．由于黄河多次
泛滥覆盖沉积，剖面层次变化较大，土体构型较为复
杂，主要有通体质地型土壤、通体沙质型土壤等．通
体质地型土壤如两合土、淤土等，两合土是较为理想
的土体构型，上层为轻壤，中下层为黏土层，保水保
肥性能较好，有利于土壤有机碳积累；通体沙质型土
壤如风沙土等，土温变化大，水肥易流失，２０世纪 ９０
年代该地区农田土壤大量施入有机肥，逐步改良其
理化性状，不断提升土壤养分含量．由此可知，土壤
有机碳含量及其固碳速率与土壤发育历史关系密
切．统计结果表明，土壤有机碳变化情况随土壤类型
不同而出现显著差异（表 ４），如黏粒适中的褐土化
两合土与黏粒丰富的淤土初始（１９８１ 年）有机碳密
度较高，其次是黏粒含量相对较低的固定风沙土、两
合土、沙土，其中淤土、固定风沙土固碳速率较大，不
同类型土壤有机碳密度及其固碳速率差距较大，存
在显著差异．在空间分布上呈片状分布（图 ４），在东
西方向上表现为西高东低，南北方向为中部高南北
低，这与该地区两合土多分布于中西部的特点具有
一致性．上述结果表明，土壤类型主要通过土壤机械
组成影响土壤固碳速率．
　 　 不同土壤类型的容重、ｐＨ等理化性质存在差异
性，容重不同的土壤水、肥、气、热调节能力各异，土
壤容重过大抑制植物地下生物量，遏制外源有机物
进入土壤，同时易造成土壤通气性差，微生物缺少良
好的栖息和活动微环境，微生物量少，阻碍微生物作
用形成腐殖质，影响土壤中有机碳积累，遏制土壤固
碳速率；而容重过低土壤透气性较强，造成有机碳易
氧化分解，影响土壤有机碳积累［２６］ ．分析结果显示，
当土壤容重小于１．４ ｇ·ｃｍ－３时，随土壤容重增大，
表 ４　 不同土壤类型固碳速率和机械组成
Ｔａｂｌｅ ４　 Ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｉｌ ｔｙｐｅｓ
土类
Ｇｒｏｕｐ
亚类
Ｓｕｂｇｒｏｕｐ
土属
Ｇｅｎｕｓ
样点数量
Ｓａｍｐｌｅ
ｓｉｚｅ
面积比例
Ａｒｅａ
ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ
（％）
１９８１年
有机碳密度
ＳＯＣ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｉｎ １９８１
（ ｔ·ｈｍ－２）
２０１１年
有机碳密度
ＳＯＣ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｉｎ ２０１１
（ｔ·ｈｍ－２）
固碳速率
ＳＯＣ
ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ
ｒａｔｅ
（ｔ Ｃ·ｈｍ－２
·ａ－１）
砂粒
Ｓａｎｄ
（％）
粉粒
Ｓｉｌｔ
（％）
黏粒
Ｃｌａｙ
（％）
风沙土
Ａｅｏｌｉａｎ ｓａｎｄｙ
风沙土
Ａｅｏｌｉａｎ ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ
固定风沙土
Ｆｉｘｅｄ ａｅｏｌｉａｎ ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ
３ １．３８ １６．１１±
３．２９ｂ
２７．８３±
０．３８ａ
０．３９±
０．１２ａ
７４．３８±
８．２５ａｂ
０４．３１±
５．４０ｂ
１９．３５±
１．９８ｄ
ｓｏｉｌ 半固定风沙土
Ｓｅｍｉｆｉｘｅｄ ａｅｏｌｉａｎ
ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ
３ ０．３０ ０８．９３±
１．６９ｄ
０９．９０±
２．１５ｃ
０．０３±
０．１３ｄ
８４．８１±
４．５７ａ
００．９６±
０．８９ｂ
１１．４１±
１．４７ｅ
潮土
Ａｌｌｕｖｉａｌ ｓｏｉｌ
褐土化潮土
Ｆｌｕｖｏ⁃ａｑｕｉｃ ｓｏｉｌ
褐土化两合土
Ｃｉｎｎａｍｏｎ⁃ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｏｉｌ
４ ３．８５ １７．３７±
３．５８ａ
２３．６０±
５．２１ｂ
０．２１±
０．０７ｂｃ
５７．３１±
３．４６ｂｃ
１６．６０±
３．７７ｂ
２３．１６±
２．４７ｃ
黄潮土
Ｆｌｕｒｉｏｇｅｎｉｃ ｓｏｉｌ
灌淤土
Ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ⁃ａｌｌｕｖｉａｌ
ｓｏｉｌ
４ ５．３８ １５．０７±
４．２２ｃ
２４．０４±
４．３１ｂ
０．３０±
０．０８ｂ
５０．７８±
４．４９ｄ
２０．９７±
２．２０ｂ
２４．９４±
０．８０ｂ
黄潮土
Ｆｌｕｒｉｏｇｅｎｉｃ ｓｏｉｌ
两合土
Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｏｉｌ
３４ ５４．０２ １６．１８±
３．７９ａ
２７．２５±
５．１２ａｂ
０．３７±
０．１０ｂ
６５．４３±
９．８６ｂ
０９．７４±
６．５７ｂ
２１．７２±
２．５７ｄ
黄潮土
Ｆｌｕｒｉｏｇｅｎｉｃ ｓｏｉｌ
砂土
Ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ
３ ７．９７ １６．８２±
４．６７ａ
２０．５３±
５．５７ｂｃ
０．１２±
０．０７ｃ
７０．６３±
２．４８ａｂ
１０．９２±
２．５１ｂ
１４．７５±
０．８６ｅ
黄潮土
Ｆｌｕｒｉｏｇｅｎｉｃ ｓｏｉｌ
淤土
Ｓｉｌｔｉｎｇ ｓｏｉｌ
９ １０．５４ １７．７０±
３．４７ａ
２７．１７±
３．９２ａｂ
０．３２±
０．０８ｂ
４８．９９±
０．９６ｅ
１６．３７±
０．５５ｂ
３１．６０±
１．２５ａ
盐化潮土
Ｆｌｕｒｉｏｇｅｎｉｃ ｓｏｉｌ
盐化潮土
Ｆｌｕｒｉｏｇｅｎｉｃ ｓｏｉｌ
１０ １６．３５ １４．７５±
１．７９ｃ
２６．００±
３．３２ｂ
０．３７±
０．０５ｂ
５６．６６±
８．０２ｃ
２１．７３±
７．６１ａ
１８．９６±
１．３７ｄ
不同字母表示不同土属间差异显著（Ｐ＜０．０５）Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｉｌ ｇｅｎｕｓ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ．
４８４１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
图 ６　 土壤容重和 ｐＨ与土壤固碳速率的关系
Ｆｉｇ．６　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｐＨ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ．
固碳速率逐渐增大，当土壤容重大于 １．４ ｇ·ｃｍ－３
时，随土壤容重增大，固碳速率逐渐减小（图 ６），可
见，容重适中（约 １．４ ｇ·ｃｍ－３）的土壤有利于有机碳
累积．土壤 ｐＨ通过影响微生物的活性和酶活性来影
响土壤有机碳的矿化分解，ｐＨ过高抑制微生物的活
性，减缓有机碳的周转［２６］，进而影响土壤有机碳变
化．国内外学者研究发现，土壤 ｐＨ 对土壤酶活性的
影响较大，而且土壤中的微生物含量受 ｐＨ 控制，细
菌相对于古菌丰度随土壤 ｐＨ 的增大而逐渐减
小［２７－２９ ］ ．研究区域土壤 ｐＨ 与固碳速率呈反比关系
（图 ６），这是由于该地区土壤为碱性潮土，ｐＨ 普遍
偏高，抑制土壤酶和微生物活性，减缓有机碳周转，
影响土壤有机碳积累［２７－３１］ ．
２􀆰 ４􀆰 ３人为因素对土壤固碳速率的影响　 影响土壤
有机碳含量的因素是复杂的，除受土壤质地影响外，
人为因素也是影响土壤有机碳含量及其变化的重要
因素［３２］ ．人为耕作施肥、秸秆还田等活动是影响土
壤有机碳含量最活跃的因素，农田土壤被直接输入
大量外源有机、无机物料，直接影响土壤地上、地下
物质分配、根系深度、根生物量等，进一步影响土壤
有机碳输入模式、速度、数量和质量［３３－３４］ ．在相同水
热条件下，施肥量主要影响作物产量及地上与地下
生物量，产量作为从土壤直接输出的部分，间接参与
土壤固碳，地上生物量主要指秸秆、残茬等，秸秆通
常以还田方式进入表层土壤，并快速分解为糖类、淀
粉、脂肪等，增加土壤有机碳源，残茬在人为翻耕作
用下被输入土壤，与地下生物量如根系等在微生物
作用下转化为腐殖质，增加土壤碳贮量［３５－３６］ ．化肥
中丰富的有效氮有利于外源有机物转化为腐殖质，
如促进秸秆腐解等［２３］，提高土壤有机碳库．
自 ２０世纪 ９０ 年代以来，研究区域内大力推广
秸秆还田技术，根据本研究调查数据，封丘县近 ３０
年粮食作物秸秆总产出量约为 １１．９８×１０６ ｔ，其含碳
量约为 ４．９４×１０６ ｔ，而直接进行秸秆还田的农田面积
约达 ０．０７×１０６ ｈｍ２，秸秆还田量约为 １０．１６×１０６ ｔ，由
秸秆还田带入土壤的有机碳总量约为 ４．１９×１０６ ｔ，可
见近年来由秸秆还田引起的土壤固碳数量较大，年
际间有明显增加趋势（图 ７）．河南省统计局 ２０１１ 年
统计数据显示［３７］，１９８１—２０１１ 年，封丘县农田土壤
化肥施入量逐年增加（图 ８），累积用量分别约为：氮
肥（ Ｎ） ０ ． ６４ × １０６ ｔ ，磷肥（ Ｐ ２Ｏ５ ） ０ ． ３６ × １０６ ｔ ，钾肥
图 ７　 １９８１—２０１１年农田秸秆产出和还田量
Ｆｉｇ．７　 Ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｔｒａｗ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｓｔｒａｗ ｒｅｔｕｒｎｅｄ ｉｎ ｃｒｏｐｌａｎｄ
ｆｒｏｍ １９８１ ｔｏ ２０１１．
ａ） 秸秆产出量 Ｓｔｒａｗ ｏｕｔｐｕｔ； ｂ） 秸秆有机碳产出量 Ｓｔｒａｗ ｃａｒｂｏｎ ｏｕｔ⁃
ｐｕｔ； ｃ） 秸秆还田量 Ｓｔｒａｗ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ； ｄ） 秸秆有机碳还田量 Ｓｔｒａｗ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃａｒｂｏｎ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
图 ８　 １９８１—２０１１年农田秸秆产生和还田有机碳累积量
Ｆｉｇ．８　 Ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒａｗ ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ｒｅｔｕｒｎ．
５８４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 赵占辉等： 河南封丘县域农田土壤固碳速率空间变异特征及其影响因素　 　 　 　 　
表 ５　 不同因素对土壤固碳速率影响的方差分析
Ｔａｂｌｅ ５　 Ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
固碳速率
Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ
结构性因素 Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆａｃｔｏｒ
砂粒
Ｓａｎｄ
粉粒
Ｓｉｌｔ
黏粒
Ｃｌａｙ
容重
Ｂｕｌｋ
ｄｅｎｓｉｔｙ
ｐＨ
随机性因素 Ｒａｎｄｏｍ ｆａｃｔｏｒ
秸秆还田
Ｓｔｒａｗ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
施肥
Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ
方差 Ｖａｒｉａｎｃｅ １１．１５ ８．５８ ５．９５ ０．０９ ０．１０ １２．６１ ４．９９
占总方差比例
Ｖａｒｉａｎｃｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｔｏ ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｎｃｅ （％）
２５．６ １９．７ １３．７ ０．２ ０．２ ２９．０ １１．５
图 ９　 １９８１—２０１１年农田化肥施入量及积累量
Ｆｉｇ．９　 Ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ
ｉｎ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｄｕｒｉｎｇ １９８１ ｔｏ ２０１１．
（Ｋ２Ｏ） ０．２１×１０６ ｔ，累积总施肥量 １．２１×１０６ ｔ．可见，
近年来研究区域内投入了大量化肥．进一步研究表
明，调查样点施肥量、秸秆还田量与土壤固碳速率呈
显著正相关（Ｐ＜０．０５）．由此可得，秸秆还田量与施
肥量能够在一定程度上影响该地区农田土壤固碳
速率．
２􀆰 ５　 土壤固碳速率与影响因素的相关性及方差
分析
土壤固碳速率与土壤 ｐＨ 呈显著负相关，与黏
粒含量、秸秆还田量、施肥量呈显著正相关．结合前
文分析可得，机械组成、土壤类型可作为研究区域内
影响土壤固碳速率的主要因素，土壤容重、ｐＨ 与土
壤固碳速率关系密切，秸秆还田量、施肥量则是促进
土壤有机碳累积重要的人为因素之一．因此，通过改
良土壤结构，合理添加外源有机、无机物料，有利于
土壤固碳，提高农田土壤固碳速率．
通过一般线性模型方差成分估计方法，分析各
影响因素对土壤固碳速率变异性的贡献（表 ５）．在
县域尺度上，农田土壤固碳速率受结构性因素与随
机性因素的影响，结构性因素可解释 ５９．５％的土壤
固碳速率变异性，其中机械组成在结构性因素中占
主导地位；秸秆还田量与施肥量作为研究区域主要
随机性因素，可解释 ４０．５％的土壤固碳速率变异性，
秸秆还田量方差贡献大于施肥量．因此，在研究封丘
地区农田土壤固碳效应时，应充分考虑土壤质地、秸
秆还田情况、施肥量等因素的影响．
３　 结　 　 论
研究区域农田土壤固碳速率在空间上呈片状分
布，在东西方向上表现为西高东低，南北方向为中部
高南北低，高值区出现在研究区域中部、西南部地区
农业发展较好的乡镇，而低值区多出现在南部、北部
农业发展相对落后地区．固碳速率集中分布在０～０．６
ｔ Ｃ · ｈｍ－２ · ａ－１ 范围内，占全县总耕地面积的
９９􀆰 ５％，其中固碳速率为 ０～０．３ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１面积
为 ３０５１５．３３ ｈｍ－２，占总耕地面积的 ３５．２％，０．３ ～ ０．６
ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１面积为 ５５７０９．３３ ｈｍ２，占总耕地面积
的 ６４．３％．
对封丘县农田土壤样点有机碳密度进行面积加
权计算所得县域农田土壤有机碳密度 １９８１ 年为
１５．９１ ｔ Ｃ·ｈｍ－２，２０１１年为 ２５．９３ ｔ Ｃ·ｈｍ－２，与全国
农田表土有机碳密度平均值（３８．５ ｔ Ｃ·ｈｍ－２）相比
仍有很大差距， 土壤有机碳储量 ２０１１ 年为
２．２５×１０６ ｔ，１９８１年为 １．３８×１０６ ｔ，近 ３０ 年县域有机
碳储量增加 ０．８７×１０６ ｔ，碳汇效应表现显著，农田表土
固碳速率为 ０．３３ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·ａ－１，明显高于全国农田
土壤有机碳平均固碳速率 ０．１５ ～ ０．１９ ｔ Ｃ·ｈｍ－２·
ａ－１［２１］ ．因此，近 ３０ 年封丘县农田土壤具有显著固碳
效应，但有机碳密度仍低于全国平均值．可见，目前
封丘县农田土壤具有较大的固碳潜力．
研究区域土壤固碳速率受到结构性因素和随机
性因素影响，结构性因素是引起农田土壤固碳时空
变异的主导因素，如土壤类型、机械组成、容重、ｐＨ，
可解释空间变异性的 ５９．５％，其次是随机性因素，如
秸秆还田、施肥，可解释空间变异性的 ４０．５％．提升该
地区农田土壤固碳能力和肥力，需要进一步改良土壤
结构，优化施肥方式，合理采用秸秆还田等措施．
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ｙｉｅｌｄ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ （应用生态学
报）， ２０１５， ２６（２）： ４３０－４３６ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［３５］　 Ｚｈａｏ Ｍ⁃Ｓ （赵明松）， Ｚｈａｎｇ Ｇ⁃Ｌ （张甘霖）， Ｗｕ Ｙ⁃Ｊ
（吴运金）， ｅｔ ａｌ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ
ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，
Ｃｈｉｎａ． Ａｃｔａ Ｐｅｄｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ （土壤学报）， ２０１４， ５１
（３）： ４４９－４５６ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［３６］　 Ｗａｎｇ Ｈ （王　 虎）， Ｗａｎｇ Ｘ⁃Ｄ （王旭东）， Ｔｉａｎ Ｘ⁃Ｈ
（田宵鸿）． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒａｗ⁃ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｃｔｉｖｅ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ
ｃａｒｂｏｎ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ （应用生态
学报）， ２０１４， ２５（１２）： ３４９１－３４９８ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［３７］　 Ｌｉｕ Ｙ⁃Ｑ （刘永奇）， Ｌｉｕ Ｓ⁃Ｄ （刘世德）． Ｈｅｎａｎ Ｓｔａｔｉｓ⁃
ｔｉｃａｌ Ｙｅａｒｂｏｏｋ ｏｆ ２０１１． Ｂｅｉｊｉｎｇ： Ｃｈｉｎａ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ Ｐｒｅｓｓ，
２０１１ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
作者简介　 赵占辉，男，１９８８年生，硕士研究生． 主要从事土
壤区域固碳、ＧＩＳ应用研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈａｎｈｕｉｚｈａｏ＠ １２６．ｃｏｍ
责任编辑　 张凤丽
赵占辉， 张丛志， 刘昌华， 等． 河南封丘县域农田土壤固碳速率空间变异特征及其影响因素． 应用生态学报， ２０１６， ２７（５）：
１４７９－１４８８
Ｚｈａｏ Ｚ⁃Ｈ， Ｚｈａｎｇ Ｃ⁃Ｚ， Ｌｉｕ Ｃ⁃Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｆｅｎｇｑｉｕ
Ｃｏｕｎｔｙ， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， ２０１６， ２７（５）： １４７９－１４８８ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
８８４１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷