全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 缘期摇 摇 圆园员源年 猿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
干旱指标研究进展 李柏贞袁周广胜 渊员园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对作物矿质元素利用率影响研究进展 李垄清袁吴正云袁张摇 强袁等 渊员园缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
森林生态系统中植食性昆虫与寄主的互作机制尧假说与证据 曾凡勇袁孙志强 渊员园远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
线虫区系分析指示土壤食物网结构和功能研究进展 陈云峰袁韩雪梅袁李钰飞袁等 渊员园苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国省际水足迹强度收敛的空间计量分析 赵良仕袁孙才志袁郑德凤 渊员园愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原河谷城市植被时空变化及其影响因素要要要以青海省西宁市为例 高摇 云袁谢苗苗袁付梅臣袁等 渊员园怨源冤噎噎
土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应要要要以陕北黄土丘陵沟壑区为例
赵明月袁赵文武袁钟莉娜 渊员员园缘冤
噎噎噎噎噎噎噎噎
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赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓对添加造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响
陈旭飞袁张摇 池袁戴摇 军袁等 渊员员员源冤
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个体与基础生态
钾与信号抑制剂对外生菌根真菌分泌乙酸的调控作用 杨红军袁李摇 勇袁袁摇 玲袁等 渊员员圆远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应 薛美昭袁仪慧兰 渊员员猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
石油污染土壤中苯酚降解菌 葬凿园源怨的鉴定及降解特性 胡摇 婷袁谷摇 洁袁甄丽莎袁等 渊员员源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
紫花苜蓿对铜胁迫生理响应的傅里叶变换红外光谱法研究 付摇 川袁余顺慧袁黄怡民袁等 渊员员源怨冤噎噎噎噎噎噎
播种期对晚季香稻香气 圆鄄乙酰鄄员鄄吡咯啉含量和产量的影响 杨晓娟袁唐湘如袁闻祥成袁等 渊员员缘远冤噎噎噎噎噎
外源钙渊悦葬冤对毛葱耐镉渊悦凿冤胁迫能力的影响 王巧玲袁邹金华袁刘东华袁等 渊员员远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被指数的北京军都山荆条灌丛生物量反演研究 高明亮袁宫兆宁袁赵文吉袁等 渊员员苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三种暖季型草坪草对二氧化硫抗性的比较 李摇 西袁王丽华袁刘摇 尉袁等 渊员员愿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
恩施烟区无翅桃蚜在烤烟田空间动态的地统计学分析 夏鹏亮袁王摇 瑞袁王昌军袁等 渊员员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
啮齿动物捕食和搬运蒙古栎种子对种群更新的影响 张晶虹袁刘丙万 渊员圆园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原鼠兔有效洞穴密度对高寒草甸优势植物叶片和土壤氮磷化学计量特征的影响
李倩倩袁赵摇 旭袁郭正刚 渊员圆员圆冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
光尧温限制后铜绿微囊藻和斜生栅藻的超补偿生长与竞争效应 谢晓玲袁周摇 蓉袁邓自发 渊员圆圆源冤噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
人工巢箱繁殖鸟类主要巢捕食者及其影响因素 张摇 雷袁李东来袁马锐强袁等 渊员圆猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
泉州湾蟳埔潮间带大型底栖动物群落的时空分布 卓摇 异袁蔡立哲袁郭摇 涛袁等 渊员圆源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同尺度因子对滦河流域大型底栖无脊椎动物群落的影响 张海萍袁武大勇袁王赵明袁等 渊员圆缘猿冤噎噎噎噎噎噎
呼兰河湿地夏尧秋两季浮游植物功能分组演替及其驱动因子 陆欣鑫袁刘摇 妍袁范亚文 渊员圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎
江西桃红岭国家级自然保护区梅花鹿生境适宜性评价 李摇 佳袁李言阔袁缪泸君袁等 渊员圆苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国自然保护综合地理区划 郭子良袁崔国发 渊员圆愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
近 员园年来蒙古高原植被覆盖变化对气候的响应 缪丽娟袁蒋摇 冲袁何摇 斌袁等 渊员圆怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人类活动与气候变化对洪湖春旱的影响 刘可群袁 梁益同袁周金莲袁等 渊员猿园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园园园要圆园员园年武汉市中心城区湖泊景观变化 淡永利袁王宏志袁张摇 欢袁等 渊员猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
三江源区冬虫夏草资源适宜性空间分布 李摇 芬袁吴志丰袁徐摇 翠袁等 渊员猿员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园猿
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封面图说院 插秧季节的桂西要要要圆园园怨要圆园员员年袁我国广西尧云南尧贵州尧四川尧重庆等西南地区遭受了百年不遇的特大旱灾袁其中
广西西北部尧云南大部尧贵州西部等石漠化地区最为严重袁农作物大面积绝收袁千百万人和大牲畜饮水困难袁这种危
害是巨大的尧现实的遥 从对 圆园园怨要圆园员员年我国西南地区旱灾程度及其对植被净初级生产力影响结果显示院圆园园怨要
圆园员员年西南地区年均降水量和湿润指数明显低于 员怨愿园要圆园园愿年均值袁植被净初级生产力低于 圆园园员要圆园园愿年均值袁
造成的碳损失约占我国总碳汇的 苑援怨员豫遥 全球气候变暖给大气环流提供了动力袁也造成了许多极端灾害天气袁因此
如何应对气候变化形势显得更加紧迫遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 5 期
2014年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.5
Mar.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(41390462, 41171069);长江学者和创新团队发展计划项目( IRT1108)
收稿日期:2013鄄06鄄10; 摇 摇 修订日期:2013鄄10鄄09
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhaoww@ bnu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201306101597
赵明月,赵文武,钟莉娜.土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应———以陕北黄土丘陵沟壑区为例.生态学报,2014,34(5):
1105鄄1113.
Zhao M Y, Zhao W W,Zhong L N.Scale effect analysis of the influence of land use and environmental factors on surface soil organic carbon:a case study in
the hilly and gully area of Northern Shaanxi Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1105鄄1113.
土地利用和环境因子对表层
土壤有机碳影响的尺度效应
———以陕北黄土丘陵沟壑区为例
赵明月1,2,赵文武1,2,*,钟莉娜1,2
(1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京摇 100875;
2. 北京师范大学摇 资源学院, 北京摇 100875)
摘要:土壤表层有机碳对土地利用和环境因子的变化非常敏感,并具有尺度变异特征。 研究不同尺度上表层土壤有机碳的空间
分布及其与土地利用与环境因子的关系对于评价黄土丘陵沟壑区表层土壤有机碳状况具有重要意义。 选择黄土丘陵沟壑区安
塞集水区和集水区内典型小流域———沐浴小流域作为研究区,探讨两个尺度上,表层土壤有机碳的分布特征及其与土地利用、
环境因子的关系。 结果表明:(1)土地利用方式对有机碳的影响在不同尺度上差异明显,对于不同利用方式下的有机碳含量,
沐浴小流域从高到低依次是荒草地>林地>灌木林地>耕地,安塞集水区则依次为林地>灌木林地>耕地>荒草地;(2)对于不同
利用方式下的土壤有机碳密度,沐浴小流域从高到低依次是荒草地>林地>耕地>灌木林地,安塞集水区则是林地>耕地>荒草地
>灌木林地;(3)在沐浴小流域和安塞集水区两个尺度上,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,而相对
海拔、土地利用与有机碳密度负相关;(4)在小流域尺度上,海拔高度、坡位、土地利用与有机碳含量负相关,坡位与有机碳密度
负相关,但是在集水区尺度上,相关性则与此相反。
关键词:土地利用; 环境因子; 土壤有机碳; 有机碳密度; 尺度效应
Scale effect analysis of the influence of land use and environmental factors on
surface soil organic carbon:a case study in the hilly and gully area of
Northern Shaanxi Province
ZHAO Mingyue1,2, ZHAO Wenwu1,2,*,ZHONG Lina1,2
1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2 College of Resources Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract: Land use and environmental factors are considered significant in regulating the spatial distribution of surface soil
organic carbon (SOC), but are not equally important at different scales. Accurate knowledge of SOC stocks and the effects
of environmental factors on SOC are crucial, both from the perspective of regional carbon budgets and appropriate landscape
management of SOC. The Muyu small watershed and the Ansai catchment in loess hilly鄄gully area were taken as study area
in the paper. On the basis of soil sampling in the field, 35 and 79 samples were taken separately in Muyu small watershed
and Ansai catchment. Classical statistics and RDA were applied to study on the relationship of the distribution of SOC, soil
organic carbon density (SOCD) with land use and environmental factors at two different scales. The research results were as
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follows. The effects of land use type on SOC and SOCD had significant difference at two scales. SOC varied with land use in
the order: grass land > woodland > shrubland > farmland at the Muyu small watershed. And the order was woodland >
shrubland > farmland > grassland at the Ansai catchment. Meanwhile, the SOCD was highest in the grassland and declined
as follows: grassland > woodland > farmland > shrubland at the Muyu small watershed, and it was highest in the woodland
and declined as: woodland > farmland > grassland > shrubland at the Ansai catchment. SOC and SOCD showed scale effects
under different influence of land use. The main land use at the Muyu watershed was grassland. The soil physical and
chemical properties were good enough to protect the soil and water. Thus the SOC and SOCD were both higher than other
land use, which was different from that at the Ansai catchment. There were a lot of woodland and shrubland at the Ansai
catchment. Since woodland was the optimal land use type to keep soil and water, and the SOC and SOCD were much higher
in woodland at the catchment. Also since changes in land use had influences on physical, chemical and biological soil
attributes, they changed SOC and SOCD by disturbing the equilibrium between the formation and mineralization of soil
organic matter. The land use change played different roles in affecting SOC and SOCD at different scales.
Then we chose slope, slope position, slope aspect, altitude, vegetational cover and land use as environmental factors.
Among them, aspect, slope and vegetational cover were positively related to the SOC and SOCD at both the Muyu watershed
and the Ansai catchment. Altitude, slope position and land use were negatively related to SOC at the Muyu watershed while
they were positively related to SOC at the Ansai catchment. Altitude and land use were negatively related to SOCD at two
scales. Slope position was negatively related to SOCD at the Muyu watershed, and positively at the Ansai catchment. The
influences of environmental factors were varies: slope aspect, slope and slope position decided the migration direction and
speed of material, altitude affected the vertical distribution of the hydrothermal conditions, and vegetational coverage, with
land use, reflected the input and output of soil organic carbon. But since different geographical conditions, the influences of
those environmental factors were complex.
Key Words: land use; environmental factors; soil organic carbon; soil organic carbon density; scale effect
摇 摇 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鄄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鄄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鄄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鄄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鄄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
6011 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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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。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
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毅 5忆44义—109毅 26忆18义E,36毅 30忆45义—37毅 19忆3义
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 益,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。
1.2摇 采样及分析方法
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。
图 1摇 研究区位置示意和采样点分布图
Fig.1摇 Location of study area and the distribution of sampling sites
摇 摇 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:
SOCD=C·兹·D·(1-啄) / 100
式中, C为表层土壤有机碳的平均含量(g / kg),兹 为
土壤容重(g / cm3),D为土壤厚度(cm),本研究中取
值 20,啄为土壤中直径大于 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。
1.3摇 统计分析
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
7011摇 5期 摇 摇 摇 赵明月摇 等:土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应———以陕北黄土丘陵沟壑区为例 摇
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情况。
2摇 结果与分析
2.1 摇 不同土地利用对表层土壤有机碳和有机碳密
度的影响
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。
表 1摇 不同尺度不同土地利用方式的表层土壤有机碳含量描述性统计
Table 1摇 Descriptive statistics of surface organic carbon in different land use at different scales
土地利用
Land use
尺度
Scales
N
Numbers
极小值
Maximum
/ (k / kg)
极大值
Minimum
/ (k / kg)
均值
Average
标准差
Standard
deviation
方差
Variance
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
变异系数
Variable
coefficient
耕地 沐浴 3 2.5852 4.2440 3.1523 0.9456 0.8942 1.7281 0.3000
Farmland 安塞 15 2.3464 4.8639 3.4049 0.8644 0.7472 0.2349 -1.5803 0.2539
荒草地 沐浴 14 2.6829 4.7752 3.6094 0.8137 0.6622 0.3578 -1.4661 0.2255
Grassland 安塞 24 2.3785 4.7752 3.3894 0.8130 0.6610 0.5342 -1.1969 0.2399
灌木林地 沐浴 4 3.2050 4.1351 3.5010 0.4354 0.1896 1.6808 2.7222 0.1244
Shrubland 安塞 11 2.8434 4.8070 3.6810 0.6442 0.4150 0.5565 -0.9254 0.1750
林地 沐浴 13 2.6296 4.0536 3.4128 0.5152 0.2654 -0.6436 -1.3620 0.1510
Woodland 安塞 27 2.5923 4.8581 3.4413 0.6094 0.3714 0.2233 -0.6414 0.1771
表 2摇 不同尺度不同土地利用方式的土壤表层有机碳密度描述性统计
Table 2摇 Descriptive statistics of surface organic carbon density in different land use at different scales
土地利用
Land use
尺度
Scales
N
Numbers
极小值
Maximum
/ (k / kg)
极大值
Minimum
/ (k / kg)
均值
Average
标准差
Standard
deviation
方差
Variance
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
变异系数
Variable
Coefficient
耕地 沐浴 3 0.3228 0.6032 0.4208 0.1581 0.0250 1.7178 0.3758
Farmland 安塞 15 0.2964 0.6318 0.4255 0.1111 0.0123 0.5558 -1.0375 0.2611
荒草地 沐浴 14 0.3302 0.5956 0.4451 0.0909 0.0083 0.1920 -1.4326 0.2043
Grassland 安塞 24 0.2683 0.5956 0.4152 0.0961 0.0092 0.3883 -1.2577 0.2315
灌木林地 沐浴 4 0.3804 0.5097 0.4275 0.0572 0.0033 1.5209 2.4206 0.1338
Shrubland 安塞 11 0.3358 0.5433 0.4434 0.0679 0.0046 0.0050 -1.4612 0.1531
林地 沐浴 13 0.2912 0.4911 0.4026 0.0646 0.0042 -0.5885 -1.0870 0.1604
Woodland 安塞 27 0.2912 0.6251 0.4125 0.0837 0.0070 0.5772 0.0193 0.2029
摇 摇 沐浴小流域的表层土壤有机碳含量分布在
2郾 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
8011 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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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。
2.2摇 不同尺度下表层土壤有机碳含量和有机碳密
度与环境因子的关系分析
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“梯度长度冶,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摇 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摇 The two鄄dimensional RDA ordination diagram of SOC, SOCD and environmental factors in the Muyu small watershed area and the
Ansai catchment
摇 摇 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
9011摇 5期 摇 摇 摇 赵明月摇 等:土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应———以陕北黄土丘陵沟壑区为例 摇
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示相关性越高,小于 90毅表示正相关,大于 90毅表示负
相关,90毅表示不相关;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。
3摇 结论与讨论
3.1摇 不同尺度土地利用对土壤有机碳的影响
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 km2 [24鄄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
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减少,林地和草地面积显著增加,植被恢复效果明
显[26鄄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鄄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鄄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。
3.2摇 不同尺度环境因子对土壤有机碳的影响
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。
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粤悦栽粤 耘悦韵蕴韵郧陨悦粤 杂陨晕陨悦粤 灾燥造援猿源袁晕燥援缘 酝葬则援袁圆园员源渊杂藻皂蚤皂燥灶贼澡造赠冤
悦韵晕栽耘晕栽杂
云则燥灶贼蚤藻则泽 葬灶凿 悦燥皂责则藻澡藻灶泽蚤增藻 砸藻增蚤藻憎
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杂贼葬贼藻鄄燥枣鄄贼澡藻鄄葬则贼 则藻增蚤藻憎 燥枣 贼澡藻 蚤皂责葬糟贼 燥枣 糟造蚤皂葬贼蚤糟 糟澡葬灶早藻 燥灶 遭蚤燥葬增葬蚤造葬遭蚤造蚤贼赠 燥枣 皂蚤灶藻则葬造 藻造藻皂藻灶贼泽 蚤灶 糟则燥责泽
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粤责责则燥葬糟澡 燥枣 灶藻皂葬贼燥凿藻 枣葬怎灶葬 葬灶葬造赠泽蚤泽 蚤灶凿蚤糟葬贼藻 贼澡藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 葬灶凿 枣怎灶糟贼蚤燥灶 燥枣 泽燥蚤造 枣燥燥凿 憎藻遭
悦匀耘晕 再怎灶枣藻灶早袁 匀粤晕 载怎藻皂藻蚤袁 蕴陨 再怎枣藻蚤袁 藻贼 葬造 渊员园苑圆冤
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粤 泽责葬贼蚤葬造 藻糟燥灶燥皂藻贼则蚤糟 葬灶葬造赠泽蚤泽 燥枣 憎葬贼藻则 枣燥燥贼责则蚤灶贼 蚤灶贼藻灶泽蚤贼赠 糟燥灶增藻则早藻灶糟藻 燥灶 葬 责则燥增蚤灶糟蚤葬造 泽糟葬造藻 蚤灶 悦澡蚤灶葬
在匀粤韵 蕴蚤葬灶早泽澡蚤袁 杂哉晕 悦葬蚤扎澡蚤袁 在匀耘晕郧 阅藻枣藻灶早 渊员园愿缘冤
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孕葬贼贼藻则灶 凿赠灶葬皂蚤糟泽 燥枣 增藻早藻贼葬贼蚤燥灶 糟燥增藻则葬早藻 燥枣 孕造葬贼藻葬怎 灾葬造造藻赠鄄悦蚤贼赠 蚤灶 贼澡藻 宰藻泽贼藻则灶 悦澡蚤灶葬院 葬 糟葬泽藻 泽贼怎凿赠 蚤灶 载蚤灶蚤灶早
郧粤韵 再怎灶袁 载陨耘 酝蚤葬燥皂蚤葬燥袁 云哉 酝藻蚤糟澡藻灶袁 藻贼 葬造 渊员园怨源冤
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澡蚤造造赠 葬灶凿 早怎造造赠 葬则藻葬 燥枣 晕燥则贼澡藻则灶 杂澡葬葬灶曾蚤 孕则燥增蚤灶糟藻 在匀粤韵 酝蚤灶早赠怎藻袁 在匀粤韵 宰藻灶憎怎袁在匀韵晕郧 蕴蚤灶葬 渊员员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 耘蚤泽藻灶蚤葬 枣燥藻贼蚤凿葬 葬灶凿 粤皂赠灶贼澡葬泽 皂燥则则蚤泽蚤 燥灶 贼澡藻 糟澡藻皂蚤糟葬造 葬灶凿 遭蚤燥造燥早蚤糟葬造 责则燥责藻则贼蚤藻泽 燥枣 泽燥蚤造 葬皂藻灶凿藻凿 憎蚤贼澡 贼澡藻 责葬责藻则 皂蚤造造
泽造怎凿早藻 悦匀耘晕 载怎枣藻蚤袁 在匀粤晕郧 悦澡蚤袁 阅粤陨 允怎灶袁藻贼 葬造 渊员员员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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砸藻早怎造葬贼蚤燥灶 燥枣 责燥贼葬泽泽蚤怎皂 泽怎责责造赠 葬灶凿 泽蚤早灶葬造 蚤灶澡蚤遭蚤贼燥则泽 燥灶 葬糟藻贼葬贼藻 藻枣枣造怎曾藻泽 遭赠 藻糟贼燥皂赠糟燥则则澡蚤扎葬造 枣怎灶早蚤
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耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 藻曾燥早藻灶燥怎泽 糟葬造糟蚤怎皂 渊悦葬冤 燥灶 贼燥造藻则葬灶糟藻 燥枣 粤造造蚤怎皂 糟藻责葬 增葬则援 葬早则燥早葬则怎皂 蕴援 贼燥 糟葬凿皂蚤怎皂 渊悦凿冤 泽贼则藻泽泽
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郧粤韵 酝蚤灶早造蚤葬灶早袁 郧韵晕郧 在澡葬燥灶蚤灶早袁 在匀粤韵 宰藻灶躁蚤袁 藻贼 葬造 渊员员苑愿冤
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悦燥皂责葬则蚤泽燥灶 泽贼怎凿赠 燥枣 泽怎造枣怎则 凿蚤燥曾蚤凿藻 则藻泽蚤泽贼葬灶糟藻 燥枣 贼澡则藻藻 憎葬则皂鄄泽藻葬泽燥灶 贼怎则枣 早则葬泽泽藻泽 蕴陨 载蚤袁 宰粤晕郧 蕴蚤澡怎葬袁 蕴陨哉 宰藻蚤袁 藻贼 葬造 渊员员愿怨冤噎噎噎
郧藻燥泽贼葬贼蚤泽贼蚤糟葬造 葬灶葬造赠泽蚤泽燥灶 泽责葬贼蚤葬造 凿赠灶葬皂蚤糟泽 燥枣 贼澡藻 葬责贼藻则燥怎泽 酝赠扎怎泽 责藻则糟蚤糟葬藻 蚤灶 枣造怎藻鄄糟怎则藻凿 贼燥遭葬糟糟燥 枣蚤藻造凿泽 燥枣 耘灶泽澡蚤 贼燥遭葬糟糟燥 葬则藻葬袁 悦澡蚤灶葬
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责造葬灶贼泽 葬灶凿 泽燥蚤造 蚤灶 葬造责蚤灶藻 皂藻葬凿燥憎 蕴陨 匝蚤葬灶择蚤葬灶袁 在匀粤韵 载怎袁 郧哉韵 在澡藻灶早早葬灶早 渊员圆员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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泽贼则藻泽泽藻泽 载陨耘 载蚤葬燥造蚤灶早袁 在匀韵哉 砸燥灶早袁 阅耘晕郧 在蚤枣葬 渊员圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
孕燥责怎造葬贼蚤燥灶袁 悦燥皂皂怎灶蚤贼赠 葬灶凿 耘糟燥泽赠泽贼藻皂
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远圆猿员 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
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本期责任副主编摇 象伟宁摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 缘期摇 渊圆园员源年 猿月冤
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