朱阳春;张振华;赵学勇;连杰;童非;张娜
【摘 要】Geostatistical techniques were used to quantify the spatial heterogeneity and relationship between soil total organic carbon (TOC) and total carbon (TC) at 0-20 cm soil layer in the Yongji irrigation sub-district (YD) from the Hetao irrigation district ( HD) . The results showed that the mean values of TOC and TC were 6. 96 g/kg and 21. 06 g/kg, respectively. TOC accounted for about 33. 05％ of TC and the linear regression equation was YTC=13. 169xTOC+1. 252 ( F=142. 846, P<0. 001) . TOC significantly differed among three land-use types ( F=13. 136,P<0. 001) , and the concentra-tion in cropland and forestland significantly higher than that in wasteland ( P<0. 05) . TOC and TC was mostly accordance with the gaussian and spherical models, respectively, and the values of special related degree were 16. 73％ and 0, indicating that soil carbon strongly correlated in the special heterogeneity. TOC and TC distributed plaques in the YD on the space, with increasing from the Yongji Canal ( YC) to both sides, symmetrically. The fertilization, irrigati
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on and other farm management would cause difference of TOC among the different land-use types at small scale, but that did not destroy soil carbon in the original space. The special heterogeneity of TOC and TC in the YD was subjected to natu-ral factors such as soil parent material, climate, topography and so on, which maybe have relation to the differences of solar radiation, precipitation and vegetation pattern caused by the differences of altitude, topographic relief and other natural fac-tors.%应用地统计学方法,研究河套永济灌域表层土壤(0～20 cm)有机碳(TOC)和总碳(TC)的空间异质性及二者之间的相关性.结果表明,土壤TOC平均含量为6.96 g/kg,TC平均含量为21.06 g/kg,TOC占TC的33.05％,二者之间线性回归方程为:YTC=13.169xTOC+1.252(F=142.846,P<0.001).在不同土地利用方式下,TOC含量差异非常显著(F=13.136,P<0.001),林地和农田中TOC含量显著高于荒地(P<0.05).TOC和TC的半方差拟合结果分别为高斯模型和球型模型,空间相关度分别为16.73％和0,具有强烈的空间相关性.TOC和TC含量在空间上呈斑块状分布,以永济干渠为中心向两边对称增高.虽然土壤受到施肥、灌溉等农业管理小尺度因素的影响,造成土壤TOC在不同土地利用方式下的含量差异显著,然而却未达到破坏其原有空间格局的程度,TOC和TC的空间变异均由土壤母质、气候、地形等自然因素引起,可能与海拔、地形起伏等因素引起的太阳辐射、降水格局及植被覆盖等差异有关.【期刊名称】《江苏农业学报》
【年(卷),期】2017(033)006
【总页数】7页(P1294-1300)
【关键词】土地利用方式;土壤有机碳;土壤总碳;空间异质性
【作 者】朱阳春;张振华;赵学勇;连杰;童非;张娜
【作者单位】江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014;江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014;中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州730000;中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州730000;江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014;江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏 南京 210014
【正文语种】中 文
【中图分类】S151.9
土壤碳(C)库是地球上最大的碳库，其碳储量约是地上部生物量的3倍和大气碳库储量的2倍，其中土壤有机碳(TOC)库储量为2 000 PGC[1-2]。土壤碳库是全球碳循环的重要构成，其空间异质性受气候、地形、母质、植被类型等结构性因素和取样、测量误差等随机性因素，以及人为因素包括土壤农艺措施(施肥、灌溉、耕作等)、土地利用方式等的综合影响，是当前生态学、林学、土壤学等领域的研究热点之一[3-4]。杜虎等[5]的研究结果表明，土壤有机碳密度拟合为指数模型，在喀斯特区域含量低，非喀斯特区域含量高，碳密度在不同植被类型和土壤类型下差异显著，海拔是该地区森林土壤TOC空间异质性的主要影响因素。Maillard等[6]研究全球19个国家177个草地土壤TOC储量及空间异质性，结果表明，空间尺度及采样深度均对TOC储量有一定影响。农田土壤是大气二氧化碳(CO2)的一个重要源，是全球土壤碳库研究的重要内容。Li等[7]分析美国南都山麓地带土地利用方式对土壤基本特性和微量元素空间异质性的影响，结果表明，在阔叶林、农田、松树林等土地利用方式下，土壤中C含量、N含量、pH值、Cu含量、Zn含量、Fe含量等差异显著，耕作等农艺措施显著影响不同土地利用方式间的土壤特性(C、N、C∶N)及微量元素等空间结构的异质性。贾晓红等[3]运用地统计学方法，分析黄灌沙区农田耕层土壤性状空间异质性，结果表明，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等的空间异质性主要受施肥
实体经济、灌溉和作物轮作等随机性因子影响,在农业活动中，应注重施肥和灌溉的方式，避免因土壤性状变异导致肥料利用效率降低。因此，研究农田土壤碳的空间异质性，可以对土壤肥力空间分布有一个准确的了解，预测土壤养分及其空间变化特征，是开展精确农业和清洁农业研究的基础。
内蒙古河套灌区位于干旱区内蒙古西部黄河冲积平原，具有2 000多年的农业灌溉历史，是中国主要的商品粮基地。灌区约有90%以上的农业退水，经总排干，最终汇入乌梁素海，导致乌梁素海富营养化程度加重[8]。因此，本研究拟基于地统计学半方差函数模型，分析河套灌区土壤TOC和总碳(TC)的空间异质性，分析不同土地利用方式下的差异性，以期充分掌握土壤肥力的空间分布，合理规划土地利用方式，合理施肥，提高土壤养分利用率，为精确施肥，发展清洁农业，保护流域生态环境提供理论依据和技术支撑。
永济灌域位于河套灌区中部，海拔1 039 m，年降雨量130～220 mm，年蒸发量1 900～2 500 mm，降雨主要集中于7-8月。灌域以永济干渠为主，从总干渠引黄河水灌溉，土地总面积2 520.0 km2，灌溉面积1 167.5 km2，主要担负行政区域内临河区的7个乡镇、2个国营农场及五原县银定图克镇和乌拉特中旗呼鲁斯太镇部分土地的农业灌溉任务，退水汇入
螺旋槽丝锥
四排干和五排干，再经总排干，最后汇入乌梁素海间接汇入黄河。灌域主要的土地利用类型为农田、人工林地和荒地，土壤类型为灌淤土，质地包括沙壤土、轻壤土和黏壤土。农田和林地每年施用一定量的有机肥和无机肥，荒地不施肥。灌域内所有土壤采用大水漫灌的方式。
在充分了解永济灌域土壤基本概况的基础上，根据不同土地利用方式、地形、地貌等因素选择采样区。2013年5月夏灌之前，共设置125个0～20 cm土壤采样点，其中荒地样点27个，林地样点24个，农田样点74个(图1)，每个样点以S形随机取3～5个样，混匀后装袋备用。同时记录每个采样点的经纬度、海拔、地形特征、施肥量、灌溉量、种植类型等基本情况。
所有土壤样品剔除杂石、杂草、根系和动物残体等杂质后，在室内自然晾干，用四分法缩分至约1 kg，研磨，过2.00 mm和0.15 mm尼龙筛，装袋备用。土壤pH值采用酸度计法(水土比5∶1)测定，永济灌域土壤pH平均值为9.13。采用元素分析仪测定土壤TOC含量和TC含量。
1.3.1 地理统计方法 半方差函数是研究变异性的关键函数，公式[9]为：
γ(h)=[z(xi)-z(xi+h)]2
式中，γ(h)为半方差函数，h为2个样本间的分离距离，z(xi)和z(xi+h)分别是随机变量在空间位置xi和(xi+h)上的取值，N(h)是分离距离为h时的样本总数。
在建立理论模型时，要对模型进行最优拟合。而实际变异函数值γ(h)1和理论模型计算的变异函数值γ(h)2的差称为残差(RSS)，公式[10]为：
根据RSS最小原则，对试验半方差函数进行拟合，得到半方差函数的理论模型。C0为块金值，反映最小抽样尺度下变量的变异性及测量误差。C为结构方差，表示非随机原因形成的变异。(C0+C)为基台值，表示系统属性或区域化变量的最大变异程度。A为变量空间自相关变异的尺度，在尺度内，变量具有空间自相关特征，反之不存在。热红外波段
块金值与基台值的比值[C0/(C0+C)]为空间相关度，反映可度量空间自相关变异所占的比例。[C0/(C0+C)]<25%，表示具有强烈的空间相关性，主要由土壤母质、地形等非人为因素引起；[C0/(C0+C)]为25%～75%，表示具有中等相关性；[C0/(C0+C)]>75%，说明系统相关性很弱，主要是由人类活动引起的[10]。
视在功率1.3.2 数据处理 在95%的置信区间下，利用SPSS 19.0软件包中的回归分析模块分析TOC和TC之间的相关性，利用ArcGIS 10.0绘制采样点分布示意图。利用ArcGIS 10.0软件的地统计分析模块，并采用克里格空间内插法，将土壤TOC和TC以属性挂接的方法连接到空间数据中，再进行空间分析，绘制不同等级土壤TOC含量和TC含量的空间分布图。采用GS+软件进行半方差分析，分析土壤TC和TOC的空间异质性并绘制TC的空间分布等值图。
K-S检验结果表明，土壤TOC含量和TC含量均符合正态分布。表1显示，土壤TOC和TC的平均含量分别为6.96 g/kg和21.06 g/kg，TOC约占TC的33.05%。从变异系数来看，TOC含量波动较大，变异系数为34.79%，TC含量波动小，变异系数为15.47%。
灌域土壤TOC含量和TC含量之间的相关性非常显著，回归分析结果(图2)表明，二者之间呈显著正相关的线性关系(F=142.846，P<0.001)，线性回归方程为：YTC=13.169xTOC+1.252。
图3显示，3种土地利用方式下的土壤TOC含量差异显著(F=13.136，P<0.001)，林地和农田土壤TOC含量分别为7.78 g/kg和7.40 g/kg，显著高于荒地土壤中TOC含量(P<0.05)。图
4显示，不同土地利用方式下，土壤TC含量的差异不显著(F=1.105，P>0.050)，荒地、林地和农田土壤TC含量的平均值分别为20.25 g/kg、20.53 g/kg和21.43 g/kg。
表2和图5显示，永济灌域土壤TOC含量和TC含量的半方差拟合效果较好，分别为高斯模型和球型模型，残差平方和非常低，很好地反映了土壤碳的空间结构特征。TC的空间相关度为0，具有强烈的空间自相关性。TOC的空间相关度为16.73%，小于25.00%，以结构性变异方差为主。在研究区域内，TOC和TC空间自相关变异的尺度分别为980 m和3 790 m。
图6显示，灌域土壤TOC含量在空间上呈斑块状分布，大部分含量集中于 5.47～8.64 g/kg，其分布总体呈现中间低两边较高的趋势。土壤TOC含量较高(>8.64 g/kg)的区域位于总干渠永济段下游和总排干永济段上游以及五排干下游，土壤TOC含量较低(<5.47 g/kg)的区域位于总排干下游和五排干上游。
图7显示，土壤TC含量的空间变化与TOC含量的空间变化类似，呈斑块状，空间差异较小，总体呈中间低两边高的趋势。土壤TC含量较高(>22.53 g/kg)的区域位于五排干上游、总干渠上游和总排干上游，土壤TC含量较低(<17.33 g/kg)的区域位于灌域东北角。长沙大学学报
土壤碳库由土壤TOC库和无机碳(SIC)库2部分组成。SIC是指以碳酸钙、碳酸根、碳酸氢根等形式存在于土壤中的碳素，在土壤中相对比较稳定，主要存在于干旱半干旱区的土壤中[11]。中国西北干旱区土壤SIC库的碳含量一般比TOC库高2～5倍，占全国土壤SIC库的60.00%以上[12]。若土壤碳库以SIC库为主，表明其肥力水平低，供肥、供氮和保氮能力差[13]。本研究中，地处干旱区的河套永济灌域，土壤TOC平均含量为6.96 g/kg，约占TC(平均值为21.06 g/kg)的33.05%，二者之间呈显著正相关的线性关系，回归方程为：YTC=13.169xTOC+1.252。可见，灌域土壤TOC在土壤TC中占有的比重相对较低，SIC则是灌域表层土壤碳库的主要存在形式。这与Tan等[11]的研究结果类似，该地区土壤SIC含量是有机碳含量的2.1倍，约占全国SIC含量的18.40%，并且在不同土地利用方式和不同土壤类型中差异显著。因此，研究区当地的农业活动应注重提高土壤中TOC的含量，提高土壤肥力。
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