黄土高原地区水土流失严重,是我国典型的生态环境脆弱地区之一^[1]。近几十年来,通过退耕还林(草)、小流域综合治理等生态环境工程的整治,黄土高原区域生态功能已得到大幅提升。土壤有机碳库作为陆地生态系统碳库的主要组成,其动态变化在全球碳循环中具有重要作用^[2-4]。许多研究证明,黄土高原退耕还林(草)工程提升了区域的土壤有机碳库,其中人工植被恢复起着重要的作用^[5-6]。小流域是黄土高原生态环境治理的基本单元。相较于大尺度,小流域尺度上的研究会更准确地反映出土壤有机碳的空间变异^[7]。因此,研究小流域土壤有机碳的空间变异性并辨析其影响因素,对于退耕还林(草)工程在小流域尺度下的水土保持效益和生态服务功能评价具有重要意义。

由于黄土高原小流域地貌的复杂性和土壤自身的高异质性,加之受到各种人类活动和自然因素的影响,其有机碳分布具有高度的空间变异性^[8]。Shi等^[1]认为黄土高原丘陵小流域土地利用变化使得土壤有机碳在小流域中进行重新分配,并且0—20 cm土层中有机碳含量会显著高于下层。贾宇平等^[3]研究了黄土丘陵沟壑区小流域的有机碳分布的空间变异特征得出该流域有机碳含量为中等变异程度,而沟坝地土壤有机碳含量比梁峁地的高,且土壤有机碳含量在空间上的分布主要受土壤动植物在土体中的分布、土壤含水量、水土流失情况及人类生产活动等因素的影响。魏孝荣等^[9]认为地形条件是影响黄土高原沟壑区小流域土壤性质空间分布的主要因素。孙文义等^[10]认为不同地形和土地利用方式都会对黄土丘陵沟壑区小流域表层土壤有机碳空间分布产生显著影响。Sun等^[11-12]认为地形位置、海拔、坡度、坡向等地形因素会影响土壤有机碳的分布和含量。总体来看,由于区域气候、地貌、植被、土壤和人为活动等因素具有较大差异性,小流域土壤有机碳空间变异性的研究结果也不尽相同,仍有必要进行进一步的研究。

人工植被恢复是黄土丘陵区生态环境建设的主要举措,其中柠条(Caragana Korshinskii)是主要的灌木树种之一。柠条由于其具有较强的抗逆性和固土保水能力,同时也是优质的饲料植物资源,已在宁夏、陕北、晋西、甘肃等地大面积种植^[13-14]。许多区域已形成以柠条种植为主导的植被配置格局,加之恢复过程中多辅以微地形整地方式,多因素影响下的小流域土壤有机碳分布空间变异特征仍是值得研究的重要问题。因此,本研究选择以人工柠条种植为主导恢复方式的宁夏火岔湾小流域为对象,研究其土壤有机碳空间变异特征,分析土壤有机碳产生空间异质性的影响因素,以期为黄土丘陵区植被恢复与重建以及区域碳库的评估提供一定的科学依据。

本研究中,小流域中不同土地利用方式土壤有机碳含量具有显著差异,林地最高,灌木地和农地次之,草地最低(图2)。这种差异可能是由于不同的土地利用方式改变了地表植物覆盖和枯枝落叶量以及根系生物量,从而改变有机碳的主要来源^[21]。相较于农地和草地,灌木地和林地的植物根系更发达,枯枝落叶等凋落物更丰富,更加有利于有机碳的积累。变异系数表明,农地的变异程度最大,灌木地及林地次之,草地最小。这主要是因为农地受人类活动影响强度较大,耕作、施肥及灌溉等土壤管理措施的不同导致土壤有机质输入存在差异,导致变异程度最高^[1,8]; 而灌木地及林地虽然地表凋落物较为丰富,但土壤团聚体相对稳定,因此表现出相对稳定的变异程度; 草地有机碳来源输入较稳定,故表现出较低的变异程度。本研究中,小流域的土壤有机碳含量在垂直分布上均表现出随土层的加深而显著降低的趋势,这一研究结果与多数研究结果一致^[22-23]。这主要是由于以地表凋落物积累为主要来源的有机碳,随着土层深度的增加,其输入逐渐降低的原因^[24]。

本研究中地统计学分析表明,随土层深度的加深,各土层块金值与基台值的比值即C₀/(C₀+C)有减小的趋势且均小于25%,表现出强烈的空间相关性,其中结构性因素起主要作用(表3,图3)。贾宇平等^[3]同样对各层土壤有机碳含量进行分析,结果C₀/(C₀+C)值均小于12%。这表明虽然不同的土地利用方式,管理措施等人为活动作用于表层土壤,破坏了表层原有的空间相关性,但土壤仍保持着气候、地形等自然因素的长期作用形成的空间相关性^[22],且这种变异性随土层的加深,结构因素的作用越来越强。这与吕成文等^[21]的研究结果相一致,他们认为0—100 cm土壤有机碳比表层0—20 cm更容易受结构性因素的影响。小流域土壤有机碳含量在其东北部及中南部有机碳含量较高,南部及中北部含量较低(图4)。结合样点土地利用方式分布来看,小流域东北部及中南部地区主要以人工种植的柠条为主,其较高的生物量和土壤动物及微生物活动量会促进有机碳含量的增加^[15],且柠条多以水平沟和水平阶的整体方式进行种植,这在一定程度上减缓坡面径流流速有效积累有机碳含量。中北部地区为耕地,位于坡下位置易受土壤沉积作用的影响但由于长期耕作会破坏土壤团聚体稳定性,加速有机碳的矿化作用从而一定程度上造成土壤有机碳含量的相对减少^[25]。而南部地区土壤有机碳含量也相对较低,一方面是因为该区域以坡面为主的撂荒草地实际占比面积较大,其根系及生物量较少也受到侵蚀作用影响易造成有机碳的流失,另一方面也可能与采样林地多为人工种植树龄较低的果树有关。

图5 不同地形条件和不同土地利用条件下土壤有机碳含量

黄土丘陵区火岔湾小流域0—40 cm土壤有机碳含量为8.78～29.81 g/kg,且表现为林地>灌木地>农地>草地,变异系数为19.03%～21.80%,属中等程度变异。不同土地利用方式下有机碳含量均随土层加深而逐渐降低。各土层土壤有机碳的半方差拟合模型均为球状模型,存在着强烈的空间自相关性,土壤的结构性因素引起的空间变异在总变异中所占比例较大起主要作用,由随机因素引起的空间变异较小。克里格插值结果表明,以人工种植柠条为主的区域整体土壤有机碳含量较高,而耕地及撂荒草地为主的区域整体含量较低。破坏较小的缓坡地要有机碳含量高于整地较大的水平沟和水平阶。在研究区,人工种植柠条为主的生态恢复方式改变了小流域土壤有机碳空间变异性,并且其作用效果也与微地形整地方式有较大关系。本研究表明,在人工植被恢复主导的小流域土壤有机碳研究中,将植被恢复类型与整地方式耦合分析非常重要。