Spatial variation of soil properties and carbon under different land use types on the Chinese Loess Plateau
黄土高原不同土地利用方式下土壤性质和碳的空间变异
土地利用影响土壤性质和土壤碳储量。充分了解土地利用对土壤的影响，对于预测气候变化对土壤的影响，为土壤管理提供科学依据至关重要。本研究对黄土高原500 cm深的202个农田、林地和草地样地的土壤性质、土壤有机碳（SOC）、土壤无机碳（SIC）和全碳（TC）进行了测定。我们发现草地和农田的黏粒和砂粒含量最高，土壤含水量明显高于林地。林地100-300 cm土壤水分含量较低，并且不能由降雨的渗透补充。同时，草地和林地的土壤碳含量和碳储量差异不大，在气候变化和水资源短缺的情况下，草地比林地或农地更适合固碳，进而防止土壤侵蚀。因此，种草应被视为CLP生态系统可持续管理的一种策略。
土壤作为陆地生态系统中最大的碳库，在全球碳循环中发挥着重要作用。土地利用和管理实践影响土壤有机碳储量，自然生态系统向农业生态系统的转变可能导致土壤有机碳（SOC）储量减少。据估计，在1850-2000年期间，土地利用的转变和管理所排放的CO2高达156 Pg。然而，将农田转化为森林或草地，能够提高固碳，并最终降低大气中的二氧化碳水平。这种影响取决于一系列土壤性质，例如土壤肥力、土壤容重和土壤含水率。SOC对气候影响和土地利用的响应十分迅速。这些影响土壤固碳能力以及土壤密度。SOC也是土壤肥力的关键指标，对生态系统生产力至关重要。
了解土壤无机碳（SIC）的动态也很重要，因为SIC是干旱和半干旱地区碳的主要形式，并且可能比SOC含量多2-5倍。干旱和半干旱土壤约占全球SOC的10%，覆盖了全球陆地表面的30%。中国黄土高原（CLP）是一个重要的SIC库，不仅因为它面积大（64.87万km2），而且它是典型的干旱和半干旱地区。CLP是一种沉积地貌，由一层厚（约100 m）的黄土层组成。为了最大限度地减少CLP的土壤侵蚀，中国政府于1999年启动了“退耕还林计划”，使中国82%的土地面积得到恢复。因此，黄土高原的植被覆盖率从1999年的31.6%增加到2013年的59.6%。一些研究表明植被恢复对土壤碳和水分的影响，但不同植被恢复类型的影响在不同地区并不统一。本研究的目的是确定土地利用变化如何影响土壤性质和土壤固碳。本文研究了不同土地利用类型剖面的土壤含水率，质地，容重，TC，SIC和SOC，以确定土地利用对黄河下游水资源利用的影响最小，是最佳的碳库。
研究区位于陕西省延安市以东46 km的古屯流域（36º46'39"-37º3'34" N，109º41'02"-109º56'58" E）。面积约24km2（图1）。该地区属于温带半湿润气候，年平均气温为9.7℃，年降水量为541mm，主要集中在6月至9月。选取9个代表性剖面。根据主要土地利用方式将其分为草地（三个剖面）、林地（三个剖面）或耕地（三个剖面）。农田有18年的耕作历史，与小规模的“沟道治理”有关。林地于1999年种植，作为“退耕还林”计划的一部分，草地经C14测定为天然草地。所有的草地和森林剖面都是从山脊上采集的，农田是从沟底采集的。2017年3月至4月，通过GPS定位采集1m×1m样方中的土壤样品。在取样前，清除地面落叶。取样深度为500 cm。我们使用202个切割环以确定土壤容重（BD）。0-20cm每10cm为一层，20-500cm每20cm为一层。另外收集了202个样品，以测定总碳（TC）、SIC、土壤含水量（SWC）和土壤质地。
图1 中国黄土高原古屯流域不同土地利用类型采样点分布状况
通过烘干法测定SWC。在干燥之后，从每个干燥样品的体积-质量关系确定BD。使用Mastersizer 3000通过激光衍射测定土壤质地。将每个样品中剩余的土壤风干，通过2 mm的筛网。使用元素分析仪在950 ℃的燃烧温度下测量TC。因为SIC包括土壤中的大多数碳酸盐矿物，例如CaCO3和MgCO3，通过酸将SIC水解释放为CO2来测量SIC。最后，TC中减去SIC来计算SOC。所有实验均在Xian Accelerator Mass Spectrometry Center进行。
SOC和SIC存量（kg m-2）用以下公式计算：
其中，SOCstock和SICstock表示SOC和SIC储量（kgm-2）。SOC和SIC是测量的SOC和SIC含量（gkg-1）；BD为土壤容重（gcm-3）；Fcontent是直径> 2 mm（无量纲）的非土壤颗粒的比例。CLP黄土中粗碎屑很少出现，因此F含量通常可以忽略不计。△d代表土层厚度（cm）。每一深度单位面积碳质量为该深度内所有层的SOCstock和SICstock的总和。
土壤蓄水量是指土壤在特定土层深度的含水量，以水深（mm）为单位表示：
其中Wi是给定深度（mm）储存的土壤水分，Mi是该深度的土壤质量含水量，Di是土壤容重（g cm-3），h为土壤深度（mm）。
RSM是土壤相对湿度（%）。
其中Mi是土壤水质量含水量（%），Wi是土壤储水量。CLP土壤中的土壤水分被分为四种类型：几乎不可利用的土壤水分（RSM < 30%）；中等可利用的土壤水分（30%≤RSM≤ 49%）；容易利用的土壤水分（50%≤RSM≤ 80%）；和极容易利用的土壤水分（RSM > 80%）。
本研究采用单因素方差分析，以确定土地利用和耕地开垦时间对SOC，SIC和其他参数的显著性。所有差异均在0.05的显著性水平下进行检验。采用Origin 2018b、SPSS 22进行统计分析，用ArcMap 10.2软件绘制采样点图形。
1.不同土地利用类型以及不同深度土壤粒径分布：
粒径分析的结果在图2A和图3中展示。基于粘土、粉砂和砂粒的比例，使用质地三角图识别出了两种土壤类型—粉壤土和粉砂土。土壤粒径随着土地利用类型而变化。对于农田、林地和草地，我们发现以下各自的组成部分（图2A）：砂粒20.3%、21.4%、18.8%（平均20.2%）；粉粒76.9%、76.2%、78.4%（平均77.2%）；粘粒2.8%、2.4%、2.8%（平均2.7%）。在所有土壤剖面（0-500 cm）中，粉粒是主要的土壤颗粒。我们测得的粉粒比例比老燕曼渠和纸坊沟流域观察到的值高1.1-1.4倍。本研究粘粒是含量最低，低于老燕曼渠和纸坊沟流域，本研究剖面中砂粒的平均比例也是如此（表1）。Zhao等人（2016）在对CLP不同土地利用的研究中发现粘土含量比本研究中高4倍。这是由于研究区位置差异造成的，即在CLP的北方，降雨量较低导致土壤成土作用较弱。
图2 农地（n = 63），林地（n = 73）和草地（n = 66）。0-500 cm，9个剖面土壤质地（%）（A），土壤含水量（g kg-1）（B），土壤容重（g cm-3）（C），土壤有机碳含量（g kg-1）和土壤碳储量（kg m-2）（D和E）。用橘色表示粘粒（<0.002 mm）平均值，绿色表示粉粒平均值（0.002-0.05），灰色表示砂粒平均值。使用单因素方差分析来进行差异分析。同一颜色的不同字母表示单因素方差分析中耕地、林地和草地之间差异显著。
表1 0-500 cm土壤性质和土壤有机碳
研究中林地与其他两种土地利用类型的粒径分布存在显著差异（图2）。林地土壤砂粒含量最高，粘粒和粉粒含量最低（p < 0.05）。农田和草地之间差异不显著（图2）。土壤湿度与土壤中粘粒和粉粒的量呈正相关。粘粒含量高使得土壤具有更大的持水能力。因此，可以推断，农田和草地比林地具有更大的持水能力。
3种土地利用类型的土壤颗粒垂直分布呈现出不同的格局（图3）。林地和农田土壤中粘粒和粉粒含量随土层深度增加而增加，而砂粒含量则随土层深度增加而减少（图3）。因此，与0-300 cm相比，农田和林地在300-500 cm深处具有更大的持水能力。草地土壤中粘粒、粉粒和砂粒随深度变化不大。在0-300 cm土层，草地土壤粘粒和粉粒的比例高于农田和林地，而砂粒的比例低于农田和林地。农田（297 mm）和草地（182 mm）的储水量高于林地（103 mm）（表2）。从持水能力的角度来看，种草是有利于土壤恢复的。
表2 不同土地利用类型土壤储水量和相对土壤湿度
图3 土壤质地的垂直分布（平均值±标准差）：（A）粘土（<0.002 mm），（B）粉粒（0.002-0.5 mm），（C）砂粒（>0.5 mm）。在100 cm深的间隔在古屯流域的农田（蓝色），林地（红色）和草地（浅蓝色）。采用单因素方差分析比较了3种土地利用方式和5个土层的平均值之间的差异，不同的小写字母表示同一土地利用方式下各土层之间的差异显著，大写字母表示同一土层内不同土地利用方式下各土层之间的差异显著。
2. 不同土地利用类型和深度的土壤水分分布：
在CLP中，土壤水分动态受到土地利用的显著影响。三种土地利用方式的土壤含水量平均值差异显著（p < 0.05），依次为：197.7 ± 39 g kg-1（农田）> 141.1 ± 35 g kg-1（草地）> 79.6 ± 32.5 g kg-1（林地）（图2B和图4A）。因此，农田的土壤贮水量最大，是草地的1.6倍，是林地的2.9倍（表2）。
图4 土壤含水量的垂直分布（g kg-1)（A）和体积密度（g cm-3)（B）在农田（深蓝色）、草地（浅蓝色）和林地（红色）中以100 cm的深度为间隔。采用单因素方差分析比较了3种土地利用方式和5个土层的平均值之间的差异，不同的小写字母表示同一土地利用方式下各土层之间的差异显著，不同的大写字母表示同一土层不同土地利用方式下各土层之间的差异显著。
当SWC值低于80 g kg-1时，形成土壤干层。林地样地中，超过70%的SWC数值意味着林地土壤干层现象较为普遍，而农田SWC值超过80 g kg-1。这一结果表明，林地比农田消耗更多的土壤水分。研究发现，从0-500 cm，林地中的RSM（40%）为中等可用，而草地中的RSM（71%）为容易利用，农田中的RSM（99%）为极易利用（表2）。植树造林是植被恢复一种有效措施，其中有足够的水可用于减少土壤侵蚀。树木高蒸腾能力和根系吸收，使得干旱和半干旱地区中慎重造林。
研究表明农田，林地和草地的垂直SWC分布表现出不同的干燥程度（图4A）。林地土壤SWC在0 ~ 200 cm土层呈下降趋势，在200 ~ 500 cm土层呈上升趋势，在400-500 cm土层达到最大值（p < 0.05）。100-300 cm深度处至少有200 cm厚的干土层（图4A），该区间土壤水分很难得到利用（表2）。这里的干土层主要是由深根吸水引起的。过度消耗CLP水资源与植物根系吸水效果相同，并且对土壤可持续发育造成严重威胁。
农田土壤水分含量从地表到300 cm深度呈上升趋势，然后保持不变。每100 cm土层的土壤水分储存量在230-364 mm之间，所有五个土层的RSM均为80%，属于容易获得到极容易获得的类别（表2）。草地剖面中的SWC值从地表到500 cm是均匀的（图4A）。五个土层的土壤水分储存量在175-196 mm之间，RSM值为70%，属归容易获得土壤水分（表2）。因此，在草地和农田的水足以支持植物生长，水土保持，而林地似乎加剧了干燥。
3. 不同土地利用方式下土壤碳特征：
农田、草地和林地中测量的SOC、SIC、TC含量和土壤碳储量如图2D和图2 E。土壤有机碳的平均值为1.3 ± 0.93（农田）、2.60 ± 2.11（草地）和2.64 ± 1.42 g kg -1（林地）。相较与林地和草地，农田土壤有机碳含量最低（p < 0.05），林地和草地土壤有机碳含量差异不显著（p > 0.05）。Pearson相关分析表明， SOC与土地利用呈正相关（表3）。与森林和草本相比，作物固定SOC的能力较弱，这可能是由于长期和重复的耕作带来SOC损失。研究表明，农地中应定期施肥，提高秸秆回报率，以增加SOC水平。
草地平均SIC（15.98 ± 3.24 g kg-1）最高但与林地（14.45 ± 2.08 g kg-1）无显著差异（p > 0.05）（图2D）。农田SIC最低（平均10.7 ± 5.2 g kg-1）（图2D）。由于SIC占TC的85%-89%，TC含量反映了SIC含量。三种土地利用类型的土壤总有机碳含量依次为：农田（11.96 ± 5.35 g kg-1)<林地（17.09 ± 1.32 g kg-1)<草地（18.58 ± 3.75 g kg-1）（图2D）。
0-500 cm，SOC、SI和TC储量变化趋势相似，林地和草地之间差异不显著（p>0.05），农地最低（图2 E）。因此，天然草地和林地的固碳能力均高于农地。
4. 土壤碳随深度的变化：
林地、农田和草地之间0-500 cm的土壤有机碳含量差异不显著（p > 0.05）。草地0 ~ 100 cm深度土壤有机碳标准差较大使得变异强，最高可达7.57 g kg-1 SOC（0-10 cm）。这反映了地表凋落物、细根生物量和较小的人类影响。剖面中的SOC含量与BD呈负相关，特别是在20至500 cm的深度（表3）。深层土壤中较高的BD可阻碍土壤水的流动并降低SOC。在我们所有的研究点中，BD随深度增加而增加，特别是在400-500 cm处（图4 B）。我们推测，研究区深层土壤有机碳的固定可能受到土壤水分入渗的限制。
表3 黄土高原3种土地利用方式下11个深度土壤有机碳含量与土壤粒径分布、容重和含水量的Pearson相关分析
三种土地利用类型深层土壤中的SIC变化趋势不同（图5B）。在农田中，SIC随深度单调下降，而在草地中，SIC下降到300 cm的深度，然后从300 cm增加到500 cm（p < 0.05）（图5B）。土壤质地也出现了类似的变化（图3）。这种现象是沟道整地造成的。整地使得谷底坡脚土壤将抬高240 cm，从而改变土壤粒径和容重分布（图4B）。农地SIC在低于240 cm的土层中显著降低（图5B）。我们推断SIC的损失是由于淋溶。在农地中，我们没有挖掘超过500 cm的土壤，因为该深度的土壤下面是钙化层，BD较高的和水分渗透较低（图2C）。由于SIC占TC含量的80%以上（图2D），TC曲线反映SIC曲线（图5C）。
剖面碳储量分布与之类似的模式（图6）。从表层到300 cm，SOC、SIC和TC储量没有变化（图6）。在该深度以下，SIC和TC储量在草地剖面中最高，其次是林地，最后是农地（图6B和C）。在过去的17年里，研究区的林地进行了大规模的改造，以控制土壤侵蚀，农田是在2000年开垦的。由于采样点之间的距离在5 km以内，因此假定土壤TC背景值最初相似。因此，在过去的17年中，林地中相对较高的TC储量表明土壤保持和固定碳较为成功。
图6 古屯小流域农田（深蓝色）、草地（浅蓝色）和林地（红色）下100 cm深度的SOC（土壤有机碳）储量（A）、SIC（土壤无机碳）储量（B）和TC（总碳）储量（C）的垂直分布。采用单因素方差分析比较了三种土地利用方式和五个土层的均值差异，其中不同的小写字母表示同一土地利用方式下各土层之间的差异显著，小写字母表示同一土层内三种土地利用方式之间的差异显著。
然而，退耕还林导致土壤蓄水能力的下降，这可能会限制树木生长，威胁半干旱地区生态系统的健康。因此，该地区更适合种草，因为它们具有较高的土壤持水能力，维持土壤水分和固定土壤碳，并有助于减少土壤侵蚀。
5. 对土地管理的影响和对未来的建议：
研究表明，土地利用方式对土壤颗粒大小分布、土壤水分、土壤容重和土壤碳含量有显著影响。天然草地的SOC、SIC和TC储量与林地差异不显著（p > 0.05），显著高于农田（p < 0.05）（图2E）。在开垦之前，研究区原生土壤非常贫瘠，土壤碳含量在CLP中处于最低水平（表1）。种草造林可以增强土壤碳汇。CLP大约70%地区遭受了严重的水力侵蚀，对土壤持水能力产生重大影响，因此水是一个关键问题。由于草地消耗的土壤水分比林地少，种草在提高土壤固碳和可持续地保持土壤水分方面似乎是一个最佳的复垦方式。
我们测量了CLP古屯流域草地、农地和林地三种土地利用类型0-500 cm深的SOC、SIC和TC剖面以及土壤性质。基于上述分析，我们建议应考虑将种草作为该地区最佳的植被恢复方式。在退化的土壤中种植草本，或在开垦的农田中种植人工草皮，可以缓解土壤干燥，减少或避免土壤干层的形成，提高土壤固碳能力，促进环境可持续健康地发展。
作者 | 丽平
编辑 | 回毅滢
