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东台市海岸滩涂土壤有机碳的时空变化

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

孙燕¹^,, 郑光辉²^,, 焦彩霞², 吕立刚¹, 张云鹏³

1. 南京财经大学公共管理学院,南京 210046

2. 南京信息工程大学地理与遥感学院,南京 210044

3. 南京工业大学测绘科学与技术学院,南京 211800

Spatio-temporal dynamics of soil organic carbon in coastal saline soil of Dongtai City

SUNYan¹^,, ZHENGGuanghui²^,, JIAOCaixia², LVLigang¹, ZHANGYunpeng³

1. School of Public Administration,Nanjing University of Finance & Economics,Nanjing 210046,China

2. School of Geography and Remote Sensing,Nanjing University of Information Science& Technology,Nanjing 210044,China

3. College of Geomatics Science and Technology,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China

通讯作者:通讯作者：郑光辉,E-mail：zgh@nuist.edu.cn
收稿日期:2017-04-7
修回日期:2017-06-18
网络出版日期:2017-10-20
版权声明:2017《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:

国家自然科学基金项目（41201215;41401629）

江苏高校优势学科建设工程资助项目

作者简介:
-->作者简介：孙燕,女,山东淄博人,博士,讲师,主要从事土地资源利用与生态环境方面的研究。E-mail：nj_sunyan@163.com

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摘要
海岸滩涂是一种特殊的土地利用类型,土壤有机质含量较低,固碳能力巨大。对海岸滩涂土壤有机碳时空变化规律进行研究,对于了解土壤碳库源汇转化、调节气候变化,具有重要的现实意义。本文应用地统计学与地理信息系统相结合的方法,结合《江苏省海岸线变迁图》,研究了东台市海岸滩涂近6000年以来不同土层（0~5cm、5~10cm、10~20cm、20~30cm、30~40cm、40~60cm、60~80cm、80~100cm、0~100cm）土壤有机碳含量的时空变化特征。结果显示：①研究区土壤有机碳平均含量变化范围为（2.01~10.16）g/kg;②不同土层土壤有机碳呈现出强烈的空间自相关、中等强度的自相关以及恒定变异;③根据普通克里金插值结果,堤西地区的水稻土有机碳含量介于（5.75~16.87）g/kg,堤东地区的潮盐土有机碳含量介于（1.12~4.70）g/kg之间;④各剖面深度土层土壤有机碳含量呈现随土壤年代的更新而递减的条带状变化特征,并伴有局部化、斑块化等特征;⑤千年尺度下土壤有机碳含量年均变化值约为0.0017g/（kg∙年）,百年尺度下约为0.0055g/（kg∙年）,十年尺度下约为0.0048g/（kg∙年）。该文研究表明,东台市海岸滩涂土壤有机碳含量随着围垦年限的减少、土层深度的增加而呈现递减趋势,并存在一定的时空变异性。

关键词：海岸滩涂;滨海盐土;土壤有机碳;时空变化;东台市
Abstract
Coastal saline soil is a special type of land use, which has a low content of organic matter and a high capacity of carbon sequestration. The study on the spatio-temporal variation of organic carbon in coastal saline soil has practical significance in understanding the transformation of soil carbon source and sink and regulating climate change. This study was carried out using geo-statistics and geographical information system （GIS）technologies to explore the spatio-temporal variability of soil organic carbon content in different soil layers（0~5,5~10,10~20,20~30,30~40,40~60,60~80,80~100, 0~100cm）in Dongtai City since 4000 BC. We found 2.01~10.16 g·kg^-1 in the study area,and that different variation（strong,moderate or constant）was determined by the variation coefficient. According to geo-statistical analysis,strong spatial correlation was found in different layers of organic carbon and the value of the nugget effect varied from 0.01~0.51. The results of the ordinary Kriging demonstrated that soil organic carbon in the West Dike varied from 5.75~16.87 g·kg^-1,while the value in the East Dike varied from 1.12~4.70g·kg^-1. The soil organic carbon of Dongtai showed an increasing trend from beach to inland in whole soil layers. However,along with the increase in soil depth,soil organic carbon showed a banded decreasing trend with local characteristics and patches. Soil organic carbon content has a close relationship with soil depth,reclamation and fixed number of years,and land use. The average annual change in soil organic carbon content was 0.0017 g·kg^-1 at the Millennium scale,0.0055g·kg^-1 at the centennial scale,and 0.0048g·kg^-1 at the ten-year scale. This study indicates that there is spatio-temporal variation of coastal soil organic carbon content,which decreased with reclamation time and soil depth.

Keywords：coastline;coastal saline soil;organic carbon;spatio temporal dynamics;Dongtai City

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孙燕, 郑光辉, 焦彩霞, 吕立刚, 张云鹏. 东台市海岸滩涂土壤有机碳的时空变化[J]. , 2017, 39(10): 1871-1881 https://doi.org/10.18402/resci.2017.10.07
SUN Yan, ZHENG Guanghui, JIAO Caixia, LV Ligang, ZHANG Yunpeng. Spatio-temporal dynamics of soil organic carbon in coastal saline soil of Dongtai City[J]. 资源科学, 2017, 39(10): 1871-1881 https://doi.org/10.18402/resci.2017.10.07

1 引言

海岸滩涂属于滩涂的一种类型,是海岸带的重要组成部分,原为中国沿海渔民对淤泥质潮间带的俗称^[1]。中国对于滩涂的利用由来已久,早期主要用于农业种植和水产养殖。20世纪80年代后,海岸滩涂逐渐用于种植业、养殖业、制盐业、水资源开发、港口码头开发、工业开发和旅游业开发等。中国拥有18 400km大陆海岸线,海岸滩涂广泛地分布于辽宁、天津、山东、江苏、福建等11个省（市、自治区）,总面积约21 709km²,且每年以约300km²的速度淤涨^[2]。海岸滩涂作为一种特殊的土地利用类型,对于缓解人地矛盾、保障耕地总量动态平衡具有重要意义^[3]。海岸滩涂土壤是由潮间带沉积物沉积形成的,土壤母质为河流冲积海相沉积物,原始土壤属于滨海盐土,土壤盐分含量偏高、土体发育不明显、理化性状差、肥力水平低下,土壤有机质含量较低,固碳能力巨大^[4,5]。因此,关于沿海滩涂土壤有机碳时空变化规律的研究,对于了解土壤碳库源汇转化、调节气候变化,具有重要的现实意义。
现阶段有关海岸滩涂土壤有机碳的研究主要集中于不同土地利用方式下土壤有机碳的变化^[6-9]、不同耕作方式对于土壤有机碳含量的影响^[10,11]、土壤有机碳空间异质性^[12]以及与围垦年限的相关性分析^[13]等。研究区域主要集中在江苏省^[14]、上海^[15,16]、杭州^[12]、天津^[17]、黄河三角洲^[18]、松嫩平原^[19]、珠江北区^[20]等地区。研究表明,海岸滩涂土壤有机碳分布表现出较高的空间异质性,存在垂直方向上随剖面深度增加呈递减、水平方向上自滩涂向内陆呈递增趋势的一般规律,但随着研究区域不同,土壤有机碳含量的递进方式、形态、速度呈现不同的变化。水平方向上的递进规律主要与围垦年限有关,围垦年限越长,土地利用方式越稳定^[21],植被覆被^[22-25]变化越小,土壤有机碳的积累越多;反之,则越少。
东台市（县级市）位于江苏省盐城市南端,拥有85km的海岸线,滩涂面积156km²,且每年以150m左右的成陆速度向大海延伸,年新增土地面积超万亩,提供了巨大的土地后备资源^[13]。金雯晖等****曾根据0~20cm土壤采样点数据,定量化地研究了东台地区土壤表层有机碳含量的空间分布规律,以及与围垦年限的相关性^[13]。尽管土壤中有机碳大多存在于0~30cm的土壤表层^[14-16,25],但由于不同地区植被种类、土地利用方式等存在差异,因此对于不同深度剖面土壤的研究仍具有重要意义。对于江苏省海岸线的研究历来是国内外****的研究热点,研究成果丰富多样。张忍顺根据考古和历史资料的整理和分析,恢复了新石器时代以来尤其是历史九个时期的江苏海岸线,并绘制了《江苏省海岸变迁图》^[26]。张晓祥等、李建国等利用遥感图像解译、野外实地调查、地方史料考证等方法,定量化研究了江苏省滩涂围垦的历史空间及边界^[27,28]。上述研究为建立东台地区近6000年以来土壤有机碳的时间序列提供了有利的支撑条件。由于国内外****对土壤有机碳的研究多以1m深度为参照标准,因为这样做更利于国际比较^[25]。因此,本文将以1m深度的8个不同剖面深度土壤采样,结合地统计学分析手段和GIS手段,定量分析滨海滩涂土壤有机碳含量的时空变异,揭示东台土壤有机碳的时间、空间变化规律,以期从碳减排角度为滨海地区滩涂土地开发利用提供科学依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

江苏省东台市地处32˚33′N-32˚57′N,120˚07′E- 120˚53′E,属于亚热带和暖温带过渡区,全市总面积3240km²,常年平均气温14.6℃,降水量1051.0mm。境内土壤以范公堤为界,堤西地区为近6000年以来湖相沉积形成的水稻土,堤东地区为1000年来滨海滩涂经人类耕作发育形成的潮盐土^[13]。
根据《江苏省海岸变迁图》^[26],东台地区的西部成陆年代最早可追溯至新石器时代,距今6000年。对于海岸滩涂的开发,据记载^[1],起始于汉、唐时代,主要是修筑防海堰,保护盐仓和大片农田不受海潮侵袭。从楚汉时期到明末清初,陆续修建了范公堤、东捍海堰等海堤。清代康熙五十年（1711年）,海岸线巨变,新淤滩涂迅速增加,境内可垦滩涂面积不断增加。20世纪初到30年代末,在南通实业家张骞的带动下,沿海滩涂开发掀起高潮,展开了大规模的盐垦、农垦工程,主要用于农业种植、盐业生产和水产养殖。新中国成立后,政府特别重视沿海滩涂资源的开发。从20世纪50年代初到60年代末,集中开发范公堤内原有滩涂荒地,兴办农场和林场,新围垦滩涂主要用于种植粮棉。20世纪70年代中期,海岸线进一步东移,水产养殖逐渐兴起,实行农林牧副渔综合开发,滩涂开发逐渐向多元化方向发展。20世纪90年代以来,江苏省实施百万亩滩涂围垦工程,东台沿海滩涂开发逐渐摆脱传统的粗放、单一式经营模式,向现代化庄园式大农业转化,水产养殖和加工、食盐制造、港口、船舶制造、旅游等滩涂产业逐渐兴起,走上了“以盐为主,多种经营,综合利用,全面发展”之路。

2.2 土壤样品采集与分析

在《江苏省海岸变迁图》^[26]的基础上,以东台市为研究区域,沿海岸线依次从东往西以3~5km为间隔设采样点,共设计22个土壤采样点（图1）,确保每个剖面土样在研究区以及相隔海岸带内均匀分布。每个土壤采样点根据滩涂土壤发生层（腐殖质层、淋溶层、淀积层、母质层）有机碳垂直分布规律^[29],设计0~5cm,5~10cm,10~20cm,20~30cm,30~40cm,40~60cm,60~80cm,80~100cm等8个剖面深度,分层采集土壤样品共计176个。同时记录采样点经纬度、地理位置、土地利用方式等。样品在实验室内自然风干后研磨,采用重铬酸钾法^[30]进行土壤有机碳含量测定。0~100cm土壤有机碳含量按照土层厚度加权平均所得。采样时间为2014年。

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图1东台市土壤样品采集分布
-->Figure 1Location of sampling points in Dongtai
-->

2.3 研究方法

2.3.1 经典统计分析
采用平均值、标准差、变异系数、偏度、峰度和K-S值等经典统计参数描述土壤有机碳含量的总体变化特征。其中,标准差是各数据偏离平均数的距离的平均数,可反映土壤有机碳含量数据的离散程度;变异系数（CV）的大小可反映土壤有机碳含量的空间变异程度,CV ≤10%为弱变异性,CV在10%~100%之间为中等变异性,CV ≥100%为强度变异性^[31];采用单样本Kolomogorov- Smirnov（KS）分布检验是否均服从正态分布,便于使用地统计学方法进行分析^[32]。
对所测定的数据采用Excel处理后,利用SPSS16.0软件进行经典统计分析。
2.3.2 地统计分析及空间插值
地统计学是以区域化变量理论为基础,以变异函数为主要工具,利用原始数据和半方差函数的结构性,对未采样点的区域化变量进行无偏估值的一种方法。采用基台值C+C₀（sill）、块金值C₀（nugget）、空间异质比（C₀/C+C₀）和变程A₀（range）4个参数,描述土壤有机碳含量的空间结构特征。基台值表示样本总变异;块金值表示区域变量在比采样尺度更小尺度上的随机变异,主要来源小于抽样尺度的空间结构变异和测量随机误差;空间异质比表示变量的随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例,按照Cambardella等^[33]的划分标准,当该值大于75%,属于弱的空间自相关,随机部分引起的空间异质性程度起主要作用;若在25%~75%之间,属于中等程度空间自相关,小于25%属于强的空间相关,说明因子具有很好的空间结构性;变程是研究变量存在空间自相关特性的平均最大距离。
本研究应用GS+9.0（Gamma Design Software Co.）地统计学方法半方差图进行土壤空间结构分析,最优的半变异函数模型将为普通克里格插值提供参数。应用ArcGIS10.1中的Spatial Analyst进行普通克里金插值并绘制空间分布图。普通克里金插值精度评价选取决定系数R²来衡量^[34],计算公式如下：

\begin{matrix} R^{2} = 1 - \frac{\overset{n}{\sum_{i = 1}} {(\hat{y_{i}} - \overset{?}{y})}^{2}}{\overset{n}{\sum_{i = 1}} {(y_{i} - \overset{?}{y})}^{2}} \end{matrix}

（1）
式中

\begin{matrix} R^{2} \end{matrix}

为决定系数;

\begin{matrix} n \end{matrix}

为采样点个数;

\begin{matrix} y_{i} \end{matrix}

为第i个采样点的原始值;

\begin{matrix} \overset{?}{y} \end{matrix}

为原始值的均值;

\begin{matrix} \hat{y_{i}} \end{matrix}

为普通克里金插值的预测值。
2.3.3 时间尺度分析方法
运用时间尺度分析方法,可以分析研究区土壤有机碳在不同时间尺度下的年均变化值,从而了解研究区滩涂土壤有机碳的变化幅度及固碳速率等。
基于《江苏省海岸线变迁图》^[26]中10条海岸线（如图1所示）,将土壤有机碳含量空间分布图切割为10个年代类型,分别为：4000BC（新石器时代）以前、4000BC（新石器时代）-220AD（汉代）、220AD（汉代）-1027AD（范公堤）、1027AD（范公堤）-1566AD（明代嘉靖）、1566AD（明代嘉靖）-1661AD（清代顺治）、1661AD（清代顺治）-1795AD（清代乾隆）、1795AD（清代乾隆）-1908AD（清代光绪）、1908AD（清代光绪）-1929年、1929-1984年、1984-2014年,对应的成陆时间可分为三个尺度：千年尺度（距今6014a、1794a、987a）、百年尺度（距今448a、353a、219a、106a）、十年尺度（距今85a、30a、0a）。然后,运用ArcGIS10.1中的Summary Statistics工具,分别计算不同年代各土层土壤有机碳的平均含量和年均变化值。年均变化值的计算公式为：

\begin{matrix} C_{ij} = （ X_{ij} - X_{0} ） / T_{ij} \end{matrix}

（2）
式中

\begin{matrix} C_{ij} \end{matrix}

为年均变化值（g/（kg∙年））;

\begin{matrix} X_{ij} \end{matrix}

为土壤有机碳含量（g/kg）;i为年份;j为土层厚度（cm）;假设2014年为土壤有机碳含量的初始值

\begin{matrix} X_{0} \end{matrix}

;

\begin{matrix} T_{ij} \end{matrix}

为间隔年份,

\begin{matrix} T_{ij} \end{matrix}

=2014-i。

3 结果及分析

3.1 土壤有机碳含量的统计特征

表1、图2为研究区各土层有机碳含量的统计结果。从图中可以看出,研究区0~100cm土壤有机碳平均含量介于（2.01~10.16）g/kg,随着剖面深度的增加逐渐降低（图2）。其中,0~5cm表层的有机碳含量最高,介于（3.16~28.63）g/kg之间;80~100cm的有机碳含量最低,介于（1.05~11.20）g/kg之间。变异系数可以有效揭示随机变量的离散程度,一般认为,CV<10%为弱变异性,10%<CV<100%为中等变异性,CV>10%为强变异性^[12]。从变异系数来看,研究区土壤有机碳含量基本属于中等变异,80~100cm深度为强变异。对不同土层深度的土壤有机碳数据进行了K-S分布检验,结果表明在0.05的显著性水平下土壤有机碳服从正态分布,可以直接进行地统计学分析。
Table 1
表1
表12014年东台市不同土层深度土壤有机碳含量统计结果
Table 1Statistic results of soil organic carbon in different soil layers in Dongtai City in 2014

土层深度 /cm	最大值/ （g/kg）	最小值/ （g/kg）	均值/ g/kg）	标准差 SD	偏度	峰度	变异系数CV/%	P值
0~5	28.63	3.16	10.16	5.69	1.79	4.46	55.99	0.28
5~10	30.34	0.80	8.89	6.16	2.06	6.50	69.27	0.16
10~20	21.95	0.89	6.39	4.26	2.32	8.33	66.69	0.21
20~30	18.82	0.84	4.17	3.84	2.88	10.28	92.18	0.12
30~40	7.93	1.13	3.12	1.94	1.09	0.25	62.06	0.28
40~60	11.50	1.03	2.97	2.75	1.98	3.64	92.71	0.08
60~80	7.21	0.83	2.01	1.67	2.33	4.66	82.88	0.13
80~100	11.20	1.05	2.36	2.67	2.95	7.81	113.12	0.06
0~100	16.90	1.49	5.01	3.29	2.42	7.86	65.68	0.22

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图22014年东台市不同土层深度的土壤有机碳含量统计结果注：每个土层区间内的所有采样点构成一个该土层区间的有机碳含量分布小提琴图,当某土层区间的有机碳含量分布越集中,小提琴图在相应集中的有机碳含量位置表现越宽,如60~80cm土层的样点有机碳含量表现最为集中,主要聚集在（1~2）g/kg之间。
-->Figure 2Statistic results of soil organic carbon in different soil layers in Dongtai City in 2014
-->

3.2 不同土层土壤有机碳含量特征

对各剖面深度的数据应用GS+9.0软件进行半方差分析,根据决定系数（R²）和残差（RSS）等判断函数的最优拟合模型。地统计分析结果（表2）表明,0~100cm土层拟合程度相对较差,R²仅为0.45,其他土层拟合程度相对较好,介于0.54~0.92之间。0~5cm、5~10cm、10~20cm、30~40cm土层土壤有机碳含量最优半方差模型为指数模型,20~30cm最优半方差模型为高斯模型,其余土层最优半方差模型均为线性模型。各土层块金值（C₀）介于0.01~0.51之间。0~5cm、10~20cm、20~30cm土层块金效应值均

\begin{matrix} \leq \end{matrix}

25%,表明土壤有机碳具有强烈的空间自相关性。5~10cm土层块金效应值约25.34%,表明该土层土壤有机碳具有中等强度的空间变异性。40cm以下土层及0~100cm块金效应值等于100%,表明该土层土壤有机碳在整个尺度上具有恒定的变异。变程是指变异函数在有限步长上达到基台值时对应的步长,也叫做自相关距离,因为变程是空间自相关性的最大距离,在该值上自相关性为0,大于该距离的区域化变量不存在空间自相关性。根据计算结果,0~5cm、5~10cm两个土层变程较大且相等,为213km,说明0~10cm土壤表层有机碳含量在较大空间范围内具有自相关性;10cm以下土层变程降至12.51~36.87km,说明可能是由于受到土地利用方式变化、土壤植物根系生长深度变化等原因,土壤有机碳含量的空间变异范围缩小。
Table 2
表2
表2东台市不同土层深度土壤有机碳含量变异函数理论模型及其相关参数
Table 2Variogram theory models of soil organic carbon content and their corresponding parameters in different soil layes in Dongtai City

土层深度 /cm	理论模型	块金值 C₀	偏基台值 C	基台值 C₀+C	块金效应（C_0/（C₀+C））/%	变程 /km	决定系数 R²	残差 RSS
0~5	指数	0.06	0.33	0.39	15.17	213.00	0.80	0.02
5~10	指数	0.24	0.71	0.95	25.34	213.00	0.77	0.24
10~20	指数	0.00	0.39	0.40	0.25	36.87	0.68	0.14
20~30	高斯	0.01	0.42	0.42	1.19	30.09	0.92	0.01
30~40	指数	0.01	0.29	0.29	0.03	12.51	0.70	0.05
40~60	线性	0.51	0.00	0.51	100.00	31.43	0.68	0.72
60~80	线性	0.36	0.00	0.36	100.00	31.43	0.54	0.35
80~100	线性	0.40	0.00	0.40	100.00	31.43	0.66	0.87
0~100	线性	0.36	0.00	0.36	100.00	31.43	0.45	0.59

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3.3 不同地区土壤有机碳含量分布特征

土壤有机碳含量普通克里金空间插值结果如图3所示。插值精度（表3）显示,各土层插值决定系数均在0.9以上,插值精度较高。从空间分布形态来看,0~100cm土壤有机碳密度总体表现出沿海岸线随土壤年代的更新而递减的条带状变化特征,但条带并未平行于各时期海岸线,且出现头灶镇、东台镇等地区局部含量偏高的特点。西南角的溱东镇、石堰镇最高,靠近现代海岸线的东台农场、省琼港农场密度最低。以范公堤（1027AD海岸线）为界,堤西地区的水稻土有机碳含量明显偏高,介于（5.75~16.87）g/kg,主要分布在溱东镇、石堰镇两镇、五烈镇、梁垛镇四镇。堤东地区的潮盐土有机碳含量随围垦年代的减少而逐渐降低,介于（1.12~4.70）g/kg之间。1929年以来（1929AD年海岸线）有机碳含量逐渐均匀,介于（1.12~2.23）g/kg之间。

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图32014年东台市不同土层深度土壤有机碳含量分布
-->Figure 3Spatial distribution of soil organic carbon content in different soil layers in Dongtai City in 2014
-->

Table 3
表3
表3东台市土壤有机碳含量普通克里金插值精度评价决定系数
Table 3Precision evaluation indices of ordinary Krigjing of soil organic carbon content in Dongtai City

土层深度/cm	0~5	5~10	10~20	20~30	30~40	40~60	60~80	80~100	0~100
R²	0.993 7	0.992 6	0.995 6	0.997 9	0.969 3	0.998 3	0.999 5	0.999 1	0.997 9

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从各个土层的土壤有机碳含量的空间插值结果来看（图3）,随着土层深度的增加,土壤有机碳含量递减规律明显。从各土层土壤有机碳随围垦年限递减的空间形态来看,0~5cm、5~10cm、20~30cm、40~60cm四个土层土壤有机碳含量递减主要为纵向条带状,并伴有斑块状局部偏高的特征。10~20cm、30~40cm土层土壤有机碳含量递减形态发生变异,汉代（220AD海岸线）至清代乾隆（1795AD海岸线）为横向条带状递减特征。金雯晖对于东台市和张文敏对杭州湾南岸的研究,得到了滩涂土壤有机碳的条带状变化特征平行于海岸线的研究结果,与张文敏等的研究结果存在差别。但金雯晖的研究主要是基于0~20cm土层深度得到的研究结论,而张文敏的研究区域为杭州湾南岸^[12,13]。
60~80cm、80~100cm两个土层土壤有机碳含量条带状递减规律变弱,基本以范公堤（1027AD海岸线）为界,堤西地区土壤有机碳含量较高,堤东地区土壤有机碳含量较低且较为均一,说明东台地区土壤有机碳含量下降的界址点为60cm。张文敏等对于杭州湾南岸土壤有机碳含量的研究亦有类似结论^[12]。这主要是因为随着土层深度的增加,人类活动干扰程度下降以及植物根系的分布减少造成的。根据吴宝成等研究,东台市不同时期围垦区滩涂植物呈现不同的群落特征,围垦区前部近海端,由于所受环境均为潮汐影响的海水浸泡盐沼,含盐量较大,主要生长互花米草、碱蓬等耐盐植物;随着围垦年限的增加,土壤含盐量减少,物种丰富度和生物多样性增加,内陆植物逐渐出现,互花米草、长芒棒头草、拂子茅、柽柳、白茅、刺槐等植物群落相伴而生^[21]。

3.4 不同年代各土层土壤有机碳分布特征

根据时间尺度分析方法,计算出不同年代各土层土壤有机碳的平均含量和年均变化值（图4和图5）。

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图4东台市各时期不同土层深度的土壤有机碳含量
-->Figure 4Variability of soil organic carbon in different soil layers in different periods in Dongtai City
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图5东台市不同时间尺度下的土壤有机碳含量年均变化值
-->Figure 5Average annual change value of soil organic carbon in different time scales in Dongtai City
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如图4所示,各土层土壤有机碳平均含量从新石器时代（4000BC）至2014年以来,随着年代的更新而递减,新石器时代（4000BC）最高,介于（4.62~16.84）g/kg之间,现代海岸线（2014AD）最低,介于（0.80~3.32）g/kg之间。这主要是与围垦年限有关,围垦时间长,土壤有机碳积累越多,相反则越少。
由于东台地区土壤发育跨越年代较长,故根据海岸带划分情况,将东台的土壤发育年代分为千年尺度、百年、十年尺度来具体分析。如图5所示：
（1）千年尺度下,东台土壤有机碳含量在各土层变化比较平稳,介于（0.0007~0.0030）g/（kg∙年）之间,平均值为0.0017g/（kg∙年）;0~5cm土层含量最高,30~40cm土层含量最低,0~100cm土层含量与20~30cm土层相当。
（2）百年尺度下,东台土壤有机碳含量在各土层变化比较剧烈,介于（0.002~0.013）g/kg/年之间,平均值为0.0055g/（kg∙年）;最高值发生在5~10cm土层,为0.013g/（kg∙年）,其余土层含量随深度逐渐降低,40~60cm土层有机碳含量略升,0~100cm土层含量与20~30cm土层相当。
十年尺度下,东台土壤有机碳含量在各土层变化亦比较剧烈,呈现振动状态,介于（-0.0080~0.0134）g/（kg∙年）之间,平均值为0.0048g/（kg∙年）。0~5cm土层含量最高,随后直线下降,至30~40cm土层突然升高,40~60cm土层剧烈下降为负值,60~80cm土层又升高,80~100cm土层又下降为负值。0~100cm土层含量与20~30cm土层最为接近。
通过不同尺度下土壤有机碳含量年均变化值比较发现：
（1）千年尺度下,由于土体形成年代长,土体发育成熟,故土壤有机碳含量年均变化比较平稳,各土层变化不大;百年尺度下,土壤有机碳含量年均变化呈现剧烈下降态势,变化比较均一,这可能与研究区在百年尺度上土地利用类型已经比较稳定有关。十年尺度下,土壤有机碳含量年均变化呈现出剧烈震荡态势,这可能是与研究区土体发育比较年轻,土地利用短时间内剧烈变化有关。
（2）20~30cm土层在三个尺度上均为重要转折点,这主要可能是与不同年代的滩涂植被类型以及植物根系的生长深度有关。据研究^{[1,10,11,21,24]},东台沿海滩涂主要分布芦苇、盐地碱蓬、互花米草等自然植被,以及棉花、菊芋等耐盐作物,这些植物根系多分布在30cm上下,随着土层深度的增加土壤植物根系分布减少,有机质来源减少。

4 结论

结合地统计学和GIS技术对江苏省东台市海岸滩涂土壤有机碳含量的时空变化特征进行了分析,得到了以下结论：
（1）东台市海岸滩涂0~100cm土壤有机碳平均含量介于（2.01~10.16）g/kg。在垂直方向上,土壤有机碳主要分布在0~20cm土层,且随剖面深度的增大逐渐减小。在水平方向上,随着围垦年限的减少自内陆向沿海逐渐降低。就变异系数来看,研究区各土层土壤有机碳属于中等程度变异且变异系数较高,可能是由于研究区围垦年限较长,尤其是范公堤以西地区,人类改造利用土地方式剧烈,对土壤的干扰较强所致。
（2）土壤的异质性是由结构性因素和随机因素共同作用的结果。从研究结果来看,研究区各土层土壤有机碳块金值介于0.01~0.51之间,表现为强烈的空间自相关和中等强度的自相关。40cm以下土层及0~100cm块金效应值等于100%,表明该土层土壤有机碳在整个尺度上具有恒定的变异。
（3）普通克里金插值结果表明,研究区各剖面深度土层土壤有机碳含量呈现随成土年代的更新而递减的条带状变化特征,并伴有局部化、斑块化等特征。
（4）根据不同时间尺度下的各土层土壤有机碳的平均含量和年均变化值,千年尺度下,土壤有机碳含量年均变化比较平稳,各土层变化不大,年均变化值约为0.0017g/kg;百年尺度下,土壤有机碳含量年均变化呈现剧烈下降态势,变化比较均一,年均变化值约为0.0055g/kg;十年尺度下,土壤有机碳含量年均变化呈现出剧烈震荡态势,年均变化值约为0.0048g/kg。不同时间尺度下土壤有机碳含量变化与土层深度、围垦年限、植物根系生长深度以及土地利用方式存在密切关系。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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东台市海岸滩涂土壤有机碳的时空变化

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Spatio-temporal dynamics of soil organic carbon in coastal saline soil of Dongtai City

1 引言