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农杆菌介导的小麦愈伤组织遗传转化和再生体系研究.pdf 72页
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农杆菌介导的小麦愈伤组织遗传转化和再生体系研究
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分类号：Q37
单位代码：10422
⑧∥ 菇办孚
硕士学位论文
论文题目：农杆菌介导的小麦愈伤组织遗传转化
及再生体系研究
transformation
StudyAgrobacteriumtumefaciens-mediated
合作 导 师
原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进
行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含
任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作
出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意
识到本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：食蕊鑫
知，a·r·；f
关于学位论文使用授权的声明
本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保
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论文和汇编本学位论文。
(保密论文在解密后应遵守此规定)
论文作者签名：食旌薯》师签名：嗳圣务 日期： 工。阻岁．≥1
………………………．…．…………．1
Abstract．．………．．．…．…．…．．．．．…．．……………．
………．…………………．……．……．3
符号说明……………………………………………………………………………
第一章文献综述…………………………………………………………
第一节小麦遗传转化的研究进展…………………………………………………………．8
1．1小麦遗传转化的主要方法…………………………………………………………9
1．1．1基因枪介导的小麦转化……………………………………………………一9
1．1．2农杆菌介导的小麦转化……………………………………………………10
1．1．3其他方法介导的小麦遗传转化……………………………………………．13
1．2小麦转基因技术研究进展………………………………………………………。14
1．2．1小麦愈伤组织诱导外植体类型选择………………………………………14
1．2．2小麦遗传转化操作中外植体与基因型的选择……………………………17
1．2．2表面活性剂及乙酰丁香酮(AS)的使用………………………………。18
1．23农杆菌和载体类型…………………………………………………………．19
1．3转基因植株的检测方法……………………………………………………………19
1．3．1标记基因的筛选与鉴定……………………………………………………．20
1．3．2转基因植株的PCR检测……………………………………………………22
blot……………………………………………………………………………………．．22
1．3．3Southern
1．3．3ELISA检测……………………………………………………………………………………
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基于GIS的天水市麦积区土壤有机碳空间分布及储量估算
甘肃农业大学 硕士学位论文 基于GIS的天水市麦积区土壤有机碳空间分布及储量估算 姓名：陈芳 申请学位级别：硕士 专业：土壤学 指导教师：盖艾鸿
摘要土壤碳是陆地生态系统碳循环的重要组成部分。据估计，地球表面ｌｍ土 层中有机碳储量１５００一＇２０００Ｐｇ（１Ｐｇ＝１０Ｉｓｇ），是大气Ｃ０２含量的２倍左右，土壤 碳库０．１％的变化将导致大气圈Ｃ０２的浓度发生百万分之一的变化。国内外研究 者研究中小尺度地域单元内土壤有机碳库的成果尚不多见，因此，开展小尺度 范围土壤有机碳空间分布和储量估算方面的研究具有十分重要的意义，而对于 半湿润半干旱地区地区山地土壤的空间分布和储量估算研究就更加重要。 本文以天水市麦积区为研究区域，根据１９８１年二次普查的６５个土种剖面 数据和２００８年麦积区耕层２０ｃｍ土壤的６０６０个实测剖面的数据，以及ｌ：５００００ 的土壤采样点图，行政图、现状图、土壤图等用于分析的基础图件资料，用 Ｋｒｉｇｉｎｇ最优内插法和Ｍａｐｇｉｓ软件对研究区有限剖面点进行插值分析，研究土 壤有机碳含量的空间分布特征，并运用土壤类型法计算了麦积区土壤表层、耕 层、和Ｉｍ深以及２００８年实测耕层土壤的有机碳密度和储量。得出以下主要结 论： （１）Ｋｒｉｇｉｎｇ插值及空间分布规律分析。本文用Ｋｒｉｇｉｎｇ最优内插法对土壤 有机碳含量的进行了空间插值分析，目的是能在一定程度上克服剖面点较少和 比较直观的看到土壤有机碳的空间分布趋势。Ｋｒｉｇｉｎｇ插值结果显示：在同一土 壤层次的不同部位，土壤碳含量存在明显差异。从整体上看，土壤表层、耕层、 ｌｍ深土壤内的土壤有机碳含量分布状况是地势较低的东南部的秦岭山地和低 槽地较高，而地势较高的黄土高原梁峁地的有机碳含量均较低，并且随着土层 深度的增加土壤有机碳的含量越低，随后分析了土壤有机碳含量的空间分布成因。（２）土壤有机碳密度的计算和讨论。通过计算各土种的土壤有机碳密度， 总体看来麦积区土壤平均有机碳密度较低，二次普查时土壤表层５ｃｍ深、耕层 ２０ｃｍ、Ｉｍ深平均有机碳密度分别为０．９２ｋｇ?Ｉｎ．２、３．３１ｋｇ?ｍ‘２、７．７９ｋｇ?ｍ乏，２００８ 年耕层２０ｃｍ平均有机碳密度为２．４３ｋｇ?ｍ－２，若以于东升（２００５）等估算的１ｍ 深全国土壤平均有机碳密度９．６０ｋｇ?ｍ－２作为参照标准，则麦积区１ｍ深土壤有机甘肃农业大学２００９届硕士学位论文碳密度比全国土壤有机碳密度低１．９ｌ ｋｇ?ｍ－２。从土壤碳密度空间分布图看出麦 积区有机碳密度的空间分布差异较大。土壤有机碳密度的这种空间分布总体特 征与土壤有机碳含量的空间插值图结果类似，都是从东南部秦岭山地到西北部 黄土高原粱峁地呈现递减的趋势。密度较高的乡镇主要是三岔乡、东岔镇和利 桥乡。土壤有机碳密度较高的土壤类型是山地棕壤土、山地褐色土；较低的土 壤类型是红土、淀土。 （３）土壤有机碳储量估算方法与结果讨论。本文中先介绍了目前国内外土 壤碳储量估算的四种主要方法，并对其做了比较。由于土壤类型法有利于分析 碳蓄积量估计中不确定性的原因，还可以与全球土壤分类系统形成统一的估算 体系，便于汇总和对比。因此，根据本研究采用土壤类型法，根据研究区范围 采用了以土种为单元来计算土壤有机碳的储量，然后相加得到各土层土壤有机 碳的储量，这样处理能够更加精确地得到麦积区的土壤有机碳储量值。经计算 得到麦积区二次普查时土壤表层（Ｏ．５ｅｍ）的有机碳储量为４．８３ｘ１０６ｔ，耕层 （０．２０ｅｍ）的有机碳储量为１２．４６ｘ１０６ｔ，ｌｍ深度土壤有机碳储量为４５．１７ｘ１０６ｔ， ２００８年实测土壤耕层（０．２０ｃｍ）土壤有机碳的储量为１８．５５ｘ１０６ｔ。分析得出土 壤有机碳储量最高的土壤是褐色土，但是现在由于受人类土地利用方式的影响， 褐色土的储量减少了很多。在渭南黄土粱峁沟壑山区，随着森林破坏，农垦扩 大森林退渐变成草原，褐色土逐渐为转变为耕种褐色土。关键词：ＧＩＳ；土壤有机碳；天水市麦积区；Ｋｒｉｇｉｎｇ插值；空间分布：储量ⅡＳｕｍｍａｒｙ－．Ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ ｉｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｃｙｃｌｅ ｉｎ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ ｅａｒｔｈ ｏｆｌｍ ｄｅｐｔｈ ｉｓ ａｂｏｕｔ １５００～２０００Ｐｇ（１Ｐｇ＝１０１５曲，ｗｈｉｃｈ ｉｓ勰ａｂｏｕｔ ｔｗｉｃｅ弱ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ ｃ０２ ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ．Ｓｏｉｌ ｃａｒｂｏｎ’Ｓ ０．１％ｃｈａｎｇｅ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｐａｒｔｓ ｐｅｒｍｉｌｌｉｏｎ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｃ０２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ．Ｉｎ 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ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｗｈｅａｔ ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｍ ｄｅｅｐ ａｎｄ ２００８ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎａｎｄ ｒｅｓｅｒｖｅｓ．Ａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｃｒｉｔｉｃａｌｃｏｎｔｅｎｔ（１）Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｒｉｇｉｎｇ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄｍａｋｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌ Ｋｒｉｇｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｓ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｆａｌｓｅ ｏｆ ｆｅｗｅｒ ｐｒｏｆｉｌｅ ｐｏｉｎｔｓａｎｄｖｉｓｕａｌｌｙｓｅｅｗｈａｔ ｉｓ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｔｒｅｎｄ．Ｋｒｉｇｉｎｇｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｓｏｉｌｃｏｎｔｅｎｔ ｅｘｉｓｔｃａｒｂｏｎｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｏｖｅｒａｌｌ，ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｄｅｐｔｈｗｉｔｈｉｎＩＩＩｆｉｅｌｄ ｏｆ ｌ ｍ，ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈａｔ ｌｏｗ－ｌｙｉｎｇ ｈｉｌｌｓ ａｎｄ ｓｏｕｔｈｅａｓｔｅｒｎｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓＱｉｎｌｉｎｇ ａｒｅｈｉｇｈｅｒ，ｂｕｔ ｔｈｅＬｉａｎｇＭａｏｌｏｅｓｓ ｐｌａｔｅａｕ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｓｏｉｌｌｏｗｅｒ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｓｏｉｌ，ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎＣＢＳＳｅＳｄｉｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ｔｈｅ（２）Ｓｏｉｌ 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ｉｎ笪塑窒些大学２００９届硕士学位论文ｆａｌｌ（Ｏ．２０ｅｒａ）ｉｓａｂｏｕｔ １２．４６ｘ１０６Ｌｒｅｓｅｒｖｅｓ ｒｅｓｅｒｖｅｓ４．８３ｘ １０６ｔ，ｒｅｓｅｒｖｅｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｉｎｌｍ ｄｅｐｔｈ ｉｓ ａｂｏｕｔ ４５．１ ７ｘ ｌ ０６Ｌａｂｏｕｔ １ ８．５５ｘ １０６ｔ ｉｎ ２００８ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃｒｅｓｅｒｖｅｓｆａｌｌ（０－２０ｅｒａ）ｉｓｙｅａｒｓ．ｎｌｅｈｉｅ，ｂｅｓｔｏｆｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｉｓ ｂｒｏｗｎ ｅａｒｔｈ，ｂｕｔ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｌａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ，ｂｒｏｗｎ ｓｏｉｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａ ａｎｄＵＳｅｌｏｔ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｒｅｓｔｓ，ｌａｎｄ ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｅｘｐａｎｄｉｎｇｆｏｒｅｓｔ ｇｒａｓｓｌａｎｄ，ｔｕｒｎｉｎｇ ｆｏｒｅｓｔｓ ｉｎｔｏ ｇｒａｓｓｌａｎｄｓ，ｔｈｅ ｂｒｏｗｎ ｓｏｉｌ ｈａｓｃｈａｎｇｅｄ ｉｎｔｏ ｆａｒｍｉｎｇｂｒｏｗｎ ｓｏｉｌ ｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；Ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ；ＴｉａｎＳｈｕｉ Ｍａｉｊｉ ａｒｅａ；Ｋｒｉｇｉｎｇ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ＝Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｍ ＲｅｓｅｒｖｅｓＶ甘肃农业大学２００９届硕士学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得甘肃农业大学或其他教 育机构的学位证书而使用过的材料。与我同一工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：穗缸 芳签字日期：泖弓年乡月／／日５１甘肃农业大学 学位论文版权认定和使用授权书研究生姓名：学位级别：陈羞 亟±所在学院：资源皇珏缝堂院 ±攘堂学科专业：学位论文题目： 本人于基壬鱼Ｓ的云丞直麦抠区±壤查扭碳空闻盆查厘储量估箕 盖堇漕副兹援２ＱＱ墨年土月ｊ￡日至２ＱＱ窆年上月―￡日在导师的研究。 产权内容： 通过怼丞丞直麦麴匡±夔直扭毯的窒间盆查厘篮量焦簋鲢硒窥袒生拯塞工丞丞直麦毯匡殴主曼亚：２Ｑ曼啦：！ＱＱＱｍ±星涯廑±夔查狃毯的窒间盆查挂延塑篮量：羞盈出Ｉ！窆墨！ 生狸２ＱＱ墨生±屋逯廑２Ｑ垒班逯的±攮查扭毯窒间盆查厘篮量：盆扳里ｌ起銮丝鲍固塞现认定以下条款： １、本人毕业后发表与研究内容有关的文章，作者第一署名单位为甘肃农业大学。 ２、学位论文中包含的研究成果的知识产权归 未经指导教师和 苴斑农业太堂 苴悫壅些太堂。同意，本人不得私自从事与课题有关的任何开发和盈利性活动。 ３、本人完全了解甘肃农业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借用。本人授权甘肃农业大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：嗨芳签字日期：ｃ｝口口７年ｆ月／乡日学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：导师签名签字日期日电 邮话：／弓缪哆乡弓支乒矿７ ａ编：第一章绪论１．１问题的提出及选题的意义１．１．１选题背景 随着全球变化研究的深入，全球碳循环研究受到人们的普遍关注，成为全 球变化研究的三大热点之一Ｈ】，碳是自然界中与入类生存密切相关的最重要的 物质之一，它在水圈、气圈、岩石圈和生物圈中动态循环（Ｍａｒｔｉｎ，１９９７）【２】。 近代以来，人类对自然资源的滥用，尤其是无节制地燃烧化石燃料、毁灭森林 和改变土地利用方式等活动，使得大气Ｃ０２浓度持续增高，使全球气候发生了 显著变化，这种变化对生态环境产生了重要影响，使全球产生温室效应，促使 人们从能源到农业等各领域，研究碳的数量、分布，在不同系统中的行为及影响； 促使科学界对陆地生态系统中碳平衡以及碳分布和储量的关注网。土壤是陆地 生态系统的核心，是连接大气圈、水圈、生物圈与岩石圈的纽带，土壤碳库是 陆地生态系统中最大的碳库，也是陆地碳库的重要组成部分，包括土壤有机碳（ＳｏｉｌＯｒｇａｎｉｃＣａｒｂｏｎ，ｓｏｃ）与无机碳。由于土壤无机碳库（碳酸盐碳）很少变动，故无机碳对土壤碳素储备和碳循环的意义不大。另外，就两大类碳的更新速度 而言，土壤有机碳的更新速度要明显快于无机碳１４１，因此有机碳部分对目前碳循 环具有显著影响，这也是研究者都非常重视土壤有机碳研究的主要原因。土壤 有机碳是土壤中较为活跃的部分，主要分布于上层１ ｍ深度以内，对碳循环有重 要影响。目前对全球土壤有机碳储量的计算或者是基于植被类型，或是土壤类 型，或是碳循环模型【５ｌ。据估计全球土壤有机碳库介于１３９５ Ｐｇ（１Ｐｇ＝ｌＯ”ｇ）至ｌＪ ２２００Ｐｇ之间【！～，是陆地植被碳库（５００－－－＇６００Ｖｇ）ｌ驹２～３倍，是全球大气碳库（７５０ Ｐｇ）的２倍多［１０１。土壤碳库Ｏ．１％的变化将导致大气圈Ｃ０２的浓度发生百万分之 一的变化，全球土壤有机碳１０％的变化，其数量相当于人类活动３０年排放的量 Ｉｎ］。土壤碳库较小幅度的变化，都可以通过向大气排放温室气体直接导致大气 层二氧化碳浓度升高，进而以温室效应影响全球气候变化ｉｔ２］。因此，了解和掌 握土壤碳储量及转化是陆地生态系统碳循环的重要前提；而土壤碳库的分布、置罾蕾鲁暑詈量詈富詈量曼曼曼鲁曼詈詈量暑皇皇曼曼皇曼皇鼍曼鼍詈鲁窟皂曼鼍量皇皇曼釜蚤！－二：二一ｌ：；曼曼曼曼量詈曩墨詈詈鲁量皇昌暑皇音墨―薯窖詈窖储量和更新是土壤碳循环研究的核心内容，准确估算土壤碳库储量及动态变化 状况，对正确评价土壤在陆地生态系统碳循环、全球碳循环以及全球环境变化 中的作用有重要意义。 另一方面，土壤是植物生长繁育的自然基地，是农业的基本生产资料，是历 史的自然体，它在自然与人为的综合作用下，处于不断的变化与更新之中【１３】。土壤 养分是土壤肥力的物质基础，是土壤的基本属性和本质特征，土壤有机碳是土壤 肥力的重要组成部分，它是土壤养分库的载体和来源，影响和控制着植物初级 生产量，并能通过影响土壤物理、化学和生物学性质而改善土壤质量。土壤有 机碳库大小是衡量土壤质量的重要指标，也是土地可持续利用管理中必须考虑 的重要指标，耕作土壤有机碳含量不断降低，引起土壤肥力、持水能力下降，侵 蚀作用增强，将造成土壤贫瘠化趋势【１４】。因此，深入认识不同环境条件下土壤 有机碳动态变化是实现土地资源可持续利用的重要基础，既有重要的科学意义， 也有重要的现实意义。 １．１．２选题的意义 近年来“可持续农业”观念逐步为人们认识和接受，并且成为包括中国在内 的世界各国农业发展的方向和目标（李庆逵等，１９９８）［１５】。从农业可持续发展的 角度研究农业生态系统土壤有机质和养分循环转化的规律，需要树立土壤库的 观点。自然因素和人为因素都会影响土壤有机碳储量，地球地圈与气圈之间的 碳平衡受到越来越多的人类活动干扰，毁林、燃烧生物和化石燃料、环境污染、 土地利用方式变化等等，这些过程都加剧向大气排放Ｃ０２等各种温室气体【阍。 因此，无论是研究地球各圈层物质循环以维护生态环境，还是为保护珍贵的土 壤资源以维持农业经济的可持续性发展，都需要人们对碳在各库之间的储量与 流动通量有清晰的认识，特别是定量分析包括土壤与植物组成的陆地碳循环的 每一个小过程及其规律性尤为重要。 目前，从土壤碳库研究的区域来看，偏重于小比例尺的大区域范围的研究， 而对大比例尺的小区域范围的研究较少，这是造成土壤碳库估算结果差异较大 的主要原因，因此有必要对大比例尺的小区域范围内的土壤有机碳进行更精确 的估算【３１。在过去２０多年中，随着信息技术的飞快发展，土壤数据资料得到大 幅度充实，人们对全球性和区域性土壤有机碳储量的研究也愈加深入，已有一２些研究者对大比例尺小范围的区域进行研究，但仍存在大量问题有待继续探索。 甘肃省天水市麦积区是甘肃省的东大门，地处陕、甘、川之要冲，地跨长江、 黄河流域；是一个典型的黄土丘陵沟壑区，山多川少，十年九旱，土地贫瘠，农 业基础薄弱，水土流失严重，生态环境日益恶化，农业基础条件差。为此，本研究 以麦积区为研究区域，开展小尺度范围内的土壤有机碳空间分布及储量的研究， 以地理信息系统为技术手段，应用地统计学中ｇｒｉｇｉｎｇ最优内插法研究小区域的 土壤有机碳含量的空间分布，分析影响土壤有机碳分布的各种影响因素，并计 算土壤有机碳的储量。这对于内陆干旱地区乃至全国的土壤碳库精确估算提供 了详实的数据资料，为科学地利用和保护有限的土壤资源，提高生产力，减缓 土壤中温室气体排放和农业可持续发展提供了科学依据，对生态环境的保护具 有重要的理论意义和较高的应用价值，同时也可为世界范围的碳循环研究提供 宝贵的数据和承担相应的义务。１．２国内外土壤碳库研究进展１．２．１全球土壤碳储量研究进展 土壤是陆地生态系统中最大且周转时间最慢的碳库，土壤碳库包括土壤有 机碳库和无机碳库两部分。自１ ８世纪５０年代Ｊｏｓｅｐｈ Ｂｌａｃｋ发现空气中存在Ｃ０２ 开始，人类就开始了对碳元素不断的探索和研究【１７１。 ２０世纪５０年代，全球变化研究引起了科学家们对陆地生态系统中碳平衡 以及碳存储和分布的关注，国际上一些学者开始根据少量几个土壤剖面资料对 全球土壤有机碳库储量进行估算。１９５１年Ｒｕｂｅｙ根据不同研究者发表的关于美 国９个土壤剖面的有机碳含量，推算全球土壤有机碳库存量为７１０Ｐｇ。这种方 法估算的土壤碳储量过于简单，对于全球来说仅用９个土壤剖面代表，导致估算精度低１ｔ８，１９］。２０世纪７０＂＇８０年代的结果也由于所用资料来源不同，存在较大差异（约７００Ｐｇ＂３０００ Ｖｇ），其中１９７６年Ｂｏｈｎ利用土壤分布图及相关土组（Ｓｏｉｌａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）的有机碳含量，估计去全球土壤有机碳库储量为２９４６Ｐｇ［２０］，１９８２ 年Ｂｏｈｎ根据相对较完整的ＦＡＯ土壤图的１ ８７个剖面土壤碳密度值，重新估算３＿鲁■皇置置詈墨鼍篁量量曼皇曼詈皇曼曼鼍詈皇曼葛碧舅皇皇罾皇皇皇鼍皇皇窟鼍釜釜！曼釜；釜；备：！ｌｊ皇詈詈墨皇暑量鼍量皇曹鼍鲁孽曼！重一全球的土壤有机碳库储量为２２００ ｐｇ［２１１。Ｂｏｌｉｎ（１９７７）根据美国９个土壤剖面碳含量推算全球ｈＩｌ厚度土层有机碳的含量为７１０Ｐｇ阎，１９７９年得出新的研究成果为１６７２ ｐｇ［２３１。Ｓｃｈｌｅｉｓｉｎｇｅｒ在１９７７和１９８４年的研究结果为１４５６Ｐｇ，１５１５ Ｐｇ［２４１。到２０世纪８０年代，为了研究全球碳循环与气候、植被及人类活动等因素 之间的相互关系，各种统计方法开始应用于土壤有机碳库的估算。如Ｐｏｓｔ等 （１９８２）根据Ｈｏｌｄｒｉｄｇｅ生命带原理，选取全球２６９６个土壤剖面，估计全球土壤 碳密度的地理分布与植被和气候因子之间的相互关系，建立了土壤碳密度与植 被及气候分布之间的关系图，得出与大气交换的土壤有机碳大约占陆地表层生 态系统碳储量的２／３，同时建立了土壤容重估计和土壤碳密度估计的２个回归方 程，并根据土壤碳密度及其相关生命地带的面积估算出全球ｌｍ厚度的土壤有 机碳库为１３９５．５Ｐｇ，并绘出了地球上生态系统土壤碳库的含碳密度和有机碳库 ［２５】。１９９０年Ｐｏｓｔ等再次估算全球土壤有机碳储量为１３００Ｐｇ【２６】。一些学者使用 涉及４５个国家（主要位于热带）的约１０００个土壤剖面和美国本土的１５０００个 土壤剖面，利用ＦＡＯ．ＵＮＥＳＣＯ土壤图（１９７１．１９８１）获得各土壤类型的分布面 积，对世界土壤有机碳储量的估算结果为１５７６Ｐｇ［２７１。这些估算结果大都是根据１ｍ深度以内有机碳的含量得出的，这是因为土壤有机碳主要分布在土壤上层１ｍ深度以内。 ２０世纪９０年代，随着３Ｓ技术的发展，陆地土壤有机碳库的研究开始利用 地理信息技术，描述土壤碳库不同层次的属性及空间分布，计算机模拟模型成 为预测土壤有机碳含量的主要手段。影响较大的有英国Ｒｏｔｈ Ｃ模型和美国 ＣＥＮＴＵＲＹ模型［２８，２９１。其中一些研究者将世界土壤图按Ｏ．５经度与Ｏ．５纬度划分 为２５９２００个基本网格单元，按每个单元的土种分布、土层厚度、土壤容重、有 机碳及砾石含量等数据，计算出网格单元的平均碳密度，所得全球ｌｍ和２ｍ土 层的有机碳储量结果分别为１５００Ｐｇ和２４００Ｐｇ。这一阶段的研究结果相对较为 接近，全球土壤有机碳储量约为１４００ 性的全球土壤碳库统计研究结果：Ｐｇ＂－＇１５００Ｐｇ之间【３０１。表１为一些较具代表４表Ｉ．Ｉ全球土壤有机碳库主要研究结果；Ｔａｂｌ?１?Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ。… 研究者（年代）．．土壤有机碳储量一．．．。．．．Ｒｅｓｅｒｖｅ Ｏｆ ｏｃｇａｍｃ ｃａｒｂ。ｎ ｉｎ ｔｈｅ ７１０研究者（年代）Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ（ｙｅａｒｓ） Ｂｕｒｉｎｇｈ（１９８４）１３１］ Ｐｏｓｔ（１９９０）［２６］ Ｓｃｈｌｅｉｓｉｎｇｅｒ（１９９０）［２４１ Ｅｓｗａｒａｎ（１９９３）［３２ｌ Ｂａｔｊｅｓ（１ ９９５）／３３１土壤有机碳储量一．．Ｒｅｓｅｒｖｅ ｏｆ ｏｒｇａｍｃＲｅ∞ａｒｃｈｅｒ（ｙｅａｒｓ） Ｒｕｂｅｙ（１９５１）１１ｓ】 Ｂｏｈｎ（１ ９７６）１２０］ Ｂｏｌｉｎ（１ ９７７）１２２１ Ｂｏｌｉｎ（１９７９）１２３１ Ｂｏｈｎ（１９８２）［２１Ｊ Ｐｏｓｔ（１９８２）［２５】ｓｏｉｌｓ（Ｐｇ）ｃ砷０ｎ ｉｎ恤Ｓ０ｉｌｓ①曲１４２７ ２ ００ ｌ ｌ ４ ６２２９４６７１０ １６７２ ２２００ １３９５～ １ ６ ０００卯卯 ６～ ｌ ５ ４８１．２．２区域土壤碳储量研究进展 随着联合国框架公约的建立，各国科学家加强了国家尺度土壤动态研究： 如俄罗斯在１：２５０万土壤分布图上建立了土壤碳的空间数据库，计算并绘制了 俄罗斯全国Ｏ－－一２０ｃｍ、Ｏ～５０ｃｍ、Ｏ＂－－ｌＯＯｃｍ等不同土壤层厚度的有机碳库存量、 Ｏ＇～ｌＯＯｃｍ土壤深度的无机碳库存量的分布图，估计出俄罗斯土壤有机碳库存总量为３４２．１ Ｐｇ，无机碳库存总量为１１１．３Ｐｇ，因此土壤总碳库存量为４５３．４Ｐｇ【３４】。加拿大建立了１：１００万的数字化土壤分布图及土壤碳数据库，并计算出加拿大土壤 在Ｏ－－一２０ｃｍ土层和０－－－＇１ ００ｃｍ土层中的碳库存量分别为７０．１Ｐｇ和２４９Ｐｇ［３５］。研究者利用土壤图和植被图叠加获得的７５类２１１１１个土壤―植被图斑和由３９６９个土壤剖面组成的数据库，估算出巴西０＂－－３０ｃｍ土层的土壤有机碳库为 ３６．４士３．４Ｐｇ【３６】。利用土壤类型、气候和土地利用图将新西兰离散为３９类景观单 元，建立近２０００个剖面的土壤剖面数据库，估算出新西兰Ｏ～ｌＯｃｍ，１０＂－．－３０ｃｍ 和３０＂－＇１００ｃｍ土层的有机碳储量分别为１．１５Ｐｇ，１．４３Ｐｇ，１．６０Ｐｇ［３７】。利用植被、 地貌、土壤类型以及母质等因素把刚果划分为３１类景观单元，以及２００个剖面 的土壤数据库，估算出刚果Ｏ－－－＇ｌＯｃｍ，０，－一１ ００ｃｍ和Ｏ～２００ｃｍ土层的有机碳储量分别为０．８Ｐｇ，３．３Ｐｇ，３．９Ｐｇ【３引。不同的学者从不同的角度估算了不同区域上的土壤碳库。Ｂｕｒｉｎｇｈ（１９８４）依 据美国土壤分类系统，归纳了世界范围内主要草地类型土壤有机碳的平均含量 分布在９０００＂－１ ５０００９Ｃ．ｍ五【３９】。全球森林土壤有机碳库约６００Ｐｇ，仅占全球有机 碳库的４０％左右。全球湿润地区土壤有机碳储量约４７０Ｐｇ，为全球土壤碳库的３５％，远大于冻土和半干旱湿度地区［４０ｌ。］Ｑｍｂｌｅ 深的土壤碳含量４９６Ｐｇｔ４１ｌ，Ｅｓｗａｒａｎｅｔｅｔａ１．（１９９０）｜ｉ；１－算了热带地区ｌＩｎａｌ。（１９９３）估计的值为５０６Ｐｇ［４２１，而Ｂａｔｊｅｓ在１９９６年估计的值为３８４，－一４０３Ｐ９１４３１。对北极土壤碳库的估计值差别大，不同 的学者给出的值不同，最低２００Ｐｇ（Ａｊｔａｙｅｔ ｅｔａ１．，１９７９）［４４１，最高达２６５９Ｐｇ（Ｏｅｅｈｅｌａ１．。１９９２）Ｅ４５１。１．２．３国内研究进展 国内关于土壤碳库的研究，起步相对较晚，但已有一些科学家开始着手对 此进行探索。我国幅员辽阔、气候多变、地貌复杂、生态系统多样，在全球变 化研究中占据重要地位。国家对于全球变化研究中有关碳循环的研究较为重视， 国家９７３计划“中国陆地生态系统碳循环及其驱动机制研究”早已启动。土壤有 机碳库研究是碳循环研究中重要的参考数据。统计我国的土壤有机碳储量及其 分布状况，也是研究全球土壤有机碳储量所必不可少的一个环节。我国于１９７９ 年起，历时１６年，完成了全国第二次土壤普查，汇集了较为详尽的土壤数据资 料，这为全面地精确统计我国土壤有机碳提供了必要条件。方精云等（１９９６） 估算中国陆地土壤有机碳库为１８６ＰｇＣｌ４６］。潘根兴（１９９９）根据《中国土种志》 （１－６卷）的２５００多个土种的剖面分析资料统计计算得到中国土壤有机碳总量 为５０Ｐｇ，无机碳库总量为６０Ｐｇ，主要分布在华北和西北【４７】。王绍强等利用全 国第一次土壤普查测定的２３６个代表土壤剖面和第二次全国土壤普查（１９７９～ １９８４年）测定的２４７３个土种剖面资料，采用中国资源环境数据库１：４００万中国 土壤类型分布图（未包括台湾和水域、冰川、裸岩、石质山地），以面积、土壤 剖面厚度作为权重系数，求得各土壤类型的平均厚度、平均有机质、平均容重、 平均碳密度（在土壤平均厚度下的），各类土壤的总有机碳量由下列公式求得： 土壤有机碳储量＝土壤各亚类面积×土壤平均厚度父土壤平均容重×平均有机质Ｘ 转换系数，得出中国陆地土壤总有机碳储量分别为１００．１８Ｐｇ和９２．４２Ｐｇ，平均 碳密度为１０．８３ｋｇ?ｍ．３和１０．５３蚝?ｍ。，其空间分布总体上是东部地区大致随纬度 的增加而递增，西部地区则随纬度减小而增加【４８删（王绍强等，１９９９，２０００）。倪 健基于１：４００万土壤植被图以及其他资料，利用ＢＩＭＥ０３模型对全国土壤有机 碳储量进行了估算ｆ５０１。李克让（２００３）等应用０．５０经纬网格分辨率的气候、土壤 和植被数据驱动的生物地球化学模型估算了中国土壤的碳贮量为８２．６５Ｇｔ，占全６球土壤碳贮量４％，总体呈东南湿润区大于西北干早区，土壤碳密度最高在东北 和青藏高原东南缘，表明土壤碳密度受制于植被和气候因素（李克让等， ２００３）１５１１。谢宪丽等（２００４）根据１：４００万的《中华人民共和国土壤图》和第 二次土壤普查数据，运用地理信息系统技术，对我国土壤有机碳的空间分布存 在的差异性进行了分析和研究，结果表明：ｌＯＯｃｍ深度的土壤有机碳密度介子 １．１９ｋｇ／ｍ２－－．，１７６．４６ｋｇ／ｍ２之间；ｌＯＯｅｍ和２０ｃｍ深度的土壤有机碳储量分别为８４．４Ｐｇ和２７．４Ｐｇ［５２１。另外一些学者使用不同的研究手段对区域有机碳库和影响因子的关系做出了研究。陈庆强等、汪业勖掣５３，５ｑ分别对陆地生态系统土壤碳循环进行了研究和评述。张东辉等【５习对土壤有机碳的转化与迁移进行了研究；李凌浩、吴仲民、 李忠佩【５昏５８】等分别研究了草原生态系统碳循环、红壤丘陵区土地利用方式变化 后的土壤碳含量；人类活动对土壤碳储量影响很大，王艳芬、陈佐忠、李凌浩 【５９】分别探讨了人类活动对锡林郭勒地区主要草原土壤有机碳分布和储量的影 响。考虑到森林是一个巨大的碳库，吴仲民、李意德【６０，６１１（１９９７、１９９８）等对 尖峰岭热带森林土壤碳含量进行了研究，发现热带森林地区的土壤碳储量高， 与植被的生产力、微生物活性、气候条件有较大关系；王金叶［６２，６３１（１９９７、２０００） 等研究了祁连山青海云杉林的土壤碳，认为祁连山森林土壤碳总储量呈增加趋 势，森林土壤既是极为重要的碳汇，又是一个相当重要的碳源；李忠【叫计算了 我国东北地区的土壤有机碳范围为２．５＂７３．３ｋｇ ｎｌ－３，平均值为１０．５ｋｇ Ｉｎ．３，而在 东南热带、亚热带地区，剖面土壤有机碳密度变幅为３．９＂１６．７ｋｇ ｍ－３，平均值为９．２５ｋｇｍ－３。王淑平【６５】等对包括东北草甸草原、内蒙古高原草甸草原、典型草原、荒漠草原在内的ＩＧＢＰ中国东北样带（ＮＥＣＴ）的研究表明：土壤有机碳含量与降 水量之间呈显著正相关；温度因子在特定条件下有利于土壤有机碳的积累，否 则对有机碳的积累具有负效应；由气候等因素影响的植物种类组成对土壤有机 碳库存量也有着重要的影响。秦小光【鲫等应用生物地球化学模型研究了气候变 化对黄土碳库效应的影响。 近年来众多学者利用中国各省的土壤统计资料，从省域范围研究了各省土 壤有机碳储量，如下表所示：７表１．２各省±壤有机碳密度和储鬣的研究成果Ｔａｂｌ．２ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄｒｅｓｅｒｖｅｓｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｖｉｎｃｅｓ土壤中碳较小幅度的变化能引起全球气候较大的变化，土壤有机碳储量大 部分集中在土壤表层，而表层土壤有机碳库易受人类活动的影响丽发生变化，其动态变化（储存解放）也最易频繁发生。因此，很多科学家研究了各地土壤表层（Ｏ－２０ｃｍ）有机碳的储量，如江苏省，江西省，重庆市，黄土高原地区，黄土丘陵小流域等等ｆ７２嘲，这些研究为进一步开展土壤碳库研究提供了基础，也为合理利用农业资源，培肥农田土壤，实施糖准农业提供科学的信息，对土 壤碳库变化及土壤固碳潜力的研究具有重大意义。薹。３±壤有机碳空间分布研究现状盘然界±壤分布极为复杂，同一质地的±壤在同一平面或不同深度上并不完全均质硎。不论是在大尺度上还是在小尺度上土壤的空间异质性均存在ｆ７３】，即使在土壤质地楣同的区域内，同一时刻土壤特性值（物理、化学、生物憔质等）在不同空间位置上也具有明显差异溯。土壤特性空间变异性的研究就是将士壤特性空闻变异的复杂性定量化，土壤特性的空间变异性的研究是为了正确 把握各种土壤属性的空间分布特征，并对此做出合理解释【７９１，从而为土壤管理、 土地资源利用提供科学依据。嚣前对土壤空闻变弗的研究已将成为土壤学研究的重要内容之～。‘就±壤特性空闻变异性研究的方法焉言，主要的方法有传统的统计方法、 时序分析方法、地统计学方法、随机模拟方法、分形与分维方法等【蝴。其中地 统计学方法应用较力广泛，这种方法首先是法国科学家Ｍａｔｈｅｒｏｎ予２０世纪国 年代以Ｋｒｉｎｇｅ的矿产品位和储量估值方法为依据发展了区域化变量理论，将传 统的地学方法与统计方法相结合，率先剖建了地统计学，形成了完整的公式系８鼍詈詈量鲁詈皇鼍量皇詈詈量量―雹量鼍鼍皇量鼍詈曼皇喜喜置皇置皇詈暑詈皇鼍皇量鲁詈！皇鼍皇！ｌ童；：：：ｌ；ｌ―ｌ＿＿■＿曼皇！曼皇曼曼皇詈量曹量目暖詈量统【８ｎ。２０世纪７０年代后期，美国科学家Ｊｏ咖ｅｌ曾对此方法作了全面阐述【８２】。国外应用地统计学方法展开的有关土壤物理性质方面的空间变异研究主要集中 于土壤水分、容重、机械组成等，化学性质方面的空间变异研究主要包括有机 质、大量营养元素Ｎ、Ｐ、Ｋ，中量元素Ｃａ、Ｍｇ及微量营养元素Ｚｎ、Ｍｎ等［８３１。 我国应用地统计学方法进行空间变异研究起步较晚，在土壤物理特性的空间变 异研究方面，司炳成和褚达华瞰】研究了田间两个层次土壤粘粒、粉粒、不同粒 径的微团聚体和有机质含量的空间变异。２０世纪９０年代以来对各种尺度下土 壤养分的空间变异性研究进行了大量的研究，张有山等（１９９８）、胡克林等 （１９９９）、郭旭东等（２０００）、薛正平等（２００２）、高祥照和胡克林等（２００２）分 别就不同区域范围的土壤养分空间变异作了研究［８５－８９】，但对土壤有机碳的空间 分布研究较少，尤其是小尺度大比例尺范围内的研究报道更少。１．４研究存在的问题及本文主要研究的内容１．４．１土壤有机碳研究存在的闯题 综上所述可以看出，人们虽然已开展了大量土壤碳循环的研究，但是土壤 有机碳的研究仍存在很大的不确定性。从研究尺度上看，国内外对土壤碳库的 研究多在宏观尺度上进行，研究中小尺度地域单元内土壤碳库的成果尚不多见； 而我国幅员广阔，地形复杂多变，地貌类型丰富，一定区域内的地质条件丰富 多样，土质较为复杂，从而进行完整的区域小尺度上的研究非常重要。从采样、 试验方法及数据的收集方面来看，土壤有机碳储量研究缺乏区域范围内完整准 确的土壤剖面实测数据：由于没有统一的、系统的研究方法，导致土壤采样方 法的多样性；另外，土壤碳含量、质地、容重等土壤性质，以及气候、地形、 植被和土地利用的综合影响存在相当大的时空变异性，导致各个时期土壤有机 碳研究工作者的数据资料均缺乏足够的准确性，在很大程度上影响了研究成果 的科学性。从研究方法上看，土壤碳库研究中所采用的方法仍为传统的统计学 方法，而地统计学方法局限于研究土壤一般的物理和化学特性，很少有入用地 统计方法来研究土壤碳库的空间变异特征。实际上，土壤有机碳含量具有很高 的空间变异性，即便在同一植被类型、土壤类型或生命带内，土壤碳密度也可９能存在较大差异。从研究现状可以看出，无论是对全球土壤碳库的估算还是对 中国土壤碳库的估算，由于碳储量的资料来源各异，计算方法各异，计算结果 不一样，因此，研究结果之间缺乏可比性；另外，目前缺少对表层土壤有机碳 储量的估算，碳源和碳汇分布图的绘制仍是全球变化研究中的一个热点。 １．４．２本文主要研究目的及内容 本文的研究目的是以甘肃省天水市麦积山地区土壤为例，对小尺度范围内 土壤有机碳的空间变异特征进行深入的研究和分析，介绍土壤有机碳估算的一 些方法和国内外研究现状；并尝试通过对有限剖面点土壤有机碳含量的地统计 学分析，制作土壤碳含量的空间分布等值线图，目的是能在一定程度上克服剖 面点较少和比较直观的看到土壤有机碳的空间分布趋势，并且定量的认识天水 市麦积区这一小区域的土壤有机碳密度和储量，从而分析影响土壤有机碳分布 和储量变化的各种因素。为科学地利用和保护有限的土壤资源，提高生产力， 减缓土壤中温室气体排放和农业可持续发展提供了科学依据，为生态环境的保 护和碳循环研究提供重要的基础数据。 本文的研究内容是利用麦积区第二次土壤普查报告的数据资料和收集到的 近两年土壤采样点的有机质数据、地理坐标等数据，以及１：５００００采样点图， 土壤图、行政区划图、土地利用现状图、地形图的用于分析的各种图件。采用 地统计学中Ｋｒｉｇｉｎｇ最优内插法制作土壤碳含量的空间分布等值线图，分析土壤 有机碳含量的空间分布特征和影响因素，并运用土壤类型法按土种为单元计算 二次普查时土壤表层（Ｏ．５ｃｍ）、耕层（０．２０ｃｍ）和Ｉｍ深土壤有机碳的密度和 储量，以及２００８年实测土壤耕层２０ｃｍ深土壤有机碳的密度和储量，然后对比 ２７年前后的耕层２０ｃｍ深土壤的数据和结果，分析土壤有机碳储量变化的影响因素。１０基础资料的收集● ◆ＩＩ●Ｉ研究区的土壤图件研究区的基本资料及土壤剖面理 化性状数据的收集’，上土壤剖面数据库扫描，利用ｇｉＳ软件将图件数字化上样点分布图的绘制，ＧＩＳ（叠加、地统计、插值、空间分析）上土壤有机碳含量的空间分布图上各土壤类型面积上不同深度土壤有机碳密度及储量估算占对所得结果进行分析并初步探究影响土壤有机碳含量及空间分布的因素图１土壤有机碳密度和储量计算流程图Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｓｅｒｖｅｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ第二章研究区概况及采样分析方法２．１研究区概况２．１．１地理位置及经济概况 麦积区位于甘肃省天水市的东南部，秦岭北麓，是甘肃省天水市的东大门， 地处陕、甘、川之要冲。地处东经１０５０２５’＂＂１０６０４３’，北纬３４００６’～３４０４８’之间， 东西长１２３ ｋｍ，南北最宽处５０ｋｉｎ，最窄处不足５ｋｍ，全区总面积３４８４ｋｍ２，横跨 黄河、长江两大流域；自西向东穿流而过的渭河，分划出截然不同的两个天地： 东南部，绵亘百余里的秦岭山峦叠翠；西北部，黄土高原川梁沟峁纵横交错，既 含南国之秀，又具北国之雄。境内森林覆盖率达５２．６％，夏无酷暑，冬无严寒， 四季分明，景色秀美。但是，麦积区是一个典型的黄土丘陵沟壑区，山多ＪＩＩ少，十 年九旱，土地贫瘠，农业基础薄弱，水土流失严重（全区水土流失面积１５ １２ｋｍ２，占总 面积的４３．４４％），生态环境日益恶化，农业基础条件差是麦积区的基本特征。全区 设１１镇、６乡、３个街道办事处，有４７６个行政村（如图２所示）。天水市麦积 区有５７．５２万人口，分布着蒙、回、藏、维吾尔等１１个民族。２００５年，实现生 产总值３８．５５亿元：大口径财政收入２．０１２２亿元：固定资产投资２２．４９亿元。图２．１麦积区行政区划图Ｆｉｇ．２．１Ｍａｉｊｉ Ａｒｅａｓ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅ Ｍａｐ１２２．１．２地形与土壤 岩层风化疏松物事土壤母质的主要来源，它直接影响到土壤母质的理化性质 和土壤的属性，是形成土壤的基础物质，岩层的属性对形成不同类型的地貌形态 是有很大影响的，麦积区位于秦岭地槽和陇西陆台两大地质构造单位的过渡地 带，秦岭地槽占据南部，陇西陆台居北部，麦积区的地貌从成因和形态看大体可分为秦岭山地和陇西黄土高原两部分，秦岭山地属于中度一深度切割的石质中山，山高谷深，土层薄沙砾多，气候温凉湿润，是发展林业、涵养水源、改造我 区中小气候的基地。陇西黄土高原属于黄土高原之南缘，梁状山地与河谷平行成 梳状分布，构成了两山之间有一沟，两沟之间有一山的地貌。区域内海拔高度 １０００－－－２３１０ｍ，地形复杂破碎，沟壑纵横交错，沟壑密度平均为３．３０ｋｍ／ｋｍ２，地 貌类型主要为黄土丘陵地貌、红土丘陵地貌、土石山区侵蚀地貌和河谷阶地地貌。 土壤在河流和沟谷区为冲击、洪积物形成的淤淀土、草甸土，经过开垦耕种熟化 而形成以黄绵土、黑垆土为主的耕作土壤。土层深厚，山塬开阔，是粮、油、菜、 果主要生产区。 ２．１．３气候 麦积区位居地球北半球中纬度距海较远的大陆腹地，是划分我国南北气候分 带的秦岭分水岭，属于北暖温带大陆半湿润季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，气 候温和，四季分明，日照充足，降水适中，年平均降水量６００ｍｍ，从南向北依 次减少。全年日照２０９８．７小时，平均日照百分率为４７％，日照地域间差别大， 北部山区较多，东南部林区较少。太阳辐射总量在２３９５～２７０３Ｍ胁铊，全年无 霜期１７０多天。热量分布的不均一性是我区土壤形成的又一基本因子，水分的多 少直接影响到土壤物理化学性状和发生演变，降水的基本特征是：年际变化大、 时空分布不均。综上所述根据全区水分和热量情况分为三个气候区：１、温带、 半湿润、湿润区，本区位于北部，土壤以黑垆土、黄绵土、红土、淀土、潮土为 主；２、温凉半干旱、半湿润、湿润区。３、温凉湿润区。 麦积区农业气候资源有以下几个特点：ｌ、太阳辐射较强，热量资源丰富， 是该区农业气候资源的一大特点。２、雨热同季，对作物的生长较为有利。３、最 大气温日较差出现在春末夏初，有利于地方名优特产品的发展。４、降水量分布 不均，干旱发生频率较高。５、地域气候差异较大，垂直气候显著，这给比较均 一规划种植作物的分布范围带来一定困难，但同时也给种植业的多种经营提供了■暑窖皇量量田冒曹量詈曼Ｅ曼音量皇寡―詈皇曼璺曹量鼍喜鼍冒詈詈！鼍鲁皇皇鼍墨毫曼皇童ｉ：：＝：＝：：舅ｌ―ｌ一酋皇曼皇置皇曼量粤詈曹冒｜董冒宣有利条件刚。２．１．４水文地质概况 麦积地跨长江、黄河流域，以秦岭为分水岭，岭北为黄河支流渭河水系，流 域面积２１８０平方公里，占全区总面积的６２．６％。渭河在境内长１８１公里，较大 支流有藉河、葫芦河、牛头河、东柯河、东岔河等。岭南为长江支流嘉陵江水系， 流域面积１３００平方公里，占全区总面积３７．４％。嘉陵江水系在境内主要支流有 红崖河、花庙河和自家河。对比南北水系，有南长北短，南缓北陡，南宽北窄和 南清北浑的趋势和特点，上述特征均与新生代地质构造活动和沉积物类型不同有 密切的成因联系。 另外，地下水位高低、水化学性质优劣直接制约土壤形成，该区地下水主要 有潜水和岩层裂隙水来两大类型：潜水多分布在渭河西汉水等河流干支流，俗称 河谷潜水，是形成沼泽土、草甸土、潮土等水成、半水成土的基本成土因素。裂 隙水主要分布在秦岭山地岩石裂缝中，是河流之水源，对土壤形成有作用，但无 直接影响。在地下水位较高的河谷漫滩、超河漫滩土壤有积盐过程，形成不同程 度不同盐分组成的盐化潮土。 ２．１．５植被 植被是在一定的环境条件下形成与发展的自然复合体，是自然历史长期演化 的产物。任何一种植被类型都有其自身的种类组成、结构及分布规律。植物的覆 被是形成土壤的重要方面，哪里有植物哪里就会有土壤。有许多土壤的名称是用 植物类型命名的，例如；草甸土、草原土、干草原土等。这些都说明土壤与其相 适应的植物类型是相当密切的。本区从植物覆被类型看，自秦岭山地向北可分为 五个植物类型带：温带落叶阔叶与针叶混交林带；草原灌丛带；灌丛草原带；草 原干草原带和于草原带。麦积山所在的小陇山，植被的垂直分带明显。拔海 ＜１８００ｍ，以锐齿栎为主，混生华山松、油松、山杨、白桦等；１８００＂～２２００ｍ间， 以辽东栎为主；＞２２００ｍ，有小面积的青扦林。２．２土壤剖面数据及基础图件资料全国第二次土壤普查从１９７９年开始，历时１６年，这次土壤普查面广量大， 内容十分丰富，积累了大量的空间和属性数据。本文中所用的原有采样点土壤剖面基础数据来自于麦积区１９８１年第二次土壤普查的成果ｐ１１。主要包括以下内１４容：成土母质、土壤类型、地理位置、剖面描述、剖面层次、土层厚度、海拔 高度、有机质含量、容重等，共集６５个土种剖面数据，七个土类，十六个亚类， 四十四个土属和六十五个土种，建立土壤剖面数据库。 另外，收集了２００８年麦积区耕层２０ｃｍ土壤的６０６０个实测剖面数据，包 括经纬度，土壤类型、有机质等数据，以及１：５００００的土壤采样点图（如图 ２．２所示），行政图、现状图、土壤图等用于分析的基础图件资料。建立土壤剖 面数据库，通过ＭａｐＧＩＳ６．７属性挂接功能将土壤剖面数据库与采样点进行挂接。图２．２２００８年研究区样点分布图Ｆｉｇ．２．２ Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｓｏｆｔ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｉｎ ２００ｓｙｅａｒｓ在地理信息系统软件ＭａｐＧＩＳ６．７工具下，利用研究区现有土壤采样点图， 将土壤采样点分布图与土壤图、行政区划图、土地利用现状图叠加，根据现有 采样点的经纬度和二次普查土壤剖面的描述以及各土种在各村分布情况标出原 有６５个土种的土壤剖面所在的位置，生成用于地统计分析的二次普查时土壤剖 面的样点分布图（见图２．３），这样就能得出原有采样点的经纬度，再通过 ＭａｐＧＩＳ６．７属性挂接功能将土壤剖面数据库与采样点进行挂接。――――――――堂坠些堂型塑堡些丝墼二―――――一ｉ詈鼍量暑曹量鼍詈量暑！量皇皇―鼍鼍詈詈―鼍蔓皇暑詈曼！曼鼍鼍曼鼍量量量量皇曼鲁甍鼍鲁曼鱼釜曼苎画量三曼量蔓鼍量量奠舅皇詈毒皇曼曼量量詈皇皇皇暑詈图２．３ １９８１年二次普查研究区剖面点分布图Ｆｉｇ．２．３ Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｉｎ １９８１ ｙｅａｒｓ在收集的土壤剖面数据中，土壤剖面的容重数据和＞２ｒａｍ石砾含量是有机 碳密度计算的重要元素，而数据库中只有少部分剖面有容重数据，而且在不同 土壤中的分布很不均衡，虽然特征相似的土壤其容重与有机质含量、土层厚度、 土壤结构之间具有简单的公式关系，但由于本研究的数据来源众多，土壤性质 的分析方法不尽相同，用公式推导未知的容重数据会出现较大的误差。因此， 对于容重数据比较多的土壤类型，根据剖面构型相似、土壤分析数据相近的原 则，利用已有的剖面容重值数据或使用该土壤类型容重数据的平均值来代替没 有容重分析数据的剖面的容重。对于没有容重数据的土壤类型，使用相近土壤 类型的容重数据。由于实测剖面和统计数据中，砾石含量极少，故可忽略不计。 研究中所需数据经过上述方法的处理，可有效减少由于所需数据的缺乏以及数 据来源的不一致而造成的误差。１６皇罾曼墨毫冒冒皇量皂！曼量量富皇罾奠皇量量鼍雹鼍量篁皇！詈置量皇置皇皇鼍詈皇曼鼍宣皇暑！釜曼曼寰：一二；；！三：！曼曼曼皇鼍詈曼鲁篁寡曹鼍罾皇詈鲁量曹曙詈量量罾第三章土壤有机碳空间分布３．１土壤有机碳空间分布研究方法简介３．１．１地统计学方法简介 地统计（Ｇｅｏｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ）又称地质统计，是在法国著名统计学家ＧＭａｔｈｅｒｏｎ 大量理论研究的基础上逐渐形成的－ｆｌ新的统计学分支。它是以区域化变量为 基础，借助变异函数，研究既有随机性又具有结构性，或空间相关性和依赖性 的自然现象的一门科学。凡是与空间数据的结构性和随机性，或空间相关性和 依赖性，或空间格局与变异有关的研究，并对这些数据进行最优无偏内插估计， 或模拟这些数据的离散型、波动性时，皆可应用地统计学的理论和方法。 地统计学与经典统计学的共同之处在于：它们都是在大量采样的基础上， 通过对样本属性值的频率分布或均值、方差关系及其相应规则的分析，确定其 空间分布格局与相关关系。 但地统计学区别于经典统计学的最大特点即是：地统计学既考虑到样本值的 大小，又重视样本空间位置及样本间的距离，弥补了经典统计学忽略空间方位的 缺陷。地统计分析理论基础包括前提假设、区域化变量、变异分析和空间估值。 现今，地统计分析方法被广泛应用许多领域，已成为空间统计学的一个重要分支。 利用地统计方法来研究土壤特性空间变异已成为土壤科学研究的热点之一［９２－９６１。 地统计学是以区域化变量、随机函数和平稳性假设等概念为基础，以变异函数为 核心，以克立格插值法为手段，分析研究自然现象的空间变异问题。 地统计学方法既可以用来定量的分析土壤性质的空间分布，也可以用于确 定土壤空间变异的尺度，以提高田问采样的有效性，还可以用于研究引起土壤 变异的各种过程。 ３．Ｉ．２地理信息系统（ＧＩＳ） 地理信息系统（ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ简称ＧＩｓ）起源于２０世纪６０年代，是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机硬件、 软件系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术［９ｒｌ。ＧＩＳ分为用户界面、数据库管理、数据输入和数据库产生、空间操作和分析、产品输出和显示五大功 能部分，而空间分析功能是ＧＩＳ区别于其它系统的本质特征之一。 运用ＧＩＳ和地统计学结合的方法在研究土壤有机碳含量的空间分布规律时 具有较强的优势。ＧＩＳ具有较强的空间数据管理功能，而缺乏对一些问题的空 间分析能力。地统计学则具有较强的空间分析功能，但其空间数据管理功能较 弱。二者的结合可以取长补短，能充分发挥各自的优势。同时，地理信息系统 （ＧＩＳ）还可以把大区域范围内土壤样点的属性数据同地理数据结合起来，通过 地理数据确定样点之间的距离，根据属性数据可以计算出变量之间的差异，从 而得到地统计学所需要的步长和变异函数值之间的函数关系，使分析土壤时空 变异变得较为方便。３．１．３Ｋｒｉｇｉｎｇ最优内插法原理 克立格插值（Ｋｒｉｇｉｎｇ）又称空间局部插值法，是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，是地统 计学的主要内容之一。这种方法最早出现由南非矿产工程师克里立格 （Ｄ．Ｒ．Ｋｒｉｇｅ）和统计学家西舍尔（Ｈ．Ｓ．Ｓｉｃｈｅｌ）在２０世纪５０年代根据样本空间 位置不同和样品间的相关程度的不同，对每个样品赋予一定得权重，进行滑动 加权平均，来估计未知样点上样品均值的一种方法。 克立格法与普通的估计方法不同，它最大限度地利用了空间取样的所提供 的各种信息。在估计未知样点数值时，它不仅考虑了落在该样点的数据，而且 还考虑了各临近点样点的数据，不仅考虑了待估样点与邻近已知样点的空间位 置，而且还考虑了各邻近样点彼此之间的位置关系。除了上述的集合因素外， 还利用了已有观测值空间分布的结构特征。使这种估计比其他传统的估计方法 更精确，更符合实际，并且避免系统误差的出现，给出估计误差和精度。这些 是Ｋｒｉｇｉｎｇ法的最大优点。 克立格内插法实质上是实行局部估计的加权平均值，设在某一区域内采样点Ｘｏ处某一养分变量的估测值为ｚ＋（曲，其周围在相关范围内有ｎ个已测定值Ｚ（ｘｉ），ｉ＝１，２…ｎ。通过１１个测定值Ｚ（ｘｉ）的线性组合来求估测值Ｚ?（ｘｏ）：ｚ?（ｘ。）＝∑九，木Ｚ（ｘ，）ｆ＝１ １８（３．１）Ｚ幸（）【ｏ）为未采样点上的内插估计值，Ｚ（ｘｉ）是邻近采样点上的测定值，ｎ为 邻近点的采样点的个数，砸是每个邻近采样点的测定值的权重，由上式表明内插 估计值的精度取决于权重ｎ的选取，所以Ｋｒｉｇｉｎｇ内插的关键是ｎ的求解。 主要的克立格法有点克立格法ＣＰｕｃｔｕａｌ Ｋｒｉｇｉｎｇ）、块段克立格法（ｂｌｏｃｋ Ｋｒｉｇｉｎｇ）、协同克立格法（Ｃｏ－－－Ｚ＿ｄｇｉｎｇ）、泛克立格法（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｋｒｉｇｉｎｇ）以及对数正态克立格法畔。皿。吼ａｌ Ｋｒｉｇｉｎｇ）等，根据样本的分布特征，采取最优的克立格内插法，在满足二阶平稳假设时，可以采用普通克里格法，在非平稳（或有漂 移存在）现象时，可以用泛克立格法，对有多个变量的协同区域化现象，可采 用协同克立格法。本文根据实际情况采用普通克立格法。克立格法制图（硒ｇｉｎｇ ｍａｐ）是克立格法的重要应用。这不但对分析区域化现象非常有意义，而且对定量的研究空间分布格局的特点，尤其是格局的空 间构型提供了有效工具。克立格法制图最大的特点是从图中了解空间格局的定 量特征，如斑块的形状，大小，分布形式等等。３．２麦积区土壤有机碳的空间分布本文根据二次普查剖面数据各土种有机质含量，分别计算了各土种表层 （Ｏ．５ｃｍ）、耕层（Ｏ－２０ｃｍ）Ｉｍ深土壤有机碳的含量；另外，根据２００８年采样 数据的有机质含量，计算了２７年后２０ｃｍ深土壤有机碳的含量。土壤有机碳含 量是土壤有机质含量乘以Ｏ．５８（Ｂｅｍｍｅｌｅｎ换算系数）得到的，Ｏ．５８（Ｂｅｍｍｅｌｅｎ 换算系数）是土壤有机碳含量的平均值，由于土壤有机质碳含量大致范围在 ５５％＇－－＇６５％之间，因而国际上采用５８％作为碳含量的转换系数【９阳。 土壤是时空连续的变异体，具有高度的空间异质性，无论是在大尺度上还 是在小尺度上观察，土壤的空间异质性均存在。为了直观的反映研究区土壤有 机碳的空间分布状况，研究麦积区土壤有机碳的空间分布规律，根据研究区采 样点的分布图和计算出来的土壤有机碳的含量，利用Ｋｒｉｇｉｎｇ最优内插法对整 个区域进行插值，将插值结果用ｍａｐｇｉｓ６．７软件绘制了不同层次的土壤有机碳 含量等值线图（见图３．１，－－，３．４）。１９妖匪～ 【∥皎。帮｛发，？，√：铲１’‘ｎ、ｗ．一ｗｏ＾，？誉。弘。矍ｊ ７‘二ｉ’Ｆ一 露一８ｊ浮渗 奠』、ｊ羔珊蝴图３３ ｏ－ｌＯＯｃｍ土壤有机碳吉量（ｇ『ｌ【ｇ）空间分布田（１９８１年）Ｆｉｇ．３?３ｓｏｃｃｃ矾ｇ）ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＯ－ｌＯＯｃｍｌａｙｅｒ（１９８１ｙｅａｒｓ）墓喜銮些盔兰：竺：星堡圭兰堡墼耋鬻、、漤猡圭昼０－５ｅｍ ０．２０ｃｍ墨尘堕ｇ堑２ ６２３ ５２ ０ ６８ ４４０星查堡ｇ堑４２ ５３ ２９ ３０１４ ５６ ８ ９０塑壑！塑堡出１４ ３４ ｌｌ ７１Ｏ－ＩＯＯｃｍ５ ６２６ ９８２００８年Ｏ－２０ｃｍ表３ ｌ中的各层土壤有机碳含量的加权平均值是以每一图斑所占面积占全 部面积的百分比为权重加权平均所得。从３ ｌ～３３的蹦ｇｉＩｌｇ插值结果图和表３．１中的各层土壤有机碳含量的统计表来看，在Ｏ－ｌＯＯｃｍ剖深下，比较不同层次 土壤有机碳含量的分布，土壤有机碳含量总体上随着深度的加深而减少，土壤有机碳含量均值由１４．３４卧ｇ下降到５．６２９，ｋｇ。表层土壤（０?５ｃｍ）和耕层土壤（０－２０ｃｍ）两个层次土壤有机碳含量绝大部分在３９／ｋｇ以上，两个层次最高值分别是４２．５３９／ｋｇ和２９．３０９／ｋｇ：从上到下稍有降低，但是变化不大，仅２．６３９／ｋｇ， 相对与ｌＯＯｃｍ土层来说土壤有机碳含量明显较高，约是ｌＯＯｃｍ深度土壤有机碳 含量的２倍多。土壤有机碳含量在剖面上的这种分布特征与土壤动植物在土体 中的分布密切相关，也与表层土壤和整个生态系统距离比较近，受到的影响比 较大有关。由于土壤有机碳主要是来源于土壤动植物残体分解所产生的有机质， 因此在表层土壤动植物残体分解所产生的有机质多，这造成了表层土壤的腐殖 质较多，并且作物根系主要集中在Ｏ－２０ｅｍ深度范围内，相应的有机碳含量明显 高于下层。随着深度增加，作物根系越来越少，土层越深土壤有机碳含量越少， 这些是由于在土壤下部，受到地面生态影响和整个生态系统的影响相对地表层 来说小很多，而主要受土壤母质的影响，而土壤母质相对稳定，因此，土壤有 机碳含量在土壤深处变化比较小。 ３．２．２同深度层内水平方向土壤有机碳含量的分布特征 由各土层的空间分布图我们可以看到，研究区内各个层次土壤的有机碳含 量均有多个高值中心，这些高值中心主要集中在地势较低的东南部的秦岭山地 和低槽，主要分布在三岔乡、东岔镇和利桥乡。地势较高的黄土高原梁峁地的 有机碳含量均较低，大体上都是随着纬度和高程的增高而呈递减的趋势。土壤 剖面上部同一层次不同地段有机碳含量变化大，随着土层深度增加，有机碳含 量在同一层次内分布渐趋均匀，表层有机碳含量最高值与最低值相差 ３９．９１９／ｋｇ，耕层有机碳含量最高值与最低值相差２５．７８９／ｋｇ，ｌｍ深土壤有机碳 含量最高值比最低值高出１３．８８９／ｋｇ。不同层次有机碳含量变幅的差异，除与土 体内动植物生长活动有关外，还与施肥不均匀等人为因素的影响有关。 从土壤类型上来比较，分布在三岔乡、东岔镇和利桥乡的主要土壤类型是 褐色土和棕壤，其中土壤有机碳含量最多的有粗骨质碳酸盐褐色土、粗骨质山地褐色土、石质性山地碳酸盐褐色土、石质陛山地淋溶褐色土，粗骨质山地棕壤、黄土性山地棕壤几个土种，大体上沿着土壤的垂直带依次减少。而从各层 土壤有机碳的地域变化幅度来看，基本上都是在研究区域的东西两端变化迅速， 而在中间区域变化则比较缓慢，这也与麦积区的地形地貌、气候以及植被等的 分布差异较大有关。３．２．３０－２０ｃｍ土壤有机碳含量２７年前后的时空变化 从图３．２和３．４的Ｋｒｉｇｉｎｇ插值结果来看，Ｏ－２０ｃｍ土壤有机碳含量２７年前后变化比较明显，２７年后土壤的高值区虽然还集中在地势较低的东南部的秦岭 山地和低槽；整体看来土壤有机碳含量仍然是东西两端高，中间低。但是高值 中心基本没有了。另外从表３．１看来，２００８年的有机碳含量低于２７年前，土壤 有机碳含量加权平均值由１１．７１９／ｋｇ下降到６．９８９／ｋｇ，下降了４．７３ ｇ／ｋｇ。而土壤 有机碳的最高值与最低值之间的变幅差异却减少了很多，二次普查土壤有机碳 含量最高值与最低值相差２５。７８９／ｋｇ，２００８年实测数据土壤有机碳含量最高值比 最低值仅高出４．５９／ｋｇ。引起这种差异的原因一方面是由于采样点数目差别较 大，造成了一定的误差；此外，主要因素可能是土壤水分含量，由于土壤水分 含量不同可引起土壤通气性和降水入渗的差异，进而影响土壤有机质的分解和 矿质化进程；另外，人类活动的干扰可能也是造成上述差异的原因，由人类活 动引起的土地利用和土地覆被变化是土壤有机碳库最直接的影响因子，土壤有 机碳主要来源于土壤动植物残体分解和农事活动投入的有机肥的转化，而土壤 动植物残体分解和人类投入的有机肥在时间和空间上存在较大差异，造成了土 壤有机碳含量的减少。 ３．２．４土壤有机碳空间分布成因 土壤有机碳的这种空间分布特征受诸多因子影响，如气候、地形、岩性、土 壤和土地利用／覆被等。地表覆被是土壤有机碳的最重要的来源，植被覆盖率愈 高，地表枯枝落叶愈充足，土壤植物根系愈发达，愈有利于土壤有机碳的积累， 本研究区而言，从东南到西北植被覆盖度总体上呈逐级降低趋势，这在宏观上决 定了土壤有机碳的分布也具有相似的走势。另一方面，气候和土壤水分含量的差 异使得这一格局发生迸一步的分异，水分的多少直接影响到土壤物理化学性 状和发生演变。由于东南部秦岭山地属于中度～深度切割的石质中山，山高谷 深，冬无严寒，夏无酷暑，气候温凉湿润，属于温凉湿润区，土壤含水量高， 土壤透气性相对较弱，微生物活动较弱，有利于土壤有机质的累积，相反， 地势较高的西北部黄土高原粱峁地由于地形复杂，日照充足，降水减少，因此 气候相对干燥，土壤含水量低，土壤透气性相对较好，微生物活动性强，有 利于土壤有机质的分解转化，土壤有机碳含量较低，故东南部秦岭山地土壤 有机碳水平总体上高于西北部黄土高原粱峁地，对比空间分布图不难看出，这一■―宣量鼍曼鲁■―■量詈墨詈暑鲁舅置置童詈詈詈！詈鼍葛寡鲁量毫皇置詈曼詈皇詈皇画釜二－＝：；：；＿＿｜曼曼曼寡鼍冒曼Ｉ｜量喜曩冒鼍鲁量｜葛表现比较突出。岩性、土壤等因子对土壤有机碳密度的分布同样有着重要的影响。 在山区，土壤质地细，多偏粘或壤粘，有利于有机碳的累积，并成为有机碳密度 的高值区。相反，在高程比较低的地区，质地偏砂质或砂壤质，不利于土壤有机 碳的累积，使得这一地区成为研究区有机碳含量低值区。此外人类的农业生产活 动与土壤有机碳含量的变化也关系密切，化肥的施用、耕作方式等不同程度的影 响着土壤有机碳含量的变化。综上可见，有土壤有机碳的分布格局实际上是多因子综合作用的结果。―Ｅ粤罾鼍詈皇量暑詈詈暑詈璺鼍！量詈皇量田鼍量曼詈墨鼍鼍量置■置毫詈富鼍曹皇毫喜曼釜皇皇：蚤皇量曼！皇―■寡鼍薯皇暑曹量―｜量皇宣―■詈墨第四章土壤有机碳密度及储量的估算目前国内外对土壤碳库研究区域偏大、精度偏低，多以植被类型和土壤类 型来划分单元。而对大比例尺的小尺度区域范围土壤有机碳储量研究较少，这 是造成土壤有机碳库估算结果差异较大的原因之一，因此，有必要开展对大比 例尺的小尺度范围内的土壤有机碳库的研究。本研究以麦积区为实验区域，进 行土壤有机碳储量的研究，无疑可以为半湿润半干旱地区生态系统碳平衡和碳 循环研究提供基本的背景资料。开展大比例尺小尺度范围内的土壤有机碳库储 量的研究，这不仅为天水市麦积区的土壤有机碳储量精确估算提供详实的数据 资料，而且也为本地区的土地利用方式提供科学依据。４．１土壤有机碳密度的计算方法土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层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，土壤碳密度已成为评价和 衡量土壤中有机碳储量的一个极其重要的指标。 本文土壤有机碳密度的计算分为５ｃｍ、２０ ｃｍ和１００ ｃｍ三种深度进行。某一土层ｉ的有机碳密度ＳＯＣｉ＠肿－２）计算公式如下例：ＳＯＣｉ－－上Ｌ――――――一１００∑０．５８Ｈ，Ｓ，０，０－６，）（４．１）、７式中，Ｃｉ为有机碳的含量（ｇ／ｋｇ），土壤有机碳含量是土壤有机质含量乘以 ０．５８得到的；Ｂｉ为容重（ｇ ｃｍ－３）Ｈ．为土层厚度（ｃｍ）；Ｇｉ为大于２ｍｍ的石砾所 占的体积百分比（％），从上述公式可以看出，土壤有机碳密度的计算并不复杂， 但是获得计算所需要的数据较为困难，特别是容重和石砾含量的数据。对于粗 骨土和石质土等薄层土，采用其实际剖面深度的有机碳密度作为１００ ｃｍ深度的 有机碳密度。对于容重数据比较多的土壤类型，根据剖面构型相似、土壤分析 数据相近的原则，利用已有的剖面容重值数据或使用该土壤类型容重数据的平 均值来代替没有容重分析数据的剖面的容重。对于没有容重数据的土壤类型，使用相近土壤类型的容重数据。实测剖面和统计数据中，砾石含量极少，故可 忽略不计。研究中所需数据经过上述方法的处理，可有效减少由于所需数据的 缺乏以及数据来源的不一致而造成的误差。 国际上为了便于比较，通常以土壤剖面深度ｌｍ作为估算土壤有机碳库的 基准，因此，土壤有机碳密度也以土壤剖面深度为ｌｍ，每平方米土体中所含有 的土壤有机碳质量为标准。这样如何精确地估算ｌｍ土体内土壤有机碳含量就 成了陆地生态系统土壤有机碳估算的关键。由于自然界的土壤千差万别，自然 土壤剖面深度不可能正好就是ｌｍ。对于ｌｍ的剖面，计算土壤碳密度就比较简 便，取土壤剖面深度为ｌｍ就可以计算出土壤有机碳密度。但麦积区二次普查 的６５个土壤剖面中，有许多剖面深度都不到ｌｍ，这些剖面具体有两种情况， 一种是土体本身的实际厚度所限，剖面深度不到ｌｍ，土层以下为坚硬的岩石， 这就是石质接触，对于这种情况，就可以根据剖面实测的有机碳含量进行估算 土壤剖面的有机碳含量，土层以下土壤有机碳为零。另一种情况是实际土层厚 度超过ｌｍ，但当时采样深度不到ｌｍ，对于这种情况就要根据土壤剖面深度和 采样分析数据都＞ｌｍ的剖面，根据不同的情况采用孙维侠等【１００］的方法。本文 收集到的麦积区６５个典型土种剖面数据中，共有１１个剖面为石质接触或到地 下水位线，２２个剖面深度等于或超过ｌｍ，３３个剖面的土层厚度ｌｍ，而采样深 度不到ｌｍ，在计算土壤有机碳密度时需要进行估算。４。２土壤有机碳储量的估算方法简介目前土壤碳储量的估算方法主要有两类，一类是比如土壤类型法、生命地 带类型法、森林类型法、土组法、气候参数法等这些以各种方法所划分的面积 和各种方法所分的类型的平均碳密度相乘。另一类是建立在陆地碳循环机制之 上的生物地理和生物地球模型的开发。根据模型所描述的对象和过程可分为生 态系统模型、生物地理模型、生物地球化学模型，目前土壤有机质模型的应用 己越来越广泛。较成熟的有机质模型有：ＣＥＮＴＵＲＹ、ＤＮＤＣ、ＮＣＳＯＩＬ、ＲＯＴＨＣ 等。此外，还可通过建立土壤有机碳与各种环境变量、气候变量和土壤属性之 间的相关关系，利用有限土壤剖面数据计算土壤有机碳储量或根据土壤有机碳 与形成影响因素之间的空间相关关系进行估算。４．２．１土壤类型法 土壤类型法是按土壤类型为分类标准来估算土壤有机碳储量的一种的方 法。方法一般为根据土壤普查或采样获得的结果，把研究区的土壤按照研究目 的要求按照土类、亚类或土属来分类，再根据如让剖面的地理位置、土层深度、 有机质含量、面积、理化分析数据和土壤类型图，就可以利用土壤类型法来对 研究区的土壤有机碳库进行估算了，具体方法如下： （１）以土壤剖面的分层深度为权重求得典型剖面平均深度的土壤有机质含 量，计算公式：ｇ＝挚厚度。讯２）式中：ｉ为第ｉ种土壤立类或土属；ｊ为剖面靳层：ｑｉ为土壤平均深度有机质含量；ｑｉｊ为土壤剖面分层有机质含量；ｄｉｊ为土壤剖面分层深度：Ｄｉ为土壤剖面总（２）以典型剖面代表的面积为权重，求得各土壤亚类或土属的平均有机质 含量。在此基础上，以各土壤类型代表的面积为权重，最终求得各土壤类型的 平均有机质含量Ｑｉ平均土壤深度Ｈｉ和平均碳密度Ｃｉ。Ｑ＝挚 Ｅ＝翠Ｉ㈨３，（４．４）。ｓ。Ｃ。＝０．５Ｊ●－，ｌ８?Ｑ，Ｈ，Ｗ，● Ｊ（４．５）式中：ｉ为第ｉ种土壤类型，Ｓｉ为各土壤类型的面积，Ｓｉ为研究区土壤类型面积 之和；Ｗｉ平均土壤容重，各土壤类型的平均土壤容重由同期土壤调查获得：０．５８ 为Ｂｃｍｍｃｌｃｎ换算系数，采用了方精云推荐的换算值。 （３）利用平均土壤碳密度和各类土壤面积，求得研究区土壤碳储量Ｃ。ｃ＝∑ＣｊＳ４．２．２植被类型、生态系统类型和生命地带法（４．６）植被类型、生态系统类型和生命地带法是按照植被、生命地带或生态系统 类型的土壤有机碳密度与该类型分布面积计算土壤有机碳蓄积量。使用该方法能较为容易地了解不同植被、生态系统和生命地带类型的土壤有机碳库蓄积总 量，而且各类型还可以包含多种土壤类型，分布范围更加广泛，更能反映气候 因素、植被分布对土壤有机碳蓄积的影响。最广泛引证的生命地带方法是Ｐｏｓｔ 等在Ｈｏｌｄｒｉｄｇｅ生命地带模型的基础上建立了全球土壤碳密度的地理分布与植 被和气候因子之间的相互关系的研究实例。 Ｐｏｓｔ（１９９０）的生命地带法选择了反映全球各主要生命带的２６９６个土壤剖 面，先计算单位面积（１ｍ２）土层的平均碳密度Ｃ：Ｃ＝ＣｆＢＤ（Ｉ一８２姗）Ｖ（４。７）式中：Ｃｆ为有机碳质量分数，ＢＤ为土壤容重，６２咖为直径大于２ｍｍ的砾 石分数，Ｖ为土层体积。然后用碳密度乘以各个生命带所对应的土地面积并累 加，可得全球土壤有机碳总储量（Ｉｍ土层厚度）。对于没有实测容重数据的土 层，其容重根据土壤有机碳的浓度与深度关系来拟合求出：ＢＤ＝ｂｏ＋ｂｌＤ＋ｂ２１９Ｃｆ（４．８）式中：ｂｏ、ｂｌ、ｂ２为按不同植被类型下的已知土壤容重和碳密度所确定的常 数，Ｄ是从土表到土层中心的深度。 生态系统类型方法类似于生命地带类型方法，但是生态系统类型往往比生 命地带类型更加复杂。该方法的缺点是：数据库中不包含土壤分类信息，数据 来源很广泛，从而导致数据定量化非常困难，而且不能解释局域尺度上的母质 变化（有机物质、粗碎片含量、矿物学）和提供土壤厚度的信息。同时，土壤有 机碳的空间格局的变异性和数据的不可靠性，使得该方法在具有空间地理数据 研究中的应用受到了限制。因而，在使用该方法时，应注意多使用辅助信息分 析碳蓄积量。 ４．２．３模型方法 土壤碳循环模型方法可以综合考虑决定进入土壤的碳数量和质量，以及决 定土壤有机碳分解速率的各种因子，’从而能够估算土壤有机碳蓄积量，能够根 据大量的实测数据和气候变化模拟数据，预测不同情景下的土壤碳蓄积量动态 变化趋势，探讨土壤有机碳蓄积和固定潜力，分析气候变化对土壤碳蓄积的不 同综合影响。科学家们已应用了类似的方法来评估区域和全球尺度土壤有机碳 蓄积量及其对全球变化的潜在响应。目前针对不同研究目的、内容和要求，国际上已经开发了多种土壤碳循环的模型，模型的类型从相关关系模型到机理过 程模型，也有基于实测数据和遥感数据的模型。尽管统计分析是土壤碳库评价 中最小化空间变异性的可行方法，但模型却可以将剖面数据外推到相似的土壤 和生态区域，解决尺度转换问题。然而，这些研究采用了较为复杂的过程模型， 需要进行大量的模拟运算，对诸如地理信息系统和计算机系统的要求很高。模 型方法最大的限制性因素是缺乏大量相关和连续观测数据，使模型的参数化和 初始化更加困难。随着实验方法的改善，科学家们通过积累大量土壤碳动力学 的信息，改善土壤碳模型，以提高管理土壤有机碳库的能力。 ４．２．４相关关系统计法 计算土壤碳蓄积量还有多种方法，例如森林类型、土组、气候参数等。其 中，相关关系统计法主要是通过分析土壤有机碳蓄积量与采样点的各种环境变 量、气候变量和土壤属性之间的相关关系，建立一定的数学统计关系，从而实 现在有限数据基础上计算土壤有机碳蓄积量的目的。土壤有机碳蓄积量的地理 格局和土壤形成因子之间的关系可以通过比较土壤碳和母质、土壤理化性质、 地形、植被和气候的空间分布，从而得到土壤有机碳含量与形成影响因素之间 的空间相关关系。气候和植被在较大范围内影响土壤有机质的分解和积累，而 土壤质地在局部范围内影响有机质含量，由于土壤有机质的含量与质地有着明 显的相关关系，例如粘质土和粉质土壤通常比砂质土壤含有更多的有机质，同时 也有科学家研究过有机质、容重和质地之间的回归函数关系，发现质地或其他 属性也是土壤容重的重要调控因素，所以通过质地来辅助估算土壤有机碳含量 也是减少不确定性的一个方法。然而，寒冷地区土壤Ａ层粘粒含量和碳量之间 不一定存在明显的关系，而海拔高度和年均降水量与有机碳含量之间表现出较 好的正相关关系（相关关系系数为０．８８，ｎ＝１３０）。因为一些土壤深度低于１ｍ，一 些大于ｌｍ，甚至达到２ｍ，所以深度在计算土壤碳库总量中非常重要。建立土 壤有机碳含量与降水、温度、土壤厚度、质地、海拔高度、容重之间的相关关 系是普遍采用的一种方式，然而它们的相关关系并非普遍适用，在不同的地方 主要控制因素也是不同的，各种相关性表现不一，因此所确定的统计关系需要 得到检验和验证，才能在本区域上应用，而且由于该种方法不能解释土壤有机碳蓄积量积累或释放的过程、机理、形成与影响因素，也使其应用面受到了限制。４．３麦积区土壤有机碳密度和储量的估算４．３．１麦积区各土层土壤有机碳的密度 由于排除了面积因素的影响而以土体体积为基础来计算，土壤碳密度成为 评价和衡量土壤中有机碳储量的一个极其重要的指标。根据本章４．１节中所描 述的土壤有机碳密度的计算方法得出麦积区土种的不同深度土壤有机碳密度。 ２０ｃｍ和１００ｃｍ深的土壤有机质数据的采集因分了多个土层，因此，土壤有机 碳的密度按照土壤类型法中的步骤４．１和４．３进行计算。根据土壤有机质含量的 加权平均和土层深度的加权平均，容重值取各土种的平均容重，经过计算得出 各土种的有机碳密度值，经面积加权平均得到各土壤类型的有机碳密度均值（见 表４．１）表４．１天水麦积区各类土壤有机碳密度（ｋｇ?ｍ之）Ｔａｂ．４．１ Ｓｏｉｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｉｎＭａｉｊｉ Ｃｉｔｙ＜ｋｇ。ｍ喵）利用Ｍａｐｇｉｓ６．７中属性挂接将各土种的有机碳密度属性与土壤图挂接，根 据不同等级的密度划分，分别绘制出二次普查时５ｃｍ、２０ｃｍ、ｌｍ以及２００８年 ２０ｃｍ深的土壤有机碳密度的空间分布图。如图４．１～４．４所示：困４．１ ｏ｛ｃｍ土壤有机蒜的密度（１９８１年）Ｆ培．４１Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆｓｏｉｌｏｒｇＪｎｋ∞ｒｂｏｎｄｅｎｓｉ时ｉｎ Ｏ－￥ｅｍｌａｙｅｒ（１９８１ｙｅａ哪圈４．２０－２０ｃｍ土壤有机碳的密度（１９８１年） Ｆ嘻４２Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙｉｎＯ－２０ｃｍｌａｙｅｒ（１９８１ ｙｅａｒｓ）髓ｏ耥㈣燃一黼㈣｝｜燃幽Ⅲ ０麓。一图４．３ １００ｃｍ深土壤有机碳的密度（１９８１年）》ｒｉ９４．３Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙｉｎｌ００ｃｍｌａｙｅｒ（１９８１ ｙｅａｒｓ）苎童堡些盔耋垫：２堡堡圭主些耋苎田４．４２００８年０－２０ｅｒａ土壤有机碳的密度Ｆｉｇｅ４．４Ｄｈｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｔｌｅｍ时ｂ ０－２０ｃｍｌａｙｅｒ（２００８ｙｅａｒｓ）根据表４．１可得二次土壤普查时麦积区土壤表层５ｃｍ深平均有机碟密度为０９２ｋｇｍｏ，耕层２０ｅｒａ深平均有机碳密度为３．３１ｋｇ?ｍ４，ｌｍ深平均有机碳密