王曉 于兵 李繼紅

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

土地利用和土地覆被變化(LUCC)，是以社會經(jīng)濟為前提，地表生態(tài)系統(tǒng)分布格局因人類經(jīng)營活動而變化的過程[1-2]。自19世紀以來，人類活動對土地資源開采和利用日益頻繁，改變土地表面分布類型和組成方式，影響植被的類型和凋落物數(shù)目以及土壤有機質(zhì)輸入和分布[3-4]，導致土壤有機碳儲量發(fā)生改變，影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。土地利用和土地覆被變化最早出現(xiàn)在1992年聯(lián)合國發(fā)布“21世紀議程”上[5]，隨著土地利用和土地覆被變化不斷延伸和展開，發(fā)現(xiàn)工業(yè)革命以來，土地利用和土地覆被變化是繼化石燃料后，對二氧化碳溫室氣體排放第二人為因素[6-7]。

關(guān)于土地利用和土地覆被變化對土壤有機碳儲量的影響，已有較多研究成果[8-13]，從不同角度、不同時間間隔，闡述了各自研究區(qū)域土壤有機碳儲量變化和影響土壤有機碳儲量變化的影響因素。但多集中在全球或者國家較大規(guī)模進行研究，并且主要是通過已有經(jīng)驗數(shù)值進行模型估算。然而實際的土壤有機碳密度不是恒定值，運用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進行土地利用和土地覆被對區(qū)域碳循環(huán)計算，容易差異較大；而且不同時間尺度，區(qū)域土壤有機碳儲量受到影響因素作用也不同。為此，本研究以大慶地區(qū)土地利用和土地覆被變化、土壤有機碳為研究對象，以2019年為研究時間結(jié)束節(jié)點，分別以10 a的短期時間間隔、35 a的較長期時間間隔，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的空間分析方法，分析土地利用和土地覆被變化對土壤有機碳儲量的影響；結(jié)合地理探測器與地理信息系統(tǒng)，分析土壤有機碳儲量的各個影響因素之間關(guān)系；旨在為大慶地區(qū)土地利用格局優(yōu)化和土地資源最大生態(tài)經(jīng)濟效益開發(fā)規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為大慶市，是中國最大的石油石化城市，位于黑龍江省西南部的松遼盆地，地理坐標：北緯45°46′～46°55′，東經(jīng)124°19′～125°12′。大慶地區(qū)總面積21 219 km2，人口約320萬人。大慶地區(qū)地處北溫帶大陸性季風氣候區(qū)，受蒙古內(nèi)陸冷空氣和海洋暖流季風的影響，冬季寒冷有雪、春秋季風多；年平均氣溫4.2 ℃，年均無霜期143 d，年日照時間2 726 h；年降水量350～550 mm。研究區(qū)土壤以草甸土為主，其次是草甸黑鈣土和草甸風沙土，還有少量鹽化黑鈣土和草甸黑土。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

大慶地區(qū)1984、2009、2019年衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的陸地衛(wèi)星TM影像，空間分辨率30 m，所選的衛(wèi)星圖像的云層覆蓋度均小于10%。根據(jù)國土資源部土地使用狀況分類標準(GB/T 21010—2017)，并結(jié)合大慶地區(qū)當?shù)貙嶋H生態(tài)環(huán)境，將土地類型分類為：耕地、林地、草地、建筑用地、水域、鹽堿地、沼澤。

土壤數(shù)據(jù)主要通過現(xiàn)場采樣獲取(見圖1)。按照土地利用類型采集土樣，每一類型至少選取5個采樣點，采樣深度(h)取3個土層深度，分別為0

圖1 研究區(qū)采樣點設(shè)置

氣溫、降水數(shù)據(jù)來自中國氣象局(http://www.cma.gov.cn/)和中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)；大慶地區(qū)各縣市的人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、石油產(chǎn)量，來自大慶地區(qū)相應(yīng)年份的大慶各政府公開的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公告、大慶統(tǒng)計年鑒。

2.2 遙感影像處理

使用地理信息系統(tǒng)軟件對預處理后的大慶地區(qū)遙感數(shù)據(jù)進行矢量化。通過目視解譯，對影像的形狀、大小、色調(diào)、質(zhì)地等直接顯示特征進行區(qū)別分類，將數(shù)據(jù)歸類為林地、草地、建筑用地、水域、農(nóng)田、沙地、鹽堿地、沼澤。目視解譯結(jié)果需要野外調(diào)查進行檢驗，隨機選取目視解譯不同土地類型，對其經(jīng)緯度及顯著地物進行標注，根據(jù)記錄的經(jīng)緯度，利用GPS到達實際所在的目標點，對其進行判讀，根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果對目視解譯結(jié)果進行校準；然后，使用地理信息系統(tǒng)軟件的空間分析中疊加分析，獲得大慶地區(qū)1984—2019年(較長期)、2009—2019年(短期)動態(tài)變化的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

2.3 土地利用和土地覆被變化評價模型

先將不同時間間隔的土地覆被變化簡單地計算面積變化，然后加入多種參數(shù)計算特定的土地覆被類型增量和減量的差異，定量表示出大慶地區(qū)短期10 a內(nèi)和較長期35 a土地類型變化的方向。

土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣，可直觀反映不同時期各個土地利用和土地覆被之間轉(zhuǎn)移情況，定量展示土地利用和土地覆被變化的數(shù)量特征和方向；應(yīng)用土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣，分析大慶地區(qū)1984—2019、2009—2019年變化情況，數(shù)學模型為：

式中：M為土地利用和土地覆被類型面積；n為土地利用和土地覆被類型數(shù)目；i、j分別為特定研究時間的開始和終止時的土地利用和土地覆被類型。

土地覆被動態(tài)指數(shù)(k)[14]，表示特定土地覆被類型面積變化幅度，計算公式為k=[(Ub-Ua)/(Ua×T)]×100%。式中的Ua、Ub分別為研究時間間隔開始和結(jié)束時特定土地覆被類型的面積；T為研究時間間隔。

土地覆被變化重要指數(shù)[15]，表示在某一時間段內(nèi)，土地覆被類型變化面積中占主導類型，計算公式為：Di=Ai/A、A=∑Ai，i=1、2、…、n。式中的Di為第i種土地覆被變化重要指數(shù)；Ai為第i種土地覆被類型面積變化；A為某一時間內(nèi)所有土地覆被變化面積總和。

土地覆被變化貢獻指數(shù)，由兩部分組成：特定土地覆被類型轉(zhuǎn)變成其他類型(Zo)、其他土地覆被類型轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟愋?Zin)。主要表示在研究時間間隔中，目標土地覆被類型主要轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)入目標覆被類型的主導類型。計算公式為Zo=∑i∑j(Sij/St)、Zin=∑i∑j(Tij/Tt)，i=1、2、…、n，j=1、2、…、n。式中：Sij為研究對象的土地覆被類型i轉(zhuǎn)變成其他土地覆被類型j的面積；Tij為其他土地覆被類型j轉(zhuǎn)入研究對象的土地覆被類型i的面積；St、Tt分別為對象的土地覆被類型轉(zhuǎn)出的總面積和其他類型轉(zhuǎn)入研究對象的土地覆被類型的總面積。

2.4 土壤有機碳變化評價方法

2019年，大慶地區(qū)土壤樣品通過2 km×2 km的網(wǎng)格，利用網(wǎng)格中心作為預采點。為了便于數(shù)據(jù)對比，預采點要滿足1984年全國第二次土壤普查中大慶地區(qū)測樣點不超過500 m范圍的條件進行采集；通過GPS定位土樣樣本點的經(jīng)緯度以及高程值，并且布設(shè)以S型進行采樣點標記；采集5個點，并且每5個點混為一種樣本編號；采樣時避開建設(shè)用地和水體，對耕地、林地、沙地、鹽堿地、沼澤等同一種土地覆被采集不少于3塊樣地，并且使用環(huán)刀在0

土壤有機碳取決于不同土地類型所占的面積、單位面積的土壤有機碳密度[16]，土壤有機碳密度(E)單位通常用kg/m2表示，計算公式為E=h×wc×ρ。式中：h為土層厚度(單位為cm)；ρ為土壤密度(單位為g/cm3)；wc是土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)(單位為g/kg)。

2.5 土壤有機碳儲量計算方法

土壤有機碳儲量是一定區(qū)域內(nèi)土壤含有有機碳的總質(zhì)量[17-18]。根據(jù)定義，碳儲量計算是不同土地利用和土地覆被類型面積與該類型土壤有機碳密度乘積[19]，以土地利用和土地覆被變化、土壤有機碳密度為研究對象，分析兩者對土壤有機碳儲量的貢獻。

(1)當土壤有機碳儲量變化受到土地利用和土地覆被、土壤有機碳密度影響時，總的土壤有機碳儲量計算公式為CE=∑i(Si2Ei2-Si1Ei1)，i=1、2、…、n。式中：CE為土壤有機碳儲量變化量；Si1、Si2分別為土地利用和土地覆被類型i研究時間開始時的面積、研究時間結(jié)束時的面積；Ei1、Ei2分別為土地利用和土地覆被類型i研究時間開始時的土壤有機碳密度、研究時間結(jié)束時的土壤有機碳密度。

(2)假設(shè)每一種土地利用和土地覆被的土壤有機碳密度，在研究時間段內(nèi)保持不變，土壤有機碳儲量效應(yīng)只受到土地利用和土地覆被面積變化影響，則計算公式為：CE1=∑i[(Si2-Si1)Ei1]，i=1、2、…、n。式中CE1為土壤有機碳儲量變化量(只考慮土地利用和土地覆被面積變化)。

(3)假設(shè)土地利用和土地覆被面積不會發(fā)生變化，土壤有機碳儲量只受到土壤有機碳密度變化影響，則計算公式如下：CE2=∑i[(Ei2-Ei1)Si1]，i=1、2、…、n。式中CE2為土壤有機碳儲量變化量(只考慮土壤有機碳密度變化)。

(4)土地利用和土地覆被面積變化對土壤有機碳儲量變化的貢獻率(RS)、土壤有機碳密度變化對土壤有機碳儲量變化的貢獻率(RE)，計算公式為：RS=[CE1/(CE1+CE2)]×100%、RE=[CE2/(CE1+CE2)]×100%。

用q(X1)、q(X2)代表影響因素X1和X2的空間分異性影響程度，然后計算X1、X2兩個因素之間交互時的q值，記作q(X1∩X2)。將這三者的q值進行比較，如果兩因素交互值比兩個單因素值都要小，則說明兩個因素交互后線性減弱；如果交互值大于兩個單因素最小值，但小于兩個單因素的最大值，則說明單因素非線性減弱；如果交互值比兩個單因素任何一個最大值都大，則說明交互后雙線性增強；如果滿足q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2)條件，則說明兩個因素相互獨立；如果滿足q(X1∩X2)>q(X1)+q(X2)條件，則說明兩個因素交互后非線性增強。

大慶地區(qū)不同時間點的土壤有機碳儲量有所不同，出現(xiàn)這種變化主要因素分為兩類：一類是社會因素，即人口(X1)、地區(qū)GDP(X2)、地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)值(X3)、地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)值(X4)、地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)值(X5)、原油產(chǎn)量(X6)；另一類是自然因素，即氣溫(X7)、降水(X8)。本研究運用地理探測器，將大慶地區(qū)的土壤有機碳儲量作為評價目標(Y)，分析不同影響因素類型對大慶土壤有機碳儲量的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 大慶地區(qū)土地利用和土地覆被變化特征

在2009—2019年中，大慶地區(qū)建筑用地、林地、水域、鹽堿地增加，草地、農(nóng)田、沙地、沼澤減少(見表1)。2019年與2009年相比，建筑用地、林地、水域、鹽堿地面積增加了，草地、農(nóng)田、沙地、沼澤地面積減少了。在這十年間，沙地變化幅度最大，其動態(tài)指數(shù)為2.51%；其次是林地，動態(tài)指數(shù)為1.58%；變化幅度最小的土地類型是農(nóng)田，為0.01%。說明大慶地區(qū)在這一時間段中，草地是比較活躍的土地覆被類型，參與到其他類型轉(zhuǎn)換。并且林地面積增加，表明近年來植樹造林工程取得了初步成效。1984—2019年，大慶地區(qū)35 a與近10 a變化有所不同，建筑用地、林地、農(nóng)田、沙地、鹽堿地面積增加，草地、水域、沼澤面積減少，其中沙地土地覆被類型動態(tài)指數(shù)為21.63%，說明這段時間段內(nèi)沙地變化幅度最大，其他土地覆被類型變化比較小。

表1 1984—2019年大慶地區(qū)土地利用和土地覆被變化

由表1可知，耕地在這3個時期仍然占據(jù)主導地位，占比分別為35.57%(1984年)、42.15%(2009年)、42.12%(2019年)；其次是草地、開闊水域，在1984年占比較高，分別為23.97%、12.51%；最低土地覆被類型占比是沙地，3個時間段都位于少于1%的水平。大慶地區(qū)在1984—2019年35 a內(nèi)，建筑用地、林地、開闊水域、鹽堿地、沙地增加；其中沙地增加速率最快，與1984面積相比，2019年沙地增加了8倍；其次是鹽堿地和林地。減少速度最快是沼澤，為48.74%，其次是草地。雖然沙地變化幅度最大，但在這35 a間，占主導地位是沼澤，沼澤地損失了143 882 hm2(重要指數(shù)為68%)；其次是耕地，耕地增加了138 617 hm2(重要指數(shù)為65%)。說明在1984—2019年間，土地覆被流失最嚴重的是沼澤地，面積增加最多是耕地。大慶地區(qū)在2009—2019年內(nèi)，建筑用地、林地、開闊水域、鹽堿地增加，其中林地增加較快，為15.79%。在這10 a內(nèi)，草地減少占主導地位(重要指數(shù)為34%)，說明草地減少是10 a內(nèi)主要的變化特征。結(jié)合35 a時間尺度可見，建筑用地、林地是增加趨勢，草地、沼澤是減少趨勢；在這期間，雖然沙地增加速度較大，但在最近10 a內(nèi)得到了有效防范，扼制其增加勢頭。

由于每個土地覆被類型變化幅度和比例，會因為時間尺度不同而不同，為分析土地類型增加或減少的原因，本研究進行土地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出貢獻分析。草地在近10 a內(nèi)減少了6.18%，由表2可見：在轉(zhuǎn)入土地覆被類型中，農(nóng)田、鹽堿地占總轉(zhuǎn)入類型72.91%，最少的是沙地(占0.01%)；在轉(zhuǎn)出土地覆被類型中，草地主要轉(zhuǎn)向農(nóng)田，其次是轉(zhuǎn)向鹽堿地。這表明，農(nóng)田、鹽堿地是草地動態(tài)變化主要參與者，相比而言，沙地對草地變化影響甚微。并且，草地近35 a面積減少了104 510 hm2，這與近10 a趨勢相近。在轉(zhuǎn)出土地覆被類型中，農(nóng)田是草地類型主要轉(zhuǎn)出方向，這與大慶地區(qū)人為開墾農(nóng)田有關(guān)。雖然這期間，也有其他類型對草地補給，但補給量小于減少量，草地在1984—2019年間減少了20.63%面積，在大慶地區(qū)草地仍然處于減少趨勢。

表2 不同時間尺度大慶地區(qū)土地覆被類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出比例

林地是大慶地區(qū)10 a增加面積最多的土地覆被類型，在林地動態(tài)變化中，主要參與的土地覆被類型是農(nóng)田、草地，由農(nóng)田轉(zhuǎn)入林地占總68.5%、由林地轉(zhuǎn)出到農(nóng)田占總75.72%，由草地轉(zhuǎn)入林地占總24.17%、由林地轉(zhuǎn)出草地占總16.89%。這說明農(nóng)田、草地是林地增加主要因素，對大慶地區(qū)固碳有很大積極作用。林地在1984—2019年中，面積增加了26 513 hm2。在轉(zhuǎn)入方向上，49.31%草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀?8.05%農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，這說明，在近35 a中草地、農(nóng)田是林地主流方向。但是，這也是轉(zhuǎn)出林地類型的主要方向，這說明，林地與草地、農(nóng)田動態(tài)變化中，林地土地覆被類型增加對大慶地區(qū)固碳有積極作用。耕地在2009—2019年間總體上保持不變，在轉(zhuǎn)入土地覆被類型中，草地、林地為主要貢獻者，兩者共占轉(zhuǎn)入耕地的76.83%。與此同時，農(nóng)田主要轉(zhuǎn)向草地、林地，達到了動態(tài)平衡。雖然農(nóng)田在10 a間減少甚微，但其中是復雜的排碳和吸碳的交互過程。但農(nóng)田在這35 a中，增幅比較明顯，土地覆被變化重要指數(shù)(65.30%)僅次于沼澤的(67.78%)，與沼澤一起起著重要作用。農(nóng)田主要來源于草地，有156 521 hm2面積草地補給了農(nóng)田，占農(nóng)田總轉(zhuǎn)入變化的59.69%，說明農(nóng)田主要擴張對象是草地，草地是農(nóng)田增加主要因素。

3.2 大慶地區(qū)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)及密度變化特征

應(yīng)用SPSS23.0軟件對不同土地覆被類型的2019年土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)進行單因素方差分析，不同采樣深度對土壤有機碳影響不大，差異性不顯著，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)在10～20 g/kg之間。由表3可見：在0

表3 大慶地區(qū)6種土地覆被類型不同采樣深度土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)

大慶地區(qū)的土壤有機碳密度，在1984—2019、2009—2019年不同時間尺度，變化速率也不同。由表4可見：耕地、林地、草地、沙地、鹽堿地、沼澤的土壤有機碳變化，在不同時間間隔的速率變化幅度和方向都具有差異；耕地、林地、草地、沼澤在1984—2019年內(nèi)是減少狀態(tài)，其中，沼澤減少幅度最大(達0.19 kg·m-2·a-1)。變化速率，草地的土壤有機碳密度趨近于不變，但在以2019年為節(jié)點10 a尺度時，即2009—2019年間，均由減少變?yōu)樵黾?；沼澤相對?009年時期恢復速度最快(為0.35 kg·m-2·a-1)；沙地、鹽堿地在近35 a間是增加狀態(tài)，分別為0.07、0.40 kg·m-2·a-1，但在近10 a增加態(tài)勢轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少。在同一時期，1984—2019年，鹽堿地速率變化幅度最大，草地速率變化幅度最低；2009—2019年，沼澤速率變化幅度最大，林地速率變化幅度最低，這說明，雖然以2019年為時間結(jié)果節(jié)點，但以35、10 a時間尺度去比較，同一土地覆被類型的土壤有機碳密度變化速度方向和大小均不一樣，也證明了土壤有機碳密度并不是穩(wěn)定不變或勻速變化。

表4 大慶地區(qū)6種土地利用和土地覆被類型不同時間尺度的土壤有機碳密度變化速率

以大慶地區(qū)0

圖2 大慶地區(qū)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)垂直結(jié)構(gòu)分布

3.3 大慶地區(qū)土壤有機碳儲量變化

利用地理信息系統(tǒng)軟件中疊加分析，獲得大慶地區(qū)1984—2019、2009—2019年土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣為Si2-Si1的差值；通過野外采集大慶地區(qū)的土樣，將測得數(shù)據(jù)整理后賦給Ei1、Ei2，代入計算公式，分別獲得大慶地區(qū)近35 a和近10 a的土壤有機碳儲量變化、土地利用和土地覆被變化貢獻、土壤有機碳密度變化貢獻等數(shù)據(jù)。由表5可見：在1984—2019年，土壤有機碳儲量減少了1.19×1010kg；在2009—2019年，土壤有機碳儲量增加了8.06×109kg。

表5 大慶地區(qū)6種土地利用和土地覆被類型不同時間尺度的土壤有機碳儲量變化

大慶地區(qū)在近35 a內(nèi)，草地、沼澤土地覆被類型是導致土壤有機碳儲量減少的主要因素。其中，草地因土地覆被和土壤有機碳變化，排放出2.03×1010kg碳，草地面積銳減是主要原因(貢獻率91.08%)，草地的土壤有機碳密度減少貢獻率為8.92%；沼澤地因土地覆被和土壤有機碳密度變化，排放出5.56×1010kg碳，與草地因素相似，沼澤地面積減少占主導因素(貢獻率65.57%)；草地和沼澤當中，土地覆被面積減少與其土壤有機碳密度減少，都是該類型土壤有機碳儲量減少的原因。林地、耕地土地覆被面積，在固碳作用上起到了重要作用，貢獻率分別為144.90%、196.00%；耕地施肥，在一定程度上增加土壤碳質(zhì)量分數(shù)，讓農(nóng)作物吸收起到固碳成效；大慶地區(qū)自1990年起的植樹造林工程起到了初步生態(tài)效應(yīng)，不僅使林地面積得到了擴增，還促進了林地土壤有機碳密度得到了提升。

應(yīng)用地理探測器對大慶地區(qū)不同時間尺度的土壤有機碳的影響因素進行了分析，利用q值表示不同影響因素對土壤有機碳儲量影響程度。在1984年，影響力最大是氣溫(q值達到了98.70%)，說明氣溫是該時間的影響土壤有機碳儲量的主導因素；其次是降水(q值達到了84.90%)；以人口、石油產(chǎn)量等社會人文因素影響力相對較低(q值為10.30%)；表明在1984年，大慶地區(qū)初期，社會因素影響程度低，土壤有機碳儲量主要受氣溫、降水的自然因素影響。在2009年，降水成為大慶地區(qū)土壤有機碳儲量減少主要原因，影響力是99.40%；其次是氣溫(q值達到了93.70%)；社會人文因素影響力是8.63%；說明2009年，由原來的氣溫主導因素變成了降水為主導因素，自然因素依然是大慶地區(qū)的土壤有機碳儲量的主要因素。2019年，社會人文因素仍然保持較低的影響力水平(q值為8.63%)，同時降水的影響力降到了68.80%，氣溫的影響力降到了87.80%，氣溫占土壤有機碳儲量的主要因素。

不同的影響因素之間交互作用，對評價目標的影響顯著性不同[21]。在大慶地區(qū)實際情況中，土壤有機碳儲量不可能受單一影響因素影響，而是受到自然地理因素和人文社會因素多種因素相互復雜結(jié)合對土壤有機碳產(chǎn)生作用[22]。本研究運用地理探測器分析各種影響因素之間交互關(guān)系。由表6可見：1984年，不同影響因素關(guān)系，大部分都是雙因子增強，即兩種影響因素交互后，對土壤有機碳儲量的影響力有增強作用；但人口與其他社會人文因素交互后，對評價目標影響力有所下降。2019年，大慶地區(qū)不同影響因素交互關(guān)系，與1984年結(jié)果分析一致。2009年，降水與其他影響因素交互后，增強程度比1984年表現(xiàn)的更強，對土壤有機碳儲量影響力有所提升。這表明，大慶地區(qū)土壤有機碳儲量影響不是單一獨立的，有減弱或增強，多種影響因素復雜的疊加，產(chǎn)生不同的地區(qū)土壤有機碳儲量。

表6 大慶地區(qū)對土壤有機碳儲量影響因素在不同時間的交互作用

4 討論

本研究以大慶全地區(qū)為研究范圍，以2019年為時間結(jié)束節(jié)點，分別以近10 a和近35 a不同的時間尺度，分析不同土地利用和土地覆被類型變化，發(fā)現(xiàn)不同土地利用和土地覆被之間是處于動態(tài)變化中，并且流向不是簡單單向，而是復雜多向變化。耕地面積在這3個時間點都處于主導地位，這與東北三省“產(chǎn)量基地”背景密不可分。在1984—2019年間，耕地面積增加了138 617 hm2，處于增長態(tài)勢，最大的來源是草地，占總轉(zhuǎn)入面積的59.69%；這反應(yīng)大慶地區(qū)近35 a耕地開辟主要對象是草地，并且耕地在這期間與1984年相比，土壤有機碳密度減少了0.051 kg/m2，耕地的肥力有所下降。以2009年為時間開始點，發(fā)現(xiàn)耕地面積處于動態(tài)平衡中，變化幅度不大，這與國家2009年頒布“保護耕地紅線”政策有關(guān)；大慶地區(qū)的耕地面積已經(jīng)基本處于耕地紅線范疇中，在這10 a，耕地沒有明顯增加或減少，與此同時，大慶倡導輪作種植方式，土壤有機碳密度比2009年有所回升。草地，無論是在近10 a，還是近35 a，都是在不斷減少，草地連年的減少主要原因還是耕地開墾；根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣發(fā)現(xiàn)，近10 a占草地轉(zhuǎn)出面積的41.27%，并且近35 a占草地轉(zhuǎn)出面積的53.22%；這說明草地轉(zhuǎn)出主要流向是農(nóng)田。大慶地區(qū)土壤有機碳密度，因土地利用和土地覆被類型不同而不同，介于9.00～29.89 kg/m2之間，在解憲麗等[19]研究的中國土壤有機碳密度0.27～53.46 kg/m2區(qū)間內(nèi)；大慶地區(qū)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)，呈現(xiàn)出東北高、西南低的空間趨勢，與孫維俠等[23]調(diào)查研究東北三省總體趨勢相符合。大慶地區(qū)，總體上土壤有機碳儲量比全國平均值偏高，這與該地區(qū)處于廣袤松嫩平原有關(guān)，植被凋落物更容易堆積在土壤表層，使其周圍有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增高，土壤表層腐殖質(zhì)累積更加明顯；同時，大慶地區(qū)多濕地的景觀特征，以草本沼澤為代表的濕地，土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)在不同時間尺度中，都略高于其他土地覆被類型。

利用地理信息系統(tǒng)軟件疊加分析，獲得大慶地區(qū)1984—2019年和2009—2019年土地利用和土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣；通過土壤有機碳儲量計算發(fā)現(xiàn)，大慶地區(qū)在在1984—2019年土壤有機碳儲量減少了1.19×1010kg，而在2009—2019年土壤有機碳儲量增加了8.06×109kg。雖然以同一個時間為結(jié)束點，但是不同時間點作為開端，得到的土壤有機碳儲量變化也不同。大慶地區(qū)在近35 a內(nèi)，草地、沼澤土地覆被類型是土壤有機碳減少的主要因素，其中草地因土地覆被和土壤有機碳變化，排放出2.03×1010kg碳。而在近10 a內(nèi)，林地、耕地、鹽堿地是土壤有機碳儲量增加主要原因，其中，林地類型土壤有機碳增加了2.56×109kg，林地面積占主導地位(貢獻率93.83%)。應(yīng)用地理探測器對大慶地區(qū)不同時間尺度的土壤有機碳的影響因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)不同影響因素在不同時間對大慶地區(qū)土壤有機碳影響程度也不同；在1984年，影響力最大是氣溫(達到了98.70%)；在2009年，降水成為大慶地區(qū)土壤有機碳儲量主要原因，影響力是99.40%；在2019年，降水的影響力降到了68.80%，氣溫的影響力降到了87.80%。利用地理探測器的交互分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳儲量不是受單一因素影響，而是受到自然地理因素和人文社會因素多種因素相互復雜結(jié)合對土壤有機碳產(chǎn)生作用。

5 結(jié)論

大慶地區(qū)的土地利用和土地覆被，因不同時間尺度變化的強度和方向而有顯著不同，并且不同土地利用和土地覆被之間流動方向是復雜的過程。

大慶地區(qū)土壤有機碳，經(jīng)歷了由減少到回升的變化曲線。經(jīng)過單因素方差分析得出，0～20 cm土層的土壤有機碳變化，與不同土地利用和土地覆被類型有顯著性差異，表層土壤有機碳更容易受到土地利用和土地覆被變化的影響，并且土壤有機碳密度也會因時間尺度不同有所區(qū)別。

1984—2019年土壤有機碳儲量損失了2.03×1010kg，但2009—2019年土壤有機碳儲量增加了2.56×109kg，并且影響因素復雜結(jié)合作用于土壤有機碳儲量變化中。