黄土高原地区基于Meta分析的地形调控土地利用方式转化对土壤有机碳的影响

Effects of Terrain on Soil Organic Carbon in Response to Land-Use Conversion Based on Meta-Analysis in the Loess Plateau

摘要: 在地形条件极其复杂的黄土高原地区，土地利用方式转化和地形位置均是影响土壤有机碳的重要因素，但是在该区域地形如何调控土地利用方式转化对土壤有机碳的影响目前尚不清楚。本研究综合黄土高原地区土地利用方式转化[农田转化为林地(NW)、农田转化为草地(NG)、农田转化为果园(NO)]和地形位置条件(沟道、塬面、坡地)对土壤有机碳影响的研究论文，利用Meta分析技术，研究土地利用方式转化后土壤有机碳在不同地形位置条件下如何分布。研究结果显示：土地利用方式转化对土壤有机碳影响显著，基本呈现出NW > NG > NO的趋势，NW、NG和NO导致土壤有机碳的增加量在0~20 cm土层内依次为46.9%、26.5%和6.1%；在20~40 cm土层，NW条件下土壤有机碳的增加量为34.4%，NG条件下土壤有机碳的增加量为12.3%，NO条件下土壤有机碳的增加量为4.9%；NW、NG和NO在40~100 cm土层内对土壤有机碳的影响不显著。土地利用方式转化后，土层深度也是影响土壤有机碳的一个重要因素，土壤有机碳的增加量呈现出随着土层深度的增加而减少的趋势，且在0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层内，土壤有机碳分别增加了33%、20.4%和19.7%。此外，土地利用方式转化后土壤有机碳的增加量基本呈现出沟道大于坡地大于塬面的趋势。在0~20 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道位置条件下高达59.2%，在塬面位置条件下仅为17.1%，而在坡地位置条件下为29.1%；在20~40 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道和坡地位置条件下依次为37.1%和24.0%；在40~100 cm土层，土壤有机碳的增加量仅在沟道位置条件下影响显著。因此，在黄土高原地区，除了土地利用方式和土层深度以外，地形位置条件也是影响土壤有机碳的一个重要因素。

Abstract: In the Loess Plateau with extremely complex terrain conditions, land-use changes and terrain location are important factors affecting soil organic carbon, but how terrains to regulate the effect of land-use changes on soil organic carbon is still unclear. Our studies collected the papers related to the effects of land-use changes [cropland conversing into woodland (NW), cropland conversing into grassland (NG), cropland conversing into orchard (NO)] and terrain location (gully, tableland, and slope) on soil organic carbon in Loess Plateau for studying the distribution of soil organic carbon under different terrain conditions after land-use changes by using meta-analysis. The results showed that: land-use changes patterns had a significant impact on soil organic carbon, showing a trend of NW > NG > NO. NW, NG and NO increased soil organic carbon by 46.9%, 26.5% and 6.1% in 0~20 cm soil depth; in 20~40 cm soil depth, soil organic carbon increased by 34.4% under NW condition, 12.3% under NG condition and 4.9% under NO condition; the effects of NW, NG and NO on soil organic carbon in 40~100 cm soil depth were not significant. Soil depth was also an important factor affecting soil organic carbon in response to land-use changes, and the increase of soil organic carbon showed a trend of decreasing with the increase of soil depth, with soil organic carbon increasing by 33%, 20.4% and 19.7% in 0~20 cm, 20~40 cm and 40~60 cm soil depths, respectively. In addition, the increase of soil organic carbon in response to land-use changes showed a trend that the increase of soil organic carbon in gullies was greater than that in slope land, and was greater than that in tableland. In the 0~20 cm soil depth, soil organic carbon increased 59.2% in the gully position, 17.1% in the table land position, and 29.1% in the slope position; in the 20~40 cm soil depth, soil organic carbon increased by 37.1% and 24.0% in the gully and slope position, respectively; in the 40~100 cm soil depth, the increase of soil organic carbon was significant only under the gully position. Therefore, in addition to land-use changes and soil depth, terrain location is also an important factor affecting soil organic carbon in the Loess Plateau.

1. 引言

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库，据估计全球0~100 cm土层内的土壤有机碳储量大约为1500 Gt，且土壤有机碳库是植被碳库(560 Gt)的3倍和大气碳库(760 Gt)的2倍 [1] [2]。因此，土壤有机碳库的微小变化将会对大气二氧化碳浓度产生显著的影响，进而会对全球气候变化产生重要的影响 [3]。大量的研究结果显示，土壤有机碳储量的变化与气候 [4]、植被类型或者土地利用方式转化 [5] [6]、土壤母质 [7]、人类管理措施 [8]、地形 [9] [10] 等因素密切相关。

黄土高原地区，地形破碎、沟壑纵横，水土流失严重，生态环境极其脆弱，为了抑制水土流失和恢复生态环境建设，“七五”期间和1999年前后在该区域先后进行了小面积的“小流域综合治理”和大面积“退耕还林还草”工程措施，而这些措施实施以后，黄土高原的植被覆盖率由治理前的31.6%提高到现在的65%，水土流失状况和生态环境得到显著的改善 [11] [12]。已有的Meat分析结果显示，大面积的土地利用方式转变(农田转化为林地和草地)后显著增加了了黄土高原地区的土壤有机碳储量 [5] [6]，但是这些整合分析均没有考虑地形因素对土壤有机碳的制约作用。地形因素是影响土壤有机碳的一个重要因素 [10] [13]，地形控制着地区的水土流失状况 [14] [15]，支配着地区水热资源的空间分布 [16] [17]，决定着地区植被群落的空间配置 [18] [19]，最终导致不同地形部位的土壤有机碳储量差异显著 [9] [10] [13]。因此，不考虑地形因素对土壤有机碳储量的制约作用将会高估或者低估复杂地区的土壤有机碳储量 [10] [13]，这对准确估算复杂地形条件下的土壤有机碳储量具有重要的限制意义。在黄土高原地区，目前虽然已有大量的研究探究地形因素或者土地利用方式转化亦或二者交互作用对土壤有机碳的影响 [9] [20] [21]，但是至今没有研究综合考虑地形因素如何调控土地利用方式转化对土壤有机碳的影响，而这对准确理解黄土区的土壤有机碳储量具有重要的现实意义。基于此，本研究收集了黄土高原地区有关土地利用方式转化–地形因素–土壤有机碳含量之间相互关系的科研论文，利用Meta分析进一步探讨地形因素如何调控土地利用方式转化对土壤有机碳的影响，以期为准确理解地形复杂地区的陆地生态系统碳循环理论提供重要的理论支撑和现实意义。

2. 材料方法

2.1. 数据的收集

利用中国知网(CNKI)、万方、维普和Web of Science等中英文数据库，以“土地利用方式”、“植被恢复”、“退耕还林还草”、“地形”、“黄土高原”、“小流域综合治理”和“土壤有机碳”等为关键词，并将“土壤有机碳”与其它关键词依次进行组合，与此同时以“land-use”、“land-use conversion ”、“vegetation restoration”、“Grain-for-Green Program ”、“landforms”、“comprehensive management of small watershed”、“Loess Plateau”以及“soil organic carbon”等为关键词，并将“soil organic carbon”与其它关键词依次组合进行文献的检索，收集并筛选了黄土高原地区2020年10月份以前发表的有关“土地利用方式转化–地形位置条件–土壤有机碳”的相关研究论文进行Meta分析。

为达到本研究的目的和减少文献筛选带来的偏差，所筛选的文献必须满足以下几个条件：1) 试验中必须以农田组为对照组，以非农田组(林地、草地和果园)为处理组；2) 研究论文所提供的土壤有机碳数据必须有试验的重复数(至少可以从论文其它部分得知)、标准差或者标准误。基于以上筛选标准，最终获得符合要求的研究论文25篇，获取有效数据526对。同时，数据的预处理结果显示，土地利用方式转化后土壤有机碳影响的效应值呈现出正态分布格局(图1)，因此论文的数据结果是可信的，即不存在文献的偏倚 [22] [23]。

2.2. 数据处理

在获取数据的过程中，若已发表论文的数据以表格的形式呈现的话直接从表格中获取，若数据以图的形式呈现的话，则利用GetData Graph Digitizer 2.24软件(从官方网站免费下载：http://getdata-graph-digitizer.com)来获取相关数据。在提取数据的过程中，首先在Graph Digitizer 2.24软件的Graph界面对图中的坐标进行定义(Assign Coordinates)，然后在Graph Digitizer 2.24软件的Graph界面对图中的数据进行数字化(Digitize)，最后将数字化好的数据导入到数据库中即可。为了达到本研究的目的，本研究在获取土壤有机碳的同时还会获取经纬度、海拔、年均降雨量和平均气温、土地利用方式转化类型[农田转化为林地(NW)、农田转化为草地(NG)、农田转化为果园(NO)]、地形位置条件(塬面、坡地和沟道)。

Figure 1. Normal distribution of effect size for the effect of land-use changes on soil organic carbon

图1. 土地利用方式转化影响土壤有机碳效应值的正态分布图

如若研究论文提供的数据为标准误(SE)，则标准差(SD)可通过式(1)进行转换：

$SD=SE\sqrt{E}$ (1)

式中，N为试验重复次数。

Meta分析通过MetaWin 2.1软件(Sinauer Associates, Sunderland, USA)进行，需要输入的有效数据为处理组和对照组土壤有机碳的均值(Mean)、标准差(SD)和样本重复次数(N)、以及分类变量。在进行Meta分析时，同时需要引用效应值对试验数据进行量化。根据本试验所获取数据的特征，同时为提高效应值的准确性，本研究最终选取自然对数响应比( $\ln RR$ )来反映土地利用方式转化对土壤有机碳的影响程度 [22] [23]。

$\ln RR=\frac{\ln X_t}{\ln X_c}=\ln X_t-\ln X_c$ (2)

式中，RR为响应比， $\ln RR$ 为效应值， $X_t$ 非农田处理下(果园措施、林地措施和草地措施)的土壤有机碳均值， $X_c$ 为农田处理下的土壤有机碳均值。

利用MetaWin 2.1软件(Sinauer Associates, Sunderland, USA)首先得到每一对数据的效应值，然后利用MetaWin 2.1软件的随机效应模型计算合并效应值/平均加权响应比(RR++)以及其95%的置信区间(CI)，具体相关计算公式见参考文献 [24] [25]。RR++为正值则为正效应，RR++为负值则为负效应。若置信区间包括0，则说明土地利用方式转化对土壤有机碳没有显著影响(P > 0.05)；若置信区间全部大于0，则说明土地利用方式转化显著增加土壤有机碳(P < 0.05)；若置信区间全部小于0，则说明土地利用方式转化显著减少土壤有机碳(P < 0.05)。

同时，为了便于理解和描述，本研究通过下式计算土壤有机碳增加量的变化百分数 [26] [27]。

$土壤有机碳增加量=\left({\text{e}}^{RR++}-1\right)\times 100\%$ (3)

土地利用方式转化后，土地利用方式转化类型和地形位置条件对土壤有机碳的影响的相关图件利用SigmaPlot 10.0软件(Systat Software, Inc., San Jose, CA, USA)进行制作。

3. 结果分析

3.1. 土地利用方式转化类型对土壤有机碳的影响

土地利用方式转化类型是影响土壤有机碳的一个重要因素，在同一地形位置条件基本呈现出NW > NG > NO的趋势(图2)。在塬面地形条件下，NW、NG和NO导致土壤有机碳在0~20 cm土层分别增加

Figure 2. Effects of land-use change types on soil organic carbon. NW: Means cropland converting into woodland; NG: Means cropland converting into grassland; NO: Means cropland converting into orchard. The same as below

图2. 土地利用方式转化类型对土壤有机碳的影响。NW：农田转化为林地；NG农田转化为草地，NO农田转化为果园，下同

了50.6%、25.7%和1.6%；NW和NG在20~40 cm土层导致土壤有机碳分别增加了17.6%和10.8%，而NO导致土壤有机碳减少了2.8%；NW、NG和NO在40~100 cm土层对土壤有机碳的影响不显著，仍呈现出NW > NG > NO的趋势。

在坡地地形条件下，NW、NG和NO导致土壤有机碳在0~20 cm土层依次增加了39.3%、19.6%和8.4%；在20~40 cm土层，NW条件下土壤有机碳增加了34.3%，NG条件下土壤有机碳增加了10.7%，NO条件下土壤有机碳增加了16.7%；NW在40~60 cm土层导致土壤有机碳增加了38.1%，然而NG和NO对土壤有机碳的影响不显著；NW、NG和NO在60~100 cm土层对土壤有机碳的影响不显著。

在沟道地形条件下，在0~100 cm土层内均呈现出NW > NG的趋势。NW条件下的土壤有机碳在0~20 cm土层内的增加量高达64.0%，在NG条件下的增加量仅为52.2%；NW和NG条件下土壤有机碳的增加量在20~40 cm土层分别为42.0%和26.1%；在40~60 cm土层，NW和NG条件下土壤有机碳的增加量基本相等(26.5% vs. 27.5%)；在60~80 cm土层，土壤有机碳的增加量呈现出NG > NW的趋势(58.5% vs. 19.6%)；NW和NG条件下土壤有机碳的增加量在80~100 cm土层分别增加了26.6%和19.3%。

在不考虑地形条件的制约后，土壤有机碳的增加量基本呈现出NW > NG > NO的趋势，且这种影响仅仅在0~40 cm土层影响显著，在40~100 cm土层影响不显著(图2)。NW、NG和NO导致土壤有机碳的增加量在0~20 cm土层内依次为46.9%、26.5%和6.1%；在20~40 cm土层，NW条件下的土壤有机碳增加量为34.4%，NG条件下的土壤有机碳增加量为12.3%，NO条件下的土壤有机碳增加量为4.9%；NW、NG和NO在40~100 cm土层内对土壤有机碳的影响不显著。

3.2. 地貌类型对土壤有机碳的影响

除了土地利用方式转化类型以外，地形位置条件也是影响土壤有机碳增加量的一个重要因素，且土地利用方式转化后土壤有机碳的增加量基本呈现出沟道大于坡地大于塬面的趋势。在NO条件下，在0~100 cm土层内土壤有机碳的增加量基本呈现出坡地大于塬面的趋势，但影响不显著(图3)。例如，在0~20 cm土层，土壤有机碳的增加量在坡地条件下高达8.4%，但在塬面条件下仅为1.6%；在20~40 cm土层，土壤有机碳的增加量在坡地条件下为16.7%，但在塬面条件下却减少了2.8%。

在NG条件下，在0~20 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道位置条件下高达52.2%，在塬面位置条件下为25.7%，而在坡地位置条件下仅为19.6%；在20~40 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道、塬面和坡地位置条件下分别为26.1%、10.8%和10.7%；在40~100 cm土层，土壤有机碳的增加量在塬面和坡地位置条件下影响不显著，但在40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道位置条件下依次为27.5%、58.5%和19.3% (图3)。

在NW条件下，在0~20 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道位置条件下高达64.0%，在塬面位置条件下为50.6%，而在坡地位置条件下仅为39.3%；在20~40 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道、塬面和坡地位置条件下分别为42.0%、17.6%和34.3%；在40~60 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道和坡地位置条件下分别为26.5%、和38.1%，但在塬面位置条件下影响不显著；在60~80 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道为19.6%，但在塬面和坡地位置条件下影响不显著；在80~100 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道位置条件下为28.6%，但在坡地位置条件下影响不显著(图3)。

在不考虑土地利用方式转化影响的条件下，土壤有机碳的增加量基本呈现出沟道大于坡地大于塬面的趋势，且土壤有机碳的增加量在塬面位置条件下仅在0~20 cm土层内影响显著，在坡地位置条件下在0~60 cm土层内影响显著，但在沟道位置条件下在0~100 cm土层内均影响显著(图3，P < 0.05)。在0~20 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道位置条件下高达59.2%，在塬面位置条件下仅为17.1%，而在坡地位置条件下为29.1%；在20~40 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道和坡地位置条件下依次为37.1%和24.0%；在40~60 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道和坡地位置条件下差异较小(28.2% vs. 23.1%)；在60~80 cm和80~100 cm土层，土壤有机碳的增加量在沟道位置条件下分别为31.7%和23.6% (图3)。

Figure 3. The effect of terrain location on soil organic carbon

图3. 地形位置对土壤有机碳的影响

3.3. 土层深度对土壤有机碳的影响

除了地形位置条件和土地利用方式转化类型以外，土层深度也是影响土壤有机碳的一个重要因素，且土壤有机碳的增加量呈现出随着土层深度的增加而减少的趋势(图4)。土地利用方式转化后，在0~20 cm土层，土壤有机碳增加了33% (图4，P < 0.05)，在20~40 cm土层，土壤有机碳增加了20.4% (图4，P < 0.05)，在40~60 cm土层，土壤有机碳增加了19.7% (图4，P < 0.05)，在60~80 cm和80~100 cm土层，土壤有机碳仅仅增加了0.5%和2.9% (图4，P > 0.05)。

Figure 4. Effect of soil depth on soil organic carbon in response to land-use change

图4. 土地利用方式转化后土层深度对土壤有机碳的影响

4. 讨论

4.1. 土地利用方式转化类型对土壤有机碳的影响

整合分析研究结果显示，土地利用方式转化后土壤有机碳显著增加(4.9%~46.9%)，且增加的幅度呈现出NW > NG > NO的趋势(图2)。这是因为：1) 土地利用方式转化后输入到土壤中的凋落物 (地上和地下)数量显著增加，且研究结果显示NG条件下地下根系凋落物的输入量增加了58.5%，而NW条件下的地下根系凋落物输入量增加高达118.4% (图5)，这些输入到土壤中的凋落物有可能在土壤微生物的作用下经过腐殖化过程最终变成土壤有机碳而储存起来 [28] [29]；2) 土地利用方式转化后，NW或者NG

Figure 5. Effects of land-use change types on root litter

图5. 土地利用方式转化类型对根系凋落物的影响

会拥有更加复杂的群落结构、较高的生物多样性、较少的人为干扰以及较强的抵御不利环境因素干扰的能力，而这些因素均会间接地导致土壤有机碳储的量增加 [30] [31]；3) 不同土地利用方式下的生物化学性质不同，一般而言林地和草地措施下的地下根系凋落物的木质素含量要高于相应农作物的地下根系凋落物的木质素含量，而凋落物的生物化学性质也是影响土壤有机碳积累的一个重要因素 [27] [32]；4) 与农田措施相比较而言，NW和NG由于具有较大的植被覆盖度以及较少的人为干扰可以显著的减少水土流失，进而减少因径流和泥沙的迁移和搬运造成的土壤有机碳的流失 [33] [34]。

4.2. 地形位置对土壤有机碳的影响

土地利用方式转化后，土壤有机碳因地形部位发生显著改变，且土壤有机碳的增幅呈现出沟道位置大于坡地位置和塬面位置的趋势(图3)，这可能与沟道位置承接大量的来自塬面和坡地的径流和泥沙，而土壤表层的土壤有机碳会伴随着径流和泥沙的迁移最终在沟道位置进行沉积和富集 [14] [15] [34] [35]，这可以被沟道位置的土壤水分含量和根系凋落物远远大于相应坡地位置的土壤水分含量和根系凋落物所佐证(图6)。例如，无论是在草地措施还是农田措施下，整个剖面内(0~100 cm)土壤水分含量均呈现出沟道位置条件大于坡地位置条件的趋势(图6)。较好的土壤水分条件有利于植被的生长 [36]，因此植被的地下根系凋落物在整个剖面(0~100 cm)也基本呈现出沟道位置条件大于坡地位置条件的趋势(图6)，而土壤水分和植被类型均是影响土壤有机碳的重要因素 [36] [37]。

Figure 6. Effects of terrain location on soil moisture content and root litter

图6. 地形位置条件对土壤水分含量和根系凋落物的影响

4.3. 土层深度对土壤有机碳的影响

除了土地利用方式转化类型和地形位置条件以外，土层深度也是影响土壤有机碳增加量的一个重要因素，且基本呈现出随着土层深度的增加而减少的趋势，这可能与不同土层深度内的根系生物量和土壤水分含量、土壤微生物数量和土壤养分含量等因素的差异有关：1) 根系生物量和土壤水分含量 [9] [38]，大量的研究表明根系生物量和土壤水分含量随着土层深度的增加而呈现出减少的趋势 [9] [38] [39] [40]，且整合分析研究结果表明根系生物量和土壤水分含量的增加量也均基本呈现出随着土层深度的增加而减少的趋势(图7)；2) 土壤微生物数量 [41]，例如在黄土高原的一个典型人工刺槐林内，土壤微生物数量(放线菌、真菌和细菌)均随着土层深度的增加而呈现出减少加的趋势，且表层(0~20 cm)放线菌的数量分别是中层(20~50 cm)和底层(50~90 cm)放线菌数量的3倍和24倍，表层真菌的数量分别是中层和底层真菌数量的2倍和7倍，表层细菌的数量分别是中层和底层细菌数量的18倍和185倍 [42]；3) 土壤养分含量 [43]，例如在黄土高原一个不同林龄的典型人工刺槐林内，土壤全氮、土壤全磷和土壤全钾均呈现出随着土层深度的增加而减少的趋势 [40]。除了上述因素以外，不同土层深度内的土壤温度 [44]、土壤理化性质 [45]、土壤氧气含量 [42] 的差异也可有可能是导致不同土层深度上土壤有机碳增加量不同的原因之一，具体原因有待进一步的试验进行佐证。

Figure 7. Effects of soil depth on soil moisture content and root litter

图7. 土层深度对土壤水分含量和根系凋落物的影响

5. 结论

整合分析研究结果表明，在黄土高原地区，土地利用方式转化后土壤有机碳显著增加(4.9%~46.9%)，且增加量呈现出NW > NG > NO的趋势。此外，土地利用方式转化后土壤有机碳的增加量受到地形位置条件的限制，土壤有机碳的增加量呈现出沟道位置大于坡地和塬面位置的趋势，且不同土层深度的土壤有机碳增加量呈现出随着土层深度的增加而减少的趋势。

基金项目

国家自然科学基金项目(41801069；4190010300)；陕西省科技计划项目(2018JQ3023；2019JQ-895)；宝鸡文理学院博士科研启动费(ZK2017041)；北京市农林科学院杰出科研人才引进青年英才项目和北京市退化土地生态系统修复成效长期定位监测站建设(KJCX20200302)；陕西省社会科学基金项目(2019E007)；北京市农林科学院创新能力建设专项(KJCX20170301)。

NOTES

^*通讯作者。