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中国沙漠, 2022, 42(5): 221-231 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00041

科尔沁沙地沙漠化过程中土壤有机碳含量变化特征及影响因素

闫蒙,1, 王旭洋,2, 周立业,1, 李玉强2

1.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院 奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

Characteristics and influencing factors of soil organic carbon in the process of desertification in Horqin Sandy Land

Yan Meng,1, Wang Xuyang,2, Zhou Liye,1, Li Yuqiang2

1.Inner Mongolia Minzu University，Tongliao 028000，Inner Mongolia，China

2.Naiman Desertification Research Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

通讯作者: 周立业（E-mail： toni2002@126.com）王旭洋（E-mail： xuyangwang@lzb.ac.cn）

收稿日期: 2022-01-23   修回日期: 2022-03-17  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  32001214
内蒙古自治区重点研发和成果转化计划项目.  2022YFDZ0028
中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室开放课题.  KLDD-2020-008

Received: 2022-01-23   Revised: 2022-03-17  

作者简介 About authors

闫蒙（1997—），男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要从事草地生态学研究E-mail：ymeng324@163.com , E-mail：ymeng324@163.com

摘要

科尔沁沙地是中国半干旱地区沙漠化发展的典型地区和沙漠化防治的重点区域。本研究以科尔沁沙地为研究区域，以沙漠化逆转不同阶段的沙地为研究对象，通过野外调查和室内分析，采用空间代替时间的方法，在区域尺度上探讨了土壤有机碳对沙漠化过程的响应规律，并结合气候、植被和地形因子阐释了该区域土壤有机碳空间变异的主导因素。结果表明：（1）土壤有机碳含量随沙漠化程度的加剧表现出疏林草地（未沙漠化）>固定沙地（轻度沙漠化）>半固定沙地（中度沙漠化）>半流动沙地（重度沙漠化）>流动沙地（极重度沙漠化）。（2）固定沙地、半固定沙地、半流动沙地和流动沙地土壤有机碳密度分别比疏林草地降低了29.1%、49.3%、62.9%和84.1%。（3）随着沙漠化的发展，土壤质地发生粗化现象，即中、细砂粒含量明显增加，而土壤细颗粒（极细砂和黏粉粒）含量明显下降。（4）科尔沁沙地沙漠化过程中，土壤黏粉粒的损失是土壤粗化、有机碳含量下降的主要原因，而pH的变化受沙漠化影响较小。（5）气候因子是导致SOC含量受经纬度影响的主要因素，而地形因子的影响次之。

关键词： 土壤有机碳 ; 科尔沁沙地 ; 沙漠化 ; 区域尺度 ; 主成分分析

Abstract

Horqin Sandy Land is a typical area for the development of desertification and a key area for desertification control in semi-arid areas of China. This study takes Horqin Sandy Land as the study area， takes sandy land at different stages of desertification reversal as the research object， and adopts the method of space instead of time through field investigation and indoor analysis. on the regional scale， the response law of soil organic carbon to desertification process was discussed， and the dominant factors of spatial variation of soil organic carbon in this region were explained with climate， vegetation and topographic factors. The results show that： （1） with the aggravation of desertification， the content of soil organic carbon shows as follows： sparse forest grassland （non-desertification） > fixed sandy land （mild desertification） > semi-fixed sandy land （moderate desertification） > semi-mobile sandy land （severe desertification） > mobile sandy land （extreme sandy desertification）. （2） compared with sparse forest grassland， the soil organic carbon density of fixed sandy land， semi-fixed sandy land， semi-mobile sandy land and mobile sandy land decreased by 29.1%， 49.3%， 62.9% and 84.1%， respectively. （3） with the development of desertification， the soil texture coarsening phenomenon occurred， that is， the content of medium and fine sand significantly increased， while the content of soil fine particles （ultra-fine sand and clay） decreased significantly. （4） in the process of desertification in Horqin sandy land， the loss of soil clay particles is the main reason for the coarsening of soil and the decrease of soil organic carbon content， while the change of pH is less affected by desertification. （5） Climate factor is the main factor that leads to the influence of longitude and latitude on SOC content， while topography factor takes the second place.

Keywords： soil organic carbon ; Horqin Sandy Land ; desertification ; regional scale ; principal component analysis

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本文引用格式

闫蒙, 王旭洋, 周立业, 李玉强. 科尔沁沙地沙漠化过程中土壤有机碳含量变化特征及影响因素. 中国沙漠[J], 2022, 42(5): 221-231 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00041

Yan Meng, Wang Xuyang, Zhou Liye, Li Yuqiang. Characteristics and influencing factors of soil organic carbon in the process of desertification in Horqin Sandy Land. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(5): 221-231 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00041

0 引言

土地沙漠化是人地关系不协调导致的在干旱、半干旱及部分半湿润地区以风沙活动为主要标志的土地退化过程［1］，分布广泛、危害严重、威胁人口众多，受到了社会和学术界的广泛关注［2-3］。土壤碳库是评价土地退化程度的重要指数，由有机碳（SOC）和无机碳（SIC）库组成，其中SOC是全球碳循环的重要组成部分，调节着陆地生态系统的平衡［4-5］。SOC主要由动植物残体、根系分泌物等有机物质的分解形成，既是植物养分循环的焦点，又可以维持和巩固土壤结构，而且会影响土壤侵蚀潜力和水分分布［6］。据不完全统计，在全球范围内大约1 550 Pg碳以有机质的形式储存于土壤中，大约是植物碳储量的3倍，是大气碳储量的2倍［7-8］。土壤有机碳库拥有如此巨大的储量，使得其微小的变化都会引起全球气候的波动。因此，SOC库在全球碳平衡中具有十分重要的作用。

目前，关于沙漠化过程中SOC的变化特征及演变规律已有不少研究。刘树林等［9］对浑善达克沙地沙漠化过程中土壤粒度与养分变化关系研究表明，沙漠化土地表层土壤中SOC含量与土壤黏粒含量和粗粉沙含量之间存在很好的相关性，尤其与土壤黏粒含量的相关性非常高；马建业等［10］通过分析毛乌素沙地逆转过程中土壤颗粒固碳效应发现，土壤颗粒均表现出显著的固碳效应，且以砂粒和粉粒为主要固碳组分；赵哈林等［11］为了了解呼伦贝尔沙质草地沙漠化过程中土壤理化特性的变化规律，调查分析了不同类型沙漠化草地土壤理化特性的差异和变化特征，发现随着沙漠化的发展SOC含量明显下降，并且与土壤黏粉粒含量、土壤硬度显著正相关。然而，前人的研究结果大多建立在点尺度上，样地之间距离较小，无法考虑到不同沙漠化阶段样点之间SOC的空间异质性，缺乏从区域尺度揭示沙漠化过程中SOC的演变规律，因此有关沙漠化过程中SOC含量区域尺度的变化特征及其影响机制有待进一步研究。

科尔沁沙地位于半干旱农牧交错区东端，水热条件相对比较优越，近年来，由于气候变化及人类不合理地过度利用，该地区的顶极植被群落类型——疏林草原植被遭到严重破坏，造成了不同类型、不同程度的土地沙漠化［1］，许多学者围绕科尔沁沙地沙漠化在土壤碳、氮分布［12］、植物-土壤系统碳氮储量动态［13］等方面进行了大量的研究，然而对于科尔沁沙地在沙漠化过程中SOC含量在区域尺度变化特征及其影响因素方面的研究较少。因此本研究从区域尺度出发，以科尔沁沙地不同沙漠化阶段的土壤为研究对象，通过野外调查取样，利用空间序列代替时间演替的方法，选取不同沙漠化阶段（疏林草地、固定沙地、半固定沙地、半流动沙地、流动沙地）的土壤，分析沙漠化过程对SOC含量的影响，探究SOC变化特征及其影响机制，以期为科尔沁沙地恢复治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

研究区位于科尔沁沙地核心区（42.3°—44.5°N、118.5°—123.5°E，海拔180—650 m），是典型的半干旱区域，总面积约5.06万km2，属于大陆性半干旱、半湿润季风气候，年平均气温5.8—6.4 ℃，年降水量343—451 mm，其中70%集中于夏季，年蒸发量1 500—2 500 mm。年平均风速3.5—4.5 m·s-1，春季平均风速4.2—5.9 m·s-1，风速≥17 m·s-1的大风日数25—40 d，其中沙尘暴天气10—15 d，主要出现在春季。土壤类型以栗钙土、黑钙土和风沙土为主，地貌以平缓的流动沙丘、半流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘与丘间甸子地镶嵌分布为特征。植被以沙生植物为主，主要植物种包括黄柳（Salix gordejevii）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）、差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）、猪毛菜（Salsola collina）、白草（Pennisetum centrasiaticum）、马唐（（Digitaria sanguinalis）等［14］。

1.2　研究方法

1.2.1　样地选择

该地区气候变化和人类不合理的土地利用方式导致土地沙漠化加剧。基于当前科尔沁沙地沙漠化程度分类图［15］以及根据地上植被群落特征和盖度等，将该区域退化过程分为疏林草地（未沙漠化）、固定沙地（轻度沙漠化）、半固定沙地（中度沙漠化）、半流动沙地（重度沙漠化）以及流动沙地（极重度沙漠化，表1），采用空间代替时间的研究方法，以经度相隔10′和纬度相隔5′的经纬度线的交叉点作为调查点，在不同沙漠化阶段的疏林草地、固定沙地、半固定沙地、半流动沙地和流动沙地分别设置调查样点20、88、47、47、19个，共设置样点221个 （图1）。

表1   科尔沁沙地沙漠化程度划分标准［16］

Table 1  Division standard of desertification degree in Horqin Sandy Land［16］

沙漠化程度裸沙面积占比/%植被盖度/%
轻度沙漠化<5>60
中度沙漠化5—2530—60
重度沙漠化25—5010—30
极重度沙漠化>50<10

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图1

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图1   样点分布

Fig.1   Sample distribution


1.2.2　土壤样品采集

2021年8—9月，在科尔沁沙地不同沙漠化阶段的每个采样点，随机设置3个5 m×5 m的小样方，分别在5 m×5 m样方内按“五点取样法”选取5个钻点，用直径2.5 cm的土钻取样，分0—10、10—20 cm两层，每个小样方内5个点相同层次的土样均匀混合组成1个混合样，每一小样方获得2个混合样品（每土层1个），每一位点3个小样方计6个混合样。同时在每个样方中用环刀（100 cm3）分层（0—10、10—20 cm）取原状土，测定不同土层土壤的容重。

1.2.3　土壤样品测定及计算

土壤在自然状态下风干，过2 mm土壤筛，并去肉眼可见根和除枯枝落叶等杂物，测定土壤基本理化性质。土壤有机碳（SOC）用重铬酸钾-硫酸外加热法；全氮（TN）用半微量凯氏定氮法；全磷（TP）采用硫酸-高氯酸消煮，钼锑抗比色法；土壤容重（SBD）采用烘干法测定，土壤样品在105 ℃烘干至恒重，测定干土的质量［17］：

SBD=(M2-M1)/V

式中：SBD为土壤容重（g·cm-3）；M1为铝盒的重量（g）；M2为铝盒+烘干土质量（g）；V为环刀容积（cm3）。

土壤有机碳（SOC）密度公式如下：

SOCD=∑i=1mSOCiSBDiDi

式中：SOCD是土壤有机碳密度（kg·m-2）；SOCi 是第i层的土壤有机碳含量（g·kg-1）；SBDi 是第i层的土壤容重（g·cm-3）；Di 是第i层的土层厚度（m）；m是土层的数量［18］。

土壤pH值用Multiline P4 pH探头（水∶土=2.5∶1）测定；土壤电导率用Multiline P4电导率探头（水∶土=5∶1）测定，土壤机械组成采用湿筛法［17］测定，粒级及分类见表2［19］。

表2   土壤粒级

Table 2  Soil particle size

粒径/mm分类
2.00—0.50粗砂
0.50—0.25中砂
0.25—0.10细砂
0.10—0.05极细砂
<0.05黏粉粒

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1.2.4　环境因子数据获取

环境因子包括气象因子、地形因子及植被指数，其中气象因子包括年降水量、年积温、生长季（5—9月）平均气温和生长季降水量，由中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）收集；地形因子包括高程、坡度、地面粗糙度和剖面曲率，来自航天飞机雷达地形任务数字高程模型（DEM；https：//www2.jpl.nasa.gov/srtm/）；植被指数包括归一化植被指数（NDVI）和增强植被指数（EVI），通过卫星遥感数据中提取（https：//modis.gsfc.nasa.gov/）。使用ArcMap GIS软件10.7版将所有环境变量统一转换为空间分辨率为500 m的栅格数据。

1.3　数据分析

采用SPSS26.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）分析比较不同土层SOC在不同沙漠化阶段的差异（α=0.05），采用Pearson相关系数法确定各因子间相关关系，采用主成分分析法对相关土壤因子及环境因子进行分析，采用一元线性回归分析法分析SOC与土壤各主要理化性质之间的相关性。

2 结果与分析

2.1　沙漠化过程同一土层土壤有机碳含量特征

在沙漠化过程中，除流动沙地下层（10—20 cm）土壤中SOC含量略高于上层（0—10 cm）外，其他均为上层SOC含量高于下层，且上下两层土壤SOC含量均呈显著性差异（P<0.05，图2）。同一土层土壤SOC含量均随沙漠化程度的加剧而降低，0—10 cm土层中，不同沙漠化阶段有机碳含量差异显著（P<0.05）；10—20 cm土层中，疏林草地SOC含量显著高于其他阶段（P<0.05），但半固定沙地与半流动沙地土壤SOC含量无显著差异（P>0.05）。0—10 cm土壤上层SOC含量占整个剖面（0—20 cm）SOC含量的47.7%—68.6%。此外，SOC含量在疏林草地0—10 cm土层土壤达到最大值，为8.42 g·kg-1，在流动沙地0—10 cm土层土壤降至最低，为0.42 g·kg-1。

图2

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图2   同一土层深度土壤有机碳含量沿沙漠化程度分布特征

不同大写字母表示同一沙漠化阶段不同土层间差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一土层不同沙漠化阶段间差异显著（P<0.05）

Fig.2   Distribution characteristics of soil organic carbon content along desertification degree at the same soil layer depth


2.2　不同沙漠化阶段SOC密度

在科尔沁沙地沙漠化过程中，SOC密度随沙漠化程度的加剧呈下降趋势，且不同沙漠化阶段SOC密度差异显著（P<0.05，图3），其中顶极植被群落的疏林草地SOC密度最高，为2.15 kg·m-2，而发生极重度沙漠化的流动沙地SOC密度最低，仅为0.34 kg·m-2。

图3

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图3   土壤有机碳（SOC）密度随沙漠化过程变化特征

不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著

Fig.3   Variation characteristics of soil organic carbon （SOC） density with desertification process


2.3　土壤因子相关指标及与土壤有机碳含量相关关系

除流动沙地外，同一沙漠化阶段土壤全氮含量（STNC）和土壤全磷含量（STPC）均为上层土壤（0—10 cm）高于下层土壤（10—20 cm），其中疏林草地0—10 cm土层的全氮含量和全磷含量均最高，分别为0.91 g·kg-1和0.20 g·kg-1，并且均随沙漠化程度的加深而降低，除半流动沙地和流动沙地外，其他均呈现显著性差异（P<0.05，表3）。土壤容重随沙漠化程度的加深而增大，但同一土层所有沙漠化阶段均无显著性差异（P>0.05）。固定沙地两个土层的pH值均最高；土壤电导率随着沙漠化程度的加深而降低，疏林草地和固定沙地两个土层土壤电导率显著高于其他沙漠化阶段（P<0.05）；土壤粗砂粒和中砂粒含量均为半固定沙地与半流动沙地最高，而细砂粒为流动沙地最高且显著高于其他沙漠化阶段（P<0.05），土壤极细砂粒与黏粉粒随沙漠化程度的加深而减少，并且除半固定沙地与半流动沙地外，上层土壤极细砂粒与黏粉粒均高于下层土壤，流动沙地细砂粒显著高于其他沙漠化阶段（P<0.05）。

表3   不同沙漠化阶段不同土层土壤因子相关指标

Table 3  Relevant indicators of environmental factors of different soil layers in different desertification stages

土壤因子

土层深度

/cm

沙漠化阶段
疏林草地固定沙地半固定沙地半流动沙地流动沙地
土壤全氮含量/(g·kg-1)0—100.91±0.11a0.60±0.04b0.33±0.14c0.15±0.06d0.07±0.01d
10—200.37±0.05a0.27±0.01b0.17±0.07c0.12±0.07d0.06±0.01d
土壤全磷含量/(g·kg-1)0—100.20±0.01a0.15±0.04b0.11±0.03c0.09±0.02d0.06±0.02d
10—200.15±0.01a0.10±0.03b0.08±0.02bc0.07±0.02c0.06±0.01c
土壤容重/(g·cm-3)0—101.61±0.06a1.63±0.06a1.64±0.07a1.63±0.06a1.64±0.04a
10—201.64±0.06a1.66±0.04a1.66±0.07a1.67±0.06a1.67±0.03a
pH值0—107.02±0.69ab7.21±0.69ab6.80±0.61ab6.72±0.54b6.90±0.66ab
10—207.07±0.47b7.59±0.84a7.09±0.67b6.88±0.61b6.90±0.71b
电导率/(μS·cm-1)0—1042.38±4.71a39.17±3.87a27.18±4.20b19.55±3.88c13.82±1.32d
10—2036.20±2.50a37.41±5.44a25.19±5.53b21.70±3.79bc17.20±5.03c
粗砂/%0—101.29±0.33b1.39±0.40b2.10±0.40a1.90±0.42a0.58±0.36c
10—201.27±0.46ab1.18±0.44ab2.01±0.31a2.18±0.93a0.75±0.12b
中砂/%0—1014.36±3.57b18.02±3.23a20.74±2.86a19.62±2.85a9.54±2.08c
10—2016.23±3.87b17.48±1.33b23.82±5.31a19.26±4.27b9.25±1.13c
细砂/%0—1045.43±7.38e51.70±7.83d57.40±8.07c64.60±7.99b72.61±8.87a
10—2054.02±2.54b56.07±5.55b59.02±6.44b60.40±6.01b74.70±7.22a
极细砂/%0—1016.97±3.01a13.47±3.01b9.52±2.81c6.62±2.18d7.28±2.26d
10—2014.49±3.72a11.27±2.51b9.54±1.38b7.64±1.36b7.31±1.90b
黏粉粒/%0—1021.20±3.52a17.11±4.01b11.69±3.45c6.79±2.53d9.43±2.44c
10—2014.89±3.90a12.04±3.34b8.20±2.61c5.97±2.20c6.02±2.14c

不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。

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不同土层SOC含量与全氮含量、全磷含量均呈极显著相关关系（P<0.01，表4），土壤电导率仅与0—10 cm土层SOC含量呈极显著负相关关系（P<0.01）；不同土层SOC含量与土壤pH值无显著性相关关系（P>0.05）；0—10 cm土层SOC含量与电导率呈极显著相关关系（P<0.01）；土壤容重仅与10—20 cm土层SOC含量存在极显著相关关系（P<0.01）；土壤细砂、极细砂及黏粉粒仅与0—10 cm上层土壤SOC含量呈显著负相关关系（P<0.05）。这说明科尔沁沙地不同沙漠化阶段0—20 cm土层SOC含量的改变依赖于全氮、全磷含量的变化，以及由于沙漠化程度的加重导致的土壤机械组成变化。

表4   不同土层土壤有机碳与土壤因子相关性

Table 4  Correlation between soil organic carbon and environmental factors in different soil layers

土层深度/cm土壤全氮含量土壤全磷含量土壤容重pH值电导率粗砂中砂细砂极细砂黏粉粒
0—100.883**0.784**-0.0460.020.511**-0.020-0.089-0.389**0.320**0.586**
10—200.503**0.411**-0.097**-0.080.051-0.053-0.102-0.0450.1020.147

**P<0.01。

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2.4　影响土壤有机碳含量的土壤因子

本研究通过主成分分析提取影响科尔沁沙地不同沙漠化阶段土壤各层SOC的主要土壤因子（表5）。结果显示，0—10 cm土层中，影响科尔沁沙地不同沙漠化SOC含量土壤因子的第1、2、3主成分累计贡献率达到72.835%；10—20 cm土层中，第1、2、3主成分累计贡献率达到67.193%，能反映土壤因子对SOC影响效应的大部分信息。0—10 cm土层第1主成分主要受土壤全氮、全磷、电导率、细砂、极细砂以及黏粉粒的影响，累计解释变量为42.148%，第2主成分主要受粗砂和中砂的影响，累计解释变量为62.223%，第3主成分主要受pH值的影响，累计解释变量为72.835%；10—20 cm土层第1主成分与土壤全氮、全磷、极细砂有较大的相关性，累计解释变量为34.755%，第2主成分主要受中砂和细砂的影响，累计解释变量为54.515%。

表5   不同土层土壤有机碳与土壤因子主成分（ F ）分析

Table 5  Principal component analysis of soil organic carbon and environmental factors in different soil layers

变量0—10 cm10—20 cm
F1F2F3F1F2F3
土壤全氮含量0.853-0.166-0.2990.807-0.254-0.142
土壤全磷含量0.897-0.110-0.2610.801-0.105-0.226
土壤容重-0.1070.4310.032-0.0590.2870.547
pH值0.5100.0890.8160.6070.0040.577
电导率0.791-0.0350.3400.632-0.2110.535
粗砂0.1360.814-0.1250.1500.7540.113
中砂0.0130.865-0.052-0.1000.840-0.040
细砂-0.777-0.5330.117-0.628-0.7050.237
极细砂0.732-0.0720.1580.755-0.0250.074
黏粉粒0.793-0.271-0.2510.642-0.027-0.450
特征值4.2152.0081.0613.4751.9761.268
解释变量/%42.14820.07510.61234.75519.76112.678
累计解释变量/%42.14862.22372.83534.75554.51567.193

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2.5　不同土层土壤有机碳含量一元线性回归模型

基于单变量一元回归分析，可得出不同土层主要土壤影响因子与SOC含量的一元线性回归方程（表6）。两个垂直土层SOC含量均与全氮、全磷呈极显著正相关关系（P<0.01），能解释0—10 cm土层中SOC含量的77.8%的变异，其中电导率与SOC含量拟合R2 最大（0.995），除此之外，10—20 cm土层SOC含量与土壤容重亦呈极显著相关关系（P<0.01），其中全氮与SOC含量拟合R2最大（0.363）。

表6   不同土层土壤有机碳含量与土壤因子的一元线性回归方程

Table 6  Univariate linear regression equation between soil organic carbon content and soil factors in different soil layers

土层深度/cm回归方程R2FP
0—10y=8.595STNC+0.1180.778484.174<0.01
y=45.435STPC-0.0740.612218.398
y=0.011EC+0.1260.99548.399
y=-0.088Fsa+0.9540.14524.465
y=0.162Vfs+0.2730.09615.647
y=0.255Scl+0.1300.33971.625
10—20y=15.193STNC+0.1540.36379.598
y=37.905STPC+0.1210.23944.452
y=-0.147SBD+0.692-0.0020.659

y，土壤有机碳；STNC，土壤全氮含量；STPC，土壤全磷含量；EC，电导率；Fsa，细砂粒；Vfs，极细砂粒；Scl，黏粉粒；SBD，土壤容重。

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2.6　影响土壤有机碳含量的环境因子

通过主成分分析提取影响科尔沁沙地不同沙漠化阶段土壤各层SOC的主要环境因子（表7）以从区域尺度分析影响科尔沁沙地SOC的环境因素。结果显示，0—10 cm、10—20 cm 土层主成分中大于1的特征值成分有4个，累计解释变量分别为78.743%、78.603%，能反映不同沙漠化土层 SOC的绝大部分信息。两个土层的第1主成分均主要受经度、高程、生长季平均气温以及NDVI均值影响，累计解释变量分别为36.112%和36.347%；第2主成分均主要受地面剖面曲率、地面粗糙度与坡度的影响，累计解释变量分别55.343%和55.721%；第3主成分均与纬度和生长季降水量的相关性最大，累计解释变量分别达69.579%和69.597%；第4主成分与年积温的相关性最大。

表7   不同土层土壤有机碳与环境因子主成分（ F ）分析

Table 7  Principal component analysis of soil organic carbon and environmental factors in different soil layers

变量0—10 cm10—20 cm
F1F2F3F4F1F2F3F4
纬度0.448-0.048-0.7910.3140.442-0.053-0.8230.188
经度0.9210.0240.0800.1230.9200.0490.0600.108
年降水量0.6450.2360.269-0.1680.6370.2570.277-0.106
年积温0.4800.1560.3670.4690.4960.1720.3090.453
高程-0.9260.0170.003-0.280-0.933-0.0050.041-0.238
地面剖面曲率-0.0730.802-0.1020.029-0.0910.798-0.1280.009
地面粗糙度-0.3100.8830.0590.206-0.3230.8720.0260.255
坡度-0.3980.8310.0290.162-0.4130.8170.0070.223
生长季平均气温0.720-0.0530.1300.4270.739-0.0370.0750.380
生长季降水量0.192-0.1110.917-0.1150.204-0.0840.928-0.030
生长季EVI均值0.6740.391-0.040-0.4820.6490.414-0.024-0.554
生长季NDVI均值0.7370.367-0.118-0.4540.7120.389-0.101-0.520
特征值4.6952.5001.8511.1914.7292.5151.8041.171
解释变量/%36.11219.23214.2369.16336.37419.34713.8769.006
累计解释变量/%36.11255.34369.57978.74336.37455.72169.59778.603

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3 讨论

3.1　不同沙漠化阶段土壤有机碳剖面分布特征及空间分布规律

SOC是土壤养分循环的核心，也是衡量土壤质量变化和肥力变化的重要指标［20］，本研究表明，科尔沁沙地同一沙漠化阶段SOC含量垂直分布特征主要表现为除流动沙地外，土壤上层（0—10 cm）SOC含量明显高于下层（10—20 cm），呈现明显的“表聚性”特征［21］，这与常帅等［22］对锡林郭勒草原土壤剖面SOC垂直分布及丁越岿等［23］就不同植被类型对毛乌素沙地SOC的影响研究结果一致。一方面可能是因为科尔沁沙地植物根系主要分布在土壤表层，同时土壤表层积累了大量的植物掉落物以及动物残体，而土壤表层SOC主要来源于植物根系分泌物、植物根系的腐殖质及枯枝落叶［21］，再加上土壤表层有适合微生物生存的良好的通气性、含水量以及土壤温度等环境因素，土壤微生物活动旺盛［24-25］，加速了地表掉落物及动植物残体的分解及腐殖化，使得土壤中的有机质含量增加，土壤容重降低，SOC含量不断累积；另一方面，随着土层深度的加深，土壤质地变得紧实，表层土壤的SOC向下迁移受到限制，使得下层土壤的SOC含量低于上层，但不同退化程度间SOC的降低幅度存在较大差异，由于流动沙地地表无结皮或只有物理性结皮，并且地表完全被流沙覆盖［26］，因此流动沙地上下两层土壤理化性质差异较小，SOC含量无显著差异。除此之外，其他沙漠化阶段SOC含量垂直分布差异可能与不同沙漠化阶段土壤有机质及地下根系的生物量分布差异有关，土壤表层中植物根系较为富集，能较好地吸收来自土壤微生物分解地表掉落物释放的养分，同时在疏林草地中，丰富的表层根系还可以截获水分，促进植被生长状况的正向循环，进一步增加凋落物及根系向土壤的营养输入［27-28］，从而对不同沙漠化阶段土壤剖面SOC含量造成影响。

3.2　不同沙漠化阶段土壤有机碳储量特征

土壤有机碳密度（SOCD）是指单位面积一定深度的土层中SOC的储量，是评价和衡量土壤中SOC储量的一个极其重要的指标［29］。本研究结果表明，在科尔沁沙地，随着沙漠化程度的增加SOCD呈现出降低的趋势，与阎欣等［30］就荒漠草原沙漠化对土壤物理和化学特性的影响的研究结果一致。科尔沁沙地沙漠化过程中，不同沙漠化阶段对应着适合本生境的典型群落类型［31］，其顶级群落疏林草地植物丰富度高，植被盖度大于90%，但随着沙漠化的加剧，原生地带性植物逐渐消退，植物群落组成结构趋于简单，植被盖度下降至0—10%［32］。首先导致地表凋落物减少，有机质无法滞留，从而直接降低了SOC的输入［33］，同时，土壤微生物作为土壤的重要组成部分，推动着土壤物质循环及能量流动，对SOC的形成与分解有着重要影响［34］，而SOC又可以作为底物，为微生物的生长和繁殖提供碳源［35］，沙漠化的加剧不利于土壤微生物的生长和繁殖，从而使SOC的积累能力减弱，导致SOCD降低。此外，土地沙漠化导致土壤的理化性质也发生变化（黏粒含量、土壤容重、土壤pH值等因素），而这些因素对SOCD的影响同样不可忽视。

3.3　不同沙漠化阶段科尔沁沙地土壤有机碳影响因素

SOC是当前全球变化和全球碳循环的研究热点，也是退化生态系统恢复重建研究的重要内容［36］，在全球变化的背景下，研究科尔沁沙地不同沙漠化阶段SOC含量并揭示其影响因素，有助于增加土壤碳截存，提高土壤质量，并且对沙漠化土地的生态恢复及环境治理具有重要的意义［37］。在本研究中，虽然科尔沁沙地不同沙漠化阶段SOC含量与土壤理化性质随土层深度的增加存在一定的差异性，但不同沙漠化阶段垂直剖面SOC含量与STNC、STPC均呈极显著相关关系（P<0.01），这与相关学者的研究结果一致［38-39］。原因可能是沙漠化程度越低，地表植被覆盖度越高，局部区域风沙活动越弱，大气降尘沉积积累，同时生物小循环过程旺盛，地表枯落物在腐烂分解的过程中土壤有机质含量增加［40-41］，使得STNC、STPC及SOC含量增加。

土壤容重是土壤基本物理性质，可以反映土壤的通气、透水以及松紧程度，也是评估SOC贮量的重要参数［42-43］。本研究发现，在科尔沁沙地沙漠化过程中，上层土壤（0—10 cm）SOC含量与土壤容重无显著相关关系，但下层土壤（10—20 cm）SOC含量与土壤容重呈极显著负相关关系（P<0.01），即下层土壤容重越大，SOC含量越少。这可能是由于随着土层深度的增加，土壤通气性变差，导致土壤容的增加，而土壤容重的增加会使土壤微生物因氧气供给受限而活动性减弱［23，44］，从而造成土壤中有机质降低，SOC含量减少。而本研究中土壤容重仅与下层土壤（10—20 cm）显著相关，很可能是因为科尔沁沙地表层环境较适宜，微生物活性较强，土壤有机碳与土壤全氮及全磷的极显著相关关系可能掩盖了土壤容重对土壤有机碳累积的影响。

土壤机械组成代表了土壤质地的粗细，可以直接影响土壤的理化性质，是土壤最基本的物理性质［45］，且土壤机械组成比例能通过其化学保护机制降低SOC的分解速率并且促进土壤有机碳的固持［46］。在本研究中，科尔沁沙地土壤砂粒含量随沙漠化程度的加剧而增加，与SOC分布变化相反，土壤极细砂和黏粉粒含量则均随沙漠化程度的加剧而减少，与SOC含量变化特征相同，这与有关学者的研究一致［47-49］。表4中，0—10 cm土层SOC含量与土壤细砂粒呈极显著性负相关关系，与土壤极细砂和黏粉粒呈极显著正相关。在不同土层土壤粒径组成中，黏粉粒含量对SOC的影响最强，可作为衡量SOC含量的重要因素，这可能是因为黏粉粒颗粒较细，表面积较大，能暴露更多的正电荷位与土壤中带负电荷的腐殖质结合［50］，使得SOC更易与土壤颗粒中的粉粒结合，对土壤水分的有效性及植被生长产生影响，从而影响SOC分布［51］。

3.4　区域尺度科尔沁沙地土壤有机碳影响因素

气候和地形因子很大程度上决定着陆地植被生产力以及生物群落组成，而经纬度的不同会直接或间接地决定科尔沁沙地的降水、气温等气象因子以及土壤质地的空间异质性，土壤质地的不同也会对土壤的水、肥、 气、热的分配与循环有不同程度的作用［52］，从而影响植被生长与SOC的矿化，进而对生态系统SOC的空间格局进行调控。主成分分析结果表明，经纬度、气候（生长季平均气温、年降水量、年积温）、地形（地面剖面斜率、地面粗糙程度、坡度、高程）以及植被覆盖状况均对科尔沁沙地SOC含量空间格局有不同程度的影响，其中经纬度和地形是最重要的影响因素。在科尔沁沙地区域尺度上，气温和降水均随经纬度的变化具有较为明显的空间分布特征，气温和降水决定着不同地理位置的水热条件，科尔沁沙地植被空间分布也因此不同［53］。本研究结果显示，降水对科尔沁沙地SOC的影响较气温更为显著，这与李妙宇等［54］的研究结果相似，降水作为干旱半干旱地区唯一土壤水分来源，限制着植被的生产力，较高的降水量会增加植被生产力，从而使地上植被和地下根系生物量增加，土壤微生物活性也随之提高，有机质分解速率也因此加快［55］。

除气候因子外，地形因子也显著影响着科尔沁沙地植被及SOC含量，其中高程直接或间接影响着生态系统SOC含量，随着高程的增加，气温也会随之降低，限制植被生长，从而限制SOC的分解，有利于其积累［56］。坡度代表着地面倾斜程度，是重要的地形指标。本研究结果显示，科尔沁沙地SOC含量同样受坡度影响。

4 结论

科尔沁沙地SOC含量0.42—8.42 g·kg-1，SOCD为0.34—2.15 kg·m-2，其中SOC主要分布在0—10 cm的上层土壤中；SOC含量从疏林草地（未沙漠化）、固定沙地（轻度沙漠化）、半固定沙地（中度沙漠化）、半流动沙地（重度沙漠化）到流动沙地（极重度沙漠化）逐渐降低，表现出按疏林草地—荒漠草地—流动沙地演替退化的过程，表层SOC含量流失更加明显；在科尔沁沙地沙漠化过程中，土壤机械组成和全氮、全磷含量限制着SOC的积累，而土壤黏粉粒含量更能反映土壤机械组成对SOC含量的限制作用；区域尺度中，经纬度是影响科尔沁沙地SOC含量的重要因素，其中气候因子是SOC经纬度分布格局的主控因素，未来应针对不同环境及不同地区SOC含量采取不同的区域管理方式，以提高科尔沁沙地生态系统的碳储量，也可以通过围封、灌溉、补播等适宜的措施，改变沙漠化草地的土壤结构，维持沙化草地生态系统的自我调节能力，增加其土壤碳库储量及其稳定性。

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