2025, Vol. 57
2. 山西农业大学生态环境产业技术研究院/土壤环境与养分资源山西省重点实验室, 太原 030031;
3. 北京大学城市与环境学院/北京大学碳中和研究院, 北京 100871
土壤碳库是陆地生态系统的碳库之最，全球1 m土层中土壤碳库总储量达2 157 ~ 2 293 Pg，约为大气碳库的2倍~ 3倍、植被碳库的4倍~ 5倍[1-2]，在全球碳循环和气候变化中起着重要作用[2]。土壤碳库由土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)和土壤无机碳(Soil inorganic carbon，SIC)组成，我国1 m土层内二者储量分别为77 ~ 99 Pg[3-4]和55 ~ 78 Pg[5-6]。可见，目前对我国土壤碳储量的估算还存在较大不确定性，国内外对SOC的研究比较丰富，但对SIC的研究和认识仍显不足。
大量研究表明，我国SOC和SIC的空间分布特征存在显著差异，并受气候条件的影响[6-7]。SOC的高值区主要分布在东北地区和青藏高原，而低值区则多位于西北地区[4]。相较之下，SIC在西北干旱和半干旱地区储量最丰富，华北和东北半湿润地区以及青藏高原地区SIC水平也较高，而南方湿润地区的SIC储量最低[5，7]。值得注意的是，在我国北方的主要分布区，SIC的密度可以达到SOC的2倍~ 10倍[8-9]。SOC和SIC的空间分布差异除了受气候因素影响外，还与土壤类型/母质、植被类型/土地利用方式等因素密切相关。例如，SOC通常在黑土、黑钙土等土壤类型中较高[10]，在森林、草地、农田等植被类型中也普遍高于灌丛和荒漠植被[3，11]。SIC的主要成分是碳酸钙，常见于土壤pH较高的灰漠土和黄土母质的土壤中[12]。此外，有研究表明，我国北方农田中的SIC储量高于其他土地利用类型[8]，但也有研究发现在黄土高原农田恢复成天然植被后，SIC在各个土层中都有不同程度的增长[13]。近年来针对我国SIC的研究发现，我国农田表层土壤SIC储量较1980年代减少了约9.0%[14]，这与氮肥的长期施用存在很大关系[15-16]，但也有研究发现长期配施有机肥、灌溉等农业活动可以显著增加次生碳酸盐(Pedogenic inorganic carbonate，PIC)的积累[17-18]。
近十年来，国内对SIC和SOC之间关系开展了一系列研究，其中针对我国北方多种土地利用方式下土壤碳的研究发现，SIC与SOC之间存在显著正相关关系[19]。在农田土壤中，华北平原SIC和SOC多呈正相关关系[20-21]，这与其悠久的耕作历史及较高的生产力水平有关。长期施肥、灌溉可提供钙/镁源，同时高产农田土壤有较丰富的碳源，二者能够促进SIC的形成和积累[22]。而黄土高原SIC和SOC则表现出负相关关系[13，23]，这可能是由于强烈的土壤侵蚀伴随的土壤碳在水平和垂直方向上再分配造成的[23-24]。
一般情况下，土壤剖面中SIC的储量受成土母质的影响很大。黄土高原和华北平原均属于典型的黄土母质分布区，但两个地区的农田中SIC含量存在显著差异，这可能与土壤形成过程、气候条件以及农田管理措施等有关。围绕这一科学问题，本研究通过搜集、整理我国黄土母质区域典型农田土壤剖面中的SIC和SOC的配对数据，对比分析黄土高原和华北平原不同土层土壤碳的分布特征，系统地阐明了影响黄土母质区域土壤碳空间分布的主控因素，并进一步探讨了该区域典型农田SIC和SOC之间的关系及其主要影响因素。研究成果将有望进一步深化对我国北方农田土壤碳组分的耦合机制的理解，并为寻求有效的土壤固碳策略提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 数据来源利用中国知网和Web of Science文献数据库进行文献检索，设置检索关键词为“土壤无机碳(SIC)、土壤有机碳(SOC)、中国北方农田土壤碳”，发表时间为“2000—2023”年。初步筛选出相关文献154篇，再根据以下4个标准进行进一步筛选：①采样区域为黄土高原或华北平原；②土壤剖面深度至少为100 cm；③土壤剖面各深度均可获得SOC和SIC含量；④SOC和SIC数据均为实测数据，而非再分析数据。最后，共收集到145个满足以上标准的土壤剖面数据，其分布情况如图 1A。数据库还获取了大部分站点的土壤类型、土壤pH、土壤容重、年平均降水量、年平均气温等信息。对于缺乏土壤容重数据的部分点位，文献中包含表层土壤容重的使用表层土壤容重来计算其他土层土壤碳储量，文献中不包含土壤容重数据则从该点位采样年份相近的其他文献中查找并进行计算。根据所建立的数据库，本研究黄土高原点位年均降水量250 ~ 600 mm，年均温8 ~ 12 ℃；华北平原点位年均降水量500 ~ 650 mm，年均温12 ~ 14 ℃。
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(A. 合并前；B. 合并后) 图 1 北方黄土母质区域所获得农田点位空间分布 Fig. 1 Spatial distributions of sampled soil profiles in loess farmlands of north China. |
为了方便比较和分析，对145个土壤剖面进行了分层标准化处理，使用插值法估算0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 70和70 ~ 100 cm土层SOC、SIC含量。由于收集的文献中土壤剖面的数据质量和处理程度不同，部分数据为对研究区进行多点采样、处理、分析后得到的具有区域代表性的土壤剖面，而部分数据为采样时获得的原始土壤剖面。数据处理程度不一致一方面导致不同土壤剖面对区域的代表性不同，另一方面也使得数据空间分布的密度差异很大。为解决这一问题，本研究采取了以下措施来确保数据的代表性和可靠性：首先，将空间距离≤30 km且土壤理化性质相似的剖面合并，以提高数据的区域代表性；其次，考虑到SIC受水文过程的影响较大，即使空间距离≤30 km，也不合并河流两侧的点位，以保持数据的真实性和准确性。通过处理，将145个原始土壤剖面精简为52个具有代表性的农田土壤剖面(图 1B)，为后续的土壤特性分析和比较提供了高质量的数据集。
1.3 数据分析使用Origin 2021的“图像数字化”功能对文献中的图形数据信息进行提取，运用Excel 2021建立数据库，用Matlab 2022、SPSS 16.0及ArcMap 10.3进行数理统计分析及相关图表绘制。文中用变异系数(Coefficient of variation，CV)表示SOC和SIC空间分布的异质性大小。采用LSD法进行多重比较分析(P=0.05)。
SOC和SIC储量(kg/m2)的计算方法如下：
| $ \mathrm{SOC}=\mathrm{BD}_i \times \mathrm{SOCC}_i \times h_i \times 0.1 $ | (1) |
| $ \mathrm{SIC}=\mathrm{BD}_i \times \mathrm{SICC}_i \times h_i \times 0.1 $ | (2) |
式中：BDi为第i层土壤容重(g/cm3)；hi为第i层土壤深度(cm)；SOCCi和SICCi分别代表第i层土壤有机碳和无机碳含量(g/kg)。
2 结果 2.1 黄土母质区域典型农田土壤pH空间分布特征研究区表层土壤pH的空间差异较大，其中华北平原的空间异质性相较黄土高原南部区域更大(图 2)。华北平原土壤pH为6.9 ~ 8.7，其中黄河沿线区域的土壤pH(6.9 ~ 8.4)低于河北平原(7.7 ~ 8.7)。可以看出，华北平原黄河沿线土壤pH存在较大空间差异，如郑州市到济南市河段附近土壤pH约为7.6，明显低于黄河三角洲上游的8.1。黄土高原土壤pH略高于华北平原，大部分地区土壤pH介于8.1 ~ 8.9，其中西部和东部黄河附近土壤pH均高于8.4，而中部区域土壤pH普遍偏低，大多为8.0 ~ 8.4。
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图 2 北方黄土母质区域典型农田表层土壤pH Fig. 2 Surface soil pH in typical loess farmlands of north China |
黄土母质区域农田SOC在各土层都存在较大的空间异质性，其中黄土高原的空间异质性明显大于华北平原(表 1)。黄土高原SOC的空间异质性在中南部区域最大(CV=57% ~ 64%)，西部区域次之(CV=30% ~ 39%)，东南部区域最小(CV=24% ~ 27%)。华北平原SOC的空间异质性(CV=10% ~ 29%)与黄土高原东南部相近，其中黄河沿线SOC空间异质性较大，在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm(CV=23% ~ 24%)大于河北平原(CV=10% ~ 14%)。
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表 1 黄土母质区域典型农田不同土层土壤碳描述性统计结果 Table 1 Statistics of soil carbon storages in different soil layers of typical croplands on loess parent materials |
如图 3所示，黄土母质农田中，0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层中SOC水平较高的区域均位于黄土高原的东南部，而较低的区域在0 ~ 20 cm土层主要位于黄土高原西部和中南部，在20 ~ 40 cm则主要位于华北平原黄河沿线。在0 ~ 20 cm土层，黄土高原东南部区域平均SOC储量高达4.2 kg/m2，远高于其西部(2.2 kg/m2)和中南部(1.9 kg/m2)；而华北平原黄河沿线(2.6 kg/m2)及河北平原(2.9 kg/m2)处于中等(表 1)。在20 ~ 40 cm土层，黄土高原东南部平均SOC储量(2.7 kg/m2)是华北平原黄河沿线(1.1 kg/m2)的2倍多，而中南部(1.4 kg/m2)和西部(1.5 kg/m2)的SOC储量也略高于华北平原。就40 ~ 100 cm土层而言，黄土母质区域SOC的空间分布与0 ~ 20和20 ~ 40 cm土层有明显差异，其中SOC储量最高的区域在河北平原(2.9 kg/m2)，而华北平原黄河沿线(2.4 kg/m2)与黄土高原西部(2.4 kg/m2)、中南部(2.5 kg/m2)和东南部(2.3 kg/m2)的SOC储量相近。
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(A. 0 ~ 20 cm; B. 20 ~ 40 cm; C. 40 ~ 100 cm) 图 3 黄土母质典型农田不同土层SOC储量分布 Fig. 3 Distributions of SOC storages in different soil layers of typical loess farmlands |
如图 4所示，黄土母质区域各层SIC均存在较大的空间异质性。总体上，SIC的空间分布特征在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层表现为西部明显高于东部，而在40 ~ 100 cm土层东部和西部之间无明显差异，均高于其他区域。就SIC空间异质性而言(表 2)，黄土高原中南部区域在各土层均为最大(CV=27% ~ 63%)，在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层中河北平原最小(CV=7% ~ 11%)，在40 ~ 100 cm土层中除东南部区域外其他几个区域相差不大(CV=26% ~ 29%)。
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(A. 0 ~ 20 cm; B. 20 ~ 40 cm; C. 40 ~ 100 cm) 图 4 黄土母质典型农田不同土层SIC储量分布 Fig. 4 Distributions of SIC storages in different soil layers of typical loess farmlands |
就SIC的空间分布而言，各土层储量最高的区域均位于黄土高原西部，在0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 100 cm土层分别为5.1、5.7、11.1 kg/m2(表 2)。而SIC储量最低的区域在不同土层中有所不同，0 ~ 20 cm在河北平原(2.5 kg/m2)，20 ~ 40 cm在华北平原黄河沿线(3.1 kg/m2)，40 ~ 100 cm土层在黄土高原中南部区域(6.7 kg/m2)。黄土高原东南部在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层的SIC储量分别为4.0和4.3 kg/m2，均略高于黄土高原中南部区域。在40 ~ 100 cm土层，华北平原黄河沿线和河北平原的SIC储量分别为10.6和10.9 kg/m2，略低于黄土高原西部，但显著高于黄土高原东南部(7.0 kg/m2)和中南部(6.7 kg/m2)。综上，SIC的空间分布呈现出显著的地域差异，黄土高原西部为高值区，而河北平原和华北平原黄河沿线在表层土壤中相对较低。
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表 2 黄土母质典型农田不同土层土壤碳储量(kg/m2) Table 2 Means and standard deviations of soil carbon storages in different layers in loess farmlands |
图 5显示，黄土母质典型农田区域SIC︰SOC呈现出明显的空间异质性，且不同土层之间差异较大。在20 ~ 40 cm和40 ~ 100 cm土层中，SIC︰SOC明显高于0 ~ 20 cm土层，这与深层土壤SIC较高且SOC较低有关。
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(A. 0 ~ 20 cm; B. 20 ~ 40 cm; C. 40 ~ 100 cm) 图 5 黄土母质区域典型农田不同土层SIC︰SOC空间分布 Fig. 5 Distributions of SIC︰SOC ratios in different soil layers of typical loess farmlands |
同一土层中，黄土母质区域内的SIC︰SOC也存在较大差异。SIC︰SOC较高的区域在各土层均位于黄土高原西部，其中0 ~ 20 cm土层为2.4±0.6，20 ~ 40 cm和40 ~ 100 cm土层分别高达4.4±2.5和5.1±1.8(表 3)。相比之下，SIC︰SOC较低的区域在0 ~ 20 cm土层位于河北平原，为0.9±0.1，而黄土高原东南部区域在这一土层的SIC︰SOC也较低，为1.0±0.4，与河北平原接近。在20 ~ 40 cm和40 ~ 100 cm土层中，SIC︰SOC较低的区域则位于黄土高原东南部，分别为1.8±0.8和3.3±1.5。
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表 3 黄土母质典型农田高低肥力土壤碳含量(g/kg) Table 3 Means and standard deviations of carbon contents in high and low fertility soils of typical loess farmlands |
此外，华北平原黄河沿线的SIC︰SOC在各土层中均高于河北平原，尤其是黄河三角洲上游区域的SIC︰SOC比值明显较高。黄土高原中南部区域的SIC︰SOC在各土层中也普遍高于东南部，其中黄土高原中部区域的SIC︰SOC明显偏高。在20 ~ 40 cm和40 ~ 100 cm土层，华北平原黄河沿线的SIC︰SOC与黄土高原中南部区域较为接近，但20 ~ 40 cm土层黄土高原中南部区域的SIC︰SOC略高，为3.4±2.6，而在40 ~ 100 cm土层华北平原黄河沿线的SIC︰SOC略高，为4.6±1.4。
3 讨论 3.1 黄土母质典型农田土壤有机碳空间分布的影响因素大量研究显示黄土母质农田土壤剖面中SOC存在较大的空间异质性[25-26]，华北平原SOC水平普遍高于黄土高原，其差异与不同区域自然环境及农田管理措施密切相关。华北平原气候相对湿润，灌溉水源充足，农作物生长旺盛，作物残体和根系向土壤中提供了更多的有机质[27]。另外，华北平原种植历史悠久，长期秸秆还田和使用有机肥也促进了表层土壤SOM的提高[28-29]。而黄土高原SOC较低则与其强烈的水土流失导致的土壤侵蚀有关[24，30]，有研究显示黄土高原不同区域之间土壤侵蚀程度不一致[31]，多数区域以侵蚀过程为主，因此SOC含量较高的表土大量流失[30]。
本研究中发现黄土高原SOC的空间异质性大于华北平原，同样受土壤侵蚀-搬运-再沉积过程影响，少数地势较低的区域有较厚的表土堆积，造成黄土高原侵蚀与沉积区域之间SOC的空间差异增大。Yu等[25]对0 ~ 20 cm土层SOC的分析发现，黄土高原南部地区(即本研究区域)SOC表现出西低东高的分布特征。本研究也发现黄土高原南部地区0 ~ 20 cm农田SOC储量在西部和中南部区域明显低于东南部，且空间异质性表现为西部和中南部大于东南部。进一步分析发现，黄土高原东部区域20 ~ 40 cm土层SOC含量比80 ~ 100 cm高出80%[23]，这一变化幅度与华北平原经过长期培肥的农田土壤剖面[20-21]相似，而黄土高原西部区域浅层SOC仅比深层高出30% ~ 45%[32]。本研究中的东南部区域位于汾河谷地，其周围地势较高的区域及汾河上游地区被侵蚀的表层土壤(SOC含量较高)堆积在河谷地区，因此东南部区域表层土壤SOC储量明显偏高[23]。
华北平原农田SOC也具有显著的空间异质性。张婧婷等[27]的研究显示，华北平原中部地区(与本研究华北平原区域一致)0 ~ 20 cm土壤的SOC含量普遍高于华北平原其他地区，尤其是河北平原西部和黄河中段沿线地区含量较高，而河北平原东部和黄河三角洲SOC含量则相对较低。本研究也发现，华北平原黄河沿线中段和河北平原0 ~ 20 cm的SOC普遍高于黄土高原西部和中南部，而SOC低值区多位于土壤盐碱化程度较高的黄河三角洲。黄河三角洲SOM较低与土壤盐碱化和较强烈的水文过程有关，因为盐碱地土壤理化性状差，不利于作物生长，作物向土壤中的碳输入量少[33]；另一方面，高盐碱环境会破坏土壤结构，降低SOM的稳定性[34]，而强烈的水文过程容易引起SOM的溶解和流失[21，35]。
3.2 黄土母质典型农田土壤无机碳空间分布的影响因素由表 2可知，黄土母质区域典型农田土壤中0 ~ 100 cm SIC储量显著高于SOC，不同区域之间SIC的空间异质性十分显著。从不同土层来看，0 ~ 40 cm土层华北平原的SIC储量(5.9 kg/m2)显著低于黄土高原(8.9 kg/m2)，但在40 ~ 100 cm土层中，华北平原的SIC储量(10.7 kg/m2)却略高于黄土高原(8.8 kg/m2，表 2)。Tao等[36]的研究也发现，在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层，华北平原SIC普遍低于黄土高原，且华北平原黄河沿线SIC空间异质性明显偏高，黄河三角洲区域的SIC水平高于华北平原黄河沿线上段。Zhang等[21]的研究显示，河北平原0 ~ 40 cm的SIC储量低于黄河三角洲，其中0 ~ 20 cm土层中差异达到10%。这是因为河北平原耕作历史悠久，在长期种植过程中施肥、灌溉等农田管理措施以及当地较高水平的SOM分解和根呼吸释放的CO2都会促进SIC的水解[22]，而这些过程在黄河三角洲区域不明显，且黄河三角洲土壤剖面中Ca2+、Mg2+含量较高[20]，有利于SIC的积累。
黄土高原3个区域0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层中SIC储量均显著高于华北平原两个区域，尤其是黄土高原西部明显偏高，分别为5.1、5.7 kg/m2(表 1)。黄土高原SIC水平较高是因为其土壤母质为碳酸盐含量丰富的原生黄土，同时其干旱气候有助于保留原生矿床风化释放的Ca2+、Mg2+，使其与碳酸氢根结合形成碳酸盐[37]。黄土高原中南部区域0 ~ 100 cm SIC的变异系数(42%)明显大于西部(12%)和东南部区域(18%)，表明黄土高原中西部空间异质性更为突出。黄土高原西部区域SIC水平偏高的原因可能包括两个方面：一是该区域土壤pH较高(图 2)，有利于SIC的积累；二是该区域土壤侵蚀较为严重[31]，导致表层土壤流失，从而暴露出SIC含量较高的亚表层土壤。然而，尽管黄土高原中南部区域侵蚀也相对强烈，但仅有两个土壤剖面0 ~ 100 cm的SIC储量与西部区域相近，其余剖面则不到14 kg/m2，低于黄土高原的平均水平17 kg/m2[12]。这种低SIC储量的现象主要发生在耕作历史较长的关中平原，长期施用化肥造成了土壤pH的下降，引起SIC水解[38]。
3.3 黄土母质典型农田土壤无机碳与有机碳的关系前人针对北方农田土壤SIC和SOC的关系开展了大量研究，发现黄土母质区域二者的关系存在较大的差异，具体来说，华北平原SIC和SOC大多呈正相关关系[20-21]，而黄土高原则多呈负相关关系[23-24，39]。本研究对黄土母质区域农田0 ~ 100 cm深度的土壤碳储量数据进行了整合分析，同样发现华北平原在0 ~ 20 cm和0 ~ 100 cm深度中SIC与SOC均呈正相关关系，尤其是0 ~ 100 cm相关性极为显著(P < 0.01)；而在黄土高原这两个深度均呈负相关关系，其中0 ~ 20 cm相关性显著(P < 0.05，图 6)。
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(A. 0 ~ 20 cm; B. 0 ~ 100 cm) 图 6 黄土母质区域典型农田SIC与SOC的关系 Fig. 6 Relationship between SIC and SOC in typical loess farmlands |
土壤剖面中SIC和SOC的关系受到很多因素的影响。而SIC的累积转化主要受控于以下2个平衡方程：
| $ 2{\text{C}}{{\text{O}}_2} + 2{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}} \leftrightarrow {\text{2HCO}}_{\text{3}}^ - + 2{{\text{H}}^ + } $ | (3) |
| $ {\text{C}}{{\text{a}}^{{\text{2 + }}}} + {\text{2HCO}}_{\text{3}}^ - \leftrightarrow {\text{CaC}}{{\text{O}}_3} + {{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}} + {\text{C}}{{\text{O}}_2} $ | (4) |
就华北平原而言，长期施肥和灌溉等农业活动为土壤剖面补充了Ca2+/Mg2+，同时土壤SOM分解和较强的根呼吸产生的较高浓度的CO2，这些能够推动反应(3)和(4)向右进行，有利于PIC的形成[22]。而高水平SIC的存在又有助于提高SOC的稳定性[34]，使得SOC和SIC之间出现正反馈。而在黄土高原，由于土壤侵蚀现象普遍存在，通常会使得SOC含量较高、SIC含量较低的表土从侵蚀严重的区域搬运到地势较低的区域[24]，致使侵蚀严重区域的土壤层中SOC储量明显偏低、SIC储量相对较高，而沉积为主的区域土层中SOC储量相对较高、SIC储量相对较少，因此SIC与SOC在黄土高原呈负相关关系[23]。
本研究进一步对华北平原和黄土高原不同肥力水平下SIC及SIC︰SOC进行了分析，发现黄土高原高肥力土壤0 ~ 100 cm各土层的SIC︰SOC与华北平原0 ~ 40 cm土层接近，而其低肥力土壤的SIC︰SOC与华北平原20 cm以下的SIC︰SOC接近(表 3)，由此推测黄土高原高肥力区域可能以沉积过程为主，而低肥力区域以侵蚀过程为主。华北平原高肥力土壤SIC含量在各土层均略高于低肥力土壤，而黄土高原高肥力土壤SIC含量却低于低肥力土壤(表 3)。华北平原高肥力土壤中SIC水平高可能是因为较强的根呼吸和SOM分解提供了碳源，且长期施肥、灌溉等过程以及地下水、黄河水又补充了钙/镁源[20]，促进了SIC的沉淀和累积。黄土高原高肥力农田大多位于地势相对较低的河谷区域，沉积了较厚的来自于周围地势较高区域被侵蚀的表层土壤[23]，使得土层中SIC储量相对偏低。而低肥力农田区域侵蚀作用更强烈，表土不断流失暴露出SIC含量较高的亚表层土壤[24]，土壤剖面中SIC储量明显偏高。
4 结论1) 华北平原和黄土高原在0 ~ 100 cm土层的SOC储量接近，分别为6.6 ± 1.1 kg/m2和6.7 ± 2.4 kg/m2；然而SIC储量存在明显差异：在0 ~ 40 cm土层中，SIC储量在华北平原显著低于黄土高原，而在40 ~ 100 cm土层中，华北平原的SIC储量显著高于黄土高原。
2) 华北平原SIC储量低的点位主要位于农作历史较长的河北平原；黄土高原SIC储量低的点位主要分布在土壤pH较低的中南部区域和以沉积过程为主的东南部河谷地区，而SIC储量较高的点位集中在土壤侵蚀较严重的西部区域。
3) 华北平原0 ~ 100 cm土层SIC储量和SOC储量呈显著正相关关系(P < 0.01)，黄土高原0 ~ 20 cm土层SIC储量和SOC储量呈显著负相关关系(P < 0.05)。
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