黄土高原不同土地利用类型下深层土壤无机碳的空间变异特征及其驱动因素

本研究针对黄土高原生态恢复工程中深层土壤无机碳(SIC)的响应机制不明问题，通过区域尺度配对实验，系统分析了0-300 cm剖面SIC的空间分异规律。研究发现草地更有利于SIC固存，气候因子通过影响土壤性质间接调控SIC分布，为优化土地利用管理提供了科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳汇之一，其动态变化备受关注。土壤无机碳(SIC)在干旱半干旱区碳库中占据主导地位，深层土壤(>100 cm)更是储存了85%的SIC储量。然而，以往研究多聚焦于土壤有机碳(SOC)，对SIC尤其是深层SIC对生态工程的响应机制认识不足。黄土高原作为我国典型的生态脆弱区，自退耕还林工程实施以来，植被覆盖率从31.6%提升至65%以上，土地利用格局发生深刻变革。这种转变如何影响深层SIC的分布？不同植被恢复模式下的碳汇效益如何？这些问题直接关系到区域碳收支评估的准确性和生态工程的可持续性。

为解答这些问题，郑州大学生态与环境学院的Ma Meihua等人在《Environmental and Sustainability Indicators》发表研究，通过区域尺度配对实验，系统评估了黄土高原0-300 cm土层SIC对土地利用变化的响应。研究选取10个典型样点，涵盖林地、灌木地、草地及农田(对照)四种土地利用类型，采集1800份土壤样品，结合气候数据与土壤理化性质分析，揭示了SIC的空间变异规律及其驱动机制。

研究采用分层采样法(20 cm间隔)获取0-300 cm土壤样品，测定土壤无机碳密度(SICD)和碳储量(SICS)。通过偏最小二乘路径模型(PLS-PM)解析气候、土地利用类型和土壤性质对SIC的直接与间接效应，并计算土壤无机碳固存效应(SICSE)评估不同植被恢复模式的碳汇效益。

3.1 土地利用类型对土壤无机碳的影响

研究发现：①农田转为林地/灌木地/草地总体导致SICS减少，其中草地表现出相对优势，其0-100 cm土层SICS(4.01 kg C·m^-2)显著高于林地(3.46 kg C·m^-2)；②深层(100-300 cm)SICS以草地最高(6.73 kg C·m^-2)，灌木地最低(6.20 kg C·m^-2)；③东西方向上，生态恢复使浅层SICS增加而深层减少，南北方向则普遍表现为碳损失。

3.2 土壤无机碳的空间变异

空间分析显示：①东西样带上，LT和JX样点的浅层SIC含量最高(6.85 g kg^-1)，XF样点深层含量突出(6.94 g kg^-1)；②南北样带上，LC样点SIC含量随深度增加，而其他样点减少64.73%-73.04%；③草地SICSE在东西向0-40 cm最高(0.086)，南北向碳损失更显著。

3.3 驱动因素解析

Mantel检验表明：SIC与土壤含水量(SWC)、总氮(TN)、总孔隙度(TP)呈显著正相关，与容重(BD)负相关。PLS-PM模型揭示：①气候通过改变土壤性质产生最大间接效应(浅层0.45，深层0.48)；②SOC对SIC的直接效应最强(浅层0.56)；③土壤性质在深层表现出显著负效应(-0.39)。

4. 讨论与意义

该研究首次在区域尺度上量化了黄土高原深层SIC对生态恢复的响应，具有重要科学价值：①证实草地是SIC固存的最优选择，其浅层根系系统通过抑制侵蚀和促进碳酸盐再沉淀实现碳累积；②揭示气候-植被-土壤的级联效应，干旱区降水减少可能加剧SIC流失；③提出深度分层管理策略，建议半湿润区以草地为主、干旱区加强浅层固存。这些发现为完善碳汇核算体系、优化生态工程配置提供了理论支撑，对实现"双碳"目标具有实践指导意义。未来需加强气候变化下SIC动态监测，特别是极端降水事件对碳酸盐溶解-再沉淀循环的影响。