摘要
作为陆地生态系统中的重要部分，干旱区土壤有机碳储量及其循环过程、机制对全球碳循环研究十分关键。探究干旱区土壤有机碳储量变化趋势，揭示干旱区土壤碳库与环境因素的关系对于区域碳循环研究具有重要的意义。本研究以黑河下游作为研究区，基于野外采样数据，结合方差分析、相关分析、结构方程模型，分析了近20年黑河下游土壤有机碳的时空变化特征，揭示了土壤有机碳与土壤质地、植被等环境因素的关系。基于多源土壤有机碳数据，结合随机森林模型预测了 2000s、2010s和2020s黑河下游土壤有机碳密度空间分布，估算了黑河下游土壤有机碳储量。根据黑河下游2000～2020年土地利用状况，设置了自然发展(Q1)情景和低度、中度以及高度生态保护(Q2～Q4)情景，运用FLUS模型模拟了 2040年黑河下游土地利用状况，运用InVEST模型模拟了相应情景下生态系统和土壤碳库的碳储量，并且分析了土地利用状况对土壤有机碳储量的影响。本研究可为干旱区土壤有机碳变化格局研究提供科学支撑，为黑河下游区域生态环境保护与土地利用管理提供决策依据。主要研究结论如下: (1)2001年、2011年以及2022年，黑河下游0～100cm 土壤有机碳含量随时间变化呈增加趋势。耕地(7.28±1.58g/kg)为黑河下游土壤有机碳含量最高的土地利用类型，其次依次为乔木林地(5.54±1.76g/kg)、草地(5.42±2.05g/kg)、灌木林地(4.96±2.60 g/kg)以及未利用地(4.18±1.71g/kg)。林灌草甸土(6.02±3.03 g/kg)为黑河下游土壤有机碳含量最高的土壤类型，灰棕漠土的土壤有机碳含量最低，为3.56±2.80g/kg。在垂直方向上，土壤有机碳含量在表层0～20cm最高，表层以下随深度增加呈减小趋势，但未达到显著性检验水平。 (2)土壤有机碳与全磷、pH、含水量、粉粒含量、粘粒含量、NDVI、NPP以及生态输水量为显著正相关关系，与砂粒含量为显著负相关关系。结构方程模型结果显示，生态输水量通过影响植被状况间接影响土壤有机碳，土壤质地是影响土壤有机碳的关键因素。 (3)黑河下游表层0～20cm的土壤有机碳储量最高，其约占0～100cm 土壤有机碳总储量的30％。随着土层深度增加，平均土壤有机碳密度“先减少后增加”。黑河下游土壤有机碳密度的高值区主要分布在下游的东河、西河河岸以及东南部巴丹吉林沙漠边缘地区，这与区域内水分条件和植被状况空间分布高度一致。 (4)2000s、2010s和2020s，黑河下游0～100 cm 土壤有机碳总储量分别为163.39、182.63、179.41 Tg,平均土壤有机碳密度分别为 2.55、2.86 和 2.80kg/m2。不同土壤类型中，灰棕漠土的土壤有机碳储量最大，3个时期的土壤有机碳储量分别为 108.69、120.03 和 118.07Tg，占同时期总储量 67.55％、66.79％和 67.05％。不同土地利用类型中，虽然未利用地的平均土壤有机碳密度较低，但是由于未利用地的面积占全域面积的80％以上，其土壤有机碳储量分别达到132.50、162.83、144.56 Tg,均高于同时期林地、草地以及耕地的土壤有机碳储量。 （5）2020～2040年，黑河下游的土地利用转化方式较为复杂，重度生态保护强度有利于恢复并且维持土壤一定的固碳能力。具体地，2040年自然发展（Q1）情景下，黑河下游耕地、城乡及其他建设用地和未利用地面积扩张，林地、草地和水域的面积缩减，土壤有机碳储量与2020年相比减少了 1.45Tg,草地向未利用地的退化导致未利用地扩张是土壤有机碳储量损失的主要原因。在低度生态保护（Q2）和中度生态保护（Q3）情景下，土壤有机碳储量与2020年相比分别减少了 0.96和0.43 Tg。与Q1情景相比，生态保护措施一定程度上缓解了土壤有机碳储量下降趋势。在高度生态保护（Q4）情景下，生态用地（林地、草地、水域）的面积均处于扩张状态，分别增加了 37、252和6 km2,生态保护措施的实施限制了生态用地的转出，未利用地向生态用地的转化面积增大，这使得土壤有机碳储量增加了 0.14Tg。因此，在未来黑河下游土地利用管理中，一方面，应重点关注草地的恢复与建设，防止草地退化，保护草地资源;另一方面，适当强化对未利用地的生态治理，促进未利用地向生态用地转化;最后，加强对水域的保护，确保水资源合理配置。
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