黃河流域河南段植被和土壤及其碳密度空間分異研究

秦艷培，徐少君，田耀武

1.洛陽師范學院國土與旅游學院，河南 洛陽 471934；2.河南科技大學園藝與植物保護學院，河南 洛陽 471000

陸地生態系統的碳匯及其變化在全球碳循環和大氣CO2濃度變化中起著重要作用（Heimann et al.，2008），陸地不同的生態系統碳匯存在較大的差異（傅伯杰等，2005；方精云等，2007a）。森林生態系統是陸地碳匯的主體，在“大氣-森林植被-土壤-大氣”的循環系統中，以植被生物量、枯落物和土壤有機碳的形式維持著陸地生態系統中最重要的碳庫（Dixon et al.，1994；Pan et al.，2011）。與森林相比，灌叢、濕地、農作物和草地等生態系統，雖然受到固碳量和固碳時間的影響，其固碳的效能相對較低，但也是中國陸地生態系統碳庫的重要組成部分，因此通過擴大生態系統類型固碳能力的研究對于精準評估陸地碳匯顯得尤為重要（Fang et al.，2018；鐘華平等，2005；羅懷良，2014；楊元合等，2022）。從理論研究生態系統碳匯目的出發，現存有機碳貯量法是研究碳匯最合適方法之一。陸地植被生態系統碳貯量主要包括植被有機碳和對應的土壤有機碳，而不考慮木材代替其他原材料帶來的CO2的減排量。就植被和土壤有機碳貯量的測量和估算而言，樣地實際測量-生物量模型法、生理生態模型法及近幾年發展較快的遙感信息模型法均是比較系統、成熟和高效的方法，眾多研究者使用這些方法或結合森林清查數據和土壤調查數據在不同空間尺度上均取得了大量研究成果（呂超群等，2004；方精云等，2007b；劉領等，2019；何林倩等，2021；張煜星等，2021）。

流域是以自然水系分界的相對獨立和完整的特征空間，是自然環境與人類活動交互作用強烈的地區（劉洋等，2019）。由于受到歷史、自然、人口和城市擴張等原因，黃河流域是生態脆弱和水土流失最嚴重的區域之一（肖東洋等，2020；劉麗娜等，2021）。隨著中國經濟的發展和生態文明的進步，“推動黃河流域生態保護和高質量發展”和綜合治理已經上升為國家戰略（習近平，2019）。黃河流域河南段兼有中游水土流失嚴重和下游生態流量偏低的雙重壓力，是黃河流域地形地貌特征最為特殊的地區，其生態系統在不同區域和不同高程上差異較明顯，但總體上區域內植被恢復與生長朝正向利好的方向發展，成為近年來研究者關注的熱點區域（崔凱凱等，2021；劉小燕等，2021；張靜等，2021）。因此，探究黃河流域河南段植被、土壤及其有機碳貯量和有機碳密度的空間分布規律，評估該區域有機碳貯量和有機碳密度的現狀和潛質，對于在“雙碳”背景下科學理解和實施黃河流域人與自然生態和諧、生態保護與經濟高質量發展具有重要意義。

本研究使用河南省第六次森林資源調查成果和第二次土壤普查數據為基礎資料，利用文獻中不同類型植被有機碳密度和土壤類別有機碳密度數據，運用GIS技術建立黃河流域河南段的植被和土壤空間屬性數據庫，整理和計算了植被及土壤100 cm深度的有機碳貯量和有機碳密度，并結合數字高程模型，分析黃河流域河南段的植被、土壤及其有機碳貯量和有機碳密度的空間分異特征，為評估區域性陸地生態系統碳循環提供有價值的參考數據。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

黃河發源于青藏高原，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南和山東9個省級行政區，全長5464 km，是中國第二大河。黃河流域是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態廊道，同時還是重要的農業和能源原材料工業基地，在中國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的地位。黃河流域面積約7.95×105km2（含內流區面積），內蒙古河口鎮以上為黃河上游，河口鎮至河南鄭州桃花峪為黃河中游，桃花峪以下至入?？跒辄S河下游。

黃河流域在河南境內西起三門峽靈寶市，東至濮陽市臺前縣，河道長711 km，流經三門峽、洛陽、濟源、焦作、鄭州、新鄉、開封、濮陽8市33縣（市、市轄區），重要支流有宏農澗河、伊洛河、沁河、天然文巖渠和金堤河等，流域面積達3.67×104km2，占黃河流域總面積的4.6%和河南省總面積的22.0%。黃河流域在河南孟津以下形成了巨大的沖積扇，成為華北平原上的“分水脊”，具有黃河中游、下游雙重屬性，地勢西高東低，依次形成山地-丘陵-平原，屬溫帶氣候區，年均降雨量500—900 mm，年平均氣溫 12—15 ℃。此外，河南境內的黃河流域是人口活動劇烈的區域，平均人口密度為 482 person·km-2，最大人口密度達到了1.08×104person·km-2，與東部發達地區人口密度相當（徐新良，2017）。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 研究區域

黃河流域基礎地理信息數據內容主要為行政區縣和黃河流域邊界。黃河流域來源于中國科學院資源環境科學數據中心劃分的中國河流三級流域邊界，其邊界是基于流域的自然邊界提取而來，其中黃河流域共包含 29個三級流域。本研究區域為黃河流域河南境的行政區縣范圍（本文簡稱“黃河流域河南段”），面積4.39×104km2，是通過將組成黃河流域的三級流域自然邊界與河南省行政區邊界進行疊加后獲取的（圖1）。

圖1 研究區范圍和地勢示意圖Figure 1 Sketch map of study area and its terrain

1.2.2 植被、土壤和數字高程模型數據

研究區數據包括植被分布數據、土壤分布數據和數字高程及其他基礎地理信息數據等。植被數據來源于第六次河南森林資源調查數據集，土壤數據來源于河南第二次土壤普查數據庫，數字高程數據來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/），采用的數據產品是2015年正式發布的ASTER GDEM V2全球數字高程數據集，空間分辨率為30 m。

1.2.3 數據處理

研究區確定后，在ArcGIS中裁剪出本區域的植被、土壤和數字高程數據，參考本區域野外實測數據（田耀武等，2019），通過文獻中相同或相近區域的植被類型平均有機碳貯量密度（羅懷良，2014；孫麗娜等，2018；徐麗等，2018；李琳等，2019）和土壤類型在土層 100 cm內有機碳貯量密度（解憲麗等，2004；于建軍等，2008）（表1，表2），結合本區域內植被和土壤對應的面積數據，在ArcGIS的空間分析模塊中，分析和探究黃河流域河南段植被、土壤及其有機碳貯量和有機碳密度的空間分異特征。

表1 研究區植被的面積、有機碳密度、有機碳貯量和占比Table 1 Area, organic carbon storage and density and its proportion of vegetation in the study area

表2 研究區土壤的面積、有機碳密度、有機碳貯量和占比Table 2 Area, organic carbon storage and density and proportion of soil in the study area

2 結果與分析

2.1 植被和土壤組成及其分布特征

研究區植被類型包括針葉林、落葉闊葉林、其他雜闊林、灌叢、草叢、草甸、栽培植被和沼澤等。其中，栽培植被面積最大，達到了3.28×104km2，占研究區總面積的74.59%，集中分布在中部、東部及西南部伊河和洛河河谷地帶。栽培植被包括糧食作物和經濟作物，糧食作物主要以小麥（Triticum aestivumL.）、玉米（Zea maysL.）、水稻（Oryza sativaL.）、大豆（Glycine max(Linn.) Merr.）等為主，經濟作物以蘋果（Malus pumilaMill.）、梨（Pyrusspp.）和櫻桃（Cerasusspp.）等果樹為主。森林植被以落葉闊葉林為主，面積6.8×103km2，占比為15.57%，優勢種由栓皮櫟（Quercus variabilisBl.）、麻櫟（Quercus acutissimaCarruth.）和槲櫟（Quercus alienaBl.）等櫟類組成，主要分布于西南伏牛山、熊耳山和崤山山地，以及中北部中條山和王屋山山地。針葉林主要集中在中北部的中條山及西南部山區，中北部的針葉林以馬尾松林為主，其他區域以油松林為主。雜闊林主要為刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）和楊樹（PopulusL.）等，散布于東部和東南部，竹林分布于西南部。灌叢以酸棗（Ziziphus jujubaMill.var.spinosa）、黃荊（Vitex negundoL.）等為優勢種，主要分布于中西部山地。草叢面積最小，多以白羊草（Bothriochloa ischaemum）草叢為主，草甸以高禾草為主，集中在東部黃河岸邊。沼澤面積較小，植物以蘆葦（Phragmites australis(Cav.) Trin.ex Steud.）為優勢種，分布東部湖泊低洼處（圖2，表1）。

圖2 研究區植被分布圖Figure 2 Vegetation distribution in the study area

研究區有16個土壤類型，40個亞類型（圖3）。其中，潮土和褐土面積最大，分別為1.55×104km2和1.54×104km2，分別占研究區總面積的34.53%和34.38%，潮土主要分布在東部廣大區域，褐土則主要分布在西部。棕壤面積為 0.51×104km2，占比11.55%，主要集中分布在西部和西南部的山區。西部山區的土壤還有暗棕壤、寒碳土、黃棕壤和栗褐壤等。新積土分布于黃河及其支流的兩岸，風沙土呈點狀分布于東部，兩者分別占比分別為1.53%和1.23%，其他土類占比均小于1%（圖3，表2）。

圖3 研究區土壤類型分布圖Figure 3 Distribution of soil types in the study area

2.2 植被和土壤有機碳貯量及有機碳密度水平分布特征

研究區植被有機碳貯量為53.24 Tg，有機碳密度的范圍在5.7—36.37 Mg·hm-2之間，平均碳密度為 12.12 Mg·hm-2（表 1）。以栓皮櫟為優勢種的落葉闊葉林有機碳貯量最大，有機碳貯量達到了24.88 Tg，占研究區植被有機碳貯量的46.73%，其有機碳密度最高。栽培植物的有機碳密度相對較低，特別糧食作物最低，但栽培植物面積最大，其植被有機碳儲量達到23.71 Tg，占植被有機碳貯量的44.54%，其中經濟作物有機碳為10.32 Tg，糧食作物有機碳為13.39 Tg（表1）。

研究區土壤總有機碳貯量為294.92 Tg，土壤有碳密度（土層 100 cm）在14.9—151.2 Mg·hm-2之間。其中，土壤有機碳密度較大的有暗棕壤、寒鈣土、石質土、黃棕壤和栗褐土等，而風沙土最低。潮土和褐土分布最廣泛，其有機碳貯量分別為91.54 Tg和108.04 Tg，分別占研究區土壤有機碳貯量的31.04%和 36.63%。其次為棕壤，有機碳貯量為43.16Tg，占土壤有機碳貯量的 14.63%，新積土也有較高的有機碳貯量，占比為5.89%（表2）。

研究區植被和土壤的總有機碳密度范圍在20.60—187.57 Mg·hm-2之間，以 30—40 Mg·hm-2為組距，將其分為5個級別，分別為低有機碳密度（＜30 Mg·hm-2）、中低有機碳密度（30—70 Mg·hm-2）、中有機碳密度（70—110 Mg·hm-2）、中高有機碳密度（110—150 Mg·hm-2）和高有機碳密度（＞150 Mg·hm-2）。結果顯示，中低和低有機碳密度區域主要集中在東部，中有機碳密度主要集中于西部，中高和高碳有機密度則分布在西南和中北部（圖4）。

圖4 研究區有機碳密度（植被與土層100 cm）分布圖Figure 4 Distribution of organic carbon density (vegetation and soil layer 100 cm) in the study area

2.3 不同高程植被、土壤有機碳儲量和有機碳密度的分布規律

結合研究區山區特點和一般的平原、丘陵和山區的分類方法，將研究區域的高程分為5個類別，分別為平原（＜200 m）、丘陵（200—500 m）、低山（500—1000 m）、中山Ⅰ（1000—1500 m）和中山Ⅱ（＞1500 m）。結果顯示，植被有機碳貯量在低山最大（15.68 Tg），其次為中山Ⅰ（14.49 Tg），然后為平原（13.97 Tg），丘陵和相對較高的中山Ⅱ有機碳貯量較低，分別為7.23 Tg和1.87 Tg。土壤有機碳貯量則是平原最高，達到了112.82 Tg，其次為低山，土壤有機碳貯量為76.23 Tg，然后是丘陵和中山Ⅰ，有機碳貯量分別為55.08 Tg和46.16 Tg，相對高程較高的中山Ⅱ有機碳貯量最低，為4.62Tg。總有機碳貯量平原最高，為126.79 Tg，然后為低山、丘陵和高山，中山Ⅱ有機碳貯量最低，為6.49 Tg（表3）。

表3 研究區不同高程植被和土壤的有機碳貯量和有機碳密度Table 3 Organic carbon storage and density of vegetation and soil at different elevations in the study area

研究區域的植被平均有機碳密度范圍在7.34—34.35 Mg·hm-2，隨著高程的增加植被有機碳密度逐漸增大，表現為平原 (7.34 Mg·hm-2)＜丘陵 (8.81 Mg·hm-2)＜低山 (14.97 Mg·hm-2)＜中山Ⅰ (25.53 Mg·hm-2)＜中山Ⅱ (34.35 Mg·hm-2)；土壤有機碳密度也是隨著高程的增加而增大，不同高程之間差異較小，其值范圍在 59.25—84.73 Mg·hm-2?？傆袡C碳密度也呈現出隨著高程的增加而增大，變化范圍為66.59—119.08 Mg·hm-2。由此可知，研究區域的植被有機碳密度、土壤有機碳密度和總有機碳密度在高程上分異明顯，均隨著高程的升高而增大。

3 討論

3.1 植被、土壤分布特征與影響因素

氣候和人類活動是影響植被的分布和變化的決定因素（Fang et al.，2002；聶桐等，2022）。黃河流域河南段屬暖溫帶氣候，也是東部濕潤氣候向西北干旱性氣候過渡區，植被為暖溫帶植物，集中在西南部和中北部植物分別為伏牛山北部和太行山植被區系，其組成和起源相似，植被類型相近，由櫟類和楊樹等組成的落葉闊葉林占優（劉宗才等，2001）。該區域還分布著以人工飛播的油松林為優勢種的針葉林，受到林地砍伐或棄耕等人類活動影響而形成的灌叢。黃河流域河南段大部以平原和丘陵為主，兩者總面積占比達到了62.00%，集中在西南部伊河、洛河河谷和中東部廣大區域，是重要的栽培植被分布區，也是人為活動最劇烈的地區。其中東部平原植被以小麥、玉米為主的糧食作物為主，中部和中西部丘陵則以蘋果、櫻桃和梨等經濟作物占優。

土壤是綜合自然因素作用的產物，與氣候和植被的關系極為密切，土壤類型的形成既受成土因素的制約，又受環境條件的影響，也是植被類型形成的一個重要因素（解憲麗等，2004；石麗麗等，2008）。本研究顯示，研究區東部土壤類型相對較少，西部土壤類型復雜（圖3），潮土和褐土處于優勢土類，分別分布在東部和西部廣大區域，兩者占比達到了68.91%。潮土土壤主要由來自黃河沉積物及其受到水流和耕作影響而形成，土層深厚、地勢平坦。研究區西部（豫西山地）褐土的形成主要歸因于碳酸鹽弱度淋溶與聚積，與森林植被相互作用，進而形成有次生黏化現象的森林褐土類型。西部地形復雜，土壤類型多樣，植被資源豐富，呈現出一定的協同相關性（任圓圓等，2020）。

黃河流域河南段是黃河流域農耕文明的核心地帶，特別是黃河、伊河和洛河兩岸為居民聚居區，人口密集，傳統農業活動決定了這一廣大區域以栽培植被為主。黃河流域河南段西部是豫西山地的主要組成部分，地貌為丘陵和山地，特別是西南部和中北部為海拔相對較高的伏牛山地和太行山地，相對而言人為活動對植被的干擾程度相對較小，因此地帶性頂級植被——針葉林和落葉闊葉林集中在這一區域分布。

3.2 有機碳貯量和有機碳密度分異特征

黃河流域河南段的總面積占河南省面積的27.06%，植被和土壤有機碳貯量分別為53.24 Tg和294.92 Tg，其分別為河南森林植被有機碳貯量（107.98 Tg）（劉領等，2019）的49.31%和土壤有機碳貯量（1.027 Pg）（于建軍等，2008）的23.22%，其中研究區森林有機碳貯量為26.85 Tg，占河南森林有機碳的24.87%。研究區植被有機碳密度均值為12.12 Mg·hm-2，高于全國的平均植被有碳密度（1.47 Mg·hm-2）（李克讓等，2003）；土壤有機碳密度均值為 67.12 Mg·hm-2，低于河南土壤平均有機碳密度74.6 Mg·hm-2，遠高于全國土壤有機碳密度的平均值（9.13 Mg·hm-2）（解憲麗等，2004），也高于黃河下游灌區的土壤有機碳密度（15.12 Mg·hm-2）（趙廣帥等，2014）。這些特征表明，黃河流域河南段的植被和土壤有機碳貯量和有機碳密度低于河南平均水平而高于全國平均水平，具有一定碳匯潛力。

黃河流域河南段地勢特征明顯，在水平上方向上自東到西至西南、表現為從平原、丘陵、低山至中山呈海拔上的梯次變化，而這種特征影響著植被和土壤及其有機碳密度的空間分異特征。植被類型表現為從東部和中部等大部分地區的糧食作物、經濟作物到西部和中北部的灌叢、落葉闊葉林和針葉林的變化特征，相應的植被有機碳密度也呈獻出東低西高、西南最高，與高程變化趨勢相一致的特征；土壤類型從有機碳密度較低的東部風沙土和潮土到西部有機碳密度較高的褐土、西南部的棕壤等變化，也與高程變化保持一致的特點，進而植被和土壤有機碳密度累加后的總有機碳密度也表現為東低西高、西南最高的特征。

植被類型被認為是影響植被有機碳貯量的直接因素，通常植被的有機碳貯量是以生物量的形式存貯，因此，擁有更多生物量的林型有著最大的有機碳密度，生態系統更穩定的自然植被有機碳密度大于同類型的人工植被，同一區域的地帶性頂級植被擁有最大的有機碳密度（胡會峰等，2006；金彪等，2017）。本研究區域的西部和中北部，特別是西南部，分布著以櫟類為優勢種的落葉闊葉林，人為干擾相對較輕，所以是植被有碳密度較高的分布區域。而中部和東部，分布著人工活動最為強烈的栽培植物，因此植被有機碳密度相對最低。

影響土壤有機碳貯量和有機碳密度的因素相對較多，成土特征和成土環境是造成土壤有機碳貯量密度差異較大原因，其中環境中的植被覆蓋率、植物殘體腐解和礦化快慢直接影響著土壤有機質的含量，因而對土壤有機碳影響顯著（Balesdent et al.，2000；辜翔等，2018）。在有機碳密度較低的區域，人口密集、土地利用程度高，因此，強烈的人為干擾可能是導致土壤有機碳密度變化的重要原因（Lu et al.，2018；解憲麗等，2004）。就本研究而言，植被和土壤有機碳密度較低的區域集中在黃河兩岸及其支流的河谷區域，正是黃河文明和旱作農業的核心區域，植被以有機碳密度較低的糧食作物為主，對土壤有機碳密度的貢獻很?。_懷良，2014），土壤以潮土、風沙土為主，土壤有碳密度也較低，傳統的人為耕作加速了碳的流失，因而是有機碳密度最低的區域。西南和中北區域的植被以森林植被為主，擁有較高的植被有機碳密度，土壤多為有機碳密度相對較高的類型，人為干擾相對較輕，因而是本區域有機碳密度較高的區域。

總體而言，黃河流域河南段的東部是重要的糧食產區，中部經濟作物分布較廣，西部、特別是西南部森林資源的重要分布區。盡管農田生態系統的植被有碳匯貢獻能力有限，其土壤碳匯能力占主導地位，但通過改進耕作方式，加強秸稈還田和土壤管理等途徑，能明顯增加農田生態系統的碳匯能力（張黛靜等，2019；張向前等，2019），因此黃河流域河南段的中、東部有較大的增匯潛力。有研究表明，流域上游山地是植被恢復最快的區域，特別是低山區植被恢復速度最顯著（楊媛媛等，2022），黃河流域河南段西部山區，特別是西南部森林植被和灌叢的集中分布，有機碳密度高，同時這一區域也是河南省內黃河流域和長江流域的重要水源涵養地（肖軍倉等，2017），因此加強本區域植被撫育和管理，對于提高黃河流域河南段的碳匯和生態能力均具有重要的現實意義。

4 結論

本研究應用河南省森林調查和土壤普查數據，估算和分析黃河流域河南段的植被、土壤及其有機碳貯量和有機碳密度空間分布特征，主要結論如下：

（1）黃河流域河南段植被以栽培植物（糧食作物和經濟作物）為主，集中分布在中部和東部，其次為常綠闊葉林，主要分布在西南和中北部；土壤以潮土和褐土占優，分別分布在東部和西部。

（2）黃河流域河南段植被和土壤有機碳貯量分別為53.24 Tg和294.92 Tg，分別占河南森林有機碳和土壤有機碳的49.31%和23.22%；平均植被和土壤有機碳密度分別為 12.12 Mg·hm-2和 79.23 Mg·hm-2。

（3）黃河流域河南段植被和土壤有機碳密度以及總有機碳密度均表現為東部低西部高，西南部最高，其有機碳密度值均表現為：平原 (＜200 m)＜丘陵 (200—500 m)＜低山 (500—1000 m)＜中山Ⅰ(1000—1500 m)＜中山Ⅱ (＞1500 m)，即植被和土壤及總有機碳密度隨著高程增加而逐漸增大。

綜上所述，黃河流域河南段的植被、土壤及其有機碳密度呈現水平上從東到西和西南、高程上從低海拔至高海拔的分異現象。植被表現為東部主要為糧食作物、草甸和沼澤，中部主要為經濟作物，植被有機碳密度相對較低；西部至西南部和中北部，主要為灌叢、落葉闊葉林和針葉林，植被有機碳密度相對較高。土壤表現為東部以潮土為主，土壤類型相對較少，多為有機碳密度相對較低的土類；西部，特別是西南部，土類多為褐土和棕壤等，土壤類型復雜，土類的有機碳密度相對較高。因此保護好西部，特別是西南部良好的植被資源，改進中部和東部栽培作物的耕作和管理方式，是穩定和增加本區域碳匯能力的關鍵舉措。