土壤是全球重要的碳库和氮库。在全球碳、氮循环中具有重要地位，直接影响着
陆地生态系统的温室气体排放和全球气候变化。正确估算区域土壤有机碳、氮水平以
及动态变化是全球气候变化研究的重要内容，也是近年来国际地学和生态学界的研究
热点领域。黄土高原是我国主要生态区，随着退耕还林草政策的实施，其土壤有机碳
和氮分布特征、储量估算以及未来的发展趋势研究是环境效应评价的重要内容之一。
本文以黄土高原典型小流域纸坊沟流域为研究对象，借助GPS对全流域进行均匀布点，
结合传统统计学、地统计学及 GIS，探寻黄土高原纸坊沟流域不同土地利用类型下土
壤有机碳、氮含量的空间变异性、分布特征及其影响因素，揭示了 20 年来该流域土壤
碳、氮的时空变化特性，并利用有机碳动态模型进行流域尺度的土壤有机碳模拟和预
测。得到以下主要研究成果：
1、0-100cm 土壤有机碳、氮含量均值分别为 3.08 g·kg -1 和 0.32g·kg -1 。土壤有机碳、
氮含量随土壤深度的增加而减小，与土层深度的关系均可用幂函数表示。各层土壤有
机碳、氮含量均属于中等变异强度，并符合对数正态分布，并且可用不同的半方差理
论模型拟合。土壤有机碳含量在 40cm 以上具有中等空间相关性，受随机因素和结构
性因素共同作用。40cm 以下具有强烈的空间相关性，主要受结构性因素影响。土壤全
氮含量在 0-10cm、40-60cm 具有强烈空间相关性，主要受结构性因素影响。其余四层
具有中等空间相关性，受随机因素和结构性因素共同作用。流域空间分布上的差异与
地形、土地利用和一些人类活动等因素有密切关系。普通 Kriging 插值能直观地反映出
该流域土壤有机碳空间分布的情况。
2、0-100cm 土壤有机碳、氮含量和密度均表现为：灌木>林地>草地>农地；土壤
容重依次为：农地>草地>林地>灌木。农地的土壤容重在各层均明显高于其它土地利用
方式，深度对土壤容重影响并不明显。土壤容重和有机碳含量之间可用幂函数关系来
表示。不同土地利用类型下，土壤有机碳与全氮均存在极显著线性相关关系(p<0.01)，
C/N 从大到小依次为：林地>灌木>草地>农地。草地、林地和农地的土壤 C/N 随土壤深度的增加而减小，灌木则不明显。坡度在 8-15°之间土壤有机碳含量显著高于其他坡
度（p>0.05），而<5°显著低于其他坡度，15-25°土壤全氮含量显著低于其他坡度范围，
其他坡度范围差异不显著。土壤有机碳、氮含量在坡向上的差异表现为：阴坡>阳坡>
半阳坡>半阴坡。土壤有机碳、氮含量随海拔的变化呈现出相似的变化趋势：随着海拔
的增加，呈先增加后降低趋势。在垂直方向上，土壤有机碳、氮含量的剖面分布在 60cm
以上较高，随深度增加而减少的趋势明显；60cm 以下，土壤有机碳、氮平均含量较低
且稳定。
3、纸坊沟流域 0-100cm 平均有机碳、氮密度分别为 2.63kgC·m -2 和 0.267kgN·m -2 ，
有机碳、氮储量分别为 21.62×10 6 kgC、2.20×10 6 kgN。土壤有机碳密度具有强烈的空间
相关性，受结构性因素影响。而土壤氮密度具有中等空间相关性，受随机因素和结构
性因素共同作用。土壤有机碳、氮密度半方差函数的拟合曲线分别符合指数，球状模
型的变化趋势，在空间分布上表现出阶梯状和环状的空间分布格局。土地利用类型、
地形和土壤质地是土壤有机碳氮密度分布的主要影响因子。土层深度与土壤有机碳、
氮储量之间的关系可用幂函数关系式表示。土壤有机碳、氮密度小于平均值的土壤面
积约占总面积的 65.58%和 59.75%，说明流域大部分土壤的有机碳、氮含量较低，流域
土壤总储量较小。
4、近二十年来，纸坊沟流域 0-20cm 土壤有机碳、氮含量分别增加 2.37g·kg -1 和
0.12g·kg -1 。储量较 1992 年分别增加了 78%和 30%。两期数据均属于中等变异性并符
合对数正态分布。2010 年土壤有机碳、氮的变异系数与空间相关程度均高于 1992 年。
变程数据表明近 20 年来研究区域空间分布均一性减弱，小范围内变异增强，整体分布
较复杂。空间分布表明，高值区从地势较高的流域外围转向地势较为平坦的低洼地区。
退耕还林（草）引起的土地利用变化及一些人类活动是时空变化的主要原因。
5、Century 模型可以模拟黄土高原小流域土壤有机碳的动态变化。在 Century 模型
运行达到平衡状态时，研究区土壤总有机碳为 1.792kgC·m -2 ，活性有机碳库、慢性有
机碳库和惰性有机碳库分别占总有机碳库的 3%，68%和 29%。在研究区平衡状态被破
坏后，土壤总有机碳经历了“增加—减少—增加”变化趋势，最终土壤总有机碳超过
了原始自然平衡状态下的土壤有机碳水平。各组分土壤碳库的变化与土地利用方式和
农业管理模式有密切关系。应用 Century 模型模拟 2110 年土壤有机碳（0-20cm）为
1.86kgC/m 2 ，有机碳储量为 15.4×10 6 kgC，不同土地利用方式下土壤有机碳均有不同程
度的提高，显示出明显的土壤“碳汇”效应。土地利用和地形因素会在很长一段时间
内影响研究区土壤有机碳的空间分布格局。
关键词：黄土高原；土壤有机碳、氮；影响因子；GIS；时空变异；Century 模型