土壤碳库作为陆地主要碳库之一，对于气候变化具有重要的意义。土壤碳库是陆地碳库的重要组成部分，全球约有1500 Gt 碳以有机质形态储存于地球土壤中，是陆地植被碳库(500~600 Gt)的2~3 倍，是全球大气碳库(750 Gt)的2 倍^[1]。但目前宏观尺度上关于土壤有机碳分布的主要影响因素及其控制过程仍了解很少，这制约着全球大气碳收支的准确评估，是出现未知碳汇、预测气候变化及其影响不确定性的重要原因。有学者认为，气候在土壤有机碳含量的分布过程中起着重要的作用，而在土壤有机碳的输入与分解过程中起作用的气候因子主要是温度和水分^[2]。因此，气候因子与土壤有机碳储量之间相关性的研究可以辅助评价气候变化后土壤有机碳储量的长期变化趋势及其区域差异^[3]。已有的研究结果表明，土壤有机碳储量随降水的增加而增大，随温度的降低而增大^[4]，其分布受气候、植被、地形等环境因素影响^[5]，土壤所在区域的地理环境背景不同，影响土壤有机碳的主导因素就会不同^[6]，但是在宏观尺度上研究土壤有机碳的分布规律时很多区域性的影响因素可以忽略不计。微生物是土壤有机质分解和转化的主要驱动力，在一定的温度范围内，温度越高土壤微生物活性就越强，土壤有机质分解就越快^[9]。在较高的温度下，土壤中的理化反应速度较快，微生物活性强且代谢旺盛，作物生长速度也较快；反之，在温度较低时，尽管作物生长可能较慢，但是由于土壤中的各种理化反应也较慢，微生物活性也相对较弱且代谢相对较差，有机质的分解和养分转化等也相对较慢，有机质和养分的含量则较高^[8]。

为了进一步揭示年平均温度和年平均降水量对土壤有机碳含量的影响，明确土壤有机碳分布的宏观主导因素，本文利用最新的全国测土配方施肥数据集中的土壤有机碳数据，结合中国气象科学数据共享服务网的气象数据，深入分析了在全球气候变暖的大背景下，土壤有机碳与年平均温度和年平均降水量的相关性，以期为制定农田土壤管理政策、促进土壤碳固定和减少碳损失提供科学依据。

本研究中所采用的数据来源于全国测土配方施肥项目《测土配方施肥土壤基础养分数据集(2005—2014)》^[7]，主要包括省、地区、县的有机碳、全氮、有效磷、速效钾等指标。按照全国每个县(区)的土壤有机碳平均值作为该县(区)的有机碳含量值，同时将该县(区)行政中心点的GPS 坐标点作为土壤有机碳含量的坐标点位。

本研究中所采用的气象数据主要包括年平均温度和年平均降水量，来源于《中国气象科学数据共享服务网》(http：//cdc.nmic.cn)中国756 个基本、基准地面气象观测站气候资料年值数据集，气候资料中的年平均温度和年平均降水量数据主要取2000—2012 年的平均值，其气象数据以各县所对应的气象观测站的气象数据为代表。

应用Excel 2007 和SPSS 15.0 等软件对上述县域内年平均温度、年平均降水量、有机碳含量进行相关性分析、主成分分析等数据统计分析。

一般而言，在较高的温度下，土壤中的理化反应较快，微生物活性强且代谢旺盛，土壤动物活跃，作物生长速度也较快。因此，土壤有机质的分解和养分的转化也较快，土壤有机碳和养分含量相对较低^[8]，反之，易于土壤有机碳的积累。由表 1 可知，5 ℃以下的样本中，年平均降水量和年平均温度对土壤有机碳均有显著的相关性，R²分别为0.173 2和0.382 7，而且与年平均温度的相关性要高于与年平均降水量的相关性，说明温度对这一区域土壤有机碳的累积影响密切程度较大；5~10 ℃区间内，年平均降水量和年平均温度也对土壤有机碳有显著的影响，仍然是与年平均温度的相关性要高于与年平均降水量的相关性，说明仍然是温度对土壤有机碳的累积影响密切程度较大；但是在10~15 ℃和15~20 ℃区间内，土壤有机碳与年平均降水量的相关性要好于其与年平均温度的相关性，与年平均降水量显著相关，而与年平均温度不相关。在这一区域内，已经不是温度对土壤有机碳的影响密切程度较大，取而代之的是降水量对其影响密切程度较大；在20 ℃以上，土壤有机碳含量与年平均降水量和年平均温度的相关性都很差，说明他们对土壤有机碳的累积影响并不明显。随着温度的升高，各温度区域内土壤有机碳含量的标准差呈现逐渐降低的趋势。这可能是土壤有机碳对年平均温度较为敏感，随着年平均温度的升高，土壤有机碳对年平均温度的敏感性降低，因此导致标准差减小。

表 1 不同年平均温度下土壤有机碳变化（g·kg^-1） Table 1 Changes of soil organic carbon under different annual average temperature（g·kg^-1）

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图 1显示的是土壤有机碳含量与年平均温度的相关关系。在年平均温度小于10℃时，与土壤有机碳含量相关方程为y=1.640 5x+23.757，R²=0.399 8，显著相关，土壤有机碳含量随着温度的降低而升高。土壤有机碳含量与年平均降水量的相关方程为y=0.011 2x+9.265 7，R²=0.049 42，低度相关。这说明在年平均温度小于10 ℃时，年平均温度对土壤有机碳的累积影响密切程度较大。

图 1 年平均温度小于10 ℃时土壤有机碳含量与年平均温度的关系（n=581） Figure 1 The relationship between soil organic carbon content and annual average temperature at an average temperature of less than 10 ℃（n=581）

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由图 2 可知，在年平温度为10~20 ℃时，土壤有机碳含量与年平均温度和年平均降水量均呈现显著相关，与年平均降水量的相关方程为y=0.007 9x+5.549 1，R²=.0.435 0，与年平均温度的相关方程为y=1.091 6x-3.759 4，R²=0.267 8。由此可见，在年平均温度为10~20℃时年平均降水量和年平均温度对土壤有机碳的累积起基本相似的重要作用。但是究竟哪个因素对土壤有机碳的影响密切程度较大，需要进一步研究。

图 2 年平均温度10~20 ℃时土壤有机碳含量与年平均降水量（n=1442）和年平均温度（n=1563）的关系 Figure 2 The relationship between soil organic carbon content and annual average precipitation（n=1442）and annual average temperature（n=1563）at an average temperature of 10~20 ℃

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当年平均温度大于20 ℃时，与年平均降水量的相关方程为y=0.001 7x+17.441，R²=0.033 89，与年平均温度的相关方程为y=-0.507 9x+19.801，R²=0.097 28，相关性都很差。由此可见，在年平均温度大于20 ℃时，年平均温度和平均降水量对土壤有机碳的累积影响并不明显

降雨与土壤水分状况密切相关，因此在很大程度上直接影响土壤湿度和通气性、土壤氧化还原等，土壤水还参与土壤中矿物质风化、有机物的合成和分解等过程^[8]，所以降水量对土壤有机碳含量的影响是直接的。

按照年平均降水量0~200、200~400、400~600、600 ~800、800 ~1000、1000 ~1200、1200 ~1400、1400 ~1600 mm 和跃1600 mm 将土壤有机碳分为9 个区间，进一步研究在不同的区间内土壤有机碳与年平均降水量和年平均温度的关系，见表 2。在0~200 mm的地区，土壤有机碳与年平均温度呈现低度相关，但是与年平均降水量呈现显著相关(R²=0.329 0)，在此地区，年平均降水量对有机碳的累积影响密切程度较大。在200~400、400~600、600~800 mm 区间内土壤有机碳与温度呈正相关，而与年平均降水量不相关，在这三个区间内，温度对土壤有机碳的累积影响密切程度较大，而且在400~600 mm区间内，土壤有机碳含量与年平均温度的相关性R²=0.523 7，呈极显著关系，年平均温度对土壤有机碳累积的贡献大。在800~1000、1000~1200、1200~1400、1400~1600mm和跃1600 mm 的年降水量的区间内，土壤有机碳含量与年平均降水量和年平均温度均无相关性，可见，年平均降水量在800 mm 以上，年平均温度和平均降水量对土壤有机碳累积的影响并不明显。

表 2 不同年平均降水量下土壤有机碳变化（g·kg^-1） Table 2 Changes of soil organic carbon under different annual average precipitation（g·kg^-1）

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按照年平均降水量(干旱区0~200 mm、半干旱区200~400 mm、半湿润区400~800 mm 和湿润区大于800 mm 的划分标准^[25])，来讨论干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区土壤有机碳的主要影响因素，结果分别见图 3、图 4、图 5。在年平均降水量0~200 mm的干旱地区，土壤有机碳含量与年平均降水量的方程为y=0.022 3x+5.885 3，R²=0.329 0，呈现显著相关，与年平均温度的相关方程为y =-0.027 0x+11.387，R²=0.076 6，干旱区内土壤有机碳的累积随着年平均降水量的增加而增加，而与年平均温度不相关，年平均降水量对土壤有机碳累积的影响程度明显高于年平均温度对土壤有机碳的影响程度。在年平均降水量200~400mm的半干旱地区，土壤有机碳含量与年平均温度的方程为y=-1.1734x+17.982，R²=0.279 6，与平均降水量的相关方程为y=0.001 6x+9.210 5，R²=0.000 7，与年平均温度呈显著相关，与年平均降水量不相关，年平均温度开始对土壤有机碳的累积影响程度提高。在年平均降水量400~800 mm 的半湿润地区，土壤有机碳含量与年平均降水量的方程为y=0.006 6x+7.667 6，R²=0.016 0，年平均降水量仍然不是土壤有机碳累积的主要影响因素，而与年平均温度的相关方程为y=0.125 8x2-3.225 9x+29.82，R²=0.552 0，呈现极显著关系，半湿润地区年平均温度对土壤有机碳累积的影响程度明显高于年平均降水量对土壤有机碳累积的影响程度。在年平均降水量大于800 mm 的湿润地区，年平均温度和年平均降水量对土壤有机碳累积的影响均不及其他因素。土壤有机碳含量与年平均降水量的方程为y=0.002 5x+12.291，R²=0.036 8，与年平均温度的相关方程为y=-0.084 5x+17.038，R²=0.003 0。

图 3 年平均降水量在0~200 mm 时土壤有机碳含量与年平均降水量的关系（n=89） Figure 3 The relationship between soil organic carbon content and annual average precipitation at annual average precipitation 0~200 mm（n=89）

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图 4 年平均降水量在200~400 mm 时土壤有机碳含量与年平均温度的关系（n=203） Figure 4 The relationship between soil organic carbon content and annual average temperature at annual average precipitation 200~400 mm（n=203）

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图 5 年平均降水量在400~800 mm 时土壤有机碳含量与年平均温度的关系（n=894） Figure 5 The relationship between soil organic carbon content and annual average temperature at annual average precipitation 400~800 mm（n=894）

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在不同年降水量的地区，年平均降水量和年平均温度发挥着不同的主导作用。当年平均温度为限制因子时，年平均温度对土壤有机碳的影响起主导作用，当年平均降水量为限制因子时，年平均降水量对土壤有机碳的影响起主导作用；当年平均温度和年平均降水量都不是限制因子时，它们共同影响土壤有机碳的分布，但是究竟哪个因素对土壤有机碳的影响密切程度较大，需要进一步的研究。

在年平均温度小于10 ℃时，土壤有机碳与年平均温度的相关系数R²=0.399 8，与年平均降水量的R²=0.049 4，在年平温度为10~20 ℃时，与年平均温度的R²=0.267 8，与年平均降水量的R²=0.434 9；年平均温度大于20 ℃时，与年平均降水量的R²=0.033 9，与年平均温度的R²=0.097 3。由此可见，土壤有机碳含量在一定的范围内是随着年平均温度和年平均降水量变化的，尤其是在10~20 ℃时年平均降水量对土壤有机碳的影响密切程度较大。

很多研究结果表明，土壤有机碳含量随着温度的变化而变化，在温度较低时，尽管作物生长可能较慢，但是由于土壤中的各种理化反应也较慢，微生物活性也相对较弱且代谢相对较差，有机质的分解和养分转化等也相应较慢，有机质和养分的含量也较高^[8]。气候因子在土壤有机碳的蓄积和输出过程中，起着重要的作用。一方面，气候条件制约植被类型、影响植被的生产力；另一方面，微生物是其周转和分解的主要驱动力，气候通过土壤水分和温度等条件的变化直接影响微生物对有机碳的分解和转化速度^[10-11]。

本研究则认为，在温度低于10 ℃时，土壤有机碳含量与年平均温度呈负相关，即随着年平均温度的降低而升高，而在年平均温度为10~20 ℃时，土壤有机碳含量却与年平均温度正相关，即随着年平均温度的升高而升高，且年平均温度大于20 ℃时，土壤有机碳含量又随着年平均温度的升高呈现降低趋势。由于在年平均温度10~20 ℃时，土壤有机碳含量与年平均温度正相关，明显违背了一些前人研究土壤有机碳含量随着温度的升高而升高的常理^[12-14]，本文作者对年平均温度和年平均降水量做了相关性分析。

由表 3 可知，在我国，年平均温度与年平均降水量呈显著的相关关系，相关系数R=0.741 0。这说明在年均温度为10~20 ℃时，土壤有机碳含量与年平均温度表现出的正相关关系可能受到第三个变量即降水量的影响^[5]，因此我们运用偏相关关系进行分析。

表 3 年平均降水量与年平均温度相关性分析 Table 3 Correlation analysis between annual average precipitation and annual average temperature

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降水量和降水时间等作为一个重要的气候因素，也是影响土壤水分等情况的重要因素，也在很大程度上直接影响土壤湿度、通气性、土壤氧化还原状况等，并且在土壤的形成、肥力状况等方面发挥着重要、甚至是决定性的作用^[8]。土壤温度影响微生物对有机质的降解，一般来说在0~35 ℃的范围内，微生物分解有机物的速率随着温度的升高而升高，温度每升高10℃，土壤有机质最大分解速率提高2~3 倍^[20]。有研究结果表明，随着温度的升高，土壤有机碳的矿化速率增大^[23-24]，在5~35 ℃的范围内，随培养温度升高水稻土有机碳矿化速率和累积矿化量均升高，15、25 ℃和35℃时土壤有机碳累积矿化量分别是5 ℃时的1.94、3.55、6.01 倍^[19]。

由表 4 可知，偏向分析结果显示，在年平均温度10~20 ℃的范围内，土壤有机碳含量与年平均温度和年平均降水量的相关性与上文单一变量相关性分析结果较为一致，但是偏相关分析表明，土壤有机碳含量与年平均温度的偏相关系数为0.119 0，而与平均降水量的偏相关系数为0.430 0，显著相关，故10~20℃范围内的土壤有机碳含量与年平均温度的相关性是错误的，被年平均降水量的因素掩盖了，之所以出现正相关关系是因为年平均温度与年降水量具有显著的相关性^[9]，偏相关系数为0.741，导致土壤有机碳含量与年平均温度呈现正相关。

表 4 土壤有机碳含量与年平均温度和年平均降水量的偏相关系数 Table 4 The partial correlation coefficients between soil organic carbon with annual average precipitation and annual average temperature

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我国东部自东北到华南，平均降水量与年平均温度不断变化，大兴安岭地区土壤有机碳密度最高，黄土高原地区土壤有机碳密度最低，其次是华北地区，而这是由年平均降水量与年平均温度共同作用的结果^[21]。在我国的中纬度地区，土壤有机碳含量随着纬度增加，降水量和有机碳含量间相关系数明显增加，而在高纬度地区和低纬度地区，年平均降雨量与土壤有机碳含量有着截然相反的相关性，即降水量可能是影响土壤有机碳含量的重要因素之一，年平均气温13~23 ℃地区，主要包括福建、江西、安徽和江苏的一部分，年平均温度对有机碳含量的影响甚微^[22]。这与本研究结果基本一致。

因此，年平均温度在10~20 ℃范围内，土壤有机碳含量受到降水量因素的影响大于受年均温度的影响^[15]。这就是年平均温度在10~20 ℃范围内，土壤有机碳含量不是随着温度的降低而升高，而是随着温度的升高而升高的原因，即年平均降水量起主导作用。而年平均温度大于20 ℃的区域，因为年平均温度和年平均降水量充足，植被生物量大，同时土壤微生物活动剧烈，但是土壤有机碳的输入量小于输出量，年平均温度和年平均降水量对土壤有机碳的影响密切程度较小。总之，不能简单地用年平均温度和年平均降水量来考虑有机碳的分布情况，还应考虑可能受到其他因素的影响，如pH、CEC、土壤质地、成土母质、耕作制度等因素的影响^[16-18]。

(1) 宏观尺度上，年平均气温和年平均降水量对中国年平均温度小于20 ℃的区域的土壤有机碳分布有明显影响。

(2) 在年平均温度小于10 ℃时，土壤有机碳含量与年平均温度的相关性较好，土壤有机碳随年平均温度的降低而升高；10~20 ℃时，土壤有机碳含量虽然与年平均温度和年平均降水量都有显著的正相关，但年平均降水量对土壤有机碳分布的影响程度明显高于年平均温度；大于20 ℃时，年降水量及年平均温度对土壤有机碳的影响不如其他因子的影响程度大。

(3) 在年平均降水量0~200 mm 的区间内，土壤有机碳与年平均降水量有显著的相关性；在200~800mm 的年降水量区间内，土壤有机碳与年平均温度的相关性好于其与年平均降水量的相关性，年平均温度的影响程度高于年平均降水量；大于800 mm 的区域，年降雨量及年平均温度对土壤有机碳的影响不如其他因子的影响程度大。