山东半岛蓝色经济区土壤有机碳储量及固碳潜力分析

代杰瑞，喻 超，张 杰，宁振国，王增辉，程 鑫

1.山东省地质调查院，济南 250013

2.山东省第三地质矿产勘察院，山东 烟台 264670

0 引言

在陆地生态系统与大气交换的CO2中，土壤有机质分解释放的 CO2约占2/3［1－2］，土壤有机碳库可视为大气CO2的重要源与汇，其较小的变化就会对大气碳量产生较大的影响，继而影响全球气候的变化，同时也能对陆地生态系统的分布、组成、结构和功能产生深刻影响［3］。因此，区域土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）密度分布规律、影响因素及固碳潜力的研究已成为科学界研究的热点问题。长期以来，系统实测数据的缺乏是土壤碳库及其影响机制研究的一大障碍。2003年至今，中国地质调查局和山东省政府组织实施的多目标区域地球化学调查，采用双层网格化立体调查，获得了山东半岛蓝色经济区陆域范围内表层（0～20cm）土壤和深层（120 cm以下）土壤海量高精度土壤地球化学数据，为准确系统地计算不同层位土壤碳密度、碳库储量和变化研究奠定了基础。

山东半岛蓝色经济区位于山东省东部，陆域范围包括青岛、东营、烟台、潍坊、威海、日照6市及滨州市的无棣、沾化2个沿海县，面积6.4万km2。笔者以这批调查数据为基础，对区内土壤有机碳密度变化规律和碳库构成进行了研究，同时结合第二次土壤普查（以下简称为“二普”）数据，对未来固碳潜力进行了分析，以期对经济区增加土壤碳储量、提高土壤肥力、保障农业生产以及我国CO2减排战略规划提供指导。

1 数据来源与碳储量计算方法

1.1 数据来源及数据处理

山东半岛蓝色经济区自2003年开始，实施了多目标区域地球化学调查，样品采集于2003年和2010年。土壤样品采用网格布样法采集，表层土壤采样密度为1件/km2，在采样点周围50m范围内等量采集3～5点土壤组成一件样品；同时采集深层土壤样品，采样密度为1点/4km2，平原区采样深度150～200cm，山地丘陵区采集的是120cm以下30 cm的土柱，全区平均采样深度约为150cm。笔者共采集表层土壤样品65 124件，深层土壤样品15 218件。土壤样品分析由武汉岩矿测试中心承担，按4个相邻网格（表层样4km2，深层样16km2）的样品组合为一个样品进行分析。采用X射线荧光光谱、等离子光谱、氢化物原子荧光光谱、发射光谱等一整套大型精密仪器分析54项元素（指标），其中土壤有机碳、全碳经硫酸、重铬酸钾消解后，采用硫酸亚铁铵容量法进行测定，分析检出限0.02%，准确度和精密度合格率均为100%。样品采集、分析及质量监控按中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范（DD2005－01）》［4］执行。山东省于20世纪80年代中期（1980—1985年）进行了全省第二次土壤普查，从中收集了经济区内表层不同类型土壤的365个有机质数据。

利用MapGIS软件对多目标调查有机碳数据进行空间加密插值成图，生成具有47个质量分数区间的有机碳等值线图；将所收集的二普有机质数据除以Bemmelen系数（1.724）得到二普时期的有机碳质量分数数据，利用MapGIS空间分析功能把二普分析点位与“新图”进行相交分析，提取二普时期与多目标调查同点位的有机碳质量分数数据，进行固碳潜力研究。

1.2 土壤碳储量计算方法

单位面积一定深度的土体中碳储量为土壤碳密度（soil carbon density，SCD）；4km2范围内，一定深度土体中碳的储量为单位土壤碳量（unit soil carbon amount，USCA）；一定面积和深度土体中碳的总量为土壤碳储量（soil carbon reserve，SCR）。本研究采用了0～20cm，0～100cm和0～160cm 3种不同的土层深度分别代表表层、中上层和全层土壤。

根据文献［5］中的方法计算土壤有机碳和无机碳密度及储量。这一方法认为土壤有机碳质量分数符合从表层到深层逐渐递减的指数曲线模型（y＝aebx）空间变化规律，其计算土壤碳密度的本质是对土壤剖面在垂直（z）方向上的积分，结果相当于土壤碳质量分数曲线与坐标轴围成的面积，采用该方法计算的有机碳密度误差最小；土壤无机碳质量分数剖面接近直线模型（y＝ax＋b），从表层到深层质量分数均匀递减，故采用直线模型法计算无机碳在任意深度（0～200cm）内的平均质量分数，进而求取土壤无机碳密度。

土壤有机碳密度（soil organic carbon density，SOCD）计算公式为

其中，

土壤无机碳密度（soil inorganic carbon density，SICD）计算公式为

其中，

式（1）—（4）中：SOCD和SICD分别为土壤有机碳和无机碳密度（kg/m2）；TOC和TIC分别为一定深度内土壤有机碳和无机碳平均质量分数（10－2）；TOC1和TOC2分别为表层土壤和深层土壤有机碳实测质量分数（10－2），TIC1和TIC2分别为表层土壤和深层土壤无机碳质量分数（10－2），即全碳实测数据与有机碳数据之差；d1取表层土壤取样中间深度（10cm）；d2为深层土壤取样实际深度（范围120～180cm，平均为160cm）；D为所要计算碳量的深度（分别取20、100和160cm）；ρ为土壤容重（g/cm3）；10为单位换算系数。土壤容重数据见文献［6］。

以上求出的“土壤碳密度”与单元格面积（4 km2）的乘积即为USCA，并进一步换算为以t计单位。土壤有机碳量（soil organic carbon reserve，SOCR）与无机碳量（soil inorganic carbon reserve，SICR）之和即为SCR，单位为t。

2 土壤有机碳密度及储量

2.1 不同层次土壤有机碳密度及储量特征

根据公式（1）—（4），山东半岛蓝色经济区内表层（0～20cm）、中上层（0～100cm）和全层（0～160 cm）的土壤碳密度和储量见表1。

表1 不同深度土壤碳密度与储量Table 1 Statistics of SOC density and carbon storage in different depth of soil

从表1可以看出，3种土壤层位的SOC密度分别为2.06、7.11、9.61kg/m2。同全国典型地区SOC密度（表层3.19kg/m2、中上层11.64kg/m2、全层15.34kg/m2）［7］相比，各层 SOC密度均处于偏低水平。经济区陆域面积占国土面积的0.67%，而中上层SOC储量（458.27Mt）却仅占全国中上层储量（1.857×105Mt）［7］的0.25%，说明本区土壤还有很大的固碳潜力。

从土壤层次来看，表层SOC储量占全层SOC储量的21.39%，这个比率与吉林（23.74%）、四川（17.01%）、湖南（21.84）、河北（21.30%）［7］等多数省 份 相 当，但 与 西 藏（57.00%）［8］、内 蒙 古（35.56%）［9］等表层SOC质量分数丰富的地区相比偏低；中上层SOC储量占全层的73.91%，SOC主要集中在100cm深度内，100cm以下（100～160 cm）SOC储量有限。

图1为土壤有机碳、土壤无机碳（soil inorganic carbon，SIC）储量在不同土壤层次中占全碳（total carbon，TC）储量的比率，表层SOC储量几乎占到TC储量的3/4；但随土壤深度的增加，SOC所占比率逐渐减小，相应SIC所占比率逐渐增大，从土壤全层看，二者所占比率差异已非常接近。这反映了不同深度土壤层TOC受地质背景（母岩、地形地貌等）、土地利用和气候等的影响程度不同，接受外界输入的有机质量也有很大差别。

2.2 不同统计单元的土壤有机碳密度及储量

2.2.1 不同土壤类型有机碳密度及储量

山东省不同土壤类型SOC密度和储量见表2。由表2可见：各土壤类型的中上层和全层的SOC密度大小顺序一致；与表层土壤相比，中上层和全层土壤的SOC密度差异显著，如中上层褐土SOC密度是新积土的1.71倍，全层石质土SOC密度是风沙土的2.48倍，是盐土的1.47倍。

图1 SOC、SIC储量占TC储量的比率随深度的变化Fig.1 Ratio of TOC and TIC storage accounted for TC storage varies with depth

表层SOC密度较高的土壤类型有砂浆黑土（2.52kg/m2）、石质土（2.51kg/m2）、褐土（2.48 kg/m2）、水稻土（2.47kg/m2），是全区表层SOC密度（2.06kg/m2）的1.19～1.22倍。石质土和褐土是主要的森林土壤，林木（草）凋落物和动物残体富足，土壤有机质质量分数高；水稻土和砂浆黑土是优质农业土壤，在生产中需合理使用使有机质质量分数保持较高水平；潮土作为经济区主要的土壤资源，经长期耕种后局部有机质质量分数下降明显，其表层SOC密度（1.97kg/m2）在各土壤类型中偏低，且低于全区表层SOC平均密度。表层SOC密度较低的土 壤 类 型 主 要 为 新 积 土（1.49kg/m2）、盐 土（1.49kg/m2）、风沙土（0.91kg/m2）。新积土和风沙土由于其物质组成和成土历史等原因，生物活动相对较低，抑制了土壤中有机质的积累，是农业发展的不利因素；滨海盐土有机质质量分数低，土壤盐化或碱化对作物生长造成影响，需进行盐渍化治理。

从表层SOC储量来看，全区总储量为132.64 Mt，其中储量最丰富的为棕壤（35.40Mt），其次为潮土（26.46Mt）和粗骨土（26.11Mt），三者累计占总储量的一半以上。值得重视的是砂浆黑土，其面积占全区面积的6.43%，而表层SOC储量却占全区的7.89%，土壤固碳效应明显，与砂浆褐土相类似的石质土、水稻土、褐土，也具有较好的固碳效应。

2.2.2 不同地貌类型土壤有机碳密度及储量

经济区不同地貌类型表层SOC密度和储量见表3。由表3可知：不同地貌景观下，表层SOC密度以中山（3.36kg/m2）最高；其次是低山（2.46kg/m2）、山前倾斜平原（2.42kg/m2）、山间平原（2.25 kg/m2）和岛屿（2.10kg/m2），它们高于全省表层SOC密度的平均值；往下为丘陵（2.01kg/m2）和微倾斜低平原（1.91kg/m2）；三角洲平原（1.56kg/m2）最低。就储量来看：山间平原表层SOC储量最高，与丘陵一起，二者储量共有73.88Mt，占到表层SOC总储量的一半以上；再往下依次是微倾斜低平原、三角洲平原、山前倾斜平原、低山、中山、岛屿。SOC储量的这种分布特征同各地貌类型的分布面积比率基本一致。

表2 不同土壤类型SOC密度及储量Table 2 SOC density and storage of different soil types in Shandong Province

表3 不同地貌类型表层（0～20cm）SOC密度和储量Table 3 Statistics of SOC density and storage in surface soil（0－20cm）of different landforms in Shandong Province

地貌类型SOC密度主要与土地利用方式有关。山区土地利用类型以林地为主，山前倾斜平原则以园地或草地为主。山区雨量充沛，林被覆盖率高，植物光合作用将大气中的CO2转化为有机碳最终释放固定在山区土壤中；园地经长期熟化，土壤有机质高，同样有利于有机碳的积累。相比而言，微倾斜低平原区和丘陵区是主要的农业耕作区，受人类活动影响较大，农作物收割、秸秆焚烧均会使碳从土壤中流失；丘陵区土层薄，植被覆盖率低，水土流失导致碳的流失也最为严重。

2.2.3 不同土地利用方式下的土壤有机碳密度及储量

土地利用变化是陆地生物圈碳循环最主要的驱动力之一［10－11］，即土壤有机碳密度及储量变化将受到不同土地利用方式的影响。表4列出了经济区内旱地、水浇地、菜地、园地、林地、草地等10种主要土地利用方式下的表层SOC密度及储量。由表4可见：在耕地利用类型中，灌溉水田是表层SOC密度最高的土地利用类型，平均值为3.45kg/m2，是旱地（2.19kg/m2）的1.58倍，且高于全国水田（3.21 kg/m2）和旱田（2.84kg/m2）SOC密度［12］；水浇地（2.21kg/m2）和旱地（2.19kg/m2）SOC密度相当且接近全区表层SOC密度（2.06kg/m2），菜地最低，仅为1.61kg/m2。其他用地类型中：表层SOC密度按林地（2.45kg/m2）、草地（2.36kg/m2）、园地（2.26kg/m2）依次降低，且均大于全区表层SOC密度；而居民及工矿用地（2.01kg/m2）、未利用地（沙地和盐碱地）（1.77kg/m2）表层SOC密度偏低。由于多目标区域地球化学调查获取的介质为土壤样品，水域类型统计数据可理解为河渠、湖泊、水库坑塘等周边土壤的TOC密度，而非水域本身，从表4可知，该用地类型的SOC密度最低，仅为1.60kg/m2。由以上可知，植树造林扩大林地、草地和绿化地面积以及旱地在现有条件下转为园地，可以起到土壤碳汇作用，保护灌溉水田不被破坏，同时也是保护土壤碳库。

从储量来看：旱地面积接近全区面积的一半，表层SOC储量最高；其次为水浇地。二者储量累计105.14Mt，占表层SOC总储量的76.45%，成为本区表层SOC的主要储库；尽管灌溉水田的SOC密度最高，但由于分布面积小，其储量仅占全区的0.86%。

3 表层土壤有机碳储量空间分布特征

半岛蓝色经济区表层SOC密度空间分布见图2。潍坊和东营以水浇地为主，土壤类型主要为潮土和砂浆黑土，SOC密度整体处于中等偏低水平；经济区北部沿海地带盐碱地和沙地占优势，土壤类型为滨海盐土和新积土，SOC密度最低；山地丘陵区以及鲁东中低山区，土地利用以林地和园地为主，SOC密度较高，另外日照分布一定面积的灌溉水田（水稻土），也具有较高的土壤碳密度；其他地区土地利用以旱地为主，SOC密度处于中等水平。

表4 土地利用类型下表层（0～20cm）土壤有机碳密度和储量Table 4 Statistics of SOC density and storage in surface soil（0－20cm）of different land uses in Shandong Province

图2 山东半岛蓝色经济区表层（0～20cm）SOC密度空间分布图Fig.3 Distribution of SOC density in surface soil（0－20cm）of Blue Economic Zone of Shandong Peninsula

4 土壤固碳潜力分析

增加土壤有机碳的固定不仅可减少大气CO2含量，而且对保障国家粮食安全具有重要作用。近年来评估土壤固碳潜力已成为国际科学界研究的热点和难点。但由于不同研究者对潜力范畴的界定不同，区域尺度土壤固碳潜力的估算还存在很大的不确定性。区域土壤固碳潜力受区域气候、土壤类型、农业管理措施等综合影响；因此，合理地评价固碳潜力，应综合考虑气候、土壤类型和农业措施等诸多因素。

4.1 土壤固碳潜力分析

由于资料匮乏，本文固碳潜力分析仅从实测数据出发，采用多目标和二普SOC质量分数差值（ΔTOC）与二普SOC质量分数做回归分析（图3），并将求解的方程（y＝－0.583 8x＋0.640 3）作为“碳源汇”潜力的回归方程。从图3可见，当ΔTOC为0时，求得二普SOC质量分数为1.097%，即二普时期SOC质量分数小于1.097%的区域在到多目标调查时期内其质量分数总体表现为增加（碳汇），而质量分数大于1.097%的区域表现为减小（碳源），按照同等因素条件影响下，多目标调查获得的SOC质量分数在今后一定时期内也理应按这一规律进行变化。

图3 多目标和二普SOC质量分数差值（ΔTOC）与二普SOC质量分数相关关系图Fig.3 Correlation between SOC differences（ΔTOC，differences between the multi－target regional geochemical survey data and the second soil survey data）and SOC values originating from the second soil survey

根据该方法对区内表层（0～20cm）不同土壤类型的未来碳汇（源）潜力进行预测（表5）。由表5可知，所有土壤类型SOC储量均不同程度升高，SOC储量虽然局部地区减小，但整体呈增加的趋势，尤其风沙土、滨海盐土和盐土，增加量远大于减小量，总体将分别增加186.67%、128.45%和100.00%。这说明在今后一定时期内，研究区表层土壤将不断地从环境中吸收碳，总体表现为“碳汇”效应。未来SOC储量可由132.64Mt增加至193.58Mt，净增60.94Mt，主要集中在滨海盐土中，占总固碳潜力的28.37%，其次集中在潮土和棕壤中，二者累积占总固碳潜力的44.90%。利用MapGIS空间分析功能，计算得出总“碳源”值为5.07Mt，总“碳汇”值为65.97Mt。

4.2 未来时期内SOC密度空间变化特征

图4为山东半岛蓝色经济区“SOC源汇”分布图。由图4可见，研究区90.44%的区域SOC密度增加，SOC增加的“碳汇”区分布在东营、潍坊市中北部以及经济区东部大部分区域，其中以东营和调查区东部局部地段最为显著，SOC密度增加1.0 kg/m2以上。

SOC密度降低的“碳源”区分布有如下3个特征：1）出现在滨州无棣—沾化以及潍坊西部灰岩分布区，SOC密度将大幅度降低，一般降低0.71kg/m2以上，初步分析与SOC质量分数高、且处在高钙高盐的碱性环境中有关，未来将不利于有机碳增加［13－14］；2）经济区中北部中低山区，继续毁林（草）开荒，林地、草地向旱地转化将是导致未来形成“碳源区”的主要原因；3）矿集区以及城镇所在地，城镇用地及矿山用地的扩大将是导致未来SOC密度降低的主要因素，但由于面积有限，由此造成的土壤“碳源”效应相对较小。

图4 经济区表层（0～20cm）土壤碳汇（源）潜力预测分布图Fig.4 Spatial distribution of surface soil（0－20cm）carbon sinks and sources potential prediction in the economic zone

表5 经济区表层（0～20cm）土壤碳汇（源）潜力预测Table 5 Surface soil（0－20cm）carbon sinks and sources potential prediction in the economic zone

5 结论

1）利用山东省多目标区域地球化学调查数据，对山东半岛蓝色经济区表层（0～20cm）、中上层（0～100cm）和全层（0～160cm）3种土壤层位的SOC密度和储量进行了估算。结果表明，同全国典型地区SOC密度相比，各层SOC密度处于偏低水平，固碳潜力巨大。SOC主要集中在100cm深度内，占全层储量的73.91%，100cm以下（100～160 cm）SOC储量有限。

2）不同土壤类型、地貌类型和土地利用类型的SOC密度有一定差异。从土壤类型看，表层SOC密度较高的有砂浆黑土、石质土和褐土等；不同地貌景观区表层SOC密度以中山最高，其次是低山、山前倾斜平原、山间平原和岛屿，而三角洲平原最低；就土地利用类型而言，灌溉水田的表层SOC密度最高，林业用地和草地的SOC密度较高，而旱地和水浇地储量最高，二者累计占表层SOC总储量的79.27%，成为本区表层SOC的主要储库。

3）SOC质量分数在气候、地貌、土壤类型、农耕管理措施以及土地利用方式等多种自然和人为作用下，区内表层SOC密度分布总体上呈现为黄河三角洲平原和鲁东沿海地带最低、胶莱盆地和鲁北平原中等、山地丘陵区以及中低山区偏高的分布格局。从20世纪80年代第二次土壤普查和本次多目标区域地球化学调查数据所建立的回归方程分析，发现未来本区表层土壤在区域碳循环中整体表现为“碳汇”效应，尚有60.94Mt的固碳潜力，其中“碳源”量5.07Mt，“碳汇”量65.97Mt。

（References）：

［1］Schlesinger W H.Evidence from Chronosequence Studies for Alow Carbon－Storage Potential of Soils［J］.Nature，1990，348：232－234.

［2］Post W M，Emanuel W R，Zinke P J，et al.Soil Carbon Pools and World Life Zones［J］.Nature，1982，298：156－159.

［3］金峰，杨浩，蔡祖聪，等.土壤有机碳密度及储量的统计研究［J］.土壤学报，2001，38（4）：523－528.Jin Feng，Yang Hao，Cai Zucong，et al.Calculation of Density and Reserve of Organic Carbon Insoils［J］.Acta Pedolgica Sinica，2001，38（4）：523－528.

［4］DD2005－01中国地质调查局地质调查技术标准［S］.北京：中国地质调查局，2006.DD2005－01Geological Survey Technical Standards［S］.Beijing：China Geological Survey，2006.

［5］闫鹏，徐世良.山东土壤［M］.北京：中国农业出版社，1994：231－232.Yan Peng，Xu Shiliang.Shandong Soil［M］.Beijing：China Agricultural Press，1994：231－232.

［6］奚小环，杨忠芳，夏学齐，等.基于多目标区域地球化学调查的中国土壤碳储量计算方法研究［J］.地学前缘，2009，16（1）：194－205.Xi Xiaohuan，Yang Zhongfang，Xia Xueqi，et al.Calculation Techniques for Soil Carbon Storage of China Based on Multi－Purpose Geochemical Survey［J］.Earth Science Frontiers，2009，16（1）：194－205.

［7］奚小环，杨忠芳，廖启林，等.中国典型地区土壤碳储量研究［J］.第四纪研究，2010，30（3）：573－583.Xi Xiaohuan，Yang Zhongfang，Liao Qilin，et al.Soil Organic Carbon Storage in Typical Regions of China［J］.Quaternary Sciences，2010，30（3）：573－583.

［8］廖艳，孙淑梅，杨忠芳，等.吉林中西部地区土壤有机碳储量及其时空变化特征［J］.第四纪研究，2011，31（1）：189－198.Liao Yan，Sun Shumei，Yang Zhongfang，et al.Soil Organic Carbon Storage and Its Spatial－Temporal Variation in the Central and Western Area of Jilin［J］.Quaternary Sciences，2011，31（1）：189－198.

［9］傅野思，夏学齐，杨忠芳，等.内蒙古自治区土壤有机碳库储量及分布特征［J］.现代地质，2012，26（5）：886－895.Fu Yesi，Xia Xueqi，Yang Zhongfang，et al.Storage and Distribution of Soil Organic Carbon in Inner Mongolia［J］.Geoscience，2012，26（5）：886－895.

［10］杨玉盛，谢锦升，盛浩，等.中亚热带山区土地利用变化对土壤有机碳储量和质量的影响［J］.地理学报，2007，62（11）：1123－1131.Yang Yusheng，Xie Jinsheng，Sheng Hao，et al.The Impact of Land Use Change on Soil Organic Carbon Stocks and Quality in Mid－Subtropical Mountainous Area of Southern China［J］.Acta Geographica Sinica，2007，62（11）：1123－1131.

［11］许泉，芮雯奕，何航，等.不同利用方式下中国农田土壤有机碳密度特征及区域差异［J］.中国农业科学，2006，39（12）：2505－2510.Xu Quan， Rui Wenyi， He Hang， et al.Characteristics and Regional Differences of Soil Organic Carbon Density in Farmland Under Different Land Use Patterns in China［J］.Scientia Agricultura Sinica，2006，39（12）：2505－2510.

［12］Song G H，Li L Q，Pan G X，et al.Topsoil Organic Carbon Storage of China and Its Loss by Cultivation［J］.Biogeochemistry，2005，74：47－62.

［13］成杭新，杨晓波，李括，等.辽河流域土壤酸化与作物籽实镉生物效应的地球化学预警［J］.吉林大学学报：地球科学版，2012，42（6）：1889－1895.Cheng Hangxin，Yang Xiaobo，Li Kuo，et al.Geochemical Early Warning for Soil Acidification and Its Adverse Biological Effect of Cd in Rice and Maize Seeds in the Catchment Area of Liaohe，Liaoning Province［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2012，42（6）：1889－1895.

［14］张秀芝，赵相雷，李宏亮，等.河北平原土壤有机碳储量及固碳机制研究［J］.地学前缘，2011，18（6）：41－55.Zhang Xiuzhi，Zhao Xianglei，Li Hongliang，et al.Research on Organic Carbon Storage and Sequestration Mechanism of Soils in the Hebei Plain［J］.Earth Science Frontiers，2011，18（6）：41－55.