基于ArcGIS的县域耕地表层土壤有机碳储量估算——以洪江市为例

王 江

（湖南农业大学 资源环境学院学院，湖南 长沙 410128）

1 研究区域概况

土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）是重要的国家资源之一，不仅影响土壤质量也会影响环境，土壤有机碳分解和积累速率的变换直接影响到全球的碳平衡。人类活动加速了土壤有机碳的变化，已对碳在地球各圈层之间的平衡机制产生相当显著的影响，造成大气二氧化碳浓度的持续增长。土壤有机碳的空间布局和总储量对土壤生产力、土壤水文特征以及全球气候变化的研究都是非常重要的信息。

土壤碳储量是维持农业生态系统稳产高产和环境安全的最基本条件。据估算中国土壤是一个巨大的碳库，其有机碳储量约为92400Tg，平均碳密度为105.3t/hm2。而耕地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，但由于土地利用方式和田间管理措施不合理，导致中国农业土地每年损失73.8Tg碳。因此开展耕地表层碳储量研究有助于正确地分析土壤碳库源汇动态，科学地指导人们开展农业生产。本研究以洪江市耕地为对象，对洪江市耕地表层土壤有机碳储量进行估算，运用ArcGIS空间统计分析技术对有机碳储量的空间分布特征进行研究，旨在为耕地土壤肥力质量的评价、耕地土壤碳循环的研究和全球环境变化的研究等提供科学依据。

洪江市水资源丰富，境内溪河纵横，年平均气温17.7℃，年降水量约为1246.7mm，年日照1415h，适宜种植水稻、油菜、棉花等多种农作物。地势受雪峰山脉影响，东南高，西北低，山地夹丘陵与河谷平原相连。东南部地区多山地，海拔在400m以上，最高峰为苏宝顶（海拔1934m）；中部地区为安洪江谷盆地，地势低凹，且较平坦（海拔300～400m）。由于地形起伏使土壤中水、肥、气、热等诸多影响因素分配不均匀，导致区域内土壤肥力存在较大差异。洪江市是杂交水稻的发源地，全市东西长102km，南北宽55km，总面积为216687hm2，其中耕地面积为29067hm2，占总面积的13.41%。研究耕地表层土壤对发展农业，建设社会主义新农村有着十分重大的意义。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

本文数据来源于《湖南省耕地地力评价》项目，根据项目要求，以洪江市各乡镇和土种面积为基础，依据各乡镇的耕地面积，土种类型和作物种植情况来确定采样数量。考虑作物成熟时间为10月中下旬，于11月初至12月底依据农田形状采用X法、S法或棋盘法均匀随机采取20个样点0～20cm耕地表层土壤，充分混匀后采用四分法留取1kg。土样经室内阴干，制样后进行土壤农化分析：土壤有机碳采用重络酸钾外加热法。

图件数据采用第二次土壤普查建立的洪江市土壤类型图（1:50000）和洪江市土地利用现状图（1:10000）提取水田和旱地图斑，基于ArcGIS空间分析和数理统计工具进行数据分析。

2.2 数据处理与分析

目前国内外通过土壤类型法、模型法、生命带类型法和GIS估算法等研究方法进行土壤有机碳储量研究，国内研究者采用土壤类型法对浙江省、江西省等省域尺度耕地碳储量研究已有一定成果。本文以《湖南省耕地地力评价》项目土壤农化分析结果为基础，以土壤剖面数据计算分类单元的土壤碳含量，再按照洪江市耕地图斑上的面积得到耕地表层土壤有机碳总储量。

土壤有机碳密度由下式计算求得：

式中SOCD为土壤有机碳密度（t/hm2）；SOC为土壤有机碳含量（g/kg）；ρ为土壤容重（g/cm3）；H为土层厚度（cm）。

土壤有机碳储量由下式计算求得：

式中SOCR为土壤有机碳储量（t）；SOCDi为某块图斑有机碳密度（t/h m2）；Si为某图斑面积（hm2）。

本文采用插值法和土壤类型法，利用ArcGIS10.1软件的分析功能和有机碳估算模型，对洪江市各乡镇以及不同类型耕地表层土壤（0～20cm）的有机碳密度及储量进行估算。

3 结果与分析

3.1 洪江市耕地表层土壤有机碳空间分布分析

基于ArcGIS，由于土壤采样数据为点数据，因此首先采用克里格插值法对洪江市采样点数据进行空间内插，对土壤有机碳密度进行计算，再与耕地图斑进行相交分析，可以看出洪江市耕地表层土壤碳密度空间分布从宏观上看有较大的变异性。总体来讲，洪江市东南大部分地区地表层有机碳密度较高，西部及中部流域地区耕地表层有机碳密度较低。

3.2 洪江市各乡镇耕地表层土壤有机碳估算

将有机碳密度与其对应的乡镇的面积相乘，得到各乡镇土壤的有机碳储量（表1）。洪江市各乡镇耕地表层有机碳密度差异较大，平均值28.33至55.36t/hm2之间，洪江市各乡镇耕地表层土壤有机碳密度大小依次为：洗马乡（50.60t/hm2）、铁山乡（50.48t/hm2）、塘湾镇（49.63t/hm2）、岔头乡（47.41t/hm2）、雪峰镇（47.32t/hm2）、湾溪乡（45.96t/hm2）、熟坪乡（45.20t/hm2）、双溪镇（44.37t/hm2）、硖州乡（42.52t/hm2）、托口镇（42.49t/hm2）、大崇乡（42.31t/hm2）、龙船塘瑶族乡（41.95t/hm2）、龙田乡（41.85t/hm2）、土溪乡（41.53t/hm2）、深渡苗族乡（40.90t/hm2）、群峰乡（40.62t/hm2）、太平乡（39.99t/hm2）、沙湾乡（38.84t/hm2）、江市镇（38.30t/hm2）、茅渡乡（37.54t/hm2）、黔城镇（36.46t/hm2）、安江镇（33.30t/hm2）、红岩乡（33.00t/hm2）、沅河镇（29.51t/hm2）、岩垅乡（28.33t/hm2）。

表1 洪江市各乡镇耕地表层土壤有机碳密度和碳储量

依据各乡镇面积，加权得出洪江市耕地表层土壤有机碳储量为1204680.21t。其中熟坪乡耕地表层土壤有机碳储量最高（83097.47t），占总储量的6.90%，其次为铁山乡（68841.75t）、双溪镇（67075.72t）、江市镇（63697.67t）等，分别占总储量的5.72%、5.57%、5.29%。碳储量最低的乡镇为安江镇，仅为859.03t，占总储量的0.07%。

3.3 洪江市不同类型耕地表层土壤有机碳估算

由表2可知，洪江市有5种土壤类型，不同类型土壤的有机碳密度差异较大，洪江市平均耕地表层土壤有机碳密度较高为41.50t/hm2。不同类型土壤中红壤、黄壤有机碳密度最大，但分布面积较小，潮土有机碳密度最小，各类型土壤有机碳密度由大到小依次是红壤、黄壤、水稻土、紫色土、潮土。

表2 洪江市不同类型耕地表层土壤有机碳密度及储量

全市共有水田面积27454.48hm2、占耕地总面积的94.46%。主要以潴育性水稻土为主占66.67%、潜育性水稻土占21.76%、淹育性水稻土占11.35%、漂洗水稻土占0.22%。而水稻土亚类为淹育型水稻土的土壤有机碳密度最大（45.97t/hm2），分别是潴育型（40.93t/hm2）、潜育型（40.61t/hm2）、漂白型（38.20t/hm2）的1.12、1.13和1.20倍。全市旱土面积1609.77hm2、占耕地总面积的5.54%，其中面积最大的主要有灰红土、红灰土、黄泥土、红泥土、扁沙土、岩渣子土等。土种为黄泥田的面积最大（6152.75hm2），占耕地总面积的21.17%；最小土种面积的为岩渣子土（2），仅有1.31hm2，占耕地总面积的0.004%。

洪江市不同土种的耕地表层土壤碳密度平均值处于26.59～64.43t/hm2之间（表3）。耕地土壤有机碳密度最大的黄红麻砂土，高达64.43t/hm2，麻沙泥、五花红黄泥、岩渣子土（2）、浅灰泥等土种有机碳密度次之，最低的为熟红土，仅为26.59t/hm2。壤有机碳储量，面积最广阔的水稻土（27454.48hm2）耕地表层土壤碳储量为1128805.57t，占总储量的93.70%，其次为：红壤（65737.69t）、黄壤（8392.07t）、潮土（1165.29t）、紫色土（579.60t）。各类型耕地表层土壤中，水稻土在洪江市分布面积最广，占耕地土壤面积94.46%，土壤有机碳储量占总储量的93.70%，说明洪江市的耕地表层土壤有机碳主要分布在水稻土中，其他类型的土壤有机碳储量甚少。在其他土壤类型中红壤、黄壤有机碳密度最高，但是这类土壤面积之和占总面积的5.38%，所以其土壤有机碳储量仅占总储量的6.12%。

表3 洪江市耕地表层各土种有机碳密度和碳储量

土属 土种有机碳密度（t/hm2）有机碳储量（t）面积（hm2）土壤面积比重（%）土壤面积比重（%）耕型花岗岩黄红壤黄红麻砂土 53.201 8 1 9.23 34.200.12 0.15耕型板页岩黄壤 黄壤土 4 9.0 4 3 9 0 7.4 28 2.5 70.280.3 2耕型花岗岩黄壤黄壤麻砂土 4 5.6 4 4 4 8 4.6 5 9 7.8 90.3 40.3 7白散泥 白散泥 3 8.20 24 3 2.9 7 60.8 90.210.20烂泥田 烂泥田 4 3.40 24 6 7 0.1 75 56.0 5 1.9 12.0 5滂眼田 4 3.6 8 216 6.3 8 53.7 50.1 80.1 8冷浸泥田 4 1.9 4 25909.726 1 8.8 0 2.1 32.15冷浸砂田 3 3.8 11 8 9 7.15 53.220.1 80.16冷浸岩渣田 3 4.56 6 6 74.7 3 1 8 8.0 40.6 50.5 5冷浸阴山田 4 2.7 0 4 15 4 3.5 1994.533.4 23.4 5锈水田 4 1.9 6 15 9 7 2.6 83 8 9.3 11.341.3 3青矿毒田青非金属矿毒 4 2.9 4 9 7 6.0 222.600.0 80.0 8冷浸田青泥田青夹泥田 30.4 1 4718.93 15 4.3 9 0.530.3 9青麻砂泥 3 8.74 6 8 8.2118.210.060.06青泥田 3 9.3 7 6 7 5 20.8 01718.335.9 15.60青砂泥 4 3.4 24 20 8 1.25940.133.233.4 9青鸭屎泥 3 5.9 23 3 6 9.4 8 9 7.8 60.3 40.28青紫泥 27.9 83 6 5 1.3 5 1 28.6 8 0.4 40.30浅红黄泥浅红黄泥 3 9.5 4 8 4 4 8.8 4 21 7.5 10.7 50.7 0铁子红黄泥 4 7.1 26 16 8.8 4 1 40.6 9 0.4 80.5 1五花红黄泥 5 9.8 7 3 7 0.9 66.210.0 20.03浅黄泥 浅黄泥 4 3.83 27 5 4 5.3 46 20.6 5 2.142.29浅黄砂泥 4 9.3 8 2225 7.7 54 56.9 5 1.5 71.8 5浅黄砂泥浅灰泥田浅麻砂泥浅麻砂泥石子红砂泥浅灰泥4 2.1 3 5 8.6 5 5 7.4 3 2011.3 6 1 260.8 9 3 4 25.6 24 7.30 21.4 15 8.7 7 0.160.0 7 0.200.1 7 0.100.28浅酸紫泥浅酸紫砂泥 3 7.7 1 4 6 7 6.4 9 116.3 30.400.3 9浅岩渣田浅岩渣田 50.9 5 1 256 7.4 925 2.7 8 0.8 71.0 4白夹泥 3 9.6 4 274 2.3 3 6 3.6 20.220.23白鳝泥 4 4.4 6 103 28.29228.6 50.7 90.8 6白鳝泥扁砂泥田青隔白鳝泥黄扁砂泥青扁砂泥青隔黄扁砂泥4 5.11 4 7.60 4 1.5 4 4 6.9 9 1 210.7 9 5 228 4.60 28 5 7 9.7 0 7 8 4.8 83 1.8 11 106.7 16 8 6.9 116.9 10.11 3.8 1 2.3 60.060.10 4.3 4 2.3 7 0.0 7河潮泥河砂泥河砂田40.3 1 40.8 24 5.21 27 25 9.4030 7 03.9 21001 8.8 26 7 3.4 3 7 5 1.3 8 223.9 7 2.3 22.5 9 0.7 7 2.26 2.5 50.83河砂泥 青隔河砂泥石底河砂泥3 7.9 1 4 3.6 8 2603.3 4 7 15 2.1 4 6 7.9 9 1 7 2.200.230.5 9 0.220.5 9

土属 土种有机碳密度（t/hm2）有机碳储量（t）面积（hm2）土壤面积比重（%）土壤面积比重（%）红黄泥红黄泥 3 1.8 27 1 4 1 7.1 32156.6 6 7.4 25.9 3青隔红黄泥 3 2.4 3 7 0 9 9.4 5 23 2.4 10.8 00.5 9熟红黄泥 3 9.3 3 40 9 9.6 6 10 5.150.3 60.3 4黄泥田黑黄泥田 3 9.1 9 5 4 8 4 2.9 41 3 9 8.0 74.8 14.5 5黄夹泥 4 5.83 2001 8.9 34 50.4 21.5 51.6 6黄泥田 4 1.7 925 40 9 1.9 9 6152.75 21.1 7 21.0 9青隔黄泥 3 8.1 9 1 4 1 7 2.8 7365.951.261.1 8显煤泥 28.0 83 56.501 2.300.0 40.03黄砂泥红砂泥 3 4.3 3 6 406 8.301 8 6 9.0 4 6.4 35.3 2黄砂泥 40.5 7 26 29 2.1 36 5 8.6 3 2.272.1 8盐砂泥 3 4.3 5 4782.651 3 3.7 10.4 60.40灰泥田灰泥田 4 2.6 8 4 4 21.3 5 110.7 8 0.3 80.3 7青隔灰泥田 4 7.5 9115.282.3 60.010.01鸭屎泥田 3 5.6 5 274 9.50 7 6.6 40.260.23麻砂泥白砂泥 4 3.9 9 23 8 4.25 5 2.8 10.1 80.20黄麻砂泥 4 7.8 7 16 4 5 4.8 53 3 9.211.1 71.3 7麻砂泥 60.3 150474.30 83 1.6 5 2.8 64.1 9青隔麻砂泥 4 4.3 7 1 9 8 6.7 1 4 5.7 7 0.160.16红紫泥 30.5 51 7 2.7 85.8 40.0 20.01酸紫泥 青隔酸紫泥 39.2010 4 8.2225.100.0 90.0 9岩渣田 岩渣田 4 6.1 8 1 3 15 4.9 328 4.600.9 81.0 9青隔中性紫泥田 3 6.9 21 29 9.9 83 4.100.1 20.11中性紫泥田中性紫砂泥 4 4.6 6 4 1 7 3.0 9 9 2.1 20.3 20.3 5中性紫砂田 3 6.9 9 24 5 2.6 4 6 1.4 30.210.20耕型酸性紫色土耕型酸性紫砂土酸紫砂土 40.6 326 5.1 46.5 40.0 20.0 2酸紫砂土 3 9.033 1 4.4 68.150.030.03根据各土壤类型面积，加权平均得出洪江市耕地表层土

4 结论

依托ArcGIS空间分析和数据统计功能，以土地利用现状图和土壤普查图为基础图件，通过大量采集和农化分析土壤样品，采用土壤类型法估算湖南省洪江市耕地表层（0～20cm）的有机碳储量和密度。

洪江市耕地表层土壤中，有机碳密度变幅37.70～48.39t/hm2，其面积加权平均值为41.50t/hm2，总储量为1204680.21t。其中，红壤、黄壤有机碳密度超过了45t/hm2，其他土壤有机碳密度集中在37～42t/hm2。

洪江市耕地土壤的主要土壤类型是水稻土，水稻土的有机碳密度在5类土壤中居中，但分布面积占总耕地面积的94.46%，有机碳储量占总储量的93.70%。洪江市耕地土壤有机碳主要存在于水稻土中，其他4种土类的有机碳含量很少。

洪江市耕地表层土壤碳密度空间分布从宏观上看有较大的变异性，东南地区有机碳密度较高，西部中部及流域地区有机碳密度较低。从土地利用和人类活动情况可知，东南地区主要为林地，而西部与中部流域地区是农牧发达地区人口集中，同时受到河流冲刷，也是土壤侵蚀严重区。因此，西部地区人类活动影响较大，土壤有机碳密度较低。通过本研究，估算了洪江市土壤有机碳密度和储量，为洪江市测土配方施肥方案实施和耕地质量保护提供了参考和借鉴。

［1］傅清，赵小敏，袁芳.江西省农田耕层土壤有机碳量分析［J］.土壤通报，2010，41（4）：835-838.

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