天津市滨海新区1979-2013年土地利用及土壤有机碳储量空间变化

李 雪 梅

(天津城建大学 经济与管理学院, 天津 300384)



天津市滨海新区1979-2013年土地利用及土壤有机碳储量空间变化

李 雪 梅

(天津城建大学 经济与管理学院, 天津 300384)

摘要：[目的] 分析土地利用变化对土壤有机碳分布的影响,为科学评估区域生态系统碳储量的变化提供依据。[方法] 利用遥感影像获取滨海新区1979与2013年土地利用变化数据,针对不同土地利用类型均匀布设样点采集2013年表层土壤,试验监测土壤有机碳含量。结合第二次土壤调查数据,计算分析研究区1979—2013年土壤有机碳储量的变化及其空间分布变化。[结果] 研究期内土地利用变化明显,耕地、滩涂、未利用地等土地利用类型大量转变为建设用地,同时土壤有机碳密度和储量均相应降低,其中土壤有机碳储量从1979年的1.23×107 t减少到2013年的9.97×106 t。[结论] 随着人类对土地利用程度的加强,碳储量空间分布由高碳储量分布为主转变为低碳储量分布为主的碳储量分布格局。

关键词：土地利用变化; 土壤有机碳储量; 空间变化; 滨海新区

文献参数： 李雪梅.天津滨海新区1979—2013年土地利用及土壤有机碳储量空间变化[J].水土保持通报，2016,36(3)：136-140.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.025

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库[1]，研究表明土壤碳库1/100的变化将导致大气圈CO2的浓度发生1/100万的变化[2]。土地利用变化改变了地表生态系统，如耕地、林地的减少，建设用地的增加以及高生物质产量的植被转化为低生物质产量植被使植被生物量减少等，同时土地利用变化也改变了土壤的理化性质，从而影响土壤有机碳的分解速率[3]，改变土壤有机碳储量[4-5]，土地利用的细微变化既可成为CO2的主要碳源，又可成为减缓碳释放的途径[6-9]。土地利用变化对土壤碳储量的影响远超过了自然变化对其影响的速率和程度[10-13]。

确定土地利用变化与土壤有机碳储量的关系对正确认识陆地生态系统的碳收支有重要意义。目前国内外研究某一类土地利用类型的变化对土壤有机碳含量的影响较多，如农田变草地和草地变农田、林地变农田等[15-19]，这些研究多是研究某种土地利用方式对土壤有机碳含量的影响以及对典型生态系统下土壤碳通量的监测。而对区域土地利用变化对土壤碳库影响的研究中利用中国两次土壤普查资料或对某区域某一阶段土壤实测数据进行土壤碳库进行核算较多[15,20]，根据土地利用动态变化和变化前后土壤有机碳含量实测数据研究土壤有机碳储量时空变化则相对有限[21]，本文将利用实地监测数据结合第二次土壤普查资料，选择近年来土地利用格局变化巨大的天津市滨海新区为典型样本地区，深入分析土地利用变化对土壤有机碳储量以及其空间格局变化的影响。

1研究区概况

天津滨海新区位于华北平原东北部，海河流域下游，濒临渤海，地理坐标位于38°40′—39°00′N，117°20′—118°00′E。本文研究空间范围涉及天津市塘沽、汉沽、大港3个滨海区的全部用地2 203 km2，东丽区无暇街、津南区葛沽镇2个行政区部分用地67 km2，以及沿海岸5 m等深线范围内滩涂，共3 414.77 km2。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

2.1.1土壤有机碳数据来源土壤有机碳含量采用中国国第二次土壤调查天津数据和2013年1月天津滨海新区实地采样监测的土壤有机碳含量数据。天津市第二次土壤调查土壤样品分为表层(0—30 cm)和次层(30—100 cm)2个不同土壤深度，普查区域包括除沿海滩涂与河流、水库之外天津市市域土壤范围，本文研究对象为土壤表层(0—30 cm)的有机碳含量，因此对滨海新区2013年采集土壤样品为表层(0—30 cm)土壤。将2013年土壤采样分布矢量图与天津市第二次普查矢量数据叠加获取与2013年采样点相叠加的同一样本点的第二次土壤普查0—30 cm土壤有机碳数据，以保证时间序列上变化前后同一样本点土壤有机碳的可比性，并利用两次土壤监测数据和土地利用变化数据来进行对比分析研究区表层土壤有机碳储量的变化。土地利用类型选择滨海新区的耕地、林地、盐田、水域、未利用地和滩涂，而建设用地由于表层被水泥等硬化，因此视其表层土壤碳储量为0，本研究中未针对建设用地布点采样检测其土壤有机碳含量。实地采样针对不同土地利用类型布设样点，对研究期内土地利用变化较大的土地利用类型和特征明显的土地利用类型，尽量选取对比1979年后土地利用类型没有发生变化的地块上均匀布点，以保证时间序列变化后的土壤性质变化可比性。共选择了74个采样点，其中未利用地9个样点、耕地14个样点、林地11个样点、盐田6个样点、水域(河流底泥与水库底泥)14个样点，滩涂(滩涂底泥)20个样点。采样深度为土壤表层0—30 cm，利用GPS记录采样点的地理坐标。土壤有机碳含量的测定试验采用Vario TOC仪器方法，使用Vario TOC select仪器检测，土壤容重的测定采用环刀法，实验室检测工作由天津市环境保护科学院环科检测技术有限公司承担。

2.1.2土地利用变化数据来源选择TM影像获取滨海新区1979年土地利用数据(天津市第二次土壤普查从1979年5月到1983年12月历时4.5 a[22])。1979与2013年遥感影像分别经过辐射校正，在遥感分析软件ERDAS IMAGINE 9.0中进行解译。解译方法采取监督分类方法，将解译结果导入地理信息系统软件ARCGIS 9.3对解译结果进行目视更正。滨海新区濒临渤海，其主要土地利用类型有建设用地、盐田、耕地、沼泽地、盐碱地、河流、水库和滩涂等，结合土地利用现状分类标准(GBT 21010-2007)和滨海新区土地利用现状，我们将研究区分为耕地、建设用地、水域(包括河流与水库)、盐田、未利用地(包括沼泽地、盐碱地与其他未利用土地)、林地和滩涂7类土地利用类型，两期滨海新区土地利用类型如附图3所示。

2.2研究方法

根据实地采样监测的各类土地利用类型土壤有机碳含量、土壤容重结果，结合第二次土壤调查的各类土地利用类型土壤有机碳含量和土地容重以及各类土地利用类型面积，分别计算研究区土壤碳密度和土壤有机碳储量，分析不同时期不同土地利用类型变化情况及碳储量变化。土壤碳密度和土壤碳储量计算公式如下：

土壤碳密度计算公式[15-16]为：

(1)

式中：Cd——土壤有机碳密度(kg/m2)；Hi——第i层土壤的厚度(cm)；Bi——i层土壤容重(g/cm3)；Qi——第i层土壤的有机碳含量(g/kg)；θi——i层>2 mm砾石体积含量(%)。下同。

本文只研究土层为30 cm的土壤有机碳储量，因此公式(1)中i为1。研究区土壤多为粘质，石砾含量很少，因此θi取0。

土壤碳储量(SOCt,kg)计算公式[15]为：

(2)

式中：SSOCt——土壤碳储量(kg)；Sj——第j类土地利用类型的面积(m2)。

3结果与分析

3.1土地利用面积变化

1979—2013年期间，滨海新区土地利用及土地覆被发生巨大变化(图1)。其中耕地面积和建设用地面积变化最大，耕地面积迅速减少，由1979年的776.92 km2减少至2013年的456.7 km2；建设用地面积则由1979年的330.73 km2增加至2013年的1 348.32 km2，建设用地面积的快速增长是研究区经济发展的一个印证；滩涂面积由1 144.77 km2减少到803.24 km2，减少的滩涂均被填海造地转变为建设用地，人工硬地的增加将间接导致自然生态系统中碳储量的减少。林地面积虽然变化不大，但是整体类型却从以1979年的盐生草地为主逐步转变为2013年的以林地为主，显示出滨海新区原生的植被生态系统逐渐被人工生态系统所取代；盐田面积由1979年的571.46 km2减少至2013年的246.78 km2。

图1　滨海新区1979与2013年各类土地利用面积

3.2土壤容重变化

土壤容重是一定容积的土壤(包括土粒及粒间的孔隙)烘干后的重量与同容积水重的比值[23]。土壤容重与土壤质地、压实状况、土壤颗粒密度、土壤有机质含量及各种土壤管理措施有关，土壤越疏松多孔，容重越小，土壤越紧实，容重越大[23-25]。

如图2所示，与1979年相比，滨海新区2013年耕地与林地的土壤容重有所下降，耕地从1979年的1.41 g/cm3降为2013年的1.07 g/cm3，林地从1979年的1.4 g/cm3降为1.18 g/cm3，表明耕地与林地的土地利用越来越精细化，土壤肥力越来越好。而未利用地与盐田2类土地的土壤容重较1979年比有所提高，未利用地由1979年的1.25 g/cm3上升至2013年的1.59 g/cm3，盐田由1979年的1.59 g/cm3上升至2013年的1.82 g/cm3，表明长时期的未开发利用导致土壤更加紧实，从而肥力降低。水域和滩涂由于第二次土壤普查没有相关数据，因此本文以2013年数据代替1979年土壤容重数据。

图2　滨海新区1979与2013年各类土地土壤容重

3.3土壤有机碳密度变化

3.3.1各地类土壤有机碳实测含量检测结果表明: 耕地、林地和盐田的监测点值中位数位于中间以下的位置，未利用地、滩涂和河流监测点值中位数位于中间以上的位置，其中林地和河流分别有一个样点数据异常，林地异常样点过低，河流异常样点过高，这2个异常样点在后面计算中被剔除，剔除2个变异样点后，我们得到2013年滨海新区各类用地土壤有机碳平均含量(表1)

表1　2013年滨海新区各类土地利用类型土壤有机碳含量

3.3.2各地类土壤有机碳密度变化根据公式(1)分别计算得到1979与2013年2次调查土壤碳密度(图3)。由于1979年土壤调查中没有河流和滩涂两类用地类型的调查数据，因此本文1979年河流和滩涂有机碳含量采用2013年实测数据。研究期内土壤碳密度变化最大的是林地，由1979年的2.48 kg/m2上升至2013年的8.92 kg /m2，这是由于滨海新区在1979年时尚未大面积开发建设，林地面积很少，多数是盐碱草地，随着滨海新区的发展和城市建设的完善，到2013年人工林地已经是林地的主要土地利用类型，而林地土壤有机碳含量远大于草地土壤有机碳含量，因此2013年林地土壤有机碳密度高于1979年。其次是未利用地(本文滨海新区未利用地主要指盐碱地和沼泽地)，土壤碳密度由1.71 kg/m2增加至5.04 kg/m2，是与经过治理的盐碱地转变为芦苇地等湿地利用类型，因此未利用地的土壤碳密度相较1979年有所增加。耕地碳密度的增加与研究区30 a多来严格实施耕地保护制度，促进耕地集约利用，加强耕地的精耕细作有一定关系。

图3　滨海新区1979-2013年土壤碳密度变化

3.4土壤有机碳储量变化

经计算公式(2)研究区1979年各类土地利用类型总碳储量为1. 23×107t，2013年各类土地利用类型总碳储量为9.97×106t，总碳储量减少2.36×106t(图4)。各类土地利用类型中除林地和未利用地2013年碳储量较1979年增加外，其他土地利用类型碳储量均有所减少。未利用地经过环境治理由以低碳密度的盐碱地为主要土地类型转变为以高碳密度的芦苇地等土地利用类型，由此碳储量由1979年的1.75×105t增加至2013年的8.43×105t；林地是由于在城市建设中林地面积逐渐成为林地的主导用地面积，导致碳储量由1979年的1.71×105t增长至2013年的7.72×105t。

在1979—2013年30 a多的经济发展中，大量耕地转变为建设用地，滩涂也随着经济发展对建设用地的需求大量被填海造地转变为建设用地，由此滩涂和耕地的碳储量迅速减少，耕地由1979年的3.18×106t减少至2013年的2.19×106t，滩涂由1979年的5.14×106t减少至2013年的3.60×106t。

3.5研究区土地利用变化与土壤有机碳储量空间变化

基于ArcGIS9.3，以2期遥感解译矢量图图斑为对象计算其土壤有机碳储量，得到研究期内滨海新区土壤有机碳储量空间分布格局(附图4)，1979—2013年研究区土壤碳储量空间分布最明显的变化是低碳储量(0～60 t)代替高碳储量(60～5 200 t)成为主要空间格局。

2013年研究区碳储量为0的区域相对1979年扩张明显，且其扩张模式几乎都是在原有碳储量为0的区域向外蔓延式扩张，土地利用数据显示在1979—2013年，研究区建设用地面积迅速增长，大量耕地、滩涂、盐田等转变为建设用地，由原来有机碳含量高的土地利用方式转为有机碳含量低甚至转变为碳储量为0的钢筋水泥等硬化地面的建设用地，这是造成滨海新区土壤有机碳储量减少的主要原因，因此，引导建设用地有序扩张是控制研究区土壤有机碳储量减少的有效途径之一。

图4　　　　1979-2013年滨海新区各类土地

研究区在1979年土壤碳储量空间格局分布以储量在60 t以上的区域为主，而2013年则转变为以储量在60 t以下的区域为主要空间分布格局，土壤碳储量在200 t以上的区域集中于滩涂和耕地2种土地利用类型，这两类土地类型面积也大幅减少。这表明随着研究区30 a多来社会经济发展和人口的增长，对土地尤其是建设用地需求量迅猛增加，而土地利用也由粗犷式、成片利用转变为现在的集约化、破碎化利用。土地利用的破碎化导致单位图斑土壤碳储量的降低，从而在空间上呈现出低碳储量为主的分布格局。

4结 论

(1) 不同土地利用类型下土壤的有机碳密度不同，而土地利用类型的变化是直接影响土壤有机碳密度和土壤有机碳储量的主要因素。1979—2013年期间，研究区城市化进程的加快和经济的迅速发展带来对建设用地需求量的增加，建设用地的来源之一是通过转变耕地、盐田、滩涂等土地利用类型为新增建设用地，土地利用的变化直接导致土壤有机碳储量的减少；林地土地利用方式从1979年的以天然盐碱草地为主转换为2013年以人工林地为主后土壤有机碳密度和碳储量增加，滩涂被大量开发利用转变为建设用地后土壤碳储量也随之大量减少。

(2) 土地利用破碎化导致单位图斑土壤碳储量的降低，从而使研究区碳储量空间格局由高碳储量分布为主转变为低碳储量分布为主。随着技术手段的提高，人类对土地开发利用程度也更加剧烈，直接加深了土地利用破碎化程度，人类干扰土地利用的同时也改变了土壤碳储量的空间分布格局。人类活动一方面改变了土地利用类型，另一方面也改变了土地利用方式，林地中草地转为林地、未利用地中盐碱地转为芦苇地都改变了土壤的有机碳密度从而改变土壤有机碳含量，更加深入细致的研究同一土地类型下不同土地利用方式对土壤碳储量的影响是研究区土壤碳储量日后的研究方向。

(3) 本研究出于数据限制，1979年河流与滩涂土壤有机碳含量用2013年数据代替，导致这两类土壤有机碳密度在研究期内没有变化，建设用地由于难以剥离其中包含的小面积绿地面积(比如居民区中的绿化用地等)，均以硬地地面计算其碳储量为0，使碳储量计算结果偏小，而如何准确确定建设用地有机碳储量也是未来应深入研究的内容之一。

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收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-09-25

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2016)03-0136-05

中图分类号：TP79, Q149

Changes of Spatial Distribution of Soil Organic Carbon Storage and Land Use from 1979 to 2013 in Tianjin Binhai New Area

LI Xuemei

(SchoolofEconomicsandManagement,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China)

Abstract：[Objective] We analyze the impacts of land use change on the spatial distribution of soil organic carbon in order to assess the variation of carbon storage in regional ecosystem. [Methods] Land use data was derived from remote sensing image in the years of 1979 and 2013 in the Tianjin Binhai new area. Soil samples were collected in different land use types, and soil organic carbon was calculated. Combined with the second national soil survey data, variations of soil organic carbon were analyzed. [Results] Land use in the study area changed greatly during the study period, with a large area of cultivated land, tidal flat and unused land transformed into new construction land. Meanwhile, soil organic carbon storage changed from 1.23×107 to 9.98×106 t during the study period. [Conclusion] With the enhanced human land-use activities, the spatial distribution of soil organic carbon storage is degraded from high carbon into low carbon storage distribution pattern.

Keywords:land use change; soil organic carbon storage; spatial change; Tianjin Binhai new area

资助项目：国家自然科学青年基金“城市土地利用优化的碳排放效应及其调控机理研究”(41201581)， “区域物质减量的低碳响应测度机理研究”(71303170); 教育部人文社科规划基金“基于主体动态关联分析的多元环保投融资机制研究”(12YJA630034); 教育部人文社科青年基金“农地城市流转适度规模及政策分析:从外部性内化的视角”(13YJC630016); 天津市规划局科技项目(2013-kjg-5)

第一作者：李雪梅(1976—),女(汉族),吉林省蛟河市人，博士,副教授，主要从事土地利用变化与碳循环研究。E-mail:xuemei_321@163.com。