城市土壤碳储量估算方法综述

王甜甜+黄艳萍+聂兵

摘 要：城市作为主要的人类活动集中地，在碳循环中占据着重要地位。伴随着全球气候变化的加剧，城市土壤碳库研究被赋予了新的内涵，受到了广泛关注。该文综述了土壤类型法、模型法、生命地带法及GIS估算法等几种主要的城市土壤碳储量估算方法，并分析了其优缺点。

关键词：城市土壤；碳储量；估算方法

中图分类号 S153.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）01-0069-03

Abstract：The urban，as the main gathering place for human activities nowadays，takes an important role in carbon cycling.Nowadays，with the exacerbating of global climate change，the urban soil carbon pool is given a new connotation，and was widely concerned.This thesis summarizes several main methods of estimating the carbon storage，such as soil type method，model method，life zone method and GIS estimation method，etc.In addition，the thesis analyzed the merits and demerits of each method in order to reduce or avoid the mistakes caused by the improper research methods in the process of estimating carbon storage of the soil.

Key words：Urban soils；Carbon storage；Estimation method

1 引言

陸地生态系统碳循环及碳平衡对土地利用/覆被变化（LUCC）的响应是当前全球变化和碳平衡研究的重点内容[1-2]。人口增长压力导致的LUCC正深刻影响着生态系统地上和地下的碳储量[3]，已经成为改变陆地生态系统碳库的主要驱动因素，对人类的生存环境和社会经济的可持续发展产生着重要的影响[4-5]。由于人口的高度集中和经济活动频繁，快速发展过程中的城市用地在迅速扩张。城市用地的改变深刻影响着城市土壤的理化性质，使得土壤既可能成为碳汇，也可能成为碳源[6]。章明奎等的研究表明，城市土壤碳具有明显的积累并具较大的空间变异性，城区土壤的平均有机碳贮量远高于远郊区土壤，且城市土壤有机碳较为稳定[7]。Pouyat的研究发现随着相邻的土地利用类型的城市化，城市的土壤碳储量将受到强烈影响[8]。研究表明，大约60%～70%已损耗的碳，可通过采取合理的土地利用和管理方式被重新固定[9]。因此，精确估算城市生态系统土壤碳储量，准确评价其对土地利用/覆被变化的响应，是制定合理的土地政策，增加陆地碳汇量的基础[10]。

2 城市土壤碳储量估算主要方法

目前研究城市土壤碳储量的方法主要有土壤类型法、模型法、生命地带法、GIS估算法等，由于受到资料收集、空间差异、科学技术等差异性因素影响，每种方法各有利弊。

2.1 土壤类型法 土壤类型法是通过实验获得土壤剖面数据，从而估算土壤碳含量，再根据区域或国家尺度的土壤图上的各土壤类型面积计算得到土壤碳储量[11]。学者史利江等采用土壤类型法，根据上海第二次土壤普查资料，研究了上海市土壤有机碳储量、碳密度及其空间分布格局，结果表明，上海地区0～100cm深度的土壤有机碳总储量及平均土壤有机碳密度分别为5.76×107t和10.55kg/m2，相对全国平均水平较高，表现为较强的碳蓄积能力[12]；陈曦以广西第二次土壤普查的土壤剖面数据为基础，结合广西1：50万的土壤图以及行政区划图，计算得到各城市表层土壤有机碳库储量为6.42×1011kg，而有机碳密度均值为3.33kg/m2，低于全国平均值[13]。实际研究中，根据不同研究区域的地形地貌条件，学者们采用的土地分类方法也不尽相同，如许文强等基于网格的土壤类型法，估算干旱区典型的三工河流域城市土壤碳储量为14.35GT，平均碳密度为6.70kg/m2[14]；刘为华采用扇形网格方法，将城市宏观大尺度和土壤样地小尺度数据加以整合，得到研究区绿地土壤0～30cm土层的碳密度和碳储量分别为25.807kg/m2和3 589 968.57t，30～60cm土层土壤碳密度和碳储量分别为28.129kg/m2和3 106 810.18t[15]。

综合来说，土壤类型法的优点在于：可以利用如世界土壤图、国家土壤图等统一的估算体系，方便各学者将研究结果进行归总和比对，其缺点在于统一的估算系统较于笼统简化，在计算结果的精度上可能存在较大差异。

2.2 模型方法 模型方法是根据各种土壤碳循环模型估算土壤碳蓄积量的方法，这种方法可以综合考虑决定进入土壤的碳数量和质量，以及决定土壤碳分解速率的各种因子，从而估算土壤有机碳储量，并能根据大量实测数据和气候变化模拟数据，预测不同情况下的土壤碳蓄积量动态变化趋势，探讨土壤碳蓄积和固定潜力，分析气候变化对土壤碳蓄积的不同综合影响[16]。1991年Jenkinson使用了Lausanne模型计算了从土壤有机质中释放的二氧化碳排放量，估算出土壤有机质在未来60a将有61×1015G[17]；李克让应用生物地球化学模型及生物物理子模型、植物生长子模型、土壤子模型3个包含关系的子模型，估算出中国陆地生态系统土壤总碳储量为82.65Gt，平均土壤碳密度为9.17kg/m2[18]。

根据不同的研究目的，国内外已经开发了多种土壤碳循环的模型，不仅能够适用于各种要求的研究，也能够解决尺度转换的问题，但是土壤碳循环模型在开发和计算上都较为复杂困难，需要大量的模拟运算，不仅对技术手段有较高要求，而且需要大量的观测数据。

2.3 生命地带法 生命地带法是根据生命地带类型的土壤有机碳密度乘以该类型分布面积来计算土壤有机碳蓄积量的方法。最为经典的是Post基于Holdridge生命带模型，搜集了2 696个土壤土层数据资料，估算出全球1m土层有机碳库为1 395Gt[19]。该方法不仅能够计算出总的土壤有机碳储量，还能够了解不同生命地带类型的土壤有机碳储量，而且每个生命地带类型还能够包括不同的土壤类型，使得分布范围更加广泛。该方法的缺点是数据的来源过于广泛，可靠性不足，容易造成计算结果有较大的差异性。

2.4 GIS估算法 GIS估算法是先数字化参加计算的土壤图，确立以土属为单位的空间数据库，然后计算各土壤土属各个土层的有机质质量分数，接着选取该土属内所有土种的典型土壤剖面，按照土壤发生层分别采集土壤有机质质量分数、土层厚度和容重等数据，计算出每个土层的土壤有机质平均质量分数和土层平均深度及其平均容重等，最后建立土壤有机质的属性数据库，再利用GIS的空间分析功能计算出各类土壤的有机碳储量[20]。已有研究中，吴志峰以广州市为研究区，基于广东省第2次土壤普查数据和2000年ETM+遥感数据，计算出广州市0～20cm和0～100cm土壤有机碳储量分别为2.16×107t，为6.40×107t，土壤有机碳平均密度分别为32.06t·hm-2，94.91t·hm-2[21]。许乃政基于1∶250000多目标地球化学调查数据，利用RS遥感影像和GIS统计技术，计算出1980—2005年间上海城区表层土壤有机碳密度为（3.926±1.381）kg.m-2，其均值是郊区的1.049倍，是乡村地区的1.255倍，呈现出城市-郊区-乡村空间梯度演替特性[22]。相对于人工野外调查、数理统计分析的方法，遥感技术支持下的GIS 估算法具有精高度、时相统一、效率高、调查全面等特点，并且能够解决前者因为费时费力调查结果精度不高、不可靠的弊端。

3 结语

本文着重介绍了几种国内外通用的城市土壤碳儲量估算方法，每种方法都有其优点和局限性。由于土壤分类系统、采样方法、计算方法、参数估计方法存在一定的差异性，导致目前土壤碳储量的估算值相差较大。今后还需要学者的继续深入探索，综合各种方法，融合多学科技术，不断提高研究的精准性与科学性。

参考文献

[1]SAMPSON R N，APPS M，BROWN S，et al.Terrestrial biosphere carbon fluxes quantification of sinks and sources of CO2[J].Water，Air，and Soil Pollution，1993，70：3-15.

[2]王绍强，陈育峰.陆地表层碳循环模型研究及其趋势[J].地理科学进展，1998，17（4）：64-72.

[3]Houghton R A.Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000 [J].Tellus Series B-Chemical and Physical Meteorology，2003，55（2）：378-390.

[4]Li Z，Zhao Q.Organic carbon content and distribution in soil under different land use in tropical and subtropical China[J].Plant Soil，2001，231：175-185.

[5]Solomon A M，et al.The interaction of climate and land use in future terrestrial carbon storage and release[J].Water，Air，Soil Pollut，1993，70：595-614.

[6]吴建国，张小全，徐德应.土地利用变化对生态系统碳汇功能影响的综合评价[J].中国工程科学，2003，5（9）：65-77.

[7]章明奎，周翠.杭州市城市土壤有机碳的积累和特性[J].土壤通报，2006，37（1）：19～21.

[8]Pouyat R.，Groffillan P，Yesilonis L，et al.Sole carbon pools and fluxes in urban ecosystem[J].Environment pollution.2002，116：107-118.

[9]Lal R.Soil carbon dynamics in cropland and rangeland[J].Environmental Pollution，2002，116：353-362.

[0]Robin W，Murray S，Rohweder M.Plot analysis of global ecosystem：grassland ecosystems[J].Washington D.C：World Resource Institute，2000，49-53.

[11]Eswaran H，Vander Berg E，Reich P.Organic carbon in soils of the world[J].Soil Sci.Soc.Am.J，1993，57 ：192-194 .

[2]史利江，郑丽波，罗张卫国，等.上海土壤有机碳储量及其空间分布特征[J].长江流域资源与环境，2010，19（12）：1442-1446.

[3]陈曦.广西土壤有机碳储量估算及与全国部分省区的比较研究[J]地理科学，2014，34（10）：1247-1253.

[14]许文强，陈曦，罗格平，等.干旱区三工河流域土壤有机碳储量及空间分布特征[J].自然资源学报，2009，24（10）：1740-1747.

[5]刘为华.上海城市绿地土壤碳储量格局与理化性质研究[D].华东师范大学，2009.

[6]邵月红，潘剑君，许信旺，等.浅谈土壤有机碳密度及储量的估算方法[J].土壤通报，2006，37（5）：1007-1011.

[7]Parton WJ，Rasmussen PE.1994.Long-term effects of crop management in wheat/fallow Ⅱ.Century model simulations.Soil Sci Soc Am J，58：530-536.

[8]李克让，王绍强，曹明奎.中国植被和土壤碳贮量[J].中国科学，2003，33（1）：72-80.

[9]Postw M，Emanuelw R， Zinke PJ，et al.Soil carbon pools and world life zones[J].Nature，1982，298 （8）：156-159.

[20]吴瑾，吴克宁，赵华甫，等.土壤有机碳储量估算方法及土地利用调控措施研究进展[J].中国土地科学，2010，24（10）：18-24.

[2]吴志峰，黄银华，姜春.广州市土壤与植被碳蓄积及其空间格局分析[J].广州大学学报（自然科学版），2014，13（3）：73-79.

[22]许乃政，张桃林，王兴祥，等.城市化进程中的土壤有机碳库演变趋势分析[J].土壤通报，2011，42（3）：659-663.

（责编：徐焕斗）