国内外森林生态系统土壤碳储量计量方法研究进展

宋娅丽，王克勤

(西南林业大学 生态与水土保持学院，云南 昆明 650224)

1 引言

森林生态系统碳循环作为全球碳循环的重要组成部分，在全球碳收支平衡中占有主导地位，是陆地上最大的碳储库和碳吸收汇，直接影响全球温度的变化[1]。森林生态系统土壤碳储量约占全球土壤的39%[2]，土壤亚系统在调节森林生态系统碳循环和减缓全球气候变化中起着重要作用[3]。气候变化势必会改变森林生态系统的水热平衡，在重新达到平衡的动态过程中，土壤有机质循环发生改变，也必然引起土壤碳收支的变化[4]。近十几年来，国内外研究者对森林土壤碳储量的研究主要集中于全球、全国以及区域尺度不同森林类型的土壤碳储量特征、土壤碳储量的时空变化、土壤呼吸、土壤碳的稳定性以及气候因子、土地利用类型等因素对土壤碳过程的影响等方面[5～7]。

然而，全球土壤有机碳储量在过去100年中一直呈下降趋势[8]，因此亟待开展有关全球森林土壤有机碳储量变化机理的研究。了解森林土壤碳循环是研究森林土壤碳储量机理的基础，但是由于不同地区森林类型多样性、结构复杂性的差异以及干扰和环境因子对森林时空动态变化的影响，导致森林土壤碳储量的估算存在较大的不确定性[9]。本文系统分析了目前国内外土壤有机碳相关计量方法、测定方法和国内外研究进展及特点，并指出现阶段国内外森林土壤有机碳储量研究方面存在的若干问题，旨在为如何精确的计算森林土壤有机碳储量提供基础，研究结果将有助于揭示森林生态系统碳循环机制、土壤碳关键过程及其稳定性维持机制对全球变化响应的时间、方式和规模。

2 森林生态系统土壤碳储量估算方法

森林土壤碳储量研究一般按土壤类型、植被类型和生命地带法、模型法、GIS估算法、相关关系统计方法来统计，不同研究者所用的各种统计方法无本质差别，但是所用的资料来源不一，加上土壤分布的空间变异性和各区域相关因素的差异性，使得各方法在研究中受到不同的限制，统计数据在一定程度上也具有一定的不确定性。

2.1 土壤类型法

土壤类型法实际上是土壤分类学方法，它是通过挖土壤剖面或用土钻来获得土壤剖面数据，从而计算分类单元的土壤碳储量。根据各种划分层次汇总土壤剖面数据，根据公式计算土壤碳储量，再按照区域或国家尺度土壤图上的面积得到土壤碳蓄积总量。同时，土壤类型法也可以利用世界土壤图和全球土壤分类系统形成统一的估算体系用来估算全球土壤碳蓄积量[10]。此方法是国内外土壤碳储量估算最常用的方法，原理简单，数据较易获得。但土壤类型法需要更详细、更准确的土壤理化性质数据、土壤类型分布图以及土壤属性信息，以便更好的提高估测精度；同时此方法忽略了同一土壤类型中不同生态系统对有机碳的输入不同而产生的碳含量的差异[11，12]。

2.2 植被类型和生命地带法

植被类型法是按照不同植被类型、生命地带土壤有机碳密度与该类型分布面积计算土壤有机碳蓄积量。该方法能较容易了解不同植被类型对土壤有机碳储量的影响以及在不同植被类型下土壤碳储量，而且各类型还可以包含多种土壤类型。但此方法仅在区域内进行精确的研究，全球范围内的植被类型和分布面积难以精确统计，加之植被类型与土壤类型并不能一一对应，土地利用类型在逐渐发生变化，导致影响因素增多，误差较大；同时忽略了同一生态系统中不同土壤类型所产生的土壤碳含量的差异[13]。

2.3 模型方法

模型估算法是通过各种土壤碳循环模型(相关关系模型、机理过程模型、基于实测数据和遥感数据的模型等)来估算土壤碳的蓄积量。模型是研究大尺度陆地生态系统碳循环的必要手段，主要有经验模型、机理过程模型以及半经验模型[14]。该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，从而可以估算土壤碳蓄积量，并且能够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。模型的限制性因素是所用数据必须来自实测值，需要大量相关和连续的数据，很难将所有影响因素参数化和初始化。

2.4 GIS估算法

首先用地理信息系统软件ARC/INFO将一定比例土壤图数字化，建立以土属为单位的空间数据库，然后计算各土壤土属每个土层的有机质质量分数；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，并建立土壤有机质的属性数据库，利用ARC/INFO的空间分析功能计算出各类土壤的有机碳储量，并可绘制其空间分布特征图[15]。

2.5 相关关系统计法

相关关系统计法是通过分析土壤碳的蓄积量与采样点的各种环境变量、气候变量和土壤属性之间的相关关系，建立一定的数学统计关系，在有限数据基础上计算土壤碳的蓄积量。土壤碳蓄积量的地理格局和土壤形成因子之间的关系可以通过比较土壤碳和母质、土壤理化性质、地形、植被和气候的空间分布，从而得到土壤碳的含量与形成影响因素之间的空间相关关系[16]。建立土壤有机碳含量与降水、温度、土壤厚度、质地、海拔高度、容重之间的相关关系，是普遍采用的一种方式，但是由于各区域的主要控制因素不同，相关性表现不一，因此所确定的统计关系需要得到检验和验证后方可应用。

运用上述研究方法将森林土壤样品分层带回实验室内后，通常需对森林土壤有机碳含量进行测定(%)，再通过与某一土层容重(g·cm3)、厚度(cm)及<2 mm土壤含量(%)的乘积得到某一土层土壤碳储量(kg·m2)。土壤有机碳含量测定方法主要包括干烧法和湿氧化法。前者分析时采用仪器主要有：TOC分析仪、CN元素分析仪、High TOC II分析仪、HT1500 Solids Module等[17～20]，该方法分析结果较为精确、操作简单、样品用量少，但价格昂贵、耗时。后者原理为土壤与含有氧化剂(重铬酸钾、铬酸高锰酸钾等)、硫酸和磷酸的混合物消化，在煮沸的温度下(180～210 ℃)将有机物完全氧化为CO2，用适当的吸收剂吸收后用重量法、容量法等进行测定，该方法对土壤有机质的氧化约为90%，测定结果还应乘以较正系数100/90=1.1。由于该方法成本低、精确度较高，目前应用较广。

3 国外森林土壤碳储量研究进展及特点

国外学者首先利用世界土壤图和全球土壤分类系统形成统一估算体系来估算全球碳蓄积量。1976年Bohn利用土壤分布图和相关土壤的有机碳含量，估算出全球土壤有机碳库储量为2946 Pg[21]。1977年Bolin根据不同研究者发表的美国9个土壤剖面的碳含量，估算出全球1 m厚度土层有机碳库为710 Gt[22]，而1982年Schleisinger的研究结果为1515 Gt[23]。同年，Post等在Holdridge生命带模型的基础上，使用了2696个土壤剖面数据，建立了全球土壤碳密度的地理分布与植被和气候因子之间的相互关系，对土壤有机碳数据进行分类，得到总的碳储量为1395.5 Gt[24]。1990年Schlesinger研究研究全球土壤碳的结果为1500 Gt[25]，1993年Eswaran的研究结果为1576 Gt[26]。1996年Batjes通过分析4000多个土壤剖面数据，按经纬度将全球划分为259200个土壤面积单元，根据每个面积单元中各土壤类型的比例计算土壤平均碳密度，从而求出全球土壤有机碳储量总量为2157～2293 Pg[27]。

1985年Franzmeier利用美国中西部地区1∶250万的土壤分布图，估算了研究区域的土壤有机碳储量[28]。1989年Parton使用Century模型估算得出了美国大平原地区的土壤碳含量[29]。1996年，俄罗斯运用GIS技术在1∶250万土壤分布图上建立了土壤碳的空间数据库，计算并绘制了俄罗斯全国不同土层厚度的有机碳库存量、0～100 cm土壤无机碳库存量的分布图，得出土壤总碳库存量为453.4 Pg[30]。1997年Lacelle建立了加拿大1∶100万的数字化土壤图和由15000个土壤斑块组成的描述土壤景观及土壤碳含量的数据库，计算出加拿大0～30 cm土层的土壤碳库量为72.8 Gt，1 m土层的土壤碳库量为262.3 Gt[31]。1998年Tiltyanova等根据5850个土壤剖面的腐殖质含量数据和2300个土壤容重资料，建立了西北利亚地区土壤有机碳数据库，计算出土壤有机碳储量为199 Gt[32]。

全球不同地区森林碳密度的趋势与当地平均降雨量(控制天气)、自然条件、土壤砾石含量和土壤养分含量等因素有关。近年来，Li和Zhao[33]基于中国热带亚热带215.2 M ha的总面积，在年平均温度和降雨量分别为为15～28 ℃和1200～2000 mm的条件下，估算出的阔叶林和针叶林土壤平均碳密度为60 Mg/ha。Djukic等[34]的研究地点在海拔高度为900～1900 m的奥地利阿尔卑斯山，此地区气候类型为亚高山、高山气候区。在900～1500 m的海拔范围，温度随着海拔高度的增加而降低，引起了微生物活动的降低，导致土壤有机碳的分解程度降低，SOC储量增加，森林土壤平均碳储量为98 Mg/ha。这可以解释SOC从900到1500 m的海拔增加的原因。湿热带的阔叶林区土壤碳储量达到190 Mg/hm2，也被认为是陆地生态系统碳储量最高的地区。Meier和Leuschner[35]调查了索尔山和图林根州盆地之间(德国中部)绵延150 km长降水梯度(年均970～520 mm)的成熟山毛榉土壤碳储量，年均降雨量小于600 mm的土壤碳储量仅为年均降雨量为900 mm的77%。中欧森林土壤碳储量增加了20%。在干旱气候条件下，土壤碳储量同样降低了植被树干生物量。研究表明，气候条件对土壤碳储量的影响比土壤质地本身还要大，土壤碳储量与平均降雨量、梯度和砾石含量有正相关关系，与温度呈负相关关系[36]。

4 国内森林土壤碳储量研究进展及特点

4.1 土壤类型法

国内大多选择在区域尺度上研究土壤碳储量的学者，近年来普遍以我国在20世纪70年代末和80年代初进行的第二次土壤普查数据、中国土壤图为主要依据，用土壤类型法对不同区域统一的1 m深度以内的土壤碳储量做了估算。如陈芳等人根据甘肃省第二次土壤普查所得的37个土壤类型，281个典型土壤剖面的理化性质和土壤各类型分布面积，以及1∶300万甘肃省纸质土壤图，利用土壤类型法估算了甘肃省土壤有机碳的储量，有机碳含量约为39.87×108t，占全国储量的4.47%，土壤平均碳密度为17.62 kg/m2[37]。近年来，不少学者也在全国尺度上研究了土壤碳储量，如王绍强等人在1999年运用GIS技术，根据第一次土壤普查数据，得到的中国陆地生态系统土壤有机碳总量为1001.8×108t，平均碳密度为10.83 kgC/m2[38]。而在2000年王绍强等人根据中国第二次土壤普查实测的2473个典型土壤剖面的理化性质，以及土壤各类型分布面积，并采用中国资源环境数据库1∶400万中国土壤类型分布图，估算出中国土壤有机碳库的储量约为924.18×108t，平均碳密度为10.53 kg/m2[39]。运用第二次普查数据得出的结果较第一次，中国土壤有机碳总量和平均碳密度分别减小8.41%和2.66%。谢宪丽等人基于1∶400万的《中华人民共和国土壤图》和第二次土壤普查数据，运用地理信息系统技术，对中国土壤有机碳密度及储量做出估算，并且分析了土壤有机碳密度的空间分布差异。结果表明，全国100 cm深度的土壤有机碳密度介于1.19 kg/m2和176.46 kg/m2之间，20 cm深度的土壤有机碳密度介于0.27 kg/m2到53.46 kg/m2之间，100 cm和20 cm深度的土壤有机碳储量分别为84.4 Pg和27.4 Pg[40，41]。

同样研究者在区域尺度对各地区不同植被类型土壤碳储量做出估算。但由于采用的文献数据没有统一的采样或分析方法，导致相同区域出现了差异较大的结果。例如刘曦乔等[42]用土壤剖面法将剖面按0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm分层，估算了湖南省森林土壤1 m深范围内总碳储量的最终估算结果为98.30 t/hm2，土壤碳储量随着深度的增加不断减小，不同森林类型间土壤层碳密度依次为阔叶林(118.16 t/hm2)>杉木林(109.40 t/hm2)>竹林(102.81 t/hm2)>柏木林(99.55 t/hm2)>马尾松林(91.71 t/hm2)>经济林(77.85 t/hm2)>杨树林(79.08 t/hm2)>灌木林(54.17 t/hm2)>湿地松林 (51.67 t/hm2)。但同样是在湖南省，李斌等[43]则根据森林资源清查数据估算出的湖南省森林土壤层(80 cm)平均碳密度为137.15 t/hm2，远高出100 cm内刘曦乔等[42]的估算结果。广州马尾松林土壤碳密度(55.54 ～ 66. 69 t/hm2)[44]、广西不同林龄喀斯特森林生态系统表层土壤有机碳密度(65.76 t/hm2)[45]，略低于目前所报道的中国森林(100 cm)土壤层平均碳密度107.8 t/hm2[46]和世界土壤碳密度平均水平(189.0 t/hm2)[47]。

4.2 植被类型法

国内诸多学者通过植被类型法来研究森林土壤碳储量，如林培松等人以粤东北山区的梅江区天然常绿阔叶林、针阔混交林、马尾松针叶林和桉树人工林四种主要森林类型为研究对象，在每个林分中按照“S”形选择4个土壤剖面，来计算土壤碳密度，得到四种林型土壤碳密度总平均值为14.14 kg/m2[48]。渠开跃等人用植被类型法，分析了辽东山区不同林型土壤有机碳剖面分布特征，结果表明同一林型有机碳含量及碳储量均随土层加深而逐渐递减；其中全土(0～30 cm)有机碳储量的42.48～61.54%分布在土壤表层(0～10 cm)[49]。常宗强等人通过野外调查，室内分析相结合的方法，采用植被类型法，在植被类型变化较大林区，研究了相邻相同海拔、坡向和土壤类型的天然林，牧坡草地和农田等植被类型土壤碳动态[50]。

诸多研究表明不同植被类型土壤剖面上的有机碳随土壤深度增加而降低[51～53]。杨玉盛等人用植被类型法研究了33年生格氏栲人工林和杉木人工林的有机碳含量及分配，得出两者人工林有机碳存在一定的差异[54]。解宪丽等人用土壤、植被类型相结合的方法，运用全国第二次土壤普查和新疆等区域土壤调查典型剖面数据资料和1∶400万中国植被图，建立数据库，研究了中国不同植被类型下的100cm和20cm厚度土壤有机碳密度和储量，绘制了土壤有机碳储量的地理分布图。结果表明：基于植被分类计算的我国100 cm和20 cm厚度土壤有机碳储量分别为69.38 Gt和23.81 Gt；100 cm深度的森林土壤最大约为17.39 Gt，占总储量的25%；土壤碳储量空间差异明显[44,45]。

4.3 模型方法

国内学者用的最为广泛的为CENTURY模型，如高鲁鹏等人利用CENTURY模型，模拟自然状态下黑土表层(0～20 cm)土壤有机碳从无机类到稳定的过程，模拟开垦前自然条件下黑土有机碳库的积累规律，测出0～20 cm表层土壤有机碳总量稳定在7914.72～11672.78 g/m2[55]。黄忠良运用Century模型模拟了在不同管理措施下马尾松林在不同阶段的土壤有机质、N含量以及生产力。结果表明除去地被物和林下层植物会使土壤肥力降低，导致生产力下降，并证明Century模型可用于森林演替的模拟[56]。赵俊芳等人基于中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN，研究了1981～2002年中国东北地区森林生态系统碳储量的分布格局。结果表明：中国东北地区在此期间土壤碳储量为8.36 PgC/a，土壤碳储量为全国森林的63.88%，土壤碳密度为全国森林的1.22倍[57]。

4.4 GIS估算法

国内的土壤有机碳储量研究历时约30年，随着GIS技术的发展，我国学者也将GIS技术应用于土壤有机碳的研究，积累了大量数据资料。于东升等人基于中国1∶100万土壤数据库为基础，利用土壤有机碳储量和碳密度的空间化表达和计算方法，采用“土壤类型GIS连接法”实现了土壤剖面有机碳密度与图形图斑连接，通过制图单元碳储量求和得出全国碳储量，并利用面积平均法计算全国及各类型土壤的有机碳平均密度。结果表明，中国的土壤面积共有928.10×104km2，有机碳储量89.14 Pg，土壤平均碳密度9.60 kg/m2[58]。李克让等利用全国第二次土壤普查数据，结合GIS技术，建立土壤空间和属性数据库，计算了不同土壤类型的有机碳密度和储量，绘制出中国土壤100 cm和20 cm深度的有机碳统计表格，并用模型计算出中国土壤碳储量为82.65 Gt[59]。

甘海华等人采用广东省第二次土壤普查资料，选取典型的土壤剖面，采用1∶100万土壤图，应用GIS软件ARC/INFO将土壤图数字化，建立空间数据库，并绘制广东省土壤有机碳密度分布图，得出广东省陆地土壤有机碳储量约为17.52×108t，平均土壤碳密度为10.44 kg/m2，土壤有机碳密度总的分布规律是东南沿海地区高于粤北山区[60]。陈庆美等人采用全国第二次土壤普查中内蒙古自治区的典型土壤剖面资料，收集了245个典型剖面，770个土样。在剖面深度的基础上，用地统计学和地理信息系统(GIS)方法，分别按土壤类型和植被类型法计算出内蒙古自治区土壤有机碳密度处于3.24～43.24 kg/km3之间[61]。曾永年等人选择青海省果洛藏族自治州，利用第二次全国土壤普查所得的土壤剖面数据和1∶50万的数字化土壤类型图，在GIS的支持下利用土壤类型法对黄河源区草地土壤碳库进行了估算。结果表明，黄河源区土壤碳密度较高，平均土壤有机碳密度为29.97 km/m2，有机碳总储量达到15×108tC[62]。

一些学者也运用全国土壤普查数据和GIS估算法相结合的方法来估算土壤碳储量，如姜小三等人基于1∶50万的江苏省土壤图和江苏省土壤的数据，运用地理信息系统软件ArcGIS将土壤图数字化，简历以土属为单位的空间数据库，对江苏表层土壤有机碳密度及储量做出估算，并分析了土壤有机碳密度的空间分布差异。结果表明，土壤有机碳密度介于4.2～20.32 kg/m2之间，土壤有机碳储量为673892×106kg[63]。

4.5 相关关系统计法

由于相关关系统计法的特点，国内学者应用较少。张勇等人采用方差分析和逐步回归分析等方法，来研究滇黔桂地区土壤有机碳密度变异的影响因素。土壤剖面数据来自文献书中记载的典型剖面数据，主要包括土壤类型、土壤理化性质、采样点位置描述、成土母质和土地利用方式等。首先利用ArcGIS9.1，根据中国1∶25万地形图确定剖面点的空间位置，将剖面点空间化，然后利用空间分析模块从年平均气温和年平均降雨量数据中分别获取各剖面点的年平均气温和年平均降雨量[64]。赵永存等人选取河北省的362个土壤剖面，运用多元线性回归、派克里格和回归克里格三种方法，结合由DEM获取的地形属性因子预测河北省土壤有机碳密度的空间分布。将诶过表明，对河北省土壤碳密度空间分布预测效果最好的是回归克里格方法，派克里格方法稍差，而多元线性回归方法则不理想[65]。

另外，奚小环在中国土壤碳储量计算方法研究中，提出了单位土壤碳量的概念，即采用4 km2网格为计算单元，即以多目标区域地球化学调查确定的土壤表层样品分析单元为计算单位，土壤表层样碳含量及其对应的深层样碳含量(分析单元为16 km2)，分别代表计算单位表层土壤碳含量与深层土壤碳含量，依据土壤碳含量分布模式计算得到单位土壤碳量，对单位土壤碳量进行加和计算取得土壤碳储量[66]。奚小环基于多目标区域地球化学调查的土壤有机碳储量计算中得到江苏省、内蒙古河套地区、四川省四川盆地西部区、吉林省平原区、湖南省洞庭湖区有机碳储量分别约为1.82×109t，2.86×108t，1.78×109t，2.61×109t，8.37×108t；平均有机碳储量分别为1.71×105t/km2，9.59×103t/km2，2.91×104t/km2，2.74×104t/km2，2.2×104t/km2[67]。

目前，由于缺乏连续、可靠、完整和统一的土壤剖面实测数据，森林土壤碳含量、质地、容重等土壤理化性质存在相当大的空间变异性，以及气候、地形、母岩、植被和土地利用在时间和数量上复杂性的综合影响，现阶段森林土壤有机碳储量很难估算。不同研究者对陆地土壤碳库的估算结果差异较大，是由于他们计算时所采用的基础资料来源不同、土壤采样方法的设计不同以及土壤碳蓄积量的计算方法不同导致同一土壤理化性质不同、土壤面积差异、土壤剖面个数相差较多、土壤深度不统一。森林生态系统土壤碳储量研究是一个长期持续的过程、学科涉及面广、时空尺度复杂、数据量庞大，为更加准确深人地研究森林生态系统的碳储量，今后应加强和完善森林生态系统定位观测，提高森林生态系统土壤碳储量中各环节数据的准确性，增加必要的实测数据，提高精度；同时采用先进的地理信息系统(GIS)和遥感(RS)图像数据处理等技术，利用高精度遥感影像数据，与土壤实测值、模型方法相结合，建立完整的森林生态系统土壤碳储量数据库。另外，研究中应注重人为活动、土地利用和土地覆盖变化对森林生态系统碳储量的影响，使得碳储量的估算更加注重多因素的综合影响并能在一定程度上揭示碳储量的动态变化过程及其变化机理。

5 存在问题及其展望

森林土壤有机碳储量是进入土壤的生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的损失之间的平衡。现有森林土壤有机碳的含量是土壤有机碳分解速率、作物残余物数量、组成植物根系及其他返还至土壤中有机物的函数。土壤有机碳的库存量与进入土壤的植物凋落物和地上生物量呈线性正相关关系。但目前国内外研究中尚存在以下几个问题。

(1)由于土壤分类系统的不统一，采样方法的差异，以及选用不同的土壤碳储量计算方法和参数估计方法使目前的土壤碳储量的估算存在极大的不一致。因此，采用统一规范的研究方法，来获取大量的有代表性的森林生态系统土壤碳储量的实测数据，来减少区域尺度碳平衡研究中的不确定性，同时能够更精确的评价森林生态系统在全球变化和气候系统中的作用。

(2)目前国内外研究土壤碳储量的方法主要有：土壤类型法、植被类型法、生命地带类型法、模型法、相关关系统计法。学者分别使用土壤类型法和植被类型法，以及模型法来研究土壤碳储量，但没有将两者结合起来。

(3)目前森林生态系统元素循环研究主要集中于单一元素的循环模拟，但是将碳、氮、磷等多种元素循环相耦合的模拟很少，但可利用氮的不足将限制生态系统碳的吸收和存贮，因此有必要研究多种元素的循环模拟以及各元素之间的关系。

(4)尺度问题，大多学者在用模型来研究土壤碳储量时，选用的变量必须在待研究尺度上可测。而在指定尺度上难于测定，即使它可以提高模型的适用性也要将其去除。目前集中于小尺度的研究，开展多尺度的调查研究，不仅要在小尺度上精确研究某个森林生态系统土壤碳密度，同时将小尺度研究外推到较大空间领域，增加模型的适用性和准确性。