浙江温州山地丘陵区土壤碳储量研究

潘涵香，谷志云，张妍，谢玉洁，贺晓琨，李胜昌，郑玉生

1.河南省地质调查院，郑州 450001；2.河南省地球化学生态修复工程技术研究中心，郑州 450001

0 引言

地球系统碳循环一直是各国学者研究的热点和重要议题，在全球气候变化研究中占有举足轻重的地位。土壤作为陆地碳储库的重要组成部分，是地球系统碳循环的基础之一，土壤碳储量问题也是整个碳循环和全球变化研究的基本问题[1--5]。因此，对土壤碳储量进行精确估算，充分了解区域碳储量的空间分异情况，不仅对研究地球圈层的物质循环，保障农业生产意义重大，还将对国土空间规划编制和自然资源合理利用与保护起重要作用[6]。

国外对土壤碳库的估算研究开展较早，从20世纪50年代起，国际上就陆续有学者进行土壤碳储量的研究[7]。中国学者也密切关注并投入到土壤碳储量的研究中，梁二等[8]、Tang et al.[9]分别研究了陆地土壤碳储量和农田土壤碳储量；缑倩倩等[10]、邱乐丰等[11]研究了土壤有机碳储量问题；徐丽等[12]研究了近30年中国陆地生态系统土壤碳储量。

关于浙江省的土壤碳储量，近年来研究也逐渐增多，叶玲燕等[13]研究了浙江省森林有机碳的分布情况；魏迎春等[14]研究了浙江省主要农作区的有机碳储量及密度等情况；支俊俊等[15]估算了浙江省有机碳密度和储量。还有一些学者主要研究了森林和林地等的碳储量[16--21]。近几十年经济高速发展，土地利用发生巨大变化，以及石油化工燃料的燃烧等，导致土壤中碳储量特别是有机碳发生很大的变化[22]。尤其在山地丘陵区，其地势差异较大，景观异质性较高，增加了区域土壤碳储量分布的不确定性。因此，为优化浙江省山地丘陵区的土地与自然资源格局，开展农业地质调查以及更新区域土壤碳储量数据十分必要。

中国地质调查局自1999年以来在全国实施多目标地球化学调查，系统地测定有机碳与全碳含量，获得了土壤中高密度和大数据量的碳分布数据信息，为精确计算土壤碳储量和估算土壤碳库提供了新的途径[23]。笔者依据温州市农业地质调查(1∶250 000)获得的土壤深层、表层有机碳和全碳数据，基于模型精准估算单位土壤有机碳储量以及密度。同时利用GeoIPAS绘制单位土壤碳储量等值线图，并结合地貌图、成土母质图及地表覆被情况等进一步分析其分布位置特点和分布范围的大小，深入研究其分布规律、变化原因及趋势。由于所用数据采集精度与测试方法具备全国可比性，因此研究结果可为不同区域的土壤碳储量研究提供对照，使碳储量问题在土地利用、植被覆盖、农业种植和保护环境等领域产生实际作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省东南部(图1)，是浙东南区域的经济、文化和交通中心，工、农业经济发展良好，与杭州、宁波并称为浙江省的经济“铁三角”。地理坐标介于：119°38′～121°15′E，27°10′～28°36′N，面积共8 432 km2，主要包括鹤盛镇、仙溪镇、芙蓉镇、桥下镇、湖岭镇、高楼镇、畲族镇、山门镇、赤溪镇和三魁镇等80多个乡镇街区。

1.2 样品采集与测试方法

表层土壤样品的采样密度为1个样/km2，城市及矿山周边地区，可加密1～2个点/km2,滩涂(含潮间带)、森林草原、沼泽湿地和荒漠戈壁等特殊景观区，密度可放稀为1～2个点/4km2，每4 km2合成一个分析样，累计获取表层组合分析样2 022件。深层土壤样品的采样密度为1个样/4 km2，滩涂(含潮间带)、森林草原、沼泽湿地和荒漠戈壁等特殊景观区，密度可放稀为1～2个点/16 km2，每16 km2合成一个分析样，累计获取深层组合分析样506件，深层分析样经过拆分处理。深层、表层共获得2 022对完全对应的全碳和有机碳数据进行碳储量和碳密度的计算。研究区总体为山地丘陵地区，样品采集应选择具有代表性、广泛分布的成熟土壤为主[24]。

样品测试由浙江省地质矿产研究所承担，使用高频加热红外吸收法分析了土壤全量碳与有机碳的含量。全碳的测试方法是：称取 50 mg 试样于瓷坩埚中，在助熔剂存在下，于高频炉中1 000℃燃烧，试样中的碳都生成CO2气体，以O2为载体，导入NaOH溶液吸收池中，同时测定吸收池溶液的电位变化。选用土壤一级国家标准物质在相同条件下测定，绘制校正工作曲线，计算出样品中碳含量。有机碳的测试方法是：称取 50 mg 试样于瓷坩埚中，用稀盐酸分解试样中的碳酸盐，除去无机碳后烘干再用高频加热红外吸收法测定试样中的碳含量。选用土壤一级国家标准物质在相同条件下测定，绘制校正工作曲线，计算出样品中有机碳含量。样品测试质量由中国地质调查局区域地球化学分析质量监督检查组进行监控，经评审样品分析质量为优秀。

图1 研究区交通位置图Fig.1 Location map of study area

本项目精密度控制质量：采用GSS--23、GSS--24、GSS--26、GSS--27作为全量元素精密度控制标样，按每一分析批样品(50个号码)中密码插入4个国家一级标准物质(土壤) 的方式密码插入，共计188 件。计算每个标样每个元素测定值与标准值的对数差(△lgC)及对数标准偏差(λ)，对照规范要求允许限，统计合格率。

2 计算方法

奚小环等2008年依据全国农业地质调查取得高密度和高精度有机碳、全碳数据，提出“单位土壤碳量”的概念[25]，采用4 km2网格为计算单元，即以农业地质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，由于表层和深层全碳含量和有机碳含量不对应，故使用软件GeoCIPS对深层碳含量数据进行处理，使之在每个计算单位上与表层土壤碳数据一一对应，进而使用公式模型对每一个计算单位的土壤碳储量进行处理，依据其含量分布模型计算得到单位土壤碳量。“单位土壤碳量”概念是针对农业地质调查数据的基本单元，用以表达农业地质调查基本单元(4 km2)内的碳储量，在数值上等于以t/km2为单位的“土壤碳密度”的4倍。

单位土壤碳量用USCA表示，要求按照深层(0～2.0 m)、中层(0～1.0 m)和表层(0～0.2 m)3种深度分别计算有机碳(TOC)和无机碳(TIC)，依次表示为USCATOC，D和USCATIC，D。上述D为深度，如有机碳USCATOC，0～1.8 m、USCATOC，0～1.0 m、USCATOC，0～0.2 m。其中单位土壤碳量与土壤碳密度计算公式如下，

USCA=SCD×4×103

(1)

式中：USCA为单位土壤碳量，单位为吨(t)；4×103为换算系数；SCD为土壤碳密度，单位为千克每平方米(kg/m2)。

SCD=D×ρ×C÷10

(2)

式中：SCD为土壤碳密度，单位为千克每平方米(kg/m2)；D为土壤深度，单位厘米(cm);C为土壤碳含量，单位%；10为单位换算系数；ρ为土壤容重，单位克每立方厘米(g/cm3)。土壤容重、有机碳含量以及耕层厚度是计算土壤碳储量的重要参数。土壤容重是土壤碳储量精确估算的关键，是土壤物理性质的综合指标，是研究土壤碳储量的重要参数，其数值大小受土壤有机质含量以及各种自然因素和人工管理措施的影响[26]。本文中土壤容重来源于中国土壤数据库中的容重。

2.1 无机碳单位土壤碳量(USCATIC)计算方法

碳分布为直线模式，按照直线公式计算。

①深层无机碳单位土壤碳量计算。计算公式：

USCATIC，0～2 m=[(TIC表+TIC深)÷2]×D×4×103×ρ÷10

(3)

式中：TIC表与TIC深分别由全碳实测数据减有机碳取得，单位为%。其他参数同前。

②中层无机碳单位土壤碳量(USCATIC，0～1.0 m(深D))计算。计算公式：

USCATIC，0～1.0 m(深1.6 m) =TIC×D×4×103×ρ÷10

(4)

(5)

式中：USCATIC，0～1.0 m(深1.6 m)表示采样深度1.6 m时计算1.0 m深度无机碳量。TIC表与TIC深由全碳实测数据减有机碳取得，d1=10 cm，d2取实际采样深度160 cm。其他参数同前。

③表层无机碳单位土壤碳量计算。计算公式：

USCATIC，0～0.20 m=TIC表×D×4×103×ρ÷10

(6)

式中：TIC表由全碳实测数据减有机碳取得。其他参数同前。

2.2 有机碳单位土壤碳量(USCATOC)计算方法

①深层有机碳单位土壤碳量计算。计算公式：

单位土壤碳量(USCATOC，0～2 m)=TOC深×D×4×103×ρ÷10

(7)

式中：USCATOC，0～2 m表示0～2 m深度单位土壤有机碳量(t)。TOC深为有机碳含量(%)，D表示采样深度，平原盆地一般为2 m，丘陵山区和西部高原等土壤层较薄地区由土壤平均厚度确定采样深度，此次土壤采样深度确定为160 cm。其他参数同前。

TOC计算公式为：

(8)

式中：TOC表为表层土壤有机碳含量，TOC深为深层土壤有机碳含量，单位为%。d1取10 cm，d2取实际采样深度。

②中层有机碳单位土壤碳量(USCATOC，0～1.0 m(深D))计算。

计算公式：

单位土壤碳量(USCATOC，0～1.0 m(深2 m))

=TOC×D×4×103×ρ÷10

(9)

式中：USCATOC，0～1.0 m(深1.6 m)表示采样深度1.6 m时计算1.0 m深度有机碳量。TOC计算公式为：

(10)

式中：d2取100 cm，其他参数同前。

③表层有机碳单位土壤碳量计算。

计算公式：

单位土壤碳量(USCATOC，0～0.2 m)

=TOC×D×4×103×ρ÷10

(11)

式中：TOC取表层土壤实测含量值。D取20 cm。其他参数同前。

3 结果与分析

3.1 无机碳分布特点

从图2可以看出，无机碳密度在表层、中层和深层的分布都不均匀，但其分布趋势基本一致，高值区主要分布在温州市西部，包括白鹤西南部、泰顺、金岩头西南部和菜园等地；低值区分布在岩头、金岩头、六科、张基、新浦和外北山等地。无机碳是以碳酸盐或重碳酸盐形式存在于土壤及土壤溶液中，土壤无机碳的固失受CO2、pH值等综合因素控制，在干旱、CO2分压小及较高的酸碱度等条件下，可促进土壤无机碳富集。由于在调查区范围内，气候、CO2分压和酸碱度基本相同，故研究区土壤无机碳富集的主要因素为土壤含盐量。

3.2 有机碳分布特点

土壤碳不但关系着土壤肥力，更重要的是关系着在全球气候变化和生物多样性发育上的服务功能[27]。Janzen[28]提出对有机质(碳)循环的研究，需要更多地注意其对全球生态系统的服务功能。因为无机碳的更新时间尺度太长，土壤碳在全球气候变化中的作用实际上是有机碳的生物地球化学循环(大小、尺度和速率)对气候变化的控制作用[29--30]，故有机碳的储量研究更加举足轻重，土壤碳储量中的有机碳研究对生态农业有可持续发展作用，在土壤培肥、土壤改良和作物种植等方向具有指导意义。

从图3可以看出，土壤有机碳密度在表层、中层和深层中的分布也不均匀，但有机碳密度的高值区与低值区的分布趋势还是基本一致，高值区分布在北雁荡山、泰顺、南雁荡山、大鱼湾东北部和文城北部等地，低值区分布在岩头北部、石平川北部、英坑东北部、田潭、藤桥、金岩头、六科南部、张基北部、石门、上中步、外北山和葛洋等地。气候、植被覆盖类型及土地利用方式等是影响土壤有机碳储量变化的重要因素。

3.3 不同土壤类型的碳储量分布特征

温州市地处中亚热带，研究区土壤类型主要为红壤、黄壤和粗骨土。河流阶地及沿海平原主要为非地带性的水稻土、紫色土和滨海盐土(图4)。

3.3.1 无机碳分布特点

表1是不同土壤的单位无机碳储量数据，可以看出表层、中层和深层单位无机碳储量在不同类型土壤中含量差异大。区内滨海盐土中单位无机碳量最为丰富，黄壤、紫色土、红壤、水稻土和粗骨土依次减弱，其中粗骨土中无机碳储量低与其土壤容重低、含盐量低有关。结合土壤类型和元素地球化学元素分布，浙东南地区土壤无机碳储量分布与土壤类型关系密切，滨海盐土区呈高背景分布，粗骨土与紫色土区呈低背景分布，这与土壤中Ca、Mg元素含量高低的分布状况一致。

表1 不同土壤类型无机碳储量

3.3.2 有机碳分布特点

表2是不同土壤的单位有机碳储量数据，可以看出表层、中层和深层单位有机碳储量在不同类型土壤中含量差异较大。浙东南地区土壤有机碳量储量分布与土壤类型关系密切，土壤中单位有机碳量随粉粒和黏粒含量的增加而增加。区内滨海盐土有机碳量最为丰富，黄壤、红壤、紫色土、水稻土和粗骨土依次减弱，其中粗骨土有机碳量低与其土壤由粗粒级物质组成，固碳能力弱有关。另外土壤有机碳量的分布与人类活动有关，其在城镇周边多呈高背景分布。

a.表层；b.中层；c.深层。图2 无机碳密度图Fig.2 Inorganic carbon density map

a.表层；b.中层；c.深层。图3 有机碳密度图Fig.3 Organic carbon density map

表2 不同土壤类型有机碳储量

图4 研究区土壤类型图Fig.4 Soil types map of study area

4 结论

(1)研究区单位无机碳平均储量和平均密度分别为：表层1 316.00 t，密度0.329 kg/m2；中层2 867.83 t，密度0.717 kg/m2；深层5 578.17 t,密度1.395 kg/m2；研究区单位有机碳平均储量和平均密度分别为：表层16 062.83 t,密度为4.016 kg/m2；中层49 515.67 t，密度12.379 kg/m2；深层64 727.5 t,密度16.182 kg/m2。

(2)评价结果显示无机碳和有机碳密度在表层、中层和深层中分布都不均匀，但有机碳和无机碳各自在不同深度的碳密度分布趋势一致，即高值区与低值区分布范围基本一致。

(3)研究区土壤中碳储量分布与土壤类型关系密切,单位无机碳量和单位有机碳量均在滨海盐土中最为丰富，在黄壤、紫色土、红壤和水稻土中含量中等，粗骨土最低。

(4)在气候、CO2分压和酸碱度基本相同情况下，区内土壤无机碳的富集与土壤含盐量正相关；土壤有机碳的分布与气候、地形地貌、土地利用方式、植被覆盖类型及人类工农业活动等诸多因素有关。区内有机碳在城镇周边多呈高背景分布，研究区有机碳储量在多大程度上受人类活动的影响?还需要更进一步的数据支撑和诠释。