基于土壤类型法的鄱阳湖生态经济区土壤碳密度和碳储量评估

查印水，汤序军，吴建勋，周 强，唐学君*

(1.国家林业和草原局华东调查规划设计院，310019，杭州；2.江西省铜鼓县林业局，336200，江西，铜鼓)

0 引言

土壤碳储量是陆地生态系统碳储量的重要组成部分，土地覆被变化是影响陆地生态系统碳库动态变化的主要原因[1-2]。有关土壤碳储量估算的方法经历了一个不断发展的过程，由于土壤母质理化性质、土壤参数选取的差异以及土壤有机碳密度存在着复杂的空间变异性等原因，土壤碳储量估算值之间往往存在比较大的差距，不确定性问题难以解决[3]。随着全球气候变化问题受到世界各国越来越多的关注，学术界对土壤碳储量的研究也更加丰富深入。目前，土壤碳储量的估算方法主要有土壤类型法、生态系统类型和植被类型法、模型模拟法、相关系数法、GIS估算法等，以上方法各有优缺点[4]。本研究在基于以上方法的比较下，探讨了科学估算鄱阳湖生态经济区土壤碳储量的方法，同时也参考了IPCC有关土壤碳储量的估算方法，但是从区域尺度来看，我国任何固定土壤类型、气候类型、植被类型与IPCC定义的自然植被类型都有许多不同之处，如果按照IPCC土壤碳储量的估算法很难准确地评估出鄱阳湖生态经济区的土壤总碳储量。由于我国第二次全国土壤普查比较详细地对全国范围的土壤状况进行了调查和研究，而且土壤变化是一个比较缓慢的过程，因此本研究可以利用第二次全国土壤普查江西地区的数据，包括土壤种类、土层深度、容重、有机质含量、面积等，通过统计软件计算出土壤有机碳密度，再应用现有的各类型土壤面积参数便可以计算出鄱阳湖生态经济区的土壤总碳储量。

1 研究区概况

鄱阳湖是全球重要湿地，也是我国最大的淡水湖，对江西省来说，鄱阳湖是母亲湖，也是重要的淡水渔业基地。在国家层面上，国家非常重视鄱阳湖对长江中下游调洪蓄水的生态功能，鄱阳湖对长江流域生态系统健康的维护地位凸显；在国际上，鄱阳湖的白鹤(Grusleucogeranus)等珍稀越冬候鸟的生物多样性保护倍受国际社会关注。2009年12月12日，国务院正式批复《鄱阳湖生态经济区规划》，对实现江西生态经济发展新跨越具有重大战略意义。鄱阳湖生态经济区地理坐标为东经E114°29′～117°42′，北纬N27°30′～30°06′，位于长江中下游南岸，处于中纬度地带，面积为5.12 万km2，约占江西省国土面积的30%。研究区无霜期长、光照充足、温暖湿润，属亚热带湿润性季风型气候，年平均气温16.3～19.5 ℃，年平均日照时数为1 473.3—2 077.5 h，年均降水量为1 350～1 900 mm。

2 研究方法

研究中所涉及的数据资料，如无特别说明均来源于以下方面：1)第二次全国土壤普查数据；2)相关年份的江西省统计年鉴等统计资料；3)《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》等。本研究对李克让[5]等研究成果进行了较为全面的分析，他们在进行数据处理时，由于各地土壤剖面实测深度各不相同，也没有一个统一标准可以用来衡量，所以就根据各地实测土壤深度进行计算，土壤有机碳含量由有机质含量乘以Bemmelen换算系数(0.58)求得。首先计算各土壤类型和亚类的每个土种各个土层的碳含量，然后以土层厚度作为权重数，求得各土种的平均理化性质数据，通过面积加权平均得到个土壤类型和亚类的平均密度、平均有机质、平均容重、平均碳密度。因此，通过土壤碳储量估算方法的比较，本研究采用较为稳定的土壤类型法估算鄱阳湖生态经济区的土壤碳储量，各土壤类型碳储量可由各土壤亚类的碳密度与其面积的乘积求得，然后全部累加即可得到研究区的土壤总碳储量，其计算公式为式(1)：

(1)

式中：SOCall为土壤有机碳储量(kg)；SOCDi为某亚类有机碳密度平均值(kg/m2)；Si为某亚类面积(m2)。

本研究土壤碳密度采用单位体积土壤有机碳重量来衡量，其计算公式为式(2)：

(2)

式中：SOCDi为该土壤碳密度(g/cm2)，Hi为第i种土壤的厚度(cm)，Bi为第i种土壤容重(g/cm2)，Oi为第i种土壤的有机质含量(%)，0.58是目前国际上通用的土壤有机质中有机碳含量比例。

对土层碳密度逐次进行厚度权重计算，进而可以得到单个土种剖面碳密度，然后以土种面积为权重，推算出亚类碳密度，得到土类的碳密度，研究过程中如果数据采集于第二次全国土壤普查主要是0～30 cm厚度，利用上式计算出0～30 cm碳密度，根据全国2 473个土壤剖面资料，计算出0～30 cm土壤碳储量约为0～100 cm碳储量的54%，因此根据不同土壤厚度要进行相应比例转化，如果是100 cm厚度，则土壤碳密度计算公式为式(3)：

SOCDi(100cm)=SOCDi/1.8

(3)

3 结果与分析

3.1 鄱阳湖生态经济区不同土壤类型的土壤碳密度特征

表1数据均已经与相应土壤厚度匹配，所以可以直接应用于鄱阳湖生态经济区土壤碳储量计算。研究区有9种土类和14种土壤亚类，土壤碳密度最大的是山地草甸土，达到了34.23 kg/m2，平均厚度62 cm；江西省分布最广的红壤平均厚度有107 cm，平均碳密度9.79 kg/m2；潜育水稻土有机质含量最高百分比含量为2.76，是黄褐土的五倍多，红壤性土的容重最大，而酸性石质土最小，依据各土种平均碳密度资料和土种面积加权平衡计算，可估算出研究区土壤平均碳密度为12.03 kg/m2，进而可以计算出相应土层深度土壤总碳储量为61 583 万t。同时，不同土壤类型的土壤碳密度存在较大的差异，比如同是水稻类土壤，潜育水稻土平均碳密度为17.43 kg/m2，而淹育水稻土平均碳密度则只有7.36 kg/m2。一般情况下，林地土壤碳密度大于耕地土壤碳密度，由于没有对研究区每一种土壤类型面积做精确调查，难以平衡各土壤类型面积的权重，因此在数值上会有一定的偏差。在研究土壤碳储量时，也可以对部分较为容易获得的数据进行实测更新，只要在研究区不同经纬度上设置土壤采样点，并具体到土壤亚类以及所属土壤植被类型进行准确的理化性质测定，然后根据样本数据可以提高土壤碳储量的估算精度。虽然土壤的变化较为缓慢，但土地覆被变化可以改变土壤有机质的输入量，从而影响土壤有机碳的分解速率，在总体上改变了土壤有机碳储量的分布情况。

3.2 鄱阳湖生态经济区主要土地覆被下土壤碳密度和碳储量特征

由表2可知，各土地覆被类型的土壤碳密度大小为：林地>耕地>其他农用地>自然保留地>园地>牧草地。以2019年耕地为例，土地面积共计1 311 562 hm2，占研究区土地面积总量的25.62%，土壤亚类主要以淹育水稻土、潜育水稻土、潴育水稻土、黄壤、山地草甸土、黄红壤为主，平均有机质百分比含量为1.782，平均容重和厚度分别为1.28 g/cm2、93.4 cm，平均碳密度11.46 kg/m2，据此可估算2019年研究区大约90 cm的耕地土壤碳储量为15 023 万t。从2015—2019年，耕地土壤总碳储量减少了59 万t，由于耕地受人类活动影响最大，在耕作时往往还要通过施肥增加土壤氮磷钾等养分含量，这些养分能够与碳产生较好的协同作用，从而增加土壤有机质的含量；此外，耕地土壤环境复杂，微生物呼吸作用强，耕地土壤碳库对大气碳循环的影响较大，要重视耕地土壤碳源汇转换临界点的评估，有效增加土壤碳储量。

表1 鄱阳湖生态经济区不同土壤类型的土壤碳密度情况

表2 土地覆被条件下土壤碳密度对比

由表3可知，土壤碳储量最大的是林地，这主要是其他土地利用类型向林地转移而引起的，例如，2019年研究区林地为2 052 975.40 hm2，占鄱阳湖生态经济区土地总面积的40.1%，土壤以红壤、山地草甸土、黄壤、新积土、黄红壤、红壤性土等为主，平均有机质百分比为2.169，平均容重和厚度分别为1.328 g/cm2、91.33 cm，平均碳密度为14.073 kg/m2，据此可估算出研究区该年度林地土壤有机碳储量为28 944 万t，可见林地土壤碳储量占有很大比重，林地土壤碳储量从2015年的28 782 万t增加到2019年的28 944 万t，共增加了162 万t。

2019年研究区自然保留地总面积为331 774 hm2，只占鄱阳湖生态经济区总土地面积的6.48%，其土壤类型各地均有不同，类型比较复杂，除水稻土外的几乎所有土壤类型都有分布，碳密度以水稻土外的各土壤类型平均碳密度9.814 kg/m2计算，则此部分覆被下的土壤碳储量为3 149 万t，土壤总碳储量有所减少，数据显示自然保留地土壤碳储量从2015年的3 388 万t减少到2019年的3 149 万t，这可能和全球气候变化有很大关系，自然湿地面积近年来有所减少，湿地野生动物的栖息地面积受到一定影响，导致自然保留地面积有所减少，自然湿地保护任务艰巨。

其他农用地分布在鄱阳湖生态经济区的各个地段，土壤类型难以界定，所以土壤碳密度以所有土壤类型的平均碳密度10.84 kg/m2计算，则2019年研究区其他农用地土壤碳储量为3 385 万t，土壤碳储量从2015年的3 554 万t减少到2019年的3 385 万t，共减少了169 万t，这可能与农业用地过度利用有关，导致土壤养分流失和地力下降；园地的土壤平均碳密度为8.992 kg/m2，从2015年到2019年土壤碳储量减少了8 万t，基本上处于动态平衡状态，说明园地受自然因素和人为因素影响较小。另外，研究区的牧草地面积较少，从2015—2019年土壤碳储量变化仅为200 t，所以其土壤碳储量变化对整个鄱阳湖生态经济区碳循环的影响较小。

4 讨论与结论

目前，我国很多省份或地区已经进行了土壤有机碳密度或碳储量的估算[6-10]，而鄱阳湖生态经济区土壤平均碳密度为12.03 kg/m2，高于我国的土壤平均碳密度(10.8 kg/m2)，即研究区的土壤有机质含量普遍较高，有利于各种植物生长。计算结果显示，林地土壤碳储量在整个研究区的土壤碳储量中占比超过60%，而且林地面积逐年增加，一些未利用地转化为林地和近年来的植树造林是研究区林地增加的主要来源。同时，要保护好耕地，提高耕地生产力，防止土地退化，合理开发利用宜林荒山荒地等，通过科学的土地利用保护措施，促进土壤有机质积累，增加土壤有机碳储量。

没有人为干扰的情况下，土壤碳储量变化是一个较为缓慢的过程，土地覆被变化会促使土壤碳库发生动态变化，特别是鄱阳湖生态经济区这些年来建设用地逐年增加，而土地利用类型向建设用地的转化就会改变原来的土壤有机碳库；同时，鄱阳湖生态经济区林地面积从2015年到2019年增加了11 154.79 hm2，以14.073 kg/m2计算，研究区林地土壤碳储量增加了157 万t，因此土地覆被类型之间的转换和土地退化是导致土壤有机碳库变化的主要原因。此外，根据初始土壤肥力状况，通过土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系，可以准确量化土壤有机碳提升所需外源碳输入量。影响表层土壤有机碳密度分布特征的主要因素为地貌景观、气候环境、植被发育状况、土壤质地及理化、生态系统稳定性、人类活动等[11]。许多研究表明，阻止土壤碳流失、促进土

壤的碳吸收、科学监测和验证干预措施、利用高科技监测土壤碳储量变化、开发计算机模型和示范点网络测试措施有效性、鼓励公众参与和提供资金支持等可以有效应对解决增加土壤有机碳储量问题。

综上所述，鄱阳湖生态经济区不同土地覆被下的土壤碳储量大小为：林地>耕地>其他农用地>自然保留地>园地>牧草地。目前研究人员对土壤碳储量的估算大都以1 m作为土壤厚度标准计算，而本研究采用土壤剖面数据厚度不统一，大部分厚度都少于1 m，实际上即使是1 m厚的土壤也不可能包含土壤的所有碳储量，所以本研究估测值要小于研究区的实际土壤有机碳储量。影响研究区土壤有机碳储量的主要因素及其长效作用机制还有待进一步研究。