皖江经济带土壤碳储量与有机碳密度空间分布特征研究

张笑蓉，陈富荣，邢润华，梁红霞

（安徽省地质调查院（安徽省地质科学研究所），安徽合肥 230001）

0 引言

碳是自然界中与人类生存密切相关的最重要的物质之一，它在水圈、气圈、地圈和生物圈中动态循环。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，土壤呼吸释放的CO约占陆地生态系统与大气间碳交换量的三分之二。全球约有1500Gt 碳是以有机质形态存储于地球土壤中，因此研究土壤中的碳储量、及单位碳密度分布情况，能够为土壤碳库饱和水平与固碳潜力、碳储量变化趋势等研究提供地球化学依据。前人曾总结过安徽滁州地区和中东部地区碳储量及分布情况，此次研究整合了2003—2017年间在安徽地区开展的1∶250000 土地质量地球化学调查研究数据，首次摸清了皖江75800km区域内碳储量情况。

1 研究区概况

研究区位于安徽省的中部，淮河以南、长江两岸，西北部紧邻淮南市与蚌埠市，西侧毗邻六安市城区，南面延伸至黄山市，东部分别与江苏省、浙江省接壤，总面积为75800km。区内涉及江淮丘陵、沿江平原、大别山地和皖南山地等地貌单元，地势南北高、中间低，整体上自西南向东北倾斜。分属3 个不同的构造单元，北部为华北板块，西部为秦岭大别造山带，郯庐断裂以东为扬子板块。土壤类型丰富，主要为水稻土和红壤。

2 研究方法

2.1 研究数据来源及质量

本次调查以安徽省内开展的1∶250000 土地质量调查为数据来源，在区内进行表层土壤(1个点/km)和深层土壤(1 个点/4km)采样。表层土壤按1 个点/4km，深层土壤按1 个点/16km进行组合样分析。样品由安徽省地质实验研究所分析测定。分析结果符合《多目标区域地球化学调查规范（1:250000）（DZ/T0258-2014》中的有关规定。

2.2 研究方法

本次调查以4km网格为计算单元，即以1:250000土地质量调查确定的土壤表层样品分析单元为计算单位，将位于同一深层采样单元(16km)的1 个深层数据与其中4个表层土壤数据配对，形成配对的表、深层土壤实测数据。由此实测数据通过计算分别获得土壤全碳、有机碳、无机碳在土壤表层、中层、深层中碳含量，依据其含量分布模式计算得到单位碳密度、单位土壤碳量，再对研究区内单位土壤碳量进行加权计算取得土壤碳储量。通过研究单位碳储量在土壤不同单元中分布分配特征和碳密度空间分布特征，研究不同土壤的固碳能力。

2.2.1 碳含量计算公式

表层土壤含碳量(TC)、有机碳含碳量(TOC)为其表层土壤全碳和有机碳实测含量，表层土壤无机碳含量(TIC)为表层土壤含碳量与有机碳含碳量之差。

中层土壤有机碳碳含量(TOC)、无机碳含量(TIC)、全碳含量(TC)计算公式如下：

当深层土壤采样深度大于1.0m时：

当深层土壤采样深度等于1.0m或小于1.0m时：

在计算深层土壤含碳量时，由于工作区内多丘陵和中低山，南部山区深层土壤采样深度许多达不到1.8m，且采样深度不统一，因此按深层实际采样深度计算土壤碳含量。深层土壤有机碳碳含量(TOC)、无机碳含量(TIC)、全碳含量(TC)计算公式如下：

(1)—(7)式中：TOC

′

与TIC

′

为土壤深层样实测有机碳与无机碳含量，

d

取值0.1m（表层土壤中间深度)，

d

取深层土壤实际采样深度（m）。

2.2.2 土壤碳密度计算

土壤碳密度(

SCD

)指平方米内土壤碳含量，单位为kg/m，计算公式为：

式中：

D

为采样深度，单位为厘米（cm）；ρ 为土壤容重，单位为克每立方厘米（g/cm）；C 为土壤碳含量（%）。

参考《安徽土壤》《江苏土壤》《中国土壤》部分资料，结合区内不同土壤类型深层土壤采样深度，计算得出区内不同土壤类型的土壤容重（表1）。

表1 皖江经济带不同土壤类型不同深度土壤容重Table 1.Bulk densities of soils of different types at different depths in the Wanjiang Economic Zone

2.2.3 单位土壤碳量及碳储量计算

单位土壤碳量(USCA)指以4km为单位的范围内一定深度土体内碳量，单位为t。计算公式如下：

土壤碳储量(SCR)指统计土壤范围内的单位土壤碳量之和，单位为t。公式为：

式中：n表示统计范围内土壤样品分析单元数量。

3 土壤碳储量与有机碳密度空间分布特征

3.1 土壤碳含量特征及不同单元分配特性

全区深层土壤（0～实际采样深度）、中层土壤（0～1.0m）、表层土壤（0～0.2m）全碳(TC)储量分别为1557.88Tg、1056.83Tg、295.72Tg，平均单位土壤碳量分别为84949.25t、57627.58t、16125.09t，平均土壤碳密度分别为21.24kg/m、14.41kg/m、4.03kg/m。其中，土壤全碳主要赋存于0～1.0m的中层土壤中，占深层土壤中全碳储量的67.84%（表2）。

表2 皖江经济带不同深度土壤碳储量统计Table 2.Statistics of soil carbon storage at different depths in the Wanjiang Economic Zone

全区深层、中层与表层土壤有机碳（TOC）总储量分别为1301.22Tg、899.99Tg、262.16Tg，平均单位土壤有机碳量分别为70953.92t、49074.93t、14295.09t。其中，土壤有机碳主要赋存于0～1.0m的中层土壤中，占深层土壤中有机碳储量的69.16%。深层、中层、表层土壤碳均主要以有机碳形式存在。深层、中层、表层有机碳储量分别占相应深度土壤全碳储量的83.53%、85.16%、88.65%。

全区深层、中层与表层土壤无机碳（TIC）总储量分别为256.66Tg、156.85Tg、33.56Tg，平均单位土壤无机碳量分别为13995.33t、8552.65t、1830.01t。其中，土壤无机碳主要赋存于0～1.0m 深的中层土壤中，占深层土壤中无机碳储量的61.11%。

土壤中碳主要以有机碳形式存在，且主要赋存于0～1.0m的中层土壤中。本文重点讨论中层有机碳碳储量与单位碳量在不同土壤母质、土壤类型、土地利用、地貌类型和生态系统等单元中的特征并进行比较（表3）。

表3 皖江经济带区域不同统计单元中层土壤有机碳储量统计Table 3.Statistics of organic carbon storage in middle soil layer for different statistical units in the Wanjiang Economic Zone

研究区含16种不同土壤母质，其中变质中基性侵入岩类风化物母质、浅色碎屑岩类风化物母质、酸性岩类风化物母质、碳酸盐类风化物母质、变质中基性岩类风化物母质等单元中土壤有机碳平均碳量均超过平均值；对于不同土壤类型单元，棕壤、黄壤中有机碳平均单位碳量远大于其他土壤类型；区内主要含平原、山地、丘陵三种地貌类型，其中平原区面积最大，达全区总面积的54.11%，但山地内土壤有机碳平均单位碳量远高于平原区和丘陵区的土壤，固碳能力较高；对比水田、林地、旱地等不同土地利用单元，林地中土壤有机碳平均碳量最高；区内含5种生态系统，农田生态系统的土壤有机碳平均单位碳量远高于其他生态系统，固碳能力较高。

3.2 土壤碳密度空间分布特征

根据单位土壤有机碳平均碳储量编制了皖江经济带土壤有机碳密度分布图，因表层土壤、中层土壤与深层土壤有机碳密度空间分布总体特征一致；本文以表层土壤（图1）为例讨论。区域上呈现东南部皖南山地区、西部皖西山地区和北部丘陵区呈高密度、中部波状平原和沿江丘陵平原地带呈低密度分布的特征。皖南及皖西山地区，有机碳密度富集明显，高值区主要集中在宣城市泾县、宣州区、宁国县和旌德县交界一带、池州市青阳县北部、东至县、石台县南部和安庆市岳西县北部。高值区主要为燕山期酸性侵入岩区域，土壤类型主要为粗骨土、黄棕壤和暗黄棕壤，地貌主要为低起伏中山，为工作区相对海拔较高区域，植被以灌木为主，可能主要受植被落叶丰富却因海拔高、气温低而分解程度低的特殊因素影响。对于长江流域冲积平原区，在长江沿岸现代冲积物区为连续的有机碳低密度区，而长江两岸冲积平原为有机碳高密度区，在城市附近有机碳平均密度也明显富集升高。对于江淮波状平原区，在滁州市辖区和凤阳县有局部高值富集区，此区域土类主要为石灰岩土，有机碳密度高值与此类土壤类型密切相关；而在合肥市包括肥西县、肥东县、长丰县区域有大面积低值区域，土地利用类型主要有水田及旱地，可能主要受农用翻耕加速有机质分解影响。

图1 皖江经济带表层土壤有机碳密度图Figure 1.Density map of topsoil organic carbon in the Wan⁃jiang Economic Zone

上述分布特征以表层土壤最为显著。对于深度逐渐加深的中层土壤和深层土壤有机碳密度在区域上维持了上述有机碳密度分布格局，但在岳西县及长江沿岸高值区域随深度加深而逐步扩充，在皖南山区一带高值区随深度加深而逐步减小。

4 结论

此次研究查明了皖江经济带区域内表层、中层、深层中有机碳、无机碳、全碳含量。单位碳储量在不同土壤母质、土壤类型、土地利用、地貌类型及生态系统等单元存在差异。对于不同土壤类型土壤，棕壤、黄壤固碳能力较高，山地内土壤有机碳平均单位碳量远高于平原区和丘陵区；对比水田、林地、旱地等不同土地利用单元，林地中土壤有机碳平均碳量最高；土壤有机碳含量特征受土地利用等人为活动以及地貌、植被等因素影响最为强烈；区内表层土壤有机碳区域上呈现东南部皖南山地区、西部皖西山地区和北部丘陵区呈高密度、中部波状平原和沿江丘陵平原地带呈低密度分布的特征。