中國泥炭地有機碳儲量與儲存特征分析

劉子剛,王 銘,馬學(xué)慧 (1.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 10087；.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 13001；3.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

中國泥炭地有機碳儲量與儲存特征分析

劉子剛1*,王 銘2,3,馬學(xué)慧2(1.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130012；3.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

根據(jù)全國泥炭資源調(diào)查的結(jié)果, 運用有機質(zhì)含量、干容重、泥炭儲量、泥炭地面積等數(shù)據(jù)估算中國泥炭地有機碳儲量,并探討其碳儲存特征.結(jié)果表明,我國泥炭地有機碳總儲量約15.03億t.在各省和各氣候區(qū)分布不均勻,四川省(6.45億t)和云南省(2.91億t)泥炭地有機碳儲量最豐富,占總儲量的62.29%.各氣候區(qū)中高原濕潤區(qū)泥炭地有機碳儲量最大(7.14億t),特別是若爾蓋高原泥炭地有機碳儲量(6.30億t)占總儲量的41.92%.我國泥炭地有機碳密度一般在80～140kg/m3, 最大值為270～360kg/m3,最小值小于80kg/m3,其分布以燕山、太行山至橫斷山為界,西北部低,東南部高.泥炭地單位面積有機碳儲量均值為 143.97kg/m2,滇南高原最高,達到 637.06kg/m2.區(qū)域平均泥炭地有機碳積累強度為208.23 t/km2,若爾蓋高原最高達3972.71t/km2.

泥炭地；碳密度；有機碳儲量；有機碳積累強度

泥炭地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要碳庫[1],有機碳儲量大,有機碳密度高,單位面積碳儲量在各類陸地生態(tài)系統(tǒng)中是最高的[2],對調(diào)節(jié)區(qū)域環(huán)境和緩解全球氣候變化起到重要作用. 泥炭地是脆弱的生態(tài)系統(tǒng),對人類干擾和環(huán)境變化十分敏感.泥炭地排水、開墾、開采和火災(zāi)等已經(jīng)導(dǎo)致大量二氧化碳排放[3].研究泥炭地的碳儲存功能,估算其有機碳儲量和有機碳密度,對于保護泥炭地和減緩氣候變化有十分重要的現(xiàn)實意義.

全球泥炭地面積近4億hm2[4],僅占陸地面積的 3%.一些學(xué)者估算全球泥炭地的土壤碳儲量為 1200～5410億 t(表 1),占全球土壤碳儲量的10%～35%;而泥炭地土壤單位面積有機碳儲量為 60～150kg/m2(表 1),是全球土壤平均水平的6～15倍.

根據(jù)全國泥炭資源調(diào)查(1983～1985年)的結(jié)果,我國泥炭地面積104.4萬hm2,占我國陸地面積的0.1%,泥炭資源量46.87億t(干重),其中裸露泥炭沼澤中泥炭儲量為33.15億t,埋藏泥炭儲量為13.72億t[5].一些學(xué)者估計我國泥炭地有機碳儲量為6.207～40.926億t,單位面積有機碳儲量為30～155.25kg/m2(表1).

表 1中顯示的有機碳儲量估算結(jié)果差異很大,是因為采用的數(shù)據(jù)來源和估算方法有所不同[6].國內(nèi)外多數(shù)研究將泥炭土作為土壤類型之一估算泥炭土的碳儲量,沒有考慮到埋藏泥炭以及泥炭區(qū)域分布的變異性,有可能產(chǎn)生誤差.目前還沒有專門針對中國泥炭地有機碳儲量和儲存特征的全面研究.

表1 泥炭地有機碳儲量和有機碳密度估算結(jié)果Table 1 Estimate results of OCS and OCD of peatlands

本文在全國泥炭資源調(diào)查結(jié)果[7]及相關(guān)著作[5],結(jié)合原中國科學(xué)院長春地理所和有關(guān)單位多年來在全國各地泥炭調(diào)查的成果[8-20],估算中國泥炭地的有機碳儲量和有機碳密度,探討泥炭地有機碳儲存特征,旨在為泥炭地與氣候變化研究提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),填補這方面研究的空白.

1 方法

通常國內(nèi)外估算土壤有機碳儲量的方法是以土壤類型圖為基礎(chǔ),根據(jù)不同類型土壤剖面的實測土層厚度、有機碳含量、土壤容重計算各類型土壤碳密度,再依據(jù)各類土壤的面積得到土壤有機碳儲量[34].目前國內(nèi)外大多數(shù)研究是以 1m深度為計算參照標(biāo)準,估算單位面積 1m深度土壤有機碳質(zhì)量作為土壤有機碳密度[30],單位為kg/m2或 t/hm2,這種方法有利于結(jié)果之間相互比較[35],但有可能低估或高估某些土壤類型的有機碳儲量[30].泥炭地分為埋藏泥炭地和裸露泥炭地2種類型,碳的垂直分布不同于一般土壤.本文根據(jù)全國泥炭資源調(diào)查的結(jié)果,選擇1921個采樣點的泥炭有機質(zhì)含量、泥炭干容重、泥炭儲量、泥炭地面積等數(shù)據(jù)[5,7],運用單位體積泥炭的有機碳質(zhì)量作為泥炭地有機碳密度[30],單位為 kg/m3,估算泥炭地有機碳儲量.該方法的優(yōu)點是方法簡單,資料容易獲得,并且考慮了埋藏泥炭和裸露泥炭,以及不同地區(qū)泥炭厚度的差異.計算公式如下:

式中:TC為泥炭地有機碳儲量,萬t;i表示我國各省(自治區(qū)、直轄市)(i=1,2,…,n);Qi表示我國不同省(自治區(qū)、直轄市)的泥炭儲量,萬 t;Coi表示我國不同省(自治區(qū)、直轄市)的泥炭地有機質(zhì)含量,%;取各省(自治區(qū)、直轄市)內(nèi)部泥炭地有機質(zhì)含量的平均值;a為有機質(zhì)轉(zhuǎn)換為有機碳的轉(zhuǎn)換系數(shù),取0.58.轉(zhuǎn)換系數(shù)0.58是指＜2mm土壤顆粒有機質(zhì)含碳量,是Bemmelan[36]提出的.

泥炭地有機碳密度的估算采用以下公式:

式中:MCi為區(qū)域泥炭地有機碳密度,kg/m3;MPi為泥炭的容重,kg/m3.

2 結(jié)果

2.1 中國泥炭地有機碳儲量與分布

根據(jù)式(1)計算得到,中國泥炭地有機碳總儲量為15.03億t.其中,裸露泥炭地(現(xiàn)代泥炭沼澤)有機碳儲量為10.63億t,埋藏泥炭儲量為4.4億t,在表1中的估算結(jié)果(6.207～40.926億t)范圍內(nèi),相當(dāng)于中國土壤有機碳總儲量(50～185億t)[37]的8%～30%,說明泥炭地是我國重要的碳庫,需要加以保護以減少碳排放.

中國泥炭地有機碳儲量在各省份(包括省、自治區(qū)、直轄市,港澳臺除外,下同)的分布不均衡,與泥炭資源的分布規(guī)律相近.四川省有機碳儲量最為豐富(6.45億 t),占總量的 42.92%;其次為云南省(2.91億t),占19.36%.甘肅、江蘇、西藏、安徽和黑龍江也高于平均值(0.48億t)(表2,圖1).

表2 中國各省份泥炭地有機碳儲量Table 2 The organic carbon storage of peatlands in China’s Provinces

圖1 我國各省份泥炭地有機碳儲量分布Fig.1 Distribution of organic carbon storage of peatlands in China’s Provinces

表3 我國各氣候區(qū)泥炭地有機碳儲量Table 3 Organic carbon storage of peatlands in China’s climate zones

根據(jù)溫度和濕潤的差異,將中國劃分為16個氣候區(qū),包括溫帶7個區(qū),亞熱帶3個區(qū),熱帶1個區(qū),高原4個區(qū);在同一氣候區(qū)內(nèi),根據(jù)區(qū)域地貌特征,劃分出若干二級泥炭區(qū)[5](表 3).在各氣候區(qū)中以高原濕潤氣候區(qū)泥炭地有機碳儲量(7.14億t)最大,特別是若爾蓋高原泥炭地有機碳儲量(6.30億t)極其豐富.中亞熱帶濕潤氣候區(qū)的泥炭地有機碳儲量(2.93億t)僅次于高原濕潤氣候區(qū),云貴高原自新生代以來多次出現(xiàn)有利于泥炭沼澤形成和積累的氣候條件,堆積了不同歷史時期的泥炭.北亞熱帶濕潤氣候區(qū)的長江中下游平原在早全新世末至中全新世的氣候最有利于泥炭沼澤發(fā)育,平原及丘陵區(qū)有大量泥炭沼澤發(fā)育,但晚全新世后大部分泥炭沼澤地被掩埋,形成埋藏泥炭,因此,長江中下游平原也是我國埋藏泥炭地有機碳儲量豐富地區(qū)之一(0.88億t).溫帶濕潤和亞濕潤氣候區(qū)是我國現(xiàn)代泥炭主要分布區(qū)之一,東北的大小興安嶺(0.49億t)、長白山地(0.48億t)和三江平原(0.15億t)泥炭地有機碳儲量較豐富,大部分屬于全新世以來的泥炭堆積.北溫帶濕潤氣候區(qū)大興安嶺北部臺原面積很小,堆積有全新世中晚期泥炭,雖然區(qū)域泥炭地有機碳儲量(0.21億 t)很少,但是單位面積有機碳儲量較大.高原亞干旱氣候區(qū)的藏南谷地泥炭地有機碳儲量也很豐富(0.53億t).南溫帶亞干旱氣候區(qū)和高原干旱氣候區(qū)是泥炭地有機碳儲量較少地區(qū).

2.2 中國泥炭地有機碳儲存特征分析

2.2.1 中國泥炭地有機碳密度的空間分布 本文中泥炭地有機碳密度是指單位體積泥炭的有機碳儲量.該指標(biāo)反映了泥炭密度的差異,可用式(2)來估算.我國泥炭地有機碳密度一般為 80～140kg/m3,最大值范圍為 270～360kg/m3,最小值小于 80kg/m3.我國泥炭地有機碳密度分布規(guī)律是以燕山、太行山至橫斷山一線為界,其西北部泥炭地有機碳密度低,東南部高.東北、西北和青藏高原低,泥炭地有機碳密度一般在80～ 120kg/m3,最小值小于80kg/m3;中南地區(qū)、四川的西南和云南的西北部、江蘇北部沿海地區(qū)泥炭地有機碳密度高,泥炭地有機碳密度一般在 150～200kg/m3,最大值可達300kg/m3以上(圖2).這可能與東北、西北和青藏高原多裸露泥炭,裸露泥炭有機質(zhì)含量高、無覆蓋層、泥炭密度小,故泥炭地有機碳密度較小;而中南地區(qū)、四川的中南部和云南高原大部、華東沿海地區(qū)以埋藏泥炭為主,一些泥炭地蓋層較厚,在被覆蓋的過程中有泥沙侵入,使其泥炭有機質(zhì)含量降低,或因形成時代較久,致使泥炭密度增大,進而造成泥炭地有機碳密度變大.

本文對我國泥炭地有機碳密度的估算結(jié)果(80～140kg/m3)與王紹強等[30]對泥炭土有機碳密度估算結(jié)果 127.49kg/m3相近,是土壤有機碳密度平均值 (12.04kg/m3)[30]的10倍.泥炭地有機碳密度高于其他類型土壤主要是因為有機質(zhì)含量豐富.此外,泥炭地有機碳密度還受泥炭容重的影響,埋藏泥炭地因為泥炭容重大,有機碳密度高于裸露泥炭地.

圖2 中國泥炭地有機碳密度的分布Fig.2 Distribution of organic carbon density of peatlands in China

2.2.2 泥炭地單位面積有機碳儲量空間分布 泥炭地單位面積有機碳儲量,即在每 m2泥炭地上堆積的有機碳儲量,通過泥炭地有機碳儲量除以泥炭地面積得到,用kg/m2表示.該指標(biāo)反映了泥炭地的單位面積有機碳儲存情況.

我國泥炭地單位面積有機碳儲量平均值為143.97kg/m2,與表1我國泥炭土單位面積有機碳儲量的估算結(jié)果[6,30-31]相近.泥炭地單位面積有機碳儲量最高的區(qū)域為滇南高原,為637.06kg/m2;其次是閩粵沿海平原(468.79kg/m2)及桂南低山丘陵(418.73kg/m2);東北地區(qū)的興安嶺山地丘陵和三江平原地區(qū)泥炭地單位面積有機碳儲量都較低,一般只有 30～50kg/m2;最低的區(qū)域為內(nèi)蒙古東部高平原,為26.97kg/m2(表4).

泥炭地單位面積有機碳儲量各區(qū)域間差異很大,主要原因是區(qū)域間泥炭層蘊藏厚度和泥炭容重的差異.如滇南高原泥炭層厚度一般在2～4m,因此單位面積有機碳儲量大.東北地區(qū)(除長白山地區(qū)外)的泥炭層厚度較小,一般為1m左右或小于1m,容重也小,只有0.1～0.2Mg/m3.閩粵沿海平原泥炭容重均值約為0.5Mg/m3,是東北地區(qū)泥炭容重的2倍多.

2.2.3 泥炭地有機碳區(qū)域積累強度空間分布 泥炭地有機碳區(qū)域積累強度是指某區(qū)域單位土地面積上泥炭地有機碳的積累量,通過泥炭地有機碳儲量除以區(qū)域面積得到,用 t/km2表示.該指標(biāo)能夠反映某個區(qū)域范圍內(nèi)的泥炭地有機碳積累情況.

表4 我國部分地區(qū)泥炭地單位面積有機碳儲量及有機碳積累強度Table 4 Organic carbon storage per unit area and integral intensity of peatlands in part of China

全國泥炭地有機碳區(qū)域積累強度平均值為208.23t/km2.我國泥炭地有機碳區(qū)域積累強度差異很大,北部低(黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆),由北向南逐漸增高(柴達木盆地、塔里木盆地、準葛爾盆地除外),自東向西或西北逐漸減少(長江中下游除外).若爾蓋高原濕潤氣候區(qū)泥炭地有機碳積累強度最大,高達 3972.71t/km2,是全國平均積累強度的 19.08倍;而處于中亞熱帶濕潤氣候區(qū)的云貴高原居第二,為 656.6t/km2,是全國平均積累強度 3.15倍.關(guān)中山地盆地(0.08t/km2)和橫斷山地(0.35t/km2)有機碳積累強度最低,原因是關(guān)中山地盆地長期以來處于沉陷狀態(tài),大量的剝蝕物、沖洪積物頻繁疊置,沉降速率遠遠大于植物殘體積累速度,缺乏穩(wěn)定的泥炭堆積環(huán)境[5];橫斷山地多為高山峽谷,不利于泥炭沼澤的形成和泥炭的堆積(圖3).

圖3 我國泥炭地有機碳積累強度空間分布Fig.3 Distribution of organic carbon integral intensity of peatlands in China

3 結(jié)論

3.1 中國泥炭地有機碳總儲量為15.03億t.其中,裸露泥炭地(現(xiàn)代泥炭沼澤)有機碳儲量為 10.63億t,埋藏泥炭儲量為4.4億t.

3.2 我國泥炭地有機碳密度一般為 80～140kg/m3,最大值范圍為270～360kg/m3,最小值小于80kg/m3.

3.3 我國泥炭地單位面積有機碳儲量平均為143.97kg/m2.

3.4 全國泥炭地有機碳積累強度平均值為208.23t/km2.

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Analysis of organic carbon storage and characteristics of China’s peatlands.

LIU Zi-gang1*, WANG Ming2,3, MA Xue-hui2(1.School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, China；3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2012,32(10)：1814～1819

Based on the result of the national survey of peat resources, the data of organic matter content, volume weight, peat reserves and peatland area were used to estimate organic carbon storage and discuss characteristics of China’s peatlands. The total organic carbon storage (OCS) of China’s peatlands, including bare peatlands and buried peatlands, were 1.503 billion tons, unevenly distributed over 31 provinces and 16 climatic zones. Peatland OCS (POCS) in Sichuan (645 million tons) and Yunnan Provinces (291 million tons) was the largest, accounting for 62.29% of the total POCS. Plateau humid zone had the largest POCS of 714 million tons, especially in Zoige Plateau, where POCS was 630 million tons, accounting for 41.92% of the total POCS. The organic carbon density (OCD) of China’s peatlands was generaly between 80kg/m3and 140kg/m3, and the range of the maximum was 270～360 kg/m3, and the minimum was less than 80kg/m3. Divided by Yan Mountain, Taihang Mountain and Hengduan Mountain, peatland OCD was lower on the northwestern side than that on the southeastern side. The average OCS per unit peatland area averagely was 143.97kg/m2, and that in the south of Yunnan Plateau was 637.06kg/m2. The average regional organic carbon intensity of peatlands averagely was 208.23t/km2,and that in Zoige Plateau (3972.71t/km2) was the largest.

peatland；carbon density；organic carbon storage；organic carbon integral intensity

2011-12-01

中國科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室開放基金(WELF-2009-B-001);教育部人文社會科學(xué)項目(09YJCZH117)

* 責(zé)任作者, 講師, zigangliu@163.com

X142

A

1000-6923(2012)10-1814-06

劉子剛(1971-),女,吉林長春人,講師,博士,主要從事環(huán)境經(jīng)濟學(xué)、自然資源管理等方面的研究.發(fā)表論文17篇.