浙江溫州山地丘陵區(qū)土壤碳儲量研究

潘涵香，谷志云，張妍，謝玉潔，賀曉琨，李勝昌，鄭玉生

1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001；2.河南省地球化學生態(tài)修復工程技術(shù)研究中心，鄭州 450001

0 引言

地球系統(tǒng)碳循環(huán)一直是各國學者研究的熱點和重要議題，在全球氣候變化研究中占有舉足輕重的地位。土壤作為陸地碳儲庫的重要組成部分，是地球系統(tǒng)碳循環(huán)的基礎(chǔ)之一，土壤碳儲量問題也是整個碳循環(huán)和全球變化研究的基本問題[1--5]。因此，對土壤碳儲量進行精確估算，充分了解區(qū)域碳儲量的空間分異情況，不僅對研究地球圈層的物質(zhì)循環(huán)，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大，還將對國土空間規(guī)劃編制和自然資源合理利用與保護起重要作用[6]。

國外對土壤碳庫的估算研究開展較早，從20世紀50年代起，國際上就陸續(xù)有學者進行土壤碳儲量的研究[7]。中國學者也密切關(guān)注并投入到土壤碳儲量的研究中，梁二等[8]、Tang et al.[9]分別研究了陸地土壤碳儲量和農(nóng)田土壤碳儲量；緱倩倩等[10]、邱樂豐等[11]研究了土壤有機碳儲量問題；徐麗等[12]研究了近30年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量。

關(guān)于浙江省的土壤碳儲量，近年來研究也逐漸增多，葉玲燕等[13]研究了浙江省森林有機碳的分布情況；魏迎春等[14]研究了浙江省主要農(nóng)作區(qū)的有機碳儲量及密度等情況；支俊俊等[15]估算了浙江省有機碳密度和儲量。還有一些學者主要研究了森林和林地等的碳儲量[16--21]。近幾十年經(jīng)濟高速發(fā)展，土地利用發(fā)生巨大變化，以及石油化工燃料的燃燒等，導致土壤中碳儲量特別是有機碳發(fā)生很大的變化[22]。尤其在山地丘陵區(qū)，其地勢差異較大，景觀異質(zhì)性較高，增加了區(qū)域土壤碳儲量分布的不確定性。因此，為優(yōu)化浙江省山地丘陵區(qū)的土地與自然資源格局，開展農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查以及更新區(qū)域土壤碳儲量數(shù)據(jù)十分必要。

中國地質(zhì)調(diào)查局自1999年以來在全國實施多目標地球化學調(diào)查，系統(tǒng)地測定有機碳與全碳含量，獲得了土壤中高密度和大數(shù)據(jù)量的碳分布數(shù)據(jù)信息，為精確計算土壤碳儲量和估算土壤碳庫提供了新的途徑[23]。筆者依據(jù)溫州市農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查(1∶250 000)獲得的土壤深層、表層有機碳和全碳數(shù)據(jù)，基于模型精準估算單位土壤有機碳儲量以及密度。同時利用GeoIPAS繪制單位土壤碳儲量等值線圖，并結(jié)合地貌圖、成土母質(zhì)圖及地表覆被情況等進一步分析其分布位置特點和分布范圍的大小，深入研究其分布規(guī)律、變化原因及趨勢。由于所用數(shù)據(jù)采集精度與測試方法具備全國可比性，因此研究結(jié)果可為不同區(qū)域的土壤碳儲量研究提供對照，使碳儲量問題在土地利用、植被覆蓋、農(nóng)業(yè)種植和保護環(huán)境等領(lǐng)域產(chǎn)生實際作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省東南部(圖1)，是浙東南區(qū)域的經(jīng)濟、文化和交通中心，工、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展良好，與杭州、寧波并稱為浙江省的經(jīng)濟“鐵三角”。地理坐標介于：119°38′～121°15′E，27°10′～28°36′N，面積共8 432 km2，主要包括鶴盛鎮(zhèn)、仙溪鎮(zhèn)、芙蓉鎮(zhèn)、橋下鎮(zhèn)、湖嶺鎮(zhèn)、高樓鎮(zhèn)、畬族鎮(zhèn)、山門鎮(zhèn)、赤溪鎮(zhèn)和三魁鎮(zhèn)等80多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街區(qū)。

1.2 樣品采集與測試方法

表層土壤樣品的采樣密度為1個樣/km2，城市及礦山周邊地區(qū)，可加密1～2個點/km2,灘涂(含潮間帶)、森林草原、沼澤濕地和荒漠戈壁等特殊景觀區(qū)，密度可放稀為1～2個點/4km2，每4 km2合成一個分析樣，累計獲取表層組合分析樣2 022件。深層土壤樣品的采樣密度為1個樣/4 km2，灘涂(含潮間帶)、森林草原、沼澤濕地和荒漠戈壁等特殊景觀區(qū)，密度可放稀為1～2個點/16 km2，每16 km2合成一個分析樣，累計獲取深層組合分析樣506件，深層分析樣經(jīng)過拆分處理。深層、表層共獲得2 022對完全對應的全碳和有機碳數(shù)據(jù)進行碳儲量和碳密度的計算。研究區(qū)總體為山地丘陵地區(qū)，樣品采集應選擇具有代表性、廣泛分布的成熟土壤為主[24]。

樣品測試由浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所承擔，使用高頻加熱紅外吸收法分析了土壤全量碳與有機碳的含量。全碳的測試方法是：稱取 50 mg 試樣于瓷坩堝中，在助熔劑存在下，于高頻爐中1 000℃燃燒，試樣中的碳都生成CO2氣體，以O(shè)2為載體，導入NaOH溶液吸收池中，同時測定吸收池溶液的電位變化。選用土壤一級國家標準物質(zhì)在相同條件下測定，繪制校正工作曲線，計算出樣品中碳含量。有機碳的測試方法是：稱取 50 mg 試樣于瓷坩堝中，用稀鹽酸分解試樣中的碳酸鹽，除去無機碳后烘干再用高頻加熱紅外吸收法測定試樣中的碳含量。選用土壤一級國家標準物質(zhì)在相同條件下測定，繪制校正工作曲線，計算出樣品中有機碳含量。樣品測試質(zhì)量由中國地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學分析質(zhì)量監(jiān)督檢查組進行監(jiān)控，經(jīng)評審樣品分析質(zhì)量為優(yōu)秀。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Location map of study area

本項目精密度控制質(zhì)量：采用GSS--23、GSS--24、GSS--26、GSS--27作為全量元素精密度控制標樣，按每一分析批樣品(50個號碼)中密碼插入4個國家一級標準物質(zhì)(土壤) 的方式密碼插入，共計188 件。計算每個標樣每個元素測定值與標準值的對數(shù)差(△lgC)及對數(shù)標準偏差(λ)，對照規(guī)范要求允許限，統(tǒng)計合格率。

2 計算方法

奚小環(huán)等2008年依據(jù)全國農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查取得高密度和高精度有機碳、全碳數(shù)據(jù)，提出“單位土壤碳量”的概念[25]，采用4 km2網(wǎng)格為計算單元，即以農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查確定的土壤表層樣品分析單元為計算單位，土壤表層樣碳含量及其對應的深層樣碳含量(分析單元為16 km2)，分別代表計算單位表層土壤碳含量與深層土壤碳含量，由于表層和深層全碳含量和有機碳含量不對應，故使用軟件GeoCIPS對深層碳含量數(shù)據(jù)進行處理，使之在每個計算單位上與表層土壤碳數(shù)據(jù)一一對應，進而使用公式模型對每一個計算單位的土壤碳儲量進行處理，依據(jù)其含量分布模型計算得到單位土壤碳量?！皢挝煌寥捞剂俊备拍钍轻槍r(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的基本單元，用以表達農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查基本單元(4 km2)內(nèi)的碳儲量，在數(shù)值上等于以t/km2為單位的“土壤碳密度”的4倍。

單位土壤碳量用USCA表示，要求按照深層(0～2.0 m)、中層(0～1.0 m)和表層(0～0.2 m)3種深度分別計算有機碳(TOC)和無機碳(TIC)，依次表示為USCATOC，D和USCATIC，D。上述D為深度，如有機碳USCATOC，0～1.8 m、USCATOC，0～1.0 m、USCATOC，0～0.2 m。其中單位土壤碳量與土壤碳密度計算公式如下，

USCA=SCD×4×103

(1)

式中：USCA為單位土壤碳量，單位為噸(t)；4×103為換算系數(shù)；SCD為土壤碳密度，單位為千克每平方米(kg/m2)。

SCD=D×ρ×C÷10

(2)

式中：SCD為土壤碳密度，單位為千克每平方米(kg/m2)；D為土壤深度，單位厘米(cm);C為土壤碳含量，單位%；10為單位換算系數(shù)；ρ為土壤容重，單位克每立方厘米(g/cm3)。土壤容重、有機碳含量以及耕層厚度是計算土壤碳儲量的重要參數(shù)。土壤容重是土壤碳儲量精確估算的關(guān)鍵，是土壤物理性質(zhì)的綜合指標，是研究土壤碳儲量的重要參數(shù)，其數(shù)值大小受土壤有機質(zhì)含量以及各種自然因素和人工管理措施的影響[26]。本文中土壤容重來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫中的容重。

2.1 無機碳單位土壤碳量(USCATIC)計算方法

碳分布為直線模式，按照直線公式計算。

①深層無機碳單位土壤碳量計算。計算公式：

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

(3)

式中：TIC表與TIC深分別由全碳實測數(shù)據(jù)減有機碳取得，單位為%。其他參數(shù)同前。

②中層無機碳單位土壤碳量(USCATIC，0～1.0 m(深D))計算。計算公式：

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)表示采樣深度1.6 m時計算1.0 m深度無機碳量。TIC表與TIC深由全碳實測數(shù)據(jù)減有機碳取得，d1=10 cm，d2取實際采樣深度160 cm。其他參數(shù)同前。

③表層無機碳單位土壤碳量計算。計算公式：

USCATIC，0～0.20 m=TIC表×D×4×103×ρ÷10

(6)

式中：TIC表由全碳實測數(shù)據(jù)減有機碳取得。其他參數(shù)同前。

2.2 有機碳單位土壤碳量(USCATOC)計算方法

①深層有機碳單位土壤碳量計算。計算公式：

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

(7)

式中：USCATOC，0～2 m表示0～2 m深度單位土壤有機碳量(t)。TOC深為有機碳含量(%)，D表示采樣深度，平原盆地一般為2 m，丘陵山區(qū)和西部高原等土壤層較薄地區(qū)由土壤平均厚度確定采樣深度，此次土壤采樣深度確定為160 cm。其他參數(shù)同前。

TOC計算公式為：

(8)

式中：TOC表為表層土壤有機碳含量，TOC深為深層土壤有機碳含量，單位為%。d1取10 cm，d2取實際采樣深度。

②中層有機碳單位土壤碳量(USCATOC，0～1.0 m(深D))計算。

計算公式：

單位土壤碳量(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)表示采樣深度1.6 m時計算1.0 m深度有機碳量。TOC計算公式為：

(10)

式中：d2取100 cm，其他參數(shù)同前。

③表層有機碳單位土壤碳量計算。

計算公式：

單位土壤碳量(USCATOC，0～0.2 m)

=TOC×D×4×103×ρ÷10

(11)

式中：TOC取表層土壤實測含量值。D取20 cm。其他參數(shù)同前。

3 結(jié)果與分析

3.1 無機碳分布特點

從圖2可以看出，無機碳密度在表層、中層和深層的分布都不均勻，但其分布趨勢基本一致，高值區(qū)主要分布在溫州市西部，包括白鶴西南部、泰順、金巖頭西南部和菜園等地；低值區(qū)分布在巖頭、金巖頭、六科、張基、新浦和外北山等地。無機碳是以碳酸鹽或重碳酸鹽形式存在于土壤及土壤溶液中，土壤無機碳的固失受CO2、pH值等綜合因素控制，在干旱、CO2分壓小及較高的酸堿度等條件下，可促進土壤無機碳富集。由于在調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)，氣候、CO2分壓和酸堿度基本相同，故研究區(qū)土壤無機碳富集的主要因素為土壤含鹽量。

3.2 有機碳分布特點

土壤碳不但關(guān)系著土壤肥力，更重要的是關(guān)系著在全球氣候變化和生物多樣性發(fā)育上的服務功能[27]。Janzen[28]提出對有機質(zhì)(碳)循環(huán)的研究，需要更多地注意其對全球生態(tài)系統(tǒng)的服務功能。因為無機碳的更新時間尺度太長，土壤碳在全球氣候變化中的作用實際上是有機碳的生物地球化學循環(huán)(大小、尺度和速率)對氣候變化的控制作用[29--30]，故有機碳的儲量研究更加舉足輕重，土壤碳儲量中的有機碳研究對生態(tài)農(nóng)業(yè)有可持續(xù)發(fā)展作用，在土壤培肥、土壤改良和作物種植等方向具有指導意義。

從圖3可以看出，土壤有機碳密度在表層、中層和深層中的分布也不均勻，但有機碳密度的高值區(qū)與低值區(qū)的分布趨勢還是基本一致，高值區(qū)分布在北雁蕩山、泰順、南雁蕩山、大魚灣東北部和文城北部等地，低值區(qū)分布在巖頭北部、石平川北部、英坑東北部、田潭、藤橋、金巖頭、六科南部、張基北部、石門、上中步、外北山和葛洋等地。氣候、植被覆蓋類型及土地利用方式等是影響土壤有機碳儲量變化的重要因素。

3.3 不同土壤類型的碳儲量分布特征

溫州市地處中亞熱帶，研究區(qū)土壤類型主要為紅壤、黃壤和粗骨土。河流階地及沿海平原主要為非地帶性的水稻土、紫色土和濱海鹽土(圖4)。

3.3.1 無機碳分布特點

表1是不同土壤的單位無機碳儲量數(shù)據(jù)，可以看出表層、中層和深層單位無機碳儲量在不同類型土壤中含量差異大。區(qū)內(nèi)濱海鹽土中單位無機碳量最為豐富，黃壤、紫色土、紅壤、水稻土和粗骨土依次減弱，其中粗骨土中無機碳儲量低與其土壤容重低、含鹽量低有關(guān)。結(jié)合土壤類型和元素地球化學元素分布，浙東南地區(qū)土壤無機碳儲量分布與土壤類型關(guān)系密切，濱海鹽土區(qū)呈高背景分布，粗骨土與紫色土區(qū)呈低背景分布，這與土壤中Ca、Mg元素含量高低的分布狀況一致。

表1 不同土壤類型無機碳儲量

3.3.2 有機碳分布特點

表2是不同土壤的單位有機碳儲量數(shù)據(jù)，可以看出表層、中層和深層單位有機碳儲量在不同類型土壤中含量差異較大。浙東南地區(qū)土壤有機碳量儲量分布與土壤類型關(guān)系密切，土壤中單位有機碳量隨粉粒和黏粒含量的增加而增加。區(qū)內(nèi)濱海鹽土有機碳量最為豐富，黃壤、紅壤、紫色土、水稻土和粗骨土依次減弱，其中粗骨土有機碳量低與其土壤由粗粒級物質(zhì)組成，固碳能力弱有關(guān)。另外土壤有機碳量的分布與人類活動有關(guān)，其在城鎮(zhèn)周邊多呈高背景分布。

a.表層；b.中層；c.深層。圖2 無機碳密度圖Fig.2 Inorganic carbon density map

a.表層；b.中層；c.深層。圖3 有機碳密度圖Fig.3 Organic carbon density map

表2 不同土壤類型有機碳儲量

圖4 研究區(qū)土壤類型圖Fig.4 Soil types map of study area

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)單位無機碳平均儲量和平均密度分別為：表層1 316.00 t，密度0.329 kg/m2；中層2 867.83 t，密度0.717 kg/m2；深層5 578.17 t,密度1.395 kg/m2；研究區(qū)單位有機碳平均儲量和平均密度分別為：表層16 062.83 t,密度為4.016 kg/m2；中層49 515.67 t，密度12.379 kg/m2；深層64 727.5 t,密度16.182 kg/m2。

(2)評價結(jié)果顯示無機碳和有機碳密度在表層、中層和深層中分布都不均勻，但有機碳和無機碳各自在不同深度的碳密度分布趨勢一致，即高值區(qū)與低值區(qū)分布范圍基本一致。

(3)研究區(qū)土壤中碳儲量分布與土壤類型關(guān)系密切,單位無機碳量和單位有機碳量均在濱海鹽土中最為豐富，在黃壤、紫色土、紅壤和水稻土中含量中等，粗骨土最低。

(4)在氣候、CO2分壓和酸堿度基本相同情況下，區(qū)內(nèi)土壤無機碳的富集與土壤含鹽量正相關(guān)；土壤有機碳的分布與氣候、地形地貌、土地利用方式、植被覆蓋類型及人類工農(nóng)業(yè)活動等諸多因素有關(guān)。區(qū)內(nèi)有機碳在城鎮(zhèn)周邊多呈高背景分布，研究區(qū)有機碳儲量在多大程度上受人類活動的影響?還需要更進一步的數(shù)據(jù)支撐和詮釋。