張素榮，張　燕，楊俊泉，賀福清，高學生

（中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170）

海河流域平原區(qū)土壤碳密度分布特征和碳儲量估算

張素榮，張燕，楊俊泉，賀福清，高學生

（中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170）

基于2003年以來多目標區(qū)域地球化學調(diào)查積累的大量表、深層土壤有機碳、全碳分析數(shù)據(jù)，以土壤類型和土地利用類型為基本計算單元，本文重點對海河流域平原區(qū)土壤碳密度與碳儲量分布規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明：海河流域表、深層土壤全碳和有機碳密度空間分布規(guī)律基本一致，總體均表現(xiàn)為“北東呈帶、區(qū)域連片”，“南部高于北部，山前高于平原，城市高于農(nóng)田”的特征。從土壤類型上看，濕潮土的有機碳密度最高，為17.92 kg/m2，其次為石灰性褐土，達到15.49 kg/m2，草甸風沙土的有機碳密度最低，為7.9 kg/m2；有機碳密度最大者與最小者相差將近2倍。從土地利用類型來看，耕地的有機碳密度最高，這與近年來推廣的秸稈還田和人工施肥有關。

土壤碳庫；有機碳；碳密度；碳儲量；海河流域；平原區(qū)

以土壤為載體的碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中最大的貯庫，其儲量的微小幅度漲落，會引起溫室效應的變化，從而間接影響地球氣候系統(tǒng)［1］。研究土壤中的碳儲量有助于揭示土壤碳貯藏對全球變化響應的時間、方式及規(guī)模［2］，同時，土壤有機碳的含量及其動態(tài)平衡機制也是反映土壤質(zhì)量的一個重要指標，并對土壤肥力的可持續(xù)性有重要影響［3］。因此，土壤中的碳庫研究已成為全球變化研究的重點和熱點［4］。

我國對土壤碳儲量的研究自上世紀90年代起步，目前已取得大量研究成果。早期研究基礎建立在兩次全國性土壤普查積累的土壤屬性數(shù)據(jù)，主要對我國土壤碳的含量及其空間分布特征進行了一些探索性的研究，并著重對土壤有機碳庫進行估算，代表性的研究有：方精云等粗略估算中國陸地土壤碳總儲量為185.7 Gt，約占全球總量的12.5%［5］；王紹強和周成虎［6］根據(jù)中國第一次土壤普查數(shù)據(jù)估算了中國陸地土壤的有機碳總量為1 001.8×108t，平均碳密度為10.83 kgC/m2；王紹強等根據(jù)中國第二次土壤普查資料計算出中國陸地土壤總有機碳庫儲量約為92.4 PgC，其空間分布總體上是東部地區(qū)大致隨緯度的增加而遞增，西部地區(qū)則隨緯度減小而增加［7］。自2001年以來，我國先后在東、中部平原盆地、湖泊濕地、近海灘涂、丘陵草原及黃土高原等主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)開展了多目標區(qū)域地球化學調(diào)查工作，獲得了海量表、深層土壤有機碳及全碳分析數(shù)據(jù)，隨之也掀起一股土壤碳儲量研究的熱潮，如：劉文輝等［4］研究了甘肅省蘭州-白銀地區(qū)的土壤有機碳庫空間分布特征，并估算了有機碳儲量；奚小環(huán)等［8］研究了東北平原土壤有機碳分布與變化趨勢；邊維勇等［9］探討了遼河流域表層土壤碳密度與碳儲量分布規(guī)律；于成廣等［10］對遼河流域土壤碳密度分布特征和碳儲量進行了研究；張秀芝等［11］對河北平原土壤有機碳儲量及固碳機制進行了研討；欒文樓等［12］關注了河北平原土壤有機碳含量的變化情況，認為河北平原土壤有機碳含量在1979-2004年這25年間是持續(xù)增長的。從國內(nèi)目前已發(fā)表的資料來看，前人已從不同尺度對不同地域的土壤碳庫進行了研究，但尚沒有學者對海河流域平原區(qū)的土壤碳密度的空間分布特征和碳儲量進行過系統(tǒng)的研究和精確的估算。

海河流域平原區(qū)作為我國政治經(jīng)濟文化的中心區(qū)域，也是我國城市和人口最密集的區(qū)域之一，自2003年開展多目標區(qū)域地球化學調(diào)查工作以來積累了大量表、深層土壤有機碳、全碳分析數(shù)據(jù)，為準確的計算研究區(qū)的土壤碳庫和研究碳密度的分布特征及時空演變化提供了基礎數(shù)據(jù)。研究此區(qū)域內(nèi)土壤有機碳儲量分布，可為流域內(nèi)土地合理規(guī)劃利用、大氣循環(huán)研究及生態(tài)環(huán)境保護等方面提供重要的理論基礎，同時對未來開展流域內(nèi)及流域間不同時間、空間尺度上的碳循環(huán)動態(tài)對比研究提供科學依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

海河流域平原區(qū)以華北平原區(qū)為主，北倚燕山，西靠太行，東臨渤海，南界黃河，總面積約140 000 km2，是我國最主要的糧食產(chǎn)區(qū)之一。平原區(qū)總的地勢由西北向東傾斜，西部為山西高原和太行山區(qū)，北部為燕山山區(qū)，中部和東南部為廣闊的平原，東部為海洋。地貌具有類型多樣、高差較大、排列有序的特征。根據(jù)成因類型，海河流域平原區(qū)可劃分為沖積洪積平原、洪積沖積平原、沖積平原、海積沖積低平原、海積低平原、沖積湖積平原和洪積平原等七種類型，其中主體為沖積平原。研究區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候。自然條件復雜，植被受地貌所控制。平原區(qū)發(fā)育的地帶性植被是落葉闊葉林，多數(shù)已被開辟為農(nóng)田，現(xiàn)只殘存在部分山地。本區(qū)氣候、植被、土壤適合多種經(jīng)濟作物生長。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

2003至2005年國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局先后與山東省、河南省、河北省和北京市、天津市人民政府簽訂合作協(xié)議，開展了1/25萬多目標區(qū)域地球化學調(diào)查工作，該調(diào)查系統(tǒng)地測定了有機碳與全碳含量，為海河流域平原區(qū)土壤碳密度及有機碳儲量研究提供了高密度和高精度數(shù)據(jù)資料，為精確計算土壤碳儲量和估算土壤碳庫提供了新的途徑，具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。目前海河流域平原區(qū)多目標區(qū)域地球化學調(diào)查面積達14萬km2，基本覆蓋廣闊的平原地區(qū)。多目標區(qū)域地球化學調(diào)查采用雙層網(wǎng)格化土壤測量方法［13］，表層（0～20 cm）土壤樣品（包括沿海灘涂樣品），采樣密度為1個點/km2，深層土壤樣品采樣密度為1個點/4 km2，采樣深度為1.8 m。土壤的分析樣品由4個表層單點樣組合而成，即表層土壤分析單元為1個點/4 km2，深層土壤分析單元為1個點/16 km2。

2.2樣品測試方法

樣品由河南省巖石礦物測試中心、安徽省地質(zhì)試驗研究所、湖北省地質(zhì)實驗測度中心、福建省地質(zhì)測試中心負責分析測試。土壤有機碳和全碳分析采用X-射線熒光光譜法和重鉻酸鉀容量法，分析準確度（ΔlgC）控制在±0.10～0.12，精密度（RSD）控制在±10%～20%，報出率達到98%以上。

2.3土壤碳密度和碳儲量的計算方法

土壤碳密度指單位面積（km2）中一定厚度的土層中碳儲量（質(zhì)量），是土壤含量值在垂直方向上一定厚度內(nèi)的積分（或累加）結(jié)果。土壤碳儲量指一定面積內(nèi)一定深度土壤的碳儲量（質(zhì)量），是土壤碳密度在水平二維空間內(nèi)積分（或累加）的結(jié)果［14］。多目標區(qū)域地球化學調(diào)查表層樣是4 km2網(wǎng)格一個分析數(shù)據(jù)點，本文引用單元土壤碳量的概念，即以多目標區(qū)域地球化學調(diào)查確定的土壤表層樣品分析單元為計算單元，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），分別代表計算單元表層土壤與深層土壤碳含量，依據(jù)土壤碳含量分布模式計算得到單元土壤碳量，對單元土壤碳量進行加和計算取得土壤碳儲量。土壤碳含量由表層至深層主要存在兩類分布模式，即指數(shù)分布模式和線性分布模式。其中有機碳含量分布為指數(shù)模式，無機碳含量分布為直線模式［15］。海河流域平原區(qū)土壤容重數(shù)據(jù)采用了中國科學院南京土壤研究所［16-18］的2×2公里網(wǎng)格的10～20 cm和大于70 cm的土壤容重分布圖。

2.3.1有機碳（TOC）單元土壤碳量（USCA）計算方法

（1）深層有機碳單元土壤碳量計算。計算公式：

USCATOC，0～1.8m表示0～1.8m深度單元土壤有機碳量（t）。式中為有機碳含量（%），D表示采樣深度（1.8m），4為單元土壤面積（km2），104為單元土壤面積換算系數(shù)，ρ為土壤容重（t/m3）。

TOC是根據(jù)大量的土壤柱狀剖面樣品碳實驗數(shù)據(jù)的擬合函數(shù)模型按深度求取積分的結(jié)果，計算公式為：

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，單位均為%。取表層土壤中間深度0.1m，d2取1.8m（或?qū)嶋H采樣深度）。中間層的公式同理。

（2）中層（計算深度為1m）有機碳單元土壤碳量（USCATOC，0～1.0m）計算。計算公式：

USCATOC，0～1.0m表示采樣深度1.8m時計算1.0m深度有機碳量［15］。式中計算公式為：

式中d3=1.0m，其他參數(shù)同前。

（3）表層有機碳單元土壤碳量計算。計算公式：

式中TOC取表層土壤實測含量值。

2.3.2無機碳（TIC）單元土壤碳量（USCA）計算方法

（1）深層無機碳單元土壤碳量計算。計算公式：

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）中層無機碳單元土壤碳量（USCATOC，0～1.0m）計算。計算公式：

USCATIC，0～1.0m（深1.8m）表示采樣深度1.8m時計算1.0m深度無機碳量［15］，D為1.0m，TIC1.0m采用內(nèi)插法確定。

（3）表層無機碳單元土壤碳量計算。計算公式：

TIC表由全碳實測數(shù)據(jù)減有機碳取得。

2.3.3全碳（TC）單元土壤碳量（USCA）計算方法

（1）深層全碳單元土壤碳量計算。計算公式：

當實際采樣深度達不到1.8m時，取實際采樣深度值。

（2）中層全碳單元土壤碳量（USCATC，0～1.0m）計算。計算公式：

當實際采樣深度達不到1.8m時，取實際采樣深度值。

（3）表層全碳單元土壤碳量計算計算公式：

3　結(jié)果與分析

3.1海河流域平原區(qū)土壤碳總量分布特征

海河流域平原區(qū)表層（0～0.2m）土壤碳總量為623M t，土壤有機碳儲量為317M t；中層（0～1.0m）土壤碳總量為2 893.8 M t，土壤有機碳儲量為1 150.4M t；深層（0～1.8m）土壤碳總量為4 891.3M t，土壤有機碳儲量為1 544.7M t。結(jié)果表明，海河流域平原區(qū)的碳總量是較大的，且與第二次土壤普查計算的結(jié)果對比［19］，在2000～2010年期間平原區(qū)整體是一個小的土壤碳匯，農(nóng)業(yè)施肥、水分管理及秸桿還田等對土壤碳儲量尤其是有機碳發(fā)揮土壤碳匯效應的效果顯著［20，21］。海河流域平原區(qū)全碳和有機碳量的計算為認識研究區(qū)的農(nóng)田土壤碳匯現(xiàn)狀及變化趨勢，評價該區(qū)的農(nóng)田土壤碳匯能力提供了依據(jù)。

3.2海河流域平原區(qū)土壤碳密度分布特征

海河流域平原區(qū)土壤表層（0～0.2m）土壤碳密度含量變化范圍為0.16～38.08 kg/m2，平均為4.46 kg/m2，有機碳密度含量變化范圍為0.08～25.13 kg/ m2，平均為2.27 kg/m2；海河流域平原區(qū)中層（0～1.0 m）土壤碳密度含量變化范圍為0.87～130.4 kg/m2，平均為20.2 kg/m2，有機碳密度含量變化范圍為0.42～74.27 kg/m2，平均為8.02 kg/m2；海河流域平原區(qū)深層（0～1.8m）土壤碳密度含量變化范圍為1.47～173.08 kg/m2，平均為34.08 kg/m2，有機碳密度含量變化范圍為0.77～91.31 kg/m2，平均為11.55 kg/m2。

海河流域表、深層土壤碳密度空間分布規(guī)律基本一致，全碳和有機碳密度空間分布不均勻，變異性較強，但總體呈現(xiàn)“北東呈帶、區(qū)域連片”，“東部高于西部、山前高于平原、城市高于農(nóng)田”的分布特征（圖1、2）。在漕河-大清河流域、馬頰河流域呈北東向帶狀分布，在太行山山前沖洪積扇區(qū)呈北北東向帶狀分布；在北京、天津、唐山、秦皇島等人類活動頻繁的城市區(qū)域連片分布。該分布特征與華北平原沖洪積平原的第四紀沉積相、沉積環(huán)境有關，也反映了成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地的差異與土壤碳庫之間有密切的聯(lián)系。

3.3不同土壤類型土壤有機碳密度變化和碳儲量

海河流域平原區(qū)土壤類型包括11個土綱，18種土類，44種土壤亞類，其中以潮土為主，面積9.86萬km2，占70.85%；其次為褐土，面積0.84萬km2，占5.99%。土壤有機碳也主要分布于潮土與褐土中，各土壤中有機碳儲量與其土壤的面積比例基本一致。估算結(jié)果表明，海河流域平原區(qū)1.8m土壤厚度范圍固定的有機碳儲量近1 544.7M t，土壤平均有機碳密度為11.55 kg/m2（表1）。土壤有機碳主要儲存于11種土壤類型中，分別為潮土、褐土、沖積土、鹽化潮土、脫潮土、潮褐土、濱海鹽土、石灰性褐土、濕潮土、草甸風沙土和鹽土，土壤面積占總積的93.94%，有機碳儲量占總儲量的96.22%。其中濕潮土的有機碳密度最高，為17.92 kg/m2，其次為石灰性褐土，達到15.49 kg/m2，草甸風沙土的有機碳密度最低，為7.9 kg/m2，有機碳密度最大者與最小者相差將近2倍。

圖1　海河流域平原區(qū)表層土壤有機碳密度分布圖Fig.1 Distribution o f density o f organic carbon intopsoil（0.0～0.2m）in the Haiheriver basin

表1　海河流域平原區(qū)土壤有機碳儲量（土壤類型）Tab le 1 Soilorganic carbon reserve in the p lain areas o f Haihe river basin（soil type）

圖2　海河流域平原區(qū)深層土壤有機碳密度分布圖Fig.2 Distribution o f density o f organic carbon in deep soil（0.0～1.8m）in the Haiheriver basin

從不同土壤類型的平均有機碳密度變化可以看出，濕潮土、水稻土、沼澤土、砂姜黑土、石灰性褐土的有機碳密度較高。海河流域平原區(qū)的濕潮土主要分布于天津市周邊的洼地、河流周圍，土壤母質(zhì)為河流洪積物；水稻土分布于濱海平原區(qū)、中部的沖洪積平原、交接洼地、湖泊周圍及河流階地，土壤母質(zhì)為海相沉積物和河流洪積物；沼澤土零星分布于研究區(qū)內(nèi)各地的內(nèi)陸封閉洼地、湖泊周圍和濱海低平原洼地，土壤母質(zhì)為湖相沉積物和海相沉積物；砂姜黑土主要分布于唐山、廊坊、保定、邢臺等地山麓沖積平原的扇形洼地；石灰性褐土主要分布于房山區(qū)、淶水、邢臺等地山麓沖積平原的扇形洼地。以上幾種土壤均有含水量較大，地下水位埋深較淺的特點。平均有機碳密度較低的土壤類型如沖積土、草甸風沙土、石質(zhì)土、濱海風沙土等含水量普遍較低?？梢?，水分含量直接影響土壤碳貯存能力，含水量高的土壤類型碳儲能力強，反之含水量低的土壤類型碳儲能力較弱。

土壤母質(zhì)和質(zhì)地也是影響土壤有機碳儲量的重要因素，粘粒含量高，有利于碳儲量的增加。濕潮土、水稻土、沼澤土、砂姜黑土、石灰性褐土等平均碳密度較高土類的一個共同特點是粘土礦物含量高，為有機質(zhì)的儲存創(chuàng)造了條件。與之相對應的沖積土、草甸風沙土、石質(zhì)土、濱海風沙土中土壤有機碳密度較低。這是由于風沙土母質(zhì)為砂質(zhì)風積物，在風力大于沙粒臨界起動的情況下，沙粒以推移、躍移和懸移等方式移動。風沙土養(yǎng)分含量低，保水保肥力差；而沖積土為各種河流沖積物、洪積物，該類型土質(zhì)汛期易受洪水淹沒，枯水期生長稀疏草灌。據(jù)此推斷，由生態(tài)環(huán)境惡化造成的土壤類型差異是土壤中有機碳儲量變化的主要原因。

3.4不同土地利用類型土壤有機碳密度變化和碳儲量

研究區(qū)土地利用以耕地為主，占75.61%，居民及工礦用地占12.04%，未利用土地占3.35%，水域占3.82%，林地占2.05%，園地占1.69%，交通用地和牧草地極少。平原區(qū)土壤有機碳儲量主要分布在耕地和居民及工礦用地范圍內(nèi)，兩種土地利用類型占據(jù)了土壤有機碳總儲量的90.31%（表2）。

從不同的土地利用類型的有機碳密度來看，耕地＞工礦用地＞水域＞園地＞未利用地＞林地＞交通用地＞牧草地，耕地的有機碳密度為11.42 kg/m2。3種主要農(nóng)用地類型的平均有機碳密度順序為耕地＞園地＞林地，與未利用地相比，林地的土壤有機碳密度和有機碳儲量均低。一般而言，自然土壤的碳貯存能力最強，林地的固碳效果最好，但在本研究中林地的平均有機碳密度較低，這是因為海河流域平原區(qū)的林地基本上不存在自然林，多是在廢棄土地上的人工再造林，其土壤碳庫本身較低。但需要肯定的是，盡管在棄耕的土地內(nèi)重新種植作物會引起碳庫下降，但林地會加強土壤對碳的固定能力，因此植樹造林仍是緩解大氣CO2濃度升高的重要措施。

由人類活動引起的土地利用方式和土地覆被的變化，也直接影響土壤中有機碳量的儲存。近年來，由于城鎮(zhèn)化建設速度推進，土地利用率加快，不同程度的存在森林被砍伐轉(zhuǎn)化為耕地，同時，部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO和工業(yè)用地，以及由人類對土地的過度開墾，人類活動干擾造成土壤鹽咸化、沙漠化等，都將導致土壤有機碳的釋放量減少。土地利用方式的轉(zhuǎn)變直接影響土壤碳儲量儲存機制。另外在近年來推廣秸稈還田，以及耕地和園地內(nèi)人工施肥卻會引起土壤碳庫升高［11］。因此，我們應盡早采取措施保護土壤質(zhì)量，繼續(xù)推廣秸稈還田及科學施肥等措施，因地制宜的實現(xiàn)農(nóng)林牧協(xié)調(diào)發(fā)展。

表2　海河流域平原區(qū)土壤有機碳儲量（土地利用類型）Tab le 2 Soilorganic carbon reserve in the p lain areas o f Haihe river basin（land use type）

4　結(jié)論

（1）海河流域平原區(qū)表、深層土壤全碳和有機碳密度空間分布規(guī)律基本一致，總體均表現(xiàn)為“北東呈帶、區(qū)域連片”，“南部高于北部，山前高于平原，城市高于農(nóng)田”的特征。表層（0～0.2m）土壤全碳儲量為623M t，碳密度平均為4.46 kg/m2，有機碳儲量為317 M t，有機碳密度平均為2.27 kg/m2；中層（0～1.0m）土壤全碳儲量為2 893.8M t，土壤碳密度平均為20.2 kg/m2，有機碳儲量為1 150.4M t，有機碳密度平均為8.02 kg/m2；深層（0～1.8 m）土壤全碳儲量為4891.3 M t，深層土壤碳密度平均為34.08 kg/m2，有機碳儲量為1 544.7M t，有機碳密度平均為11.55 kg/m2。

（2）海河流域平原區(qū)土壤有機碳以潮土、褐土所占比重最大，分別占總積的70.85%、5.99%。其中濕潮土的有機碳密度最高，為17.92 kg/m2，其次為石灰性褐土，達到15.49 kg/m2，草甸風沙土的有機碳密度最低，為7.9 kg/m2，有機碳密度最大者與最小者相差將近2倍。不同土壤類型有機碳密度的差異，主要與水分含量和粘粒含量有關。

（3）從土地利用類型來看，研究區(qū)土壤有機碳儲量主要分布在耕地和居民及工礦用地范圍內(nèi)，兩種土地利用類型占據(jù)了土壤有機碳總儲量的90.31%。耕地的有機碳密度最高，為11.42 kg/m2，這與近年來推廣的秸稈還田和人工施肥有關。平原區(qū)土地合理規(guī)劃利用應加以重視這些因素。

（4）區(qū)域內(nèi)土壤有機碳儲量分布規(guī)律的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)，也可在大氣循環(huán)研究及生態(tài)環(huán)境保護和不同尺度的碳循環(huán)動態(tài)對比研究利用。

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Distribution Characteristicsof SoilCarbon Density and Carbon
Reserve Estimation in the Plain Areasof Haihe River Basin

ZHANG Su-rong，ZHANGYan，YANG Jun-quan，HEFu-qing，GAO Xue-sheng

（Tianjin InstituteofGeology and M ineral Resources，Tianjin 300170，China）

The soil carbon pool has become the focus and heated pointsof researchon global change，and achieved remarkable results inour country.However，the researchon soil carbon pool in the plain areasof Haihe river basin still remains blank.This research is basedon the abundant analytic dataoforganic carbon and total carbon forboth top soil（0～0.2m）and deep soil（0～1.8m）obtained during Multi-Purpose Regional Geochem ical Survey since 2003.Using soil types and land use types as the basic computing unit，the research dealsw ith soil carbon density and carbon reserve in the plain areasof Haihe river basin.The results show that the spatial density distributionof both total carbon andorganic carbon are basically the same in top soiland deep soil in the Haihe river basin.Generally the values are higher in the south than that in the north，the values in piedmontareas arehigher than that in plain areas，and the values in urban areas arehigher than that in farm land areas.The results basedon the soil types show thatwet soil contains the highestorganic carbon density，up to17.92 kg/m2，followed by the calcareous cinnamon soil，up to15.49 kg/m2，and themeadow aeolian sandy soil contains the lowest，7.9 kg/m2.Themaximum is nearly 2 timesof them inimum，affected by thewaterand clay content in the soil. The results basedon the land use types show that the cultivated land contains the highestorganic carbon density，due topopularizationof straw returning and artificial fertilization in recent years.

soil carbon pool；organic carbon；carbon density；carbon reserve；Haihe river basin

P595

A

1672－4135（2015）04－0305-06

2015-04-19

國家土壤現(xiàn)狀調(diào)查及污染防治專項“海河流域土地質(zhì)量地球化學評估（GZTR20070303）”

張素榮（1981-），女，高級工程師，碩士，從事地球化學研究，Email:zhangsurong@126.com。