王光翔，張黎明， *，李曉迪，于東升，史學(xué)正，邢世和，陳翰閱

1. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），江蘇 南京 210008

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基于高精度土壤數(shù)據(jù)庫的蘇北旱地固碳速率和潛力研究

王光翔1，張黎明1， 2*，李曉迪1，于東升2，史學(xué)正2，邢世和1，陳翰閱1

1. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），江蘇 南京 210008

摘要：旱地占我國農(nóng)田面積的70%以上，明確它未來不同時段的固碳速率和潛力對于制定中國農(nóng)田溫室氣體減排清單及各個時期“固碳減排”政策皆具有重要意義。選擇屬于黃淮海平原一部分的江蘇省北部（簡稱“蘇北地區(qū)”）29個縣（市）旱地為研究區(qū)，以最新建立的1∶50 000高精度大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用生物地球化學(xué)模型DNDC（Denitrification and Decomposition）估算了該地區(qū)2011─2040年（30 a）、2011─2070年（60 a）和2011─2100年（90 a）3個時段的固碳速率和潛力。結(jié)果表明，蘇北地區(qū)393多萬平方公頃旱地在未來30、60和90 a的固碳總量分別為43.18、69.40和88.91 Tg；年均固碳速率分別為367、295和252 kg·hm-2。其中，潮土和紫色土的固碳速率最大，各個時段的年均固碳量一般在300 kg·hm-2以上，而石質(zhì)土和石灰土固碳速率最小，各個時段的年均固碳量一般在200 kg·hm-2以下。從空間分布來看，地處北部的灌南縣固碳速率最大，各個時段的年均固碳量均超過330 kg·hm-2；而中部的盱眙縣固碳速率最小，各個時段的年均固碳量均低于250 kg·hm-2。總體來看，蘇北旱地不同土類和各個縣（市）的未來固碳速率和潛力差異很大。因此，今后針對該地區(qū)不同的土壤類型和行政單元制定適宜的固碳減排措施是十分必要的。

關(guān)鍵詞：1∶50 000數(shù)據(jù)庫；DNDC（Denitrification and Decomposition）模型；蘇北旱地；固碳潛力；固碳速率

引用格式：王光翔， 張黎明， 李曉迪， 于東升， 史學(xué)正， 邢世和， 陳翰閱. 基于高精度土壤數(shù)據(jù)庫的蘇北旱地固碳速率和潛力研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報， 2016， 25（3）: 422-431.

WANG Guangxiang， ZHANG Liming， LI Xiaodi， YU Dongsheng， SHI Xuezheng， XING Shihe， CHEN Hanyue. Study of Soil Organic Carbon Sequestration Rate and Potential of Upland in Northern Jiangsu Province Based on High-resolution Soil Database ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（3）: 422-431.

土壤有機碳庫作為僅次于海洋碳庫的全球第二大碳庫，全球表層土壤有機碳儲量約為1500 Pg （1 Pg=1015g），它的較小幅變化將對大氣CO2濃度產(chǎn)生深遠影響（Lal，2004）。與自然土壤相比，農(nóng)田土壤有機碳庫更容易受到強烈人為干擾并可在較短時間內(nèi)進行自我調(diào)節(jié)，對大氣CO2具有“源”和“匯”的雙重功能（田康等，2014）。我國是農(nóng)業(yè)大國，全國耕地面積1.40×108hm2，其中旱地占70%左右（Pan et al.，2010；王世航等，2011403-404）。一些研究表明，全球農(nóng)田0～30 cm土層的有機碳密度約在43～60 Mg·hm-2之間，其中歐洲發(fā)達國家約為53 Mg·hm-2，而我國旱地土壤有機碳僅為24.4 Mg·hm-2，遠低于世界和歐洲發(fā)達國家平均水平（Qin et al.，2013；Xie et al.，2007）?？梢?，我國旱地土壤有機碳密度整體較低，通過適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)管理措施（如少耕、免耕和秸稈還田等）可有效提高碳匯能力，而在制定這些合理政策之前首先要對旱地土壤固碳速率和潛力進行精確估算。

農(nóng)田碳循環(huán)是一個非常復(fù)雜的過程，而綜合氣候、土壤、生物和人類活動等影響因素的生態(tài)系統(tǒng)模型被認(rèn)為是客觀估計“碳源/碳匯”強度及其對全球變化影響的有效途徑。基于此，國內(nèi)外學(xué)者通過長期定位點數(shù)據(jù)成功開發(fā)了大量土壤有機碳模型，其中最具有代表性的模型有Century，CANDY，DAISYS，DNDC，ITE，QSOIL，NCSOIL和RothC等。近些年來，Li等根據(jù)中國和美國的長期定位點實驗建立的DNDC（DeNitrification and Decomposition）模型由于運用了生物地球化學(xué)理論來預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，在我國得到了越來越廣泛的應(yīng)用（秦發(fā)侶等，2014）。如，邱建軍等（2004）1166-1171利用東北三省“縣級”土壤數(shù)據(jù)庫和DNDC模型估算了該地區(qū)0～30 cm耕地土壤碳儲量及現(xiàn)行管理措施下的有機碳動態(tài)變化，結(jié)果表明：東北三省耕地土壤碳儲量約為1.2 Pg，且在目前的農(nóng)作制度下每年凈損失有機碳31.22 Tg。韓冰等（2005）以“縣”為最小模擬單元驅(qū)動DNDC模型，模擬得出中國農(nóng)田在1990年管理措施和氣候條件下的固碳潛力約為-0.969 Pg。Xu et al.（2011）206-213利用目前國家尺度最為詳細的1∶1000000土壤數(shù)據(jù)庫和DNDC模型，模擬得出1980─2050年我國水稻土在不同推薦性農(nóng)業(yè)管理措施下的固碳潛力介于29.2～847.7 Tg之間。

但從目前的研究可以看出，由于缺乏詳細的基礎(chǔ)土壤數(shù)據(jù)庫，國家和大區(qū)域尺度的旱地土壤有機碳模擬中一般使用中、小比例尺土壤數(shù)據(jù)庫；另外，DNDC模型的模擬一般以“縣”為最小模擬單元，而這種模擬方法每個縣只能定義一組土壤屬性值（如質(zhì)地、有機碳和pH等），無法反映“縣”內(nèi)不同土壤的空間異質(zhì)性。很多研究表明，土壤屬性的空間異質(zhì)性是造成有機碳模擬誤差的主要來源（Xu et al.，2011207；Li et al.，200411-12）。為此，本研究選擇屬于黃淮海平原一部分的江蘇省北部（簡稱“蘇北地區(qū)”）29個縣（市）393多萬平方公頃旱地作為研究區(qū)，以充分體現(xiàn)土壤屬性空間異質(zhì)性的1∶50000高精度大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫“圖斑”為DNDC模型最小模擬單元，模擬該地區(qū)在未來2011 ─2040年（30 a）、2011─2070年（60 a）和2011 ─2100年（90 a）3個時段下的固碳速率和潛力，并揭示不同土類和行政單元固碳速率差異的內(nèi)在影響因素，研究結(jié)果一方面可為研究區(qū)和我國黃淮海平原估算未來不同時段固碳潛力和速率提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；另一方面也可根據(jù)各個時段固碳速率的變化趨勢，合理制定研究區(qū)和我國黃淮海平原未來不同階段的“固碳增匯”應(yīng)對措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省北部（116°21′～120°54′E，32°43′～35°07′N）（圖1），總面積為5.23×104km2，轄徐州、連云港、宿遷、淮安和鹽城5個地級市，處于亞熱帶與暖溫帶的季風(fēng)性氣候過渡帶，受東南季風(fēng)影響大，多年平均氣溫13～16 ℃，年降雨量800～1200 mm，無霜期220 d左右。成土母質(zhì)主要包括黃泛沖積物、湖相沉積物、河海相沉積物、下蜀黃土和其他各河流沖積物。主要旱地土壤類型為潮土，約2.07×106hm2，其次為鹽土，約9.5×105hm2，褐土、砂姜黑土和棕壤分布面積也較大，都超過了2.0×105hm2。從面積比例來看，該地區(qū)潮土、鹽土和砂姜黑土分別占旱地總面積的53%、24%和8%，與黃淮海平原主要土壤類型比例相一致（張黎明等，2011）1627-1628。

1.2 DNDC模型簡介及驗證

DNDC（Denitrification-Decomposition）是美國New Hampshire大學(xué)李長生教授等研發(fā)、能描述陸地生態(tài)系統(tǒng)碳和氮遷移轉(zhuǎn)化的生物地球化學(xué)循環(huán)過程模型（Li，2007）。該模型由土壤氣候、農(nóng)作物生長、有機質(zhì)分解、硝化、反硝化和發(fā)酵6個子模型構(gòu)成，分別以日步長模擬土壤碳氮循環(huán)轉(zhuǎn)化過程。

盡管DNDC模型目前已在20多個國家進行了碳氮循環(huán)模擬和野外實測數(shù)據(jù)的驗證，但如果將該模型應(yīng)用于蘇北旱地土壤有機碳演變模擬時，將模擬數(shù)據(jù)與該地區(qū)實測數(shù)據(jù)進行比較是十分重要的（邱建軍等，2004）1167-1168。為此，本研究利用農(nóng)業(yè)部在蘇北地區(qū)銅山縣設(shè)置的小麥和玉米輪作旱地監(jiān)測點9年實測數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，并選擇相對誤差（E）、平均絕對預(yù)測誤差（MAE）和均方根預(yù)測誤差（RMSE）3種指標(biāo)進行模型預(yù)測精度的評估（Whitmore et al.，1997137-151；趙永存，2005）。各個指標(biāo)的計算公式如下：

1.2.1 相對誤差法（E）

圖1 江蘇省北部地理位置分布Fig. 1 Geographical location of the study area

式中，O為實測值，Oi為所有實測值的平均值，P為模擬值，iP所有模擬值的平均值，n為模擬值與實測值對應(yīng)的數(shù)據(jù)對的數(shù)目。

1.2.2 平均絕對預(yù)測誤差（MAE）

1.2.3 均方根預(yù)測誤差（RMSE）

（2）式和（3）式中，Voi為實測值，Vpi為模擬值，n為模擬值與實測值對應(yīng)的數(shù)據(jù)對的數(shù)目。

1.3 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

蘇北地區(qū)1∶50000土壤數(shù)據(jù)庫基本圖件來源于淮安、連云港、宿遷、徐州和鹽城5個地級市所轄有旱地面積的29個縣（市），土壤屬性數(shù)據(jù)來自于第二次土壤普查編撰《縣級土壤志》中記錄的983個旱地剖面資料。該數(shù)據(jù)庫以土種為基本分類單元，共計17024個圖斑；每一圖斑均有土壤容重、黏粒、初始有機碳含量及pH等理化性質(zhì)（張黎明等，2011）1627-1628。土壤屬性和空間數(shù)據(jù)連接采用Shi et al.（2006）提出的PKB（Pedological Knowledge Based method，PKB）法。

模型所需的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)主要包括各個縣（市）作物產(chǎn)量、種植面積、播種期、收獲期等種植制度和輪作作物生理參數(shù)，以及氮肥、農(nóng)家肥和農(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)來自于2009年江蘇省出版的統(tǒng)計年鑒資料。氣象資料主要來自位于蘇北地區(qū)7個國家氣象站1980─2009年的逐日最高和最低氣溫、日照時數(shù)和降水量數(shù)據(jù)。DNDC模型的驗證數(shù)據(jù)主要來自于徐州銅山縣（監(jiān)測點代碼JSX21-08）農(nóng)業(yè)部長期定位點資料，這部分?jǐn)?shù)據(jù)由中國科學(xué)院南京土壤研究所提供（表1和表2）。

1.4 情景分析設(shè)置

為定量地預(yù)測蘇北旱地2011─2040年（30 a）、2011─2070年（60 a）和2011─2100年（90 a）3個不同時段的固碳速率和潛力，本研究保持2009年農(nóng)業(yè)管理措施不變，以2000─2009年氣象數(shù)據(jù)進行每隔10年的重復(fù)，模擬未來30、60和90 a土壤有機碳的演變。

1.5 統(tǒng)計方法及差異性分析

蘇北旱地年均固碳速率與土壤屬性、氣候因子間的關(guān)系分別用逐步回歸和偏相關(guān)統(tǒng)計方法進行分析；另外，未來30、60和90 a的固碳潛力和速率差異采用變化率（%）表示，計算公式如下：

式中y—變化率（%）；xs—未來60和90 a固碳潛力（Tg）和年均固碳速率（kg·hm-2）；x0—未來30 a固碳潛力（Tg）和年均固碳速率（kg·hm-2）

2 結(jié)果與討論

2.1 DNDC模型在蘇北地區(qū)的驗證

圖2 驗證點SOC含量模擬結(jié)果與實測結(jié)果比較Fig. 2 Comparison between observed and simulated long-term SOC dynamics in Tongshan County

表1 江蘇省銅山縣小麥-玉米輪作旱地監(jiān)測點基本特征Table 1 Characteristics of validation site in northern Jiangsu Province， China

表2 江蘇省銅山縣小麥-玉米輪作旱地監(jiān)測點農(nóng)業(yè)管理措施Table 2 Baseline management practices for the selected field site in northern Jiangsu Province， China

從圖2可看出，1999─2007年銅山縣監(jiān)測點的土壤有機碳模擬平均值為13.66 g·kg-1，與實測平均值13.13 g·kg-1的誤差百分率E為-4.34%。根據(jù)Whitmore et al.（1997）146-150提出的實測值與模擬值誤差百分率不超過±5%則模擬結(jié)果為很準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)來看，本研究中DNDC模型在研究區(qū)的模擬達到很準(zhǔn)確水平（圖2）。此外，銅山縣監(jiān)測點有機碳含量模擬值和實測值之間的MAE和RMSE分別只有0.53和0.89 g·kg-1，說明DNDC模型在該地區(qū)的模擬精度較高，可以用于研究區(qū)土壤有機碳模擬。更多關(guān)于DNDC模型在蘇北旱地的驗證可查閱Zhang et al.（2016）在Soil & Tillage Research上發(fā)表的文章。

圖3 蘇北旱地不同時段年均固碳速率的空間分布Fig. 3 Spatial distribution of average annual carbon sequestration rate of upland soils in northern Jiangsu Province

圖4 不同時段蘇北旱地土壤有機碳密度（SOCD）動態(tài)變化Fig. 4 Temporal dynamics of soil organic carbon density（SOCD） at different periods of upland soils in northern Jiangsu Province

2.2 未來不同時段整個蘇北旱地的固碳速率和潛力

蘇北地區(qū)在1∶50000土壤數(shù)據(jù)庫下的旱地統(tǒng)計面積為3.93×106hm2，約占全國旱地總面積（1.06×108hm2）的3.70%（張黎明等，2011）1628-1629。從圖3和圖4可以看出，2011─2040年蘇北旱地土壤有機碳普遍呈增加趨勢，30年間0～50 cm土層有機碳共增加了43.18 Tg，年增幅在130～923 kg·hm-2之間，年均固碳速率為367 kg·hm-2。從面積統(tǒng)計來看，≤0、0～100、100～200、200～300、300～400和>400 kg·hm-2·a-1的分別占蘇北旱地總面積的0.06%、0.21%、1.28%、11.24%、55.99%和31.22%，說明在當(dāng)前農(nóng)業(yè)管理措施和氣候不變的情況下蘇北旱地未來30年處于強烈的“碳匯”狀態(tài)，這也與很多學(xué)者的研究結(jié)果相一致。如王世航等（2011）405-406利用Century模型對黃淮海地區(qū)旱地土壤有機碳模擬結(jié)果表明，河南省獲嘉縣在保持2007年管理措施不變情況下未來20年將呈現(xiàn)“碳匯”狀態(tài)。Yu et al.（2013）利用1∶1000000土壤數(shù)據(jù)庫和Agro-C模型模擬表明，中國農(nóng)田土壤有機碳即使在當(dāng)前的作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)管理政策不變的情況下未來40年也是持續(xù)增加的。

表3 模型輸入的初始土壤屬性與不同時段固碳速率逐步回歸分析Table 3 Stepwise regression analysis for model input of soil attributes contributing to carbon sequestration rate at different periods

表4 模型輸入的整個地區(qū)、各個土類及行政單元初始土壤屬性、氣候因子和施肥量分布Table 4 Model input of soil properties， climatic factors and fertilizer amount at whole region， soil groups， and administrative areas spatial levels

表5 模型輸入的氣候因子與不同時段固碳速率偏相關(guān)性分析Table 5 Partial correlation analysis for model input ofclimatic factors and carbon sequestration rate at different periods

很多研究表明，土壤的固碳潛力大小受本身理化性質(zhì)（質(zhì)地、有機碳含量和pH等）、氣候條件（溫度和降雨等）及農(nóng)田管理（施肥、灌溉和耕作等）綜合影響（Wan et al.，2011；Yan et al.，2007）。從表3可以看出，蘇北旱地的初始有機碳和黏粒含量與各個時段的年均固碳速率均存在極顯著正相關(guān)，且相關(guān)性明顯大于pH值和容重。一般情況下，初始有機碳越低，后期的農(nóng)業(yè)管理中土壤越容易積累有機碳；而黏粒含量越高，土壤團聚體的保護作用也越有利于碳的積累（Zhao et al.，2013；Chuai et al.，2012）。從表4可以看出，蘇北旱地土壤表層（0～20 cm）初始有機碳含量僅為6.0 g·kg-1，較低的初始有機碳導(dǎo)致了2011─2040年該地區(qū)強烈的“碳匯”；此外，該地區(qū)的黏粒含量也達到28%，這有利于形成更多的有機-無機復(fù)合體，從而保護土壤有機碳被分解，提高土壤有機碳的積累速率（Zhan et al.，2013）。農(nóng)業(yè)施肥也是影響蘇北旱地不同時段土壤有機碳的關(guān)鍵因子。從表4看出，蘇北旱地2011 ─2040年的年均氮肥和有機肥施用量分別達到492 和17.27 kg·hm-2。肥料的大量施用一方面能有效提高作物秸稈還田量和根茬殘留量，另一方面也可促進土壤微團聚體形成，提高土壤固碳能力（Brar et al.，2013；Cai et al.，2006）。氣象因子在蘇北旱地長期有機碳變化中也起著重要作用（Lin et al.，2012）。從表5中可以看出，降雨量、溫度與蘇北旱地固碳速率均存在極顯著負相關(guān)關(guān)系，這也與其他研究者的結(jié)果相一致（Zhang et al.，2010）6553。據(jù)統(tǒng)計，蘇北旱地2011─2040年的年均溫度和降雨量分別為15.2 ℃和984 mm（表4），較高的降雨量和溫度均不利于有機碳的積累（張凡等，2010）568-570。但從本研究來看，蘇北旱地2011─2040年呈現(xiàn)強烈的“碳匯”作用，可能的原因是該地區(qū)較低的初始土壤有機碳含量和較高的氮肥、有機肥施用量所產(chǎn)生的“碳匯”效應(yīng)遠大于溫度和降雨量升高導(dǎo)致的“碳源”效應(yīng)。

圖5 不同時段蘇北旱地固碳總量和年均固碳速率分布Fig. 5 Distribution of total carbon sequestration amount and average annual carbon sequestration rate at different periods of upland soils in northern Jiangsu Province

從圖4和圖5可以看出，2011─2070年和2011─2100年蘇北旱地的固碳量分別達到69.40和88.91 Tg，年均固碳速率分別為：295和252 kg·hm-2。與2011─2040年（30 a）相比，未來60a和90 a的固碳速率均有所下降，降幅分別為19.63%和31.36%，這主要是隨著時間的推移，土壤的固碳量逐漸達到飽和狀態(tài)（álvaro-Fuentes et al.，2011；West et al.， 2007）。因此，未來通過其他方式進一步實現(xiàn)固碳減排蘇北地區(qū)農(nóng)業(yè)碳循環(huán)是非常重要的。

2.3 蘇北旱地未來不同時段各個土類的固碳速率和潛力

蘇北旱地中潮土的分布面積最廣，占研究區(qū)旱地總面積的52.67%。從圖6和圖7可以看出，該土類的固碳速率和潛力均是所有土類中最高的，2011 ─2040年、2011─2070年和2011─2100年3個時段的固碳總量分別達到23.80、38.27和48.93 Tg，年均固碳速率分別為384、308和263 kg·hm-2，這主要與該土類較低的初始有機碳含量和較高的肥料投入量有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，潮土的初始有機碳含量僅為5.6 g·kg-1，而年均氮肥和有機肥施用量分別達到517和17.83 kg·hm-2；另外，該土類的年均降雨量也較低，為973 mm。紫色土的固碳速率僅次于潮土，2011─2040年和2011─2070年的年均固碳速率分別為374和301 kg·hm-2（圖6），這主要是因為該土類的初始有機碳含量和年均溫分別為4.3 g·kg-1和14.5 ℃，是所有土類中最低的。但是從表4中也可以看出，由于該土類黏粒含量僅為14%，其土壤有機碳含量在相對較短的時間內(nèi)即可達到飽和狀態(tài)，故2011─2100年的固碳速率明顯低于2011 ─2040年和2011─2070年。

圖6 不同時段蘇北旱地各個土類年均固碳速率分布Fig. 6 Distribution of average annual carbon sequestration rate of different upland soil groups at different periods

鹽土在蘇北地區(qū)的分布面積僅次于潮土，占研究區(qū)旱地總面積的24.31%。從圖6和圖7可以看出，該土類2011─2040年、2011─2070年和2011─2100 年3個時段的固碳總量分別為10.18、16.31和20.76 Tg，年均固碳速率分別達到356、285和242 kg·hm-2，該土類的固碳速率比較高主要與較高的黏粒含量與氮肥施用量有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，鹽土黏粒含量初始值為29%；而氮肥施用量達到538 kg·hm-2，是所有土類中最高的。砂姜黑土和褐土的分布面積分別占研究區(qū)旱地總面積的8.13%和5.64%，前者由于氮肥施用量和黏粒含量分別達到434 kg·hm-2和41%，3個時段的年均固碳速率均超過了240 kg·hm-2；后者因為初始有機碳和黏粒含量分別為5.9 g·kg-1和36%，3個時段的年均固碳速率也都超過了250 kg·hm-2。

圖7 不同時段蘇北旱地各個土類的固碳總量分布Fig. 7 Distribution of total carbon sequestration amount of different upland soil groups at different periods

棕壤占蘇北旱地總面積的7.31%，2011─2040年的固碳總量為2.96 Tg，年均固碳速率為343 kg·hm-2，該土類前30年固碳速率較高主要與初始有機碳含量僅為4.5 g·kg-1有關(guān)（圖6和圖7）。但由于棕壤黏粒僅為18%，而年均降雨量達到1006 mm，導(dǎo)致該土類2011─2070年和2011─2100年2個時段的固碳能力明顯下降，年均固碳量分別為275和232 kg·hm-2。

石質(zhì)土和石灰土在蘇北旱地中的分布面積最小，分別占總面積的1.48%和0.18%。這兩個土類的固碳速率和總量都不大；其中，前者2011─2040年、2011─2070年和2011─2100年3個時段的固碳總量分別為0.39、0.60和0.79 Tg，年均固碳速率分別為222、174和152 kg·hm-2；后者2011─2040年、2011─2070年和2011─2100年3個時段的固碳總量分別為0.04、0.07和0.09 Tg，年均固碳速率分別為189、154和140 kg·hm-2。石質(zhì)土和石灰土在不同時段的固碳速率都比較低，一方面是因為二者的初始有機碳含量是所有土類中最高的，分別達到9.2和9.4 g·kg-1，而氮肥和有機肥施用量是所有土類中最低的，均分別為265和13.08 kg·hm-2；另一方面這兩個土類的年均溫和降雨量均分別為15.6 ℃和1078 mm，是所有土類中最高的。很多研究表明，較高的初始有機碳含量、年均溫和降雨量，以及較低的農(nóng)業(yè)投入不利于土壤有機碳積累（Li et al.，20047；張凡等，2010568-570；Zhang et al.，20106546-6548）。

2.4 蘇北旱地未來不同時段各行政單元的固碳速率和潛力

本研究以“圖斑”為最小單元模擬蘇北地區(qū)未來不同時段土壤有機碳的演變，并根據(jù)不同地級市和縣（市）的行政界限提取分析各行政單元土壤有機碳的演變。從圖3和表6可以看出，蘇北地區(qū)不同地級市的固碳速率在空間上有很大差異。其中，地處西北部的徐州固碳潛力和速率最大，2011─2040年、2011─2070年和2011─2100年3個時段的固碳總量分別達到13.05、21.08、26.89 Tg，年均固碳速率分別為405、327和278 kg·hm-2；而中南部淮安的固碳潛力和速率則最小，2011─2040年、2011─2070年和2011─2100年3個時段的固碳總量分別為5.13、8.17和10.46 Tg，年均固碳速率分別為332、264和226 kg·hm-2。其他3個地級市不同時段的固碳潛力分別在7～10、11～16和14～20 Tg之間，而年均固碳速率分別介于340～390、270～310 和230～270 kg·hm-2之間。徐州的固碳速率明顯高于淮安，一方面是因為該地區(qū)的初始有機碳含量較低，僅為5.5 g·kg-1，而氮肥和有機肥投入量卻較高，分別達到615和17.44 kg·hm-2；而淮安的初始有機碳含量雖然也較低，為5.7 g·kg-1；但氮肥和有機肥投入量分別僅為365和15.44 kg·hm-2；另外，徐州處于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，降雨較少，多年平均為903 mm；而淮安處于暖溫帶向亞熱帶的過渡性氣候區(qū)，降雨較多，多年平均達到1052 mm（表4）。有研究表明，較高的降雨量會使土壤中的氮淋失到水體或者更深的土層，造成作物減產(chǎn)和生物量降低，進而減少有機物質(zhì)向土壤碳庫的輸入（Peinetti et al.，2008）。

從蘇北地區(qū)不同縣（市）的固碳潛力來看（表6），2011─2040年、2011─2070年和2011─2100 年3個時段中各個縣（市）均呈現(xiàn)“碳匯”效應(yīng)；其中，固碳量最大的是銅山縣，3個時段的有機碳增加總量分別達到3.18、5.03和6.39 Tg；而固碳量最小的是建湖縣，3個時段的有機碳增加總量分別為0.07、0.12和0.16 Tg。從固碳速率來看，蘇北地區(qū)各個縣（市）的有機碳增加速率在空間上有明顯的差異，這主要是由于其本身的土壤屬性、氣候和施肥等不同引起的。中部的灌南縣和灌云縣3個時段的年均固碳速率都超過了320 kg·hm-2，這主要與這兩個縣的氮肥施用量和黏粒含量分別高于570 kg·hm-2和55%有關(guān)；而東南部的盱眙、東臺和鹽城縣3個時段的年均固碳速率均低于300 kg·hm-2，一方面是因為這3個縣初始有機碳含量較高，在6.7～7.4 g·kg-1之間；另一方面這3個縣的年均溫和降雨量均超過15.5℃和1020 mm，高溫潮濕的環(huán)境會刺激微生物的呼吸作用，促進土壤碳的分解（張凡等，2010）567-568。蘇北地區(qū)其他縣（市）2011─2040年的固碳速率一般在300～430 kg·hm-2之間，隨著耕作年限的增加，各個縣（市）的固碳速率均有不同程度的下降，2011─2070年和2011─2100年的固碳速率在一般240～350和200～300 kg·hm-2之間。

表6 不同時段蘇北各個行政區(qū)旱地土壤固碳速率和總量分布Table 6 Distribution of the average annual carbon sequestration rate and total carbon sequestration amount potential by country level in northern Jiangsu Province at different periods

總體來看，蘇北旱地各個縣（市）的固碳速率大小一方面受到土壤屬性（如，初始有機碳和黏粒含量）的影響；另一方面也受氮肥施用量的控制，一般情況下較高的氮肥施用量也會導(dǎo)致高固碳速率，但值得注意的是目前該地區(qū)各個縣（市）的氮肥施用量一般超過430 kg·hm-2，處于盈余狀態(tài)（Zhang et al.，2010）6546-6550。有研究表明，過量的氮肥會通過地表徑流進入水體，從而增加水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險（Zhao et al.，2014）。因此，在今后蘇北旱地固碳減排政策制定中，根據(jù)各個縣（市）的土壤屬性和實際氮肥施用量制定適宜的管理措施是十分重要的。

2.5 不確定性分析

本研究盡管使用了目前我國區(qū)域尺度數(shù)據(jù)最詳細的1∶50000大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫模擬了蘇北旱地未來不同時段的固碳速率和潛力，但由于受基礎(chǔ)資料的限制，模擬結(jié)果也存在一定的不確定性。第一，自第二次土壤普查以來，隨著蘇北地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，近30年土壤屬性、未來30、60和90 a的農(nóng)業(yè)管理措施和土地利用方式均會發(fā)生很大的變化，而這些變化無法在本次模擬中被考慮。第二，模型中的作物生理指標(biāo)、化肥和有機肥施用量、秸稈還田率等參數(shù)由于受到目前我國可收集資料的限制，本次模擬以“縣”為最小輸入單元，一定程度上忽略了“縣內(nèi)”的異質(zhì)性。第三，氣象數(shù)據(jù)是驅(qū)動模型的重要參數(shù)，而本研究重復(fù)近10年的氣象資料進行未來不同時段有機碳的變化模擬，并沒有充分考慮將來氣候變化和極端氣候條件出現(xiàn)對于土壤有機碳的影響，這一定程度上也會增加模擬結(jié)果的不確定性。

3 結(jié)論

蘇北地區(qū)屬于黃淮海平原的一部分，明確該地區(qū)未來的固碳速率和潛力對于制定我國黃淮海平原有機碳匯聚政策具有重要意義。從本研究來看，在目前農(nóng)業(yè)管理措施和氣候條件不變的情況下，蘇北旱地在未來較長時間段內(nèi)呈現(xiàn)出較強的“碳匯”能力。該地區(qū)2011─2040年、2011─2070年和2011 ─2100年3個時段的固碳總量分別達到43.18、69.40和88.91 Tg，年均固碳速率分別為367、295 和252 kg·hm-2，這說明該地區(qū)目前施行的農(nóng)業(yè)管理措施有利于土壤固碳，應(yīng)值得大力推廣。另外，蘇北地區(qū)中西部旱地的固碳速率明顯高于中南部，在今后的“碳匯”政策制定中大力改善中南部地區(qū)的固碳潛力是十分有必要的。

盡管本研究采用目前區(qū)域尺度最詳細的1∶50000大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫定量模擬了蘇北旱地固碳速率和潛力，但土壤有機碳變化受多方面因素（如氣候條件和農(nóng)田管理）的交互影響。因此，在以后的研究中應(yīng)進一步獲取更加詳實的農(nóng)田管理參數(shù)，并綜合考慮未來可能發(fā)生的氣候變化情景，進一步優(yōu)化模型，以達到準(zhǔn)確預(yù)測我國旱地土壤有機碳變化的目的。

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Study of Soil Organic Carbon Sequestration Rate and Potential of Upland in Northern Jiangsu Province Based on High-resolution Soil Database

WANG Guangxiang1， ZHANG Liming1， 2*， LI Xiaodi1， YU Dongsheng2，SHI Xuezheng2， XING Shihe1， CHEN Hanyue1
1. College of Resource and Environment， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China；2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture， Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China

Abstract:Upland covers more than 70% of China's cropland； therefore understanding carbon sequestration rate and potential for upland at different periods plays a key role in making policies on cropland in China to reduce greenhouse gas emissions and recommend management measures of carbon sequestration and mitigation CO2emissions. Taking the upland in the 29 counties （or cities） of the northern Jiangsu Province， a part of Huang-Huai-Hai region， as study zone. The study linked the biogeochemical DNDC （Denitrification and decomposition） model to a newly soil map with improved spatial high-resolution （1∶50 000 soil database） of the northern Jiangsu Province to estimate the carbon sequestration rate and potential for three different periods for 2010─2040（30 a），2010─2070 （60 a） and 2010─2100 （90 a）. The result shows， the carbon sequestration amount for the upland of 3.93×106hm2in the northern Jiangsu Province is 43.18， 69.40 and 88.91 Tg， with the average annual carbon sequestration rate standing at 367， 295 and 252 kg·hm-2， respectively. For soil groups， the highest carbon sequestration rate occurs in fluvo-aquic soil and purplish soil， with the average annual carbon sequestration amount mostly above 300 kg·hm-2at different periods； however， the lowest in lithosols soil and limestone soil， with the average annual carbon sequestration amount almost below 200 kg·hm-2at different periods. For the spatial distribution， the Guannan city， located in the northern part， experiences the greatest carbon sequestration rate in the region， with the average annual carbon sequestration amount beyond 330 kg·hm-2at different periods； while， the Xuyi city， located in the central parts，with the average annual carbon sequestration amount below 250 kg·hm-2at different periods， witnesses the lowest carbon sequestration rate. Overall， the differences of soil groups and counties （or cities） in carbon sequestration potential and rate are obvious in northern Jiangsu Province， so it is imperative to appropriately formulate the measures of carbon sequestration and mitigation CO2emissions according to the soil groups and administrative units in the region.

Key words:1∶50 000 database； DNDC （Denitrification and decomposition） model； upland in northern Jiangsu Province； carbon sequestration potential； carbon sequestration rate

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.009

中圖分類號：X14； S15

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）03-0422-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41001126）；福建省自然科學(xué)基金項目（2015J01154）；福建省高校杰出青年科研人才計劃基金（JA13093）

作者簡介：王光翔（1991年生），男，碩士研究生，主要從事土壤碳循環(huán)模擬研究。E-mail: fafuwgx@163.com

*通信作者：張黎明（1979年生），男，副教授，主要從事土壤資源與GIS應(yīng)用方面的工作。E-mail: fjaulmzhang@163.com

收稿日期：2015-12-24