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(xué)生態(tài)修復(fù)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(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)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(chǔ)庫(kù)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(chǔ)量問(wèn)題也是整個(gè)碳循環(huán)和全球變化研究的基本問(wèn)題[1--5]。因此，對(duì)土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行精確估算，充分了解區(qū)域碳儲(chǔ)量的空間分異情況，不僅對(duì)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(duì)國(guó)土空間規(guī)劃編制和自然資源合理利用與保護(hù)起重要作用[6]。

國(guó)外對(duì)土壤碳庫(kù)的估算研究開(kāi)展較早，從20世紀(jì)50年代起，國(guó)際上就陸續(xù)有學(xué)者進(jìn)行土壤碳儲(chǔ)量的研究[7]。中國(guó)學(xué)者也密切關(guān)注并投入到土壤碳儲(chǔ)量的研究中，梁二等[8]、Tang et al.[9]分別研究了陸地土壤碳儲(chǔ)量和農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)量；緱倩倩等[10]、邱樂(lè)豐等[11]研究了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量問(wèn)題；徐麗等[12]研究了近30年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量。

關(guān)于浙江省的土壤碳儲(chǔ)量，近年來(lái)研究也逐漸增多，葉玲燕等[13]研究了浙江省森林有機(jī)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(jī)碳儲(chǔ)量及密度等情況；支俊俊等[15]估算了浙江省有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量。還有一些學(xué)者主要研究了森林和林地等的碳儲(chǔ)量[16--21]。近幾十年經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致土壤中碳儲(chǔ)量特別是有機(jī)碳發(fā)生很大的變化[22]。尤其在山地丘陵區(qū)，其地勢(shì)差異較大，景觀異質(zhì)性較高，增加了區(qū)域土壤碳儲(chǔ)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(kāi)展農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查以及更新區(qū)域土壤碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)十分必要。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自1999年以來(lái)在全國(guó)實(shí)施多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查，系統(tǒng)地測(cè)定有機(jī)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(jì)算土壤碳儲(chǔ)量和估算土壤碳庫(kù)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(jī)碳和全碳數(shù)據(jù)，基于模型精準(zhǔn)估算單位土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量以及密度。同時(shí)利用GeoIPAS繪制單位土壤碳儲(chǔ)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(jìn)一步分析其分布位置特點(diǎn)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(shì)。由于所用數(shù)據(jù)采集精度與測(cè)試方法具備全國(guó)可比性，因此研究結(jié)果可為不同區(qū)域的土壤碳儲(chǔ)量研究提供對(duì)照，使碳儲(chǔ)量問(wèn)題在土地利用、植被覆蓋、農(nóng)業(yè)種植和保護(hù)環(huán)境等領(lǐng)域產(chǎn)生實(shí)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(jì)、文化和交通中心，工、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展良好，與杭州、寧波并稱為浙江省的經(jīng)濟(jì)“鐵三角”。地理坐標(biāo)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街區(qū)。

1.2 樣品采集與測(cè)試方法

表層土壤樣品的采樣密度為1個(gè)樣/km2，城市及礦山周邊地區(qū)，可加密1～2個(gè)點(diǎn)/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(gè)點(diǎn)/4km2，每4 km2合成一個(gè)分析樣，累計(jì)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(gè)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(gè)點(diǎn)/16 km2，每16 km2合成一個(gè)分析樣，累計(jì)獲取深層組合分析樣506件，深層分析樣經(jīng)過(guò)拆分處理。深層、表層共獲得2 022對(duì)完全對(duì)應(yīng)的全碳和有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量和碳密度的計(jì)算。研究區(qū)總體為山地丘陵地區(qū)，樣品采集應(yīng)選擇具有代表性、廣泛分布的成熟土壤為主[24]。

樣品測(cè)試由浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所承擔(dān)，使用高頻加熱紅外吸收法分析了土壤全量碳與有機(jī)碳的含量。全碳的測(cè)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(dǎo)入NaOH溶液吸收池中，同時(shí)測(cè)定吸收池溶液的電位變化。選用土壤一級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在相同條件下測(cè)定，繪制校正工作曲線，計(jì)算出樣品中碳含量。有機(jī)碳的測(cè)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(wú)機(jī)碳后烘干再用高頻加熱紅外吸收法測(cè)定試樣中的碳含量。選用土壤一級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在相同條件下測(cè)定，繪制校正工作曲線，計(jì)算出樣品中有機(jī)碳含量。樣品測(cè)試質(zhì)量由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域地球化學(xué)分析質(zhì)量監(jiān)督檢查組進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)評(píng)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(xiàng)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(biāo)樣，按每一分析批樣品(50個(gè)號(hào)碼)中密碼插入4個(gè)國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(土壤) 的方式密碼插入，共計(jì)188 件。計(jì)算每個(gè)標(biāo)樣每個(gè)元素測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)數(shù)差(△lgC)及對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(λ)，對(duì)照規(guī)范要求允許限，統(tǒng)計(jì)合格率。

2 計(jì)算方法

奚小環(huán)等2008年依據(jù)全國(guó)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查取得高密度和高精度有機(jī)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(jì)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(jì)算單位，土壤表層樣碳含量及其對(duì)應(yīng)的深層樣碳含量(分析單元為16 km2)，分別代表計(jì)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(jī)碳含量不對(duì)應(yīng)，故使用軟件GeoCIPS對(duì)深層碳含量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使之在每個(gè)計(jì)算單位上與表層土壤碳數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)而使用公式模型對(duì)每一個(gè)計(jì)算單位的土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行處理，依據(jù)其含量分布模型計(jì)算得到單位土壤碳量?！皢挝煌寥捞剂俊备拍钍轻槍?duì)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的基本單元，用以表達(dá)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查基本單元(4 km2)內(nèi)的碳儲(chǔ)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(jì)算有機(jī)碳(TOC)和無(wú)機(jī)碳(TIC)，依次表示為USCATOC，D和USCATIC，D。上述D為深度，如有機(jī)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(jì)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(jī)碳含量以及耕層厚度是計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量的重要參數(shù)。土壤容重是土壤碳儲(chǔ)量精確估算的關(guān)鍵，是土壤物理性質(zhì)的綜合指標(biāo)，是研究土壤碳儲(chǔ)量的重要參數(shù)，其數(shù)值大小受土壤有機(jī)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(lái)源于中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中的容重。

2.1 無(wú)機(jī)碳單位土壤碳量(USCATIC)計(jì)算方法

碳分布為直線模式，按照直線公式計(jì)算。

①深層無(wú)機(jī)碳單位土壤碳量計(jì)算。計(jì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)減有機(jī)碳取得，單位為%。其他參數(shù)同前。

②中層無(wú)機(jī)碳單位土壤碳量(USCATIC，0～1.0 m(深D))計(jì)算。計(jì)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(shí)計(jì)算1.0 m深度無(wú)機(jī)碳量。TIC表與TIC深由全碳實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)減有機(jī)碳取得，d1=10 cm，d2取實(shí)際采樣深度160 cm。其他參數(shù)同前。

③表層無(wú)機(jī)碳單位土壤碳量計(jì)算。計(jì)算公式：

USCATIC，0～0.20 m=TIC表×D×4×103×ρ÷10

(6)

式中：TIC表由全碳實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)減有機(jī)碳取得。其他參數(shù)同前。

2.2 有機(jī)碳單位土壤碳量(USCATOC)計(jì)算方法

①深層有機(jī)碳單位土壤碳量計(jì)算。計(jì)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(jī)碳量(t)。TOC深為有機(jī)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(jì)算公式為：

(8)

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

②中層有機(jī)碳單位土壤碳量(USCATOC，0～1.0 m(深D))計(jì)算。

計(jì)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(shí)計(jì)算1.0 m深度有機(jī)碳量。TOC計(jì)算公式為：

(10)

式中：d2取100 cm，其他參數(shù)同前。

③表層有機(jī)碳單位土壤碳量計(jì)算。

計(jì)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(shí)測(cè)含量值。D取20 cm。其他參數(shù)同前。

3 結(jié)果與分析

3.1 無(wú)機(jī)碳分布特點(diǎn)

從圖2可以看出，無(wú)機(jī)碳密度在表層、中層和深層的分布都不均勻，但其分布趨勢(shì)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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(jìn)土壤無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)碳富集的主要因素為土壤含鹽量。

3.2 有機(jī)碳分布特點(diǎn)

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(wù)功能[27]。Janzen[28]提出對(duì)有機(jī)質(zhì)(碳)循環(huán)的研究，需要更多地注意其對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。因?yàn)闊o(wú)機(jī)碳的更新時(shí)間尺度太長(zhǎng)，土壤碳在全球氣候變化中的作用實(shí)際上是有機(jī)碳的生物地球化學(xué)循環(huán)(大小、尺度和速率)對(duì)氣候變化的控制作用[29--30]，故有機(jī)碳的儲(chǔ)量研究更加舉足輕重，土壤碳儲(chǔ)量中的有機(jī)碳研究對(duì)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(dǎo)意義。

從圖3可以看出，土壤有機(jī)碳密度在表層、中層和深層中的分布也不均勻，但有機(jī)碳密度的高值區(qū)與低值區(qū)的分布趨勢(shì)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(yú)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?xùn)|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(jī)碳儲(chǔ)量變化的重要因素。

3.3 不同土壤類型的碳儲(chǔ)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(wú)機(jī)碳分布特點(diǎn)

表1是不同土壤的單位無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，可以看出表層、中層和深層單位無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)碳儲(chǔ)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(xué)元素分布，浙東南地區(qū)土壤無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)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(wú)機(jī)碳儲(chǔ)量

3.3.2 有機(jī)碳分布特點(diǎn)

表2是不同土壤的單位有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，可以看出表層、中層和深層單位有機(jī)碳儲(chǔ)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(jī)碳量?jī)?chǔ)量分布與土壤類型關(guān)系密切，土壤中單位有機(jī)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(jī)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(jī)碳量低與其土壤由粗粒級(jí)物質(zhì)組成，固碳能力弱有關(guān)。另外土壤有機(jī)碳量的分布與人類活動(dòng)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(wú)機(jī)碳密度圖Fig.2 Inorganic carbon density map

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

表2 不同土壤類型有機(jī)碳儲(chǔ)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(wú)機(jī)碳平均儲(chǔ)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(jī)碳平均儲(chǔ)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(píng)價(jià)結(jié)果顯示無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳密度在表層、中層和深層中分布都不均勻，但有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳各自在不同深度的碳密度分布趨勢(shì)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(chǔ)量分布與土壤類型關(guān)系密切,單位無(wú)機(jī)碳量和單位有機(jī)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(wú)機(jī)碳的富集與土壤含鹽量正相關(guān)；土壤有機(jī)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(dòng)等諸多因素有關(guān)。區(qū)內(nèi)有機(jī)碳在城鎮(zhèn)周邊多呈高背景分布，研究區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量在多大程度上受人類活動(dòng)的影響?還需要更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支撐和詮釋。