劉國(guó)棟，戴慧敏，楊 澤，許 江，張一鶴，魏明輝

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

0 引 言

土壤作為陸地最大的碳庫(kù)(1 400～1 500 Pg，0～1 m深度)[1]，在全球碳循環(huán)中起著重要的作用。據(jù)估算，土壤碳庫(kù)是大氣碳庫(kù)的2倍，是植被碳庫(kù)的2～4倍，是凋落物碳庫(kù)的10～20倍[2]，因此土壤碳庫(kù)只要發(fā)生微小變化就會(huì)對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生明顯影響[3-6]。據(jù)研究，中國(guó)東北黑土地耕作10年后有機(jī)碳減少了30.64%，耕作50年后減少了54.91%[7]?？梢?jiàn)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)為我們帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了土地退化、溫室氣體排放量增加等環(huán)境問(wèn)題。因此，全面了解我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)土壤碳庫(kù)的現(xiàn)狀和時(shí)空變化，深入分析土壤碳源/匯轉(zhuǎn)化的影響因素，對(duì)于制定我國(guó)或地區(qū)的CO2排放清單，尋找未來(lái)CO2排放控制的安全途徑意義重大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全球和區(qū)域尺度的土壤碳庫(kù)分布、時(shí)空變化、影響因素、土壤固碳潛力、碳地球化學(xué)循環(huán)機(jī)理等已有不少研究，綜合研究表明自然因素及人類活動(dòng)，可通過(guò)改變土壤物理、化學(xué)及環(huán)境屬性，進(jìn)而改變土壤碳的輸入和輸出速率，最終影響土壤碳的平衡和土壤有機(jī)碳密度變化趨勢(shì)[8-21]。Xia等[22]選擇黑龍江松嫩平原南部作為典型研究區(qū)，利用我國(guó)在1979—1986年間開(kāi)展的全國(guó)第二次土壤普查以及1999年以來(lái)開(kāi)展的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)資料，估算出20世紀(jì)80年代以來(lái)，該區(qū)土壤向大氣排放的碳約為0.12 Gt，其中氣候變暖和土地利用變化是兩大重要因素；楊忠芳等[23]對(duì)內(nèi)蒙古中北部土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量及變化研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳受氣溫和降水影響明顯，其中有機(jī)碳隨年平均氣溫升高而降低，隨年降水增加而增加。郭晶晶等[24]對(duì)長(zhǎng)江流域土壤碳庫(kù)研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳庫(kù)增加的主要因素是林地、草地等植被恢復(fù)性生長(zhǎng)及農(nóng)業(yè)耕作水平的提高，土地利用變化對(duì)土壤碳庫(kù)變化影響較小，而氣候變化對(duì)土壤碳庫(kù)沒(méi)有明顯影響?？梢?jiàn)不同地區(qū)土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量變化的受控因素既有一定的相似性，同時(shí)也存在一定的差別。

中國(guó)東北三江平原自新中國(guó)成立以來(lái)，為保障國(guó)家糧食安全，經(jīng)歷了十萬(wàn)官兵屯墾戍邊，由昔日的“北大荒”變?yōu)槿缃竦摹氨贝髠}(cāng)”，土地利用發(fā)生了急劇的變化，同時(shí)，該地區(qū)氣候變化跡象明顯，土壤侵蝕加劇[25-27]。在此背景下該地區(qū)土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量及景觀分布格局如何變化？主要受控因素是什么？是本次研究擬解決的問(wèn)題。本文利用兩期土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，估算了三江平原土壤碳密度，研究了土壤碳密度的分布及時(shí)空變化特征，結(jié)合土地利用變化及相關(guān)氣候資料，分析了土壤碳密度景觀分布格局及變化的受控因素。研究可為正確理解我國(guó)東北土壤碳源/匯現(xiàn)狀、制定相應(yīng)轉(zhuǎn)化措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中緯度亞洲大陸東緣，地理坐標(biāo)處于東經(jīng)128°45′至134°46′、北緯45°41′至48°23′之間，面積約5.9萬(wàn)km2，屬大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，全區(qū)多年平均氣溫2.5 ℃，多年平均降水量500～650 mm。地貌類型主要為松花江、烏蘇里江、黑龍江沖積而成的平原，因此得名“三江平原”。西部、南部分別緊鄰小興安嶺和完達(dá)山脈，北部、東部被黑龍江和烏蘇里江環(huán)繞。區(qū)內(nèi)河流多為沼澤性河流，宣泄不暢。土壤以草甸土、白漿土、沼澤土、黑土、暗棕壤5種土壤類型為主，其他土壤類型占比均不足1.5%(圖1)，研究區(qū)東部土壤主要由白漿土和沼澤土為主，生長(zhǎng)喜濕性植被，植物生長(zhǎng)茂盛，土體上部含大量有機(jī)質(zhì)或泥炭[28]。中西部主要以草甸土為主，初始植被為草原化草甸植被，目前大部分已開(kāi)墾為農(nóng)田。暗棕壤主要分布在研究區(qū)南部及西部的山前地帶，植被是以紅松為主的針闊混交林，每年有大量的植被凋落物覆蓋地表。據(jù)2010年衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果，研究區(qū)土地利用以耕地為主，耕地面積39 010 km2，占研究區(qū)總面積的66.8%。耕地中以旱地為主，旱地面積27 639 km2，占耕地總面積的71%；水田面積11 371 km2，占耕地總面積的29%，水田主要集中分布在研究區(qū)東部的濃江農(nóng)場(chǎng)、洪河農(nóng)場(chǎng)等國(guó)有農(nóng)場(chǎng)(圖2)。區(qū)內(nèi)沼澤地及林地分布廣泛，沼澤地分布面積7 142 km2，占研究區(qū)總面積的12.2%，主要分布在撓力河、七星河、別拉洪河、濃江、細(xì)河等漫散河流兩側(cè)的低漫灘，植被以小葉章、沼柳、苔草和蘆葦?shù)葹橹?；林地分布面積5 323 km2，占研究區(qū)總面積的9.11%，主要分布在研究區(qū)西部小興安嶺及南部完達(dá)山的低山丘陵區(qū)。

圖1 研究區(qū)土壤類型圖

圖2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀(2010年)

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

表層土壤樣品的采集密度為1件/km2，按照1 km×1 km網(wǎng)格化布設(shè)，采樣深度0～20 cm，每件土壤樣品由3個(gè)子樣點(diǎn)組成。所采土壤樣品質(zhì)量在1 kg以上，采集后裝入干凈的布袋中，對(duì)于個(gè)別濕度較大的土壤樣品，裝入干凈布袋后再裝入塑料袋，以防止樣品間污染。土壤樣品經(jīng)無(wú)污染陰干，過(guò)20目尼龍篩。土壤樣品分析了土壤有機(jī)碳、全碳等54項(xiàng)指標(biāo)。樣品采集和分析測(cè)試工作均嚴(yán)格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》和《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)要求》執(zhí)行。

本文所用其他數(shù)據(jù)來(lái)源說(shuō)明如下：

(1)全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)是中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的東北地區(qū)表層土壤屬性2 km×2 km柵格數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)的屬性字段包含了土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重、土壤質(zhì)地等理化屬性數(shù)據(jù)，可以直接反映20世紀(jì)80年代土壤有機(jī)碳含量水平。因此，可以作為土壤碳庫(kù)變化的基期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。根據(jù)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查土壤采樣點(diǎn)的空間位置與柵格數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，利用ArcGIS軟件將柵格屬性提取至土壤采樣點(diǎn)。

(2)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn)，該平臺(tái)記載了中國(guó)1980—2015年間各年平均氣溫，該數(shù)據(jù)集是基于全國(guó)2 400多個(gè)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)整理、計(jì)算和空間插值處理生成的柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查土壤采樣點(diǎn)的空間位置與氣象柵格數(shù)據(jù)的空間位置關(guān)系，利用ArcGIS軟件將多年氣溫屬性分別提取至土壤采樣點(diǎn)。研究區(qū)第二次土壤普查、多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查分別在1979—1986年間、2006—2018年間開(kāi)展，為保證采用土壤樣品采集期間的氣溫具有代表性，兩期調(diào)查分別采用1980—1989年間、2006—2015年間多年年均氣溫的算術(shù)平均值代表兩期的多年平均氣溫。

(3)東北地區(qū)土壤類型圖的矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，原數(shù)據(jù)是《1:100萬(wàn)中華人民共和國(guó)土壤圖》，由全國(guó)土壤普查辦公室組織完成，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所完成數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，屬性字段包含了土綱、土類及亞類。

(4)東北地區(qū)1980年、2010年土地利用 1∶10比例尺矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，該數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所、東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所等多家單位共同完成。1980年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)的重建主要使用Landsat-MSS遙感影像數(shù)據(jù)，2010年數(shù)據(jù)的遙感解譯主要使用了Landsat-TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

計(jì)算了表層土壤有機(jī)碳密度(SOCD)及表層土壤有機(jī)碳密度變化(ΔSOCD)。SOCD計(jì)算公式為：

SOCD=TOC×D×10×1×ρ[29]

式中：SOCD為表層土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；TOC為表層土壤有機(jī)碳含量，%；D為土壤厚度，0～20 cm取0.2 m；ρ為土壤容重, g/cm3；10為單位換算系數(shù)。

ΔSOCD=SOCD2010-SOCD1980

式中：ΔSOCD為表層土壤有機(jī)碳密度變化; SOCD2010為多目標(biāo)調(diào)查時(shí)期表層土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；SOCD1980為第二次土壤普查時(shí)期表層土壤有機(jī)碳密度，kg/m2。

土壤碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)方法，采用不同土壤類型或不同土地利用進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，各采樣點(diǎn)土壤類型和土地利用屬性由收集的土壤類型和土地利用矢量數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件進(jìn)行屬性提取獲得，每個(gè)采樣點(diǎn)的SOCD代表4 km2計(jì)算單元內(nèi)土壤平均有機(jī)碳密度，計(jì)算公式如下：

式中：SCR為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，Tg；SOCD為土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；4為采樣點(diǎn)代表面積，km2；103為換算系數(shù)；j為第j類土地利用或土壤類型；n為第j類土地利用或土壤類型采樣點(diǎn)總數(shù)；i為某種統(tǒng)計(jì)類型下第i個(gè)采樣點(diǎn)。數(shù)據(jù)計(jì)算使用Microsoft Excel軟件。

開(kāi)墾因素引起土壤有機(jī)碳密度下降的貢獻(xiàn)占比計(jì)算方法如下，以開(kāi)墾為旱田為例：

式中：S旱為除開(kāi)墾以外的其他因素導(dǎo)致土壤有機(jī)碳密度下降量占20世紀(jì)80年代土壤有機(jī)碳密度的比例，%；ΔSOCD旱為土地利用一直為旱田的土壤有機(jī)碳密度兩期變化(1980—2010年)，kg/m2；SOCD1980-旱為土地利用為旱田(無(wú)變化)的土壤在20世紀(jì)80年代的土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；Z旱為開(kāi)墾為旱田導(dǎo)致土壤有機(jī)碳變化占20世紀(jì)80年代有機(jī)碳密度的比例，%；ΔSOCDi旱為土地利用為第i類轉(zhuǎn)為旱田的土壤有機(jī)碳密度兩期變化，kg/m2；SOCD1980-i旱為土地利用為第i類轉(zhuǎn)為旱田的土壤在20世紀(jì)80年代時(shí)的有機(jī)碳密度，kg/m2；Si旱為開(kāi)墾因素引起土壤有機(jī)碳密度下降的貢獻(xiàn)占比，%。開(kāi)墾為水田同旱田的計(jì)算方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 三江平原土壤碳的構(gòu)成與分布

3.1.1 三江平原土壤碳的構(gòu)成

圖3為研究區(qū)不同土壤類型土壤有機(jī)碳密度(SOCD)及無(wú)機(jī)碳密度(SICD)的分配情況。各類型土壤碳密度構(gòu)成均顯示以有機(jī)碳為主，不同土壤類型有機(jī)碳密度及總碳密度水平存在明顯差異。沼澤土、泥炭土相對(duì)區(qū)內(nèi)其他土壤類型有機(jī)碳密度高，平均在8 kg/m2以上，這與兩種土壤類型的植被覆蓋有關(guān)。研究區(qū)沼澤土、泥炭土植被覆蓋主要為水生的苔草、蘆葦?shù)人?，每年有大量凋落物回歸土壤，同時(shí)兩種類型的土壤常年被積水覆蓋，限制了土壤有機(jī)碳的排放，為土壤有機(jī)碳的累積提供了良好的自然條件。區(qū)內(nèi)白漿土、暗棕壤、新積土、草甸土、水稻土和黑土有機(jī)碳密度差別不大，各土壤類型的土壤有機(jī)碳密度在4.49～5.62 kg/m2之間。

圖3 不同土壤類型土壤有機(jī)碳密度(SOCD)和無(wú)機(jī)碳(SICD)構(gòu)成

3.1.2 三江平原土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征

圖4和圖5分別展示了三江平原20世紀(jì)80年代及當(dāng)前表層土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征，兩期有機(jī)碳密度均呈現(xiàn)分布不均勻的特點(diǎn)，空間分布既有一定的相似性又存在局部的差異。研究區(qū)松花江以北普陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)—二九零農(nóng)場(chǎng)地區(qū)表層土壤SOCD兩期均呈低背景場(chǎng)，20世紀(jì)80年代表層土壤有機(jī)碳密度在3.28～5.26 kg/m2之間，而當(dāng)前表層土壤有機(jī)碳密度大部分區(qū)域在4.0 kg/m2以下，局部低于2.8 kg/m2，說(shuō)明土壤有機(jī)碳密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。普陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)—蘿北地區(qū)、七臺(tái)河—佳木斯地區(qū)當(dāng)前土壤有機(jī)碳密度>8.4 kg/m2的分布區(qū)較20世紀(jì)80年代明顯減少。研究區(qū)東部沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)樗镒顬榧械臐饨r(nóng)場(chǎng)—銀川鄉(xiāng)、洪河農(nóng)場(chǎng)—二道河農(nóng)場(chǎng)地區(qū)表層土壤有機(jī)碳密度兩期均顯示高背景場(chǎng)；研究區(qū)沿?fù)狭?、七星河、別拉洪河、濃江等沼澤性河流兩岸的低漫灘地區(qū)表層土壤有機(jī)碳密度均顯示高背景場(chǎng)，平均在8.0 kg/m2以上，局部達(dá)到13.0 kg/m2以上，這些區(qū)域20世紀(jì)80年代土地利用主要以沼澤濕地為主(圖6)，植被以小葉章、沼柳、苔草和蘆葦?shù)葹橹?，種類繁多、生長(zhǎng)茂盛，給該區(qū)土壤有機(jī)碳地累積提供了良好的物源條件，后期被廣泛開(kāi)發(fā)為農(nóng)田。根據(jù)當(dāng)前土壤有機(jī)碳密度分布格局，雖然沼澤濕地被開(kāi)墾多年，但是表層土壤SOCD卻依然處于很高的背景，說(shuō)明沼澤濕地是一個(gè)巨大的土壤碳庫(kù)，在碳封存方面發(fā)揮了重要作用。

圖4 三江平原20世紀(jì)80年代表層土壤有機(jī)碳密度分布

圖5 目前三江平原表層土壤有機(jī)碳密度分布

圖6 三江平原1980—2010年主要土地利用變化分布

3.2 三江平原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與時(shí)空變化

3.2.1 各土壤類型下的有機(jī)碳儲(chǔ)量

第二次全國(guó)土壤普查(1979—1992年)較詳細(xì)地對(duì)中國(guó)土壤狀況進(jìn)行了調(diào)查和研究，調(diào)查成果直接反映了20世紀(jì)80年代土壤有機(jī)碳水平，是土壤有機(jī)碳庫(kù)變化定量研究的重要基期數(shù)據(jù)。本研究按照不同土壤類型分別計(jì)算了研究區(qū)兩期表層土壤有機(jī)碳密度，分別表示為SOCD1980、SOCD2010，并根據(jù)采樣點(diǎn)計(jì)算相應(yīng)的土壤類型面積和兩期有機(jī)碳儲(chǔ)量(SOCS1980和SOCS2010)，見(jiàn)表1。結(jié)果表明：草甸土、沼澤土、白漿土及暗棕壤的有機(jī)碳密度兩期均顯示較高背景，且上述土壤類型在研究區(qū)分布面積最為廣泛，因此這些土壤類型具有較高的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。從各土壤類型兩期有機(jī)碳儲(chǔ)量變化看，除新積土外，其余類型有機(jī)碳密度均呈下降趨勢(shì)，較20世紀(jì)80年代下降幅度在1.5%～87%之間，沼澤土、泥炭土、黑土、灰褐土等土壤類型土壤有機(jī)碳密度下降明顯，下降幅度在30%以上，尤其沼澤土和泥炭土下降幅度達(dá)70%以上，而白漿土、草甸土有機(jī)碳密度下降幅度相對(duì)較小，在20%以下。全區(qū)統(tǒng)計(jì)顯示，研究區(qū)30年來(lái)表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量由20世紀(jì)80年代的641 Tg下降到當(dāng)前的348 Tg，下降近45.7%，說(shuō)明30年間三江平原是一個(gè)巨大的碳源效應(yīng)區(qū)。

表1 三江平原不同土壤類型表層土壤兩期有機(jī)碳密度及碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)

3.2.2 土壤有機(jī)碳庫(kù)的時(shí)空變化特征

圖7顯示了30年來(lái)研究區(qū)土壤碳密度變化分布格局，圖中正值表示30年來(lái)的土壤有機(jī)碳密度增加量，負(fù)值表示減少量。由圖7可見(jiàn)，研究區(qū)大部分地區(qū)土壤有機(jī)碳密度在減少，尤其寶清縣、富錦市、饒河縣及撫遠(yuǎn)縣境內(nèi)的廣大草甸土和沼澤土區(qū)，土壤有機(jī)碳密度下降明顯，平均下降2.8 kg/m2以上，這些地區(qū)同時(shí)也是自20世紀(jì)80年代以來(lái)由沼澤濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦刈顬榧械牡貐^(qū)。對(duì)比研究區(qū)1980年、2010年土地利用發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)80年代以來(lái)，研究區(qū)土地利用發(fā)生急劇變化，耕地由原來(lái)的2.56萬(wàn)km2增加到3.90萬(wàn)km2，增加了1.34萬(wàn)km2，其中旱地面積增加了4 152 km2，水田面積增加了9 296 km2(表2)。而濕地、林地、草地存在不同程度的萎縮，其中濕地萎縮面積最大，由20世紀(jì)80年代的17 139 km2，減少到2010年的7 142 km2，減少了9 997 km2；林地減少了2 978 km2，草地減少了2 178 km2，說(shuō)明增加的耕地主要由濕地、林地、草地的圍墾所產(chǎn)生。綜上，三江平原土壤有機(jī)碳的降低主要與研究區(qū)開(kāi)墾有關(guān)。已有研究表明沼澤地、草地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，?huì)加速土壤有機(jī)碳的分解速率，造成土壤有機(jī)碳降低[30]。本次研究統(tǒng)計(jì)了三江平原土地利用變化主要類型對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)碳密度變化狀況，結(jié)果表明：草地、林地及沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)楦赝寥烙袡C(jī)碳密度下降在4.1～12.8 kg·m-2之間，沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档赝寥烙袡C(jī)碳下降明顯，平均下降12.8 kg·m-2，說(shuō)明濕地的開(kāi)墾確實(shí)會(huì)造成土壤有機(jī)碳的大量流失。

圖7 三江平原1980—2010年表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度(SOCD)變化

表2 三江平原兩期土地利用統(tǒng)計(jì)

3.3 土壤碳庫(kù)變化的影響因素

3.3.1 開(kāi)墾對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響

表層土壤受到自然條件和人為活動(dòng)的影響最為顯著，它直接與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)發(fā)生動(dòng)態(tài)的耦合，其有機(jī)碳密度的變化和分布敏感地響應(yīng)于外界環(huán)境的變化，外界環(huán)境變化包括：土地利用、氣候、耕作方式、水土侵蝕等。土地利用/覆被變化是造成碳循環(huán)不平衡的重要原因之一，是全球變化研究的重點(diǎn)[31]，土地利用/土地覆被變化既可改變土壤有機(jī)碳的輸入，又可通過(guò)改變小氣候和土壤條件來(lái)影響土壤有機(jī)碳的分解速率，從而影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。系統(tǒng)梳理三江平原主要土地利用變化對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)碳密度參數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，土地利用變化類型主要為草地、林地和沼澤濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，三江平原幾乎所有的開(kāi)墾都造成了自然生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度的降低。除沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)楹堤锿?，所有開(kāi)墾類型有機(jī)碳密度30年間損失在40%～50%之間，沼澤地轉(zhuǎn)為旱地有機(jī)碳損失最大，損失達(dá)63.47%，可見(jiàn)開(kāi)墾會(huì)造成土壤有機(jī)碳的損失。自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田引起土壤SOC損失的機(jī)制:一是耕作的物理效應(yīng)，即耕作破壞了土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使土壤中的有機(jī)物質(zhì)充分暴露在空氣中，更容易吸收太陽(yáng)輻射帶來(lái)的熱量，失去保護(hù)作用進(jìn)而加速土壤有機(jī)碳的分解[32-33]；二是土壤孔隙、濕度、溫度條件得到改善，微生物活性增強(qiáng)促進(jìn)了呼吸作用，加速了有機(jī)質(zhì)的礦化,植物殘?bào)w混合在土壤中也比表層更易于分解[34]；三是林草被作物取代后使初級(jí)生產(chǎn)固定的碳素向土壤中的分配比例降低(生物量的地下與地上比例降低)，收割又減少了地上生物量中碳素向土壤的輸入；四是耕作使得土壤更易受到侵蝕(風(fēng)蝕和水蝕)[35]。許多研究報(bào)道,林地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾笤?0～30年內(nèi)會(huì)造成20%～50%有機(jī)碳的損失，大部分損失來(lái)自地表有機(jī)質(zhì)的侵蝕，而且在轉(zhuǎn)換后的最初幾年里變化速率最大[36-37]，然后變化速率慢慢降低，在20年內(nèi)逐漸達(dá)到平衡(大約是原來(lái)森林的50%)，隨后依自然植被、氣候、土壤類型、管理實(shí)踐和時(shí)間的變化而變化[38-39]。為進(jìn)一步研究開(kāi)墾對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響程度，本次研究提取了30年來(lái)一直為耕地(水田及旱田)的樣本，統(tǒng)計(jì)計(jì)算了土壤有機(jī)碳密度變化占基期有機(jī)碳密度的比值，該比值可衡量除土地利用變化以外的因素(耕作制度、氣候、土壤侵蝕等)對(duì)表層土壤有機(jī)碳密度的影響程度，進(jìn)而估計(jì)土地利用/覆被變化對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳密度變化的貢獻(xiàn)率。由表3可知，不同開(kāi)墾類型對(duì)土壤有機(jī)碳減少的貢獻(xiàn)存在差異：草地開(kāi)墾為旱地的貢獻(xiàn)率14.64%，開(kāi)墾為水田的貢獻(xiàn)率39.72%；林地開(kāi)墾為旱地的貢獻(xiàn)率21.28%，開(kāi)墾為水田的貢獻(xiàn)率46.66%；沼澤地開(kāi)墾為旱地的貢獻(xiàn)率最大達(dá)45.71%，開(kāi)墾為水田的貢獻(xiàn)率46.66%。說(shuō)明開(kāi)墾是研究區(qū)30年來(lái)表層土壤有機(jī)碳密度減少的重要原因，特別是濕地圍墾所引起的有機(jī)碳密度下降占表層土壤有機(jī)碳密度減少的45%左右；草地、林地開(kāi)墾因素占土壤有機(jī)碳密度減少的15%～40%。因此適度退耕還林、還濕、還草是研究區(qū)固碳減排的一項(xiàng)重要措施。

表3 三江平原主要開(kāi)墾類型土壤有機(jī)碳密度變化

3.3.2 氣候因素對(duì)土壤碳源匯的影響

為了探索氣候?qū)ν寥烙袡C(jī)碳庫(kù)的影響，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)土壤多年平均氣溫(MAT)和多年平均降水(MAP)與表層土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)關(guān)系。表4顯示，氣溫及降水均與研究區(qū)土壤有機(jī)碳密度顯著相關(guān)，MAT與有機(jī)碳密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即氣溫越高，土壤有機(jī)碳密度越低；MAP與土壤有機(jī)碳密度呈正相關(guān)關(guān)系，即降雨量越大，土壤有機(jī)碳密度越高。這證實(shí)了氣候是控制土壤有機(jī)碳空間分布格局的因素之一。據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)記載的中國(guó)1980—2015年以來(lái)逐年年平均氣溫及降雨數(shù)據(jù)，1980—1989年間研究區(qū)多年平均降雨量為590.1 mm，2006—2015年間多年年均降雨量為591.9 mm，30年來(lái)降雨量變化不大，對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化影響較??；而1980—1989年間研究區(qū)多年平均氣溫為1.87 ℃，2006—2015年間多年平均氣溫為2.66 ℃，30年來(lái)研究區(qū)增溫0.79 ℃，溫度變化明顯。本研究建立了氣溫與表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)關(guān)系方程(圖8)，并估算了研究區(qū)土壤年平均氣溫升高表層土壤有機(jī)碳密度及有機(jī)碳庫(kù)的變化(表5)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)30年來(lái)的溫度升高導(dǎo)致的表層土壤有機(jī)碳庫(kù)減少約7.4 Tg，占表層土壤有機(jī)碳庫(kù)總減少量的2.52%，可見(jiàn)氣溫升高的因素對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)的減少產(chǎn)生的影響不大。

表5 由于氣溫升高估算研究區(qū)表層(0～20 cm)土壤碳庫(kù)變化量統(tǒng)計(jì)

圖8 研究區(qū)氣溫與表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)關(guān)系

表4 多年平均氣溫(MAT)、降雨(MAP)與土壤有機(jī)碳密度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3.3 水土侵蝕對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響

劉嘉麒等2007年利用大賚水文站(控制嫩江流域)1956—2000年以來(lái)月平均流量(Q)、月平均總懸浮固體(TSS)、顆粒有機(jī)碳(POC)、溶解有機(jī)碳(DOC)等數(shù)據(jù)，計(jì)算了中國(guó)東北嫩江流域匯水面積內(nèi)隨河流遷出的多年平均有機(jī)碳通量，約為0.83 t/(km2·a)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6[40]。本次研究將該值作為估算三江平原隨河流遷出的平均有機(jī)碳通量參考值，研究區(qū)面積約為5.87萬(wàn)km2，據(jù)此估算研究區(qū)30年間隨河流遷出的總有機(jī)碳約為1.46 Tg，僅占研究區(qū)表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳庫(kù)損失的0.5%，對(duì)于研究區(qū)土壤有機(jī)碳損失貢獻(xiàn)不大。

表6 嫩江流域有機(jī)碳通量計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文利用多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲取的土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳數(shù)據(jù)，計(jì)算了中國(guó)東北三江平原土壤碳密度，分析了近30年來(lái)土壤碳庫(kù)變化狀況和影響因素，主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)表層土壤碳以有機(jī)碳形式為主，不同土壤類型有機(jī)碳密度及總碳密度水平有明顯差異。沼澤土、泥炭土相對(duì)區(qū)內(nèi)其他土壤類型有機(jī)碳密度高，平均在8 kg/m2以上，這與兩種土壤類型的植被覆蓋有關(guān)?？臻g分布上，三江平原表層土壤有機(jī)碳密度20世紀(jì)80年代和當(dāng)前均呈現(xiàn)分布不均勻的特點(diǎn)，空間分布既有一定的相似性又存在局部的差異。當(dāng)前土壤有機(jī)碳密度>8.4 kg/m2的分布區(qū)較20世紀(jì)80年代明顯減少。研究區(qū)東部沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)樗镒顬榧械臐饨r(nóng)場(chǎng)—銀川鄉(xiāng)、洪河農(nóng)場(chǎng)—二道河農(nóng)場(chǎng)地區(qū)，雖然被開(kāi)墾多年，但是表層土壤SOCD卻依然處于很高的背景。

(2)研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳當(dāng)前儲(chǔ)量約為348 Tg，區(qū)內(nèi)草甸土、沼澤土、白漿土及暗棕壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量較高。研究區(qū)是碳源效應(yīng)區(qū)，30年間土壤有機(jī)碳減少了293.07 Tg，較基期下降45.7%，其中隨河流遷出的有機(jī)碳約為1.46 Tg。三江平原絕大部分地區(qū)土壤有機(jī)碳密度在減少，尤其寶清縣、富錦市、饒河縣及撫遠(yuǎn)縣境內(nèi)由沼澤濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦刈顬榧械牟莸橥梁驼訚赏羺^(qū)，土壤有機(jī)碳密度減少幅度大，平均減少2.8 kg/m2以上。

(3)土壤有機(jī)碳的減少主要與研究區(qū)土地利用的急劇變化有關(guān)。三江平原所有的開(kāi)墾都造成了自然生態(tài)系統(tǒng)SOCD的降低。沼澤地轉(zhuǎn)為旱地有機(jī)碳損失最大，損失達(dá)63.47%，其余開(kāi)墾類型有機(jī)碳密度30年間損失在40%～50%之間，氣候是控制土壤有機(jī)碳空間分布格局的主要因素之一，氣溫與有機(jī)碳密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，降雨與土壤有機(jī)碳密度呈正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)30年來(lái)的溫度升高導(dǎo)致的表層土壤有機(jī)碳庫(kù)減少量約7.4 Tg，占表層土壤有機(jī)碳庫(kù)總減少量的2.52%。

致謝：文中使用的土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳數(shù)據(jù)來(lái)源于土地地球化學(xué)調(diào)查，該項(xiàng)目由自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心、水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心分別組織實(shí)施，黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院等單位承擔(dān)采樣、分析等工作。由于參與單位和人員眾多，無(wú)法一一列舉，筆者感謝該項(xiàng)目參加單位和人員付出的勞動(dòng)及基礎(chǔ)資料的支持。