江西省表层土壤有机碳库储量估算与空间分布特征.doc

袁芳等：江西省表层土壤有机碳库储量估算与空间分布特征 271江西省表层土壤有机碳库储量估算与空间分布特征袁芳1，赵小敏1，2*，乐丽红1，贾学铭11. 江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2. 南昌师范高等专科学校，江西 南昌 330029摘要：土壤中碳较小幅度的变化能引起全球气候较大的变化，而表层土壤有机碳库易受人类活动的影响而发生变化，因此估算土壤有机碳库储量，对土壤碳库变化及土壤固碳潜力的研究具有重大意义。根据2006年江西省各县市典型土壤GPS定点采样样点的理化分析数据计算出有机碳密度并进行空间插值，利用江西省第二次土壤普查相关数据建立土壤空间数据库，结合各土壤类型分布面积，估算表层（020 cm）土壤有机碳密度和储量，并探讨其空间分布特征。研究表明：江西省表层土壤平均有机碳密度介于2.6556.877 kgm-2之间，有机碳库总储量为640 355.653106 kg，其中，仅红壤和水稻土的土壤有机碳储量已占90.71%。表层土壤有机碳密度具有高度的空间变异性，赣西、赣东如萍乡、宜春、上饶地区土壤有机碳密度较高，赣南、赣北地区如九江、赣州等地区土壤有机碳密度较低，总体上呈东西走向高，南北走向低的趋势。江西省是一个农业大省，人类干扰下的土壤碳库研究却很少，其碳库动态变化还值得进一步的探讨。关键词：土壤有机碳密度；储量估算；空间分布；江西省中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）01-0268-05近年来，全球气候持续变暖，极端天气，自然灾害总是时有发生，原因之一是由于人类活动，导致大气中二氧化碳浓度不断升高所引起的。自20世纪90年代开始，南北极地冰山就已呈现加速融化的趋势，海平面不断上升，这样意味着数以百万的人口将面临着洪水、干旱以及饮用水减少的威胁，一些岛屿和城市也将面临被水给淹没的悲惨局势。陆地是人类赖以生存和发展的基地，其生态系统的碳循环在全球碳循环中占有着非常重要的地位。陆地生态系统是“碳汇”还是“碳源”主要取决于土壤碳库的变化。因此研究土壤中的碳库成为了全球碳库变化研究的重点和热点。土壤是地球陆地系统中最大的储碳场所，其有机碳库、无机碳库，约是地球上生物量的3倍，是大气碳含量的2倍1。土壤碳通过呼吸排放的CO2与大气CO2交换快速，其较小幅度的变化都会影响到大气碳库储量，进而引起全球气候较大的变化，因此土壤碳库的稳定、增长或释放都与大气CO2浓度变化有重要的关系。土壤中无机碳含量少，比较稳定，不易发生变化，所以研究工作主要集中于有机碳储量的估算。如方精云等2使用1:1 000万土壤图和725个土壤剖面估算的中国1 m深度土壤有机碳库为185 pg。王绍强3利用第二次土壤普查中实测的2 473个典型土壤剖面资料，以及土壤各类型分布面积，估算出储量约为92.42 Pg。我国对碳储量的研究不少，但由于各种原因，计算研究的结果仍存在一定的差异，对有机碳库的估算还应有进一步的研究。土壤表层是受人类活动影响最多的区域，它的储碳状况易受影响而发生动态变化（储存与释放），进一步引起气候环境的变化，这之间密切的因果关系不可忽视。估算表层土壤碳库储量为以后土壤有机碳库动态变化及固碳潜力研究提供科学依据，了解土壤碳库的空间分布有利于相关管理和保护性措施的实施。但研究表层土壤的工作并不多见。关于江西省表层土壤有机碳库储量计算和空间分布方面的研究还未见报道。本文运用GIS技术，以江西省最近GPS定位调查的土壤监测点数据为基础，精确估算了江西省表层（020 cm）土壤有机碳库储量及空间分布特征。这将为今后进一步开展土壤碳库研究提供了基础，也为合理利用农业资源，培肥农田土壤，实施精准农业提供科学的信息。1 研究区概况江西简称“赣”，位于中国的东南部，在长江中下游的南岸，处于北纬242914至300440与东经1133436至1182858之间。东邻浙江、福建，南连广东，西接湖南，北毗湖北、安徽而共接长江。全省土地总面积16.69万平方公里，占全国土地总面积的1.74%，居华东各省市之首。江西地貌类型以山地、丘陵为主，山地占全省面积的36，丘陵占42，平原、水面占22。鄱阳湖为中国最大的淡水湖，同时也是世界上最大的候鸟栖息地。江西地处北回归线附近，全省气候温暖，年平均气温18 左右，无霜期长，为亚热带湿润气候，十分有利于农作物生长。雨量充沛，年均降水量1 341 mm到1 940 mm,一般表现为南多北少、东多西少、山区多盆地少。全年降水季节差别很大。江西省土壤地带性规律和地域性规律都比较明显。主要包括：红壤、黄壤、山地黄棕壤、山地草甸土、紫色土、潮土、石灰土、水稻土八个土类。其中，红壤是江西分布最广、面积最大的地带性土壤，为全省最重要的土壤资源。除水稻土外，全省农业土壤尚有40万hm2左右的旱地土壤。主要为潮沙泥土、乌泥土、黄泥土、紫泥土、马肝土等。2 数据获取与处理2.1 2006年土壤监测点数据与处理本文使用的监测点数据来自2006年江西省各地区典型土壤剖面的实测记录, 各点位采用GPS定位，按照土壤发生层进行采集，共有370个土壤监测数据。监测点分布见图1。采集后的土样经室内风干，碾碎，过1 mm的尼龙筛。预处理后进行化学分析。其中土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法4。为尽量减少实验当中的误差，样品分析重复率为200%。2.2 土壤空间数据库的建立图1 江西省典型土壤剖面采样点的空间分布Fig. 1 Spatial distribution of sample soil profiles in Jiangxi Province本文采用第二次土壤普查建立的江西省土壤类型图（1：250 000），经扫描、配准、数字化，利用Arcmap及Arcview建立土壤信息数据库（包括空间数据库和属性数据库）。利用ArcGIS的空间地统计功能（Spatial Analyst、Geostatistical Analyst等）计算得到各土壤类型的面积。该土壤图共有5 996个图斑，扣除冰川，水体面积后，共计5 894个图斑，其土壤面积约为16.5万km2。土壤普查图件土壤图数字化土壤碳密度分布图各土壤类型面积剖面采样及理化分析土壤剖面数据库GIS（插值、叠加、地统计、空间分析等）土壤有机碳储量基础资料的收集图2 土壤有机碳密度和储量计算流程图Fig. 2 Flow diagram of soil organic carbon density and reserves calculation3 研究方法3.1 土壤有机碳密度(SOCD)的估算土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量，由于排除了面积因素的影响而以土体体积为基础来计算，土壤有机碳密度已成为评价和衡量土壤有机碳储量的一个重要指标5。土壤有机碳密度的计算公式为：SOCD=0.58SOM(1-C)/10其中，0.58为Bemmelen换算系数,是土壤测量层的厚度(cm)；是土壤容重(gcm-3)；SOM是土壤有机质含量(%)，C为土壤中2 mm的粗颗粒的体积百分含量。SOCD为土壤有机碳密度，单位已换算为kgm-1。由于工作量限制，本文土壤监测点缺乏土壤容重的数据，因此利用Song等6通过我国第二次土壤普查数据得出的土壤容重与有机碳含量回归关系(=1.3770e-0.0048SOC)计算获得。考虑江西省土壤颗粒的特点，2 mm的粗颗粒含量很少，因此本文在计算砾石含量时将其忽略。由于2006年土样采集主要选取了表层土壤，深度主要集中在1823 cm之间，本文统一采取平均值进行计算。土壤图基本制图单元为二级制图单元，对于土壤图的各一级制图单元，采用二级制图单元有机碳密度的面积加权平均值作为最终有机碳密度。3.2 土壤有机碳储量的计算目前土壤碳储量的研究一般采用样点数据推断法和模型法7。模型法需要大量相关、连续的实测数据，运行过程中参数多，运算量大。目前发展较成熟的生物地球化学模型，它由几个子模型构成，主要是以气象、土壤、土地利用和农田管理为驱动条件，对土壤有机质的产生、分解和转化等过程进行数字模拟，以达到预测土壤有机碳库动态的目的。李克让等8-11利用生物地球化学模型对中国陆地土壤有机碳储量进行了估算。 由于研究条件有限，本文采用样点数据推断法，即土壤剖面数据库与制图单元相结合的一种估算方法。根据制图单元的不同，又可以分为土壤类型法、植被类型法、森林类型法、生命地带类型法等等。王绍强等12在土壤有机碳库储量的计算上对以上方法进行过研究。因同类土壤经常具有相似的影响土壤碳蓄积的调控因素，所以土壤类型法能提供更多碳蓄积与土壤发生学有关的认识，易识别土壤碳的空间格局13-14。考虑到现有的资料，本文表层土壤有机碳库储量的估算方法是采用土壤类型法。国际上常用这种方法15-16，可以形成统一的估算体系，便于汇总和对比。各土壤类型的有机碳储量由各土壤亚类的碳密度与其面积的乘积之和求得。计算公式为：，学民信心.式中，SOCR为土壤有机碳储量（kg）；SOCDi为某亚类有机碳密度平均值（kgm-2）；Si为某亚类面积（m2）。4 结果与分析4.1 表层土壤有机碳密度及其空间分布特征（1）表层土壤有机碳密度依据不同的土壤类型，利用ArcGIS中的区统计分析，对土壤有机碳密度统计得出，江西省表层土壤有机碳密度介于0.326 4到16.167 9 kgm-2之间，不同土壤类型的各平均值处于2.6556.877 kgm-2范围内。见表1。表1 江西省表层土壤有机碳密度和储量Tabel 1 Topsoil organic carbon density and reserves in Jiangxi Province土壤类型面积（106 m2 )有机碳密度（kgm-2）有机碳储量（106 kg）土壤面积比重（%）红壤110323.7223.929433514.59667.70黄壤4706.8264.48821124.6603.30山地黄棕壤954.0954.6034392.0670.69山地草甸土186.8714.453832.1840.13紫色土2037.0063.9958137.2321.27潮土2432.1863.3918246.6271.29石灰土2871.8084.34712482.4221.95水稻土石质土粗骨土新积土火山灰土黄褐土40299.20465.638423.37249.731114.455698.6013.6566.8773.0893.4474.4692.655147328.598451.4151307.925171.405511.4541855.06823.010.070.20.030.080.29合计165163.514640355.653100.00从表1可以看出，有机碳密度最大的土壤类型为石质土，高达6.877 kgm-2。红壤、黄壤、山地黄棕壤、山地草甸土、紫色土、石灰土、水稻土和火山灰土有机碳密度次之，在3.54.7 kgm-2之间。最低的是黄褐土，仅为2.655 kgm-2。从面积分布来看，红壤和水稻土的面积最大，分别占江西省土壤总面积的66.8%和24.4%；新积土最小，面积仅有49.731106 m2，仅占土壤总面积的0.03%。（2）表层土壤有机碳密度的空间分布图3 江西省表层土壤有机碳密度空间分布图Fig. 3 Spatial distribution of topsoil carbon density in Jiangxi Province利用ArcGIS中地统计的克里格插值功能进行计算，生成江西省表层土壤有机碳密度空间分布图（见图3）。可见，江西省表层土壤有机碳密度具有高度的空间变异性。图中赣西南、赣东地区如萍乡、宜春、鹰潭、上饶的土壤有机碳密度较高，其中萍乡地区最高，有机碳密度达到7.509 kgm-2；而赣南、赣北地区如九江、赣州的土壤有机碳密度较低，九江地区有机碳密度只有3.330 kgm-2，是最低有机碳密度含量区。赣中次之。总体上呈东西走向高，南北走向低的趋势。4.2 表层土壤有机碳储量的计算根据表层土壤有机碳密度及各土壤类型分布面积，按面积加权计算，得出江西省表层土壤有机碳总储量约为640 355.653106 kg。从分地市的土壤有机碳储量计算的结果来看（见表2），土壤有机碳储量处于1.210101.31011 kg左右，新余地区最低，为1.271010 kg；赣州地区最高，为1.351011 kg，总体上与地域面积成正相关。从土壤类型上来看，全省土壤有机碳储量最多的是红壤，占总储量的66.7%。其次为水稻土，占23.01%.储量最小的为石质土、新积土、火山灰土，储量均小于0.1%,这与其分布面积很少也有一定的关系。由此看来，如何充分利用好红壤和水稻土资源，是关切江西省农业快速发展的一个重要因素。表2 江西省各地市表层土壤有机碳密度和储量Table 2 Topsoil organic carbon density and reserves of regions in Jiangxi Province地区面积（106m2 ）有机碳密度（kgm-2）有机碳储量（106 kg）占比例（%）九江18281.883.33060873.9189.38景德镇5125.484.16421342.1403.29南昌7258.903.52025553.0723.94鹰潭3507.725.04217685.9202.72上饶22378.8224.31896638.50714.89新余3125.14.06412700.9391.96宜春18338.84.59584264.94512.98萍乡3780.17.50928383.2124.37抚州187444.02575451.00711.62吉安25206.693.60990970.02014.01赣州39692.163.408135271.70720.84合计165439.652-649135.387100.005 结论江西省土壤分布总面积约为16.516 4万 km2 ，表层土壤有机碳储量约达640 355.653106 kg。其不同土壤类型土壤有机碳密度差异不大，按面积加权计算，得出江西省表层土壤平均有机碳密度处于2.6556.877 kgm-2范围之间。在空间分布上，赣西、赣东如萍乡、宜春、上饶地区土壤有机碳密度较高，萍乡地区最高，达到7.509 kgm-2；赣南、赣北地区如九江、赣州等地区土壤有机碳密度较低，九江地区最低，达到3.330 kgm-2，赣中次之。总体上呈东西走向高，南北走向低的趋势。从土壤类型上看，土壤有机碳密度最高的是石质土，最低的是黄褐土，其他类型土壤主要处在平均值附近。从储量上看，主要是红壤和水稻土储量较多，共占总储量的89.71%。而地市上赣州储碳量最高，新余最低，基本与地域面积成正相关。土壤有机碳储量大部分集中在土壤表层，但受人类活动的影响，其动态变化（储存/释放）也最易频繁发生。江西省是一个农业大省，农田土壤碳库的变化势必在土壤碳库里占有着重要比例。因此如何采取保护性耕作及研究人类干扰下的土壤碳库动态变化值得进一步的探索。参考文献：1 ESWARRAN H, van den BERG E V, REICH P. 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