（土壤学专业论文）人口稠密区村域SOC的多方法估算.pdf

摘要 选择人口稠密的川中丘陵乡村区域作为研究对象，以高分辨率卫星遥感图片与 g p s 、g i s 技术相结合，在不同的分类体系下估算了该区域的土壤有机碳储量，分析 了土壤有机碳密度( s o c d ) 的空间分布和土壤有机碳储量( s o c p ) 的变化特征， 探讨了影响土壤有机碳的主要因子。此外，还通过数据验证，分析估算残差大小和适 用条件，探讨了适合本区域的估最佳算方法。主要研究结果如下： ( 1 ) 生态立地分类法下，研究区内s o c d 介于0 3 1 2 3 7 k g m 2 ，平均为 1 0 4 k g m 2 ，s o c p 估算量为1 9 1 8 x 1 0 6 k g 。在空间平面上s o c d 大致从中部的丘陵顶 部向四周，随高度的减小而增大；在土壤垂直剖面上，表现为表层多、底层少，各层 分布不平均。不同生态立地类型s o c p 差异显著，轮作水田、丘脚旱地和单季田的 s o c p 占了总储量4 9 5 8 。由于剖面深度和s o c d 的差异，丘脚旱地、轮作水田、 单季田和望天田等类型的s o c p 变化与其面积变化不一致。 ( 2 ) 土壤类型分类法下，研究区内s o c d 介于0 4 3 - 2 2 2 k g m 2 ，以1 0 9 - - 1 4 3 k g m 2 分布较多，平均为1 1 6 k g m 2 ；s o c p 为2 0 3 5 x 1 0 6 k g 。s o c d 的高值区是水稻土 分布区，低值区是黄红紫石骨子砂土和黄红紫砂泥土分布区。水稻土的s o c d 在各 剖面层次的值都很高，且递减不明显；其他土壤类型则表现为表层高、其他层面低， 各层递减明显。棕紫泥土区的s o c p 较多，为1 0 3 9 x 1 0 6 k g ，占了总储量5 1 0 5 ；棕 紫冷浸田、棕紫夹砂泥田的s o c p 占总储量比率高于其面积与总面积比率。 ( 3 ) 土地覆盖分类法下，研究区内s o c d 介于0 6 3 2 1 6 k g m 2 之间，平均为 1 0 l k g m 2 ，s o c p 总量为2 0 8 6 x 1 0 6 k g 。s o c d 的分布与地势变化相反，高值斑块以 条带状分布于四周，中值斑块以圈层状位于中央，低值斑块则分布零散。大于1 0 9 k g m 2 的s o c d 分布区为水生作物覆盖区，小于0 7 5k g m 2 为建筑用地和水体水域覆 盖区。水生作物覆盖和旱生作物覆盖s o c p 含量较多，分别为1 1 7 7 x 1 0 6 k g 、 5 1 4 x 1 0 6 k g ，占了总储量的8 1 0 6 。在剖面层次上，水生作物覆盖s o c p 总量和各 层分量上都较旱生覆盖类型大，且各层分配平均。旱生作物覆盖面积比小于储量比， 水生作物覆盖面积比大于储量比。 ( 4 ) 影响因素中，地形地势与s o c p 呈反方向变化。坡积物发育的土壤s o c p 达1 4 5 6 1 0 6 k g ，残积物发育的土壤s o c p 仅为0 4 2 1 0 6 k g 。不同的土地利用方式、 作物种植类型和耕作制度对s o c d 和s o c p 有影响，水浇地的s o c d 较高但s o c p 较小，早地、水田的s o c d 虽小但s o c p 却较大；水稻油菜、水稻小麦种植方式以 s o c d 较高，小麦玉米、油菜玉米种植方式又以s o c p 较高。 ( 5 ) 方法评判显示，相对误差以生态立地法最小；残差定量比较显示生态立地 法和土地覆盖法较优；综合考虑尺度、工作量、工作难度、精度和准确度等因素后， 以生态立地法较优。若在国家区域尺度上进行估算，选择多种方法相结合，能以较小 的工作量得到较为准确的估算值。 关键词：土壤有机碳，碳储量，生态立地，土地覆盖 u s i n gd i f f e r e n tm e t h o d st o e s t i m a t et h es o i lo r g a n i cc a r b o ni nd e n s e l yp o p u l a t e dr u r a l a b s t r a e t b a s i n go nh i g h r e s o l u t i o ns a t e l l i t er e m o t es e n s i n gi m a g e ，g p sa n d g i st e c h n o l o g i e s ， s o i lo r g a n i cc a r b o np o o l ( s o c p ) o fad e n s e l yp o p u l a t e dv i l l a g e - s c a l ed i s t r i c tw a s e s t i m a t e di ns i c h u a nh i l l yr e g i o n t h es p a t i a lc h a r a c t e r sa n di n f l u e n c ef a c t o r so fs o i l o r g a n i cc a r b o nd e n s i t y ( s o c d ) a n ds o c pw e r ea n a l y z e di nt h er e g i o n b e s i d e s ， e s t i m a t i n gv a l u e so fd i f f e r e n tm e t h o d sw e r ec o n t r a s t e d 、析t l lv e r i f i c a t i o nd a t a f i n a l l y , b y a n a l y s i st h ee r r o ra n da p p l i c a b l ec o n d i t i o n ，t h eb e s tm e a n sw e r eb e e nf o u n d t h em a i n r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ( 1 ) i ne c o t o p ec l a s s i f i c a t i o n , s o c dw e r eb e t w e e n0 31 2 3 7 k g m 2 ，a n dt h ea v e r a g e v a l u ew a s1 0 4 k g m z ，a n dt o t a ls o c pw a s19 18x10 0 k g i np l a n ed i s t r i b u t i o n , f r o mc e n t r a l h i l lt oa l ls i d e s ，s o c di n c r e a s e d 谢t hh e i g h td e c r e a s e i ns o i lv e r t i c a lp r o f i l e ，s o c dw a s a s y m m e t r i c ，a n ds u r f a c el a y e rw a sm o r et h a nb o t t o m s o c ph a dt h es i g n i f i c a n td i v e r s i t yi n d i f f e r e n te c o t o p et y p e s r o t a t i o np a d d yf i e l d ，f o o t h i l ld r yf i e l da n ds i n g l es e a s o np l a n t i n g f i e l dh a dah a l fo f t o t a ls o c p , r e a c h i n g4 9 5 8p e r c e n t s o c pw a sa c c o r da se e o t o p ea r e a h o w e v e r , d u et ot h ed e p t hp r o f i l e sa n ds o i lo r g a n i cc a r b o nd e n s i t y , f o o t h i l ld r yf i e l d ， r o t a t i o np a d d yf i e l d ，s i n g l es e a s o np l a n t i n gf i e l da n dn o n i r r i g a t i o nf i e l dw e r ed i f f e r e n t ( 2 ) i ns o i lt y p ec l a s s i f i c a t i o n , s o c dw e r eb e t w e e n0 4 3 2 2 2 k g m z ，m a n ym o r e w e r eb e t w e e n1 0 9t o1 4 3k g m 2 n ea v e r a g es o c dw a s1 16k g m z ，a n dt o t a ls o c p w a s2 0 35x10 0 1 ( g s o c do fp a d d ys o i ld i s t r i b u t ea r e aw a sm o r et h a ny e l l o w - r e d p u r p l e c o b b l e ls a n ds o i la n dy e l l o w - r e d p u r p l es a n ds i l ts o i l p a d d ys o i ls o c di na l ls o i lp r o f i l e h a dah i g hl e v e lo fv a l u e ，a n dt h ed e c l i n ew a sn o ts i g n i f i c a n t o t h e rs o i lt y p e s ，o n l y s u r f a c el a y e rh a dt h eh i g hv a l u e ，a n dr e d u c e ds i g n i f i c a n t b r o w n - p u r p l es o i ls o c pw a s 1 0 3 9 1 0 0 k g ，r e a c h i n g5 1 0 5p e r c e n to f t o t a ls o c e 1 1 1 ea r e ar a t i oo fg l e y e dp a d d ys o i l a n dw a t e r l o g g o g e n i cp a d d ys o i lw a sh i g h e rt h a ns o c pr a t i o ( 3 ) i nl a n dc o v e r a g ec l a s s i f i c a t i o n ，s o c dw e r eb e t w e e no 6 3 2 16k g m z ，a n dt h e a v e r a g es o c dw a s1 01k g m z ，a n dt o t a ls o c pw a s2 0 8 6 10 6 k g s o c dc h a n g e dw i t h h e i g h td e c r e a s e ，h i g h - v a l u ea g g l o m e r a t i o nd i s t r i b u t e di nt h es t r i pa r o u n d ；m i d v a l u e a g g l o m e r a t i o nr i n ga r o u n dt h ec e n t r a ll a y e ro fh i l l ；l o w v a l u ea g g l o m e r a t i o ns c a t t e r e di n t h ea r e a l e s st h a no 7 5k g m 上s o c da g g l o m e r a t i o n sw e r ec o n s t r u c t i o nl a n dc o v e r a g ea n d w a t e ra r e a , a n dm o r et h a n1 0 9k g m 2w a sh y d r o p h i l yc r o pc o v e r a g e x e r o p h i lc r o pa n d h y d r o p h i l yc r o ps o c pw e r e1 1 7 7 1 0 6 k ga n d5 1 4 1 0 6 k g ，a c c o u n t i n gf o r8 1 0 6p e r c e n t i i i o ft o t a ls o c ei ns o i lv e r t i c a lp r o f i l e ，t h et o t a lw e i g h ta n da l ll e v e l so fs o c po fh y d r o p h i l y c r o pc o v e r a g ew e r em o r et h a nx e r o p h i lc r o p s f u r t h e r m o r e ，a r e ar a t i oo fx e r o p h i lc r o p s c o v e r a g ew a sl e s st h a ns o c pr a t i o ，b u th y d r o p h i l yc r o pc o v e r a g ew a sm o r et h a ns o c p r a t i o ( 4 ) i na l li m p a c tf a c t o r s ，a g g l o m e r a t i o na r e ah a ds i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t h t h es o c p ( r = 0 9 4 9 2 ) ；h y p s o g r a p h yh a dg r e a ti m p a c tt os o c pb yc o n t r a r yc h a n g e s l o p e d e p o s i td e v e l o p e m e n ts o i lh a dt h em o s ts o c kb y1 4 5 6 l0 6 l ( g ，r e s i d u a ld e p o s i t d e v e l o p m e n ts o i lh a d t h el o w e s ts o c k o n l y0 4 2 lo n g d i f f e r e n tl a n du s ep a t t e r n s ， s o c da n ds o c pw e r ed i f f e r e n c e s i r r i g a t i o nl a n dh a dh i g h e rs o c db u tl o w e rs o c p p a d d yf i e l da n du p l a n dh a dl e s ss o c d b u tm o r es o c er i c e r a p ea n dr i c e - w h e a t p a n t i n gm o d eh a dh i g h e rs o c d ，a n dw h e a t c o r na n dr a p e c o r np a n t i n gm o d eh a d l a r g e rs o c e ( 5 ) t h r o u g ha v e r a g e r e l a t i v ee r r o ra n de r r o ra n a l y s e ，e c o t o p ea n dl a n d - c o v e r c l a s s i f i c a t i o nw e r eo p t i m u m h o w e v e r , t a k i n gi n t os c a l e ，w o r k ，w o r kd i f f i c u l t y , p r e c i s i o n ， a c c u r a c ya n do t h e rf a c t o r s ，t h ee c o t o p ec l a s s i f i c a t i o nw a so p t i m u m i fe s t i m a t i n gi n r e g i o n a lo rc o u n t r ys c a l e ，s e l e c tm u l t i m e t h o d sc o u l dr e d u c ew o r k l o a da n do b t a i na c c u r a t e v a l h e k e yw o r d s ：s o i lo r g a n i cc a r b o n ；e c o t o p e ；s o i lo r g a n i cc a r b o nd e n s i t y ；l a n d c o v e r i v 论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川农业大学 或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：佬圈亭易 0 圆罗年6 月知日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解四川农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业大学可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 亩烀p 年6 月j 厶日 洳器年6 只药e t 陈 ， 馋，啪嘞蝻 1 绪论 1 1 问题提出及研究意义 c 0 2 、c h 4 、n 2 0 、c f c s 和0 3 等诸多温室气体排放过量是引起全球变暖的主要 原因。以c 0 2 和c h 4 为主的碳化物，由于在大气中浓度较大，对增强温室效应贡献 率较高( h o u g h t o n ，1 9 9 8 ) ，成为全球变暖研究的主要对象。 碳以各种形式存在于大气、陆地、海洋和岩石中，分别称为大气碳库、陆地生态 碳库、海洋碳库和岩石碳库。陆地生态碳库一方面承载着人类的生存和发展，另一方 面又受人类干扰和活动最大，其微小变化也会影响大气与生态系统之间的碳平衡，加 重全球气候变暖。因此，针对陆地生态系统的碳素研究成为当前全球气候变化和温室 气体研究的重点。 陆地碳库是由陆地植被碳库和陆地土壤碳库组成的。植被碳库因估算较为容易， 目前研究报道较多；土壤碳库则因深埋地下，不确定性较大，又因土壤碳库5 倍于植 被碳库( 李克让，2 0 0 2 ) ，土壤中的碳转换活跃且缺乏弹性，受人类行为影响非常显著 等特点，成为陆地生态系统碳库研究的重点。 土壤碳库又可分为土壤有机碳( s o c ) 库和土壤无机碳库两类。其中有机碳库所 占比例较大，无机碳库( 碳酸盐碳) 很少变动( 陈庆强，1 9 9 8 ) ，对陆地生态系统碳循 环的意义不大，因而当前土壤碳库研究又以土壤有机碳为主。 我国乡村人口多，密度大。随着当前社会经济发展和生产生活方式的改变，土壤 的理化性质也已发生改变，进而导致土壤有机碳储量的改变。近几年，针对我国东部 人口稠密区乡村的土壤有机碳研究已有报道，但对我国西南地区，特别是川中丘陵人 口稠密区的报道还较少。研究这一地区的土壤有机碳储量，分析其分布特征，找出其 影响因素，不仅能充实我国的土壤碳库研究，也能为当地的社会发展和环境建设提供 帮助。 1 2 研究综述 1 2 1 研究内容综述 1 2 1 1s o c 分布研究 土壤有机碳是一个时空变异连续体，它以动态形式存在于自然界中，通过动植物 残体的分解输入土壤，而又通过土壤呼吸、淋溶等过程而流失。水热条件、地貌变化 等环境因素不断改变着土壤有机碳的空间变异，进而影响到其空间分布。研究土壤有 机碳的空间分布主要包含两方面的内容： 一方面是在土壤内部，随土层深度的分布特征。一些研究发现，土壤有机碳的年 龄随土层深度的增加而增加( j e n k i n s o n ，1 9 7 7 ；s o m b r e o k ，1 9 9 3 ) ，这表明深层土壤 有机碳的惰性更强，而表层( 腐殖质层) 土壤由于自然条件较好、人类活动频繁，因而 对碳循环的贡献更大。在以往的研究中，很多学者将土壤剖面研究的深度确定在o 3 0 c m 的表层土壤，这能为结果的相互比较提供方便，但却不能代替整体的s o c 储量 估算。另外，土壤内部有机碳的垂直分布依赖于植被，有机碳绝对数量却是依赖于气 候，整个有机碳随降雨和粘粒含量而增加，随温度降低而降低；同时，气候控制表层 有机碳含量，而粘粒控制深层的有机碳含量( j o b b a g y ，2 0 0 0 ) 。 另一方面是在土壤外部，即空间水平分布和垂直分布两部分。当前土壤有机碳的 空间分布主要以水平分布研究居多，大多是根据土壤有机碳密度的大小、行政区域、 地貌类型、气候区域或者是土壤类型、生态系统等进行分区，描述研究区内土壤有机 碳的整体分布情况。而垂直分布研究相对较少，主要是因为对于相对高差较大的地区 ( 例如横断山区) ，土壤坡向分异明显，对碳循环的贡献差异也较大，研究此区域需要 大量的土壤剖面资料，因此目前国内在这方面的研究还很少。 1 2 1 2s o c 储量研究 国外对全球土壤有机碳库的估算开始较早，自2 0 世纪5 0 年代开始，国际上就有 很多学者对全球土壤有机碳库储量进行过估算。但是，这一时期多数学者以世界土壤 图等资料为主要依据，用土壤类型法对l 米深度陆地土壤作估算。r u b e y ( 1 9 5 1 ) 就曾 根据不同研究者发表的美国9 个土壤剖面的碳含量，推算全球土壤有机碳库为7 1 0 p g 。 由于这一时期所用资料来源有限，处理方法太过简单，使得统计结果在准确度和精度 上都偏低。7 0 - - - 9 0 年代，又有一些研究者对全球土壤有机碳库做了估算。例如， b o h n ( 1 9 7 6 ；1 9 8 2 ) 曾两次就全球土壤有机碳库进行过统计。1 9 7 6 年，他根据g a u s s e n 和h a d r i c h ( 1 9 6 5 ) 编制的世界土壤分布图及相关土组( s o i la s s o c i a t i o n ) 的有机碳含 量，采用土组合并、相似土族之间数据的相互引用以及插值等方法，算出了全球土壤 有机碳储量为3 0 0 0 p g ；1 9 8 2 年，他又根据f a o 提供的世界土壤图对全球土壤有机碳 库储量进行了再次估算，结果显示全球土壤有机碳库为2 9 4 6 p g 。总之，这时期全 球土壤有机碳估算有所进展，但统计结果仍存在较大差异，变化范围在7 0 0p g 3 0 0 0 飑之间。9 0 年代后，许多学者( s c h l e i s i n g e r ，1 9 9 0 ； e s w a r a n ，1 9 9 3 ；k e r n ，1 9 9 4 ； l a l ，1 9 9 8 ) 柬j 全球的土壤有机碳储量进行了研究。然而由于数据来源和计算方法不同， 所得的土壤有机碳库总量范围差异还是较大。大致在14 0 0p g 15 0 0p g 之间变化。 由于全球土壤有机碳空间分布的不均匀性，从全球尺度着手去估算s o c 储量， 统计结果具有较大的误差。因此细化区域去估算土壤有机碳储量，是提高土壤有机碳 估算精度的有效方法；同时，联合国气候变化框架合约要求签约国确定国家级尺度上 的温室气体净排放通量，其中土壤有机碳储量是一个重要的组成部分，因此区域性的 土壤有机碳估算也引起了各国学者足够的重视。 最近的几年中，国外对区域性土壤有机碳储量的研究进行得较多。例如，t a r n o c a i ( 1 9 9 8 ) 根据土壤有机碳数据库，以地理系统形式，对加拿大不同土壤类型和生态省 有机碳数量进行了分析；b o c k h e i mjg 等( 1 9 9 8 ) 分析了阿拉斯加一些典型土壤的有 机碳密度和特征；h o m a n n 等( 1 9 9 8 ) 用多重方法对美国俄勒岗州0 2 0 c m 和0 - - 一1 0 0 c m 土壤有机碳储量进行了评估，并比较了这几种方法之间的差异；b o c k h e i m 等在1 9 9 9 和2 0 0 3 年两次对阿拉斯加北极圈冻土有机碳储量进行了估计和预测，并对有机碳的 分布进行了研究；b e m o u x 等( 2 0 0 2 ) 利用土壤植被图与土壤数据库相结合对巴西土 壤有机碳进行研究，结果表明储存在巴西土壤0 - - 3 0 c m 层次土壤中的s o c 大约为 3 6 4 + 3 4p g 。这些区域性土壤有机碳储量的估算不仅为各地土壤有机碳功能的评估做 出了贡献也为全球土壤有机碳储量的精确估算提供了参考。 但是，陆地生态系统是一个统一的整体，地区性的土壤有机碳储量估算分割了系 统的连续性，同时由于各国科技水平不一致的影响，也会造成土壤碳储量估算误差。 因此许多学者又开展了针对不同生态系统的土壤有机碳储量研究。例如，p o s t ( 1 9 8 2 ) 和h o u g t o nra ( 1 9 9 5 ) 分别对全球热带森林、温带森林、极地森林、热带疏林和稀 疏草原、温带疏林草原、冻土苔原、湿地、耕地、沙漠等生态系统下的土壤碳库量进 行了估算，但由于估算面积太大、很多地区没有详实土地利用现状资料等难题困扰以 及所用方法的不同，造成估算结果的精度降低，对比差异十分明显。 目前，单一生态系统的土壤有机碳库储量研究相对较多。g r o s s m a n 等( 1 9 9 5 ) 利用地图方法确定面积和实验室方法确定类型相结合，对新墨西哥沙漠区有机碳含量 进行了估算；r a b e n h o r s t ( 1 9 9 5 ) 对海变沼泽和有潮沼泽土壤中有机碳储量进行了分 析，其中考虑了海平面上升的影响；j a r i l i s k i ( 1 9 9 7 ) 对芬兰森林土壤有机碳储量进 行了研究，并强调了土壤时间、空间上的变化对土壤碳储量的重要性；p e r r u c h o u d 等 ( 1 9 9 9 ) 根据模型在国家尺度上对阿尔卑斯山森林土壤有机碳储量进行估计，此方法 弥补了调查数据的不足；t r e m b l a y ( 2 0 0 2 ) 、h e n r i k ( 2 0 0 3 ) 也分别对加拿大高原森 3 林和丹麦森林土壤有机碳储量和空间分布特征进行研究。 国内关于土壤碳库的研究，起步相对较晚，但已有一些科学家着手进行探索。随 着研究的不断深入，中国在这一研究领域中的地位和作用日益突显。当前，我国土壤 有机碳研究存在以下几个特点： 从国家尺度看，当前的研究结果存在差异，但多数结果相对比较接近。王绍强 ( 1 9 9 9 、2 0 0 0 ) 、李克让( 2 0 0 3 ) 、潘根兴( 2 0 0 3 ) 以及解宪丽( 2 0 0 4 ) 等用不同方法 对中国陆地土壤0 - - 一1 0 0 c m 土层有机碳储量进行了估算，储量一般都在9 0 p g 左右； 但康德梦( 1 9 9 2 ) 、方精云( 1 9 9 6 ) 、潘根兴( 1 9 9 9 ) 对中国陆地土壤有机碳储量的估 算则与以上统计相差悬殊，分别为2 8 6 p g 、1 8 5 7 p g 和5 0 p g 。 大中区域尺度s o c 储量研究是当前研究的重点。李忠佩等( 2 0 0 1 ) 对我国东部土壤 有机碳密度和储量进行了估算，得出我国东北和东南地区土壤有机碳储量分别为 2 4 3 6p g 和9 3 5p g ；中国科学院生态环境研究中心对环渤海地区有机碳库储量及其空 间分布特征进行了研究，得出环渤海地区有机碳库为2 1 p gc ，并对不同地貌及其土 类碳储量进行了比较( 刘国华等，2 0 0 3 ) ；甘海华等( 2 0 0 3 ) 对广东土壤有机碳储量 及空间分布特征的研究，得出广东省有机碳储量为1 7 5 2 x 1 0 8 t ，并对各土类有机碳储 量进行了比较分析；陈庆美等( 2 0 0 3 ) 利用地统计学和地理信息系统( g i s ) 方法，分 别按土壤类型和土地覆被类型计算了土壤有机碳、氮密度，分析了内蒙古自治区土壤 有机碳、氮蓄积量的空间分布特征，探讨了土壤有机碳、氮蓄积量与主要气候要素的 关系。这些研究都细化了研究区域，使中国陆地土壤有机碳储量研究趋于准确。 针对生态类型的研究，森林生态系统估算较多，其他生态系统的较少。中国科学 院南京土壤研究所对我国热带、亚热带地区土壤碳储量作的研究，分别得到不同植被 类型下土壤的有机碳储量，并分析了有机碳在不同粒级土壤中的分布与转化( 赵其国， 1 9 9 7 ) ；刘国华等( 2 0 0 0 ) 对中国森林碳的动态及其对全球碳平衡的贡献进行研究， 并提出了对森林保护的建议；周玉荣等( 2 0 0 0 ) 对我国主要森林生态系统的碳储量和 碳平衡通量进行研究，估算出我国主要森林生态系统的碳储量为2 8 1 0 6 x 1 0 8t ，其中土 壤碳库占2 1 0 2 3 x 1 0 8t ；此外，李凌浩( 1 9 9 8 ) 、吴仲民( 1 9 9 7 ) ：田应兵( 2 0 0 3 ) 等 还分别对草原生态系统碳循环、尖峰岭热带山地雨林碳库、若尔盖高原湿地土壤植 物系统等生态系统的土壤有机碳储量以及分布特征进行了研究。 针对土壤剖面估算，表土或耕层估算较多，l m 深度较少。 总之，国内的研究成果不仅为世界评价中国对全球温室效应的影响提供了帮助， 4 而且国内学者对生态系统中有机碳库的研究大大加深了人们对生态系统的认识，更直 观反映出生态平衡的重要性。但目前中国区域的研究还不够完善，资料还不够充分， 方法还不够精确，研究中尚存不少问题。 1 2 1 3s o c 影响因子研究 ( 1 ) 自然环境因素 影响土壤有机碳储量的环境因素主要有气候、地形、土壤性质等。研究表明气候 中的水热条件对土壤有机碳储量影响显著。随着降雨的增加，土壤有机碳的储量有增 加的趋势；而在相同降雨量时，温度越高碳密度越低。温度和降雨的综合作用决定了 土壤有机碳密度的地理地带性分布( t r u m b o r e ，1 9 9 6 ；h o n t o r i a ，1 9 9 9 ) 。地形也能引 起土壤有机碳储量的改变。j e n k i n s o n ( 1 9 9 1 ) 研究发现，坡度、坡向能影响蒸腾蒸发、 水分入渗，进而影响植被生长和凋落物的归还及其分解，造成土壤有机碳分异明显。 土壤性质也是影响土壤有机碳储量的因素。n i c h o l s ( 1 9 8 4 ) 对温暖草原土壤有机 碳与粘粒含量之间的相关关系作了统计，发现在两者之间存在显著的正相关关系。主 要原因是腐殖质与粘粒形成的有机无机复合体，提高了有机质的生物稳定性，阻碍了 有机质的分解和转化( a n d e r s o n ，1 9 8 1 ) ，或是土壤粘粒吸附有机碳并封闭在微小的 孔隙中，阻碍了微生物对其分解( v i r a k o n p h a n i c h ，1 9 8 8 ) 。但在寒冷的土壤中，研究 者发现粘粒含量与土壤有机碳呈现不相关或负相关关系。同时，对不同区域研究也表 明土壤粘粒含量与有机碳之间并没有固定的相关关系。另外，土壤结构、土壤组成等 也会影响土壤有机碳。 ( 2 ) 生物因素 生物因素( 主要是植被和微生物活动) 对土壤有机碳储量的影响一般都是与自然 环境因素紧密结合在一起的。进入土壤的植物残体与所覆盖的植被类型密切相关，而 植被的种类和数量都是由自然环境决定的。一般来说，地理位置、海拔高度、气候的 不同，造成植被类型上的差异，进而影响进入土壤的植物残体量。w i l l i a m s ( 1 9 7 4 ) 对不同纬度地区的枯枝落叶做了统计，发现枯枝落叶量从低纬度向高纬度逐步递减， 也就是说低纬度植物残体量进入土壤的几率高于高纬度植物残体量。同时，土壤内部 微生物对土壤有机碳的分解作用受到土壤酸碱性、温度、水分等的影响。温度和水分 是影响微生物活性最重要的因素，适宜的温度和水分能加速微生物对植物残体的分 解，影响土壤有机碳的储量。同时，酸性较强的土壤能抑制微生物对有机碳的分解， 对有机碳有一定的保护作用。土壤c n 比的高低也对土壤微生物的活动能力有一定 5 促进或限制作用，增加土壤氮素时，可以促进微生物的活动，提高土壤有机质的分解 速率( 廖利平，2 0 0 0 ) 。 ( 3 ) 人为因素 人类活动对土壤有机碳储量的影响主要表现在土地利用覆盖的变化和耕作方式 的不同上。土地利用方式的变化不仅直接影响土壤有机碳的储量和分布，而且通过影 响与土壤有机碳形成和转化的因子间接影响土壤有机碳的储量和分布( s a m p s o n ， 1 9 9 3 ) 。有研究表明，将自然土壤转为农业和牧业用地之后，土壤有机碳储量迅速下 降，并将在4 0 , - - - 5 0 年内降低2 0 - - - 5 0 ( d a v i d s o n ，1 9 9 3 ) 。其中森林的破坏不仅导 致从植物残体释放碳素，而且导致土壤没有植被保护，进入土壤的腐殖质减少，土壤 有机碳储量随之降低。e s w a r a n ( 1 9 9 3 ) 研究发现毁林或改变林地利用现状将会造成 2 0 - 5 0 以上的s o c 损失。b o u w m a n ( 1 9 9 0 ) 同时也指出，开垦几乎在所有的情 况下都会造成自然生态系统s o c 含量的降低，有时的损失量可能达到2 0 - - 4 0 或 者更多( m a n n ，1 9 8 6 ；d e t w i l e r ，1 9 8 6 ) 。 研究表明，耕作方式也会对土壤有机碳的储量及转化产生较大影响( c h r i s t i a n ， 2 0 0 0 ) 。免耕是非常有效的提高农田土壤有机碳的方法，免耕土壤比传统耕作措施管 理的土壤有机碳平均水平高( 金峰，2 0 0 0 ) 。土壤免耕减缓了土壤中碳、氮的矿化速 率和有机质分解作用速率，减少了反硝化作用所需的碳、氮基质供应量；同时，长期 免耕能增加表土层土壤微生物生物量碳、氮含量，通过陆地生物及落叶的转化，有机 碳蓄积量能够增加( 王绍强，2 0 0 2 ) 。另外，轮作、增加土地覆盖和作物残茬还田也 可以影响土壤有机碳含量。 综上，人为活动的影响速率和程度远远高于自然变化，国际众多研究表明影响最 深的还是人类自身对于生态环境的破坏。针对土壤有机碳的影响因子研究已由自然因 素较多转向人为因素。由此，加强土壤有机碳人为因素研究显得十分必要。 1 2 2 研究方法综述 在研究方法上，土壤有机碳估算分两个层次，一是土壤剖面上的估算，另一个是 水平空间上的估算。土壤剖面上的估算因其数据来源的数量和精确性，又分为分层中 间点法、主因子法和有限数据推测法；而水平空间上的估算也因数据的原因和技术水 平的不同，分为土壤类型法、生命地带法、公式模型法等方法。近年来，随着科学技 术的发展，越来越多的新方法、新技术被应用到土壤有机碳库研究中，最具代表性的 是3 s 技术和景观生态学生态立地分类体系。 6 1 2 2 1 土壤剖面上的估算 土壤剖面有机碳含量的计算是土壤有机碳储量估算的基础，而且反映土壤剖面的 诸多性质。土壤剖面有机碳储量的估算方法综合起来只有一种，这种方法都是基于土 壤土层有机碳储量或密度的计算之上的，所不同的在于考虑土壤有机碳储量的影响因 素有所差异。 ( 1 ) 分层中间点计算 首先以土层中间点的土壤有机质、容重、土层厚度对土层有机碳含量进行计算， 再根据土壤剖面的各个土层计算结果汇总得到总土壤有机碳储量。其中b l i s s ( 1 9 9 5 ) 所用的方法是在这种计算方法的代表，他考虑了岩屑对土壤有机碳储量的影响，采用 如下公式计算t c l - - 0 5 8 0 d r t x l o * ( 1 ) c l - 土层有机碳含量( ) ；o 5 嘶机碳换算系数；土层中间点有机质含量 ( ) ；r 一岩屑转换因子；t _ 一土层厚度( c i n ) ；其中岩屑转换因子的作用是用来调整土 壤样品中的碎片体积。 这种方法虽然比较真实反映出土壤有机碳储量，但是需要大量实测土壤数据作为 支持，限制了在大范围区域研究的应用。 ( 2 ) 主因子计算 这种方法将仅考虑影响土壤有机碳的主要因素( 土壤有机碳含量、石砾含量和容 重) ，舍去其他因素的干扰，能简单方便地的到较为准确数据，是目前采用最多的方 法。其q 丁b a t j e s ( 1 9 9 6 ) 的方法最能体现这种方法的优点，他将世界土壤图划分为0 5 经度0 5 纬度的基本面积单元，再按每个单元计算土壤的平均有机碳密度。首先计算 土壤土层的有机碳密度，计算式为： k 乃= p i p ，皿( 1 一s )( 2 ) i = 1 式中，p i 为i 层土壤平均容重( gc m 。) ，p i 为i 层土壤有机碳平均含量( ) ，d i 为i 层土壤厚度( e r a ) ，s i 则为i 层大于2 m m 的平均砾石含量( ) 。然后再对各土层 求和，得到各单个单元内土壤有机碳密度。 这种方法没有直接考虑土壤单个剖面的有机碳储量，它是把整个面积单元作为计 算的对象，但本质上与计算土壤剖面有机碳密度而后平均没有差别。 ( 3 ) 有限数据推测 7 对于数据极少的区域，为了得到它的剖面土壤有机碳储量，大多数研究者采用了 较为简单的方法，即通过土壤有机碳含量与其他因素之间关系，用统计的方法来计算。 具体方法为： 对于有n 个土层的单个土种或剖面，有机碳密度计算如下： r 一鬯 ( 3 ) q = 旦- 一 v 7 q h i 是i 层土壤的厚度( c m ) ，b i 是i 层土壤的容重( g c m 3 ) ，o i 是i 层土壤的有机质含 量( ) 。当没有实测容重数据时，使用土壤亚类的平均容重值。按照土壤亚类聚合 土种剖面数据比土壤大类提供了更好的估计，因为亚类能够提供更多气候、排水、粗 糙度、质地等指标，时土壤有机碳积累的重要因素( l i 2 0 0 1 ) & = 旦；- 一 & 培1 ( 4 ) k 代表给定的土种c d k 时k 土种的有机碳密度( k g m z ) ，s k 是k 土种的厚度 ( c m ) c d j 是j 土壤亚类的平均碳密度( k g m 2 ) 。土壤有机碳储量则由各层累加得到。 金峰( 2 0 0 1 ) 曾用这种统计学方法估算了我国土壤剖面有机碳密度，但这种做法由 于土壤有机碳在剖面上的分布函数与土壤类型之间没有明显的规律寻求，需要大量时 间完成估算，所以降低了统计所造成的估算误差，目前运用较少。 1 2 2 2 空间平面上的估算 在估算区域土壤有机碳库时，传统方法较多运用的是土壤类型法、植被类型和生 态系统生命带法。它们的主要思路是首先计算单个土壤剖面或土体的碳蓄积量，即土 壤有机碳密度，经过不同土壤、植被或生命带等类型土壤剖面碳密度的聚合，采用一 定的加权平均形成土壤亚类、植被亚类、生态类型亚类的有机碳密度，根据亚类的分 布面积，统计出本亚类的土壤有机碳蓄积量，最后累计得到区域土壤有机碳储量。 ( 1 ) 土壤类型法。- 土壤类型法是估算土壤有机碳储量最常用的一种方法，其实质是土壤分类学方 法，它是把土壤分类系统中各分类单元按一定的层次与土壤剖面数据相结合，再根据 土壤图上的面积得到土壤有机碳总量；同时，可以把土壤图上土壤分类单元与不同土 壤有机碳密度叠加，以分析土壤有机碳的空间分布特征。 8 目前用这种土壤分类学方法去估算土壤有机碳储量又存在两种差异。一种是各国 采用的土壤分类标准不同，用这些带有差异的分类层次去聚合土壤剖面数据，得到区 域或国家尺度土壤有机碳蓄积总量，进而得到的全球土壤有机碳库。这种方法的优点 在于可以利用土壤普查和土地资源图描述土壤分类学单元的空间分布，缺点是精度不 高。因此仅适用于区域或国家尺度的土壤有机碳蓄积估算。 第二种方法是利用比较系统的全球土壤图和土壤分类系统来估算。以f a o 的世界 土壤图和全球土壤分类系统用得较多。f a o 的全球土壤图是基于1 9 6 0 至u 1 9 7 0 年代各个 国家土壤信息的基础上制成的，参考了6 0 0 多张不同比例尺和图例的土壤图，以及 1 1 0 0 0 张其他地图，并且根据生理学、植被、气候、地质和土地利用类型，构成了一 个修订不同分类学系统的一个综合系统。利用f a o 的世界土壤图和分类系统可以形成 统一的土壤有机碳蓄积量估算体系，便于汇总和对比，然而f a o 分类系统和地图是对 全球各国土壤类型的概括和简化，忽略了大量区域或国家尺度的土壤类型细节和土壤 多样性，从而可能过高或过低地估算全球土壤有机碳蓄积量。 总之，土壤类型法或土壤分类法对于数据的聚合是一个较好的计算框架，它对土 壤有机碳估算并没有太窄的限制，避免了不同土壤类型的之间有机碳计算上出现的差 异。但是，不同的分类系统和土壤图会使有机碳储量的汇总产