李春亮，王 翔，張 煒，曲正鋼，楊 菁，張 君

(甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

人們普遍認(rèn)為氣候變暖與自工業(yè)革命以來(lái)大氣中CO2濃度的增加有密切關(guān)系，土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中最大的貯庫(kù)，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的對(duì)象。其中，有機(jī)碳作為土壤中較為活躍的部分[1-4]，其濃度變化更是以溫室效應(yīng)的方式影響全球氣候變化[5]。針對(duì)土壤碳儲(chǔ)量，早期的研究多集中于土壤有機(jī)質(zhì)(碳)及其在土壤肥力中的作用，如對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)、土壤保水保肥方面的意義[6]。20世紀(jì)末開始關(guān)注土壤固碳、土壤碳轉(zhuǎn)化和碳循環(huán)對(duì)全球氣候變化的影響，土壤能否增加碳儲(chǔ)存是關(guān)系陸地生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)揮對(duì)大氣中CO2的吸收與固定的碳匯效應(yīng)的重要理論基礎(chǔ)[7]。

王紹強(qiáng)等[8]運(yùn)用第二次全國(guó)土壤普查資料估算得到中國(guó)土壤總有機(jī)碳庫(kù)為92 Pg；潘根興等[9]估算全國(guó)土壤表層有機(jī)碳庫(kù)為43.6 Pg，徐香蘭等[10]估算黃土高原表層土壤有機(jī)碳庫(kù)為1 068 Tg，目前對(duì)黃土高原西段甘肅省境內(nèi)表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究則比較少見，表層土壤有機(jī)碳含量關(guān)系著黃土高原西段糧食安全、土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境等諸多方面[11-13]，隨著黃土高原區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理的大規(guī)模開展以及國(guó)土綠化工程的實(shí)施，西北黃土高原地區(qū)極有可能成為陸地生態(tài)系統(tǒng)蓄存二氧化碳的重要區(qū)域[14]。本文通過(guò)調(diào)查甘肅省境內(nèi)黃土高原表層土壤獲得的有機(jī)碳含量，分析了在不同土壤類型、土地利用方式及地形地貌中土壤有機(jī)碳的分布特征，并估算了黃土高原西段不同時(shí)期表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，有助于了解整個(gè)黃土高原有機(jī)碳的分布情況，并為準(zhǔn)確計(jì)算黃土高原有機(jī)碳儲(chǔ)量提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)建立黃土高原區(qū)土壤碳庫(kù)，研究碳循環(huán)和土壤碳封存能力具有較大的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)自然概況

黃土高原西起青海省東部及甘肅省烏鞘嶺，東至太行山，南靠秦嶺，北抵長(zhǎng)城沿線一帶，涉及甘肅、青海等7省(區(qū))，總面積623 000 km2[15]。本文以黃土高原西段典型代表區(qū)甘肅省境內(nèi)蘭州、白銀、定西、平?jīng)龊吞焖?地區(qū)表層土壤有機(jī)碳為研究對(duì)象，研究區(qū)面積42 348 km2，其中農(nóng)用地20 068 km2、草原16 664 km2、森林3 324 km2，是甘肅省主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)；區(qū)內(nèi)土壤以黑壚土、黃綿土和灰鈣土為主；水土流失問(wèn)題嚴(yán)重，屬西北生態(tài)環(huán)境最脆弱區(qū)[16]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省1:25萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查實(shí)施的蘭州—白銀地區(qū)、定西—靜寧地區(qū)及臨夏地區(qū)3個(gè)項(xiàng)目采集的表層土壤樣品(0～20 cm)共計(jì)42 351件，采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/km2，以4個(gè)樣品組合成為1個(gè)分析樣，分析獲得土壤樣品有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)10 587個(gè)，垂直剖面土壤樣品(0～2 m)68個(gè)，分析獲得垂直剖面土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)340個(gè)，所有樣品均由武漢綜合巖礦測(cè)試中心檢測(cè)，采用重鉻酸鉀容量法，該分析配套方案是我國(guó)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)掃面樣品分析的最佳分析方法之一，檢出限為0.1μg/g，分析精密度控制在10%～20%，準(zhǔn)確度控制在0.10～0.12，分析報(bào)出率達(dá)到98%以上，對(duì)分析質(zhì)量采用全國(guó)質(zhì)量監(jiān)控制度控制。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 土壤有機(jī)碳密度

土壤碳密度是指單位面積中一定深度的土體中碳元素的質(zhì)量[17]，本文土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算公式為：

SOCD=w(TOC)×d×ρ÷10

(1)

式中：SOCD為有機(jī)碳密度， kg/m2；w(TOC)為土壤有機(jī)碳含量， %；d為計(jì)算深度，本文取20 cm；ρ為土壤容重， g/cm3；10為單位換算系數(shù)，其中土壤容重?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于《甘肅土壤》[18]。

2.2.2 單位土壤有機(jī)碳量

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中土壤表層樣品分析以4 km2為分析單元；在4 km2范圍內(nèi)，一定深度土層中有機(jī)碳的質(zhì)量被定義為單位土壤有機(jī)碳量[19]，單位土壤有機(jī)碳量計(jì)算公式為：

USCATOC=4×103×SOCD

(2)

式中：USCATOC為單位土壤有機(jī)碳量，t/4 km2；4×103為換算系數(shù)；SOCD為土壤有機(jī)碳密度，kg/m2。

2.2.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

利用土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，采取單位土壤碳量方法計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為：

(3)

式中：SCRTOC為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，t；USCATOC,i為第i個(gè)統(tǒng)計(jì)單位土壤有機(jī)碳量，t/4 km2；n為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)單位土壤有機(jī)碳量加和個(gè)數(shù)，即4 km2大小的網(wǎng)格數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土壤類型有機(jī)碳儲(chǔ)量分布特征

將分析數(shù)據(jù)疊加至1∶500 000甘肅省土壤類型圖[18]上，分別統(tǒng)計(jì)不同土壤類型單元內(nèi)有機(jī)碳儲(chǔ)量，灰鈣土中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最大，占總儲(chǔ)量的32.15%；其次是黃綿土，占總儲(chǔ)量的21.52%；加之黑壚土、紅黏土、黑鈣土和灰褐土，這6種土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的86.4%。有機(jī)碳密度由高到低依次為灰褐土、高山草甸土、黑鈣土、栗鈣土、紅黏土、灌漠土、灌淤土、黑麻土、黑壚土、黃綿土、灰鈣土和風(fēng)沙土。

表1 黃土高原西段不同土壤類型有機(jī)碳儲(chǔ)量及碳密度

3.2 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布特征

將分析數(shù)據(jù)疊加至2015年甘肅省第二次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)圖斑上，分別統(tǒng)計(jì)不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，其中耕地有機(jī)碳儲(chǔ)量最大，占總儲(chǔ)量的47.18%；其次是草地，占總儲(chǔ)量的21.52%；有機(jī)碳密度由高到低依次為林地、建設(shè)用地、耕地、園地、草地和未利用地。

表2 黃土高原西段不同土地利用類型有機(jī)碳儲(chǔ)量及碳密度

3.3 研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與中國(guó)典型地區(qū)對(duì)比

將研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與全國(guó)其他典型地區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行對(duì)比分析[20]，可以看出黃土高原西段土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約占黃土高原有機(jī)碳總儲(chǔ)量的6.61%，面積卻占黃土高原總面積的9.85%；在各分區(qū)中平均碳密度最低為1.87 kg/m2，約為黃土高原區(qū)平均碳密度的75.05%。

表3 中國(guó)典型地區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布特征

3.4 黃土高原西段有機(jī)碳密度隨地形及深度的變化特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)黃綿土分布范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)按照地形地貌條件進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了不同地形地貌、不同深度土壤有機(jī)碳密度的分布特征(圖2)，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳密度隨深度呈指數(shù)形式變化，在不同的地形地貌間，表層土壤碳密度呈現(xiàn)出塬面>梯田>坡地>溝道的分布趨勢(shì)，這主要與塬面為歷史多年的農(nóng)耕區(qū)[22]，受到人工改造及施肥歷史悠久有關(guān)，梯田區(qū)則多為黃土丘陵區(qū)受人工改造所致，而坡地及溝道區(qū)多是與土壤有機(jī)碳受流水沖刷流失有關(guān)。

3.5 土壤有機(jī)碳不同時(shí)間變化規(guī)律

利用2018年土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查所獲得的有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)與1990年甘肅省第二次土壤普查所獲得的有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析近30年來(lái)調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳變化(表4)。筆者以甘肅省第二次土壤普查中土壤剖面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用土壤類型[23-24]及空間插值法[25]計(jì)算區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，有機(jī)碳含量采用耕層有機(jī)質(zhì)含量轉(zhuǎn)換提取(轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.724)[26]。

兩期土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)因采樣點(diǎn)位、檢測(cè)方法、氣候環(huán)境、土地利用現(xiàn)狀等因素的不同，也會(huì)存在一定的誤差。為判斷兩期土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)是否存在顯著差異，筆者進(jìn)行了T檢驗(yàn)，在剔除特異值后，有機(jī)碳含量近似服從正態(tài)分布，通過(guò)軟件SPSS Statistics17.0進(jìn)行了配對(duì)T檢驗(yàn)，在置信區(qū)間為95%時(shí)，碳密度相似度為25.979，自由度值是10 143，顯著性系數(shù)為0.003。1990年和2018年兩期土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)T檢驗(yàn)結(jié)果表明，兩期數(shù)據(jù)存在顯著差異。

對(duì)比結(jié)果表明(圖3、圖4)，2018年黃土高原

表4 黃土高原西段不同時(shí)期土壤類型表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布特征

西段表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比1990年略有上升。采用1990年甘肅省第二次土壤普查所獲得的數(shù)據(jù)得出當(dāng)年表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為71.07 Mt，而采用2018年土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查所獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為78.56 Mt，增幅為10.54%。從空間變化上來(lái)看，從西北向東南呈現(xiàn)先遞減后增加的趨勢(shì)，臨夏州、榆中縣及永登縣平均碳密度較高，碳密度較高的地區(qū)多以森林生態(tài)系統(tǒng)為主。其中森林覆蓋率高的連城國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、興隆山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、蓮花山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)及太子山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的碳密度最高，而隴中地區(qū)的皋蘭縣、會(huì)寧縣及定西市大部分地區(qū)的碳密度相對(duì)較低。近30年研究區(qū)內(nèi)碳密度變化較大的區(qū)域主要位于各類保護(hù)區(qū)及靖遠(yuǎn)縣、通渭縣、靜寧縣和會(huì)寧縣周邊。

4 結(jié) 論

(1)黃土高原西段表層土壤有機(jī)碳密度在不同土壤類型中由高到低依次為灰褐土>高山草甸土>黑鈣土>栗鈣土>紅黏土>灌漠土>灌淤土>黑麻土>黑壚土>黃綿土>灰鈣土>風(fēng)砂土；在不同的土地利用類型中土壤有機(jī)碳密度由高到低依次為林地>建設(shè)用地>耕地>園地>草地>未利用地。

(2) 對(duì)研究區(qū)內(nèi)黃綿土分布范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)按照地貌單元進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，表層土壤有機(jī)碳密度在不同地貌單元內(nèi)呈現(xiàn)出塬面>梯田>坡地>溝道的分布趨勢(shì)，這與塬面為歷史多年的農(nóng)耕區(qū)，受到人工改造及施肥有關(guān)，梯田區(qū)則多為黃土丘陵區(qū)受人工改造所致，而坡地及溝道區(qū)多與土壤有機(jī)碳受流水沖刷流失有關(guān)。

(3)1990年黃土高原西段的表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為71.07 Mt，而2018年其有機(jī)碳儲(chǔ)量為78.56 Mt，較1990年增幅10.54%；2018年黃土高原西段的表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約占黃土高原全區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量的6.61%，碳密度約為全區(qū)的75.05%，近年來(lái)黃土高原西段土壤碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。