遼河流域土壤碳密度分布特征和碳儲量研究

于成廣，楊曉波，劉明華，王丹陽，王大鵬

（1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽110032）

遼河流域土壤碳密度分布特征和碳儲量研究

于成廣1,2，楊曉波2，劉明華2，王丹陽2，王大鵬2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽110032）

基于遼河流域多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查取得的土壤表層和深層有機(jī)碳和全碳數(shù)據(jù)，探討遼河流域土壤碳儲量計(jì)算方法，分析遼河流域碳密度的分布特征.對遼河流域5.23×104km2土壤碳儲量計(jì)算表明，深層（0～1.8m）土壤碳儲量為860.50×106t，中層（0～1.0m）為 538.30×106t，表層（0～0.2m）為 138.76×106t；遼河流域土壤深層碳密度為 16.45×103t/km2，中層為 10.28×103t/km2，表層為2.65×103t/km2.分別根據(jù)土壤類型、地質(zhì)單元、生態(tài)系統(tǒng)和土地利用類型的劃分方式計(jì)算土壤的碳儲量，為土壤碳循環(huán)研究與環(huán)境效應(yīng)評價提供了科學(xué)依據(jù).

多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查；單位土壤碳量（USCA）；土壤碳密度；土壤碳儲量；遼河流域

0 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心，土壤有機(jī)碳庫是陸地碳庫的主要組成部分，在陸地碳循環(huán)研究中有著重要的作用［1］.北美的科學(xué)家正在使土壤固碳作為大氣CO2“匯”的功能得到認(rèn)同［2］.P.Smith等人［3］估算在未來的100年內(nèi)，通過保護(hù)性耕地措施，歐洲土壤每年可以固定碳量15×106t.韓冰等人［4］通過脫氮和分解（DNDC）模型估算了遼寧省農(nóng)田土壤碳庫總量為118.55×106t，施用有機(jī)肥有利于農(nóng)田土壤碳的積累.全球土壤有機(jī)碳庫約為1400～1500×109t，是陸地植被碳庫（500～600×109t）的 2～3 倍，是全球大氣碳庫（750×109t）的2倍多［5-6］.陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量的估算方法很多，常用的有生命地帶類型、森林類型、土壤類型以及模型法［7-8］等.這些方法大部分都是利用全國土壤普查數(shù)據(jù)或者采集有限的土壤剖面數(shù)據(jù)，通過建立一定的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)土壤碳儲量的估算.土壤類型及碳含量空間分布存在較大的變異性，使得土壤剖面代表性往往不夠.因此文獻(xiàn)中所發(fā)表的土壤碳儲量研究只能是在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上做出的推算［9］.如何精確計(jì)算出土壤碳儲量是擺在當(dāng)前碳循環(huán)研究領(lǐng)域的一個難題.2004年國土資源部與遼寧省政府實(shí)施的遼寧省遼河流域1∶25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作，系統(tǒng)調(diào)查了遼寧中部平原區(qū)深層土壤和表層土壤有機(jī)碳和全碳等54項(xiàng)指標(biāo)或元素的地球化學(xué)情況，為精確計(jì)算出遼河流域土壤碳庫提供了基礎(chǔ).

表1 遼河流域不同土壤類型土壤容重統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of different types of soil bulk density in Liahe Basin

1 材料與方法

2004年遼寧省按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶25萬）》?中國地質(zhì)調(diào)查局.多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶25萬）.2005.實(shí)施了遼河流域多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作，調(diào)查面積5.23×104km2，采集了表層（0～20 cm）土壤樣品（包括沿海灘涂樣品），采樣密度為1個點(diǎn)/km2.深層土壤樣品采樣密度為1個點(diǎn)/4km2，采樣深度為1.8m.土壤的分析樣品由4個表層單點(diǎn)樣組合而成，即表層土壤分析單元為1個點(diǎn)/4km2，深層土壤分析單元為1個點(diǎn)/16km2.每件土壤樣品分析有機(jī)碳、全碳和氮等54項(xiàng)元素或指標(biāo)，取得了高精度地球化學(xué)數(shù)據(jù).樣品由國土資源部沈陽測試分析中心負(fù)責(zé)分析測試.土壤有機(jī)碳和全碳分別采用重鉻酸鉀容量法和酸堿容量法分析，要求分析準(zhǔn)確度（ΔlgC）控制在0.10～0.12，精密度（RSD）控制在 10%～20%，報(bào)出率達(dá)到 98%以上［9］.

1.1 單位土壤碳量與土壤碳儲量計(jì)算方法［9］

在多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查成果基礎(chǔ)上，奚小環(huán)提出了單位土壤碳量（USCA）的概念［10］，即以多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)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（分析單元為4km2）及其對應(yīng)的深層樣碳含量（分析單元為16km2）分別代表計(jì)算單位表層土壤碳含量與深層土壤碳含量，依據(jù)其含量分布模式計(jì)算得到單位土壤碳量.通過對單位土壤碳量進(jìn)行加和計(jì)算得到土壤碳儲量.

土壤碳含量由表層至深層主要存在兩類分布模式，即指數(shù)分布模式和直線分布模式.其中有機(jī)碳含量分布為指數(shù)模式，無機(jī)碳含量分布為直線模式.遼河流域土壤容重?cái)?shù)據(jù)采用了《遼寧土壤》［11］中的土壤容重統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）.

1.2 有機(jī)碳（TOC）單位土壤碳量（USCA）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：

USCATOC，0～1.8m=TOC×D×4×104×ρ

USCATOC，0～1.8m表示 0～1.8m 深度單位土壤有機(jī)碳量（t）.式中TOC為有機(jī)碳含量（%），D表示采樣深度（1.8m），4為單位土壤面積（km2），104為單位土壤面積換算系數(shù)，ρ為土壤容重（t/m3）.TOC計(jì)算公式為：

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，單位均為%.d1取表層土壤中間深度0.1m，d2取1.8m（或?qū)嶋H采樣深度）.

（2）中層（計(jì)算深度為1m）有機(jī)碳單位土壤碳量（USCATOC，0～1.0m）計(jì)算.計(jì)算公式：

USCATOC，0～1.0m=TOC×D×4×104×ρ

USCATOC，0～1.0m表示采樣深度 1.8m 時計(jì)算 1.0m 深度有機(jī)碳量.式中TOC計(jì)算公式為：

式中d3=1.0m，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：

USCATOC，0～0.2m=TOC×D×4×104×ρ式中TOC取表層土壤實(shí)測含量值.

1.3 無機(jī)碳（TIC）單位土壤碳量（USCA）計(jì)算方法

（1）深層無機(jī)碳單位土壤碳量計(jì)算.計(jì)算公式：USCATIC，0～1.8m=〔（TIC表+TIC深）÷ 2〕×D×4×104×ρ

TIC表與TIC深分別由全碳實(shí)測數(shù)據(jù)減有機(jī)碳取得，單位為%.其他參數(shù)同前.

（2）中層無機(jī)碳單位土壤碳量（USCATIC.0～1.0m）計(jì)算.計(jì)算公式：

USCATIC，0～1.0m（深1.8m）=〔（TIC表+TIC1.0m）÷ 2〕×D×4×104×ρ

USCATIC，0～1.0m（深1.8m）表示采樣深度 1.8m 時計(jì)算1.0m深度無機(jī)碳量.D為1.0m.TIC1.0m采用內(nèi)插法確定.

（3）表層無機(jī)碳單位土壤碳量計(jì)算.計(jì)算公式：

USCATIC，0～0.20m=TIC表×D×4×104×ρ

TIC表由全碳實(shí)測數(shù)據(jù)減有機(jī)碳取得.

1.4 全碳（TC）單位土壤碳量（USCA）計(jì)算方法

（1）深層全碳單位土壤碳量計(jì)算.計(jì)算公式：

USCATC.0～1.8m=USCATOC，0～1.8m+USCATIC.0～1.8m

當(dāng)實(shí)際采樣深度達(dá)不到1.8m時，取實(shí)際采樣深度值.

（2）中層全碳單位土壤碳量（USCATC，0～1.0m）計(jì)算.計(jì)算公式：

USCATC，0～1.0m （深 1.8m）=USCATC，0～1.0m （深 1.8m ）+USCATC，0～1.0m（深 1.8m）

當(dāng)實(shí)際采樣深度達(dá)不到1.8m時，取實(shí)際采樣深度值.

（3）表層全碳單位土壤碳量計(jì)算.計(jì)算公式：

USCATC，0～0.2m=USCATOC，0～0.2m+USCATIC，0～0.2m

3 結(jié)果與分析

3.1 遼河流域土壤碳儲量分布特征

遼河流域深淺層土壤碳密度空間分布特征如圖1、2所示.深、淺層土壤碳密度空間分布規(guī)律基本一致，都表現(xiàn)為東部高于西部，山地高于平原，城市高于農(nóng)田的特征.遼河流域表層（0～0.2m）土壤碳儲量為138.76×106t，碳密度平均為 2.65×103t/km2，表層土壤碳密度較高區(qū)域分布在流域的西部城市相對集中的區(qū)域，最高含量區(qū)間為 7.80×103～27.06×103t/km2；遼河流域中層（0～1.0m）土壤碳儲量為 538.30×106t，中層土壤碳密度平均為10.28×103t/km2；遼河流域深層（0～1.8m）土壤碳儲量為860.50×106t，深層土壤碳密度平均為 16.45×103t/km2，最低含量區(qū)間為 4.13×103～6.23×103t/km2，最高含量區(qū)間為 31.0×103～89.07×103t/km2.

圖1 遼河流域表層土壤碳密度Fig.1 Carbon density of surface soil in Liaohe Basin

圖2 遼河流域深層土壤碳密度Fig.2 Carbon density of deep soil in Liaohe Basin

3.2 不同土壤類型土壤全碳儲量

遼河流域共分布有10種土壤類型，如表2所示.草甸土是遼河流域最大的土類，占總面積32.93%.深層、中層、表層碳儲量分別為 282.43×106、180.17×106、48.05×106t，平均碳密度分別為 16.37×103、10.45×103、2.79×103t.棕壤和潮土的面積僅次于草甸土，分別占總面積的25.34%和17.73%.其他幾種土壤類型所占比例為0.44%～7.73%不等.深層土壤碳密度最大的是濱海鹽土21.84×103t/km2，其次為棕壤19.55×103t/km2，水稻土18.57×103t/km2；中層土壤碳密度最大的是濱海鹽土12.53×103t/km2，其次為水稻土12.15×103t/km2，棕壤11.98×103t/km2；淺層土壤碳密度最大的是水稻土 3.38×103t/km2，其次為沼澤土 3.13×103t/km2，棕壤2.97×103t/km2.遼河流域深層、中層、表層土壤碳儲量從大到小分布規(guī)律一致，依次為：草甸土、棕壤、潮土、水稻土、褐土、濱海鹽土、風(fēng)沙土、粗骨土、沼澤土、黑土.

3.3 不同地質(zhì)單元土壤全碳儲量

遼河流域分布有元古宙—新生代的地層以及太古宙—中生代的巖漿巖體.其中第四系發(fā)育最為廣泛，面積2.76×104km2，占遼河流域比例為52.73%；其次是白堊系和中生代花崗巖巖體，所占面積比例為18.82%和11.97%，其他地質(zhì)單元所占比例較小（表3）.深層土壤碳儲量第四系最大，全碳儲量為426.88×106t，占深層土壤碳儲量的49.61%；白堊系和中生代花崗巖巖體次之，儲量分別為 147.09×106t和111.72×106t，占深層土壤碳儲量的17.09%和12.98%；其他單元儲量在4.62×106t～62.35×106t之間.深層土壤碳密度最大的是中生代玄武巖單元，其次為元古界和古生界，第四紀(jì)地層深層土壤碳密度最小，相當(dāng)于中生代玄武巖地層土壤碳密度的37.11%.中層土壤碳儲量和表層土壤碳儲量與深層土壤碳儲量分布規(guī)律一致.表層土壤碳密度中生代玄武巖最大，為5.6×103t/km2，是侏羅系的2.57倍，中生代玄武巖地層面積所占比例為0.3%，表層碳儲量卻達(dá)到了0.63%.

表2 不同土壤類型碳庫的分布特征Table 2 The distribution of carbon pools in different types of soil

表3 不同地質(zhì)單元碳儲量分布特征Table 3 The distribution of carbon reserves in different geological units

3.4 不同生態(tài)類型土壤全碳儲量

按照生態(tài)系統(tǒng)類型的劃分，遼河流域可以劃分為城市生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、河流生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng).農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積最大，占93.43%（表4）.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)深層、中層和表層土壤碳儲量分別為785.76×106、491.59×106和 126.74×106t，分別占深層、中層和表層土壤碳總儲量的91.31%、91.32%和91.34%.濕地生態(tài)系統(tǒng)占總面積的3.12%，濕地生態(tài)系統(tǒng)深層碳儲量為34.09×106，占深層碳總儲量的3.96%；表層有機(jī)碳儲量為4.40×106，占表層碳總儲量的3.17%.城市生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度在深層、中層、表層土壤碳庫計(jì)算當(dāng)中都是最高的，表層土壤碳密度為4.9×103t/km2，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表層土壤碳密度的1.91倍.城市生態(tài)系統(tǒng)占總面積的2.35%，表層土壤碳儲量卻占總儲量的4.4%.

與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相比，城市生態(tài)系統(tǒng)受人為因素的影響更大，形成過程更加復(fù)雜，改變了原有生態(tài)系統(tǒng)的功能與平衡.近年來關(guān)于城市生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳含量和碳儲量的研究受到了人們的廣泛關(guān)注.2003年，邊振興和王秋研究了沈陽市公園綠地土壤養(yǎng)分特征，結(jié)果表明城市表層土壤中有機(jī)碳含量在逐年增加［12］.2006年，章明奎和周翠研究了杭州市城市土壤有機(jī)碳分布特征，結(jié)果表明城市區(qū)土壤有機(jī)碳含量是郊區(qū)的4.3 倍［13］.遼河流域的沈陽、撫順、阜新、鞍山等城市土壤碳密度較大，這與重工業(yè)城市燃煤量大，礦業(yè)城市的煤田開采以及城市垃圾的大量排放有關(guān).

表4 不同生態(tài)類型全碳儲量分布特征Table 4 The distribution of total carbon reserves in different ecological types

3.5 不同土地利用類型土壤全碳儲量

土地利用類型對土壤碳庫的空間分布影響很大.一方面，土地利用方式的變化改變了生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力及相應(yīng)的土壤有機(jī)碳的輸入；另一方面，土地利用變化潛在地改變了土壤的理化屬性［14］.已有的研究成果表明，林地土壤碳密度大于耕地土壤碳密度［15-16］.從表5我們可以看出，深層和中層土壤碳密度工礦用地和建設(shè)用地最高，林地和水域次之，園地和耕地最小.表層土壤碳密度大小依次為工礦用地＞建設(shè)用地＞林地＞園地＞水域＞其他＞耕地.在各個土地利用方式中，耕地利用方式土壤碳密度最小，低于遼河流域土壤碳密度平均值，說明土地的耕作增加了土壤腐殖質(zhì)的礦化作用，不利于土壤碳的積累.遼河流域林地土壤的碳密度深層為 24.83×103t/km2，中層為 14.83×103t/km2，表層為 3.5×103t/km2，均高于流域平均值.

表5 不同土壤利用類型全碳儲量分布特征Table 5 The distribution of total carbon reserves in different soil utilization types

4 結(jié)論

多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查查明了遼寧省遼河流域土壤的碳分布分配規(guī)律，以單位土壤碳含量為基礎(chǔ)，采用指數(shù)模型法精確計(jì)算了土壤碳儲量.遼河流域表層土壤碳儲量為 138.76×106t，中層土壤碳儲量為 538.30×106t，深層土壤碳儲量為860.50×106t.按照土壤類型、地質(zhì)單元、生態(tài)系統(tǒng)類型和土地利用類型的劃分，探討了土壤碳密度和碳儲量的空間分布特征，為碳循環(huán)研究、環(huán)境效應(yīng)評價、低碳經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù).

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DENSITY DISTRIBUTION OF CARBON IN SOIL AND RESERVES OF CARBON IN THE LIAOHE RIVER BASIN

YU Cheng-guang1,2,YANG Xiao-bo2,LIU Ming-hua2,WANG Dan-yang2,WANG Da-peng2

（1.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Liaoning Institute of Geology and Mineral Resources Survey,Shenyang 110032,China）

Based on the data of organic carbon and total carbon in both surface and deep soil by the multi-purpose geochemical survey in Liaohe Basin,the carbon reserves in the soil of Liaohe Basin are calculated.The distribution of carbon density is analyzed.According to the calculation,in the area of 52.3km2,the carbon reserves in deep level are 860.50 Tg;those in the middle level,538.30 Tg;while in the surface,138.76 Tg.The soil carbon density in deep level is 16.45 Gg/km2;that in middle level,10.28 Gg/km2;while that in the surface,2.65 Gg/km2.The soil carbon reserves in different soil types,geological units,ecosystems and land-use types are also calculated respectively.The result will provide a scientific basis for the research on soil carbon circulation and the assessment of environmental effect.

multi-purpose geochemical survey;unit soil carbon amount（USCA）;soil carbon density;soil carbon reserves;Liaohe Basin

1671-1947（2011）04-0272-06

P642.1

A

2010－06－02；

2011-01-12.編輯：李蘭英.

國家地質(zhì)大調(diào)查“遼寧省遼河流域農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目（1212010511209）資助.

于成廣（1979—），男，工程師，在讀博士，主要從事生態(tài)地球化學(xué)評價和土地質(zhì)量評估方面的研究工作，通信地址沈陽市皇姑區(qū)寧山中路42號羽豐大廈26-11室，E-mail//yuchengguang1980@163.com