洞庭湖區(qū)近二十年來土壤碳儲量變化規(guī)律及影響因素研究

陳文文，張建新

（1.湖南科技大學 土木工程學院，湘潭411201；2湖南省地質(zhì)研究所，長沙410007）

土壤碳庫是全球碳庫的重要組成部分，可通過植物以CO2等形式與大氣碳庫進行交換.土壤碳庫受到氣候、土質(zhì)和人為活動等多種因素的影響，并在一定的時間和空間內(nèi)影響碳的質(zhì)和量的分布.研究一個區(qū)域在較長時間里碳儲量的變化規(guī)律，可以宏觀分析區(qū)域土壤的固碳能力，并通過與其他區(qū)域的對比，提出該區(qū)域農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)過程中碳利用的優(yōu)勢和劣勢；同時通過土壤碳庫的變化，間接推斷大氣碳庫CO2等溫室氣體的來源，為緩解因溫室氣體帶來的氣候變化的負效應具有重要意義.研究區(qū)洞庭湖平原和長株潭地區(qū)是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)和城市群區(qū)，研究該區(qū)的土壤碳儲量的變化，分析產(chǎn)生這種變化的原因，探討碳儲量與全國、乃至全球碳分布的區(qū)別，對于正確評估我國南方主要農(nóng)業(yè)區(qū)的固碳能力具有重要的意義.

近年來，不同學者對不同尺度不同時間段的土壤有機碳變化進行了大量的研究，主要分析了人類活動對于土壤有機碳的影響，但是對于土壤有機碳變化原因的分析較為簡略，本文試圖在前人研究的基礎上，收集第二次全國土壤普查所測定的土壤有機質(zhì)含量，與“湖南省洞庭湖區(qū)生態(tài)地球化學調(diào)查”所測的土壤有機碳數(shù)據(jù)進行對比，討論區(qū)域土壤碳量20年間的分布變化，并結(jié)合地質(zhì)地貌、土地利用方式、植被覆蓋類型和土壤類型，分析影響洞庭湖區(qū)土壤碳量的主要因素.

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省北部，包括洞庭湖平原區(qū)的岳陽、益陽、常德及長株潭地區(qū)的近40個區(qū)縣，總面積39600km2.研究區(qū)東、南、西三面山地圍繞，中部丘崗起伏，北部湖泊平原展布，南高北低，東、西高而中部低，以平原、崗地、丘陵和山地等地貌類型為主；土壤主要是水稻土，次為紅壤，少量為潮土和紫色土，母質(zhì)母巖類型以砂巖風化物和近代河湖沖積物為主，另外還有第四紀紅色粘土、花崗巖、板頁巖、石灰?guī)r、紫色砂頁巖等風化物.土地利用類型主要以水田為主，近占研究區(qū)面積的一半，其次為林地，旱地、葦?shù)?、園地和城鎮(zhèn)的面積較小.

1.2 研究方法

2004年數(shù)據(jù)主要來源于“湖南省洞庭湖區(qū)生態(tài)地球化學調(diào)查”.依據(jù)有關(guān)要求 ，本研究采用雙層網(wǎng)格化采樣，表層土壤采樣深度為0～0.20m，采樣密度為1個點／km2（湖底沉積物為1個點／4km2）.在野外駐地將樣品自然風干過20目尼龍篩，即粒徑＜0.8mm樣品作分析.樣品測試采用組合分析按4 km2組合.有機碳與全碳分析方法均為凱氏瓶容量法，檢出限為0.1%，其方法準確度、精密度和質(zhì)量檢查措施嚴格按照要求 ，有效地控制了測試精度和系統(tǒng)誤差.全區(qū)共獲得有機碳、全碳配套的測試數(shù)據(jù)（包含了pH值和元素含量等54項），共獲9758組有效數(shù)據(jù).

1979年數(shù)據(jù)來源于第二次全國土壤普查中湖南省土壤有機質(zhì)分布圖，以其含量分級中的中間值提取數(shù)據(jù)，其中水域部分缺數(shù)據(jù)者以平均值代替，面積約2236km2.

2 結(jié) 果

研究區(qū)不同區(qū)域2004和1979年表層土壤有機碳（TOC）量分布見表1、圖1、圖2和圖3.從其可見碳量在近二十年增長了5.74＊106t，每平方千米增加了147t.

對各縣域兩期土壤碳量分布進行比較分析，南部各縣碳量均在近期有較大幅度的增加，其中寧鄉(xiāng)縣2004年碳量為全區(qū)最高；北部除臨湘市、汨羅市、安鄉(xiāng)縣、桃江縣和南縣土壤碳量增加外，其余大部分市縣區(qū)土壤碳量減少明顯，以津市市最為顯著，表現(xiàn)出土壤碳量變化與區(qū)域地理位置相關(guān)的特點.從各縣區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展程度或?qū)傩詠砜?，這種空間分布特征表現(xiàn)為長株潭城市群區(qū)比洞庭湖平原區(qū)土壤碳量增加更加明顯，前者的平均值由1979年低于全區(qū)平均值至2004年增長了1200t／km2；洞庭湖平原區(qū)則相反，由高于全區(qū)平均值變?yōu)榈陀谌珔^(qū)平均值，到2004年則減少了300t／km2，比長株潭城市群平均值低1000t／km2.說明研究區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤的碳量明顯減小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或與生物資源利用有關(guān)的工業(yè)活動在一定程度上破壞了土壤的碳平衡，導致約800萬t的碳從土壤中排出.

從土壤碳量變異系數(shù)可知除岳陽市區(qū)、湘陰縣和津市市外，研究區(qū)其他縣區(qū)的空間變異系數(shù)均減小，說明研究區(qū)碳量離散程度減小，碳量分布趨于均勻.從圖1可見，2004年有機碳含量主要分布于15000～25000t／4km2之間，分布于低值（0～5000）及高值（25000～80000）的單元數(shù)量均遠低于1979年，說明研究區(qū)碳量分布趨于均勻化.

表1 各縣1979年和2004年土壤碳量變化對比表

常德市區(qū)常德市2744 10637 3876.5 44.49 10608 3866 37.18津市市 580 1687 2929 50.91 1645 2855.75 53.27澧縣 1980 7143 3622 44.49 6894 3495.5 40.47臨澧縣 1216 4390 3622 33.87 3996 3297 32.51桃源縣 2372 9093 3840 40.29 7947 3356 37.09漢壽縣 2068 8153 3950.25 58.15 6538 3167.75 45.27安鄉(xiāng)縣 1076 2078 1982.75 68.63 3058 3108.75 54.46石門縣784 2847 3650.25 51.65 2616 3354.25 37.56益陽市區(qū)益陽市1380 4181 3382.5 48.34 4079 3528 44.95長株潭城市群 11256 35920 3190.5 ／ 49740 4419 1832 7387 4050 43.38 7418 4066.75 38.22沅江市 2136 7087 4429.25 49.81 5341 3141.75 50.27桃江縣 592 2038 3466.5 68.02 2804 4768.75 28.76南縣／洞庭湖平原區(qū) 27776 102430 3687.75 ／ 94351 3396.75 ／全區(qū) 39028 138331 3544.5 ／ 144073 3691／

3 討 論

由以上分析可知，盡管洞庭湖區(qū)有機碳總量變化幅度不大，但區(qū)內(nèi)有機碳的空間分布發(fā)生了較大的變化.土壤有機碳來源于植被殘體以及人為施加的有機物料，其變化取決于土壤有機碳的輸入和輸出的相對關(guān)系，即由土壤有機質(zhì)形成量和礦化量的相對大小決定.有機質(zhì)的形成和礦化過程受氣候條件、土壤性質(zhì)、利用方式和耕作制度等人為和自然諸多因素的綜合影響，有些因素的影響目前尚不明確.探討碳儲量變化與地貌類型、土壤類型、土壤母質(zhì)母巖類型、土地利用方式和植被覆蓋類型的相關(guān)性，采用Spearman計算相關(guān)系數(shù)，得出以下結(jié)果：

表2 不同時期土壤碳儲量變化與各種因素的相關(guān)系數(shù)

由表2可知，洞庭湖區(qū)土壤碳儲量主要與地貌類型和土壤母質(zhì)母巖類型顯著相關(guān)，其次與土地利用類型和土壤類型相關(guān)，與植被類型相關(guān)程度較低.說明土壤碳儲量主要與地質(zhì)地貌的關(guān)聯(lián)程度較大，同時受土地利用類型的影響.事實上，土壤的母質(zhì)母巖類型在一定程度上決定土壤類型，而土壤類型、地貌類型以及氣候條件等決定土地利用的方式.

下面分析各個因素對于土壤有機碳變化的影響：

（1）土壤有機碳變化與地貌的關(guān)系

地貌類型是研究區(qū)有機碳變化最重要的影響因素.由表3可知，研究區(qū)7種地貌類型的變異系數(shù)均減小，變化幅度最大的是高丘陵、中低山和低山，說明碳分布的離散程度變小，山地離散程度的變化高于平原.1979年以沖積湖平原的碳含量最高，低山最低，2004年沖積湖平原碳含量為全區(qū)最低，低于1979年每平方千米碳儲量平均值；高丘陵區(qū)最高，比1979年的最高值高396.5t／km2；研究區(qū)除沖積湖平原的碳含量減低外，其他地貌類型碳儲量均有所增長.

沖積湖平原為湖南省地勢最低平地帶，也是主要農(nóng)業(yè)區(qū)，區(qū)內(nèi)河道迂回曲折，港汊縱橫、湖泊棋布，因為沉積作用速度較大，泥沙淤積嚴重，湖床、河床被抬高，大量人工圍墾，洪澇災害嚴重.洪澇災害嚴重易導致土壤處于干濕交替的環(huán)境中，增加了碳量的分解，導致碳量減少.崗地與沖湖積平原的地勢相比較高，但低于丘陵，崗頂平緩，坡度不大，表層發(fā)于紅壤，崗間主要發(fā)育水田，其他地方以油茶為主.低山、中低山地貌一般位于中山之余脈處，地面切割較深，山谷及山麓地帶殘積物較厚，植被為自然生針葉樹林，及人造油茶林；低丘陵區(qū)比高一般80～120 m，起伏和緩坡度較小，水力資源豐富，土層疏松，有含量作物和經(jīng)濟作物的種植，高丘陵海拔在800m以下，多為落葉闊葉混交林.這些區(qū)域地勢較高，植被覆蓋情況較好，因此沖刷作用較小，所以這些區(qū)域的碳量均有一定增加.

表3 洞庭湖區(qū)土壤碳量變化與地貌類型的關(guān)系

（2）土壤有機碳量與母質(zhì)母巖的關(guān)系

研究區(qū)母質(zhì)母巖類型以砂巖風化物和近代河湖沖積物為主，由表4可知，1979年近代河湖沖積物的碳儲量最高，到2004年降為全區(qū)最低，下降了9%；花崗巖、板頁巖、石灰?guī)r風化物和第四紀紅色粘土的成土土壤碳儲量增長明顯；紫色砂頁巖風化物的碳儲量變化不大.研究區(qū)變異系數(shù)變化較大，碳量分布離散程度降低明顯.土壤母質(zhì)母巖類型的變異系數(shù)相對大于地貌類型，表明以前者區(qū)內(nèi)碳量分布離散程度大.近代河湖沖積物分布于湖泊及四水交接地帶，形成年代短，淋溶作用較弱，土層深厚，質(zhì)地疏松，發(fā)育的土壤一般有機質(zhì)含量高、較肥沃，但研究區(qū)該土壤母質(zhì)母巖類型發(fā)育的土壤碳量總體降低，可能的原因是土壤發(fā)育后受其他因素如土地使用類型、地貌類型等的影響較多.花崗巖風化物表層疏松，植被較好，石灰?guī)r、板頁巖風化物受穩(wěn)定的化學風化作用，使得元素殘余富集明顯，沖刷作用較弱；砂巖風化物、第四紀紅色粘土受風化作用相對較弱，殘余富集略低于前者.因此這幾種類型土壤碳量有一定增加.紫色砂頁巖受物理風化相對較強，有機質(zhì)易沖刷流失.

表4 洞庭湖區(qū)土壤碳量的變化與母質(zhì)母巖的關(guān)系

紫色砂頁巖風化物432 1682 3893.75 40.69 1671 3867.5 27.56第四紀紅色粘土 2136 7672 3598.5 45.35 8722 4091 25.35近代河湖積物10936 43067 3938 50.11 39069 3572.5 33.79

（3）土壤有機碳量與土地利用類型的關(guān)系

研究區(qū)土地利用類型是影響有機碳含量變化的重要因素之一，但受影響的程度低于地貌類型和土壤母質(zhì)母巖類型.由表5可知，洞庭湖區(qū)主要以水田和林地為主，前者在1979年為碳儲量最高的利用方式，后者在2004年的碳儲量含量最高.水田碳儲量略有增加，園地略有減少，旱地和葦?shù)卮蠓鶞p少，城鎮(zhèn)略有增加，林地大幅增加.旱地園地和葦?shù)氐挠袡C碳有所減少，其中葦?shù)氐臏p少量最高，這洞庭湖區(qū)圍湖造田，以及葦?shù)赜袡C質(zhì)輸入量少有關(guān)，葦?shù)刈優(yōu)楦?，以及蘆葦收獲后用來造紙，導致了有機質(zhì)含量的減少.在土壤有機質(zhì)含量很高的情況下，經(jīng)過1a耕種，土壤碳的損失量很大，土壤在淹水條件下不利于有機質(zhì)的分解，而助于土壤碳的積累.根據(jù)相關(guān)研究表明，水田具有碳匯功能，但20年中，研究區(qū)水田碳量增長十分有限，原因有三點，一是農(nóng)業(yè)土壤碳循環(huán)水平較低，土壤缺乏足夠的有機質(zhì)去分解，因而不得不依靠化肥去增加碳、氮素的供應，大量化肥的施用破壞了土壤的天然結(jié)構(gòu)；二是水稻、油菜的換季導致土壤處于水、旱的變化之中，有機質(zhì)分解速率較快，水土流失量大；三是土壤有機碳輸入過少，秸稈還耕率過低.森林植被具有明顯的碳匯功能 ，因此林地的土壤碳儲量大幅度增長.

表5 洞庭湖區(qū)土壤碳量的變化與母質(zhì)母巖的關(guān)系

（4）土壤有機碳量與土壤類型的關(guān)系

土壤類型對土壤有機碳變化的影響程度僅次于土地利用類型.如表6所示，除潮土外，水稻土、紅壤和紫色土的有機碳含量均有增加，其中紅壤的變化程度最大，20年間增加了884t／km2，水稻土的增長不明顯，僅為11.25t／km2.潮土的風化淋溶系數(shù)高、受人為耕作影響明顯，大部分潮土養(yǎng)分比較豐富，通透性良好，水分保持適宜，對有機質(zhì)的分解能力強，導致潮土有機碳量減少.紅壤脫硅富鋁化作用明顯，風化淋失作用強，但地面上制備的枯枝敗葉、生物殘體，通過吸收又歸還到土壤中去，補充了紅壤在成土中淋失的養(yǎng)分；紅壤植被以栲、椆類殼斗科為主.紫色土物理風化作用強烈，化學風化作用微弱，除鈣、磷元素明顯淋失外，其他元素無明顯淋失，在植被較好的地段，土壤有機質(zhì)含量高.水稻土中有機碳通過微生物化合而形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，施入的有機物質(zhì)多，而微生物的總量較少，特別是好氣性的微生物更少，使得有機質(zhì)的分解不徹底，因此水稻土中的有機質(zhì)含量一般呈累計趨勢.

表6 不同土壤類型對單位土壤碳儲量的影響

（5）研究區(qū)土壤的固碳能力

對研究區(qū)土壤有機碳含量與全國其他區(qū)域進行對比，可得土壤碳含量水平，將全國土壤碳量平均值作為平衡值，可推測區(qū)域土壤的固碳潛力.對不同的文獻資料進行研究整理如下：

康文星等對南洞庭湖白沙洲1999－2004－2007年土壤有機碳儲量進行了研究，結(jié)果表明白沙洲苔草洲灘地段在1999年未改變土地利用方式時的單位面積碳儲量為35.75t／hm2，營造為楊樹林5年后 （2004 年）的 碳 儲 量 為 25.06t／hm2，8 年 后（2007年）為22.24t／hm2，草地轉(zhuǎn)化為林地后土壤有機碳大量流失.于兵等對大慶地區(qū)總面積212.19萬hm2的植被碳密度進行了研究，結(jié)果表明，大慶地區(qū)的植被平均碳密度1978年為0.58kg／m3，2008年為0.67kg／m3，1978和2001年植被碳儲量分別為（9.38×106）t和（10.40×106）t，全區(qū)土壤總碳量為（187.18±34.95）×106t.奚小環(huán)、張建新等人對江蘇、湖南、四川、吉林、內(nèi)蒙古為例進行土壤有機碳儲量計算，結(jié)果表明，四川省四川盆地西部區(qū)土壤平均有機碳儲量最高，為29107.86t／km2；吉林省平原區(qū)平均有機碳儲量27427.25t／km2；湖南省洞庭湖區(qū)平均有機碳儲量21977.31t／km2；江蘇省平均有機碳儲量17117.61t／km2；內(nèi)蒙古河套地區(qū)平均有機碳儲量9592.73t／km2，全國土壤碳儲量分布不均勻.黃耀、孫文娟等通過對中國大陸1993—2006年關(guān)于區(qū)域農(nóng)田土壤有機碳文獻的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)近20年來中國大陸農(nóng)田面積53%～59%的土壤有機碳含量呈增長趨勢，30%～31%呈下降趨勢，4%～6%基本持平；中國大陸農(nóng)田表土有機碳儲量增加了311.3～401.4Tg；有機碳含量增加主要歸因于秸稈還田與有機肥施用、化肥投入增加與合理的養(yǎng)分配比以及少（免）耕技術(shù)的推廣；黑土區(qū)有機碳含量下降的主要原因是水土流失和投入不足.王紹強，周成虎等研究表明，中國土壤平均碳密度為10.83kg／m3.

將上述文獻的研究結(jié)果列于表7，為一致起見，本文統(tǒng)一用0～0.2m土壤有機質(zhì)含量折算為有機質(zhì)含量.

表7 不同地區(qū)土壤有機碳含量對比

由表7可知，研究區(qū)土壤碳量相對全國低4045 t／km2，與南洞庭湖白沙洲相比，研究區(qū)土壤碳含量亦較低.其中大慶地區(qū)的碳量最高，遠遠超過了全國的平均值，內(nèi)蒙古河套地區(qū)碳量則最低，僅為全國平均水平的1／4，.將全國碳量平均值作為平衡值，則研究區(qū)可增加碳儲量4045t／hm2，若將同緯度線上得四川省碳量作為平衡值，則研究區(qū)可增加1548t／hm2.

4 結(jié) 論

多數(shù)研究表明，人類活動所引起的土地利用和土地覆蓋變化對土壤碳庫和碳循環(huán)的影響是最直接的 .通過以上對土壤碳儲量變化與地貌類型、母質(zhì)母巖類型、土地利用類型和土壤類型關(guān)系的研究，可知研究區(qū)受地質(zhì)地貌類型的影響最大.二者研究結(jié)果在事實上是相一致的.地質(zhì)地貌類型在根本上決定了人類活動類型，因此該研究為土壤碳量變化的研究提供了一種新的思路.其中沖積湖平原地貌和近代河湖沖積物在部分區(qū)域上有一定重疊，主要位于安鄉(xiāng)縣、南縣和華容縣一帶，土地利用方式為水田、且以水田－油菜作物－棉花為主，通過對各影響因素的分析可知，造成該區(qū)碳量除安鄉(xiāng)縣外均呈減少趨勢的原因是：沖湖積平原地貌洪澇災害嚴重，作物種植干濕交替，導致土壤有機質(zhì)分解較快，近代河湖沖積物在理論上富含有機質(zhì)，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示該區(qū)有機質(zhì)明顯減少，說明由于人為因素的影響，秸稈還耕率低、土壤碳循環(huán)能力差，造成了土壤有機質(zhì)的流失.長株潭城市群區(qū)以及環(huán)洞庭湖平原區(qū)多以丘崗地貌為主，利用方式為水田和林業(yè)，這些區(qū)域的土壤碳量增加明顯，原因是丘崗地帶決定了土地利用多以林業(yè)為主，且水田多為一季稻，有利于水土肥力保持，同時說明這些區(qū)域?qū)τ谕寥烙袡C質(zhì)的利用較洞庭湖平原區(qū)合理.

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