基于ArcGIS的縣域耕地表層土壤有機碳儲量估算——以洪江市為例

王 江

（湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院學院，湖南 長沙 410128）

1 研究區(qū)域概況

土壤有機碳（Soil Organic Carbon，SOC）是重要的國家資源之一，不僅影響土壤質(zhì)量也會影響環(huán)境，土壤有機碳分解和積累速率的變換直接影響到全球的碳平衡。人類活動加速了土壤有機碳的變化，已對碳在地球各圈層之間的平衡機制產(chǎn)生相當顯著的影響，造成大氣二氧化碳濃度的持續(xù)增長。土壤有機碳的空間布局和總儲量對土壤生產(chǎn)力、土壤水文特征以及全球氣候變化的研究都是非常重要的信息。

土壤碳儲量是維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和環(huán)境安全的最基本條件。據(jù)估算中國土壤是一個巨大的碳庫，其有機碳儲量約為92400Tg，平均碳密度為105.3t/hm2。而耕地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，但由于土地利用方式和田間管理措施不合理，導致中國農(nóng)業(yè)土地每年損失73.8Tg碳。因此開展耕地表層碳儲量研究有助于正確地分析土壤碳庫源匯動態(tài)，科學地指導人們開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本研究以洪江市耕地為對象，對洪江市耕地表層土壤有機碳儲量進行估算，運用ArcGIS空間統(tǒng)計分析技術(shù)對有機碳儲量的空間分布特征進行研究，旨在為耕地土壤肥力質(zhì)量的評價、耕地土壤碳循環(huán)的研究和全球環(huán)境變化的研究等提供科學依據(jù)。

洪江市水資源豐富，境內(nèi)溪河縱橫，年平均氣溫17.7℃，年降水量約為1246.7mm，年日照1415h，適宜種植水稻、油菜、棉花等多種農(nóng)作物。地勢受雪峰山脈影響，東南高，西北低，山地夾丘陵與河谷平原相連。東南部地區(qū)多山地，海拔在400m以上，最高峰為蘇寶頂（海拔1934m）；中部地區(qū)為安洪江谷盆地，地勢低凹，且較平坦（海拔300～400m）。由于地形起伏使土壤中水、肥、氣、熱等諸多影響因素分配不均勻，導致區(qū)域內(nèi)土壤肥力存在較大差異。洪江市是雜交水稻的發(fā)源地，全市東西長102km，南北寬55km，總面積為216687hm2，其中耕地面積為29067hm2，占總面積的13.41%。研究耕地表層土壤對發(fā)展農(nóng)業(yè)，建設(shè)社會主義新農(nóng)村有著十分重大的意義。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

本文數(shù)據(jù)來源于《湖南省耕地地力評價》項目，根據(jù)項目要求，以洪江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和土種面積為基礎(chǔ)，依據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地面積，土種類型和作物種植情況來確定采樣數(shù)量。考慮作物成熟時間為10月中下旬，于11月初至12月底依據(jù)農(nóng)田形狀采用X法、S法或棋盤法均勻隨機采取20個樣點0～20cm耕地表層土壤，充分混勻后采用四分法留取1kg。土樣經(jīng)室內(nèi)陰干，制樣后進行土壤農(nóng)化分析：土壤有機碳采用重絡(luò)酸鉀外加熱法。

圖件數(shù)據(jù)采用第二次土壤普查建立的洪江市土壤類型圖（1:50000）和洪江市土地利用現(xiàn)狀圖（1:10000）提取水田和旱地圖斑，基于ArcGIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計工具進行數(shù)據(jù)分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

目前國內(nèi)外通過土壤類型法、模型法、生命帶類型法和GIS估算法等研究方法進行土壤有機碳儲量研究，國內(nèi)研究者采用土壤類型法對浙江省、江西省等省域尺度耕地碳儲量研究已有一定成果。本文以《湖南省耕地地力評價》項目土壤農(nóng)化分析結(jié)果為基礎(chǔ)，以土壤剖面數(shù)據(jù)計算分類單元的土壤碳含量，再按照洪江市耕地圖斑上的面積得到耕地表層土壤有機碳總儲量。

土壤有機碳密度由下式計算求得：

式中SOCD為土壤有機碳密度（t/hm2）；SOC為土壤有機碳含量（g/kg）；ρ為土壤容重（g/cm3）；H為土層厚度（cm）。

土壤有機碳儲量由下式計算求得：

式中SOCR為土壤有機碳儲量（t）；SOCDi為某塊圖斑有機碳密度（t/h m2）；Si為某圖斑面積（hm2）。

本文采用插值法和土壤類型法，利用ArcGIS10.1軟件的分析功能和有機碳估算模型，對洪江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及不同類型耕地表層土壤（0～20cm）的有機碳密度及儲量進行估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 洪江市耕地表層土壤有機碳空間分布分析

基于ArcGIS，由于土壤采樣數(shù)據(jù)為點數(shù)據(jù)，因此首先采用克里格插值法對洪江市采樣點數(shù)據(jù)進行空間內(nèi)插，對土壤有機碳密度進行計算，再與耕地圖斑進行相交分析，可以看出洪江市耕地表層土壤碳密度空間分布從宏觀上看有較大的變異性?？傮w來講，洪江市東南大部分地區(qū)地表層有機碳密度較高，西部及中部流域地區(qū)耕地表層有機碳密度較低。

3.2 洪江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地表層土壤有機碳估算

將有機碳密度與其對應(yīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積相乘，得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤的有機碳儲量（表1）。洪江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地表層有機碳密度差異較大，平均值28.33至55.36t/hm2之間，洪江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地表層土壤有機碳密度大小依次為：洗馬鄉(xiāng)（50.60t/hm2）、鐵山鄉(xiāng)（50.48t/hm2）、塘灣鎮(zhèn)（49.63t/hm2）、岔頭鄉(xiāng)（47.41t/hm2）、雪峰鎮(zhèn)（47.32t/hm2）、灣溪鄉(xiāng)（45.96t/hm2）、熟坪鄉(xiāng)（45.20t/hm2）、雙溪鎮(zhèn)（44.37t/hm2）、硤州鄉(xiāng)（42.52t/hm2）、托口鎮(zhèn)（42.49t/hm2）、大崇鄉(xiāng)（42.31t/hm2）、龍船塘瑤族鄉(xiāng)（41.95t/hm2）、龍?zhí)镟l(xiāng)（41.85t/hm2）、土溪鄉(xiāng)（41.53t/hm2）、深渡苗族鄉(xiāng)（40.90t/hm2）、群峰鄉(xiāng)（40.62t/hm2）、太平鄉(xiāng)（39.99t/hm2）、沙灣鄉(xiāng)（38.84t/hm2）、江市鎮(zhèn)（38.30t/hm2）、茅渡鄉(xiāng)（37.54t/hm2）、黔城鎮(zhèn)（36.46t/hm2）、安江鎮(zhèn)（33.30t/hm2）、紅巖鄉(xiāng)（33.00t/hm2）、沅河鎮(zhèn)（29.51t/hm2）、巖垅鄉(xiāng)（28.33t/hm2）。

表1 洪江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地表層土壤有機碳密度和碳儲量

依據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積，加權(quán)得出洪江市耕地表層土壤有機碳儲量為1204680.21t。其中熟坪鄉(xiāng)耕地表層土壤有機碳儲量最高（83097.47t），占總儲量的6.90%，其次為鐵山鄉(xiāng)（68841.75t）、雙溪鎮(zhèn)（67075.72t）、江市鎮(zhèn)（63697.67t）等，分別占總儲量的5.72%、5.57%、5.29%。碳儲量最低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為安江鎮(zhèn)，僅為859.03t，占總儲量的0.07%。

3.3 洪江市不同類型耕地表層土壤有機碳估算

由表2可知，洪江市有5種土壤類型，不同類型土壤的有機碳密度差異較大，洪江市平均耕地表層土壤有機碳密度較高為41.50t/hm2。不同類型土壤中紅壤、黃壤有機碳密度最大，但分布面積較小，潮土有機碳密度最小，各類型土壤有機碳密度由大到小依次是紅壤、黃壤、水稻土、紫色土、潮土。

表2 洪江市不同類型耕地表層土壤有機碳密度及儲量

全市共有水田面積27454.48hm2、占耕地總面積的94.46%。主要以潴育性水稻土為主占66.67%、潛育性水稻土占21.76%、淹育性水稻土占11.35%、漂洗水稻土占0.22%。而水稻土亞類為淹育型水稻土的土壤有機碳密度最大（45.97t/hm2），分別是潴育型（40.93t/hm2）、潛育型（40.61t/hm2）、漂白型（38.20t/hm2）的1.12、1.13和1.20倍。全市旱土面積1609.77hm2、占耕地總面積的5.54%，其中面積最大的主要有灰紅土、紅灰土、黃泥土、紅泥土、扁沙土、巖渣子土等。土種為黃泥田的面積最大（6152.75hm2），占耕地總面積的21.17%；最小土種面積的為巖渣子土（2），僅有1.31hm2，占耕地總面積的0.004%。

洪江市不同土種的耕地表層土壤碳密度平均值處于26.59～64.43t/hm2之間（表3）。耕地土壤有機碳密度最大的黃紅麻砂土，高達64.43t/hm2，麻沙泥、五花紅黃泥、巖渣子土（2）、淺灰泥等土種有機碳密度次之，最低的為熟紅土，僅為26.59t/hm2。壤有機碳儲量，面積最廣闊的水稻土（27454.48hm2）耕地表層土壤碳儲量為1128805.57t，占總儲量的93.70%，其次為：紅壤（65737.69t）、黃壤（8392.07t）、潮土（1165.29t）、紫色土（579.60t）。各類型耕地表層土壤中，水稻土在洪江市分布面積最廣，占耕地土壤面積94.46%，土壤有機碳儲量占總儲量的93.70%，說明洪江市的耕地表層土壤有機碳主要分布在水稻土中，其他類型的土壤有機碳儲量甚少。在其他土壤類型中紅壤、黃壤有機碳密度最高，但是這類土壤面積之和占總面積的5.38%，所以其土壤有機碳儲量僅占總儲量的6.12%。

表3 洪江市耕地表層各土種有機碳密度和碳儲量

土屬 土種有機碳密度（t/hm2）有機碳儲量（t）面積（hm2）土壤面積比重（%）土壤面積比重（%）耕型花崗巖黃紅壤黃紅麻砂土 53.201 8 1 9.23 34.200.12 0.15耕型板頁巖黃壤 黃壤土 4 9.0 4 3 9 0 7.4 28 2.5 70.280.3 2耕型花崗巖黃壤黃壤麻砂土 4 5.6 4 4 4 8 4.6 5 9 7.8 90.3 40.3 7白散泥 白散泥 3 8.20 24 3 2.9 7 60.8 90.210.20爛泥田 爛泥田 4 3.40 24 6 7 0.1 75 56.0 5 1.9 12.0 5滂眼田 4 3.6 8 216 6.3 8 53.7 50.1 80.1 8冷浸泥田 4 1.9 4 25909.726 1 8.8 0 2.1 32.15冷浸砂田 3 3.8 11 8 9 7.15 53.220.1 80.16冷浸巖渣田 3 4.56 6 6 74.7 3 1 8 8.0 40.6 50.5 5冷浸陰山田 4 2.7 0 4 15 4 3.5 1994.533.4 23.4 5銹水田 4 1.9 6 15 9 7 2.6 83 8 9.3 11.341.3 3青礦毒田青非金屬礦毒 4 2.9 4 9 7 6.0 222.600.0 80.0 8冷浸田青泥田青夾泥田 30.4 1 4718.93 15 4.3 9 0.530.3 9青麻砂泥 3 8.74 6 8 8.2118.210.060.06青泥田 3 9.3 7 6 7 5 20.8 01718.335.9 15.60青砂泥 4 3.4 24 20 8 1.25940.133.233.4 9青鴨屎泥 3 5.9 23 3 6 9.4 8 9 7.8 60.3 40.28青紫泥 27.9 83 6 5 1.3 5 1 28.6 8 0.4 40.30淺紅黃泥淺紅黃泥 3 9.5 4 8 4 4 8.8 4 21 7.5 10.7 50.7 0鐵子紅黃泥 4 7.1 26 16 8.8 4 1 40.6 9 0.4 80.5 1五花紅黃泥 5 9.8 7 3 7 0.9 66.210.0 20.03淺黃泥 淺黃泥 4 3.83 27 5 4 5.3 46 20.6 5 2.142.29淺黃砂泥 4 9.3 8 2225 7.7 54 56.9 5 1.5 71.8 5淺黃砂泥淺灰泥田淺麻砂泥淺麻砂泥石子紅砂泥淺灰泥4 2.1 3 5 8.6 5 5 7.4 3 2011.3 6 1 260.8 9 3 4 25.6 24 7.30 21.4 15 8.7 7 0.160.0 7 0.200.1 7 0.100.28淺酸紫泥淺酸紫砂泥 3 7.7 1 4 6 7 6.4 9 116.3 30.400.3 9淺巖渣田淺巖渣田 50.9 5 1 256 7.4 925 2.7 8 0.8 71.0 4白夾泥 3 9.6 4 274 2.3 3 6 3.6 20.220.23白鱔泥 4 4.4 6 103 28.29228.6 50.7 90.8 6白鱔泥扁砂泥田青隔白鱔泥黃扁砂泥青扁砂泥青隔黃扁砂泥4 5.11 4 7.60 4 1.5 4 4 6.9 9 1 210.7 9 5 228 4.60 28 5 7 9.7 0 7 8 4.8 83 1.8 11 106.7 16 8 6.9 116.9 10.11 3.8 1 2.3 60.060.10 4.3 4 2.3 7 0.0 7河潮泥河砂泥河砂田40.3 1 40.8 24 5.21 27 25 9.4030 7 03.9 21001 8.8 26 7 3.4 3 7 5 1.3 8 223.9 7 2.3 22.5 9 0.7 7 2.26 2.5 50.83河砂泥 青隔河砂泥石底河砂泥3 7.9 1 4 3.6 8 2603.3 4 7 15 2.1 4 6 7.9 9 1 7 2.200.230.5 9 0.220.5 9

土屬 土種有機碳密度（t/hm2）有機碳儲量（t）面積（hm2）土壤面積比重（%）土壤面積比重（%）紅黃泥紅黃泥 3 1.8 27 1 4 1 7.1 32156.6 6 7.4 25.9 3青隔紅黃泥 3 2.4 3 7 0 9 9.4 5 23 2.4 10.8 00.5 9熟紅黃泥 3 9.3 3 40 9 9.6 6 10 5.150.3 60.3 4黃泥田黑黃泥田 3 9.1 9 5 4 8 4 2.9 41 3 9 8.0 74.8 14.5 5黃夾泥 4 5.83 2001 8.9 34 50.4 21.5 51.6 6黃泥田 4 1.7 925 40 9 1.9 9 6152.75 21.1 7 21.0 9青隔黃泥 3 8.1 9 1 4 1 7 2.8 7365.951.261.1 8顯煤泥 28.0 83 56.501 2.300.0 40.03黃砂泥紅砂泥 3 4.3 3 6 406 8.301 8 6 9.0 4 6.4 35.3 2黃砂泥 40.5 7 26 29 2.1 36 5 8.6 3 2.272.1 8鹽砂泥 3 4.3 5 4782.651 3 3.7 10.4 60.40灰泥田灰泥田 4 2.6 8 4 4 21.3 5 110.7 8 0.3 80.3 7青隔灰泥田 4 7.5 9115.282.3 60.010.01鴨屎泥田 3 5.6 5 274 9.50 7 6.6 40.260.23麻砂泥白砂泥 4 3.9 9 23 8 4.25 5 2.8 10.1 80.20黃麻砂泥 4 7.8 7 16 4 5 4.8 53 3 9.211.1 71.3 7麻砂泥 60.3 150474.30 83 1.6 5 2.8 64.1 9青隔麻砂泥 4 4.3 7 1 9 8 6.7 1 4 5.7 7 0.160.16紅紫泥 30.5 51 7 2.7 85.8 40.0 20.01酸紫泥 青隔酸紫泥 39.2010 4 8.2225.100.0 90.0 9巖渣田 巖渣田 4 6.1 8 1 3 15 4.9 328 4.600.9 81.0 9青隔中性紫泥田 3 6.9 21 29 9.9 83 4.100.1 20.11中性紫泥田中性紫砂泥 4 4.6 6 4 1 7 3.0 9 9 2.1 20.3 20.3 5中性紫砂田 3 6.9 9 24 5 2.6 4 6 1.4 30.210.20耕型酸性紫色土耕型酸性紫砂土酸紫砂土 40.6 326 5.1 46.5 40.0 20.0 2酸紫砂土 3 9.033 1 4.4 68.150.030.03根據(jù)各土壤類型面積，加權(quán)平均得出洪江市耕地表層土

4 結(jié)論

依托ArcGIS空間分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，以土地利用現(xiàn)狀圖和土壤普查圖為基礎(chǔ)圖件，通過大量采集和農(nóng)化分析土壤樣品，采用土壤類型法估算湖南省洪江市耕地表層（0～20cm）的有機碳儲量和密度。

洪江市耕地表層土壤中，有機碳密度變幅37.70～48.39t/hm2，其面積加權(quán)平均值為41.50t/hm2，總儲量為1204680.21t。其中，紅壤、黃壤有機碳密度超過了45t/hm2，其他土壤有機碳密度集中在37～42t/hm2。

洪江市耕地土壤的主要土壤類型是水稻土，水稻土的有機碳密度在5類土壤中居中，但分布面積占總耕地面積的94.46%，有機碳儲量占總儲量的93.70%。洪江市耕地土壤有機碳主要存在于水稻土中，其他4種土類的有機碳含量很少。

洪江市耕地表層土壤碳密度空間分布從宏觀上看有較大的變異性，東南地區(qū)有機碳密度較高，西部中部及流域地區(qū)有機碳密度較低。從土地利用和人類活動情況可知，東南地區(qū)主要為林地，而西部與中部流域地區(qū)是農(nóng)牧發(fā)達地區(qū)人口集中，同時受到河流沖刷，也是土壤侵蝕嚴重區(qū)。因此，西部地區(qū)人類活動影響較大，土壤有機碳密度較低。通過本研究，估算了洪江市土壤有機碳密度和儲量，為洪江市測土配方施肥方案實施和耕地質(zhì)量保護提供了參考和借鑒。

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