森林土壤/植被碳儲量及其空間分布特征綜述

唐曉紅，謝 鋮，黃飛鴻，繆 蕓，吳佳聲，蔣智杰

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川成都 611830)

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森林土壤/植被碳儲量及其空間分布特征綜述

唐曉紅，謝 鋮，黃飛鴻，繆 蕓，吳佳聲，蔣智杰

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川成都 611830)

土壤/植被碳儲量及其空間分布在全球氣候變化中起著重要作用。介紹了碳儲量估算方法主要有土壤類型法、生命地帶類型法、模型法等，指出由于研究尺度和數(shù)據(jù)來源不同，森林土壤/植被的碳密度和碳儲量統(tǒng)計結(jié)果尚存在很大的不確定性。進(jìn)而分析和比較了區(qū)域、國家和全球尺度森林土壤/植被碳儲量及其空間分布特征，最后提出采用實時動態(tài)監(jiān)測(RS/GIS)與長期定位實驗實測數(shù)據(jù)相結(jié)合方法估算土壤/植被的碳密度/碳儲量是提高森林土壤/植被碳儲量估算精度的重要措施。

森林土壤/植被；碳儲量；空間分布；估算方法

人類活動已對碳在地球各圈層特別是大氣圈與土壤圈之間的平衡機(jī)制產(chǎn)生相當(dāng)顯著的影響，大氣CO2濃度持續(xù)增高已為公認(rèn)的事實[1]。土壤有機(jī)碳作為全球碳庫的一部分，對全球碳循環(huán)、碳儲量分布有著巨大的影響[2-11]。土壤碳庫極微小的變化都將導(dǎo)致大氣圈以及土壤圈碳儲量和碳濃度產(chǎn)生較大變化[2]。大尺度變化往往是由許多小尺度變化導(dǎo)致的，作為有機(jī)碳重要組成部分的森林土壤/植被有機(jī)碳即使發(fā)生微小變化也會導(dǎo)致CO2濃度增長，從而影響全球氣候變化[3]。因而，森林土壤/植被有機(jī)碳儲量及空間分布成為陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳循環(huán)研究的熱點。國內(nèi)外學(xué)者主要就森林土壤/植被碳密度大小[12-21]、碳儲量累積效應(yīng)[17-27]及其估算方法[6-11，28-30]、分布特征[23-27]等方面開展了深入研究并取得了顯著成效。筆者擬從區(qū)域、國家和全球尺度分析和比較森林土壤/植被碳儲量的估算方法、碳密度和碳儲量估算結(jié)果及其空間分布特征，以期為全球氣候變化研究中了解森林植被/土壤碳循環(huán)過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　森林土壤/植被碳儲量估算方法

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)運行的物質(zhì)基礎(chǔ)，森林生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡變化會導(dǎo)致大氣中CO2的變化[4]。以實測數(shù)據(jù)來定量研究森林土壤/植被的碳儲量和碳平衡對于全面了解全球各個圈層的碳平衡具有一定的參考價值。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫主要指森林土壤中1 m以上表層土壤的有機(jī)碳，其碳含量是植被碳含量的2～3倍，是全球大氣碳庫(750×109t)的2倍多[5]。土壤碳儲量估算方法中以土壤類型法、生命地帶類型法和模型方法為主(表1)。另外，由于GIS(Geographic Information System)技術(shù)具有強(qiáng)大的空間分析能力，在地理學(xué)、土壤學(xué)、森林生態(tài)學(xué)等方面得到了廣泛應(yīng)用，利用GIS中地統(tǒng)計分析功能對土壤碳儲量和空間分布狀況進(jìn)行建模，可以很好地估算出土壤碳儲量。

土壤深受氣候、植被和生物等因素的影響，具有一定的空間變異性，加之不同研究者研究利用的資料數(shù)據(jù)、側(cè)重點不同，因而全球土壤圈層碳儲量的估算存在極大的差異性和不確定性[6-8]。

2　區(qū)域森林土壤/植被碳密度和碳儲量

土壤碳密度指單位面積一定深度的土層中土壤碳儲量，單位一般用t/hm2或kg/m2，由于它以土體體積為基礎(chǔ)作計算，排除了面積和土壤深度的影響，因此土壤碳密度已成為評價和衡量土壤中碳儲量的一個重要指標(biāo)。森林土壤/植被碳密度的估算同碳儲量的估算方法差異不大，但因其研究方法、研究尺度以及不同地域影響森林土壤/植被的因子不同也會導(dǎo)致最終估算的結(jié)果存在極大的差異性。我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量為21.0×109t[30]，而利用面積加權(quán)估算我國森林土壤平均碳密度為8.14 t/hm2，土壤碳儲量為10.5×109t，約占中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的66%[31]。我國熱帶、亞熱帶地區(qū)不同植被類型碳儲量差異較大：針葉林100 cm厚土層內(nèi)東部儲量為1.93×109t，西部為4.18×109t，在20 cm厚土層內(nèi)東部儲量為0.72×109t，西部為1.72×109t；闊葉林100 cm厚土層?xùn)|部儲量為1.06×109t，西部為3.58×109t，20 cm厚土層內(nèi)東部儲量為0.44×109t，西部為1.46×109t；灌叢和萌生矮林100 cm厚土層內(nèi)東部儲量為4.62×109t，西部為7.94×109t，20 cm厚土層內(nèi)東部儲量為1.74×109t，西部為2.87×109t；草原和稀樹灌木草原100 cm厚土層內(nèi)東部儲量為0.05×109t，西部為0.37×109t，20 cm厚土層內(nèi)東部儲量為0.02×109t，西部為0.16×109t[21]。

表1　土壤碳儲量估算方法

小尺度區(qū)域的研究是區(qū)域研究的重要內(nèi)容。四川森林是西南林區(qū)的主體，地處“世界第三極”——青藏高原東緣，是全球氣候變化的敏感響應(yīng)區(qū)[13]。黃從德等[12]利用森林土壤實測數(shù)據(jù)與GIS相結(jié)合估算四川森林土壤碳儲量為(2 394.26±514.15)×106t，平均碳密度為190.45 t/hm2。不同森林類型土壤碳密度差異較大，介于(102.69±21.09)～(264.41±49.24)t/hm2，其有機(jī)碳含量、碳密度和碳儲量都隨土層深度的增加而降低。四川省氣候濕潤，人口密度大，在低海拔區(qū)域，大型植被和森林資源分布較少，加之農(nóng)業(yè)活動范圍不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致原有植被被破壞，繼而引起土壤中微生物群落被破壞，使植被枯落物分解效率明顯降低，土壤中的碳相對減少；而在四川高海拔地區(qū)，如甘孜州、阿壩州和涼山州，森林資源分布均勻，且氣候濕潤，光照強(qiáng)度大，晝夜溫差大，土壤中微生物的活性較低，使得土壤中的有機(jī)物分解緩慢，微生物呼吸作用排放的碳減少，土壤中的碳儲量相對較高。四川森林土壤碳密度的空間分布表現(xiàn)出明顯的“三向地帶性”，即經(jīng)向地帶性、緯向地帶性和垂直地帶性，總體上均隨著緯度和海拔的增加而增加，隨著經(jīng)度的增加而減小[12]。魏亞偉等[14]研究了東北林區(qū)5 種主要森林類型(針葉混交林、針闊混交林、闊葉混交林、落葉松林和白樺林)4個林齡(幼齡林、中齡林、近熟林和過熟林)的土壤碳密度，結(jié)果表明東北林區(qū)不同森林類型的土壤碳密度均以表層土壤最高，隨土壤深度的增加逐漸減少，而隨森林類型和林齡的變化并不顯著；其中大興安嶺、小興安嶺和長白山森林0～20 cm厚土壤分別貯存了其剖面總碳密度的84.7%～86.1%、51.7%～59.8%和51.2%～53.4%；隨緯度的增加，森林土壤總碳密度明顯下降，可能與東北林區(qū)土壤發(fā)生層的厚度密切相關(guān)。

3　中國森林土壤/植被碳密度及碳儲量

我國學(xué)者對土壤有機(jī)碳的研究主要是利用全國土壤普查得到的大量土壤屬性數(shù)據(jù)來進(jìn)行。方精云等[16]根據(jù)1∶1 000萬《中華人民共和國土壤圖》粗略估算得到1 m厚土層的碳密度為190.5 t/hm2。王紹強(qiáng)等[17]根據(jù)第1次土壤普查得到的土壤各類型分布面積、采樣數(shù)據(jù)、土壤有機(jī)質(zhì)含量，運用GIS技術(shù)估算出1 m厚土層的碳密度為108.3 t/hm2。潘根興[18]根據(jù)《中國土種志》(1～6冊)的基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到中國土壤1 m厚土層的碳密度(剖面計算值)為54.6 t/hm2。金峰等[7]根據(jù)1∶400萬《中華人民共和國土壤圖》估算出1 m厚土層的碳密度為123.9 t/hm2。李克讓等[19]應(yīng)用植被、土壤和大氣碳交換(CEVSA)模型，根據(jù)0.5°經(jīng)緯網(wǎng)格的氣候、土壤和植被數(shù)據(jù)，得到1 m厚土層的碳密度為91.7 t/hm2。解憲麗等[20]基于我國1∶400萬土壤圖和全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)，運用GIS技術(shù)得到1 m厚土層的碳密度為91.4 t/hm2。于東升等[21]基于1∶100萬《中華人民共和國土壤圖》估算我國1 m厚土層的碳密度為96.0 t/hm2。李啟權(quán)等[22]基于1∶100萬的《中華人民共和國土壤圖》和第2次土壤普查數(shù)據(jù)得到1 m厚土層的碳密度為17.07 t/hm2。利用1∶400萬土壤圖得到的碳密度為54.6～190.5 t/hm2，由1∶100萬土壤圖計算得出的碳密度差異明顯?？梢姴捎貌煌壤哂嬎愠龅? m厚土層范圍內(nèi)碳密度差異很大；同種比例尺下，樣本數(shù)量不同、計算方法不同得到的碳密度差異也很大；周玉榮等[30]對我國森林土壤有機(jī)碳的研究中得出平均碳密度是193.6 t/hm2，比較前人研究得出的我國森林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度是258.8 t/hm2，差異性十分明顯。不同研究者所采用的資料、計算方法及其側(cè)重點不同，使得我國土壤碳密度估算結(jié)果尚存在很大的不確定性(表2)。

結(jié)合我國1∶400萬土壤圖和全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)，對我國土壤碳密度及碳儲量做出估算，分析得出土壤碳密度具有高度的空間變異性，土壤碳密度較低的地區(qū)是準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地與河西走廊、柴達(dá)木盆地等沙漠化地區(qū)，其次是黃土高原；昆侖山地、藏北高原；華北地區(qū)和華中地區(qū)的土壤碳密度變化幅度較大，但華北地區(qū)明顯小于華中地區(qū)，華南地區(qū)的土壤碳密度分布較大而且較均勻；土壤碳密度較高的地區(qū)是東北地區(qū)和青藏高原區(qū)的藏東川西區(qū)[20]。研究表明，我國森林土壤碳密度總體表現(xiàn)為東部高于西部，中國東南和西南部亞熱帶和熱帶森林分布地區(qū)的植被碳密度較高，而東北地區(qū)和青藏高原東南緣土壤碳密度較高[19]。土壤有機(jī)碳分布和森林土壤有機(jī)碳分布具有一定的一致性，即東北地區(qū)和青藏高原區(qū)土壤碳密度較高。

表2　我國土壤碳密度估算結(jié)果

4　全球土壤/植被碳儲量及其分布

森林在全球碳平衡中起著重要的作用，全球森林土壤碳儲量為402×109～787×109t，占全球陸地土壤中碳儲量的25%～50%。研究者對土壤有機(jī)碳的估算大多是采集少數(shù)幾個土壤剖面來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出的，美國研究者Bolin[23]根據(jù)9個土壤剖面的碳含量，推算出全球1 m厚土層范圍內(nèi)的土壤碳總儲量為710×109t。還有利用土壤分布圖及相關(guān)土層碳含量，估算出全球土壤碳總儲量為2 949×109t[24]。這2個估計值成為當(dāng)前對全球土壤碳庫估計的上下限[25]。為了獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)論，Bohn[26]利用土壤分布圖和187個土壤剖面碳密度值，重新估算全球土壤碳總儲量為2 200 ×109t。前人利用生命帶方法研究了全球各主要生命帶(Life Zone)的共計2 696個土壤剖面數(shù)據(jù)，利用土壤容重估計和土壤碳密度估計的2個回歸方程，分析出全球1 m厚土層范圍內(nèi)土壤碳總儲量為1 395×109t[27]。

隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，已有學(xué)者開始利用該項技術(shù)進(jìn)行土壤有機(jī)碳的相關(guān)運算分析。利用此技術(shù)，Schlesinger等[32]估算出全球1 m厚土層的土壤碳總儲量為1 500×109t ，Eswaran等[2]計算出全球1 m厚土層的土壤碳總儲量為1 576×109t。Batjes[9]根據(jù)土壤類型法估算全球1 m以內(nèi)土層的碳儲量，他利用世界土壤圖并將其按0.5經(jīng)度與0.5緯度劃分為259 200個基本網(wǎng)格單元，根據(jù)每個單元的土種分布、土層厚度、土壤容重、有機(jī)碳及礫石含量等數(shù)據(jù)計算出網(wǎng)格單元的平均碳密度，結(jié)果顯示全球1 m厚土層的碳儲量為(1 462～1 548)×109t。Jobbgy等[33]認(rèn)為在2～3 m厚土層中還儲存著約842×109t的碳。據(jù)估算，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳總儲量約為2 500×109t，是大氣碳庫(750×109t)的3倍，其中全球植被碳儲量約為500×109t，1 m厚土層碳儲量為2 000×109t[34-35]。

此外，有學(xué)者估算出全球森林土壤碳儲量在(925～2 775)×109t，其中熱帶雨林為82×109t，溫帶林為72×109t，北方林為135×109t，林地及灌木林為72×109t[36-37]。Houghton[38]估算出熱帶森林土壤碳儲量為187×109t，溫帶森林為117×109t，極地森林為241×109t，熱帶疏林及稀樹草原為88×109t，溫帶疏林草原為251×109t。從緯度高低的影響情況來看，高緯度地區(qū)的北方森林土壤碳儲量最大，在全球森林土壤總碳儲量中占60%，在中緯度的溫帶森林中約占37%，在低緯度熱帶森林中約占13%，即森林土壤碳儲量在森林總碳庫中所占的比重隨著緯度的降低而降低。森林土壤碳密度也呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，以高緯度的北方森林土壤最大，中緯度的溫帶森林土壤次之，低緯度的熱帶森林最小[38-39]。森林土壤/植被的碳儲量/碳密度在不同緯度呈現(xiàn)的規(guī)律同時還受到該地區(qū)的氣候條件、植被類型、植被枯落物的分解速率和吸收效率的影響。

5　結(jié)語

(1)目前國內(nèi)在森林土壤/植被的碳儲量/碳密度研究中，多數(shù)還是利用以往全國森林資源清查和土壤普查的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行樣品實測的研究較少，今后應(yīng)針對研究區(qū)的情況確定具有代表性的采樣點，進(jìn)行樣品采集處理分析，以得到更加可靠的結(jié)果。

(2)大尺度的植被類型圖或土壤類型圖仍然是當(dāng)下研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但它們并不能代表較小地域尺度的數(shù)值。

(3)由于土壤的空間變異性較大，加上土壤分布不均、氣候變化大、植被類型多樣等因素的影響，對森林土壤/植被有機(jī)碳的估算存在較大的差異和不確定性。因此，針對不同林分土壤有機(jī)碳儲量及其空間分布的研究是十分必要的。

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Review of Forest Soil/Vegetation Carbon Storage and its Spatial Distribution Characteristics

TANG Xiao-hong, XIE Cheng, HUANG Fei-hong et al

(College of Architecture and Urban Planning, Sichuan Agricultural University, Chengdu, Sichuan 611830)

Soil/Vegetation carbon storage and its spatial distribution characteristics play an important role in global climate change. Estimation methods of carbon storage mainly included soil type method, life zone type method, model method and so on. It was pointed out that the statistical results of carbon density and carbon storage in forest soil/vegetation still were great uncertainty due to the different research scales and data sources. Then, we analyzed and compared the regional, national and global scale forest soil/vegetation carbon and its spatial distribution characteristics. Finally, real-time dynamic monitoring (RS/GIS) combining with a long-term experiment measured data was used to estimate the carbon density/storage of soil/vegetation, which was an important measure to improve the estimation precision of forest soil/ vegetation carbon storage reserves.

Forest soil/vegetation; Carbon storage; Spatial distribution; Estimation method

四川省教育廳項目(09ZB049)。

唐曉紅(1974- )，女，四川安岳人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事水土保持與養(yǎng)分循環(huán)研究。

2016-05-06

S 718.5

A

0517-6611(2016)18-146-04