松嫩平原農田土壤有機碳變化及固碳潛力估算

姜藍齊, 臧淑英, 張麗娟, 孫 麗, 閻炳和

哈爾濱師范大學,黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室, 哈爾濱 150025

松嫩平原農田土壤有機碳變化及固碳潛力估算

姜藍齊, 臧淑英*, 張麗娟, 孫 麗, 閻炳和

哈爾濱師范大學,黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室, 哈爾濱 150025

基于1979—1985年全國第二次土壤普查和2015年實地采樣數據,利用土壤類型法計算了近35年來松嫩平原及其各縣農田表層土壤有機碳密度和土壤碳庫儲量；并分析了松嫩平原農田土壤有機碳密度的空間分布及變化特征；利用飽和值法對松嫩平原及其各縣市農田土壤有機碳量的變化趨勢進行擬合,估算其農田土壤的固碳潛力。結果表明：(1)2015年松嫩平原農田表層土壤有機碳密度平均值為1.61 kg/m2,近35年來約有81.59%的農田土壤有機碳密度呈下降趨勢,集中分布在松嫩平原北部、東部和東南部地區(qū),以富?？h東部、依安縣中部、肇東縣西部、扶余縣西部等地區(qū)土壤有機碳密度下降幅度最大；(2)2015年松嫩平原農田表層土壤有機碳庫總儲量為233.63 Tg,比全國第二次土壤普查減少了32.62 Tg；(3)2015年松嫩平原農田表層土壤總固碳潛力為 -32.7 TgC,呈現出“碳源”趨勢,農田土壤單位面積固碳潛力平均值為 -1.793×10-3Tg/km2。

農田土壤有機碳；固碳潛力；松嫩平原

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉時間最慢的碳庫,而土壤有機碳庫是陸地碳庫的主要組成部分,據估算,全球約有1500 GtC以有機質形態(tài)存在于地球表層土壤中,土壤有機碳庫約為大氣碳庫的兩倍,在全球碳循環(huán)中起著重要作用[1- 3]。土壤碳庫儲量的增加(減少)可以減緩(加速)由于人類活動導致的大氣中CO2濃度的升高[4],其微小變化都會顯著影響碳匯和碳源的大小和分布[5- 7],因此,利用土壤固碳是減緩全球氣候變暖的一個重要途徑,而農田生態(tài)系統(tǒng)作為全球碳庫中最為活躍的部分,在人類耕種、施肥、灌溉等活動下,農田土壤碳庫的質和量都在迅速發(fā)生變化,這種變化不僅改變了土壤肥力及作物產量,更因其具有大氣碳源和碳庫的雙重潛力,給區(qū)域及全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境和氣候變化帶來影響[8- 10]。IPCC第四次評估報告指出,全球農業(yè)減排的自然總潛力每年高達7300(-1100—16900)GtCO2-eq,其中93%來自土壤中CO2釋放的減少,可見農業(yè)發(fā)展對于氣候變化的貢獻主要來自于土壤有機碳的固定對溫室氣體減排的能力[9,10]；此外,《京都協(xié)議書》中還提出,可以通過增加生態(tài)系統(tǒng)碳庫來補償經濟發(fā)展中的碳排放,而在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中,農業(yè)土壤碳庫是唯一在短時間范圍內可受人類活動干擾和調節(jié)的碳庫,因此農業(yè)發(fā)展提供了一個減少人類向大氣排放碳的潛在機制[11],對于溫室氣體的減排起著重要作用[12]。綜上,農田土壤有機碳平衡、變化規(guī)律和調控措施的研究成為繼森林、濕地、極地生態(tài)系統(tǒng)與土壤碳匯效應研究后,應對全球氣候變化研究的熱點領域[13- 17]。

中國作為全球重要農業(yè)大國之一,其農田土壤對全球大氣CO2濃度的影響正引起人們的廣泛關注[8],而土壤碳庫估算的結果仍存在較大差異[18- 20],豐富和規(guī)范區(qū)域尺度的土壤碳庫儲量無疑是提高全國碳庫估算結果精度的有效途徑之一[15]。松嫩平原位于世界三大黑土區(qū)之一的中國東北地區(qū),農業(yè)土壤資源特色鮮明,具有有機質含量高、土壤肥沃的特點,是我國重要的農業(yè)產區(qū),同時也是近百年來我國受人類活動干擾最為顯著,農田面積擴張最大,農業(yè)發(fā)展最為迅速的地區(qū)之一,因此具有十分顯著的研究意義。松嫩平原農田土壤有機碳儲量平衡及變化的研究,對揭示區(qū)域尺度農田土壤碳源匯的特征、理解人類活動干預下減緩溫室效應、提高土壤質量和糧食安全方面提供參考依據[21]。

已有研究指出,中國東北地區(qū)農田土壤碳儲量呈下降趨勢[21- 26],以黑龍江省和遼寧省下降明顯[27,28],吉林省變化不大[29]；李忠佩[24]指出松嫩平原黑土有機碳庫處于虧缺狀態(tài),土壤有機碳含量將繼續(xù)下降,而楊學明等[29]通過對松嫩平原東南部地區(qū)(長春、榆樹、德惠、九臺、雙陽和公主嶺)的研究發(fā)現大多數黑土有機碳含量在現有生產水平已經達到相當穩(wěn)定的平衡,或開始回升；張春華等[30]和任春穎等[31]基于吉林省第二次全國土壤普查數據和2003—2006年實測數據分別分析了松嫩平原南部地區(qū)農田表層土壤有機碳儲量和固碳潛力,結果表明1980—2005年間該區(qū)域農田土壤有機碳密度和儲量呈增加趨勢,固碳潛力為8.17 TgC,呈現出“碳匯”趨勢；而劉國棟等[32]估算了松嫩平原中西部地區(qū)1980—2005年耕層土壤固碳潛力,結果表明研究區(qū)內固碳潛力為-0.917 TgC,為“碳源”區(qū)。綜上可以看出,中國東北地區(qū)農田土壤有機碳庫量整體處于虧缺狀態(tài),但在區(qū)域水平上農田土壤有機碳庫的循環(huán)和平衡狀況有明顯差異。已有的松嫩平原分區(qū)評估結果[30- 32]僅以4—5個區(qū)縣為研究區(qū)域進行評估,各研究區(qū)域(松嫩平原南部和西部)采用的數據來源又有差異,如劉國棟等[32]采用多目標區(qū)域地球化學調查成果作為近期研究數據,而張春華等[30]以2003—2006年實測數據為近期數據進行研究,導致結果的可比性較低。并且,目前的研究結果多在十年前,近期成果未見更新,因此在廣泛性和時效性上仍有待提高?；诖吮狙芯坷?015年定點采樣數據和全國第二次土壤普查數據,估算近35年來松嫩平原及其各縣市農田表層土壤有機碳密度、有機碳儲量及變化,通過分析有機碳變化量與其初始值的相關性估算松嫩平原及各縣市農田土壤的固碳潛力,試圖提高和統(tǒng)一松嫩平原分區(qū)土壤有機碳庫儲量數據結果和精度,為補充和完善中國土壤有機碳庫儲量提供基礎研究數據,并期望為研究人類活動干預下的土壤碳循環(huán)對氣候變化的影響研究提供典型案例。

1 研究區(qū)概況

松嫩平原由松花江和嫩江沖積而成,位于黑龍江省西南部和吉林省西北部,與三江平原、遼河平原并稱為東北三大平原。松嫩平原處于中緯度地區(qū)(42°30′ N — 51°20′ N,121°40′ E — 128°30′ E),主要氣候類型為溫帶大陸性半濕潤、半干旱季風氣候,受冬夏季風的交替影響,四季氣候分明,雨熱同期,冬季寒冷干燥,夏季溫暖多雨。全年平均氣溫呈自北向南逐漸增高趨勢,等值線近緯向分布。松嫩平原地勢平緩,土質肥沃,土壤類型包括草甸土、黑鈣土、黑土、暗棕壤、沼澤土、鹽土、堿土、風砂土、栗鈣土及水稻土等。自然環(huán)境氣候條件適宜農業(yè)生產,主要為種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。農作物以玉米、大豆為主,少量種植水稻、高粱等,為一年一季作物。

2 數據來源

2.1 土壤樣品采集及指標測定

本研究采用的2015年土壤性質實測數據來自野外數據采集,研究中布點及采樣方法遵循全國耕地地理調查與質量技術規(guī)程,為盡量避免施肥對樣品的影響,統(tǒng)一在犁地前取樣。采集過程為：以松嫩平原耕地區(qū)55個行政縣市為布點范圍(圖1),每個縣市設6—8個樣地,共計355個樣地,在每個選定樣地 1 m × 1 m 交叉點周圍清除土壤表層枯落物和腐殖質挖取1個表層土壤剖面,用GPS記錄下中心點經緯度坐標,并用土壤環(huán)刀(10 cm)取樣,用于土壤容重的測定；每個樣地按照距離行道樹10 m的原則,設定2 m × 2 m的樣方,確定3個采樣點,取表層(0—10 cm)土樣,約取500 g土樣裝入樣品袋,采回的土樣混均后經自然風干、研磨、過篩后供分析測定。土壤容重采用環(huán)刀法[33],土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化―外加熱法[34]。本研究均采用0—10 cm表層土樣數據。

圖1 松嫩平原2015年農田土壤采樣點分布圖 Fig.1 Distribution maps of agricultural soil sampling sites in Songnen Plain in 2015

2.2 土壤普查數據

松嫩平原第二次全國土壤普查數據資料由中國科學院南京土壤研究所提供,該數據利用中國1∶100萬土壤空間(94000個圖斑)和屬性(7292個土壤剖面)一體化數據庫[35],分別生成不同層次的土壤屬性空間分布數據,包括土壤層次為0—10、10—20、20—30、30—70、70 cm到自然采樣剖面深度的土壤粒徑、土壤容重、土壤有機質(SOM)含量等空間數據。全國第二次土壤普查時間為1979—1985年,本研究中統(tǒng)一界定為1980年。

2.3 土壤類型圖

土壤類型數據來源于聯合國糧農組織(FAO)和維也納國際應用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構建的世界和諧土壤數據庫(Harmonized World Soil Database,HWSD)[36],分辨率為1 km。中國境內數據源為第二次全國土地調查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數據,采用的土壤分類系統(tǒng)主要為FAO- 90[37]。松嫩平原區(qū)域內土壤分布面積為211592.22 km2,共包括15個土類,35個土壤亞類(圖2)。本研究涉及采樣點856個,覆蓋11種土類,占松嫩平原土壤面積的99.7%。

圖2 松嫩平原土壤類型圖Fig.2 Map of soil types in Songnen Plain

2.4 土地利用類型圖

本研究選取1980年和2015年兩期土地利用數據作為時間起止點,與土壤理化性質獲取時間保持一致。土地利用數據信息源為Landsat-TM/ETM+影像,下載自USGS GLOBAL VISUALIZATION VIEWER(http://glovis.usgs.gov/),空間分辨率為30 m。對遙感影像進行預處理、幾何校正、圖像拼接、裁剪等工作,參照《土地利用現狀調查技術規(guī)程》[38]和《中國資源環(huán)境遙感宏觀調查與動態(tài)研究》[39],將研究區(qū)土地利用類型分為農田、林地、草地、濕地、城市用地和未利用地六大類,建立土地利用數據庫,如圖3所示。

3 數據處理與方法

3.1 土壤有機碳密度計算

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的質量,是表征土壤質量及陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化貢獻大小和衡量土壤中有機碳儲量的重要的指標[40,41]。一般認為,有機碳密度是由有機碳含量、礫石(粒徑>2 mm)含量和容重共同決定的,有研究認為中國農業(yè)土壤經過長期人為的耕作熟化,耕層中粒徑大于2 mm的礫石含量可能不大[42],而松嫩平原為平原區(qū)域,大于2 mm的礫石含量可以忽略不計[30]。土壤剖面內土層的每平方米面積內土壤有機碳密度計算公式為:

Cd= 0.58 ×H×B× SOM × 0.1

(1)

式中,Cd為土壤有機碳密度(kg/m2)；0.58為Bemmelen 換算系數,碳含量由該系數乘以有機質含量求得；SOM為有機碳含量(g/kg)；B為土壤容重(g/cm3)；H為土層厚度(cm)。

3.2 土壤有機碳儲量估算

土壤有機碳儲量是表征土壤固碳潛力的評價指標,目前國內外有關土壤有機碳儲量的研究通常采用生命帶類型法、森林類型法、植被類型法、氣候參數法、碳模擬法和土壤類型法等[17,31,43]。本文采用土壤類型法估算松嫩平原表層土壤有機碳儲量,計算公式為：

(2)

式中,Cs為土壤有機碳儲量(g)；Si為第i種土壤亞類的面積(km2)；n為土壤亞類數；Cdi為第i種土壤亞類的有機碳密度(g/m2)。

圖3 1980、2015年松嫩平原土地利用空間分布圖Fig.3 Spatial distribution maps of land use in Songnen Plain in 1980 and 2015

3.3 農田土壤固碳潛力估算

本文采用飽和值法[44]估算松嫩平原農田表層土壤固碳潛力,飽和f田面積擴張和有機碳儲量法是將土壤類型中有機碳變化為零時的有機碳含量水平與每個實測值含量之差視為該點土壤有機碳的增加潛力[45]。計算公式為：

SOCp= SOCs- SOCo

(3)

式中,SOCp為土壤固碳潛力,SOCs為土壤飽和固碳量,SOCo為1980年土壤有機碳儲量。其中,土壤飽和固碳量(SOCs)取決于土壤碳庫的飽和水平,土壤碳庫的飽和水平指在一定的氣候、地形和母質條件下,如果土地利用方式不變,土壤的碳儲量將趨于的穩(wěn)定值[31,46-50]。飽和水平的確定一般采用2種方法,一種是將碳循環(huán)模型運行若干年后,將土壤碳含量趨于穩(wěn)定時的值視為飽和水平；另一種是找到土壤碳變化量為0時的土壤有機質含量,以此作為土壤碳庫的飽和水平。本文采用第二種方法確定松嫩平原農田表層土壤有機碳飽和水平[49-51]。

3.4 數據統(tǒng)計與空間分析

本文運用ArcGIS 10.2軟件對數據進行空間處理與分析,包括農田表層土壤有機碳密度空間疊加、掩膜提取、面積統(tǒng)計、制圖等；運用SPSS 20.0 軟件對采樣點土壤有機碳密度和面積、氣象要素等因子進行相關分析、方差分析。

4 結果與分析

4.1 農田土壤有機碳密度及分布特征

表1為1980年和2015年松嫩平原各土壤類型有機碳密度,可以看出,1980—2015年松嫩平原平均土壤有機碳密度整體呈下降趨勢,減少了0.19 kg/m2。1980年松嫩平原土壤有機碳密度范圍在1.06—2.44 kg/m2,變異系數為0.27；2015年在1.34—1.95 kg/m2,變異系數為0.12,表明2015年松嫩平原各土壤類型有機碳密度相對于1980年差異變小,各土壤類型性質趨于穩(wěn)定。1980年和2015年松嫩平原不同土壤類型有機碳密度有所差異,總體均以黑土和黑鈣土有機碳密度為大,這主要是因為黑土和黑鈣土成土環(huán)境決定,黑土分布在四季分明的寒溫帶,由于植被茂盛,冬季寒冷,大量枯枝落葉難以腐化、分解而逐漸形成了厚厚的腐殖質,有機質含量遠高于其他土壤類型。1980—2015年間,除紅砂土、堿土和沖積土外,其余各土壤類型有機碳密度均呈下降趨勢,這可能由于多年耕種和土壤侵蝕,使得土層逐漸變薄,土壤養(yǎng)分減少、肥力下降,其中鹽土有機碳密度下降幅度最大,下降了31.63%,其次為淋溶土、黑鈣土、人為土和黑土,依次下降了27.01%、26.34%、23.53%和21.72%；而紅砂土、堿土和沖積土有機碳密度分別增加了39.64%、58.49%和19.64%。

表1 1980年、2015年松嫩平原不同土壤類型有機碳密度/(kg/m2)

圖4(a)(b)分別為1980年、2015年松嫩平原農田表層土壤有機碳密度空間分布圖,可以看出,松嫩平原農田表層土壤有機碳密度空間上整體呈由東北向西南降低趨勢,這與本研究有機碳密度基于土壤類型法計算有關,土壤有機碳密度的分布也具有地帶性分布特征。1980年農田表層土壤有機碳密度分布在1.70—3.68 kg/m2范圍內比例最大,占松嫩平原農田土壤總面積的72.71%,集中分布在松嫩平原中部及偏西部地區(qū)；其次為有機碳密度小于0.78 kg/m2范圍,占17.04%,集中分布在松嫩平原西南部地區(qū)。而2015年土壤有機碳密度分布在1.19—1.7 kg/m2范圍內比例最大,占39.01%,主要分布在松嫩平原北部和東部地區(qū)；其次為有機碳密度小于0.78 kg/m2和0.78—1.19 kg/m范圍,分別占19.36%和19.42%,集中分布在松嫩平原中南部、西部地區(qū)。

圖4(c)為1980—2015年松嫩平原農田表層土壤有機碳密度絕對變化量,可以看出,近35年來松嫩平原農田表層土壤有機碳密度減少區(qū)域集中分布在松嫩平原北部、東部和東南部地區(qū),約占2015年松嫩平原農田土壤的81.59%,這些地區(qū)主要土壤類型以黑土和黑鈣土為主,受到多年耕種的影響,腐殖質層變薄,土壤肥力下降程度較其他類型大,其中以富?？h東部、依安縣中部、肇東縣西部、扶余縣西部等地區(qū)土壤有機碳密度下降幅度最大；松嫩平原西南部和西北部小部分地區(qū)有機碳密度增加,約占2015年松嫩平原農田土壤的18.41%,以甘南縣東北部地區(qū)、訥河縣中部地區(qū)有機碳密度增加幅度最大。

圖4 1980和2015年松嫩平原農田土壤有機碳密度和絕對變化值Fig.4 Spatial distribution maps of agricultural topsoil organic carbon density and absolute change in 1980 and 2015

4.2 農田土壤有機碳儲量及變化

1980—2015年松嫩平原農田表層土壤有機碳儲量減少35.62 Tg,下降了12.25%(表2)。松嫩平原農田樣點覆蓋的11種土壤土類中,黑土、黑鈣土、淋溶土、人為土和鹽土農田表層有機碳儲量減少,其中鹽土有機碳儲量降低幅度最大,約為25.33%,淋溶土降低幅度最小,為7.03%；其余六種土地利用類型有機碳儲量增加,與表層土壤有機碳密度變化趨勢基本一致(除潛育土、始成土和栗鈣土)。

表2 1980—2015年松嫩平原農田表層不同土壤類型面積百分比及有機碳儲量

表3為松嫩平原各縣市農田表層土壤有機碳儲量,可以看出,1980—2015年除北安、杜爾伯特、前郭爾羅斯、泰來、通榆、五大連池和鎮(zhèn)賚7個縣市外,其余各縣市有機碳儲量均呈下降趨勢。松嫩平原有機碳儲量增加的各縣市中,以通榆縣有機碳儲量增加最大,增加了2.07 TgC；其次為五大連池,增加了1.21 TgC；杜爾伯特、北安、前郭爾羅斯、鎮(zhèn)賚和泰來依次增加了0.87、0.82、0.44、0.38、0.35 TgC。這些縣農田土壤有機碳儲量增加可能由1980—2015年農田面積擴張較大引起,近35年來松嫩平原約75%的縣市農田面積增加,其中以通榆縣、五大連池、杜爾伯特、北安市、鎮(zhèn)賚縣和泰來縣農田面積增加幅度最大,依次增加了59.21%、55.74%、46.15%、44.91%、41.38%和27.27%；為驗證農田面積擴張和有機碳儲量的關系,本研究運用SPSS 20.0對1980—2015年松嫩平原各縣市農田變化面積和農田土壤有機碳儲量變化量做相關分析,結果表明這兩組變量在0.01水平上顯著相關,相關系數為0.895,說明農田面積的變化與農田有機碳儲量的變化顯著相關,即在一定程度上,農田面積的擴張(減少)會導致農田土壤有機碳儲量的增加(減少)。

松嫩平原農田土壤有機碳下降的縣市中,以榆樹、農安、長春、公主嶺、肇東等有機碳儲量減少最多,依次減少1.93、1.71、1.68、1.57、1.54 TgC,在有機碳儲量下降的44個縣市中,有31個縣的農田面積呈增加趨勢,增加幅度在1.21%—25.21%范圍內,說明農田面積的變化雖然與有機碳儲量的變化有顯著相關性,但要使農田面積的變化對有機碳儲量產生影響,需要達到一定的變化量,而此時影響土壤有機碳儲量的因素主要為土壤有機碳密度的變化。

4.3 農田土壤固碳潛力估算

4.3.1 農田土壤碳庫飽和狀態(tài)

本文以1980年松嫩平原農田土壤有機碳密度作為初始數據,根據1980年和2015年兩期農田土壤樣點有機碳變化量,建立二者的擬合關系曲線(圖5)。在此曲線上,土壤碳密度變化量為0時所對應的土壤碳密度即為松嫩平原農田土壤碳庫的飽和水平,即農田土壤在當前氣候、土地利用方式、管理措施下所能達到的飽和碳密度值。

表3 1980—2015年松嫩平原分縣農田土壤有機碳儲量/Tg

圖5 松嫩平原農田土壤有機碳密度變化量與有機碳密度的關系Fig.5 Relationship between the changes in soil organic carbon density and its value in 1980

圖5坐標系中,每一個樣本點的橫坐標可以反映松嫩平原相應樣點35年前土壤有機碳密度值的水平,而每一個樣本點縱坐標可以反映其30年后土壤有機碳密度變化的大小,直觀反映了松嫩平原各樣本點1980年土壤有機碳密度值與1980—2015年土壤有機碳密度變化值之間的關系。由圖中的線性分析結果可知,當土壤有機碳密度變化為0時,對應的飽和狀態(tài)值為1.52 kg/m2,如果某樣點土壤有機碳密度初始值低于該值,則表明在當前農業(yè)管理措施下土壤有機碳含量具有增加的潛力；反之,則有減少的趨勢,在這種情況下,就應該采取措施進行調控以減少土壤有機碳的排放。

由圖5可知,松嫩平原農田土壤經過35年的耕種后,在土壤有機碳密度較低的情況下,土壤碳含量增加幅度較大；隨著土壤有機碳密度的增加,土壤有機碳含量增加幅度逐漸變小,當土壤有機碳密度達到飽和值1.52 kg/m2后,隨著土壤有機碳密度的增加,土壤有機碳損失量越大。

表4為松嫩平原分縣農田土壤碳庫飽和水平值,可在各縣市農業(yè)發(fā)展中為土地利用方式、耕作措施的調整提供依據。由表4可以看出,在松嫩平原各縣市中農田土壤有機碳密度初始值與其變化量的線性關系中,極顯著相關的包括九臺、扶余、肇源等14個縣市；呈顯著相關的包括肇東、依安、巴彥、公主嶺等8個縣市；其他縣市相關性較小。在顯著相關的縣市中,以綏棱、克東縣土壤有機碳密度達到飽和狀態(tài)值較高；而富裕、通榆、長嶺等縣土壤有機碳密度達到飽和狀態(tài)值較低。

表4 松嫩平原分縣農田土壤有機碳密度飽和水平值 /(kg/m2)

*表示在0.05水平上顯著相關,**表示在0.01水平上顯著相關

4.3.2 農田土壤固碳潛力

基于松嫩平原及其各縣市農田土壤有機碳密度飽和狀態(tài)值,由飽和值法(公式3)估算松嫩平原農田土壤在1980—2015年間,如果氣候條件、土地利用方式、農業(yè)管理措施均保持不變的情況下,固碳潛力為-32.7 TgC,該結果表明過去35年內松嫩平原農田土壤要向大氣釋放32.7 TgC,即0.93 TgC/a,才能達到相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài),由此說明過去35年間松嫩平原表現為碳源狀態(tài)。

表5為松嫩平原各縣市農田土壤固碳潛力估算結果,可以看出,松嫩平原除龍江、呼蘭、大安、北安、乾安、德惠、克東、杜爾伯特、前郭爾羅斯和綏棱10個縣市固碳潛力為正值外,其余縣市農田土壤的固碳潛力為負值,為碳排放源,說明這些地區(qū)的耕地在現有耕作措施、氣候條件不變的情況下,總體處于碳源狀態(tài)。其中望奎、扶余、肇源等地區(qū)土壤碳排放潛力最大,應對其耕地利用或制度管理進行調整,以提高土壤肥力,增加土壤固碳能力,減少碳排放。

表5 松嫩平原分縣農田土壤固碳潛力

目前,以松嫩平原整體為典型研究區(qū)進行農田土壤有機碳儲量和固碳潛力的研究還未見報道,在已有的研究中,主要以松嫩平原南部玉米帶(農安縣、公主嶺、德惠縣和九臺縣)和中西部(齊齊哈爾市、大慶市、綏化市和哈爾濱市)為研究區(qū)域,研究結果為：松嫩平原南部玉米帶呈現出“碳匯”的趨勢,農田土壤總有機碳儲量增加了7.2 TgC,固碳潛力為8.17 TgC[30-31]；而松嫩平原中西部地區(qū)呈現出“碳源”趨勢,固碳潛力為-1.229 TgC[32]。為與上述結論進行對比分析,本文分別估算了松嫩平原南部玉米帶和中西部地區(qū)的有機碳儲量和固碳潛力(表6),可以看出,本研究結果與劉國棟等[32]研究結果相一致,即松嫩平原中西部地區(qū)農田表層土壤為“碳源”區(qū)；而與張春華等[30]和任春穎等[31]的結論有所差異,本研究顯示松嫩平原南部地區(qū)1980—2015年有機碳儲量呈下降趨勢,農田表層土壤固碳潛力為負值,呈現出“碳源”趨勢,這可能由于數據來源、選取研究時段不同所導致,結論的準確性有待于更多樣本數據和研究的檢驗,這也進一步說明在區(qū)域乃至全球范圍內規(guī)范和統(tǒng)一估算土壤有機碳儲量和固碳潛力的數據標準、來源、方法的重要性。

表6松嫩平原分區(qū)農田土壤有機碳儲量和固碳潛力結果對比

Table6ComparedwiththeresultsofcroplandsoilcarbonstorageandsequestrationpotentialinSongnenPlainatcountylevelbetweenthispaperandpreviousstudies

研究區(qū)域Studyarea有機碳儲量Soilcarbonstorage有機碳儲量本研究Soilcarbonstorageinthisstudy農田土壤固碳潛力Soilcarbonsequestrationpotential/TgC固碳潛力本研究Soilcarbonsequestrationpotentialinthisstudy/TgC松嫩平原南部SouthofSongnenPlain1.04[30]-6.16.69[31]-1.32松嫩平原中西部MiddlewesternareasofSongnenPlain—-25.12-1.229[32]-59.08

4.4 農田土壤有機碳變化原因淺析

松嫩平原農田土壤有機碳儲量和固碳潛力的變化主要取決于土壤有機碳密度的變化,而土壤有機碳密度的變化與氣候變化與人類活動都密切相關[52]。一方面由于全球氣候變暖,溫度升高加快了土壤有機碳的分解,而土壤有機碳分解排放更多CO2又會加劇氣候變暖,如此惡性循環(huán)；另一方面由于人類活動加速開墾農田,改變自然地表土壤性質碳循環(huán)的同時,也使得土壤自然肥力下降、有機質含量減少、腐殖質層變薄,進而導致土壤有機碳密度下降。因此,本文分別從氣象要素和人類活動兩個方面分析其與松嫩平原農田土壤有機碳密度的關系,試圖解釋近35年來松嫩平原農田土壤有機碳儲量和固碳潛力下降的原因,以期為松嫩平原農業(yè)發(fā)展、種植結構調整提供參考。

(1)氣候因素。通過計算1980—2015年松嫩平原有機碳變化量與溫度和降水氣候傾向率的相關性,得到土壤有機碳密度變化趨勢與溫度變化趨勢呈極弱的負相關,相關系數為-0.098,與降水的變化趨勢呈極弱的正相關,相關系數為0.134,均在0.01水平上顯著相關；且土壤有機碳密度變化趨勢與降水變化趨勢的相關性好于溫度。1980—2015年松嫩平原溫度以0.94℃/10a的速率增加,而降水以5.87 mm/10a的速率減少,通過上述分析,可知土壤有機碳密度會隨溫度的增加和降水的減少而下降,與實際變化一致,說明1980—2015年松嫩平原農田土壤有機碳密度下降可能受溫度和降水的共同影響。

(2)人為因素。人類活動對土壤有機碳密度(儲量)變化的影響有很多因素,如向土壤中添加有機肥將直接改變土壤有機碳含量；通過人為灌溉方式將降低土壤對自然降水的依賴；通過調整不同的喜溫作物種植類型,將降低作物對溫度的依賴等,說明人類活動一定程度上可以并已經改變了氣候因子對土壤有機碳密度的影響程度,降低了土壤碳儲量對氣候變化的敏感性[53]。而相對的,由于土地利用方式的改變對局地土壤有機碳密度(儲量)的影響越來越大。

為了探討松嫩平原土地利用方式的改變對局地土壤有機碳密度的影響,本文基于ArcGIS 10.2軟件的空間分析功能,提取并計算了1980—2015年森林、草地、濕地和未利用地轉為耕地,和持續(xù)為耕地區(qū)域的平均有機碳密度。由表7可以看出,松嫩平原主要土地利用中平均土壤有機碳密度由大到小依次為林地、未利用地、濕地、耕地、草地,各土地利用類型土壤有機碳密度相差不大；1980—2015年松嫩平原不同土地利用類型開墾為耕地后平均土壤有機碳密度均呈下降趨勢,這可能與松嫩平原受氣候因素影響導致全區(qū)有機碳密度減少有關；但不同利用類型轉為耕地后的土壤有機碳變化程度有所差異,其中以濕地轉耕地后平均有機碳密度下降最大,減少了37.05%,其次依次為濕地、森林和草地；與1980—2015年持續(xù)為耕地的平均有機碳密度下降幅度(22.95%)相比,未利用地和草地有機碳密度下降幅度較低,森林和濕地有機碳密度下降幅度較大。說明在松嫩平原整體農田土壤有機碳密度下降的情況下,單位面積林地、濕地開墾為耕地將向大氣凈釋放部分碳,而單位面積草地和未利用開墾為耕地,將減少碳的凈釋放。

表7 1980—2015年松嫩平原各土地利用類型土壤有機碳密度及變化

5 結論和討論

(1)全國第二次土壤普查至今松嫩平原農田表層土壤平均有機碳密度減少了0.19 kg/m2,從1980年的1.8 kg/m2下降到2015年的1.61 kg/m2,集中分布在松嫩平原北部、東部和東南部地區(qū)。

(2)近35年來松嫩平原農田表層土壤有機碳儲量減少了32.62 Tg,由1980年的266.25 Tg,下降到2015年的233.63 Tg；主要與覆蓋松嫩平原農田的主要土壤類型黑土和黑鈣土有機碳密度下降相關。松嫩平原各縣市中,除北安、杜爾伯特、前郭爾羅斯、泰來、通榆、五大連池和鎮(zhèn)賚7個縣市外,其余各縣市有機碳儲量均呈下降趨勢,以通榆有機碳儲量增加最大；以榆樹、農安有機碳儲量減少最多。

(3)1980—2010年松嫩平原農田表層土壤有機碳的固碳潛力為-32.7 TgC,呈現出“碳源”趨勢。松嫩平原各縣市中,大部分農田土壤的固碳潛力為負值,應加強碳源區(qū)的農業(yè)管理和規(guī)劃,增加秸稈還田和有機肥料的施用,調整種植制度,以合理的養(yǎng)分配比進行農田管理等措施來提高土壤碳匯的潛力。

本文估算出目前松嫩平原農田土壤表現為碳源區(qū),農田土壤有機碳儲量呈下降趨勢,與奚小環(huán)等[54]對第二次土壤普查之后的20年間東北平原表層土壤有機碳儲量呈減少趨勢這一結論相一致。本文利用飽和值法估算的農田土壤固碳潛力下降32.7 TgC,與李忠佩等[24]的研究結果：松嫩平原黑土土壤有機碳庫仍將處于虧缺狀態(tài),土壤有機碳含量還會下降,并向大氣釋放CO2結論相一致,進一步說明松嫩平原目前農田土壤有機碳固碳能力下降這一事實,同時表明應加強松嫩平原農業(yè)管理規(guī)劃措施的實施,為應對全球氣候變暖做貢獻。如前文所述,本文與劉國棟等[32]關于松嫩平原中西部分區(qū)研究結果趨勢一致,而與張春華等[30]、任春穎等[31]的結論有所差異,如果不考慮數據來源造成的誤差,說明近10年來松嫩平原南部玉米帶土壤有機碳儲量和固碳潛力下降速度較中西部地區(qū)快。同時,本研究對松嫩平原農田表層土壤有機碳密度、儲量和固碳潛力的估算還有很多不確定性,如本文為加強兩期數據的可比性,統(tǒng)一選擇0—10 cm表層土壤深度的有機質含量和土壤容重等理化參數進行計算,并以2015年采樣點坐標為基準提取1980年點對點土壤參量信息,但由于兩期數據間隔時間較長,又缺少長期定位的實驗資料,因此難免出現誤差。除此,本文僅對松嫩平原由氣候變化及人類活動因素影響下的農田土壤有機碳密度變化進行了研究,還需進一步定量化氣候和人為干擾等因素；對于提高松嫩平原農田土壤固碳潛力的具體措施,如化肥施用量的增加、秸稈還田等的貢獻和影響也有分析研究。

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TemporalandspatialvariationsoforganiccarbonandevaluationofcarbonsequestrationpotentialintheagriculturaltopsoiloftheSongnenPlain

JIANG Lanqi, ZANG Shuying*, ZHANG Lijuan, Sun Li, YAN Binghe

KeyLaboratoryofRemoteSensingMonitoringofGeographicEnvironment,HarbinNormalUniversity,Harbin150025,China

Soil organic carbon (SOC) density and storage in the agricultural topsoil of the Songnen Plain were evaluated by the soil-type method by using data from the Second National Soil Survey conducted in 1979—1985 and field observations in 2015. The spatial distribution of SOC density was analyzed by ArcGIS, and a fitting analysis of the changes in SOC storage trend in the districts and counties of the Songnen Plain over the past 35 years was conducted using the saturation value method, after which the carbon sequestration potential of the agricultural soil was estimated. The main results are as follows: (1) the average value of the agricultural topsoil organic carbon density was 1.61 kg/m2in 2015. About 81.59% of the SOC density of the agricultural topsoil area of the Songnen Plain showed a decreasing tendency over the last 35 years, and the SOC was mainly distributed in the north, east, and southeast of the Songnen Plain; the most significant decreases were in eastern Fuyu County, central Yi′an County, western Zhaodong County, and western Fuyu County; (2) the total storage of organic carbon in the agricultural topsoil was 233.63 Tg in 2015, which decreased by about 32.62 Tg compared with that of the second national soil survey; and (3) the organic carbon sequestration potential of agricultural topsoil in the Songnen Plain was about -32.7 TgC, indicating a carbon resource area, and its average value per unit area was -1.793 × 10-3Tg C/km2.

organic carbon of agricultural topsoil; carbon sequestration potential; Songnen Plain

國家自然科學基金(41571199,42171217); 黑龍江省博士創(chuàng)新基金(HSDBSCX2015- 12); 黑龍江省自然科學基金(D201408，D201302)

2016- 09- 06; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zsy6311@163.com

10.5846/stxb201609061815

姜藍齊, 臧淑英, 張麗娟, 孫麗, 閻炳和.松嫩平原農田土壤有機碳變化及固碳潛力估算.生態(tài)學報,2017,37(21):7068- 7081.

Jiang L Q, Zang S Y, Zhang L J, Sun L, Yan B H.Temporal and spatial variations of organic carbon and evaluation of carbon sequestration potential in the agricultural topsoil of the Songnen Plain.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7068- 7081.