城市土壤碳儲(chǔ)量估算方法綜述

王甜甜+黃艷萍+聶兵

摘 要：城市作為主要的人類活動(dòng)集中地，在碳循環(huán)中占據(jù)著重要地位。伴隨著全球氣候變化的加劇，城市土壤碳庫(kù)研究被賦予了新的內(nèi)涵，受到了廣泛關(guān)注。該文綜述了土壤類型法、模型法、生命地帶法及GIS估算法等幾種主要的城市土壤碳儲(chǔ)量估算方法，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：城市土壤；碳儲(chǔ)量；估算方法

中圖分類號(hào) S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）01-0069-03

Abstract：The urban，as the main gathering place for human activities nowadays，takes an important role in carbon cycling.Nowadays，with the exacerbating of global climate change，the urban soil carbon pool is given a new connotation，and was widely concerned.This thesis summarizes several main methods of estimating the carbon storage，such as soil type method，model method，life zone method and GIS estimation method，etc.In addition，the thesis analyzed the merits and demerits of each method in order to reduce or avoid the mistakes caused by the improper research methods in the process of estimating carbon storage of the soil.

Key words：Urban soils；Carbon storage；Estimation method

1 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及碳平衡對(duì)土地利用/覆被變化（LUCC）的響應(yīng)是當(dāng)前全球變化和碳平衡研究的重點(diǎn)內(nèi)容[1-2]。人口增長(zhǎng)壓力導(dǎo)致的LUCC正深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)地上和地下的碳儲(chǔ)量[3]，已經(jīng)成為改變陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的主要驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)人類的生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生著重要的影響[4-5]。由于人口的高度集中和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，快速發(fā)展過(guò)程中的城市用地在迅速擴(kuò)張。城市用地的改變深刻影響著城市土壤的理化性質(zhì)，使得土壤既可能成為碳匯，也可能成為碳源[6]。章明奎等的研究表明，城市土壤碳具有明顯的積累并具較大的空間變異性，城區(qū)土壤的平均有機(jī)碳貯量遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)郊區(qū)土壤，且城市土壤有機(jī)碳較為穩(wěn)定[7]。Pouyat的研究發(fā)現(xiàn)隨著相鄰的土地利用類型的城市化，城市的土壤碳儲(chǔ)量將受到強(qiáng)烈影響[8]。研究表明，大約60%～70%已損耗的碳，可通過(guò)采取合理的土地利用和管理方式被重新固定[9]。因此，精確估算城市生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其對(duì)土地利用/覆被變化的響應(yīng)，是制定合理的土地政策，增加陸地碳匯量的基礎(chǔ)[10]。

2 城市土壤碳儲(chǔ)量估算主要方法

目前研究城市土壤碳儲(chǔ)量的方法主要有土壤類型法、模型法、生命地帶法、GIS估算法等，由于受到資料收集、空間差異、科學(xué)技術(shù)等差異性因素影響，每種方法各有利弊。

2.1 土壤類型法 土壤類型法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得土壤剖面數(shù)據(jù)，從而估算土壤碳含量，再根據(jù)區(qū)域或國(guó)家尺度的土壤圖上的各土壤類型面積計(jì)算得到土壤碳儲(chǔ)量[11]。學(xué)者史利江等采用土壤類型法，根據(jù)上海第二次土壤普查資料，研究了上海市土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、碳密度及其空間分布格局，結(jié)果表明，上海地區(qū)0～100cm深度的土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量及平均土壤有機(jī)碳密度分別為5.76×107t和10.55kg/m2，相對(duì)全國(guó)平均水平較高，表現(xiàn)為較強(qiáng)的碳蓄積能力[12]；陳曦以廣西第二次土壤普查的土壤剖面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合廣西1：50萬(wàn)的土壤圖以及行政區(qū)劃圖，計(jì)算得到各城市表層土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量為6.42×1011kg，而有機(jī)碳密度均值為3.33kg/m2，低于全國(guó)平均值[13]。實(shí)際研究中，根據(jù)不同研究區(qū)域的地形地貌條件，學(xué)者們采用的土地分類方法也不盡相同，如許文強(qiáng)等基于網(wǎng)格的土壤類型法，估算干旱區(qū)典型的三工河流域城市土壤碳儲(chǔ)量為14.35GT，平均碳密度為6.70kg/m2[14]；劉為華采用扇形網(wǎng)格方法，將城市宏觀大尺度和土壤樣地小尺度數(shù)據(jù)加以整合，得到研究區(qū)綠地土壤0～30cm土層的碳密度和碳儲(chǔ)量分別為25.807kg/m2和3 589 968.57t，30～60cm土層土壤碳密度和碳儲(chǔ)量分別為28.129kg/m2和3 106 810.18t[15]。

綜合來(lái)說(shuō)，土壤類型法的優(yōu)點(diǎn)在于：可以利用如世界土壤圖、國(guó)家土壤圖等統(tǒng)一的估算體系，方便各學(xué)者將研究結(jié)果進(jìn)行歸總和比對(duì)，其缺點(diǎn)在于統(tǒng)一的估算系統(tǒng)較于籠統(tǒng)簡(jiǎn)化，在計(jì)算結(jié)果的精度上可能存在較大差異。

2.2 模型方法 模型方法是根據(jù)各種土壤碳循環(huán)模型估算土壤碳蓄積量的方法，這種方法可以綜合考慮決定進(jìn)入土壤的碳數(shù)量和質(zhì)量，以及決定土壤碳分解速率的各種因子，從而估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，并能根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和氣候變化模擬數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)不同情況下的土壤碳蓄積量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，探討土壤碳蓄積和固定潛力，分析氣候變化對(duì)土壤碳蓄積的不同綜合影響[16]。1991年Jenkinson使用了Lausanne模型計(jì)算了從土壤有機(jī)質(zhì)中釋放的二氧化碳排放量，估算出土壤有機(jī)質(zhì)在未來(lái)60a將有61×1015G[17]；李克讓?xiě)?yīng)用生物地球化學(xué)模型及生物物理子模型、植物生長(zhǎng)子模型、土壤子模型3個(gè)包含關(guān)系的子模型，估算出中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤總碳儲(chǔ)量為82.65Gt，平均土壤碳密度為9.17kg/m2[18]。

根據(jù)不同的研究目的，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種土壤碳循環(huán)的模型，不僅能夠適用于各種要求的研究，也能夠解決尺度轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，但是土壤碳循環(huán)模型在開(kāi)發(fā)和計(jì)算上都較為復(fù)雜困難，需要大量的模擬運(yùn)算，不僅對(duì)技術(shù)手段有較高要求，而且需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 生命地帶法 生命地帶法是根據(jù)生命地帶類型的土壤有機(jī)碳密度乘以該類型分布面積來(lái)計(jì)算土壤有機(jī)碳蓄積量的方法。最為經(jīng)典的是Post基于Holdridge生命帶模型，搜集了2 696個(gè)土壤土層數(shù)據(jù)資料，估算出全球1m土層有機(jī)碳庫(kù)為1 395Gt[19]。該方法不僅能夠計(jì)算出總的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，還能夠了解不同生命地帶類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，而且每個(gè)生命地帶類型還能夠包括不同的土壤類型，使得分布范圍更加廣泛。該方法的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)的來(lái)源過(guò)于廣泛，可靠性不足，容易造成計(jì)算結(jié)果有較大的差異性。

2.4 GIS估算法 GIS估算法是先數(shù)字化參加計(jì)算的土壤圖，確立以土屬為單位的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，然后計(jì)算各土壤土屬各個(gè)土層的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，接著選取該土屬內(nèi)所有土種的典型土壤剖面，按照土壤發(fā)生層分別采集土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土層厚度和容重等數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)土層的土壤有機(jī)質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土層平均深度及其平均容重等，最后建立土壤有機(jī)質(zhì)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，再利用GIS的空間分析功能計(jì)算出各類土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量[20]。已有研究中，吳志峰以廣州市為研究區(qū)，基于廣東省第2次土壤普查數(shù)據(jù)和2000年ETM+遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算出廣州市0～20cm和0～100cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為2.16×107t，為6.40×107t，土壤有機(jī)碳平均密度分別為32.06t·hm-2，94.91t·hm-2[21]。許乃政基于1∶250000多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，利用RS遙感影像和GIS統(tǒng)計(jì)技術(shù)，計(jì)算出1980—2005年間上海城區(qū)表層土壤有機(jī)碳密度為（3.926±1.381）kg.m-2，其均值是郊區(qū)的1.049倍，是鄉(xiāng)村地區(qū)的1.255倍，呈現(xiàn)出城市-郊區(qū)-鄉(xiāng)村空間梯度演替特性[22]。相對(duì)于人工野外調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的方法，遙感技術(shù)支持下的GIS 估算法具有精高度、時(shí)相統(tǒng)一、效率高、調(diào)查全面等特點(diǎn)，并且能夠解決前者因?yàn)橘M(fèi)時(shí)費(fèi)力調(diào)查結(jié)果精度不高、不可靠的弊端。

3 結(jié)語(yǔ)

本文著重介紹了幾種國(guó)內(nèi)外通用的城市土壤碳儲(chǔ)量估算方法，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。由于土壤分類系統(tǒng)、采樣方法、計(jì)算方法、參數(shù)估計(jì)方法存在一定的差異性，導(dǎo)致目前土壤碳儲(chǔ)量的估算值相差較大。今后還需要學(xué)者的繼續(xù)深入探索，綜合各種方法，融合多學(xué)科技術(shù)，不斷提高研究的精準(zhǔn)性與科學(xué)性。

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（責(zé)編：徐煥斗）