基于土壤類型法的鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤碳密度和碳儲量評估

查印水，湯序軍，吳建勛，周 強(qiáng)，唐學(xué)君*

(1.國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，310019，杭州；2.江西省銅鼓縣林業(yè)局，336200，江西，銅鼓)

0 引言

土壤碳儲量是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的重要組成部分，土地覆被變化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫動態(tài)變化的主要原因[1-2]。有關(guān)土壤碳儲量估算的方法經(jīng)歷了一個不斷發(fā)展的過程，由于土壤母質(zhì)理化性質(zhì)、土壤參數(shù)選取的差異以及土壤有機(jī)碳密度存在著復(fù)雜的空間變異性等原因，土壤碳儲量估算值之間往往存在比較大的差距，不確定性問題難以解決[3]。隨著全球氣候變化問題受到世界各國越來越多的關(guān)注，學(xué)術(shù)界對土壤碳儲量的研究也更加豐富深入。目前，土壤碳儲量的估算方法主要有土壤類型法、生態(tài)系統(tǒng)類型和植被類型法、模型模擬法、相關(guān)系數(shù)法、GIS估算法等，以上方法各有優(yōu)缺點(diǎn)[4]。本研究在基于以上方法的比較下，探討了科學(xué)估算鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤碳儲量的方法，同時(shí)也參考了IPCC有關(guān)土壤碳儲量的估算方法，但是從區(qū)域尺度來看，我國任何固定土壤類型、氣候類型、植被類型與IPCC定義的自然植被類型都有許多不同之處，如果按照IPCC土壤碳儲量的估算法很難準(zhǔn)確地評估出鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的土壤總碳儲量。由于我國第二次全國土壤普查比較詳細(xì)地對全國范圍的土壤狀況進(jìn)行了調(diào)查和研究，而且土壤變化是一個比較緩慢的過程，因此本研究可以利用第二次全國土壤普查江西地區(qū)的數(shù)據(jù)，包括土壤種類、土層深度、容重、有機(jī)質(zhì)含量、面積等，通過統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算出土壤有機(jī)碳密度，再應(yīng)用現(xiàn)有的各類型土壤面積參數(shù)便可以計(jì)算出鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的土壤總碳儲量。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖是全球重要濕地，也是我國最大的淡水湖，對江西省來說，鄱陽湖是母親湖，也是重要的淡水漁業(yè)基地。在國家層面上，國家非常重視鄱陽湖對長江中下游調(diào)洪蓄水的生態(tài)功能，鄱陽湖對長江流域生態(tài)系統(tǒng)健康的維護(hù)地位凸顯；在國際上，鄱陽湖的白鶴(Grusleucogeranus)等珍稀越冬候鳥的生物多樣性保護(hù)倍受國際社會關(guān)注。2009年12月12日，國務(wù)院正式批復(fù)《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》，對實(shí)現(xiàn)江西生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新跨越具有重大戰(zhàn)略意義。鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)E114°29′～117°42′，北緯N27°30′～30°06′，位于長江中下游南岸，處于中緯度地帶，面積為5.12 萬km2，約占江西省國土面積的30%。研究區(qū)無霜期長、光照充足、溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)型氣候，年平均氣溫16.3～19.5 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)為1 473.3—2 077.5 h，年均降水量為1 350～1 900 mm。

2 研究方法

研究中所涉及的數(shù)據(jù)資料，如無特別說明均來源于以下方面：1)第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)；2)相關(guān)年份的江西省統(tǒng)計(jì)年鑒等統(tǒng)計(jì)資料；3)《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南 2019修訂版》等。本研究對李克讓[5]等研究成果進(jìn)行了較為全面的分析，他們在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，由于各地土壤剖面實(shí)測深度各不相同，也沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可以用來衡量，所以就根據(jù)各地實(shí)測土壤深度進(jìn)行計(jì)算，土壤有機(jī)碳含量由有機(jī)質(zhì)含量乘以Bemmelen換算系數(shù)(0.58)求得。首先計(jì)算各土壤類型和亞類的每個土種各個土層的碳含量，然后以土層厚度作為權(quán)重?cái)?shù)，求得各土種的平均理化性質(zhì)數(shù)據(jù)，通過面積加權(quán)平均得到個土壤類型和亞類的平均密度、平均有機(jī)質(zhì)、平均容重、平均碳密度。因此，通過土壤碳儲量估算方法的比較，本研究采用較為穩(wěn)定的土壤類型法估算鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的土壤碳儲量，各土壤類型碳儲量可由各土壤亞類的碳密度與其面積的乘積求得，然后全部累加即可得到研究區(qū)的土壤總碳儲量，其計(jì)算公式為式(1)：

(1)

式中：SOCall為土壤有機(jī)碳儲量(kg)；SOCDi為某亞類有機(jī)碳密度平均值(kg/m2)；Si為某亞類面積(m2)。

本研究土壤碳密度采用單位體積土壤有機(jī)碳重量來衡量，其計(jì)算公式為式(2)：

(2)

式中：SOCDi為該土壤碳密度(g/cm2)，Hi為第i種土壤的厚度(cm)，Bi為第i種土壤容重(g/cm2)，Oi為第i種土壤的有機(jī)質(zhì)含量(%)，0.58是目前國際上通用的土壤有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳含量比例。

對土層碳密度逐次進(jìn)行厚度權(quán)重計(jì)算，進(jìn)而可以得到單個土種剖面碳密度，然后以土種面積為權(quán)重，推算出亞類碳密度，得到土類的碳密度，研究過程中如果數(shù)據(jù)采集于第二次全國土壤普查主要是0～30 cm厚度，利用上式計(jì)算出0～30 cm碳密度，根據(jù)全國2 473個土壤剖面資料，計(jì)算出0～30 cm土壤碳儲量約為0～100 cm碳儲量的54%，因此根據(jù)不同土壤厚度要進(jìn)行相應(yīng)比例轉(zhuǎn)化，如果是100 cm厚度，則土壤碳密度計(jì)算公式為式(3)：

SOCDi(100cm)=SOCDi/1.8

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)不同土壤類型的土壤碳密度特征

表1數(shù)據(jù)均已經(jīng)與相應(yīng)土壤厚度匹配，所以可以直接應(yīng)用于鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤碳儲量計(jì)算。研究區(qū)有9種土類和14種土壤亞類，土壤碳密度最大的是山地草甸土，達(dá)到了34.23 kg/m2，平均厚度62 cm；江西省分布最廣的紅壤平均厚度有107 cm，平均碳密度9.79 kg/m2；潛育水稻土有機(jī)質(zhì)含量最高百分比含量為2.76，是黃褐土的五倍多，紅壤性土的容重最大，而酸性石質(zhì)土最小，依據(jù)各土種平均碳密度資料和土種面積加權(quán)平衡計(jì)算，可估算出研究區(qū)土壤平均碳密度為12.03 kg/m2，進(jìn)而可以計(jì)算出相應(yīng)土層深度土壤總碳儲量為61 583 萬t。同時(shí)，不同土壤類型的土壤碳密度存在較大的差異，比如同是水稻類土壤，潛育水稻土平均碳密度為17.43 kg/m2，而淹育水稻土平均碳密度則只有7.36 kg/m2。一般情況下，林地土壤碳密度大于耕地土壤碳密度，由于沒有對研究區(qū)每一種土壤類型面積做精確調(diào)查，難以平衡各土壤類型面積的權(quán)重，因此在數(shù)值上會有一定的偏差。在研究土壤碳儲量時(shí)，也可以對部分較為容易獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測更新，只要在研究區(qū)不同經(jīng)緯度上設(shè)置土壤采樣點(diǎn)，并具體到土壤亞類以及所屬土壤植被類型進(jìn)行準(zhǔn)確的理化性質(zhì)測定，然后根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可以提高土壤碳儲量的估算精度。雖然土壤的變化較為緩慢，但土地覆被變化可以改變土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量，從而影響土壤有機(jī)碳的分解速率，在總體上改變了土壤有機(jī)碳儲量的分布情況。

3.2 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)主要土地覆被下土壤碳密度和碳儲量特征

由表2可知，各土地覆被類型的土壤碳密度大小為：林地>耕地>其他農(nóng)用地>自然保留地>園地>牧草地。以2019年耕地為例，土地面積共計(jì)1 311 562 hm2，占研究區(qū)土地面積總量的25.62%，土壤亞類主要以淹育水稻土、潛育水稻土、潴育水稻土、黃壤、山地草甸土、黃紅壤為主，平均有機(jī)質(zhì)百分比含量為1.782，平均容重和厚度分別為1.28 g/cm2、93.4 cm，平均碳密度11.46 kg/m2，據(jù)此可估算2019年研究區(qū)大約90 cm的耕地土壤碳儲量為15 023 萬t。從2015—2019年，耕地土壤總碳儲量減少了59 萬t，由于耕地受人類活動影響最大，在耕作時(shí)往往還要通過施肥增加土壤氮磷鉀等養(yǎng)分含量，這些養(yǎng)分能夠與碳產(chǎn)生較好的協(xié)同作用，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量；此外，耕地土壤環(huán)境復(fù)雜，微生物呼吸作用強(qiáng)，耕地土壤碳庫對大氣碳循環(huán)的影響較大，要重視耕地土壤碳源匯轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)的評估，有效增加土壤碳儲量。

表1 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)不同土壤類型的土壤碳密度情況

表2 土地覆被條件下土壤碳密度對比

由表3可知，土壤碳儲量最大的是林地，這主要是其他土地利用類型向林地轉(zhuǎn)移而引起的，例如，2019年研究區(qū)林地為2 052 975.40 hm2，占鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地總面積的40.1%，土壤以紅壤、山地草甸土、黃壤、新積土、黃紅壤、紅壤性土等為主，平均有機(jī)質(zhì)百分比為2.169，平均容重和厚度分別為1.328 g/cm2、91.33 cm，平均碳密度為14.073 kg/m2，據(jù)此可估算出研究區(qū)該年度林地土壤有機(jī)碳儲量為28 944 萬t，可見林地土壤碳儲量占有很大比重，林地土壤碳儲量從2015年的28 782 萬t增加到2019年的28 944 萬t，共增加了162 萬t。

2019年研究區(qū)自然保留地總面積為331 774 hm2，只占鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)總土地面積的6.48%，其土壤類型各地均有不同，類型比較復(fù)雜，除水稻土外的幾乎所有土壤類型都有分布，碳密度以水稻土外的各土壤類型平均碳密度9.814 kg/m2計(jì)算，則此部分覆被下的土壤碳儲量為3 149 萬t，土壤總碳儲量有所減少，數(shù)據(jù)顯示自然保留地土壤碳儲量從2015年的3 388 萬t減少到2019年的3 149 萬t，這可能和全球氣候變化有很大關(guān)系，自然濕地面積近年來有所減少，濕地野生動物的棲息地面積受到一定影響，導(dǎo)致自然保留地面積有所減少，自然濕地保護(hù)任務(wù)艱巨。

其他農(nóng)用地分布在鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的各個地段，土壤類型難以界定，所以土壤碳密度以所有土壤類型的平均碳密度10.84 kg/m2計(jì)算，則2019年研究區(qū)其他農(nóng)用地土壤碳儲量為3 385 萬t，土壤碳儲量從2015年的3 554 萬t減少到2019年的3 385 萬t，共減少了169 萬t，這可能與農(nóng)業(yè)用地過度利用有關(guān)，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失和地力下降；園地的土壤平均碳密度為8.992 kg/m2，從2015年到2019年土壤碳儲量減少了8 萬t，基本上處于動態(tài)平衡狀態(tài)，說明園地受自然因素和人為因素影響較小。另外，研究區(qū)的牧草地面積較少，從2015—2019年土壤碳儲量變化僅為200 t，所以其土壤碳儲量變化對整個鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)碳循環(huán)的影響較小。

4 討論與結(jié)論

目前，我國很多省份或地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了土壤有機(jī)碳密度或碳儲量的估算[6-10]，而鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤平均碳密度為12.03 kg/m2，高于我國的土壤平均碳密度(10.8 kg/m2)，即研究區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較高，有利于各種植物生長。計(jì)算結(jié)果顯示，林地土壤碳儲量在整個研究區(qū)的土壤碳儲量中占比超過60%，而且林地面積逐年增加，一些未利用地轉(zhuǎn)化為林地和近年來的植樹造林是研究區(qū)林地增加的主要來源。同時(shí)，要保護(hù)好耕地，提高耕地生產(chǎn)力，防止土地退化，合理開發(fā)利用宜林荒山荒地等，通過科學(xué)的土地利用保護(hù)措施，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累，增加土壤有機(jī)碳儲量。

沒有人為干擾的情況下，土壤碳儲量變化是一個較為緩慢的過程，土地覆被變化會促使土壤碳庫發(fā)生動態(tài)變化，特別是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)這些年來建設(shè)用地逐年增加，而土地利用類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化就會改變原來的土壤有機(jī)碳庫；同時(shí)，鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)林地面積從2015年到2019年增加了11 154.79 hm2，以14.073 kg/m2計(jì)算，研究區(qū)林地土壤碳儲量增加了157 萬t，因此土地覆被類型之間的轉(zhuǎn)換和土地退化是導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫變化的主要原因。此外，根據(jù)初始土壤肥力狀況，通過土壤有機(jī)碳儲量與外源碳輸入量的關(guān)系，可以準(zhǔn)確量化土壤有機(jī)碳提升所需外源碳輸入量。影響表層土壤有機(jī)碳密度分布特征的主要因素為地貌景觀、氣候環(huán)境、植被發(fā)育狀況、土壤質(zhì)地及理化、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、人類活動等[11]。許多研究表明，阻止土壤碳流失、促進(jìn)土

壤的碳吸收、科學(xué)監(jiān)測和驗(yàn)證干預(yù)措施、利用高科技監(jiān)測土壤碳儲量變化、開發(fā)計(jì)算機(jī)模型和示范點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)測試措施有效性、鼓勵公眾參與和提供資金支持等可以有效應(yīng)對解決增加土壤有機(jī)碳儲量問題。

綜上所述，鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)不同土地覆被下的土壤碳儲量大小為：林地>耕地>其他農(nóng)用地>自然保留地>園地>牧草地。目前研究人員對土壤碳儲量的估算大都以1 m作為土壤厚度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，而本研究采用土壤剖面數(shù)據(jù)厚度不統(tǒng)一，大部分厚度都少于1 m，實(shí)際上即使是1 m厚的土壤也不可能包含土壤的所有碳儲量，所以本研究估測值要小于研究區(qū)的實(shí)際土壤有機(jī)碳儲量。影響研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲量的主要因素及其長效作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。