皖江經(jīng)濟(jì)帶土壤碳儲(chǔ)量與有機(jī)碳密度空間分布特征研究

張笑蓉，陳富榮，邢潤華，梁紅霞

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院（安徽省地質(zhì)科學(xué)研究所），安徽合肥 230001）

0 引言

碳是自然界中與人類生存密切相關(guān)的最重要的物質(zhì)之一，它在水圈、氣圈、地圈和生物圈中動(dòng)態(tài)循環(huán)。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，土壤呼吸釋放的CO約占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換量的三分之二。全球約有1500Gt 碳是以有機(jī)質(zhì)形態(tài)存儲(chǔ)于地球土壤中，因此研究土壤中的碳儲(chǔ)量、及單位碳密度分布情況，能夠?yàn)橥寥捞紟祜柡退脚c固碳潛力、碳儲(chǔ)量變化趨勢等研究提供地球化學(xué)依據(jù)。前人曾總結(jié)過安徽滁州地區(qū)和中東部地區(qū)碳儲(chǔ)量及分布情況，此次研究整合了2003—2017年間在安徽地區(qū)開展的1∶250000 土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查研究數(shù)據(jù)，首次摸清了皖江75800km區(qū)域內(nèi)碳儲(chǔ)量情況。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省的中部，淮河以南、長江兩岸，西北部緊鄰淮南市與蚌埠市，西側(cè)毗鄰六安市城區(qū)，南面延伸至黃山市，東部分別與江蘇省、浙江省接壤，總面積為75800km。區(qū)內(nèi)涉及江淮丘陵、沿江平原、大別山地和皖南山地等地貌單元，地勢南北高、中間低，整體上自西南向東北傾斜。分屬3 個(gè)不同的構(gòu)造單元，北部為華北板塊，西部為秦嶺大別造山帶，郯廬斷裂以東為揚(yáng)子板塊。土壤類型豐富，主要為水稻土和紅壤。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)來源及質(zhì)量

本次調(diào)查以安徽省內(nèi)開展的1∶250000 土地質(zhì)量調(diào)查為數(shù)據(jù)來源，在區(qū)內(nèi)進(jìn)行表層土壤(1個(gè)點(diǎn)/km)和深層土壤(1 個(gè)點(diǎn)/4km)采樣。表層土壤按1 個(gè)點(diǎn)/4km，深層土壤按1 個(gè)點(diǎn)/16km進(jìn)行組合樣分析。樣品由安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所分析測定。分析結(jié)果符合《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1:250000）（DZ/T0258-2014》中的有關(guān)規(guī)定。

2.2 研究方法

本次調(diào)查以4km網(wǎng)格為計(jì)算單元，即以1:250000土地質(zhì)量調(diào)查確定的土壤表層樣品分析單元為計(jì)算單位，將位于同一深層采樣單元(16km)的1 個(gè)深層數(shù)據(jù)與其中4個(gè)表層土壤數(shù)據(jù)配對，形成配對的表、深層土壤實(shí)測數(shù)據(jù)。由此實(shí)測數(shù)據(jù)通過計(jì)算分別獲得土壤全碳、有機(jī)碳、無機(jī)碳在土壤表層、中層、深層中碳含量，依據(jù)其含量分布模式計(jì)算得到單位碳密度、單位土壤碳量，再對研究區(qū)內(nèi)單位土壤碳量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算取得土壤碳儲(chǔ)量。通過研究單位碳儲(chǔ)量在土壤不同單元中分布分配特征和碳密度空間分布特征，研究不同土壤的固碳能力。

2.2.1 碳含量計(jì)算公式

表層土壤含碳量(TC)、有機(jī)碳含碳量(TOC)為其表層土壤全碳和有機(jī)碳實(shí)測含量，表層土壤無機(jī)碳含量(TIC)為表層土壤含碳量與有機(jī)碳含碳量之差。

中層土壤有機(jī)碳碳含量(TOC)、無機(jī)碳含量(TIC)、全碳含量(TC)計(jì)算公式如下：

當(dāng)深層土壤采樣深度大于1.0m時(shí)：

當(dāng)深層土壤采樣深度等于1.0m或小于1.0m時(shí)：

在計(jì)算深層土壤含碳量時(shí)，由于工作區(qū)內(nèi)多丘陵和中低山，南部山區(qū)深層土壤采樣深度許多達(dá)不到1.8m，且采樣深度不統(tǒng)一，因此按深層實(shí)際采樣深度計(jì)算土壤碳含量。深層土壤有機(jī)碳碳含量(TOC)、無機(jī)碳含量(TIC)、全碳含量(TC)計(jì)算公式如下：

(1)—(7)式中：TOC

′

與TIC

′

為土壤深層樣實(shí)測有機(jī)碳與無機(jī)碳含量，

d

取值0.1m（表層土壤中間深度)，

d

取深層土壤實(shí)際采樣深度（m）。

2.2.2 土壤碳密度計(jì)算

土壤碳密度(

SCD

)指平方米內(nèi)土壤碳含量，單位為kg/m，計(jì)算公式為：

式中：

D

為采樣深度，單位為厘米（cm）；ρ 為土壤容重，單位為克每立方厘米（g/cm）；C 為土壤碳含量（%）。

參考《安徽土壤》《江蘇土壤》《中國土壤》部分資料，結(jié)合區(qū)內(nèi)不同土壤類型深層土壤采樣深度，計(jì)算得出區(qū)內(nèi)不同土壤類型的土壤容重（表1）。

表1 皖江經(jīng)濟(jì)帶不同土壤類型不同深度土壤容重Table 1.Bulk densities of soils of different types at different depths in the Wanjiang Economic Zone

2.2.3 單位土壤碳量及碳儲(chǔ)量計(jì)算

單位土壤碳量(USCA)指以4km為單位的范圍內(nèi)一定深度土體內(nèi)碳量，單位為t。計(jì)算公式如下：

土壤碳儲(chǔ)量(SCR)指統(tǒng)計(jì)土壤范圍內(nèi)的單位土壤碳量之和，單位為t。公式為：

式中：n表示統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)土壤樣品分析單元數(shù)量。

3 土壤碳儲(chǔ)量與有機(jī)碳密度空間分布特征

3.1 土壤碳含量特征及不同單元分配特性

全區(qū)深層土壤（0～實(shí)際采樣深度）、中層土壤（0～1.0m）、表層土壤（0～0.2m）全碳(TC)儲(chǔ)量分別為1557.88Tg、1056.83Tg、295.72Tg，平均單位土壤碳量分別為84949.25t、57627.58t、16125.09t，平均土壤碳密度分別為21.24kg/m、14.41kg/m、4.03kg/m。其中，土壤全碳主要賦存于0～1.0m的中層土壤中，占深層土壤中全碳儲(chǔ)量的67.84%（表2）。

表2 皖江經(jīng)濟(jì)帶不同深度土壤碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)Table 2.Statistics of soil carbon storage at different depths in the Wanjiang Economic Zone

全區(qū)深層、中層與表層土壤有機(jī)碳（TOC）總儲(chǔ)量分別為1301.22Tg、899.99Tg、262.16Tg，平均單位土壤有機(jī)碳量分別為70953.92t、49074.93t、14295.09t。其中，土壤有機(jī)碳主要賦存于0～1.0m的中層土壤中，占深層土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量的69.16%。深層、中層、表層土壤碳均主要以有機(jī)碳形式存在。深層、中層、表層有機(jī)碳儲(chǔ)量分別占相應(yīng)深度土壤全碳儲(chǔ)量的83.53%、85.16%、88.65%。

全區(qū)深層、中層與表層土壤無機(jī)碳（TIC）總儲(chǔ)量分別為256.66Tg、156.85Tg、33.56Tg，平均單位土壤無機(jī)碳量分別為13995.33t、8552.65t、1830.01t。其中，土壤無機(jī)碳主要賦存于0～1.0m 深的中層土壤中，占深層土壤中無機(jī)碳儲(chǔ)量的61.11%。

土壤中碳主要以有機(jī)碳形式存在，且主要賦存于0～1.0m的中層土壤中。本文重點(diǎn)討論中層有機(jī)碳碳儲(chǔ)量與單位碳量在不同土壤母質(zhì)、土壤類型、土地利用、地貌類型和生態(tài)系統(tǒng)等單元中的特征并進(jìn)行比較（表3）。

表3 皖江經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域不同統(tǒng)計(jì)單元中層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)Table 3.Statistics of organic carbon storage in middle soil layer for different statistical units in the Wanjiang Economic Zone

研究區(qū)含16種不同土壤母質(zhì)，其中變質(zhì)中基性侵入巖類風(fēng)化物母質(zhì)、淺色碎屑巖類風(fēng)化物母質(zhì)、酸性巖類風(fēng)化物母質(zhì)、碳酸鹽類風(fēng)化物母質(zhì)、變質(zhì)中基性巖類風(fēng)化物母質(zhì)等單元中土壤有機(jī)碳平均碳量均超過平均值；對于不同土壤類型單元，棕壤、黃壤中有機(jī)碳平均單位碳量遠(yuǎn)大于其他土壤類型；區(qū)內(nèi)主要含平原、山地、丘陵三種地貌類型，其中平原區(qū)面積最大，達(dá)全區(qū)總面積的54.11%，但山地內(nèi)土壤有機(jī)碳平均單位碳量遠(yuǎn)高于平原區(qū)和丘陵區(qū)的土壤，固碳能力較高；對比水田、林地、旱地等不同土地利用單元，林地中土壤有機(jī)碳平均碳量最高；區(qū)內(nèi)含5種生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳平均單位碳量遠(yuǎn)高于其他生態(tài)系統(tǒng)，固碳能力較高。

3.2 土壤碳密度空間分布特征

根據(jù)單位土壤有機(jī)碳平均碳儲(chǔ)量編制了皖江經(jīng)濟(jì)帶土壤有機(jī)碳密度分布圖，因表層土壤、中層土壤與深層土壤有機(jī)碳密度空間分布總體特征一致；本文以表層土壤（圖1）為例討論。區(qū)域上呈現(xiàn)東南部皖南山地區(qū)、西部皖西山地區(qū)和北部丘陵區(qū)呈高密度、中部波狀平原和沿江丘陵平原地帶呈低密度分布的特征。皖南及皖西山地區(qū)，有機(jī)碳密度富集明顯，高值區(qū)主要集中在宣城市涇縣、宣州區(qū)、寧國縣和旌德縣交界一帶、池州市青陽縣北部、東至縣、石臺(tái)縣南部和安慶市岳西縣北部。高值區(qū)主要為燕山期酸性侵入巖區(qū)域，土壤類型主要為粗骨土、黃棕壤和暗黃棕壤，地貌主要為低起伏中山，為工作區(qū)相對海拔較高區(qū)域，植被以灌木為主，可能主要受植被落葉豐富卻因海拔高、氣溫低而分解程度低的特殊因素影響。對于長江流域沖積平原區(qū)，在長江沿岸現(xiàn)代沖積物區(qū)為連續(xù)的有機(jī)碳低密度區(qū)，而長江兩岸沖積平原為有機(jī)碳高密度區(qū)，在城市附近有機(jī)碳平均密度也明顯富集升高。對于江淮波狀平原區(qū)，在滁州市轄區(qū)和鳳陽縣有局部高值富集區(qū)，此區(qū)域土類主要為石灰?guī)r土，有機(jī)碳密度高值與此類土壤類型密切相關(guān)；而在合肥市包括肥西縣、肥東縣、長豐縣區(qū)域有大面積低值區(qū)域，土地利用類型主要有水田及旱地，可能主要受農(nóng)用翻耕加速有機(jī)質(zhì)分解影響。

圖1 皖江經(jīng)濟(jì)帶表層土壤有機(jī)碳密度圖Figure 1.Density map of topsoil organic carbon in the Wan?jiang Economic Zone

上述分布特征以表層土壤最為顯著。對于深度逐漸加深的中層土壤和深層土壤有機(jī)碳密度在區(qū)域上維持了上述有機(jī)碳密度分布格局，但在岳西縣及長江沿岸高值區(qū)域隨深度加深而逐步擴(kuò)充，在皖南山區(qū)一帶高值區(qū)隨深度加深而逐步減小。

4 結(jié)論

此次研究查明了皖江經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域內(nèi)表層、中層、深層中有機(jī)碳、無機(jī)碳、全碳含量。單位碳儲(chǔ)量在不同土壤母質(zhì)、土壤類型、土地利用、地貌類型及生態(tài)系統(tǒng)等單元存在差異。對于不同土壤類型土壤，棕壤、黃壤固碳能力較高，山地內(nèi)土壤有機(jī)碳平均單位碳量遠(yuǎn)高于平原區(qū)和丘陵區(qū)；對比水田、林地、旱地等不同土地利用單元，林地中土壤有機(jī)碳平均碳量最高；土壤有機(jī)碳含量特征受土地利用等人為活動(dòng)以及地貌、植被等因素影響最為強(qiáng)烈；區(qū)內(nèi)表層土壤有機(jī)碳區(qū)域上呈現(xiàn)東南部皖南山地區(qū)、西部皖西山地區(qū)和北部丘陵區(qū)呈高密度、中部波狀平原和沿江丘陵平原地帶呈低密度分布的特征。