三江平原土壤碳庫時空變化和影響因素研究

劉國棟，戴慧敏，楊 澤，許 江，張一鶴，魏明輝

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034)

0 引 言

土壤作為陸地最大的碳庫(1 400～1 500 Pg，0～1 m深度)[1]，在全球碳循環(huán)中起著重要的作用。據(jù)估算，土壤碳庫是大氣碳庫的2倍，是植被碳庫的2～4倍，是凋落物碳庫的10～20倍[2]，因此土壤碳庫只要發(fā)生微小變化就會對大氣CO2濃度產(chǎn)生明顯影響[3-6]。據(jù)研究，中國東北黑土地耕作10年后有機碳減少了30.64%，耕作50年后減少了54.91%[7]?？梢?，農(nóng)業(yè)活動為我們帶來經(jīng)濟效益的同時，也帶來了土地退化、溫室氣體排放量增加等環(huán)境問題。因此，全面了解我國糧食主產(chǎn)區(qū)土壤碳庫的現(xiàn)狀和時空變化，深入分析土壤碳源/匯轉(zhuǎn)化的影響因素，對于制定我國或地區(qū)的CO2排放清單，尋找未來CO2排放控制的安全途徑意義重大。

國內(nèi)外學者對全球和區(qū)域尺度的土壤碳庫分布、時空變化、影響因素、土壤固碳潛力、碳地球化學循環(huán)機理等已有不少研究，綜合研究表明自然因素及人類活動，可通過改變土壤物理、化學及環(huán)境屬性，進而改變土壤碳的輸入和輸出速率，最終影響土壤碳的平衡和土壤有機碳密度變化趨勢[8-21]。Xia等[22]選擇黑龍江松嫩平原南部作為典型研究區(qū)，利用我國在1979—1986年間開展的全國第二次土壤普查以及1999年以來開展的土地質(zhì)量地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)資料，估算出20世紀80年代以來，該區(qū)土壤向大氣排放的碳約為0.12 Gt，其中氣候變暖和土地利用變化是兩大重要因素；楊忠芳等[23]對內(nèi)蒙古中北部土壤碳庫儲量及變化研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳受氣溫和降水影響明顯，其中有機碳隨年平均氣溫升高而降低，隨年降水增加而增加。郭晶晶等[24]對長江流域土壤碳庫研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳庫增加的主要因素是林地、草地等植被恢復性生長及農(nóng)業(yè)耕作水平的提高，土地利用變化對土壤碳庫變化影響較小，而氣候變化對土壤碳庫沒有明顯影響?？梢姴煌貐^(qū)土壤碳庫儲量變化的受控因素既有一定的相似性，同時也存在一定的差別。

中國東北三江平原自新中國成立以來，為保障國家糧食安全，經(jīng)歷了十萬官兵屯墾戍邊，由昔日的“北大荒”變?yōu)槿缃竦摹氨贝髠}”，土地利用發(fā)生了急劇的變化，同時，該地區(qū)氣候變化跡象明顯，土壤侵蝕加劇[25-27]。在此背景下該地區(qū)土壤碳庫儲量及景觀分布格局如何變化？主要受控因素是什么？是本次研究擬解決的問題。本文利用兩期土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，估算了三江平原土壤碳密度，研究了土壤碳密度的分布及時空變化特征，結(jié)合土地利用變化及相關氣候資料，分析了土壤碳密度景觀分布格局及變化的受控因素。研究可為正確理解我國東北土壤碳源/匯現(xiàn)狀、制定相應轉(zhuǎn)化措施提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中緯度亞洲大陸東緣，地理坐標處于東經(jīng)128°45′至134°46′、北緯45°41′至48°23′之間，面積約5.9萬km2，屬大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，全區(qū)多年平均氣溫2.5 ℃，多年平均降水量500～650 mm。地貌類型主要為松花江、烏蘇里江、黑龍江沖積而成的平原，因此得名“三江平原”。西部、南部分別緊鄰小興安嶺和完達山脈，北部、東部被黑龍江和烏蘇里江環(huán)繞。區(qū)內(nèi)河流多為沼澤性河流，宣泄不暢。土壤以草甸土、白漿土、沼澤土、黑土、暗棕壤5種土壤類型為主，其他土壤類型占比均不足1.5%(圖1)，研究區(qū)東部土壤主要由白漿土和沼澤土為主，生長喜濕性植被，植物生長茂盛，土體上部含大量有機質(zhì)或泥炭[28]。中西部主要以草甸土為主，初始植被為草原化草甸植被，目前大部分已開墾為農(nóng)田。暗棕壤主要分布在研究區(qū)南部及西部的山前地帶，植被是以紅松為主的針闊混交林，每年有大量的植被凋落物覆蓋地表。據(jù)2010年衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果，研究區(qū)土地利用以耕地為主，耕地面積39 010 km2，占研究區(qū)總面積的66.8%。耕地中以旱地為主，旱地面積27 639 km2，占耕地總面積的71%；水田面積11 371 km2，占耕地總面積的29%，水田主要集中分布在研究區(qū)東部的濃江農(nóng)場、洪河農(nóng)場等國有農(nóng)場(圖2)。區(qū)內(nèi)沼澤地及林地分布廣泛，沼澤地分布面積7 142 km2，占研究區(qū)總面積的12.2%，主要分布在撓力河、七星河、別拉洪河、濃江、細河等漫散河流兩側(cè)的低漫灘，植被以小葉章、沼柳、苔草和蘆葦?shù)葹橹?；林地分布面積5 323 km2，占研究區(qū)總面積的9.11%，主要分布在研究區(qū)西部小興安嶺及南部完達山的低山丘陵區(qū)。

圖1 研究區(qū)土壤類型圖

圖2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀(2010年)

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試

表層土壤樣品的采集密度為1件/km2，按照1 km×1 km網(wǎng)格化布設，采樣深度0～20 cm，每件土壤樣品由3個子樣點組成。所采土壤樣品質(zhì)量在1 kg以上，采集后裝入干凈的布袋中，對于個別濕度較大的土壤樣品，裝入干凈布袋后再裝入塑料袋，以防止樣品間污染。土壤樣品經(jīng)無污染陰干，過20目尼龍篩。土壤樣品分析了土壤有機碳、全碳等54項指標。樣品采集和分析測試工作均嚴格按照《多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范》和《區(qū)域生態(tài)地球化學評價技術要求》執(zhí)行。

本文所用其他數(shù)據(jù)來源說明如下：

(1)全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)是中國科學院南京土壤研究所提供的東北地區(qū)表層土壤屬性2 km×2 km柵格數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)的屬性字段包含了土壤有機質(zhì)含量、土壤容重、土壤質(zhì)地等理化屬性數(shù)據(jù)，可以直接反映20世紀80年代土壤有機碳含量水平。因此，可以作為土壤碳庫變化的基期數(shù)據(jù)進行對比研究。根據(jù)多目標地球化學調(diào)查土壤采樣點的空間位置與柵格數(shù)據(jù)的空間關系，利用ArcGIS軟件將柵格屬性提取至土壤采樣點。

(2)氣象數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn)，該平臺記載了中國1980—2015年間各年平均氣溫，該數(shù)據(jù)集是基于全國2 400多個氣象站點日觀測數(shù)據(jù)，通過整理、計算和空間插值處理生成的柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)多目標地球化學調(diào)查土壤采樣點的空間位置與氣象柵格數(shù)據(jù)的空間位置關系，利用ArcGIS軟件將多年氣溫屬性分別提取至土壤采樣點。研究區(qū)第二次土壤普查、多目標區(qū)域地球化學調(diào)查分別在1979—1986年間、2006—2018年間開展，為保證采用土壤樣品采集期間的氣溫具有代表性，兩期調(diào)查分別采用1980—1989年間、2006—2015年間多年年均氣溫的算術平均值代表兩期的多年平均氣溫。

(3)東北地區(qū)土壤類型圖的矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學院南京土壤研究所，原數(shù)據(jù)是《1:100萬中華人民共和國土壤圖》，由全國土壤普查辦公室組織完成，中國科學院南京土壤研究所完成數(shù)據(jù)庫建設，屬性字段包含了土綱、土類及亞類。

(4)東北地區(qū)1980年、2010年土地利用 1∶10比例尺矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理科學與資源研究所，該數(shù)據(jù)由中國科學院地理科學與資源研究所牽頭，聯(lián)合中國科學院遙感應用研究所、東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所等多家單位共同完成。1980年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)的重建主要使用Landsat-MSS遙感影像數(shù)據(jù)，2010年數(shù)據(jù)的遙感解譯主要使用了Landsat-TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

計算了表層土壤有機碳密度(SOCD)及表層土壤有機碳密度變化(ΔSOCD)。SOCD計算公式為：

SOCD=TOC×D×10×1×ρ[29]

式中：SOCD為表層土壤有機碳密度，kg/m2；TOC為表層土壤有機碳含量，%；D為土壤厚度，0～20 cm取0.2 m；ρ為土壤容重, g/cm3；10為單位換算系數(shù)。

ΔSOCD=SOCD2010-SOCD1980

式中：ΔSOCD為表層土壤有機碳密度變化; SOCD2010為多目標調(diào)查時期表層土壤有機碳密度，kg/m2；SOCD1980為第二次土壤普查時期表層土壤有機碳密度，kg/m2。

土壤碳儲量統(tǒng)計方法，采用不同土壤類型或不同土地利用進行分類統(tǒng)計，各采樣點土壤類型和土地利用屬性由收集的土壤類型和土地利用矢量數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件進行屬性提取獲得，每個采樣點的SOCD代表4 km2計算單元內(nèi)土壤平均有機碳密度，計算公式如下：

式中：SCR為土壤有機碳儲量，Tg；SOCD為土壤有機碳密度，kg/m2；4為采樣點代表面積，km2；103為換算系數(shù)；j為第j類土地利用或土壤類型；n為第j類土地利用或土壤類型采樣點總數(shù)；i為某種統(tǒng)計類型下第i個采樣點。數(shù)據(jù)計算使用Microsoft Excel軟件。

開墾因素引起土壤有機碳密度下降的貢獻占比計算方法如下，以開墾為旱田為例：

式中：S旱為除開墾以外的其他因素導致土壤有機碳密度下降量占20世紀80年代土壤有機碳密度的比例，%；ΔSOCD旱為土地利用一直為旱田的土壤有機碳密度兩期變化(1980—2010年)，kg/m2；SOCD1980-旱為土地利用為旱田(無變化)的土壤在20世紀80年代的土壤有機碳密度，kg/m2；Z旱為開墾為旱田導致土壤有機碳變化占20世紀80年代有機碳密度的比例，%；ΔSOCDi旱為土地利用為第i類轉(zhuǎn)為旱田的土壤有機碳密度兩期變化，kg/m2；SOCD1980-i旱為土地利用為第i類轉(zhuǎn)為旱田的土壤在20世紀80年代時的有機碳密度，kg/m2；Si旱為開墾因素引起土壤有機碳密度下降的貢獻占比，%。開墾為水田同旱田的計算方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 三江平原土壤碳的構成與分布

3.1.1 三江平原土壤碳的構成

圖3為研究區(qū)不同土壤類型土壤有機碳密度(SOCD)及無機碳密度(SICD)的分配情況。各類型土壤碳密度構成均顯示以有機碳為主，不同土壤類型有機碳密度及總碳密度水平存在明顯差異。沼澤土、泥炭土相對區(qū)內(nèi)其他土壤類型有機碳密度高，平均在8 kg/m2以上，這與兩種土壤類型的植被覆蓋有關。研究區(qū)沼澤土、泥炭土植被覆蓋主要為水生的苔草、蘆葦?shù)人?，每年有大量凋落物回歸土壤，同時兩種類型的土壤常年被積水覆蓋，限制了土壤有機碳的排放，為土壤有機碳的累積提供了良好的自然條件。區(qū)內(nèi)白漿土、暗棕壤、新積土、草甸土、水稻土和黑土有機碳密度差別不大，各土壤類型的土壤有機碳密度在4.49～5.62 kg/m2之間。

圖3 不同土壤類型土壤有機碳密度(SOCD)和無機碳(SICD)構成

3.1.2 三江平原土壤有機碳密度的空間分布特征

圖4和圖5分別展示了三江平原20世紀80年代及當前表層土壤有機碳密度的空間分布特征，兩期有機碳密度均呈現(xiàn)分布不均勻的特點，空間分布既有一定的相似性又存在局部的差異。研究區(qū)松花江以北普陽農(nóng)場—二九零農(nóng)場地區(qū)表層土壤SOCD兩期均呈低背景場，20世紀80年代表層土壤有機碳密度在3.28～5.26 kg/m2之間，而當前表層土壤有機碳密度大部分區(qū)域在4.0 kg/m2以下，局部低于2.8 kg/m2，說明土壤有機碳密度呈現(xiàn)下降趨勢。普陽農(nóng)場—蘿北地區(qū)、七臺河—佳木斯地區(qū)當前土壤有機碳密度>8.4 kg/m2的分布區(qū)較20世紀80年代明顯減少。研究區(qū)東部沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)樗镒顬榧械臐饨r(nóng)場—銀川鄉(xiāng)、洪河農(nóng)場—二道河農(nóng)場地區(qū)表層土壤有機碳密度兩期均顯示高背景場；研究區(qū)沿撓力河、七星河、別拉洪河、濃江等沼澤性河流兩岸的低漫灘地區(qū)表層土壤有機碳密度均顯示高背景場，平均在8.0 kg/m2以上，局部達到13.0 kg/m2以上，這些區(qū)域20世紀80年代土地利用主要以沼澤濕地為主(圖6)，植被以小葉章、沼柳、苔草和蘆葦?shù)葹橹?，種類繁多、生長茂盛，給該區(qū)土壤有機碳地累積提供了良好的物源條件，后期被廣泛開發(fā)為農(nóng)田。根據(jù)當前土壤有機碳密度分布格局，雖然沼澤濕地被開墾多年，但是表層土壤SOCD卻依然處于很高的背景，說明沼澤濕地是一個巨大的土壤碳庫，在碳封存方面發(fā)揮了重要作用。

圖4 三江平原20世紀80年代表層土壤有機碳密度分布

圖5 目前三江平原表層土壤有機碳密度分布

圖6 三江平原1980—2010年主要土地利用變化分布

3.2 三江平原土壤有機碳儲量與時空變化

3.2.1 各土壤類型下的有機碳儲量

第二次全國土壤普查(1979—1992年)較詳細地對中國土壤狀況進行了調(diào)查和研究，調(diào)查成果直接反映了20世紀80年代土壤有機碳水平，是土壤有機碳庫變化定量研究的重要基期數(shù)據(jù)。本研究按照不同土壤類型分別計算了研究區(qū)兩期表層土壤有機碳密度，分別表示為SOCD1980、SOCD2010，并根據(jù)采樣點計算相應的土壤類型面積和兩期有機碳儲量(SOCS1980和SOCS2010)，見表1。結(jié)果表明：草甸土、沼澤土、白漿土及暗棕壤的有機碳密度兩期均顯示較高背景，且上述土壤類型在研究區(qū)分布面積最為廣泛，因此這些土壤類型具有較高的土壤有機碳儲量。從各土壤類型兩期有機碳儲量變化看，除新積土外，其余類型有機碳密度均呈下降趨勢，較20世紀80年代下降幅度在1.5%～87%之間，沼澤土、泥炭土、黑土、灰褐土等土壤類型土壤有機碳密度下降明顯，下降幅度在30%以上，尤其沼澤土和泥炭土下降幅度達70%以上，而白漿土、草甸土有機碳密度下降幅度相對較小，在20%以下。全區(qū)統(tǒng)計顯示，研究區(qū)30年來表層土壤有機碳儲量由20世紀80年代的641 Tg下降到當前的348 Tg，下降近45.7%，說明30年間三江平原是一個巨大的碳源效應區(qū)。

表1 三江平原不同土壤類型表層土壤兩期有機碳密度及碳儲量統(tǒng)計

3.2.2 土壤有機碳庫的時空變化特征

圖7顯示了30年來研究區(qū)土壤碳密度變化分布格局，圖中正值表示30年來的土壤有機碳密度增加量，負值表示減少量。由圖7可見，研究區(qū)大部分地區(qū)土壤有機碳密度在減少，尤其寶清縣、富錦市、饒河縣及撫遠縣境內(nèi)的廣大草甸土和沼澤土區(qū)，土壤有機碳密度下降明顯，平均下降2.8 kg/m2以上，這些地區(qū)同時也是自20世紀80年代以來由沼澤濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦刈顬榧械牡貐^(qū)。對比研究區(qū)1980年、2010年土地利用發(fā)現(xiàn)，20世紀80年代以來，研究區(qū)土地利用發(fā)生急劇變化，耕地由原來的2.56萬km2增加到3.90萬km2，增加了1.34萬km2，其中旱地面積增加了4 152 km2，水田面積增加了9 296 km2(表2)。而濕地、林地、草地存在不同程度的萎縮，其中濕地萎縮面積最大，由20世紀80年代的17 139 km2，減少到2010年的7 142 km2，減少了9 997 km2；林地減少了2 978 km2，草地減少了2 178 km2，說明增加的耕地主要由濕地、林地、草地的圍墾所產(chǎn)生。綜上，三江平原土壤有機碳的降低主要與研究區(qū)開墾有關。已有研究表明沼澤地、草地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀瑫铀偻寥烙袡C碳的分解速率，造成土壤有機碳降低[30]。本次研究統(tǒng)計了三江平原土地利用變化主要類型對應的土壤有機碳密度變化狀況，結(jié)果表明：草地、林地及沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)楦赝寥烙袡C碳密度下降在4.1～12.8 kg·m-2之間，沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档赝寥烙袡C碳下降明顯，平均下降12.8 kg·m-2，說明濕地的開墾確實會造成土壤有機碳的大量流失。

圖7 三江平原1980—2010年表層(0～20 cm)土壤有機碳密度(SOCD)變化

表2 三江平原兩期土地利用統(tǒng)計

3.3 土壤碳庫變化的影響因素

3.3.1 開墾對土壤有機碳庫的影響

表層土壤受到自然條件和人為活動的影響最為顯著，它直接與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)發(fā)生動態(tài)的耦合，其有機碳密度的變化和分布敏感地響應于外界環(huán)境的變化，外界環(huán)境變化包括：土地利用、氣候、耕作方式、水土侵蝕等。土地利用/覆被變化是造成碳循環(huán)不平衡的重要原因之一，是全球變化研究的重點[31]，土地利用/土地覆被變化既可改變土壤有機碳的輸入，又可通過改變小氣候和土壤條件來影響土壤有機碳的分解速率，從而影響土壤有機碳儲量。系統(tǒng)梳理三江平原主要土地利用變化對應的土壤有機碳密度參數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，土地利用變化類型主要為草地、林地和沼澤濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，三江平原幾乎所有的開墾都造成了自然生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳密度的降低。除沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)楹堤锿?，所有開墾類型有機碳密度30年間損失在40%～50%之間，沼澤地轉(zhuǎn)為旱地有機碳損失最大，損失達63.47%，可見開墾會造成土壤有機碳的損失。自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田引起土壤SOC損失的機制:一是耕作的物理效應，即耕作破壞了土壤的團聚體結(jié)構，使土壤中的有機物質(zhì)充分暴露在空氣中，更容易吸收太陽輻射帶來的熱量，失去保護作用進而加速土壤有機碳的分解[32-33]；二是土壤孔隙、濕度、溫度條件得到改善，微生物活性增強促進了呼吸作用，加速了有機質(zhì)的礦化,植物殘體混合在土壤中也比表層更易于分解[34]；三是林草被作物取代后使初級生產(chǎn)固定的碳素向土壤中的分配比例降低(生物量的地下與地上比例降低)，收割又減少了地上生物量中碳素向土壤的輸入；四是耕作使得土壤更易受到侵蝕(風蝕和水蝕)[35]。許多研究報道,林地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾笤?0～30年內(nèi)會造成20%～50%有機碳的損失，大部分損失來自地表有機質(zhì)的侵蝕，而且在轉(zhuǎn)換后的最初幾年里變化速率最大[36-37]，然后變化速率慢慢降低，在20年內(nèi)逐漸達到平衡(大約是原來森林的50%)，隨后依自然植被、氣候、土壤類型、管理實踐和時間的變化而變化[38-39]。為進一步研究開墾對土壤有機碳密度的影響程度，本次研究提取了30年來一直為耕地(水田及旱田)的樣本，統(tǒng)計計算了土壤有機碳密度變化占基期有機碳密度的比值，該比值可衡量除土地利用變化以外的因素(耕作制度、氣候、土壤侵蝕等)對表層土壤有機碳密度的影響程度，進而估計土地利用/覆被變化對研究區(qū)土壤有機碳密度變化的貢獻率。由表3可知，不同開墾類型對土壤有機碳減少的貢獻存在差異：草地開墾為旱地的貢獻率14.64%，開墾為水田的貢獻率39.72%；林地開墾為旱地的貢獻率21.28%，開墾為水田的貢獻率46.66%；沼澤地開墾為旱地的貢獻率最大達45.71%，開墾為水田的貢獻率46.66%。說明開墾是研究區(qū)30年來表層土壤有機碳密度減少的重要原因，特別是濕地圍墾所引起的有機碳密度下降占表層土壤有機碳密度減少的45%左右；草地、林地開墾因素占土壤有機碳密度減少的15%～40%。因此適度退耕還林、還濕、還草是研究區(qū)固碳減排的一項重要措施。

表3 三江平原主要開墾類型土壤有機碳密度變化

3.3.2 氣候因素對土壤碳源匯的影響

為了探索氣候?qū)ν寥烙袡C碳庫的影響，統(tǒng)計了研究區(qū)土壤多年平均氣溫(MAT)和多年平均降水(MAP)與表層土壤有機碳密度的相關關系。表4顯示，氣溫及降水均與研究區(qū)土壤有機碳密度顯著相關，MAT與有機碳密度呈負相關關系，即氣溫越高，土壤有機碳密度越低；MAP與土壤有機碳密度呈正相關關系，即降雨量越大，土壤有機碳密度越高。這證實了氣候是控制土壤有機碳空間分布格局的因素之一。據(jù)中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺記載的中國1980—2015年以來逐年年平均氣溫及降雨數(shù)據(jù)，1980—1989年間研究區(qū)多年平均降雨量為590.1 mm，2006—2015年間多年年均降雨量為591.9 mm，30年來降雨量變化不大，對土壤有機碳庫的變化影響較??；而1980—1989年間研究區(qū)多年平均氣溫為1.87 ℃，2006—2015年間多年平均氣溫為2.66 ℃，30年來研究區(qū)增溫0.79 ℃，溫度變化明顯。本研究建立了氣溫與表層(0～20 cm)土壤有機碳密度的相關關系方程(圖8)，并估算了研究區(qū)土壤年平均氣溫升高表層土壤有機碳密度及有機碳庫的變化(表5)。統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)30年來的溫度升高導致的表層土壤有機碳庫減少約7.4 Tg，占表層土壤有機碳庫總減少量的2.52%，可見氣溫升高的因素對研究區(qū)土壤有機碳庫的減少產(chǎn)生的影響不大。

表5 由于氣溫升高估算研究區(qū)表層(0～20 cm)土壤碳庫變化量統(tǒng)計

圖8 研究區(qū)氣溫與表層(0～20 cm)土壤有機碳密度的相關關系

表4 多年平均氣溫(MAT)、降雨(MAP)與土壤有機碳密度的皮爾遜相關系數(shù)統(tǒng)計

3.3.3 水土侵蝕對土壤有機碳庫的影響

劉嘉麒等2007年利用大賚水文站(控制嫩江流域)1956—2000年以來月平均流量(Q)、月平均總懸浮固體(TSS)、顆粒有機碳(POC)、溶解有機碳(DOC)等數(shù)據(jù)，計算了中國東北嫩江流域匯水面積內(nèi)隨河流遷出的多年平均有機碳通量，約為0.83 t/(km2·a)，計算結(jié)果見表6[40]。本次研究將該值作為估算三江平原隨河流遷出的平均有機碳通量參考值，研究區(qū)面積約為5.87萬km2，據(jù)此估算研究區(qū)30年間隨河流遷出的總有機碳約為1.46 Tg，僅占研究區(qū)表層(0～20 cm)土壤有機碳庫損失的0.5%，對于研究區(qū)土壤有機碳損失貢獻不大。

表6 嫩江流域有機碳通量計算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文利用多目標區(qū)域地球化學調(diào)查獲取的土壤有機碳和無機碳數(shù)據(jù)，計算了中國東北三江平原土壤碳密度，分析了近30年來土壤碳庫變化狀況和影響因素，主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)表層土壤碳以有機碳形式為主，不同土壤類型有機碳密度及總碳密度水平有明顯差異。沼澤土、泥炭土相對區(qū)內(nèi)其他土壤類型有機碳密度高，平均在8 kg/m2以上，這與兩種土壤類型的植被覆蓋有關。空間分布上，三江平原表層土壤有機碳密度20世紀80年代和當前均呈現(xiàn)分布不均勻的特點，空間分布既有一定的相似性又存在局部的差異。當前土壤有機碳密度>8.4 kg/m2的分布區(qū)較20世紀80年代明顯減少。研究區(qū)東部沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)樗镒顬榧械臐饨r(nóng)場—銀川鄉(xiāng)、洪河農(nóng)場—二道河農(nóng)場地區(qū)，雖然被開墾多年，但是表層土壤SOCD卻依然處于很高的背景。

(2)研究區(qū)表層土壤有機碳當前儲量約為348 Tg，區(qū)內(nèi)草甸土、沼澤土、白漿土及暗棕壤的有機碳儲量較高。研究區(qū)是碳源效應區(qū)，30年間土壤有機碳減少了293.07 Tg，較基期下降45.7%，其中隨河流遷出的有機碳約為1.46 Tg。三江平原絕大部分地區(qū)土壤有機碳密度在減少，尤其寶清縣、富錦市、饒河縣及撫遠縣境內(nèi)由沼澤濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦刈顬榧械牟莸橥梁驼訚赏羺^(qū)，土壤有機碳密度減少幅度大，平均減少2.8 kg/m2以上。

(3)土壤有機碳的減少主要與研究區(qū)土地利用的急劇變化有關。三江平原所有的開墾都造成了自然生態(tài)系統(tǒng)SOCD的降低。沼澤地轉(zhuǎn)為旱地有機碳損失最大，損失達63.47%，其余開墾類型有機碳密度30年間損失在40%～50%之間，氣候是控制土壤有機碳空間分布格局的主要因素之一，氣溫與有機碳密度呈負相關關系，降雨與土壤有機碳密度呈正相關關系。研究區(qū)30年來的溫度升高導致的表層土壤有機碳庫減少量約7.4 Tg，占表層土壤有機碳庫總減少量的2.52%。

致謝：文中使用的土壤有機碳和無機碳數(shù)據(jù)來源于土地地球化學調(diào)查，該項目由自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心、水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心分別組織實施，黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院等單位承擔采樣、分析等工作。由于參與單位和人員眾多，無法一一列舉，筆者感謝該項目參加單位和人員付出的勞動及基礎資料的支持。