松遼平原土壤碳庫(kù)變化及其原因分析

劉國(guó)棟，李祿軍，戴慧敏，許江，劉凱，張一鶴，楊澤

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034； 3.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑龍江海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引言

土壤作為陸地最大的碳庫(kù)(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)估計(jì)，全球土壤表層總碳儲(chǔ)量2 100 Pg，其中有機(jī)碳儲(chǔ)量大約1 550 Pg，是大氣碳庫(kù)的3倍，陸地植被碳庫(kù)的2～4倍，因此土壤碳庫(kù)只要發(fā)生微小變化就會(huì)對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生明顯影響[2-6]。有研究表明，土壤通過(guò)呼吸作用向大氣釋放CO2的年通量占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳交換總量的2/3[7]，是化石燃料燃燒排放的10倍[8]。因此，全面了解土壤碳庫(kù)的現(xiàn)狀和變化，對(duì)于國(guó)際社會(huì)制定國(guó)家或地區(qū)的CO2排放清單，尋找未來(lái)CO2排放控制的安全途徑意義重大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全球和區(qū)域尺度土壤碳庫(kù)分布、時(shí)空變化、影響因素、土壤固碳潛力、碳地球化學(xué)循環(huán)機(jī)理已有不少研究[9-19]，結(jié)果表明，自然因素及人類活動(dòng)可通過(guò)改變土壤物理、化學(xué)及環(huán)境屬性，進(jìn)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(jī)碳密度。楊忠芳等[20]對(duì)內(nèi)蒙古中北部土壤碳庫(kù)儲(chǔ)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(jī)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[21]對(duì)長(zhǎng)江流域土壤碳庫(kù)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致長(zhǎng)江流域土壤碳庫(kù)增加的主要因素是林地、草地等植被的恢復(fù)性生長(zhǎng)及農(nóng)業(yè)耕作水平的提高，而土地利用及氣候變化對(duì)長(zhǎng)江流域土壤碳庫(kù)變化的影響較小；土壤侵蝕對(duì)水田影響較小，但對(duì)旱地影響較大?？梢?jiàn)不同地區(qū)土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量變化的受控因素既有一定的相似性同時(shí)也存在一定的差異。

中國(guó)東北松遼平原自建國(guó)以來(lái)，為保障我國(guó)糧食安全，完成了從“北大荒”到“北大倉(cāng)”的歷史巨變，成為了中國(guó)最大的商品糧生產(chǎn)基地，同時(shí)這里近50年來(lái)氣候變化跡象明顯，土壤侵蝕加劇[22-24]。因此，在此背景下該地區(qū)土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量及分布如何變化？變化的主要受控因素是什么？對(duì)大氣CO2貢獻(xiàn)了多少？是本研究擬解決的問(wèn)題。筆者利用全國(guó)第二次土壤普查及2006年以來(lái)中國(guó)東北松遼平原多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查兩期土壤數(shù)據(jù)，計(jì)算了松遼平原土壤碳儲(chǔ)量及其變化，并估算了研究區(qū)近30年來(lái)對(duì)大氣CO2的貢獻(xiàn)，結(jié)合土地利用、土壤類型、氣候等資料系統(tǒng)分析了土壤碳密度分布及時(shí)空變化的影響因素。本研究可為認(rèn)識(shí)全球四大黑土農(nóng)耕區(qū)土壤碳源/匯現(xiàn)狀、轉(zhuǎn)化措施、土壤碳庫(kù)影響因素等研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)東北松遼平原，地處中緯度亞洲大陸東緣，東經(jīng)120°30′～128°18′，北緯38°41′～50°2′之間，面積約36.5萬(wàn)km2。全區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，夏季短促而溫暖多雨，冬季漫長(zhǎng)而寒冷干燥，多年平均氣溫5.3 ℃，多年平均降水量350～700 mm。研究區(qū)四周為山麓，向內(nèi)由丘陵臺(tái)地逐漸過(guò)渡為沖洪積平原，海拔在120～500 m之間。

區(qū)內(nèi)土壤類型主要有黑土、黑鈣土、草甸土、褐土、潮土、白漿土、沼澤土、暗棕壤等(圖1)，研究區(qū)東部土壤主要由黑土、黑鈣土組成；西部主要由草甸土、褐土組成；南部及西部的山前地帶主要由暗棕壤組成，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[25]。

圖1 研究區(qū)土壤類型Fig.1 Soil types map of the study area

土地利用以耕地為主，面積209 784 km2，占研究區(qū)57.04%，耕地中以旱地為主，旱地占耕地總面積87.79%。林地主要分布在松遼平原東部低山丘陵地帶，草地主要分布在松遼低平原中西部大慶—白城地區(qū)。鹽堿地、沙地在研究區(qū)中西部發(fā)育廣泛，分布面積分別為13 970 km2、2 432 km2。其他土地利用類型分布面積和特征詳見(jiàn)圖2及表1。

圖2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀(2010年)Fig.2 Current situation of land use in the study area(2010)

表1 研究區(qū)土地利用類型統(tǒng)計(jì)

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

表層土壤樣品采集密度1件/km2，按照1 km×1 km網(wǎng)格化布設(shè)，采樣深度均為0～20 cm，每件土壤樣品均由3個(gè)子樣點(diǎn)組成。深層土壤樣品采集密度1件/4 km2，按照2 km×2 km網(wǎng)格化布設(shè)，采樣深度150～180 cm。所采土壤樣品質(zhì)量均在1 kg以上，采集后裝入干凈的布袋中，對(duì)于個(gè)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(wú)污染陰干，過(guò)20目尼龍篩，供土壤有機(jī)碳及全碳含量測(cè)定。松遼平原共采集表層土壤365 292件，深層土壤91 323件。樣品采集和分析測(cè)試工作均嚴(yán)格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》[26]執(zhí)行。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用其他數(shù)據(jù)來(lái)源說(shuō)明如下：

1) 全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)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(jī)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(jì)80年代土壤有機(jī)碳含量水平。因此，可以作為土壤碳庫(kù)變化的基期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。根據(jù)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查土壤采樣點(diǎn)的空間位置與柵格數(shù)據(jù)的空間位置關(guān)系，利用ArcGIS軟件將柵格屬性提取至土壤采樣點(diǎn)。

2) 氣象數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn)，該平臺(tái)記載了中國(guó)1980～2015年各年平均氣溫，該數(shù)據(jù)集是基于全國(guó)2 400多個(gè)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)整理、計(jì)算和空間插值處理生成的柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查土壤采樣點(diǎn)的空間位置與氣象柵格數(shù)據(jù)的空間位置關(guān)系，利用ArcGIS軟件將多年氣溫屬性提取至土壤采樣點(diǎn)。研究區(qū)第二次土壤普查和多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查分別在1979～1986年、2006～2018年開(kāi)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、2006～2015年多年年均氣溫算術(shù)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(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，原數(shù)據(jù)是《1∶100萬(wàn)中華人民共和國(guó)土壤圖》，由全國(guó)土壤普查辦公室組織完成的，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所完成的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，屬性字段包含了土綱、土類及亞類。

4) 東北地區(qū)1980年、1995年、2010年土地利用 1∶10萬(wàn)比例尺矢量數(shù)據(jù)：來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，該數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)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、1995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)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

分別計(jì)算土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳密度(SOCD20)、深層(0～180 cm)有機(jī)碳密度(SOCD180)[27]和表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度變化(ΔSOCD20)。SOCD的計(jì)算公式為

SOCD=TOC×D×10×1×ρ。

式中：SOCD表示土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；TOC表示土壤有機(jī)碳含量，%；D為土壤厚度，0～20 cm取0.2 m，0～180取1.8 m；ρ為土壤容重，g/cm3；10為單位換算系數(shù)。

式中：TOC表為表層土壤有機(jī)碳含量，%；TOC深為深層土壤有機(jī)碳含量，%；d1取0.1 m，d2取1.8 m。

ΔSOCD20=SOCD2010-SOCD1980。

式中：ΔSOCD20為表層土壤(0～20 cm)有機(jī)碳密度變化；SOCD2010為多目標(biāo)調(diào)查時(shí)期表層土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；SOCD1980為第二次土壤普查時(shí)期表層土壤有機(jī)碳密度，kg/m2。

土壤碳儲(chǔ)量采用不同土壤類型和不同土地利用進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，各采樣點(diǎn)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)通過(guò)ARCGIS軟件疊加分析獲得，每個(gè)采樣點(diǎn)的SOCD代表4 km2計(jì)算單元土壤有機(jī)碳密度，計(jì)算公式如下：

式中：SOCS為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，Tg；SOCD為土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；4為采樣點(diǎn)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(diǎn)總數(shù)；i為某種統(tǒng)計(jì)類型下第i個(gè)采樣點(diǎn)。

氣溫變化影響土壤碳密度變化量的計(jì)算方法：按照土地利用方式分別擬合溫度(t/℃)與土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)相關(guān)關(guān)系方程，再結(jié)合溫度變化(Δt/℃)計(jì)算土壤有機(jī)碳變化量。

3 結(jié)果與討論

3.1 松遼平原土壤碳的構(gòu)成與分布

3.1.1 松遼平原土壤碳的構(gòu)成

不同土壤類型土壤全碳含量差異顯著(圖3a)，沼澤土、暗棕壤全碳含量相對(duì)較高，含量在3%以上；潮土、褐土、風(fēng)沙土、栗鈣土全碳含量較低，含量在1%以下；其他土壤類型全碳含量在1%～3%之間。各土壤類型全碳組成均以有機(jī)碳為主，不同土壤類型表層土壤有機(jī)碳與無(wú)機(jī)碳構(gòu)成比例差異較大，沼澤土、暗棕壤、泥炭土、白漿土、水稻土、黑土等有機(jī)碳占土壤總碳90%以上，而位于松遼平原西南部半干旱地區(qū)的栗鈣土、潮土、風(fēng)沙土、褐土區(qū)土壤有機(jī)碳占總碳含量80%以下(圖3b)。不同土壤類型地表植被覆蓋不同決定了土壤有機(jī)碳累計(jì)強(qiáng)度不同，因此不同土壤類型土壤總碳含量、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的占比就存在差異?？梢?jiàn)土壤有機(jī)碳是研究區(qū)主要的碳存在形式，由于土壤有機(jī)碳在幾十年的時(shí)間尺度下不穩(wěn)定，對(duì)土壤碳源/匯變化貢獻(xiàn)大，而無(wú)機(jī)碳與有機(jī)碳恰好相反，因此本文重點(diǎn)研究土壤有機(jī)碳及其變化因素。

圖3 松遼平原各土壤類型表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳(SOC)和無(wú)機(jī)碳(SIC)含量(a)及其比例(b)Fig.3 Contents of soil organic carbon and inorganic carbon in surface layer (0～20 cm) of different soil types in Songliao Plain

3.1.2 松遼平原土壤有機(jī)碳密度空間分布特征

土壤有機(jī)碳密度呈現(xiàn)由西南溫暖半干旱區(qū)向東北寒冷濕潤(rùn)區(qū)逐漸升高的分布格局(圖4)，顯示松遼平原土壤有機(jī)碳密度空間分布不均勻的特點(diǎn)。這與研究區(qū)內(nèi)氣候、土壤類型及植被覆蓋的差異性有關(guān)。松遼平原西南部沙化嚴(yán)重的通遼—阜新地區(qū)、沿渤海灣營(yíng)口—大連濱海鹽土區(qū)、松嫩平原西部的大慶—松原鹽堿化區(qū)土壤有機(jī)碳密度均較低，有機(jī)碳密度在0.05～1.68 kg/m2之間，平均為1.16 kg/m2；松嫩平原北部的綏化—北安地區(qū)、榆樹(shù)—尚志地區(qū)土壤有機(jī)碳密度高，是西南部半干旱區(qū)近8倍之多，密度在5.66～62.52 kg/m2之間，平均為8.86 kg/m2。該區(qū)為寒冷濕潤(rùn)區(qū)，主要土壤類型為黑土、黑鈣土及暗棕壤，其中黑土及黑鈣土原始覆蓋自然植被為草原化草甸植被，而暗棕壤區(qū)地表覆蓋為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，給該區(qū)土壤有機(jī)碳的累積提供良好的自然條件。

圖4 松遼平原表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度(SOCD)分布Fig.4 Distribution of soil organic carbon density in surface layer (0～20 cm) of Songliao Plain

3.1.3 各土壤類型下的有機(jī)碳儲(chǔ)量

按照不同土壤類型分別計(jì)算了0～20 cm和0～180 cm土壤平均有機(jī)碳密度(SOCD20和SOCD180)，并根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)量計(jì)算相應(yīng)的土壤類型面積和儲(chǔ)量(SOCS20和SOCS180)見(jiàn)表2。各土壤類型有機(jī)碳密度和面積的不同決定了土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量的差異，草甸土、黑土、黑鈣土及暗棕壤在研究區(qū)分布面積廣泛，同時(shí)各土壤類型有機(jī)碳密度相對(duì)較高，因此，這些土壤類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較大；火山灰土、石質(zhì)土、鹽土、堿土等土壤類型受分布面積小和土壤有機(jī)碳密度低的影響，這些土壤類型有機(jī)碳儲(chǔ)量較低。經(jīng)估算，研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1 448 Tg，0～180 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為7 380 Tg，可見(jiàn)松遼平原是巨大的土壤碳庫(kù)分布區(qū)，政府和公眾對(duì)松遼平原土壤碳庫(kù)應(yīng)給予更多的關(guān)注。

表2 松遼平原不同土壤類型土壤有機(jī)碳密度及碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)

3.2 土壤有機(jī)碳庫(kù)變化

3.2.1 土壤有機(jī)碳密度變化空間分布特征

對(duì)兩期表層土壤有機(jī)碳密度對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)的哈爾濱—大慶、松原—通遼、四平—鐵嶺等地區(qū)土壤有機(jī)碳密度較20世紀(jì)80年代下降明顯(圖5)，尤其哈爾濱—大慶地區(qū)有機(jī)碳密度下降幅度在2.2～54.2 kg/m2之間；而松嫩平原北部和西部的低山丘陵區(qū)、松遼平原中部的四平—德惠地區(qū)，當(dāng)前土壤有機(jī)碳密度較20世紀(jì)80年呈上升趨勢(shì)，尤其松遼平原北部的低山丘陵區(qū)土壤有機(jī)碳上升趨勢(shì)明顯，上升范圍在1.72～52.13 kg/m2之間，這可能與該區(qū)土地利用和植被覆蓋有關(guān)。

圖5 松遼平原表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度變化Fig.5 Changes of soil organic carbon density in surface layer (0～20 cm) of Songliao Plain

3.2.2 各土地利用類型下的碳庫(kù)變化

按照各土地利用類型統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳密度及儲(chǔ)量變化情況(表3)。由表可知，除了林地和沼澤地外，其他各土地利用類型有機(jī)碳密度總體上呈下降趨勢(shì)。從各土地利用方式碳庫(kù)變化可知，松遼平原旱地較20世紀(jì)80年代減少了76.12 Tg，其次為鹽堿地和草地分別減少16.32 Tg、15.93 Tg，碳源效應(yīng)明顯；林地及沼澤地土壤碳庫(kù)呈增加趨勢(shì)，較20世紀(jì)80年代分別增加3.32 Tg、11.84 Tg，碳匯效應(yīng)明顯。對(duì)比松遼平原表層土壤兩期有機(jī)碳儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前較20世紀(jì)80年代減少了115.94 Tg，30年間下降7.41%，是碳源效應(yīng)區(qū)，因此東北應(yīng)采取合理的土地管理措施，倡導(dǎo)低碳農(nóng)業(yè)，維持和提升土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤固碳能力。

表3 各土地利用類型下表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度及碳庫(kù)變化

3.3 土壤碳庫(kù)及變化的影響因素

3.3.1 土地利用的影響

圖6是自20世紀(jì)80年代以來(lái)土地利用無(wú)變化的各類型表層(0～20 cm)和深層(0～180 cm)土壤有機(jī)碳的平均密度，分別表示為SOCD20、SOCD180。由圖可知，不同土地利用的土壤有機(jī)碳密度現(xiàn)狀存在明顯差異，未利用土地是研究區(qū)有機(jī)碳密度最大的土地利用類型，表層土壤有機(jī)碳密度達(dá)7.79 kg/m2，其次是沼澤地、林地，表層土壤有機(jī)碳密度分別達(dá)7.71 kg/m2、6.16 kg/m2；鹽堿地、沙地等土地利用類型中土壤有機(jī)碳密度較低，在2 kg/m2以下；說(shuō)明土地利用是影響松遼平原土壤有機(jī)碳密度景觀分布格局的因素之一，其根本原因在于不同土地利用的地表覆被和人類生產(chǎn)生活干預(yù)的差異，導(dǎo)致各利用類型有機(jī)碳物源補(bǔ)給條件和有機(jī)碳輸出環(huán)境不同，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳密度的差異化分布。

圖6 土地利用未變化土壤有機(jī)碳密度統(tǒng)計(jì)Fig.6 Soil organic carbon density statistics of land use unchanged

圖7展示了自20世紀(jì)80年代以來(lái)土地利用無(wú)變化各類型表層土壤有機(jī)碳密度變化(ΔSOCD20)狀況。正值表示30年間土壤平均有機(jī)碳密度增加，負(fù)值表示減少，據(jù)此可知，不同土地利用土壤碳密度的變化趨勢(shì)存在明顯差異。松遼平原未利用土地、沼澤地、林地處于增加趨勢(shì)，起到了明顯的碳匯效應(yīng)；水田基本處于碳平衡狀態(tài)；旱地、建設(shè)用地、鹽堿地、沙地等類型表現(xiàn)為明顯的碳源效應(yīng)；說(shuō)明土地利用是影響松遼平原土壤有機(jī)碳密度變化趨勢(shì)的控制因素之一，松遼平原如果適度退耕還林還濕將起到土壤固碳效應(yīng)，這也是全球黑土農(nóng)耕區(qū)固碳減排的重要措施之一。

圖7 30年土地利用未變化條件下表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度變化對(duì)比Fig.7 Comparison of surface soil(0～20 cm) organic carbon density changes without land use change in the past 30 years

3.3.2 土地利用變化對(duì)土壤碳密度的影響

表層土壤受到自然和人類活動(dòng)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(dòng)態(tài)的耦合，其有機(jī)碳密度的變化和分布受外界環(huán)境變化的影響非常敏感[28]。土地利用方式會(huì)隨著人為和自然因素的變化而變化，從而導(dǎo)致土壤碳密度的增加或者降低。表4中統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)主要土地利用轉(zhuǎn)變類型的土壤有機(jī)碳密度變化情況。結(jié)果顯示：在1995～2010年間林地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档?開(kāi)墾0～15年)的當(dāng)前土壤有機(jī)碳密度高于20世紀(jì)80年代0.71 kg/m2；而在1980～1995年間林地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档?開(kāi)墾15～30年)的當(dāng)前土壤有機(jī)碳密度低于20世紀(jì)80年代0.49 kg/m2，說(shuō)明林地隨開(kāi)墾年代的增加土壤有機(jī)碳碳密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，會(huì)由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚葱?yīng)區(qū)。沼澤地、草地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档嘏c之相似。旱地轉(zhuǎn)為水田與其相反，土壤有機(jī)碳密度呈增加趨勢(shì)，起到明顯的碳匯效應(yīng)。由此判斷，松遼平原林地、水田、沼澤地為調(diào)查區(qū)碳匯的主要土地利用方式。目前的許多研究結(jié)果認(rèn)為，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，我國(guó)近幾十年水田耕作土壤的有機(jī)碳密度明顯增加[29-31]，本次研究旱田轉(zhuǎn)為水田15～30年后土壤有機(jī)碳密度由源轉(zhuǎn)為匯，說(shuō)明松遼平原水田的表層土壤有機(jī)碳處于逐漸增加的趨勢(shì)。

表4 土地利用變化后近30年土壤有機(jī)碳密度變化

3.3.3 氣候因素對(duì)土壤碳源/匯的影響

為探索氣溫對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響，分析了不同土地利用多年平均氣溫(MAT)和表層土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示，氣溫與研究區(qū)各土地利用土壤有機(jī)碳密度具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5)，即氣溫越高，土壤有機(jī)碳密度越低，這與楊忠芳等[20]研究結(jié)果一致，也再次證實(shí)了溫度是控制土壤有機(jī)碳空間分布格局的主要因素之一。據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)記載的中國(guó)1980～2015年以來(lái)逐年年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)插值計(jì)算，1980～1989年間研究區(qū)多年平均氣溫為 4.98 ℃，2006～2015年間多年年均氣溫5.36 ℃，30年來(lái)研究區(qū)增溫0.38℃。這與任國(guó)玉等認(rèn)為中國(guó)平均地表氣溫變暖的結(jié)論相同，本次研究認(rèn)為東北地區(qū)低于全國(guó)增溫速率0.22 ℃/(10a)[32]。

表5 多年平均氣溫MAT與表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)關(guān)系

按照不同土地利用方式建立了氣溫與表層土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)關(guān)系方程，并估算了各土地利用類型下年平均氣溫升高表層土壤碳密度的變化量及有機(jī)碳庫(kù)變化量(表6)。結(jié)果表明，近30年來(lái)松遼平原表層土壤有機(jī)碳庫(kù)減少116 Tg，其中由于溫度升高導(dǎo)致的表層土壤有機(jī)碳庫(kù)減少量約107.52 Tg，說(shuō)明氣溫升高對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)的降低產(chǎn)生了重要影響。林地、水田、沼澤地土壤固碳效應(yīng)明顯，碳匯效應(yīng)抵消了部分由于溫度升高導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳損失。松遼平原旱地、草地、建設(shè)用地、沙地、鹽堿地等利用類型有機(jī)碳減少的主要原因是30年來(lái)氣溫的升高，尤其是旱地和草地溫度升高導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)減少量占總變化量的70%，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用變化、水土流失等因素引起有機(jī)碳減少僅占總損失的30%左右。Xia等[33]研究了自然和人為因素對(duì)黑龍江松嫩平原南部土壤碳庫(kù)的影響，認(rèn)為松嫩平原南部土壤碳庫(kù)丟失主要來(lái)源于氣溫的升高，本次研究結(jié)果與之吻合。

表6 松遼平原氣溫升高對(duì)表層(0～20 cm)土壤碳庫(kù)變化的影響

3.3.4 侵蝕過(guò)程對(duì)土壤碳庫(kù)變化的影響

土體中損失的有機(jī)碳是建立在特定時(shí)間端點(diǎn)的SOC差值，對(duì)于局部尺度損失的有機(jī)碳并不都是通過(guò)礦化以CO2的形式釋放到大氣中，還包括侵蝕和堆積過(guò)程造成的SOC在景觀中的再分布[34]。劉嘉麒等利用大賚水文站(控制嫩江流域)、鐵嶺水文站(控制遼河流域)1956～2000年以來(lái)月平均流量(Q)、月平均總懸浮固體(TSS)、顆粒有機(jī)碳(POC)和溶解有機(jī)碳(DOC)等數(shù)據(jù)，計(jì)算了遼河流域、嫩江流域匯水面積內(nèi)的隨河流遷出的多年平均有機(jī)碳通量[35]。根據(jù)兩大流域DOC、POC年通量及匯水面積，對(duì)研究區(qū)內(nèi)兩大流域進(jìn)行加權(quán)平均得到松遼平原隨河流遷出的平均有機(jī)碳通量的估計(jì)值1.01 t/km2·a，研究區(qū)面積約為36.5萬(wàn)km2，據(jù)此估算研究區(qū)30年間隨河流遷出的總有機(jī)碳約為11.06 Tg，約占土壤有機(jī)碳損失的9.5%，由此估算研究區(qū)30年間對(duì)大氣CO2的貢獻(xiàn)約為104.88 Tg，約占土壤有機(jī)碳損失的90.5%，說(shuō)明松遼平原土壤損失的有機(jī)碳大部分進(jìn)入了大氣。

4 結(jié)論

利用多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲取的土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳數(shù)據(jù)，計(jì)算了中國(guó)東北松遼平原主要農(nóng)耕區(qū)的土壤碳密度，分析了近幾十年來(lái)土壤碳庫(kù)變化狀況和影響因素，獲得主要結(jié)論如下：

1) 松遼平原土壤碳組成以有機(jī)碳為主，沼澤土、暗棕壤、泥炭土、白漿土、水稻土、黑土表層有機(jī)碳占土壤總碳含量的90%以上，半干旱地區(qū)的栗鈣土、潮土、風(fēng)沙土、褐土土壤有機(jī)碳占總碳含量80%以下。空間分布上，沙化嚴(yán)重地區(qū)、濱海鹽土區(qū)、鹽堿化區(qū)土壤有機(jī)碳密度較低；松嫩平原北部的綏化—北安地區(qū)、榆樹(shù)—尚志地區(qū)土壤有機(jī)碳密度較高。

2) 松遼平原表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1 448 Tg，草甸土、黑土、黑鈣土及暗棕壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量較高。從20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初期，土壤有機(jī)碳減少115.94 Tg，30年間下降7.41%；隨河流遷出的有機(jī)碳約為11.06 Tg，對(duì)大氣CO2的貢獻(xiàn)約為104.88 Tg，約占土壤有機(jī)碳損失的90.5%。

3) 哈爾濱—大慶、松原—通遼、四平—鐵嶺地區(qū)土壤有機(jī)碳密度呈明顯下降，松嫩平原北部的低山丘陵區(qū)、四平-德惠地區(qū)、松遼平原西部的低山丘陵土壤有機(jī)碳密度呈上升趨勢(shì)。松遼平原旱地、鹽堿地和草地碳源效應(yīng)明顯，30年間分別減少76.12 Tg、16.32 Tg和15.93 Tg。

4) 土地利用變化是土壤有機(jī)碳源/匯轉(zhuǎn)化的重要影響因素之一，林地和沼澤地轉(zhuǎn)為旱地后土壤有機(jī)碳處于下降趨勢(shì)，將會(huì)由碳匯轉(zhuǎn)化碳源。溫度是控制土壤有機(jī)碳空間分布格局的主要因素之一，松遼平原近30年來(lái)地表溫度的升高導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳減少約107.52 Tg。松遼平原旱地、草地、建設(shè)用地、沙地、鹽堿地等利用類型有機(jī)碳減少的主要原因是30年來(lái)氣溫的升高，尤其是旱地和草地溫度升高導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)減少量占總變化量的70%，在年均溫穩(wěn)定的前提下沼澤地、林地及水田碳匯效應(yīng)明顯。

致謝：文中使用的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)來(lái)源于多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查，該項(xiàng)目由自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心組織實(shí)施，東北四省區(qū)地質(zhì)調(diào)查院等單位承擔(dān)采樣、分析等工作。由于參與單位和人員眾多，無(wú)法一一列舉。筆者感謝該項(xiàng)目參加單位和人員付出的勞動(dòng)及基礎(chǔ)資料的支持。