四川森林土壤有机碳储量估算方法选择

张炎周，梁玉喜，代立东，王 瀚，易 辉

(1.四川省林业调查规划院，四川 成都 610081;2.四川省森林资源和荒漠化监测中心，四川 成都 610081;3.四川农业大学林学院，四川 雅安 625014)

1 问题的提出

1.1 土壤有机碳及其分布的基本性质

陆地生态系统碳循环作为重要组成部分，在全球碳收支平衡中占有主导地位［1］，直接影响全球温度的变化［2］。陆地生态系统碳平衡及碳贮存与分布的研究日益成为全球变化研究的焦点。准确地评估陆地生态系统碳循环不仅是准确地估算未来大气CO2浓度、预测气候变化及其对陆地生态系统影响的关键，也是履行《联合国气候变化框架公约》与《京都议定书》等国际公约及制定应对策略的关键点。因此，研究土壤有机碳含量可以反射影响因子的变化，折射特定时空的自然现象和人类活动，对全球生态环境研究具有指导意义［3］。

土壤有机碳(Soil Orgnic Carbon，SOC)储量是进入土壤的生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的损失之间的平衡［4］，现有土壤有机碳的含量是土壤有机碳分解速率、作物残余物数量与组成、植物根系及其他返还至土壤中有机物的函数，土壤有机碳的库存量与进入土壤的植物凋落物和地上生物量呈线性正相关关系［5～7］。土壤有机碳主要分布于土壤上层1m深度以内，全球土壤上层1m内的有机碳含量为1 220 Gt，相当于总现存生物量(自然植被和作物)的1.5倍［8］。然而，全球土壤有机碳储量在过去100 a一直呈下降趋势［9］。

1.2 森林土壤有机碳在全球气候变化中的重要意义

全球土壤有机碳量(1 500 Pg～2 000 Pg，1 Pg=1015g)约为陆地生物碳量(620 Pg)的2.4倍，为大气圈CO2含量的两倍［10］;土壤碳库0.1%的变化将导致大气圈CO2的浓度发生百万分之一的变化，全球土壤有机碳10%的变化，其数量相当于人类活动30 a排放的CO2量［11］。因此土壤有机碳的动态及其控制过程的研究不仅是土地资源可持续利用的重要基础，而且可以对土壤碳循环与全球气候变化的相互作用研究具有重要意义［12］。

森林在全球碳平衡中起着重要的作用，全球陆地生态系统中大约75%的碳量储存在土壤中，而森林土壤又保存了地下土壤碳的40%左右［13］，森林土壤碳占全球土壤碳的73%［14］。森林土壤碳含量大约是森林生物量的2倍～3倍。因此对土壤碳库的研究与植被相比是同样重要的。但目前土壤碳循环的研究是陆地碳循坏研究中最不充分的部分。这就说明对森林土壤碳排放进行深入研究的必要性，同时也说明对土壤碳库做进一步研究的重要性［15］。森林土壤碳主要以有机碳形式存在。由于土壤有机碳储量的巨大库容，其较小幅度的变化就可能影响到碳向大气的排放，以温室效应影响全球气候变化。正确估算区域土壤有机碳含量及其变化是全球气候变化研究以及全球环境变化研究的重要内容。了解土壤碳循环是研究全国陆地生态系统碳循环的基础，精确计算土壤有机碳储量的方法是进行土壤碳储量计算的基础，确定土壤有机碳的储量、空间分布，对土壤碳循环，全球变暖现象的研究具有重要意义。

鉴于森林土壤有机碳在全球气候变化研究中的重要性，IPCC也把土壤碳库/源作为重要的研究内容之一［16］。学术界也从土壤碳循环、碳库、碳储量等不同角度进行了土壤碳储量的研究，并对各方面的研究进展进行了总结和评述［3，15，17～21］，因此本文对研究进程不再赘述，仅对研究方法进行回顾，并力图从国际上公认为比较合理的方法中选择出适合四川森林土壤碳研究实际的理想方法。

2 土壤有机碳储量研究的基本方法

研究方法对于科学和准确地估计土壤有机碳储量，减少不确定性的重要意义不言而喻。在较大区域内，例如全国或全省范围内，寻求统一而准确的计量方法不仅是土壤有机碳储量研究的必要手段，也是编制IPCC国家温室气体清单的必要步骤，而且对于解决全球碳循环研究中的“失汇(missing sink)”问题具有重要意义。世界各国不同研究者对全球土壤有机碳库存量的估算所用的方法并无本质的区别，但由于所用资料来源与土壤分类方式的不同，土壤有机碳库存量的估计值有较大的差异［22～41］。综合国内外资料，目前国内外有关土壤有机碳储量研究通常采用生命地带类型法、森林类型法、土组法、气候参数法、碳拟合法、模型法、相关关系估算法、统计估算法、土壤类型法等。各类研究方法及其各自特点如下［15］:

2.1 按土壤类型的研究方法

土壤类型法实际上是土壤分类学方法，通过土壤剖面数据计算分类单元的土壤有机碳储量，根据各种分类层次聚合土壤剖面数据，再按照区域或国家尺度土壤图上的面积得到土壤有机碳蓄积总量。Batjes［41］将世界土壤图划分为0.5经度×0.5纬度的基本面积单元，每个单元需要土种分布、土壤深度、土壤容重、有机碳及砾石含量等数据，用来计算面积单元的平均碳密度。设j代表地球表面面积网格单元，i代表土层单元，则各个面积单元j中的平均有机碳密度Tjd为:

其中ρi为第i层土壤容重，Pi为第i层土壤有机碳平均储量，Di为第i层土壤厚度，Si为大于2 mm的平均砾石含量。然后可以推算出全球区域面积的土壤有机碳总量:

其中Aj是网格单元j的面积，Tjd是j单元平均有机碳密度，n为世界土壤图面积网格单元总数(259200个)。

Betjes方法需要具备较完整的全球各类土壤理化性质数据，若这项条件能满足(实际上难以做到)则统计结果相对较为准确可靠。

2.2 生命带研究方法

生命带法是按生命地带土壤有机碳密度与该类型分布面积计算土壤有机碳蓄积量。Post［42］使用了可反映全球各主要生命带的2696个土壤剖面，其中大多数来自美国土壤保持局的数据库，其余为其本人所发表的研究结果。计算时对于没有实测容重数据的土层，其容重根据土壤有机碳的密度与深度关系来拟合求出:

其中BD为土壤容重，b0、b1、b2为不同植被类型下的已知土壤容重和碳密度所确定的常数，D是从土表到土层中心的深度，Cf为有机碳质量分数。于是单位面积(1 m2)土层的平均碳密度(C)可由下式计算:

其中δ2mm为直径大于2 mm的砾石分数，V为土层体积。用碳密度乘以各个生命带所对应的土地面积并累加，可得全球土壤有机碳总储量(1 m土层深度)。

使用该方法能较为容易地了解不同生命地带类型的土壤有机碳库蓄积总量，而且各类型还可以包含多种土壤类型，分布范围更加广泛，更能反映气候因素及植被分布对土壤有机碳蓄积的影响。但Post方法中全球植被类型与面积难以精确统计，植被与土壤类型并不一一对应，加之土地利用方式在人为影响下不断变化，这样统计中不确定因素增多，计算误差也会较大。不过，在缺乏土壤剖面资料的情况下推算所得结果仍具有一定意义。

2.3 GIS估算土壤有机碳储量

首先用地理信息系统软件ARC/INFO将一定比例土壤图数字化，建立以土属为单位的空间数据库，然后计算各土壤土属每个土层的有机质质量分数:选取该土属内所有土种的典型土壤剖面，按照土壤发生层分别采集土壤有机质质量分数、土层厚度和容重等数据计算出每个土层的土壤有机质平均质量分数和土层平均深度及其平均容重等，并建立土壤有机质的属性数据库，利用ARC/INFO的空间分析功能计算出各类土壤的有机碳储量。

各类土壤的总碳量:

其中i为土壤类型，Ci为第i种土壤类型的有机碳储量(t)，0.58为碳储量由有机质质量分数乘以Remmelen换算系数，Si为第i种土壤类型的面积，Hj为第i种土壤的j层的土属平均厚度，Qj为第i种土壤j层的土属平均有机质质量分数，Wj为第i种土壤j层的土属平均容重。

G1S估算方法可以对土壤图进行较为精确的类型划分，在此基础上应用ARC/INFO的空间分析功能与上面的公式可估算出比一般方法较准确的土壤有机碳储量，并可绘制其空间分布特征图。

2.4 模型估算土壤有机碳储量

国际上已经开发了多种土壤碳循环的模型［43～47］。模型的类型既有相关关系模型和机理过程模型也有基于实测数据和遥感数据的模型。尽管统计分析是土壤碳库评价中最小化空间变异性的可行方法，但模型却可以将剖面数据外推到相似的土壤和生态区域，解决尺度转换的问题。模型方法最大的限制性因素是缺乏大量相关和连续观测的数据，使模型的参数化和初始化更加困难。随着实验方法的改善人们可以通过积累大量土壤碳动力学的信息改善土壤碳模型，以提高管理土壤有机碳库的能力。

2.5 相关关系估算法

相关关系估算法主要是通过分析土壤有机碳蓄积量与采样点的各种环境变量、气候变量和土壤属性之间的相关关系，建立一定的数学统计关系，从而实现在有限数据基础上计算土壤有机碳蓄积量的目的［4，48～50］。这种方法要求建立的相关性较高，可以通过测采样点的一些环境因子来得到土壤有机碳蓄积具有方便、省力和简单等优点。

建立土壤有机碳含量与降水、温度、土壤厚度、土壤质地、海拔高度和容重之间的相关关系是普遍采用的一种方式。然而它们的相关关系并非普遍适用，在不同的地方主要控制因素是不同的，各种相关性表现不一，因此所确定的统计关系需要得到检验和验证，才能在本区域上应用，这是在实际应用中应注意的问题。

2.6 统计估算法

用该方法计算土壤碳库的公式如下:

其中，1为第j个土种的加权平均有机质质量分数(g·kg)，ci为统计剖面第i层土壤的有机质质量分数(g·kg－1)，H为第i层土壤厚度(cm)，c为碳库(kg)，ρ为土壤容重，取平均 1.4 t·m－3，2000/3为换算成平方米的系数，S为第j个土种的面积(hm2)［51］。

统计估算法适用于国家尺度或区域尺度的土壤碳库计算，是一种较早应用并比较成熟的计算方法。用以上计算公式可以推出无机碳的估算公式，说明它的应用与适应范围是比较广的。

2.7 土壤有机碳储量估算方法误差分析方法

土壤有机质是受各种外在和内在因素影响而不断变化的［52］，依靠大量土壤普查获取的数据只是代表当时土壤的状况，是静态数值，并不能反映土壤的动态变化。土壤有机碳蓄积量的估算也只能是逐渐逼近真实值，不可能用一个值来代表土壤碳蓄积量。因此分析土壤碳蓄积量的误差范围，以及土壤采样带来的随机误差和系统性误差，是准确反映土壤有机碳实际存储量的一个方法。大部分研究者在估算区域或国家、全球尺度土壤有机碳时分析了不同土壤类型或生态系统类型土壤碳库的变异系数［41，53］和误差范围［41，54］，认为不确定性范围在 20% ～50%。概括起来，计算土壤碳密度误差项时有4种统计方法［41，49，54］:①土壤碳密度 ± 土壤碳密度的标准差(standard error);②土壤碳密度±土壤碳密度平均值的标准差(standard error of means);③土壤碳密度±1/2的土壤碳密度标准差(1/2standard deviation);④首先使用t检验计算每个土壤亚类的碳密度精度范围La(limit of accuracey):

式中，t是显著性概率0.05水平下的分布值(置信度为95%，可根据实际情况设置不同的置信度);根据样本数查找数学手册中的t分布表可得t值，Ds是土壤碳密度的标准差，n为自由度(样本数)。然后乘以亚类的面积得到各个土壤亚类碳蓄积量的误差范围，加上所有土壤亚类的误差得到国家尺度土壤有机碳蓄积量估计的总误差范围。

除了自然原因无法抗拒和改变之外，土壤分类、土壤观测和实验、数据收集、土壤采样和计算方法等人为因素也是产生土壤有机碳蓄积量估算误差的重要来源。此估算方法只是基于此而提出的。该估算方法的研究克服了因区域差异导致精确估算全球土壤碳库量的困难，通过改善区域估计而获得全球土壤有机碳储量的估算方法。

2.8 土壤有机碳储量估算方法的运用实践

在众多估算方法中以Batjes［41］所用的按土壤类型的研究方法和Post［42］的按生命带方法的研究最有代表性。其中土壤类型法由于原理简单，数据较易获取，是目前国内外土壤碳储量估算的常用方法［55～57］。土壤类型法即土壤分类学方法，通过两种方法［58］估算土壤有机碳储量:一是利用区域(甚或世界)土壤图和土壤分类系统来估算土壤有机碳储量;二是利用每个土壤剖面代表一个分类学上的单元，土壤分类单元的土壤有机碳含量通过土壤剖面数据计算，根据土壤类型、土壤亚类、土种、土组等分类层次聚合土壤剖面数据，再按照区域或国家尺度土壤图上的面积得到土壤有机碳蓄积总量。前者可以形成统一的土壤有机碳储量估算体系，便于汇总和对比;然而忽略了大量区域或国家尺度的土壤类型细节和土壤多样性，造成土壤类型分布图和土壤属性信息不同程度上的缺失。后者优越性在于提供有关土壤类型的碳储量及包含土地利用、植被和气候等等与土壤有机碳含量变化有关的因子信息，便于分辨空间格局，了解有机碳储量高低原因;局限性在于土壤剖面实测数据的缺乏和土壤类型的空间变异性导致土壤有机碳储量估算的不确定性。

在这些方法中，我国于东升［59］、王义祥［60］用土壤类型推算法进行了研究。甘海华［61］、邱建军［62］运用模型也作了这方面的研究;童成立［63］等比较了有机碳计算机模拟模型(SCNC)模型和英国洛桑模型(ROTHC－26.3)，结果显示SCNC的接近真值的效果。赵永存［64］等认为回归克里格预测土壤有机碳的空间分布效果最好，能更好地反映碳密度与地形的关系以及局部变异。方精云、王绍强［65］的研究工作都以同类型土壤碳密度的面积加权平均值作为各类型土壤有机碳密度，再利用土壤类型图统计出的各类型土壤面积来估算土壤有机碳总储量。潘根兴［66］先计算出各土种剖面的土壤有机碳密度，然后利用各土种的面积统计资料来估算土壤有机碳储量。李克让［37］利用0.5°经纬网格分辨率的气候、土壤和植被数据驱动的生物地球化学模型来进行估算。倪健［67］基于1:400万土壤植被图以及其它资料，利用BIMEO3模型对全国土壤有机碳储量进行了估算。

2.9 土壤有机碳储量估算结果的不确定性及其产生的主要原因

当前土壤有机碳储量的研究仍是陆地碳循环研究中最不充分的部分，土壤有机碳储量研究的不确定性极强，对土壤碳库的估计误差很大，成为编制IPCC-LULUCF国家温室气体的难点。例如我国学者估算的全国土壤有机碳储量结果从50 Pg到180 Pg，相差3倍～4倍。产生不确定性的主要原因，归纳如下:

(1)土壤本身的复杂性和不确定性［21］。土壤是一个不均匀的二维结构体，在空间上呈现复杂的镶嵌性，且与气候以及陆地植被和生物发生复杂的相互作用，因此在研究土壤碳循环，特别是在区域尺度上的研究仍面临着大量需要解决的问题，甚至在某些测定上如土壤呼吸以及土壤内植物细根的周转速率等，至今仍没有统一和准确的观测方法。土壤碳氮含量、质地、容重等理化性质存在很大的空间差异，气候、母岩、植被和土地利用对土壤碳库容量的综合影响也很难确定［65］。

(2)土壤分类方法和研究方法的差异［15］。土壤分类系统的不统一，采样方法的差异，以及选用不同的土壤碳蓄积量计算方法和参数估计方法使目前的土壤碳蓄积量的估算存在极大的不一致，土壤实测数据不充分和缺乏连续、可靠、完整、统一的土壤剖面数据也削弱了碳密度量测的可行性。各地区土壤厚度和面积统计资料来源不同也是蓄积估算不确定性存在的重要原因之一［68］。不同尺度上的影响因子及主要控制因子也存在很大差异，所以由此得到的土壤碳蓄积机理过程模拟及其潜在分解、固定和储存能力分析都会有所不同。影响土壤碳储量估算精确度的因素一般有以下几个方面:土壤碳密度的空间变异性，容重受土壤含水量、松紧度等因素影响，也具有空间变异性，对不同土壤或植被类型的面积计算不准确，植被与土地利用的变化，统计样本偏小，缺乏土壤有机碳的浓度、土壤容重及砾石数量等资料等等，这都是造成土壤碳储量估算差异的重要原因。

(3)研究尺度大小与精确性互相矛盾。国内外对土壤碳库的研究多在宏观尺度上进行，中小尺度的研究较少。多数研究者或者研究全球和国家级陆地生态系统中土壤碳库储量，或者探讨某个地带、大区、大地形类型单元、大流域的土壤碳库储量，研究中小尺度地域单元内土壤碳库的成果尚不多见。研究尺度大，样本数量必然不足，必然影响估算结果的精确性。

(4)统计方法单一。土壤碳储量研究一般按植被类型、土壤类型、生命带或模型法来作统计，不同研究者所用的各种统计方法并无本质上的差别，通常都是用各种类型的平均碳密度乘以相应的土地面积并累加获得土壤碳库储量，实际上，即便在同一植被类型、土壤类型或生命带内，土壤碳密度也可能存在较大差异。用平均碳密度值代替实际值，过于简单。土壤碳作为土壤的有机组成部分，其含量在空间上是连续渐变的，理论上可突破类型界限，通过制作土壤碳含量和容重等的空间分布等值线图，利用地理信息系统强大的分析功能获得土壤碳库储量。

3 四川森林土壤有机碳储量计量研究的基础条件和进展

四川地处亚热带湿润季风气候区，地域广阔，地貌结构复杂，地势起伏剧烈，形成复杂的气候、植被的区域性和垂直地带性特征，在水平地带性、垂直地带性分布规律和错综复杂的生物气候因素、地质地貌因素的影响下，形成多种多样的土壤类型。朱鹏飞等根据基于土壤发生学的土壤分类学原理，将四川省的森林土壤分成13个土纲、34个土类、51个亚类，构成四川森林土壤的完整的分类系统［69］。为了研究的方便，四川的学者以土壤生物气候特征的区域性差异为指标，以山地土壤垂直带谱及其组合为基础，在全省共区分出3个土壤地区和土壤地带，即四川盆地及其周围山地湿润亚热带森林土壤地区(黄壤地带)、川西南山地季节性干湿交替亚热带森林土壤地区(红壤地带)和川西北高山高原半湿润半干旱森林和草甸草原土壤地区(水平—垂直复合地带，山地燥褐土、山地褐土、山地棕壤和高山草甸草原土)。立足自上世纪50年代以来的森林土壤调查与研究，共观察记载4 000多个完整的土壤剖面，完成150多个土壤剖面理化性质分析，辑录了各区主要土类(山地黄壤、山地红壤、山地褐土、山地黄棕壤、山地棕壤、山地暗棕壤、山地灰化土、紫色土)的理化性质及其植被分布状况［69～70］。

在森林土壤有机碳储量及其空间分布研究领域，以黄从德等的研究为开端。黄从德用生命带类型法，根据四川12类森林、约928个土壤剖面的理化性质实测数据，结合全省近年来的森林资源二类调查资料，对四川森林生态系统碳储量进行了宏观估算和统计分析，并用GIS制作出森林土壤有机碳密度的空间分布图［71～72］。此外，黄从德、杨万勤等对四川亚高山暗针叶林、中低山人工林土壤有机碳含量进行了研究，所采用的方法依然是生命带类型法或者土壤类型法［73～78］。这些研究成果均在不同侧面反映了四川森林土壤有机碳储量的某些特征，但是尚未形成系统的、完整的森林土壤有机碳储量估算体系。

森林土壤有机碳储量研究中存在问题及其产生的原因大致有如下方面:

(1)土壤有机碳储量研究缺乏区域范围内完整准确的土壤剖面实测数据。因幅员广阔，地形复杂多变，地貌类型丰富，只是一定区域内的地质条件丰富多样，土质较为复杂，从而进行完整的实测坡面数据较为困难，难以形成一套系统的实测数据［79］。

(2)土壤碳氮含量、质地、容重等土壤性质，以及气候、地形、植被和土地利用的综合影响存在相当大的时空变异性，导致各个时期土壤有机质研究工作者的数据资料均缺乏足够的准确性，在很大程度上影响了研究成果的科学性。

(3)土壤采样方法的设计以及土壤碳蓄积量的计算方法存在较大差异。由于没有统一的、系统的研究方法，导致土壤采样方法的多样性;同时，碳储量的计算方法各异，计算结果不一致。有机碳储量的差异性对研究结果的准确性造成影响。

4 四川开展土壤有机碳储量计量研究的方法选择

目前，为履行《联合国气候变化框架协议》和《京都议定书》，我国即将着手编制2005年国家温室气体清单。根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》、《国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理》(GPG2000)和《土地利用、土地利用变化和林业优良作法指南》(GPG－LULUCF)等文件，与林业有关的计量指标主要体现在土地利用、土地利用变化与林业(land use，land use change and forestry.LULUCF)部分，土地利用变化与林业清单编制是国家温室气体清单编制的重要方面，编制LULUCF温室气体清单的主要任务，包含:估算2005年森林和其它木质生物质碳贮量变化;森林转化温室气体排放;农田和草地土壤碳变化;完成2005年土地利用变化和林业温室气体排放清单报告。土壤有机碳是编制LULUCF清单中极为重要的方面。

不仅四川土壤类型复杂多样，植被类型更是极为丰富，同样的土类上往往有多种甚或十余种群系［69～70，80］，因此根据四川实际，森林土壤有机碳储量计量的方法，以土壤类型法和生命带法相结合的办法为宜，基本步骤如下:

4.1 土壤有机碳密度估算

土壤有机碳密度是指单位面积(1 m2)一定厚度的土层中有机碳储量。目前的土壤碳密度计算以100 cm和20 cm的两个不同土壤深度为基础，己成为评价和衡量土壤有机碳储量的重要指标。某些土壤因土体很薄而不能推算至1 m的土层，则按实际深度计算。某一土层i的有机碳密度SOCi(kg·m－2)计算公式为［26，41，81］:

某一土体的剖面由k层组成，该剖面的有机碳密度SOCt的计算公式为:

式中，Ci为土壤有机碳含量(%)，Di为容重(g·m－3)，Ei为土层厚度(cm)，Gi为大于2 mm 的石砾所占的体积百分比(%);获得容重和石砾含量数据是计算中的难点。

Ci由下式求得:Ci=SOMi×0.58

式中，SOMi为土壤有机质含量，0.58为Bemmelen换算系数［82］。

4.2 土壤有机质含量(SOMi)测定方法

土壤有机质含量的测定方法主要有仪器法、干烧法、湿氧化法、重铬酸钾氧化法和微波密闭消解法等［83～85］。目前比较精确的测定方法是仪器法，即用High TOC II分析仪测量土壤中的有机碳，该方法具有操作简单、样品用量少、分析结果误差小等特点，仪器法的测量精确度高于重铬酸钾氧化法和微波消化法［3］。

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