辽河流域土壤碳密度分布特征和碳储量研究

于成广，杨晓波，刘明华，王丹阳，王大鹏

（1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083；2.辽宁省地质矿产调查院，辽宁沈阳110032）

辽河流域土壤碳密度分布特征和碳储量研究

于成广1,2，杨晓波2，刘明华2，王丹阳2，王大鹏2

（1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083；2.辽宁省地质矿产调查院，辽宁沈阳110032）

基于辽河流域多目标地球化学调查取得的土壤表层和深层有机碳和全碳数据，探讨辽河流域土壤碳储量计算方法，分析辽河流域碳密度的分布特征.对辽河流域5.23×104km2土壤碳储量计算表明，深层（0～1.8m）土壤碳储量为860.50×106t，中层（0～1.0m）为 538.30×106t，表层（0～0.2m）为 138.76×106t；辽河流域土壤深层碳密度为 16.45×103t/km2，中层为 10.28×103t/km2，表层为2.65×103t/km2.分别根据土壤类型、地质单元、生态系统和土地利用类型的划分方式计算土壤的碳储量，为土壤碳循环研究与环境效应评价提供了科学依据.

多目标区域地球化学调查；单位土壤碳量（USCA）；土壤碳密度；土壤碳储量；辽河流域

0 引言

土壤是陆地生态系统的核心，土壤有机碳库是陆地碳库的主要组成部分，在陆地碳循环研究中有着重要的作用［1］.北美的科学家正在使土壤固碳作为大气CO2“汇”的功能得到认同［2］.P.Smith等人［3］估算在未来的100年内，通过保护性耕地措施，欧洲土壤每年可以固定碳量15×106t.韩冰等人［4］通过脱氮和分解（DNDC）模型估算了辽宁省农田土壤碳库总量为118.55×106t，施用有机肥有利于农田土壤碳的积累.全球土壤有机碳库约为1400～1500×109t，是陆地植被碳库（500～600×109t）的 2～3 倍，是全球大气碳库（750×109t）的2倍多［5-6］.陆地生态系统土壤碳储量的估算方法很多，常用的有生命地带类型、森林类型、土壤类型以及模型法［7-8］等.这些方法大部分都是利用全国土壤普查数据或者采集有限的土壤剖面数据，通过建立一定的数学统计关系，实现土壤碳储量的估算.土壤类型及碳含量空间分布存在较大的变异性，使得土壤剖面代表性往往不够.因此文献中所发表的土壤碳储量研究只能是在现有资料基础上做出的推算［9］.如何精确计算出土壤碳储量是摆在当前碳循环研究领域的一个难题.2004年国土资源部与辽宁省政府实施的辽宁省辽河流域1∶25万多目标区域地球化学调查工作，系统调查了辽宁中部平原区深层土壤和表层土壤有机碳和全碳等54项指标或元素的地球化学情况，为精确计算出辽河流域土壤碳库提供了基础.

表1 辽河流域不同土壤类型土壤容重统计Table 1 The statistics of different types of soil bulk density in Liahe Basin

1 材料与方法

2004年辽宁省按照《多目标区域地球化学调查规范（1∶25万）》❶中国地质调查局.多目标区域地球化学调查规范（1∶25万）.2005.实施了辽河流域多目标区域地球化学调查工作，调查面积5.23×104km2，采集了表层（0～20 cm）土壤样品（包括沿海滩涂样品），采样密度为1个点/km2.深层土壤样品采样密度为1个点/4km2，采样深度为1.8m.土壤的分析样品由4个表层单点样组合而成，即表层土壤分析单元为1个点/4km2，深层土壤分析单元为1个点/16km2.每件土壤样品分析有机碳、全碳和氮等54项元素或指标，取得了高精度地球化学数据.样品由国土资源部沈阳测试分析中心负责分析测试.土壤有机碳和全碳分别采用重铬酸钾容量法和酸碱容量法分析，要求分析准确度（ΔlgC）控制在0.10～0.12，精密度（RSD）控制在 10%～20%，报出率达到 98%以上［9］.

1.1 单位土壤碳量与土壤碳储量计算方法［9］

在多目标区域地球化学调查成果基础上，奚小环提出了单位土壤碳量（USCA）的概念［10］，即以多目标区域地球化学调查确定的土壤表层样品分析单元为计算单位，土壤表层样碳含量（分析单元为4km2）及其对应的深层样碳含量（分析单元为16km2）分别代表计算单位表层土壤碳含量与深层土壤碳含量，依据其含量分布模式计算得到单位土壤碳量.通过对单位土壤碳量进行加和计算得到土壤碳储量.

土壤碳含量由表层至深层主要存在两类分布模式，即指数分布模式和直线分布模式.其中有机碳含量分布为指数模式，无机碳含量分布为直线模式.辽河流域土壤容重数据采用了《辽宁土壤》［11］中的土壤容重统计结果（表1）.

1.2 有机碳（TOC）单位土壤碳量（USCA）计算方法

（1）深层有机碳单位土壤碳量计算.计算公式：

USCATOC，0～1.8m=TOC×D×4×104×ρ

USCATOC，0～1.8m表示 0～1.8m 深度单位土壤有机碳量（t）.式中TOC为有机碳含量（%），D表示采样深度（1.8m），4为单位土壤面积（km2），104为单位土壤面积换算系数，ρ为土壤容重（t/m3）.TOC计算公式为：

式中TOC表为表层土壤有机碳含量，TOC深为深层土壤有机碳含量，单位均为%.d1取表层土壤中间深度0.1m，d2取1.8m（或实际采样深度）.

（2）中层（计算深度为1m）有机碳单位土壤碳量（USCATOC，0～1.0m）计算.计算公式：

USCATOC，0～1.0m=TOC×D×4×104×ρ

USCATOC，0～1.0m表示采样深度 1.8m 时计算 1.0m 深度有机碳量.式中TOC计算公式为：

式中d3=1.0m，其他参数同前.

（3）表层有机碳单位土壤碳量计算.计算公式：

USCATOC，0～0.2m=TOC×D×4×104×ρ式中TOC取表层土壤实测含量值.

1.3 无机碳（TIC）单位土壤碳量（USCA）计算方法

（1）深层无机碳单位土壤碳量计算.计算公式：USCATIC，0～1.8m=〔（TIC表+TIC深）÷ 2〕×D×4×104×ρ

TIC表与TIC深分别由全碳实测数据减有机碳取得，单位为%.其他参数同前.

（2）中层无机碳单位土壤碳量（USCATIC.0～1.0m）计算.计算公式：

USCATIC，0～1.0m（深1.8m）=〔（TIC表+TIC1.0m）÷ 2〕×D×4×104×ρ

USCATIC，0～1.0m（深1.8m）表示采样深度 1.8m 时计算1.0m深度无机碳量.D为1.0m.TIC1.0m采用内插法确定.

（3）表层无机碳单位土壤碳量计算.计算公式：

USCATIC，0～0.20m=TIC表×D×4×104×ρ

TIC表由全碳实测数据减有机碳取得.

1.4 全碳（TC）单位土壤碳量（USCA）计算方法

（1）深层全碳单位土壤碳量计算.计算公式：

USCATC.0～1.8m=USCATOC，0～1.8m+USCATIC.0～1.8m

当实际采样深度达不到1.8m时，取实际采样深度值.

（2）中层全碳单位土壤碳量（USCATC，0～1.0m）计算.计算公式：

USCATC，0～1.0m （深 1.8m）=USCATC，0～1.0m （深 1.8m ）+USCATC，0～1.0m（深 1.8m）

当实际采样深度达不到1.8m时，取实际采样深度值.

（3）表层全碳单位土壤碳量计算.计算公式：

USCATC，0～0.2m=USCATOC，0～0.2m+USCATIC，0～0.2m

3 结果与分析

3.1 辽河流域土壤碳储量分布特征

辽河流域深浅层土壤碳密度空间分布特征如图1、2所示.深、浅层土壤碳密度空间分布规律基本一致，都表现为东部高于西部，山地高于平原，城市高于农田的特征.辽河流域表层（0～0.2m）土壤碳储量为138.76×106t，碳密度平均为 2.65×103t/km2，表层土壤碳密度较高区域分布在流域的西部城市相对集中的区域，最高含量区间为 7.80×103～27.06×103t/km2；辽河流域中层（0～1.0m）土壤碳储量为 538.30×106t，中层土壤碳密度平均为10.28×103t/km2；辽河流域深层（0～1.8m）土壤碳储量为860.50×106t，深层土壤碳密度平均为 16.45×103t/km2，最低含量区间为 4.13×103～6.23×103t/km2，最高含量区间为 31.0×103～89.07×103t/km2.

图1 辽河流域表层土壤碳密度Fig.1 Carbon density of surface soil in Liaohe Basin

图2 辽河流域深层土壤碳密度Fig.2 Carbon density of deep soil in Liaohe Basin

3.2 不同土壤类型土壤全碳储量

辽河流域共分布有10种土壤类型，如表2所示.草甸土是辽河流域最大的土类，占总面积32.93%.深层、中层、表层碳储量分别为 282.43×106、180.17×106、48.05×106t，平均碳密度分别为 16.37×103、10.45×103、2.79×103t.棕壤和潮土的面积仅次于草甸土，分别占总面积的25.34%和17.73%.其他几种土壤类型所占比例为0.44%～7.73%不等.深层土壤碳密度最大的是滨海盐土21.84×103t/km2，其次为棕壤19.55×103t/km2，水稻土18.57×103t/km2；中层土壤碳密度最大的是滨海盐土12.53×103t/km2，其次为水稻土12.15×103t/km2，棕壤11.98×103t/km2；浅层土壤碳密度最大的是水稻土 3.38×103t/km2，其次为沼泽土 3.13×103t/km2，棕壤2.97×103t/km2.辽河流域深层、中层、表层土壤碳储量从大到小分布规律一致，依次为：草甸土、棕壤、潮土、水稻土、褐土、滨海盐土、风沙土、粗骨土、沼泽土、黑土.

3.3 不同地质单元土壤全碳储量

辽河流域分布有元古宙—新生代的地层以及太古宙—中生代的岩浆岩体.其中第四系发育最为广泛，面积2.76×104km2，占辽河流域比例为52.73%；其次是白垩系和中生代花岗岩岩体，所占面积比例为18.82%和11.97%，其他地质单元所占比例较小（表3）.深层土壤碳储量第四系最大，全碳储量为426.88×106t，占深层土壤碳储量的49.61%；白垩系和中生代花岗岩岩体次之，储量分别为 147.09×106t和111.72×106t，占深层土壤碳储量的17.09%和12.98%；其他单元储量在4.62×106t～62.35×106t之间.深层土壤碳密度最大的是中生代玄武岩单元，其次为元古界和古生界，第四纪地层深层土壤碳密度最小，相当于中生代玄武岩地层土壤碳密度的37.11%.中层土壤碳储量和表层土壤碳储量与深层土壤碳储量分布规律一致.表层土壤碳密度中生代玄武岩最大，为5.6×103t/km2，是侏罗系的2.57倍，中生代玄武岩地层面积所占比例为0.3%，表层碳储量却达到了0.63%.

表2 不同土壤类型碳库的分布特征Table 2 The distribution of carbon pools in different types of soil

表3 不同地质单元碳储量分布特征Table 3 The distribution of carbon reserves in different geological units

3.4 不同生态类型土壤全碳储量

按照生态系统类型的划分，辽河流域可以划分为城市生态系统、农田生态系统、河流生态系统和湿地生态系统.农田生态系统面积最大，占93.43%（表4）.农田生态系统深层、中层和表层土壤碳储量分别为785.76×106、491.59×106和 126.74×106t，分别占深层、中层和表层土壤碳总储量的91.31%、91.32%和91.34%.湿地生态系统占总面积的3.12%，湿地生态系统深层碳储量为34.09×106，占深层碳总储量的3.96%；表层有机碳储量为4.40×106，占表层碳总储量的3.17%.城市生态系统的平均碳密度在深层、中层、表层土壤碳库计算当中都是最高的，表层土壤碳密度为4.9×103t/km2，是农田生态系统表层土壤碳密度的1.91倍.城市生态系统占总面积的2.35%，表层土壤碳储量却占总储量的4.4%.

与农田生态系统相比，城市生态系统受人为因素的影响更大，形成过程更加复杂，改变了原有生态系统的功能与平衡.近年来关于城市生态系统有机碳含量和碳储量的研究受到了人们的广泛关注.2003年，边振兴和王秋研究了沈阳市公园绿地土壤养分特征，结果表明城市表层土壤中有机碳含量在逐年增加［12］.2006年，章明奎和周翠研究了杭州市城市土壤有机碳分布特征，结果表明城市区土壤有机碳含量是郊区的4.3 倍［13］.辽河流域的沈阳、抚顺、阜新、鞍山等城市土壤碳密度较大，这与重工业城市燃煤量大，矿业城市的煤田开采以及城市垃圾的大量排放有关.

表4 不同生态类型全碳储量分布特征Table 4 The distribution of total carbon reserves in different ecological types

3.5 不同土地利用类型土壤全碳储量

土地利用类型对土壤碳库的空间分布影响很大.一方面，土地利用方式的变化改变了生态系统的净初级生产力及相应的土壤有机碳的输入；另一方面，土地利用变化潜在地改变了土壤的理化属性［14］.已有的研究成果表明，林地土壤碳密度大于耕地土壤碳密度［15-16］.从表5我们可以看出，深层和中层土壤碳密度工矿用地和建设用地最高，林地和水域次之，园地和耕地最小.表层土壤碳密度大小依次为工矿用地＞建设用地＞林地＞园地＞水域＞其他＞耕地.在各个土地利用方式中，耕地利用方式土壤碳密度最小，低于辽河流域土壤碳密度平均值，说明土地的耕作增加了土壤腐殖质的矿化作用，不利于土壤碳的积累.辽河流域林地土壤的碳密度深层为 24.83×103t/km2，中层为 14.83×103t/km2，表层为 3.5×103t/km2，均高于流域平均值.

表5 不同土壤利用类型全碳储量分布特征Table 5 The distribution of total carbon reserves in different soil utilization types

4 结论

多目标地球化学调查查明了辽宁省辽河流域土壤的碳分布分配规律，以单位土壤碳含量为基础，采用指数模型法精确计算了土壤碳储量.辽河流域表层土壤碳储量为 138.76×106t，中层土壤碳储量为 538.30×106t，深层土壤碳储量为860.50×106t.按照土壤类型、地质单元、生态系统类型和土地利用类型的划分，探讨了土壤碳密度和碳储量的空间分布特征，为碳循环研究、环境效应评价、低碳经济的持续发展提供了科学依据.

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DENSITY DISTRIBUTION OF CARBON IN SOIL AND RESERVES OF CARBON IN THE LIAOHE RIVER BASIN

YU Cheng-guang1,2,YANG Xiao-bo2,LIU Ming-hua2,WANG Dan-yang2,WANG Da-peng2

（1.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Liaoning Institute of Geology and Mineral Resources Survey,Shenyang 110032,China）

Based on the data of organic carbon and total carbon in both surface and deep soil by the multi-purpose geochemical survey in Liaohe Basin,the carbon reserves in the soil of Liaohe Basin are calculated.The distribution of carbon density is analyzed.According to the calculation,in the area of 52.3km2,the carbon reserves in deep level are 860.50 Tg;those in the middle level,538.30 Tg;while in the surface,138.76 Tg.The soil carbon density in deep level is 16.45 Gg/km2;that in middle level,10.28 Gg/km2;while that in the surface,2.65 Gg/km2.The soil carbon reserves in different soil types,geological units,ecosystems and land-use types are also calculated respectively.The result will provide a scientific basis for the research on soil carbon circulation and the assessment of environmental effect.

multi-purpose geochemical survey;unit soil carbon amount（USCA）;soil carbon density;soil carbon reserves;Liaohe Basin

1671-1947（2011）04-0272-06

P642.1

A

2010－06－02；

2011-01-12.编辑：李兰英.

国家地质大调查“辽宁省辽河流域农业地质调查”项目（1212010511209）资助.

于成广（1979—），男，工程师，在读博士，主要从事生态地球化学评价和土地质量评估方面的研究工作，通信地址沈阳市皇姑区宁山中路42号羽丰大厦26-11室，E-mail//yuchengguang1980@163.com