洞庭湖区近二十年来土壤碳储量变化规律及影响因素研究

陈文文，张建新

（1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭411201；2湖南省地质研究所，长沙410007）

土壤碳库是全球碳库的重要组成部分，可通过植物以CO2等形式与大气碳库进行交换.土壤碳库受到气候、土质和人为活动等多种因素的影响，并在一定的时间和空间内影响碳的质和量的分布.研究一个区域在较长时间里碳储量的变化规律，可以宏观分析区域土壤的固碳能力，并通过与其他区域的对比，提出该区域农业、林业生产过程中碳利用的优势和劣势；同时通过土壤碳库的变化，间接推断大气碳库CO2等温室气体的来源，为缓解因温室气体带来的气候变化的负效应具有重要意义.研究区洞庭湖平原和长株潭地区是我国重要的农业区和城市群区，研究该区的土壤碳储量的变化，分析产生这种变化的原因，探讨碳储量与全国、乃至全球碳分布的区别，对于正确评估我国南方主要农业区的固碳能力具有重要的意义.

近年来，不同学者对不同尺度不同时间段的土壤有机碳变化进行了大量的研究，主要分析了人类活动对于土壤有机碳的影响，但是对于土壤有机碳变化原因的分析较为简略，本文试图在前人研究的基础上，收集第二次全国土壤普查所测定的土壤有机质含量，与“湖南省洞庭湖区生态地球化学调查”所测的土壤有机碳数据进行对比，讨论区域土壤碳量20年间的分布变化，并结合地质地貌、土地利用方式、植被覆盖类型和土壤类型，分析影响洞庭湖区土壤碳量的主要因素.

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省北部，包括洞庭湖平原区的岳阳、益阳、常德及长株潭地区的近40个区县，总面积39600km2.研究区东、南、西三面山地围绕，中部丘岗起伏，北部湖泊平原展布，南高北低，东、西高而中部低，以平原、岗地、丘陵和山地等地貌类型为主；土壤主要是水稻土，次为红壤，少量为潮土和紫色土，母质母岩类型以砂岩风化物和近代河湖冲积物为主，另外还有第四纪红色粘土、花岗岩、板页岩、石灰岩、紫色砂页岩等风化物.土地利用类型主要以水田为主，近占研究区面积的一半，其次为林地，旱地、苇地、园地和城镇的面积较小.

1.2 研究方法

2004年数据主要来源于“湖南省洞庭湖区生态地球化学调查”.依据有关要求 ，本研究采用双层网格化采样，表层土壤采样深度为0～0.20m，采样密度为1个点／km2（湖底沉积物为1个点／4km2）.在野外驻地将样品自然风干过20目尼龙筛，即粒径＜0.8mm样品作分析.样品测试采用组合分析按4 km2组合.有机碳与全碳分析方法均为凯氏瓶容量法，检出限为0.1%，其方法准确度、精密度和质量检查措施严格按照要求 ，有效地控制了测试精度和系统误差.全区共获得有机碳、全碳配套的测试数据（包含了pH值和元素含量等54项），共获9758组有效数据.

1979年数据来源于第二次全国土壤普查中湖南省土壤有机质分布图，以其含量分级中的中间值提取数据，其中水域部分缺数据者以平均值代替，面积约2236km2.

2 结 果

研究区不同区域2004和1979年表层土壤有机碳（TOC）量分布见表1、图1、图2和图3.从其可见碳量在近二十年增长了5.74＊106t，每平方千米增加了147t.

对各县域两期土壤碳量分布进行比较分析，南部各县碳量均在近期有较大幅度的增加，其中宁乡县2004年碳量为全区最高；北部除临湘市、汨罗市、安乡县、桃江县和南县土壤碳量增加外，其余大部分市县区土壤碳量减少明显，以津市市最为显著，表现出土壤碳量变化与区域地理位置相关的特点.从各县区的社会经济发展程度或属性来看，这种空间分布特征表现为长株潭城市群区比洞庭湖平原区土壤碳量增加更加明显，前者的平均值由1979年低于全区平均值至2004年增长了1200t／km2；洞庭湖平原区则相反，由高于全区平均值变为低于全区平均值，到2004年则减少了300t／km2，比长株潭城市群平均值低1000t／km2.说明研究区农业区土壤的碳量明显减小，农业生产或与生物资源利用有关的工业活动在一定程度上破坏了土壤的碳平衡，导致约800万t的碳从土壤中排出.

从土壤碳量变异系数可知除岳阳市区、湘阴县和津市市外，研究区其他县区的空间变异系数均减小，说明研究区碳量离散程度减小，碳量分布趋于均匀.从图1可见，2004年有机碳含量主要分布于15000～25000t／4km2之间，分布于低值（0～5000）及高值（25000～80000）的单元数量均远低于1979年，说明研究区碳量分布趋于均匀化.

表1 各县1979年和2004年土壤碳量变化对比表

常德市区常德市2744 10637 3876.5 44.49 10608 3866 37.18津市市 580 1687 2929 50.91 1645 2855.75 53.27澧县 1980 7143 3622 44.49 6894 3495.5 40.47临澧县 1216 4390 3622 33.87 3996 3297 32.51桃源县 2372 9093 3840 40.29 7947 3356 37.09汉寿县 2068 8153 3950.25 58.15 6538 3167.75 45.27安乡县 1076 2078 1982.75 68.63 3058 3108.75 54.46石门县784 2847 3650.25 51.65 2616 3354.25 37.56益阳市区益阳市1380 4181 3382.5 48.34 4079 3528 44.95长株潭城市群 11256 35920 3190.5 ／ 49740 4419 1832 7387 4050 43.38 7418 4066.75 38.22沅江市 2136 7087 4429.25 49.81 5341 3141.75 50.27桃江县 592 2038 3466.5 68.02 2804 4768.75 28.76南县／洞庭湖平原区 27776 102430 3687.75 ／ 94351 3396.75 ／全区 39028 138331 3544.5 ／ 144073 3691／

3 讨 论

由以上分析可知，尽管洞庭湖区有机碳总量变化幅度不大，但区内有机碳的空间分布发生了较大的变化.土壤有机碳来源于植被残体以及人为施加的有机物料，其变化取决于土壤有机碳的输入和输出的相对关系，即由土壤有机质形成量和矿化量的相对大小决定.有机质的形成和矿化过程受气候条件、土壤性质、利用方式和耕作制度等人为和自然诸多因素的综合影响，有些因素的影响目前尚不明确.探讨碳储量变化与地貌类型、土壤类型、土壤母质母岩类型、土地利用方式和植被覆盖类型的相关性，采用Spearman计算相关系数，得出以下结果：

表2 不同时期土壤碳储量变化与各种因素的相关系数

由表2可知，洞庭湖区土壤碳储量主要与地貌类型和土壤母质母岩类型显著相关，其次与土地利用类型和土壤类型相关，与植被类型相关程度较低.说明土壤碳储量主要与地质地貌的关联程度较大，同时受土地利用类型的影响.事实上，土壤的母质母岩类型在一定程度上决定土壤类型，而土壤类型、地貌类型以及气候条件等决定土地利用的方式.

下面分析各个因素对于土壤有机碳变化的影响：

（1）土壤有机碳变化与地貌的关系

地貌类型是研究区有机碳变化最重要的影响因素.由表3可知，研究区7种地貌类型的变异系数均减小，变化幅度最大的是高丘陵、中低山和低山，说明碳分布的离散程度变小，山地离散程度的变化高于平原.1979年以冲积湖平原的碳含量最高，低山最低，2004年冲积湖平原碳含量为全区最低，低于1979年每平方千米碳储量平均值；高丘陵区最高，比1979年的最高值高396.5t／km2；研究区除冲积湖平原的碳含量减低外，其他地貌类型碳储量均有所增长.

冲积湖平原为湖南省地势最低平地带，也是主要农业区，区内河道迂回曲折，港汊纵横、湖泊棋布，因为沉积作用速度较大，泥沙淤积严重，湖床、河床被抬高，大量人工围垦，洪涝灾害严重.洪涝灾害严重易导致土壤处于干湿交替的环境中，增加了碳量的分解，导致碳量减少.岗地与冲湖积平原的地势相比较高，但低于丘陵，岗顶平缓，坡度不大，表层发于红壤，岗间主要发育水田，其他地方以油茶为主.低山、中低山地貌一般位于中山之余脉处，地面切割较深，山谷及山麓地带残积物较厚，植被为自然生针叶树林，及人造油茶林；低丘陵区比高一般80～120 m，起伏和缓坡度较小，水力资源丰富，土层疏松，有含量作物和经济作物的种植，高丘陵海拔在800m以下，多为落叶阔叶混交林.这些区域地势较高，植被覆盖情况较好，因此冲刷作用较小，所以这些区域的碳量均有一定增加.

表3 洞庭湖区土壤碳量变化与地貌类型的关系

（2）土壤有机碳量与母质母岩的关系

研究区母质母岩类型以砂岩风化物和近代河湖冲积物为主，由表4可知，1979年近代河湖冲积物的碳储量最高，到2004年降为全区最低，下降了9%；花岗岩、板页岩、石灰岩风化物和第四纪红色粘土的成土土壤碳储量增长明显；紫色砂页岩风化物的碳储量变化不大.研究区变异系数变化较大，碳量分布离散程度降低明显.土壤母质母岩类型的变异系数相对大于地貌类型，表明以前者区内碳量分布离散程度大.近代河湖冲积物分布于湖泊及四水交接地带，形成年代短，淋溶作用较弱，土层深厚，质地疏松，发育的土壤一般有机质含量高、较肥沃，但研究区该土壤母质母岩类型发育的土壤碳量总体降低，可能的原因是土壤发育后受其他因素如土地使用类型、地貌类型等的影响较多.花岗岩风化物表层疏松，植被较好，石灰岩、板页岩风化物受稳定的化学风化作用，使得元素残余富集明显，冲刷作用较弱；砂岩风化物、第四纪红色粘土受风化作用相对较弱，残余富集略低于前者.因此这几种类型土壤碳量有一定增加.紫色砂页岩受物理风化相对较强，有机质易冲刷流失.

表4 洞庭湖区土壤碳量的变化与母质母岩的关系

紫色砂页岩风化物432 1682 3893.75 40.69 1671 3867.5 27.56第四纪红色粘土 2136 7672 3598.5 45.35 8722 4091 25.35近代河湖积物10936 43067 3938 50.11 39069 3572.5 33.79

（3）土壤有机碳量与土地利用类型的关系

研究区土地利用类型是影响有机碳含量变化的重要因素之一，但受影响的程度低于地貌类型和土壤母质母岩类型.由表5可知，洞庭湖区主要以水田和林地为主，前者在1979年为碳储量最高的利用方式，后者在2004年的碳储量含量最高.水田碳储量略有增加，园地略有减少，旱地和苇地大幅减少，城镇略有增加，林地大幅增加.旱地园地和苇地的有机碳有所减少，其中苇地的减少量最高，这洞庭湖区围湖造田，以及苇地有机质输入量少有关，苇地变为耕地，以及芦苇收获后用来造纸，导致了有机质含量的减少.在土壤有机质含量很高的情况下，经过1a耕种，土壤碳的损失量很大，土壤在淹水条件下不利于有机质的分解，而助于土壤碳的积累.根据相关研究表明，水田具有碳汇功能，但20年中，研究区水田碳量增长十分有限，原因有三点，一是农业土壤碳循环水平较低，土壤缺乏足够的有机质去分解，因而不得不依靠化肥去增加碳、氮素的供应，大量化肥的施用破坏了土壤的天然结构；二是水稻、油菜的换季导致土壤处于水、旱的变化之中，有机质分解速率较快，水土流失量大；三是土壤有机碳输入过少，秸秆还耕率过低.森林植被具有明显的碳汇功能 ，因此林地的土壤碳储量大幅度增长.

表5 洞庭湖区土壤碳量的变化与母质母岩的关系

（4）土壤有机碳量与土壤类型的关系

土壤类型对土壤有机碳变化的影响程度仅次于土地利用类型.如表6所示，除潮土外，水稻土、红壤和紫色土的有机碳含量均有增加，其中红壤的变化程度最大，20年间增加了884t／km2，水稻土的增长不明显，仅为11.25t／km2.潮土的风化淋溶系数高、受人为耕作影响明显，大部分潮土养分比较丰富，通透性良好，水分保持适宜，对有机质的分解能力强，导致潮土有机碳量减少.红壤脱硅富铝化作用明显，风化淋失作用强，但地面上制备的枯枝败叶、生物残体，通过吸收又归还到土壤中去，补充了红壤在成土中淋失的养分；红壤植被以栲、椆类壳斗科为主.紫色土物理风化作用强烈，化学风化作用微弱，除钙、磷元素明显淋失外，其他元素无明显淋失，在植被较好的地段，土壤有机质含量高.水稻土中有机碳通过微生物化合而形成稳定的腐殖质，施入的有机物质多，而微生物的总量较少，特别是好气性的微生物更少，使得有机质的分解不彻底，因此水稻土中的有机质含量一般呈累计趋势.

表6 不同土壤类型对单位土壤碳储量的影响

（5）研究区土壤的固碳能力

对研究区土壤有机碳含量与全国其他区域进行对比，可得土壤碳含量水平，将全国土壤碳量平均值作为平衡值，可推测区域土壤的固碳潜力.对不同的文献资料进行研究整理如下：

康文星等对南洞庭湖白沙洲1999－2004－2007年土壤有机碳储量进行了研究，结果表明白沙洲苔草洲滩地段在1999年未改变土地利用方式时的单位面积碳储量为35.75t／hm2，营造为杨树林5年后 （2004 年）的 碳 储 量 为 25.06t／hm2，8 年 后（2007年）为22.24t／hm2，草地转化为林地后土壤有机碳大量流失.于兵等对大庆地区总面积212.19万hm2的植被碳密度进行了研究，结果表明，大庆地区的植被平均碳密度1978年为0.58kg／m3，2008年为0.67kg／m3，1978和2001年植被碳储量分别为（9.38×106）t和（10.40×106）t，全区土壤总碳量为（187.18±34.95）×106t.奚小环、张建新等人对江苏、湖南、四川、吉林、内蒙古为例进行土壤有机碳储量计算，结果表明，四川省四川盆地西部区土壤平均有机碳储量最高，为29107.86t／km2；吉林省平原区平均有机碳储量27427.25t／km2；湖南省洞庭湖区平均有机碳储量21977.31t／km2；江苏省平均有机碳储量17117.61t／km2；内蒙古河套地区平均有机碳储量9592.73t／km2，全国土壤碳储量分布不均匀.黄耀、孙文娟等通过对中国大陆1993—2006年关于区域农田土壤有机碳文献的调研，发现近20年来中国大陆农田面积53%～59%的土壤有机碳含量呈增长趋势，30%～31%呈下降趋势，4%～6%基本持平；中国大陆农田表土有机碳储量增加了311.3～401.4Tg；有机碳含量增加主要归因于秸秆还田与有机肥施用、化肥投入增加与合理的养分配比以及少（免）耕技术的推广；黑土区有机碳含量下降的主要原因是水土流失和投入不足.王绍强，周成虎等研究表明，中国土壤平均碳密度为10.83kg／m3.

将上述文献的研究结果列于表7，为一致起见，本文统一用0～0.2m土壤有机质含量折算为有机质含量.

表7 不同地区土壤有机碳含量对比

由表7可知，研究区土壤碳量相对全国低4045 t／km2，与南洞庭湖白沙洲相比，研究区土壤碳含量亦较低.其中大庆地区的碳量最高，远远超过了全国的平均值，内蒙古河套地区碳量则最低，仅为全国平均水平的1／4，.将全国碳量平均值作为平衡值，则研究区可增加碳储量4045t／hm2，若将同纬度线上得四川省碳量作为平衡值，则研究区可增加1548t／hm2.

4 结 论

多数研究表明，人类活动所引起的土地利用和土地覆盖变化对土壤碳库和碳循环的影响是最直接的 .通过以上对土壤碳储量变化与地貌类型、母质母岩类型、土地利用类型和土壤类型关系的研究，可知研究区受地质地貌类型的影响最大.二者研究结果在事实上是相一致的.地质地貌类型在根本上决定了人类活动类型，因此该研究为土壤碳量变化的研究提供了一种新的思路.其中冲积湖平原地貌和近代河湖冲积物在部分区域上有一定重叠，主要位于安乡县、南县和华容县一带，土地利用方式为水田、且以水田－油菜作物－棉花为主，通过对各影响因素的分析可知，造成该区碳量除安乡县外均呈减少趋势的原因是：冲湖积平原地貌洪涝灾害严重，作物种植干湿交替，导致土壤有机质分解较快，近代河湖冲积物在理论上富含有机质，但统计数据显示该区有机质明显减少，说明由于人为因素的影响，秸秆还耕率低、土壤碳循环能力差，造成了土壤有机质的流失.长株潭城市群区以及环洞庭湖平原区多以丘岗地貌为主，利用方式为水田和林业，这些区域的土壤碳量增加明显，原因是丘岗地带决定了土地利用多以林业为主，且水田多为一季稻，有利于水土肥力保持，同时说明这些区域对于土壤有机质的利用较洞庭湖平原区合理.

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