云南省深层土壤有机碳的估算及其影响因素分析*

楚梦玮，侯巍楹，净婷菲，常兆峰，段文焱，周丹丹，李芳芳

(1.昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明 650500；2.云南省土壤固碳与污染控制重点实验室，云南 昆明 650500)

目前，由温室效应引起的全球变暖问题已成为全世界关心的重要问题[1]，而土壤有机碳储量(soil organic carbon reservoir，SOCR)的变化是导致全球气候变化的一个潜在因素。地表温度增加，会大大增强土壤呼吸作用，导致CO2等温室气体不断地从土壤释放到大气中。SCHIMEL 等[2]研究发现：当地表温度每升高1 ℃，土壤就会释放出至少11.1 pg (pg=1015g)的碳，这是引起全球气候变暖的主要原因之一。因此，SOCR 的估算是预测全球气候变化中不可忽略的重要因素。

由于表层土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)含量高且易受环境因素的影响，国内外以前对于SOC 储存量的估算主要集中在表层土壤(0～30 cm)，而忽略了对深层土的研究[3-6]。土壤SOC的主要来源是植物的分泌物和脱落物[7]、土壤微生物[8]以及可溶性有机碳[9]，其中绝大部分来源于深根植物的根系脱落物。因此，一方面，通过加强深根植物的光合作用，可促进更多根系脱落物碳保留于深层土壤，将是减缓气候变化的潜在有效的碳储存途径[10]；另一方面，通过刺激深层土壤微生物活性，增加微生物生长量，产生更多的微生物残体和分泌物与矿物形成紧密的有机无机复合体，也能加强深层土壤固碳[11]。但当大量新鲜有机碳通过深根植物的根系脱落物与分泌物输入土壤时，可能会通过激发效应导致深层土壤中的SOC 大量分解[12]。所以研究深层SOCR 和土壤有机碳密度(soil organic carbon density，SOCD)，有利于对土壤碳稳定和碳循环的研究[13]，同时也有利于污染物沉积[14-16]和农作物肥力的相关研究[17-19]。由于深层土壤较表层有机碳来源较少，且从表层有机碳纵向迁移抵达深层土壤的新鲜碳少，因此深层土壤SOC 含量低，所能提供的微生物碳源及其他营养物质不足，故深层微生物种类和数量较表层土壤相对较少[14]，生物转化和生物降解作用会相对较弱，污染物易在深层土壤中发生积累。此外，相比表层土壤，尽管深层土壤有机碳含量较低，但其储量更大，占到全球有机碳储量的50%以上，具有更大的固碳能力，这主要归因于深层土壤较丰富的矿物组成对有机碳的保护[17]。从长远考虑，深层SOC 含量高的土壤，潜在肥力更好[18]，有利于农作物种植的可持续发展。

云南省内地势较为复杂，区域内气温、降雨量等气候因子呈现较大的差异性，这导致土壤类型在水平和垂直空间内均具有丰富的多样性[20]。研究此区域中深层SOC 的影响因素，可为其他区域的相关研究提供参考。本研究收集云南省第二次土壤普查资料共计570 个土壤剖面的相关数据，对云南省不同土壤类型的深层SOCD 和SOCR 进行估算，绘制云南省30～200 cm 深层SOCD 分布图，探讨其分布规律，并与云南省表层土进行对比分析；最后通过单因素分析，对SOCD 的影响因素进行探讨。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云南省地处中国西南边疆，是一个以山区为主的省份，大部分地区的地势在1 500 m 以上。地貌结构大致以金沙江上段、点苍山、哀牢山和元江为界，分为滇东和滇西两大部分。这两部分的外部形态和地质构造截然不同，通常把西部称为滇西纵谷，东部称为滇东高原[21]。

云南省年降水量888.3 mm，年平均气温17.9 ℃[22]，且绝大多数地区的年温差在10～14 ℃，是中国年温差较小的一个地区[23]。夏季平均气温25～27 ℃，而且雨热同季，适宜作物的生长。冬季虽然各月平均气温相对较低，但因地势高，受寒潮影响较弱，低温常常与干旱晴天相结合，提高了冬季有效积温。冬暖夏凉这一特点对农业生产、自然植被的保存以及土壤的发育都有重要的意义。

云南土壤类型受成土母质和植被类型的影响。云南以高原山地土壤为主，就成土母质而言，高原山地土壤基本上是由各类母岩的风化残积物和富铝化风化壳所形成的，而河谷和盆地土壤的成土母质以冲洪积物和湖积物为主。就植被类型而言，在云南热带雨林和热带季雨林分布地区，由于气候潮湿、淋溶作用强及酸性大，主要的土壤类型是砖红壤。而红壤分布地区的主要植被类型是亚热带北部半湿润常绿阔叶林和云南松林，赤红壤主要分布于亚热带南部季风常绿阔叶林和思茅松林等地区[21]。云南省共计19 种土类，其中砖红壤、红壤、赤红壤、黄棕壤和黄壤约占2/3。除此之外，云南还有棕壤、暗棕壤、棕色针叶林土、石灰(岩)土、紫色土和水稻土等多种土壤类型[20]。土壤既有南北向的布局，也有东西带水平分布的差异。山地的垂直分布特点十分明显，表现出显著的地理分布特征。在耕地中，低产田相对更多，相对平坦和集中的农业用地仅占云南省耕地的1/3。旱地面积较大，轮歇地占干旱耕地总面积的1/4[24]。

1.2 数据来源

本研究使用的云南省深层SOC 相关数据来源于《云南土壤》[20]《云南省第二次土壤普查数据资料集》[25]和《云南土种志》[24]，共计570 个采样点，覆盖了大部分的耕种土壤和自然土壤。《云南土壤》和《云南省第二次土壤普查数据资料集》记录了这570 个样品的详细数据，包括母质层(C 层) 土壤有机质(SOM，soil organic matter)含量、深度、厚度和容重等。云南省C 层土壤深度大多在30～200 cm，故本研究将30～200 cm的土壤定义为深层土。由于C 层以下母岩层(R 层)测量困难且缺少相关土壤数据，所以本研究没有对云南省R 层SOC 进行估算。《云南土种志》[24]记录了云南省土种及其所属土类和面积等数据。在环境因素对SOCD 影响程度的分析中，570 个采样点中仅有125 个采样点有该地区的温度、海拔和降水量记录，这些数据来源于《云南省第二次土壤普查数据资料集》。基于这125 组数据，本研究通过单因素分析方法分析环境因素对SOCD 的影响程度。

1.3 土壤有机碳的计算方法

土壤类型法是目前国内外估算SOCD 的常用方法。由于同类土壤SOC 蓄积调控影响因素相同，所以土壤类型法容易识别SOC 的空间格局[26]；因此本研究采用土壤类型法对云南深层土壤碳库进行估算和研究。

采用Van Bemmelen 系数[27]对SOM 含量和SOC 含量进行换算。将570 个采样点的土壤有机质含量和土层厚度等数据带入公式(1)对各土种各土层的SOCD 进行计算。

式中，SOCD 为土种的土壤有机碳密度，t/hm2；k为 Van Bemmelen 系数；ρ为土壤容重，g/cm3；C为深层土有机质含量，%；T为土壤中直径＞2 mm 的砾石含量百分比，%；H为土层厚度，m。根据《云南土种志》中的记载，云南几乎所有土种的砾石粒径均小于2 mm，因此本研究中的T以0 代入，故可将公式(1)简化为公式(2)。

中国目前常假定SOM 含碳量为58% (经验数值) 来进行计算，因而采用Van Bemmelen 系数1.724[28]。参照SONG 等[29]建立的土壤容重与有机质质量分数的数学模型进行估算。SONG 等[29]通过分析全球的3 645 个自然土壤样品和4 765 个耕作土壤样品的相关数据，拟合出回归方程式。

每个土类有5～90 种土种，如石灰岩土有8种土种，砖红壤有35 种土种，赤红壤有33 种土种，红壤有86 种土种。所以本研究利用公式(5)计算每个土类(设由k个土种组成) 的SOCD[30]，并绘制云南省深层SOCD 分布图。

式中，SOCDi为各土类的面积加权平均土壤有机碳密度，t/hm2；Sa为某一土种的分布面积，hm2。

云南省深层土总SOCR (设共m个土类)按公式(6)计算。

式中，S为某一土壤类型的分布面积，hm2。

1.4 土壤有机碳的主要环境影响因素分析

为分析海拔、温度和降水量等主要环境因素对SOCD 的影响程度，采用125 个采样点的相关数据进行单因素分析，分析SOCD 与其影响因素之间的相关关系。最后将样品中的环境影响因素数据进行相关性分析，分析各影响因素之间是否存在相关性。其中，显著性差异水平P取值0.05，极显著差异水平P取值0.01。

2 结果与分析

2.1 云南省深层SOCD 与SOCR 估算结果

《云南土种志》中的15 种土类总面积为35.09×106hm2，对570 种土壤的深层SOCD 进行估算，各土类的分布面积和SOCD 见表1。采用Van Bemmelen 系数估算得到深层SOCD 的平均值为44.21 t/hm2，云南省深层总SOCD 为1.67×109t。由于土壤分布面积、容重和C 层深度等差异，云南省不同土壤类型的深层SOCD 和SOCR 差别较大。由表1 可见：深层SOCD 从低到高依次为燥红土＜紫色土＜红壤＜赤红壤＜砖红壤＜褐土＜石灰(岩)土＜黄壤＜水稻土＜新积土＜黄棕壤＜棕壤＜暗棕壤＜亚高山草甸土＜棕色针叶林土，其含量在15.24～136.79 t/hm2之间。深层SOCR从低到高依次为褐土＜燥红土＜新积土＜砖红壤＜暗棕壤＜石灰(岩) 土＜亚高山草甸土＜水稻土＜棕色针叶林土＜紫色土＜黄壤＜赤红壤＜棕壤＜黄棕壤＜红壤，其含量在5.13×106～362.13×106t 之间。

表1 云南省主要土壤类型的深层SOCD 和SOCR (Van Bemmelen 换算系数)Tab.1 The deep SOCD and SOCR of major soil types in Yunnan Province

2.2 云南省深层SOCD 的空间分布

由图1 看出：滇南向滇北SOCD 含量逐渐增大，滇东向滇西的SOCD 含量逐渐增大。其中滇西北的深层SOCD 最大，主要以棕壤、暗棕壤和棕色针叶林为主；其次为滇东北地区的SOCD 较大，主要以褐红壤和黄壤为主。高海拔地区的SOCD 比低海拔地区大，如西北地区的雪盘山、玉龙雪山和高黎贡山等山地的SOCD 相对较高。

图1 云南省深层SOCD 空间分布Fig.1 Spatial distribution of deep SOCD in Yunnan Province

2.3 深层土壤有机碳库的影响因素

由表2 可知：在一定范围内，深层SOCD值与海拔呈正相关性，相关性系数为0.001，显著性大于0.05，小于0.1。深层SOCD 与温度呈现负相关关系，相关性系数为0.614，显著性小于0.1。同时，本研究也发现：深层SOCD 值与年平均降水量呈正相关性，相关性系数为0.003，显著性小于0.05。

表2 土壤有机碳密度与环境因子间的关系Tab.2 Relationship between SOCD and environmental factors

如表3 所示：海拔与年平均温度间存在负相关关系，同样地，海拔与年平均降水量之间也存在着一定的负相关性，而年平均温度和年降水量之间则存在着一定的正相关性。

表3 3 种环境因子间的相关关系Tab.3 Correlation among three environmental factors

3 讨论

3.1 云南省深层SOCD 结果及分布

不同土类的SOCD 与SOCR 的大小变化并不一致，这主要是由于各个土类的面积差异较大，例如红壤的SOCD 仅31.85 t/hm2，但是全省深层SOCR 最高的土壤是红壤，所占比例为云南省深层SOCD 的21.63%。这是因为红壤是云南省面积最大(1.137×107hm2)的土壤，占全省土壤面积的32.17%。另一方面，通过表1 可知：棕色针叶林土、暗棕壤和亚高山草甸土的深层SOCD 较其他土类更高，分别为136.79、82.80和117.46 t/hm2。但是由于3 种土类面积较小，其SOCR 在所有土类中仅位列第8、第9 和第11 位。

云南省SOCD 东北高、西南低的分布主要是受海拔和温度的影响，由于东北部山地海拔高温度低，SOC 的分解速率低[31]。这符合吕超群等[32]对全球SOC 分布的相关分析，处于高纬度高海拔地区的SOC 较高。滇西南部分地区SOCD 较高，但因其地形较为复杂，土壤类型多样，导致SOC 分布不均。与表层SOCD 相比，滇中南地区深层SOCD 显著降低。这主要是因为该区域深层土壤具有较强的砂性，在植被遭到破坏的情况下容易发生侵蚀[24]导致有机碳含量显著下降。

由于包承宇等[33]的研究方法与本研究一致，而且数据同样来源于《云南省第二次土壤普查数据资料集》[25]。所以，为了比较深层和表层 SOCD、SOCR 之间的关系，本研究选择包承宇等[33]估算的表层 SOCD 和 SOCR 数据进行对比。

从图2 可见：同类型土壤深层SOCD 整体上小于表层SOCD，与以往研究报道随土壤深度增加SOC 含量减少[34]的结果一致。但是，水稻土、石灰土和新积土3 种土壤的深层SOCD 皆大于表层SOCD。这可能与土壤本身的性质和人类活动有关。水稻土和新积土易耕作，人为作用导致表层SOC 小于深层SOC。如表层SOC 被作物吸收利用，导致表层SOC 相较深层土壤减少。新积土为幼龄土壤，表层有机质含量较低[24]。从成土原因来看，石灰土是碳酸岩母质发育的土壤，深层的C 含量会比浅层要高[20]。

图2 云南省深层SOCD 与表层SOCD 对比Fig.2 Comparison of deep SOCD and surface SOCD in Yunnan Province

由图3 可见：除水稻土、石灰(岩)土和新积土外，其他土类的表层SOCR 均大于深层SOCR，特别是云南省分布最为广泛的红壤较为明显。深层总SOCR 低于表层总SOCR，这主要是由于每种土类的面积不同，缩小了部分深层与表层的SOCD 相差较大的差异。但是，由于土壤采样深度的限制，本研究所采用深层土基本为C 层土壤，采用深度在30～200 cm，并未将200 cm 以下的土壤考虑在内。如果深度定为8 m[35]，那么深层SOCR 和表层SOCR 的差距有可能减小，甚至可能超过表层SOCR。

图3 云南省深层SOCR 与表层SOCR 对比Fig.3 Comparison of deep SOCR and surface SOCR in Yunnan Province

3.2 深层土壤有机碳库的影响因素

研究结果表明：深层SOCD 值与海拔呈正相关性。2 900 m 以上高山地区的棕色针叶林土、暗棕壤和亚高山草甸土的SOCD 较其他土类更高。该现象主要归因于两点：其一，高山地区人类活动少，人类对土壤所造成的影响较小；其二，由于高海拔地区常年温度较低，土壤微生物的分解作用减缓，这些因素均有利于SOC 的累积[20]。然而，高山寒漠土与上述3 种土类同属高山土壤，却因降水量和温度的综合影响(亚寒带气候)，不适合高等植物和大部分动物生长[20]，所以导致SOCD 较其他土类偏低。

此外，深层SOCD 与温度呈负相关关系。温度对SOC 的影响主要为间接影响。这一间接性主要体现在温度对土壤理化性质和微生物群落的影响。当土壤温度升高时，土壤水分的黏滞度和表面张力下降，土壤水分更易渗透，改变土壤的通气性[36]，影响微生物种群和生命活动，加快了SOC 的分解速率。当温度超过该区域植物适宜温度范围时，会减弱植物的净初级生产力，减慢了SOC 的合成速率[37]。

同时，研究还发现：深层SOCD 值与年平均降水量呈正相关性。土壤水分对土壤生物呼吸具有重要影响，而土壤微生物的活跃程度对SOCD起着至关重要的作用。降水在不同地区和时期对土壤水分的影响都有差异。在较干旱地区，降水会提高土壤微生物的活性，增强土壤呼吸，SOC将会被分解，从而使深层SOCD 减少。相反，在湿地等水分含量饱和的地区，降水可能会对土壤呼吸产生比较明显的抑制作用[38]，降低SOC 的分解率，使得深层SOCD 积累。

4 结论

(1)云南省30～200 cm 深层土壤加权平均SOCD为44.21 t/hm2，SOCR 为1.67×109t。估算得到的云南省深层土壤SOCD 大于全国平均SOCD，但均小于云南省0～20 cm 表层SOCD。30～200 cm深层总SOCD 小于表层总SOCD。这一结果为未来云南省土壤碳稳定和污染物沉积分布的研究奠定了基础，也对其他地区深层土壤有机碳含量的研究起到了指导作用。

(2)云南省深层SOCD 的分布情况大体上与表层SOCD 的分布情况相似，都是从由南到北逐渐增加，由东向西逐渐增加。深层SOCD 最高的地区集中在滇西北的高山地区，其次是东北部的高原地区，最低的地区是滇中以紫色土为主的部分地区。深层SOCD 高的区域，拥有更强的固碳能力，潜在肥力大，在此区域可多种植适宜该地区环境的农作物。从长期来看，有利于作物生长。

(3)深层SOCD 值与海拔和年均降水量呈正相关性，温度与深层SOCD 则呈负相关性，且这3 种环境因子之间也存在着一定的相关性。由于非自然因素对土壤有机碳影响的相关数据较少，未来可以进一步结合人为因素和自然因素，建立深层土壤有机碳含量的变化模型，预测未来的变化情况。