基于上海市土地利用方式变化下的土壤有机碳储量核算研究

王丹妮

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

据估算，1m厚土壤碳储量约占全球陆地生态系统碳的总储量的76%[1]，土壤是陆地生态系统碳储量的主要储备形式[2]。土地利用变化通过改变生态系统的植被组成、结构，凋落物的类型和质量，进而影响土壤有机碳的量，且不同土地利用类型的碳密度存在明显差异[3-4]，因此，土地利用方式变化是陆地生态系统碳储量变化的主要驱动因子[5-6]。

目前，国内有研究者开展了个别省市土地利用方式变化下有机碳储量变化的研究。揣小伟等研究发现：1985年到2005年江苏省表层土壤有机碳储量净增2.51404×1010kg；耕地—林地、草地，草地—林地、建设用地，建设用地—耕地、草地、林地，水域、未利用地的转出等转换类型有利于土壤碳储量的增加，其他地类间的转换会造成一定的碳排放[7]。其他相关研究表明，表层土壤碳储量农用地较其他土地高，农用地转化为建设用地一般会使土壤有机碳储量降低[8-10]。近十年来，尤其是在“总量锁定、增量递减、存量优化、流量增效、质量提高”的土地利用策略[11]实施以来，上海市土地利用呈现出明显的集约节约利用的特征。然而鲜见针对上海市土地利用方式变化下的表层土壤有机碳储量的变化研究，本文拟利用上海市2009～2012年、2013～2016年上海市实测数据，对上海市土壤有机碳储量的变化以及土地利用方式变化对表层土壤有机碳储量的影响开展研究。

1 数据来源与研究方法

1.1 基础数据来源

本研究中土地利用数据来源于上海市年度土地利用变更数据（2012年、2016年）。土壤监测数据来源于2009～2016年上海市地质调查研究院开展的土壤环境质量监测工作，表层土壤有机碳监测采样密度约为每平方千米1个点，采样深度为0～20cm。第一轮监测时间为2009～2012年，采样数量为6020个；第二轮监测时间为2013～2016年，采样数量为6628个。土壤类型图底图来源于《上海城市地质图集》，土壤容重数据是由《上海三维城市地质系统信息系统》中相关土工试验数据经换算获得。

1.2 土壤有机碳储量核算

目前，土壤有机碳储量计算常采用两种计算方法，分别为固定深度法（FD）、等效重量法（ESM）[12-14]，其中，等效重量法主要为校正不同处理之间在特定土层由于土壤容重差异而造成的土壤重量不一致性。鉴于现有大多数研究采用固定深度法进行计算，故本文采用B. H. Ellert推荐的固定深度计算公式进行土壤有机碳储量核算[15]，计算方法如下：

（1）表层土壤有机碳密度

表层土壤（0～20cm）有机碳密度（SOCD）的计算公式为：

式中：SOCD（单位：kg/m2）是表层土壤（0～20cm）有机碳密度；TOC是表层土壤（0～20cm）有机碳含量（单位：%）；D是土壤厚度，取0.2m；ρ是土壤容重（单位：g/cm3）；10是单位换算系数。

（2）表层土壤有机碳储量

表层土壤有机碳储量（CSOC）的计算公式为：

式中：SOCDi（单位：kg/m2Ai）（单位：m2）分别为土地利用类型i的表层土壤有机碳密度、土地利用类型i的面积。

土地利用图斑的土壤TOC、容重赋值：将带有坐标的土壤环境质量监测数据导入ArcGIS 10.5中，剔除异常值后经Kring空间插值法生成覆盖上海市土地利用图斑范围的土壤有机碳含量分布图，利用Conversion Tools将分布图转化为带有机碳含量属性的点数据，再将土壤容重数据赋予各点，最终将点数据赋予土地利用图斑。

在计算表层土壤有机碳储量过程中，河流水面、湖泊水面、水库水面的不计入土壤有机碳储量计算；建设用地、未利用土地和其他土地由于存在硬化用地，仅计算这类用地中绿化用地部分的表层土壤有机碳储量，绿化面积比例均按《上海市绿化条例》中对各类用地绿化面积的最低要求比例进行计算。

本文中土地利用变更和表层土壤有机碳储量计算均以2012年、2016年作为核算基准年。

2 土壤有机碳和有机碳密度

2.1 表层土壤有机碳含量

2012年，上海市表层土壤有机碳含量范围为0.12%～13.38%，平均值为1.32%，表层土壤有机碳高含量区主要分布于青浦、松江、金山一带，属于湖沼平原区。2016年，上海市表层土壤有机碳含量范围为0.11%～12.01%，平均值为1.36%（表1），表层土壤有机碳含量在上海西南部、崇明西北部等高背景区以及上海市区、近郊区均有增高（图1）。2012年到2016年，上海市表层土壤有机碳含量变异系数由47.87%增至50.63%，由中等变异转变为强变异，表现出上海市表层土壤有机碳含量在区域上分异进一步增大。

表1 表层土壤有机碳平均值统计Table 1 Statistical table of the average surface soil organic carbon

图1 上海市2009～2016年表层土壤有机碳含量分布Fig.1 Distribution map of surface soil organic carbon content in Shanghai from 2009 to 2016

2.2 不同地类表层土壤碳密度

表2可知，2012年上海市表层土壤平均碳密度为2.75kg/m2。不同地类表层土壤平均碳密度关系为：草地＞水利设施用地＞耕地＞林地＞其他农用地＞特殊用地＞工矿仓储用地＞商服用地（住宅用地）＞园地（公用设施用地）＞公共建筑用地＞交通运输用地＞未利用土地＞其他土地。2016年上海市表层土壤平均碳密度为3.11 kg/m2，较2012年增加0.36 kg/m2，不同地类表层土壤平均碳密度关系为商服用地＞公共建筑用地＞林地＞耕地＞草地＞其他农用地＞特殊用地＞住宅用地＞工矿仓储用地＞水利设施用地＞园地＞交通运输用地＞公用设施用地＞未利用土地＞其他土地（图2）。

表2 不同地类表层土壤碳密度平均值统计Table 2 Statistical table of the average soil carbon density of different land use type

图2 不同地类表层土壤碳密度年度对比Fig.2 Annual comparison of surface soil carbon density of different land use type

通过相关性分析（表3），2012年、2016年上海市除去其他农用地、其他土地外，各土地利用类型的表层土壤碳密度均与有机碳含量呈显著相关，与土壤容重无明显相关性。

表3 不同地类表层土壤碳密度与土壤有机碳相关性Table 3 Table of relationship between the surface soil carbon density and the content of the surface soil organic carbon for different soil use type

通过分析可知：（1）2012年，水利设施用地的表层土壤平均碳密度较高，主要原因是水利设施大多处于河流、湖泊的近陆地带，其沉积物富含淤泥、植物凋落物、腐殖质，导致土壤有机质含量高；园地的表层土壤平均碳密度较低，主要是园地大多位于上海市有机碳含量较低的区域，如崇明三岛屿、奉贤等，这些区域土壤多为江海沉积物，砂性土含量高，黏性物质少，故吸附有机质较少。（2）2016年，商服用地与公共建筑用地的表层土壤平均碳密度均高于农用地，主要原因是商服用地、公共建筑用地重视地块绿化养护，有效提升了土壤有机质含量。

3 上海市表层土壤有机碳密度与储量对比分析

表4可见，与史利江[16]的研究结果进行对比，2009～2016年间上海市表层土壤平均有机碳密度、表层土壤有机碳储量均低于1994～2006年的4个时期的值；与全国及其他省市的研究结果进行对比[17-31]，上海市的表层土壤有机碳密度低于全国均值的4.70kg/m2，与城市中武汉、重庆的表层土壤有机碳密度不相上下。若以877.63×104km2作为中国土壤总面积，以王绍强等[32]估算的43.60×1012kg作为全国表层土壤有机碳总储量，则本研究结果显示，以上海市2016年相关数据进行计算，上海市土壤面积占全国土壤面积的0.093%，表层土壤有机碳储量占全国表层土壤有机碳储量的0.026%。

表4 上海市与国内其他地区表层土壤有机碳密度与储量对比Table 4 Comparison of SOCD and SOC in Shanghai with other area in China

4 土地利用变化对表层土壤有机碳储量的影响

4.1 土地利用变化情况

据统计，2012年至2016年，上海市土地利用发生了较大变化，主要是增加建设用地面积，减少了农用地、其他土地面积。其中，农用地中其他农用地、林地、园地是主要的转出者，转出总面积为66.57km2，多数转化为公用设施用地、交通运输用地、工矿仓储用地；其他土地主要转化为耕地、交通运输用地、公用设施用地，转化的总面积为43.21km2；未利用土地主要转化为耕地、工矿仓储用地、公用设施用地、住宅用地，转化的总面积为6.47km2。

建设用地中公用设施用地、交通运输用地、商服用地是主要的转入者。公用设施用地主要是由住宅用地、耕地、工矿仓储用地转入，交通运输用地主要是由耕地、其他土地、住宅用地转入，商服用地主要是由耕地、住宅用地、工矿仓储用地转入，转入的总面积分别为81.33km2、其中，耕地、住宅用地、林地的表层土壤碳有机碳储量有较大增量，总共增加了612.10×106kg。值得一提的是，土地利用类型一直是滩涂的表层土壤有机碳储量增加了41.02×106kg，具有较强的固碳储碳能力。

2012年到2016年上海市土地利用类型发生转换的土地表层土壤有机碳储量共减少21.36×106kg。其中，耕地、林地、园地转出类型的土地表层土壤有机碳储量减少量较41.80km2、22.21km2（表5）。

表5 上海市2012～2016年土地利用转换矩阵（单位：hm2）Table 5 Conversion matrix of land use change from 2012 to 2016

4.2 土地利用变化对表层土壤有机碳储量的影响

经过核算，上海市2012、2016年表层土壤有机碳储量分别为10610.14×106kg、11495.66×106kg。

2012年至2016年上海市各土地利用类型土地的表层土壤平均碳密度均有增加，增加范围为0.12～0.70 kg/m2，增加幅度为3.76%～34.83%。表层土壤平均碳密度均有增加，主要与表层土壤有机碳含量整体升高有关。

表6可见，2012年到2016年，上海市土地利用类型保持不变的土地表层土壤有机碳储量共增加906.88×106kg。大，共减少345.88×106kg；其他农用地、工矿仓储用地、其他土地转出类型的土地表层土壤有机碳储量增加量较多，共增加309.03×106kg。

表6 各土地利用类型表层土壤有机碳储量变化矩阵（单位：t）Table 6 Change matrix of surface SOC storage for different land use type

具体来说，耕地、林地和园地转化为工矿仓储用地、公用设施用地、交通运输用地的土地利用类型时表层土壤有机碳储量有明显的降低，表明此类土地利用类型的转化造成了表层土壤有机碳的排放；其他农用地—耕地、公用设施用地、工矿仓储用地和工矿仓储用地—耕地、公用设施用地以及其他土地—耕地、公用设施用地的土地利用类型时表层土壤有机碳储量有较高的增加，侧面说明上海市在将土地复垦成农用地的过程中，注重采用增施有机肥、秸秆还田等措施使得土地有机碳含量增高，使得这类土地利用类型的转化有利于表层土壤有机碳的汇聚。

上海市表层土壤有机碳储量增加量主要来源于土地利用类型不变的土地，这些土地表层土壤有机碳储量增加是土地的碳密度（有机碳含量）普遍增高的结果。交通运输用地、工矿仓储用地、水利设施用地、商服用地的表层土壤有机碳储量减少，主要是转化为此类土地的绿化面积减少的结果。

4 结论

本文对上海市2012年和2016年表层土壤（0～20cm）有机碳储量进行了核算，并分析了土地利用变化对土壤有机碳储量的影响，主要结论如下：

（1）2012年到2016年，上海市土地利用类型发生了较大变化，主要是增加了建设用地面积，减少了农用地、未利用地面积。上海市表层土壤有机碳含量在区域上普遍增高；2012、2016年表层土壤有机碳储量分别为1.061014×1010kg、1.149566×1010kg，表层土壤平均有机碳密度低于全国平均水平的4.70kg/m2，表层土壤有机碳储量占全国表层土壤有机碳储量的0.026%。

（2）耕地、林地和园地转化为建设用地造成了表层土壤有机碳的排放，而其他农用地—耕地、公用设施用地、工矿仓储用地和工矿仓储用地—耕地、公用设施用地以及其他土地—耕地、公用设施用地的土地利用类型有利于表层土壤有机碳的汇聚。

（3）上海市表层土壤有机碳储量增加量主要来源于土地利用类型不变的土地，这些土地表层土壤有机碳储量增加是土地的碳密度（有机碳含量）普遍增高的结果，交通运输用地、工矿仓储用地、水利设施用地、商服用地的表层土壤有机碳储量减少主要是转换为此类土地的绿化面积减少结果。建议通过进一步加强农用地、滩涂土地的有效保护，并对建设用地上的建筑物实施立体绿化等措施，提升上海市表层土壤有机碳储量。