黄土高原西段表层土壤有机碳储量及时空变化规律

李春亮，王 翔，张 炜，曲正钢，杨 菁，张 君

(甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

人们普遍认为气候变暖与自工业革命以来大气中CO2浓度的增加有密切关系，土壤碳库作为陆地生态系统碳库中最大的贮库，一直以来都是国内外学者关注的对象。其中，有机碳作为土壤中较为活跃的部分[1-4]，其浓度变化更是以温室效应的方式影响全球气候变化[5]。针对土壤碳储量，早期的研究多集中于土壤有机质(碳)及其在土壤肥力中的作用，如对土壤养分、土壤结构、土壤保水保肥方面的意义[6]。20世纪末开始关注土壤固碳、土壤碳转化和碳循环对全球气候变化的影响，土壤能否增加碳储存是关系陆地生态系统继续发挥对大气中CO2的吸收与固定的碳汇效应的重要理论基础[7]。

王绍强等[8]运用第二次全国土壤普查资料估算得到中国土壤总有机碳库为92 Pg；潘根兴等[9]估算全国土壤表层有机碳库为43.6 Pg，徐香兰等[10]估算黄土高原表层土壤有机碳库为1 068 Tg，目前对黄土高原西段甘肃省境内表层土壤有机碳储量的研究则比较少见，表层土壤有机碳含量关系着黄土高原西段粮食安全、土壤质量和生态环境等诸多方面[11-13]，随着黄土高原区生态环境综合治理的大规模开展以及国土绿化工程的实施，西北黄土高原地区极有可能成为陆地生态系统蓄存二氧化碳的重要区域[14]。本文通过调查甘肃省境内黄土高原表层土壤获得的有机碳含量，分析了在不同土壤类型、土地利用方式及地形地貌中土壤有机碳的分布特征，并估算了黄土高原西段不同时期表层土壤有机碳储量，有助于了解整个黄土高原有机碳的分布情况，并为准确计算黄土高原有机碳储量提供科学依据，对建立黄土高原区土壤碳库，研究碳循环和土壤碳封存能力具有较大的指导意义。

1 研究区自然概况

黄土高原西起青海省东部及甘肃省乌鞘岭，东至太行山，南靠秦岭，北抵长城沿线一带，涉及甘肃、青海等7省(区)，总面积623 000 km2[15]。本文以黄土高原西段典型代表区甘肃省境内兰州、白银、定西、平凉和天水5地区表层土壤有机碳为研究对象，研究区面积42 348 km2，其中农用地20 068 km2、草原16 664 km2、森林3 324 km2，是甘肃省主要农业生产区；区内土壤以黑垆土、黄绵土和灰钙土为主；水土流失问题严重，属西北生态环境最脆弱区[16]。

2 数据来源与计算方法

2.1 数据来源

本文研究数据来源于甘肃省1:25万土地质量地球化学调查实施的兰州—白银地区、定西—静宁地区及临夏地区3个项目采集的表层土壤样品(0～20 cm)共计42 351件，采样密度为1个点/km2，以4个样品组合成为1个分析样，分析获得土壤样品有机碳含量数据10 587个，垂直剖面土壤样品(0～2 m)68个，分析获得垂直剖面土壤有机碳含量数据340个，所有样品均由武汉综合岩矿测试中心检测，采用重铬酸钾容量法，该分析配套方案是我国多目标区域地球化学扫面样品分析的最佳分析方法之一，检出限为0.1μg/g，分析精密度控制在10%～20%，准确度控制在0.10～0.12，分析报出率达到98%以上，对分析质量采用全国质量监控制度控制。

2.2 计算方法

2.2.1 土壤有机碳密度

土壤碳密度是指单位面积中一定深度的土体中碳元素的质量[17]，本文土壤有机碳密度的计算公式为：

SOCD=w(TOC)×d×ρ÷10

(1)

式中：SOCD为有机碳密度， kg/m2；w(TOC)为土壤有机碳含量， %；d为计算深度，本文取20 cm；ρ为土壤容重， g/cm3；10为单位换算系数，其中土壤容重数据来源于《甘肃土壤》[18]。

2.2.2 单位土壤有机碳量

土地质量地球化学调查中土壤表层样品分析以4 km2为分析单元；在4 km2范围内，一定深度土层中有机碳的质量被定义为单位土壤有机碳量[19]，单位土壤有机碳量计算公式为：

USCATOC=4×103×SOCD

(2)

式中：USCATOC为单位土壤有机碳量，t/4 km2；4×103为换算系数；SOCD为土壤有机碳密度，kg/m2。

2.2.3 土壤有机碳储量

利用土地质量地球化学调查数据，采取单位土壤碳量方法计算土壤碳储量。土壤有机碳储量计算公式为：

(3)

式中：SCRTOC为土壤有机碳储量，t；USCATOC,i为第i个统计单位土壤有机碳量，t/4 km2；n为土壤有机碳储量统计范围内单位土壤有机碳量加和个数，即4 km2大小的网格数。

3 结果与分析

3.1 不同土壤类型有机碳储量分布特征

将分析数据叠加至1∶500 000甘肃省土壤类型图[18]上，分别统计不同土壤类型单元内有机碳储量，灰钙土中土壤有机碳储量最大，占总储量的32.15%；其次是黄绵土，占总储量的21.52%；加之黑垆土、红黏土、黑钙土和灰褐土，这6种土壤有机碳储量占总储量的86.4%。有机碳密度由高到低依次为灰褐土、高山草甸土、黑钙土、栗钙土、红黏土、灌漠土、灌淤土、黑麻土、黑垆土、黄绵土、灰钙土和风沙土。

表1 黄土高原西段不同土壤类型有机碳储量及碳密度

3.2 不同土地利用方式土壤有机碳储量分布特征

将分析数据叠加至2015年甘肃省第二次全国土地调查数据图斑上，分别统计不同土地利用方式下土壤有机碳储量，其中耕地有机碳储量最大，占总储量的47.18%；其次是草地，占总储量的21.52%；有机碳密度由高到低依次为林地、建设用地、耕地、园地、草地和未利用地。

表2 黄土高原西段不同土地利用类型有机碳储量及碳密度

3.3 研究区土壤有机碳储量与中国典型地区对比

将研究区土壤有机碳储量与全国其他典型地区有机碳储量进行对比分析[20]，可以看出黄土高原西段土壤有机碳储量约占黄土高原有机碳总储量的6.61%，面积却占黄土高原总面积的9.85%；在各分区中平均碳密度最低为1.87 kg/m2，约为黄土高原区平均碳密度的75.05%。

表3 中国典型地区土壤有机碳储量分布特征

3.4 黄土高原西段有机碳密度随地形及深度的变化特征

对研究区内黄绵土分布范围内的采样点按照地形地貌条件进行了分类统计，总结了不同地形地貌、不同深度土壤有机碳密度的分布特征(图2)，结果表明，土壤有机碳密度随深度呈指数形式变化，在不同的地形地貌间，表层土壤碳密度呈现出塬面>梯田>坡地>沟道的分布趋势，这主要与塬面为历史多年的农耕区[22]，受到人工改造及施肥历史悠久有关，梯田区则多为黄土丘陵区受人工改造所致，而坡地及沟道区多是与土壤有机碳受流水冲刷流失有关。

3.5 土壤有机碳不同时间变化规律

利用2018年土地质量地球化学调查所获得的有机碳含量数据与1990年甘肃省第二次土壤普查所获得的有机质数据进行对比，分析近30年来调查区内土壤有机碳变化(表4)。笔者以甘肃省第二次土壤普查中土壤剖面数据为基础，运用土壤类型[23-24]及空间插值法[25]计算区域土壤有机碳储量，有机碳含量采用耕层有机质含量转换提取(转换系数为1.724)[26]。

两期土壤有机碳含量数据因采样点位、检测方法、气候环境、土地利用现状等因素的不同，也会存在一定的误差。为判断两期土壤有机碳含量数据是否存在显著差异，笔者进行了T检验，在剔除特异值后，有机碳含量近似服从正态分布，通过软件SPSS Statistics17.0进行了配对T检验，在置信区间为95%时，碳密度相似度为25.979，自由度值是10 143，显著性系数为0.003。1990年和2018年两期土壤有机碳含量数据T检验结果表明，两期数据存在显著差异。

对比结果表明(图3、图4)，2018年黄土高原

表4 黄土高原西段不同时期土壤类型表层土壤有机碳储量分布特征

西段表层土壤有机碳储量比1990年略有上升。采用1990年甘肃省第二次土壤普查所获得的数据得出当年表层土壤有机碳储量为71.07 Mt，而采用2018年土地质量地球化学调查所获得的数据计算表层土壤有机碳储量为78.56 Mt，增幅为10.54%。从空间变化上来看，从西北向东南呈现先递减后增加的趋势，临夏州、榆中县及永登县平均碳密度较高，碳密度较高的地区多以森林生态系统为主。其中森林覆盖率高的连城国家级自然保护区、兴隆山国家级自然保护区、莲花山国家级自然保护区及太子山国家级自然保护区的碳密度最高，而陇中地区的皋兰县、会宁县及定西市大部分地区的碳密度相对较低。近30年研究区内碳密度变化较大的区域主要位于各类保护区及靖远县、通渭县、静宁县和会宁县周边。

4 结 论

(1)黄土高原西段表层土壤有机碳密度在不同土壤类型中由高到低依次为灰褐土>高山草甸土>黑钙土>栗钙土>红黏土>灌漠土>灌淤土>黑麻土>黑垆土>黄绵土>灰钙土>风砂土；在不同的土地利用类型中土壤有机碳密度由高到低依次为林地>建设用地>耕地>园地>草地>未利用地。

(2) 对研究区内黄绵土分布范围内的采样点按照地貌单元进行了分类统计，结果表明，表层土壤有机碳密度在不同地貌单元内呈现出塬面>梯田>坡地>沟道的分布趋势，这与塬面为历史多年的农耕区，受到人工改造及施肥有关，梯田区则多为黄土丘陵区受人工改造所致，而坡地及沟道区多与土壤有机碳受流水冲刷流失有关。

(3)1990年黄土高原西段的表层土壤有机碳储量约为71.07 Mt，而2018年其有机碳储量为78.56 Mt，较1990年增幅10.54%；2018年黄土高原西段的表层土壤有机碳储量约占黄土高原全区有机碳储量的6.61%，碳密度约为全区的75.05%，近年来黄土高原西段土壤碳储量呈现不断上升的趋势。