云南省土壤有機碳儲量估算及空間分布

包承宇，曾和平，張夢妍，李 浩，潘 波

（昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650500）

全球陸地土壤碳庫約為1 500Pg（1Pg＝109t）［1］，是全球動植物碳庫的3倍［2］，大氣碳庫的2倍［3］。另外，土壤有機碳（SOC）庫的微小幅度的變化都會使大氣中CO2濃度產(chǎn)生改變［4－5］。此外，人類對森林、濕地和草地大量地開墾及不合理利用造成土地大面積退化，全球土壤有機碳儲量在過去100a中始終呈下降趨勢［6］。有研究顯示，全球自然土壤耕作后有機碳的損失是十分明顯的［3］。根據(jù)IPCC的估計，土壤有機碳損失對全球大氣CO2濃度升高的貢獻率在30%～50%之間［7］。因此土壤碳庫是全球碳循環(huán)中重要的組成部分，已成為全球研究氣候變化的熱點問題［8］。

鑒于全球?qū)厥倚?yīng)的關(guān)注，研究SOC儲量、空間分布、轉(zhuǎn)化及衰減機理，不僅為土壤生產(chǎn)力、土壤水文特性提供重要的信息［9］，還將對科學(xué)地利用和保護現(xiàn)有的土壤資源，防止水土流失，維護農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。20世紀80年代以來，國內(nèi)學(xué)者對中國SOC庫進行了估算［10－14］，還開展了不同地理區(qū)域和省區(qū)SOC庫估算及其時、空變化進行了研究［15－25］，但由于土壤本身是一個復(fù)雜的不均勻三維結(jié)構(gòu)體，在空間上呈現(xiàn)復(fù)雜的鑲嵌性，并與氣候及陸地生物發(fā)生復(fù)雜的相互作用，SOC分布存在極大的空間變異性。因此SOC庫估算的結(jié)果存在很大差異，例如利用全國土壤普查數(shù)據(jù)估算中國SOC儲量的估算結(jié)果為84.40～100.18Pg［10－11，13－14］，而利用模型估算全國SOC儲量約為82.70～119.80Pg［12，26］。此外，云南省擁有獨特的地形地貌，海拔高差變化懸殊，氣候復(fù)雜多變，研究此區(qū)域內(nèi)影響SOC密度分布規(guī)律的因素，對其他區(qū)域的相關(guān)研究提供有價值的參考。雖然張勇等［25］已研究了滇黔桂地區(qū)土壤有機碳儲量及通過初步回歸分析方法分析了影響SOC密度的主要因子，但并未突出SOC密度的分布規(guī)律，及以宏觀方式表現(xiàn)SOC密度與影響因子之間的聯(lián)系。本研究試圖利用第二次土壤普查資料的數(shù)據(jù)和云南省土壤類型分布圖，對云南省0—20cm和0—100cm深度的SOC的密度及儲量進行再次估算，并分析SOC密度分布規(guī)律，探討區(qū)域內(nèi)不同影響因素，更加直觀地為環(huán)境保護及水土保持等工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處中國西南邊陲，界于97°31′—106°11′，北緯21°8′—29°15′之間。屬于低緯度內(nèi)陸地區(qū)。東面與貴州、廣西省交界，北部和西北與四川省和西藏自治區(qū)相接，南部與越南、老撾等國接壤，西部及西南部與緬甸毗鄰?？偯娣e為390 000km2。

以元江谷地和云嶺山脈南段的寬谷為界，云南省可分為東、西兩大地形區(qū)。其外部形態(tài)及地質(zhì)構(gòu)造截然不同，東部為云南高原，西部為橫斷山山地，分別占該省總面積的63.5%和30.5%。因此，云南省地勢由西北高，東南低，海拔高差懸殊。海拔最高點為梅里雪山的卡格博峰，海拔6 740m，而與越南交界的河口地區(qū)海拔只有76.4m。

云南省大部分地區(qū)年溫差小，一般為10～15℃。全年干濕季分明，80%～90%的雨量集中在每年的5—10月，而11月至次年4月的降雨量僅為10%～20%。受山地自然環(huán)境條件的影響，產(chǎn)生了多層次、多種類的森林立地環(huán)境，其分布上具有緯向和顯著的垂直地帶性分布特征。云南省主要土壤類型分布詳見表1。

表1 云南省主要土壤類型分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

云南省土壤有機碳相關(guān)數(shù)據(jù)來自全國第二次全國土壤普查資料的成果匯編《云南土種志》、《云南土壤》、《云南省第二次土壤普查數(shù)據(jù)資料集》，共569個采樣點，采集深度為0—20cm的表層土和0—100cm的土層。該區(qū)域基本分布于云南省的各州市，其中大部分覆蓋了主要農(nóng)作區(qū)，在一定程度上可以反映云南省不同類型的土壤表層有機碳變化。上述土壤有機碳含量由土壤有機質(zhì)含量乘以0.58得出。各土屬面積根據(jù)云南省第二次土壤普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出。為了真實地反映當(dāng)時采樣點的氣候條件，氣象資料選取了1982年編撰的《云南氣候圖冊》，記錄了131個氣象站點近30a的年降水量和年平均氣溫數(shù)據(jù)，繪制云南省年降水量和年平均氣溫分布圖。

1.3 土壤有機碳密度和儲量的計算方法

土壤有機碳密度是指單位面積已達深度的土層中土壤有機碳的儲量，由于排除了面積因素的影響而以土體體積為基礎(chǔ)來計算，土壤有機碳密度已成為評價和衡量土壤中有機碳儲量的一個及其重要的指標(biāo)。

因為部分采樣深度小于或者大于100cm，可根據(jù)公式（1）［28］計算，按照各土壤類型模擬出土壤有機質(zhì)濃度與采樣深度的關(guān)系，插值后求出采樣深度100cm的有機質(zhì)含量，最后乘以0.58得到100cm深度處的SOC含量。

式中：Y——有機質(zhì)濃度（%）；L——采樣深度（cm），通過各土壤類型擬合的最佳曲線確定參數(shù)a，b。對于采樣深度D 大于100cm，SOC（0—100）密度直接由公式（1）插值計算得到；當(dāng)D 小于100cm 時，SOC（0—100）密度等于 SOCD加上 SOC（D—100），其中 SOC（D—100）由公式（1）插值計算得出。

某一土層 的有機碳密度SOCDi（t／hm2）計算公式［29］為：

式中：i——土壤類型；Si——i種土壤類型的土壤有機碳含量（g／kg）；Hi——i種土壤類型的厚度（cm）；Bi——i種土壤類型的土壤容重（g／cm3）；Gi——i種土壤類型大于2mm的石礫所占的體積百分比（%）。

由于土壤剖面缺少土壤容重的數(shù)據(jù)，則根據(jù)Song等［30］的研究，按自然土壤和耕作土壤容重分別計算：

云南省土壤總有機碳儲量SOCS（t）的計算公式［29］為：

式中：Si——i種土壤類型的分布面積（hm2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳密度及儲量估算

本研究區(qū)域中14種土壤類型分布面積為3.84×107hm2，約占云南省總國土面積的97.4%，其分布面積和土壤有機碳密度狀況詳見表2。0—20cm的SOC密度的平均值為 59.77t／hm2，0—100cm 的SOC密度的平均值為159.95t／hm2，分別高于張勇等［24］研究的滇黔桂地區(qū)表層土（0—20cm）SOC密度56.20t／hm2和土壤剖面 （0—100cm）SOC 密度139.80t／hm2。從表2可以看出，不同類型土壤的有機碳含量差別較大，區(qū)域內(nèi)0—20cm深度土層SOC密度依次為：棕色針葉林土＞暗棕壤＞亞高山草甸土＞棕壤＞黃棕壤＞黃壤＞石灰（巖）土＞赤紅壤＞紅壤＞水稻土＞新積土＞磚紅壤＞紫色土＞燥紅土。0—100cm深度土層的SOC密度與0—20cm深度土層SOC密度次序基本一致，大小順序依次為：棕色針葉林土＞亞高山草甸土＞暗棕壤＞棕壤＞黃棕壤＞水稻土＞黃壤＞石灰（巖）土＞赤紅壤＞紅壤＞新積土＞磚紅壤＞燥紅土＞紫色土。由表2看出，云南省0—20cm深度的SOC儲量為2.30×108t，0—100 cm深度的SOC儲量為6.15×108t，表層土（0—20 cm）SOC儲量占土層（0—100cm）的37.43%。由于土壤面積對SOC儲量的影響，部分類型SOC的密度雖然并不高，但由于土壤面積大，導(dǎo)致其SOC儲量排在全省SOC儲量前幾位。例如，云南省分布最廣的土壤是紅壤，面積為1.21×107hm2，約占全省土壤面積的31.60%，0—20cm和0—100cm的SOC儲量分別占25.99%和24.02%。赤紅壤為云南省第二大土壤類型，面積為5.61×106hm2，約占全省土壤面積的14.63%，0—20cm和0—100cm的SOC儲量分別占12.29%和11.67%。

另一方面，雖然黃棕壤、棕壤、暗棕壤在全區(qū)分布面積并不大，分別占10.55%，5.68%和2.62%，但是由于SOC密度很高，導(dǎo)致這3種土壤在0—20cm和0—100cm深度的SOC儲量在區(qū)域內(nèi)占有重要位置。黃棕壤在0—20cm和0—100cm深度的SOC儲量分別占到14.50%和15.59%，棕壤在0—20cm和0—100cm深度的SOC儲量分別占到8.94%和9.95%，暗棕壤在0—20cm 和0—100cm 深度的SOC儲量分別占到7.06%和7.85%。

2.2 土壤有機碳密度的空間分布

因為0—20cm深度和0—100cm深度的SOC密度的空間分布特征基本相同，所以根據(jù)云南省土壤類型分布圖繪制出了0—20cm深度的土壤有機碳密度空間分布圖（圖1）。云南省的SOC密度總體上呈由北向南逐步減少，由東向西逐步增加的趨勢。特別是在西北部三江縱谷區(qū)的SOC密度最高，其次為西南部橫斷山山區(qū)，而東部的云南高原次之，以紫色土為主的中北部地區(qū)SOC密度最低。一方面，由于西部橫斷山山地地形復(fù)雜，分布著許多較高SOC含量的土壤類型，所以高低SOC密度均有分布；而在東部高原地區(qū)，地勢平緩，土壤類型較為單一，大部分區(qū)域SOC密度集中在60～80t／hm2。另一方面，SOC的分布受所處海拔高度、氣候條件的眾多影響，尤其使有河流流經(jīng)的河谷區(qū)域，SOC密度變化較大，例如有金沙江、瀾滄江、怒江流經(jīng)的西北高山地帶時，河岸兩側(cè)的河谷地區(qū)SOC密度明顯降低。位于云南東北部東川區(qū)境內(nèi)的部分地區(qū)則顯示SOC密度很高，主要是由于該區(qū)域內(nèi)有牯牛山和轎子雪山，最高海拔分別為4 017和4 247m，分布著大量SOC含量很高的高山草甸土。另外，云南東北部昭通附近的大片區(qū)域由于主要土壤類型為黃壤和黃棕壤，所以SOC密度較高。

表2 云南省主要土壤有機碳密度和儲量

圖1 云南省0－20cm土壤有機碳密度空間分布

2.3 影響土壤有機碳庫的主要因子

土壤有機碳是進入土壤的動植物殘體量及微生物分解失量之間平衡的結(jié)果。自然條件不僅決定了動植物的種類，同時制約了微生物的活動，從而影響了進入土壤的有機殘體量和分解強度。

2.3.1 降水量 降水量會影響土壤中微生物的活性和有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化。降雨量在一定范圍內(nèi)，微生物的活性與土壤水分成正相關(guān)。但如果降雨量過多，土壤通氣不良，則會導(dǎo)致有機質(zhì)分解速度緩慢，有利于SOC的積累。另外，在土壤溫度為30℃，土壤含水率為60%～80%時，有機質(zhì)的礦化作用最為明顯。

由圖2可以看出，云南省大部分區(qū)域年降水量在1 500mm以下，西南地區(qū)及部分東部地區(qū)受印度洋西南季風(fēng)和太平洋東南季風(fēng)氣候影響，降水量較高。結(jié)果表明，云南省東部大部分地區(qū)的降水量為1 000～2 500mm，SOC密度在40～60t／hm2；但SOC密度較高的云南省北方大部地區(qū)的降雨卻很少，降水量基本在1 000mm以下。此外，由表3可知，年降水量在500～2 000mm的區(qū)域，SOC密度基本隨降水量的增加而逐漸減少，說明微生物活性隨降水量升高而升高，加速了SOC的分解，并未符合SOC密度隨降水量的增加而增加這一規(guī)律［28］。而年降水量在750～1 000mm的區(qū)域，SOC平均密度會突然降低，可能是由于所占面積較大，分布著多種土壤類型，致使最后得出的平均SOC密度偏低。另外，年降雨量為2 000mm以上的地區(qū)，SOC密度有逐步增加的趨勢，其原因是區(qū)域內(nèi)植被資源（如熱帶雨林、亞熱帶常綠闊葉林等）豐富，有機碳來源豐富，土壤含水量影響程度大于有機質(zhì)的礦化作用。可見總體上云南省SOC密度受降水量影響較大。2.3.2 溫度 溫度對SOC的主要影響表現(xiàn)在對微生物種群和對凈初級生產(chǎn)力（NPP）的影響。SOC的分解速率與微生物密切相關(guān)，溫度高的區(qū)域，微生物活動旺盛，使土壤中的更多的碳釋放到大氣中。植被生產(chǎn)力的大小在被溫度作用的同時，也會對碳循環(huán)產(chǎn)生反饋作用［31］。例如，溫度的較低的地區(qū)，植被的種類較為單一，凋落物數(shù)量少，因此土壤有機質(zhì)的來源較少［17］。

表3 云南省不同降水量下0－20cm土層SOC平均密度

云南省年平均氣溫的分布圖如圖2所示。受海拔和緯度因素的影響，云南省低緯度的橫斷山脈地區(qū)年平均溫度普遍在18～21℃，其他區(qū)域溫度隨海拔升高而降低，某些特殊區(qū)域如河谷區(qū)及海拔低的區(qū)域溫度較高。結(jié)果表明，云南大部分地區(qū)SOC密度隨溫度升高而降低［32］，特別表現(xiàn)在東北部高海拔地區(qū)（年平均氣溫為0～9℃），其原因是區(qū)域內(nèi)溫度低，微生物活動受到一定抑制，所以有機質(zhì)不能很快得到分解，土壤中的有機碳隨之慢慢積累，SOC密度約為97.20 t／hm2。此外，由表4可知，云南省年平均氣溫在18℃以上區(qū)域的SOC密度并不是最低值，這是因為此地區(qū)多為林地，有穩(wěn)定的有機碳來源?？傮w上溫度對SOC密度的影響占主導(dǎo)地位。

表4 云南省不同氣溫下0－20cm土層SOC平均密度

圖2 云南省年降水量和年平均氣溫空間分布圖

2.3.3 海拔 海拔的高低不僅會影響各植被類型的分布，還對氣候等條件造成影響。尤其在西北部三江縱谷區(qū)，從圖1可以明顯看出，河谷區(qū)域的SOC密度顯著下降，這是因為一方面海拔變化大，不利于植被的生長；另一方面，溫差較大，致使土壤中微生物種群和活性受到顯著影響。

由表5可知，云南省的SOC密度隨海拔的升高而逐漸增加，尤其是在海拔3 000～4 000m的區(qū)域內(nèi)SOC密度比其他地區(qū)高出約1倍。

同時，這個規(guī)律與氣溫對SOC密度影響的趨勢是相反的，充分地印證了氣溫隨海拔高度的升高而降低這一自然規(guī)律。

表5 云南省不同海拔下0－20cm土層SOC平均密度

2.3.4 土地利用類型 土地利用的變化不僅會改變生態(tài)系統(tǒng)的凈第一性生產(chǎn)力及動植物殘體等SOC的輸入過程，同時也會潛在地改變土壤理化性質(zhì)，進一步影響SOC的釋放過程［33］。因此土地利用在SOC儲量變化中占有重要地位。云南省主要的土地類型包括林地、耕地、草地等。由表1可知，林地主要分布在山地，高海拔地區(qū)，如暗棕壤和棕色針葉林土區(qū)域（西北三江縱谷區(qū)）主要生長寒溫性針葉林，云杉、冷杉等植被，森林凋落物保護完整，土壤淺層根系生物量大，有較厚的腐殖質(zhì)層，因而有機碳密度高。而草地集中分布在海拔3 000m以上的高原地區(qū)，如亞高山草甸土區(qū)域（年平均氣溫0～6℃）內(nèi)部分被積雪覆蓋，以高山草地為主，還有報春、龍膽等，雖然微生物活動受到限制，但植物凋落物較少，基本維持土壤有機碳平衡，相比暗棕壤和棕色針葉林土區(qū)域（年平均氣溫6～9℃）的SOC密度少。以上兩種土地利用類型對SOC密度變化的作用較為穩(wěn)定，而耕地對SOC密度變化影響最大。這是由于耕作首先減少了有機質(zhì)的來源；其次會對土壤中大團聚體造成破壞，破壞了有機質(zhì)的穩(wěn)定性，提高了土壤碳的礦化速度；最后會直接影響土壤微生物的活性。所以耕地的SOD密度較自然植被下的土壤要少。例如，耕地集中的云南省中北部地區(qū)，土壤類型以紫色土為主，其SOC密度僅為20～40t／hm2。

3 結(jié)論

（1）云南省0—20cm深度的SOC密度為59.77 t／hm2，0—100cm深度的SOC平均密度估算值為159.95t／hm2，高于全國平均水平。兩個采樣深度的SOC儲量分別為2.30×108t和6.15×108t，如以謝憲麗等［12］得出的全國0—20cm和0—100cm深度的SOC儲量為標(biāo)準，則分別占到8.40%和7.28%；若以全球SOC儲量1.50×1011t為標(biāo)準，則0—100cm深度的SOC儲量約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)SOC儲量的0.41%。

（2）云南省的SOC密度的空間分布總體上呈由北向南逐步減少，由東向西逐步增加的趨勢。地理區(qū)域SOC密度順序為：西北部三江縱谷區(qū)＞西南部橫斷山山區(qū)＞東北部的云南高原＞東南部的云南高原＞以紫色土為主的中北部地區(qū)。

（3）在降雨量、氣溫、海拔和土地利用類型等因素的共同作用下，云南省的SOC密度的空間分布差異明顯。由于云南是高原山區(qū)省份，該省山地約占84%，高原約占10%，高海拔土地和陡坡土地占有較大比重，制約了土地利用的效率，所以自然因素是影響云南SOC密度的主要因子，而土地利用方式的影響較小。

（4）本研究所用數(shù)據(jù)來源于第二次土壤普查資料，由于當(dāng)時采樣方法的限制和時空變化的影響，在計算SOC密度時，容重數(shù)據(jù)和采樣深度100cm有機質(zhì)含量是根據(jù)其他文獻擬合的公式得出的，估算結(jié)果可能會與實際結(jié)果有所誤差。此外，在分析影響SOC儲量的因素時，缺乏采樣時的土地利用相關(guān)數(shù)據(jù)，并且土地利用類型已發(fā)生變化，不能完整地反映出土地利用對云南省的SOC的影響程度。

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