草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算方法綜述

劉學(xué)東+陳林+李學(xué)斌++樊瑞霞

摘要：近年來，碳儲(chǔ)量問題逐漸成為全球變暖與生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)問題。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量和碳收支平衡發(fā)揮著極為重要的作用，草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算成為生態(tài)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。綜述了區(qū)域尺度、國家尺度以及全球的碳儲(chǔ)量，介紹了我國草地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究現(xiàn)狀；對(duì)草地土壤有機(jī)碳的估算方法以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了比較和詳述；通過對(duì)不同研究尺度上已有的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比和分析，為全面精確估算我國草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提供可能的途徑和有益參考。

關(guān)鍵詞：草地；土壤有機(jī)碳；有機(jī)碳儲(chǔ)量；估算方法

中圖分類號(hào)： S153.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0010-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31260581）；教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：413060）。

草原覆蓋地球土地表面的1/4左右，對(duì)氣候和環(huán)境的變化有非常靈敏的響應(yīng)，草原生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定平衡的基本機(jī)制之一，其碳循環(huán)具有獨(dú)特的生物地球化學(xué)循環(huán)過程和作用，是全球碳循環(huán)非常重要的組成部分。自工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)對(duì)生物圈的影響已從區(qū)域范圍擴(kuò)展到全球尺度，特別是大氣中CO2和CH4等氣體濃度逐年增加造成全球溫室效應(yīng)和氣候變化已引起人們的廣泛關(guān)注[1]。草原作為世界上最廣泛分布的植被類型之一，是目前人類活動(dòng)影響最嚴(yán)重的區(qū)域，對(duì)全球氣候變化有重大影響，草地生態(tài)系統(tǒng)參與了包括陸地生態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的全球碳循環(huán)過程。早期草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程研究主要集中在草地群落土壤呼吸和碳平衡方面[2-3]?，F(xiàn)階段研究者嘗試建立估算模型來定量化探求碳素在大氣與土壤的動(dòng)態(tài)變化，為此學(xué)者們對(duì)于不同尺度地區(qū)的草地碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，由于估算方法的差異（假設(shè)條件、各類參數(shù)取值、測定的土壤深度、調(diào)查的土壤類型、植被類型全面與否等）以及各種不確定因素的影響，導(dǎo)致估算值存在很大差異。目前，對(duì)草地土壤的碳儲(chǔ)存和碳釋放能力的不同認(rèn)識(shí)，是草地生態(tài)系統(tǒng)CO2源與匯能力之爭的核心[4]。

草地碳素行為活動(dòng)很活躍，在面對(duì)氣候變化的同時(shí)，草地生態(tài)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的固碳能力，而且碳成本相對(duì)低廉，固碳形式相對(duì)穩(wěn)定，這些潛在碳匯對(duì)于全球碳循環(huán)發(fā)揮著積極作用[5]。因此，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其影響因素研究是認(rèn)識(shí)全球碳循環(huán)以及碳收支平衡的關(guān)鍵之一[6]，估算其碳儲(chǔ)存量對(duì)于系統(tǒng)分析草地植被在全球氣候變化中的重要作用、研究陸地碳循環(huán)機(jī)制和全球碳收支平衡等均具有重要意義，同時(shí)也有助于探求如何科學(xué)地利用和保護(hù)有限的草地資源，減緩草地土壤向大氣中碳素的輸出、增加土壤碳固存能力、提高草地土壤質(zhì)量，對(duì)退化草地的生態(tài)恢復(fù)、植被恢復(fù)以及緩解大氣溫室效應(yīng)都具有重要意義[7]。

1草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算研究現(xiàn)狀

1.1全球及國家尺度碳儲(chǔ)量估算

隨著聯(lián)合國氣候框架公約的建立，各國科學(xué)家紛紛響應(yīng)并致力于國際研究前沿，加強(qiáng)了在全球及國家尺度上碳素動(dòng)態(tài)的研究。全球及國家尺度碳循環(huán)和碳收支平衡已成為全球氣候變化研究和宏觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。揭示全球或區(qū)域尺度碳源/匯的大小、分布及其變化規(guī)律作為熱點(diǎn)科學(xué)問題，已引起國際社會(huì)廣泛關(guān)注，研究者基于大量的數(shù)據(jù)支持，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段期望碳儲(chǔ)量估算及其空間分布分析更為精確[8]。

20世紀(jì)70—90年代，國外組織機(jī)構(gòu)和學(xué)者采用不同方法對(duì)全球范圍草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算。根據(jù) WBGU（德國全球變化咨詢委員會(huì)）的估算，全球草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量約為1 200 Pg（1 Pg=1015 g），其中，草地植被層碳儲(chǔ)量為 110 Pg，土壤碳儲(chǔ)量為1 100 Pg。Potter等利用碳密度方法對(duì)全球草地生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算后的結(jié)果為504 Pg[9]，Olson等利用碳密度方法對(duì)全球草地生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算后的結(jié)果為50.4 Pg[10]，而Prentice等利用同樣的方法估算出的全球草地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量約為 279 Pg，其中，植被碳儲(chǔ)量為27.9 Pg，土壤碳儲(chǔ)量 250.5 Pg[11]。Batjes等對(duì)全球范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算，結(jié)果為1 395～2 949 Pg[12]。Post等采用常規(guī)調(diào)查法，計(jì)算得到全球不同草地中土壤碳儲(chǔ)量為435.7 Pg，并研究了全球41.6億hm2的草地碳儲(chǔ)量為279 Pg[13]。Schlesinger曾對(duì)世界主要生態(tài)系統(tǒng)中的土壤有機(jī)碳進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，熱帶草地土壤有機(jī)碳的平均含量（以C計(jì)，下同）為 4 200 g/m2，溫帶草地為18 900 g/m2[14]，由于溫帶草地與熱帶草地相比，其溫度高，因而植物的生長特征、凋落物的腐化速度以及土壤有機(jī)碳的分解速率存在明顯差異，導(dǎo)致熱帶草原土壤有機(jī)碳積累低于溫帶草原。

國外學(xué)者對(duì)全球草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行大量估算的同時(shí)對(duì)西方主要發(fā)達(dá)國家草地生態(tài)系統(tǒng)的碳源、碳匯也進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究分析。Parton等曾對(duì)全世界12個(gè)典型草原區(qū)土壤表層0～20 cm中有機(jī)碳含量進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，土壤表層有機(jī)碳的含量在2 000～10 000 g/m2之間，其中熱帶草地土壤碳平均含量為3 000 g/m2，溫帶草地為5 700 g/m2[15]。 相對(duì)于西方發(fā)達(dá)國家，我國對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)研究起步稍晚，自20世紀(jì)90年代后期，很多國內(nèi)外學(xué)者開始開展我國國家尺度草地生物量估算的研究[16]，研究多集中在估算某些植被和土壤類型的區(qū)域碳儲(chǔ)量，缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)層面的整體評(píng)估。近年來，國內(nèi)研究者對(duì)我國草地碳儲(chǔ)量開展了大量研究，積累了很多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為評(píng)估草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量奠定了重要基礎(chǔ)。然而，不同研究獲得的估算值存在很大差異，比較這些估算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中國草地植被碳儲(chǔ)量的估算值范圍在0.56～4.67 Pg之間，最大值與最小值相差近8倍；生物量碳密度的范圍為215.8～1 148.2 g/m2，差異也是十分顯著[17]。馬文紅等基于2000—2005年實(shí)際觀測數(shù)據(jù)和遙感影像估算的中國北方草地生物量碳庫僅為0.6 Pg[18]，研究值與Ni等的研究結(jié)果很接近。在未來研究中對(duì)于大尺度區(qū)域的研究應(yīng)當(dāng)建立一套系統(tǒng)完善的估算方法，能夠適用于各種土壤類型和植被類型，也更準(zhǔn)確地判斷和評(píng)估草地生態(tài)系統(tǒng)平衡及其儲(chǔ)量。

1.2區(qū)域尺度碳儲(chǔ)量估算

不同氣候類型條件和不同區(qū)域環(huán)境下的草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量之間有很大的差異[19]。熱帶草原凈初級(jí)生產(chǎn)力和碳蓄積能力要大于溫帶草原，在溫帶草原區(qū)，歐洲草地固碳能力比中國草地強(qiáng)。內(nèi)蒙古草原是我國北方溫帶草原的主體，其生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在我國草地碳平衡中占有重要位置[20]。馬文紅等對(duì)內(nèi)蒙古溫帶草地植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行大范圍的實(shí)測研究，基于846萬hm2草地面積，估算出總植被碳儲(chǔ)量為 （226.0±13.27） Tg，其中不同植被類型草地生物量碳庫差異較大，由于典型草原分布面積最大，所以其儲(chǔ)存的碳大約為 113.25 Tg[18]；樸世龍等分別用遙感數(shù)據(jù)和草地普查資料，估算內(nèi)蒙古草地生物量碳庫分別為274.0 Tg和188.5 Tg[20-21]。傅野思等根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤資料中461個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù)估算的內(nèi)蒙古土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為10.79 Pg[22]。Yang等選用內(nèi)蒙古草地面積值為4 410萬hm2，然后基于2001—2005年實(shí)測數(shù)據(jù)，估算出0～100 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為 2.9 Pg[23]。由于不同學(xué)者研究草地的范圍、面積以及數(shù)據(jù)來源和地上、地下生物量比值的不同等因素導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大的差異性。

受降水量的時(shí)空變異制約，我國典型草原固碳水平最低，我國草甸草原土壤環(huán)境水分條件相對(duì)優(yōu)越，肥力較高，因而地上、地下生物量碳密度較高，但因分布面積小，其生物量碳庫僅占內(nèi)蒙古溫帶草地總生物量碳庫的22%[24]；降水是荒漠草原的限制性因子，由于降水量少、氣候干旱、土壤養(yǎng)分貧瘠、植物生長受限，從而致使荒漠草原植被生物量碳庫最小，向土壤中輸入有機(jī)碳的量也相應(yīng)最小[25]。與草甸草原相比，典型草原地處我國北方半干旱向干旱的過渡區(qū)域，土壤水分是植物生長的限制性因子，典型草原的土壤碳儲(chǔ)量比濕潤地區(qū)??；而干旱區(qū)分布是荒漠草原的土壤含水量更少，造成植被初級(jí)生產(chǎn)力與地上生物量較低，進(jìn)而向土壤中輸送的有機(jī)碳也較少；通過對(duì)比典型草原和荒漠草原0～20 cm 深度土壤有機(jī)碳的含量，結(jié)果顯示，荒漠草原土壤含碳量比典型草原少[26]。高寒草甸土壤0～60 cm土層中有機(jī)碳平均貯存量2.317×105 kg/hm2[27]，由于該地區(qū)植被地下根系生物量較高、海拔較高、土壤溫度較低、土壤濕度大、土壤微生物酶活性低以及土壤有機(jī)碳分解緩慢等因素的綜合作用，使得高寒草甸土壤較相應(yīng)深度的熱帶森林土壤、灌叢土壤和草地土壤的有機(jī)碳貯存量高1～5倍[28]。田玉強(qiáng)等利用第2次土壤普查數(shù)據(jù)和 1 ∶[KG-*3]100萬土壤數(shù)據(jù)庫估算了青藏高原的平均土壤有機(jī)碳密度約為7.2 kg/m2，其土壤碳儲(chǔ)量為18.37 Pg[29]。劉偉等研究黃土高原4種主要的草地類型，4種草地平均土壤有機(jī)碳密度從高到低順序依次為高寒草甸草原 18.30 kg/m2、典型草原4.98 kg/m2、森林草原 4.69 kg/m2、荒漠草原1.50 kg/m2，黃土高原天然草地1 m深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為1.06 Pg[30]。王艷芳等通過對(duì)錫林郭勒草原研究，得到同樣的結(jié)果，該地區(qū)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量草甸草原>典型草原>荒漠草原，且每一個(gè)草地類型土壤有機(jī)碳含量沿土壤垂直剖面呈逐漸降低的趨勢[31]。楊婷婷等通過對(duì)2008年全國草原檢測數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)的分析，對(duì)2008年中國草地的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，結(jié)果顯示，2008年中國草地總有機(jī)碳為35.96 Pg，其中地上生物量有機(jī)碳為0.161 3 Pg，地下生物量碳為0.739 5 Pg，地下根系儲(chǔ)存的碳是地上碳儲(chǔ)量的5倍左右，中國草地土壤有機(jī)碳為35.06 Pg[32]。

綜上所述，研究者從不同層面上揭示了我國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的分布狀況，其中包括對(duì)區(qū)域草地土壤碳儲(chǔ)量的估算，對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的分布特征以及影響因素的探討，結(jié)果表明，我國草地存在巨大的空間異質(zhì)性。全球尺度、國家尺度及區(qū)域尺度草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算存在很大的不確定性，影響因素主要有草地概念的界定、草地面積、研究方法、數(shù)據(jù)變異性、試驗(yàn)?zāi)晗薏煌约胺椒ǖ炔灰恢耓33，21]。因此，在開展多維度研究基礎(chǔ)上，建立一套統(tǒng)一、完善的研究方法和測試標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)于科學(xué)系統(tǒng)估算生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，并在學(xué)術(shù)界達(dá)成一致性共識(shí)具有重要影響意義。

2草地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量估算方法

草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量估算包括對(duì)植被的碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量的估算。

2.1草地植被碳儲(chǔ)量估算

國外對(duì)于土壤碳儲(chǔ)量相關(guān)研究起步較早，我國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究發(fā)展也有30年以上，經(jīng)歷了2次土壤普查，隨著3S技術(shù)的迅速發(fā)展，我國學(xué)者將其應(yīng)用于碳儲(chǔ)量的研究和估算[34]，從區(qū)域和國家等不同尺度對(duì)草地生物量及碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算。

目前，國內(nèi)外計(jì)算草地生態(tài)系統(tǒng)植物碳儲(chǔ)量通常利用生物量乘以植物碳含量（國際通用指數(shù)為0.45）的換算方法，而生物量主要有2種估算方法：（1）利用全球植被類型平均生物量和對(duì)應(yīng)的面積進(jìn)行估算[14]；（2）利用實(shí)測數(shù)據(jù)建立生物量遙感估測模型[20]，或利用草地普查資料數(shù)據(jù)直接估算。方精云等通過對(duì)生物量碳庫的大量研究分析表明，中國草地生物量碳密度平均值為300.2 g/m2，范圍在215.8～348.1 g/m2之間[21]，采用目前使用最廣泛的草地面積數(shù)據(jù)，估算中國草地植被碳儲(chǔ)量為1.0 Pg。Ni對(duì)于中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量也做了大量的工作，研究結(jié)果表明中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為44.09 Pg[35]，與世界草地碳儲(chǔ)存與分布特征基本一致，土壤中的碳儲(chǔ)量是植被碳儲(chǔ)量的13.5倍。

早期估算區(qū)域生物量的研究多使用生物量密度和面積的方法，現(xiàn)階段“3S”技術(shù)被大量應(yīng)用于植被生物量的估算，由于遙感圖像光譜信息具有良好的時(shí)效性和綜合性特點(diǎn)，并且與草地生物量之間存在較好的相關(guān)性。因此，利用遙感信息估算較大時(shí)空尺度的生物量比傳統(tǒng)方法更突顯優(yōu)越性。一般區(qū)域尺度植被生物量估測的模型可分為2類：（1）統(tǒng)計(jì)模型。該模型多為描述性的，不涉及過程機(jī)理問題，較易實(shí)現(xiàn)，利用草地清查資料數(shù)據(jù)直接估算生物量的關(guān)鍵是參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)分析[21]。（2）綜合模型。該模型是在植被、氣象和遙感等信息的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測調(diào)查資料建立生物量與遙感參數(shù)之間的回歸模型[20]。但是無論采用哪種方法，實(shí)測生物量數(shù)據(jù)的缺乏，尤其是地下生物量數(shù)據(jù)資料，是草地生物量以及碳儲(chǔ)量估算存在較大差異的直接原因。目前，在國家或全球尺度上利用平均碳密度和地上、地下比例推算生物量仍然是較好的方法[18]，但在區(qū)域水平上可能產(chǎn)生較大誤差，因此大量的實(shí)地觀測數(shù)據(jù)有助于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其在全球碳循環(huán)中的作用。

2.2草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量的估算

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其碳儲(chǔ)量占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳庫的2/3，約為植物碳庫的3倍、大氣碳庫的2倍，是全球碳循環(huán)非常重要的組成部分[35]。草地生態(tài)系統(tǒng)地上碳庫不明顯，總碳儲(chǔ)量的90%儲(chǔ)存于土壤中，我國土壤碳庫是地上碳庫的13.5倍，草地土壤碳庫的微小變化均會(huì)對(duì)大氣 CO2濃度產(chǎn)生巨大影響[36]。由于土壤碳儲(chǔ)量在植被-土壤系統(tǒng)中的含量比例較高，故草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量研究主要考慮土壤的碳儲(chǔ)量[37]，土壤碳儲(chǔ)量的評(píng)估對(duì)于保證草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量評(píng)估的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)土壤碳儲(chǔ)量估算進(jìn)行了大量研究；土壤物理空間結(jié)構(gòu)是一個(gè)不均勻的三維結(jié)構(gòu)體，在水平和垂直方向上均呈現(xiàn)復(fù)雜的鑲嵌性和不均勻性，加之研究區(qū)植被、氣候和生物與土壤之間相互作用，使得土壤有機(jī)碳密度存在很大的空間異質(zhì)性，導(dǎo)致土壤碳庫的估算一定程度上存在差異[38]。由于研究者對(duì)草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算方法（各類參數(shù)取值、土壤測定的深度、土壤類型、氣候類型以及植被類型）、研究側(cè)重點(diǎn)、研究尺度等不同造成了實(shí)際估算中的各種不確定性和估算值之間的差異。

當(dāng)前土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算方法有多種，研究學(xué)者依據(jù)不同的研究角度、研究區(qū)規(guī)模尺度對(duì)估算方法有不同的分類，主要有直接估算法、間接估算法，直接估算法又分為2種，即基于土壤類型的估算法和基于生態(tài)系統(tǒng)類型的估算法。基于土壤類型的估算法是依據(jù)土壤類型的空間分布及各土壤類型的平均碳儲(chǔ)量來進(jìn)行估算[39]，而基于生態(tài)系統(tǒng)類型的估算法則是依據(jù)生命地帶的分布來進(jìn)行估算。

基于土壤自身的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又可將土壤有機(jī)碳估算方法分為2類：（1）土壤剖面上的估算，根據(jù)其數(shù)據(jù)來源的數(shù)量性和精確性，可分為分層中間點(diǎn)法、主因子法和有限數(shù)據(jù)推測法；（2）在水平空間上的估算，分為土壤類型法、生命地帶和生態(tài)系統(tǒng)類型法、公式模型法、相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法、GIS估算等方法[40]，各種估算方法的原理、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)見表1[41]。

2.2.1土壤剖面估算法土壤剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算方法均是基于土壤土層有機(jī)碳儲(chǔ)量或有機(jī)碳密度的實(shí)測和計(jì)算，不同之處在于不同估算方法估算過程中所考慮影響因素的差異。

2.2.1.1分層中間點(diǎn)計(jì)算法先以土層中間層的土壤有機(jī)質(zhì)、土壤厚度、土壤容重對(duì)土層有機(jī)碳含量進(jìn)行計(jì)算，再依據(jù)土壤剖面的各個(gè)土層計(jì)算結(jié)果累計(jì)匯總得到總土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[41]。這種估算法雖然能夠真實(shí)地估算出研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，但是需要大量的實(shí)測土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為支持，人力、物力投入大，因此很難在大尺度區(qū)域展開研究和應(yīng)用。

2.2.1.2主因子計(jì)算法先通過計(jì)算土壤各個(gè)土層有機(jī)碳密度，然后再對(duì)各土層有機(jī)碳密度累計(jì)求和，得到各單元內(nèi)土壤有機(jī)碳密度[12]。該法僅需考慮影響土壤有機(jī)碳的主要因素而忽略其他影響因素的干擾，能簡單方便地得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但也因此造成估算精確度的降低，主因子計(jì)算法是目前最長采用的一種估算方法。

2.2.2水平空間估算法在估算區(qū)域土壤有機(jī)碳庫時(shí)，一般常用的傳統(tǒng)估算方法是土壤類型法、植被類型和生命地帶法[42]。以上估算方法均是基于精確計(jì)算土壤剖面有機(jī)碳密度，再加權(quán)平均得到土壤亞類、植被亞類、生態(tài)類型亞類的有機(jī)碳密度，然后根據(jù)亞類的分布面積，計(jì)算出亞類的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，最后累計(jì)處理計(jì)算得到區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[43]。

2.2.2.1土壤類型法土壤類型法是基于土壤剖面的實(shí)測數(shù)據(jù)，以土壤類型作為分類單元然后結(jié)合區(qū)域或國家尺度土壤類型圖來估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，并且根據(jù)土壤類型圖可以獲取掌握草地土壤有機(jī)碳密度的空間分布規(guī)律和分布格局。由于理化性質(zhì)相同的土壤在土壤碳蓄積的調(diào)控因素上具有相似性，因此該估算方法較易識(shí)別土壤有機(jī)碳的空間格局，可以減少估算的不確定性和復(fù)雜性，是目前估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量研究較為常用的方法[7]。在具備較詳細(xì)的各類土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)的前提條件下，利用土壤類型法估算統(tǒng)計(jì)的結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。由于土壤類型法需要基于大量土壤剖面的實(shí)測數(shù)據(jù)及土壤類型劃分標(biāo)準(zhǔn)作為估算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，而且在測量中實(shí)測數(shù)據(jù)的缺乏和對(duì)植被、土地利用方式及人類活動(dòng)等影響因素的忽略，在一定程度上增加了估算結(jié)果的差異性與不確定性，影響了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的精確性。土壤在發(fā)生過程中引起的土壤空間格局分布的變異性和土壤剖面分布的非均勻性導(dǎo)致此種方法的局限性[44]。

2.2.2.2生命地帶法和生態(tài)系統(tǒng)類型法分別以生命地帶或生態(tài)系統(tǒng)類型作為分類單元來計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。生命地帶法是利用植被、生命地帶或生態(tài)系統(tǒng)類型的土壤有機(jī)碳密度與相對(duì)應(yīng)類型的分布面積來計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量，該方法便于了解不同生命地帶類型（包含多種土壤類型）的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。該土壤類型分布范圍廣泛，更能反映研究區(qū)域內(nèi)氣候因素、植被分布和土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響[CM（25][45]。生命地帶法適用于較小尺度的地帶區(qū)域研究

隨著研究區(qū)域尺度的擴(kuò)大，生態(tài)類型與影響因素復(fù)雜多樣，難以精確統(tǒng)計(jì)，加之近年來土地利用方式的多變性與不確定性因素造成的誤差相對(duì)較大，制約了此法的廣泛推廣與應(yīng)用，導(dǎo)致該估算方法在更多細(xì)節(jié)上存在局限性[46]，無法對(duì)局域尺度上土壤母質(zhì)變化和土壤層厚度信息做出解釋。雖然生命地帶內(nèi)土壤有機(jī)碳存在大量空間異質(zhì)性和不確定性導(dǎo)致該方法在空間地理數(shù)據(jù)研究中的應(yīng)用和聚合方法的使用受到了限制，但是在缺乏土壤剖面資料的情況下推算所得結(jié)果仍具有一定的研究意義[47]，被其他研究廣泛引用并作為對(duì)照。

2.2.2.3相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)法是1種相對(duì)比較簡單的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算方法，主要是通過對(duì)土壤剖面有機(jī)碳含量的實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，然后建立與研究區(qū)域的各種環(huán)境因子、氣候因子和土壤屬性之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系[48]，以達(dá)到利用有限數(shù)據(jù)來估算較大區(qū)域尺度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的目的。Sims等統(tǒng)計(jì)分析了美國蒙大拿州130個(gè)土壤A層數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，土壤黏粒含量與土壤含碳量之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，然而海拔高度和平均年降水量與土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出很好的相關(guān)關(guān)系，可以作為指標(biāo)來預(yù)測有機(jī)碳含量[49]。McDaniel等研究表明，在中溫帶地區(qū)土壤質(zhì)地和碳含量有著明顯的相關(guān)關(guān)系，在自然草地采樣點(diǎn)，有機(jī)碳含量與海拔高度之間的相關(guān)關(guān)系顯著，但在人工耕地則不存在相關(guān)性[50]。Burke等在美國中部平原研究中發(fā)現(xiàn)高降水、高黏土含量和低氣溫與有機(jī)碳含量有密切聯(lián)系[51]。因而建立土壤有機(jī)碳含量與降水、溫度、土壤厚度、地形之間的相關(guān)關(guān)系是普遍采用的一種方式。由于相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)法無法解釋土壤有機(jī)碳截留、儲(chǔ)存或釋放的過程、機(jī)理、形成與影響因素以及對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，加之各區(qū)域土壤有機(jī)碳的主控因子不同，從而導(dǎo)致相關(guān)性表現(xiàn)不一，因此只有對(duì)相關(guān)測量數(shù)據(jù)在實(shí)際情況下進(jìn)行驗(yàn)證，才能應(yīng)用到該研究區(qū)域上[43]。

2.2.3新估算方法傳統(tǒng)方法的估算值通常存在較大差異，因此尋求新方法以降低土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算的不確定性顯得尤為迫切。公式模型法的廣泛應(yīng)用伴隨著3S技術(shù)的迅速發(fā)展為草地土壤有機(jī)碳的估算開辟新的途徑。

2.2.3.1公式模型法公式模型法定量研究有機(jī)碳儲(chǔ)量及評(píng)估土壤固碳潛力的一種重要途徑，它是在掌握土壤碳循環(huán)過程與機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過建立土壤有機(jī)碳的表征、評(píng)估或預(yù)測模型，然后依據(jù)大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步估算研究區(qū)域草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，同時(shí)也可以以環(huán)境因子、氣候因子、土壤基本屬性等基礎(chǔ)參數(shù)為影響因子建立土壤有機(jī)碳估算數(shù)學(xué)模型，來預(yù)測和反推在不同影響因子作用下的土壤碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化趨勢，探討土壤有機(jī)碳蓄積和固定潛力[52]。模型法提出有效排除了靜態(tài)模型估算中的不確定因素對(duì)估算精度的影響，充分應(yīng)用現(xiàn)有剖面數(shù)據(jù)，然后將其推算到相似的土壤和生態(tài)研究區(qū)域，降低了估算過程中由于研究區(qū)域尺度轉(zhuǎn)換而造成的誤差。模型法估算土壤碳儲(chǔ)量，可以綜合考慮到輸入土壤碳的數(shù)量、質(zhì)量以及影響土壤碳分解速率產(chǎn)生的各種因子[53]。在描述區(qū)域化變異中，插值法是利用區(qū)域化變量對(duì)未采樣點(diǎn)取值進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的一種常用方法。常用的插值方法為克立格法（泛克里格法、對(duì)數(shù)克里格法、簡單克里格法等）[41]，根據(jù)樣本分布特征和研究區(qū)土壤類型選取不同克里格法。

通常模型采用了較復(fù)雜的研究模式，建立數(shù)學(xué)模型的參數(shù)化、初始化等均需要大量連續(xù)觀測的實(shí)測數(shù)據(jù)，難以綜合考慮所有參數(shù)和環(huán)境影響因子[43]。模型中存在許多自我設(shè)定的參數(shù)和假設(shè)條件，如何能縮小假設(shè)條件與實(shí)際情況之間的差距是提高土壤有機(jī)碳估算精度的重要舉措。模型法的完善關(guān)鍵在于研究數(shù)據(jù)的積累和試驗(yàn)方法的改進(jìn)，隨著大量研究數(shù)據(jù)的積累、研究技術(shù)和手段的提高以及土壤碳動(dòng)力學(xué)研究的迅速發(fā)展，不斷完善了土壤碳儲(chǔ)量模型[54]。

2.2.3.2GIS估算法是一種估算土壤碳儲(chǔ)量非常高效的新方法，模型估算法與GIS估算方法相結(jié)合對(duì)于解決土壤碳儲(chǔ)量研究范圍從樣點(diǎn)尺度推算到大范圍的區(qū)域尺度所帶來的尺度擴(kuò)展問題很有前景，GIS估算方法也便于和其他技術(shù)手段相結(jié)合使用。遙感作為一門具有高時(shí)空分辨率的現(xiàn)代技術(shù)，不僅可以提供土壤表面狀況及其性質(zhì)的空間信息，而且為土壤普查、土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化及碳儲(chǔ)量估算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取提供了強(qiáng)有力的技術(shù)途徑[55]?；谶b感影像估算土壤碳儲(chǔ)量的方法通常有遙感影像直接估算方法和植被指數(shù)估算方法[56]。但現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)源無法直接探測土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間分布，估算時(shí)必須依靠相應(yīng)的替代指標(biāo)，利用有限的遙感數(shù)據(jù)很難提高土壤有機(jī)碳估算的精度[57]。

綜合考慮各種方法在估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量空間分布方面所具有的優(yōu)缺點(diǎn)，目前，諸多研究中均將土壤有機(jī)碳的直接估算方法與基于遙感的碳循環(huán)過程模型的間接估算方法結(jié)合起來，充分利用現(xiàn)有實(shí)測數(shù)據(jù)源，估算了較高分辨率下的中國典型土壤的碳儲(chǔ)量的空間分布[58]。與傳統(tǒng)方法相比，GIS技術(shù)估算土壤碳儲(chǔ)量較為精確，但因GIS估算對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高要求、監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、地圖的高精度以及模型參數(shù)等因素而受到制約[54]。如何優(yōu)化模型設(shè)計(jì)參數(shù)，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)相關(guān)性將成為拓寬GIS技術(shù)的有效途徑。

3存在問題及研究展望

3.1存在問題

目前，我國草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)存過程以及相關(guān)研究還處于初級(jí)階段，前期科研力量不足，國家針對(duì)性政策出臺(tái)較晚。通過對(duì)國內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，估算方法和考慮因素等不同致使土壤碳儲(chǔ)量的具體含量存在很大的不確定性，我國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究開展中尚存在以下問題。

3.1.1研究尺度的問題國內(nèi)外對(duì)土壤碳庫的研究多集中在宏觀尺度上，關(guān)于小區(qū)域尺度的研究較少，草地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量研究主要集中在0～20 cm的表層土壤中，而對(duì)草地土壤更深處有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究相對(duì)缺乏。而且研究多集中在植物的生長期，缺乏整體的長期定位連續(xù)觀測，增加了估算的不確定性。同時(shí)由于研究者實(shí)際測量面積和估算研究區(qū)尺度不同，因此在估算工作中常使用不同空間尺度間的轉(zhuǎn)換，也降低了估算的精確性[59]。目前，研究學(xué)者常采用模型法和空間分析理論相結(jié)合，將實(shí)測土壤剖面數(shù)據(jù)外推到相似的土壤區(qū)域，從而解決了估算的尺度轉(zhuǎn)換問題，在一定程度上提高了估算精度，由于研究區(qū)土壤種類和質(zhì)地的不同，因而對(duì)于大尺度研究區(qū)域由已知區(qū)域推算其他土類時(shí)，需要首先分析和探討土壤有機(jī)碳的分布特征以及土類之間土壤有機(jī)碳的分布規(guī)律[60]。

3.1.2估算方法的問題世界各國土壤碳儲(chǔ)量研究一般按植被類型、土壤類型、生命帶或模型法來作統(tǒng)計(jì)，不同研究者所用統(tǒng)計(jì)方法本質(zhì)上并無差別，通常都是用各種類型的平均碳密度乘以相應(yīng)的土地面積并累加獲得土壤碳庫儲(chǔ)量。實(shí)際上，即便在同一植被類型、土壤類型或生命帶內(nèi)，土壤碳密度也可能存在較大差異，用平均碳密度值代替實(shí)際值過于簡單，土壤碳作為土壤的有機(jī)組成部分，其含量在空間上是連續(xù)漸變的，理論上通過制作土壤碳含量和容重等的空間分布等值線圖，利用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的分析功能可以突破類型界限，獲得土壤碳庫儲(chǔ)量。

3.1.3不能綜合考慮影響因素造成的估算誤差在估算草地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量時(shí)，研究者們只著眼于單一影響因素而不能全面考慮各因素間的相互作用，土壤理化性質(zhì)、地下植被生物量以及氣候條件存在很大的空間差異，它們對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的綜合因素很難確定，直接降低了土壤有機(jī)碳的估算精度，導(dǎo)致估算的不確定性。

3.2研究展望

鑒于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量全球變化研究中的重要意義，以及當(dāng)前在定量化研究土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量過程中存在的各種不確定性，筆者建議未來較長時(shí)間內(nèi)關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量應(yīng)加強(qiáng)開展以下幾方面研究。

（1）由于草地土壤有機(jī)碳庫蓄積量的計(jì)算是非常困難和復(fù)雜，具有很大的不確定性，而土壤分類、土壤觀測數(shù)據(jù)收集、土壤采樣、計(jì)算方法是人為產(chǎn)生土壤有機(jī)碳蓄積量估算誤差的重要來源，因此，未來研究應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)和完善土壤剖面實(shí)測數(shù)據(jù)，完善我國草地土壤分類標(biāo)準(zhǔn)和劃分依據(jù)。這將對(duì)正確認(rèn)識(shí)和評(píng)估我國草地在全球乃至中國土壤有機(jī)碳的地位有極其重要的意義。

（2）在草地生態(tài)系統(tǒng)中，加強(qiáng)對(duì)植物、枯落物和土壤各個(gè)部分的時(shí)間及空間動(dòng)態(tài)變化機(jī)理、過程的探求，對(duì)碳元素各個(gè)貯存庫間的定量遷移和轉(zhuǎn)化關(guān)系還需要系統(tǒng)綜合地研究。碳素的動(dòng)態(tài)遷移和轉(zhuǎn)化是個(gè)復(fù)雜的化學(xué)生物變化過程，對(duì)草地碳源匯的物理、化學(xué)和生物過程的影響因素以及草地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)機(jī)制尚需進(jìn)一步的深入研究。

（3）估算土壤碳儲(chǔ)量需要大量連續(xù)、可靠、完整的土壤剖面實(shí)測數(shù)據(jù)以及土壤理化性質(zhì)等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響土壤碳儲(chǔ)量的估算精度，所以提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精確度是準(zhǔn)確估算碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵，采用更科學(xué)、系統(tǒng)、準(zhǔn)確的生物化學(xué)計(jì)量分析方法以提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳的估算精度。

（4）模型方法是草地土壤碳儲(chǔ)量估算的重要手段，但是要提高模型的估算精度，則需要綜合考慮草地氣候、土壤、植被和人類活動(dòng)等因素的共同的影響、注重碳循環(huán)的機(jī)理過程，研究草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳在水平和垂直方向的變化規(guī)律，完善模型和估算方法，提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性和可行性，對(duì)建立更為精確的估算模型有著極為重要的作用。

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