河南商丘地區(qū)土壤有機碳密度及其空間分布特征

張妍，谷志云，裴瑞亮，楊運召，陳合青

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.河南省地球化學生態(tài)修復工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

0 引言

土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中有著重要作用，土壤碳庫約占生態(tài)系統(tǒng)碳量的3/4，是大氣碳庫的2倍、植物碳庫的2～3倍。土壤碳庫是由有機碳庫和無機碳庫組成，但有機碳庫所占比例較大，土壤中有機碳的累積和分解速率對土壤碳庫儲量有著決定性作用，同時土壤有機碳也是土壤肥力的重要組成部分（張文娟等，2005）。目前，我國已在多地如北京（胡瑩潔等，2018）、貴陽（晏承志和潘自平，2016）、黑龍江（趙傳東等，2011）等地開展了土壤有機碳密度研究，主要針對不同深度土壤有機碳密度分布及成土母質(zhì)、植被類型、氣候及土地利用方式等因素對土壤有機碳儲量與空間分布的影響。但其研究多以我國土壤普查所得土壤碳含量為基礎(chǔ)，因此結(jié)果精度不夠，準確度不高。

本研究以1∶25萬土壤多目標地球化學調(diào)查為依托，獲得了調(diào)查區(qū)海量的高精度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了調(diào)查區(qū)土壤碳密度、碳儲量及其分布規(guī)律，并進一步探討了土壤類型、地貌、溫度、降水及土壤pH值、粘度等理化性質(zhì)對土壤有機碳密度的影響，以期為調(diào)查區(qū)CO2減排規(guī)劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處于河南省東部，北部與山東省相鄰，東部及南部與安徽省接壤（圖1）。地理坐標介于E115°20′～116°39′，N33°41′～34°41′之間。研究區(qū)地處華北中—新生代盆地東南部邊緣，區(qū)內(nèi)地貌類型主要為決口扇、洼地、泛流平地、低緩平原和極少量殘丘。研究區(qū)土壤多為潮土，鹽土、堿土次之，砂姜黑土僅分布于調(diào)查區(qū)東南部的永城地區(qū)。

圖1 研究區(qū)交通位置圖

研究區(qū)成土母質(zhì)類型單一，其大部多為河流沖積物，只在南部地區(qū)分布少量河湖相沉積物。

1.2 樣品采集與分析

樣品采集按雙層網(wǎng)格布樣法，表層土壤樣品采樣密度為1個點/km2，深層土壤采樣密度為1個點/4 km2，采樣深度分別為表層0～0.2 m，深層1.5～2.0 m。按每4個相鄰網(wǎng)格組合成1個土壤樣品，共獲得表層組合分析樣3271件，深層樣674件。

樣品測試工作由河南省巖石礦物測試中心承擔。TC（全碳）和SOC（有機碳）分別采用紅外吸收法和重鉻酸鉀容量法進行測定，檢出限為0.1，精密度和準確度合格率均達到100%。土壤樣品采集與分析嚴格按照《1∶25萬多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范》（DD2005-1）執(zhí)行，滿足土地質(zhì)量地球化學評價的要求。

1.3 土壤碳儲量計算

土壤碳密度（SCD）是指在一定土壤深度，單位面積（km2）土體中的碳元素（有機碳和無機碳）的儲量；4 km2范圍內(nèi)土體中的碳儲量為單位土壤碳量（USCA）；而土壤碳儲量（SCR）則是一定面積內(nèi)一定深度土壤的碳總量。本研究對表層（0～20 cm）、中上層（0～100 cm）、全層（0～200 cm）等三個不同采樣深度的土壤中碳密度和碳儲量進行了計算。計算公式（奚小環(huán)等，2009）為：

式中，SOCD和SICD分別表示不同深度土壤中的有機碳密度和無機碳密度，單位為kg/m2；w(TOC1)、w(TOC2)分別為表層和深層土壤中w(TOC)；d1為0.1 m，表示表層土壤中間深度；d2為深層土壤采樣深度2.0 m；D為計算深度，分別取0.2 m、1.0 m、2.0 m；10為換算系數(shù)；ρ為不同土壤類型土壤容重；土壤碳儲量為土壤碳密度與面積的乘積。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同采樣深度土壤碳密度及碳儲量計算

根據(jù)上述公式，分別計算了商丘地區(qū)表層、中上層及全層等不同采樣深度的土壤碳密度及碳儲量值，計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同采樣深度土壤碳密度及碳儲量

從表1中可知，研究區(qū)表層（0～20 cm）土壤有機碳密度含量范圍為0.54～5.29 kg/m2，平均2.34 kg/m2，無機碳含量范圍為0.027～6.29 kg/m2，平均2.82 kg/m2；中上層（0～100 cm）土壤有機碳密度含量范圍為2.89～15.8 kg/m2，平均7.89 kg/m2，無機碳含量范圍為1.92～26.7 kg/m2，平均14.2 kg/m2；全層（0～200 cm）土壤有機碳密度含量范圍為4.89～21.8 kg/m2，平均12.3 kg/m2，無機碳含量范圍為4.59～47.5 kg/m2，平均28.6 kg/m2。與全國主要農(nóng)耕區(qū)相應土壤深度有機碳密度值3.19 kg/m2、11.6 kg/m2、15.3 kg/m2相比（奚小環(huán)等，2010），研究區(qū)值僅為其0.73倍、0.68倍、0.80倍，均低于全國平均水平。

相較于我國其他地區(qū)（表2），研究區(qū)表、中上、全層土壤有機碳密度屬于中等水平，高于陜西、湖北、山東及河北等地，但低于四川、湖南及吉林。四川省土壤有機質(zhì)含量居全國之首（陳雅敏等，2013），主要因其氣候濕潤，溫度較低且生物量巨大，有利于有機質(zhì)積累；而河北等干旱和半干旱區(qū)，降雨量少且土壤有機質(zhì)輸入量少，因此土壤有機碳密度處于較低水平（許文強等，2009）。

表2 中國典型地區(qū)土壤有機碳密度含量特征

研究區(qū)不同土壤深度碳儲量中，表層土壤碳儲量占全層土壤有機碳儲量的19.04%，低于其他各省。在表層、中上層及全層中，土壤無機碳儲量均高于有機碳儲量，且兩者的差異隨著深度的增加而增加，表明研究區(qū)土壤無機碳主要分布在較深的土壤中，而不同深度土壤有機碳儲量受氣候條件、土地利用方式及表生富集作用的影響程度不同，接受外界有機質(zhì)輸入量也有較大差異。

2.2 不同土壤類型下有機碳密度

研究區(qū)不同土壤類型有機碳密度值見表3。各土壤變異系數(shù)排列順序為砂質(zhì)潮土＞堿土＞壤質(zhì)潮土＞砂姜黑土＞粘質(zhì)潮土＞鹽土，除砂質(zhì)潮土外，各土壤變異系數(shù)值均小于0.25，分布較均勻。與河南省平原區(qū)表層土壤有機碳密度（2.21 kg/m2）（奚小環(huán)等，2013）相比，壤質(zhì)潮土、粘質(zhì)潮土、堿土及砂姜黑土值偏高，而砂質(zhì)潮土和鹽土則偏低。

表3 不同土壤類型表層土壤有機碳密度

土壤的成土環(huán)境、成土特征及微生物活性是土壤有機質(zhì)分解和周轉(zhuǎn)的主要影響因素（傅野思等，2012）。砂姜黑土的成土母質(zhì)為河湖相沉積物，是一種半水成土壤且由于其經(jīng)常處于水飽和且厭氧還原狀態(tài)下，有利于有機質(zhì)在其中的積累，而且土壤通氣不良，降低了有機質(zhì)的分解速率，因此砂姜黑土中有機碳密度較高。潮土是研究區(qū)主要的土壤類型，長期種植農(nóng)作物使得土壤中的有機質(zhì)含量降低；粘質(zhì)潮土質(zhì)地粘重，風化淋溶作用較弱，其保肥能力較強，因此粘質(zhì)潮土有機碳密度較高；砂質(zhì)潮土粘粒含量低，粘著性小，土壤有機質(zhì)積累緩慢，其有機碳密度為6種土壤類型中最低，為全省水平的0.92倍；堿土及鹽土由于其含鹽量和含堿量較高，不利于土壤有機質(zhì)積累。

2.3 不同地貌類型下有機碳密度

研究區(qū)屬黃河沖積平原，總體西北高而東南低。地貌類型主要分為泛流平原、低緩平原、決口扇、洼地及殘丘等，其中殘丘僅在東部有少量分布。由表4可知，除洼地的變異系數(shù)為0.33，屬于中等強度的空間變異性；其余各地貌的變異系數(shù)均為0.20，分布較均勻。4種地貌類型表層土壤有機碳密度排列順序為低緩平原（2.57 kg/m2）＞泛流平原（2.37 kg/m2）＞決口扇（2.29 kg/m2）＞洼地（1.99 kg/m2）。低緩平原及泛流平原為主要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，多分布粘質(zhì)潮土和壤質(zhì)潮土，具有粘性強、吸附能力強等特點，因此該區(qū)土壤有機碳密度較高；而決口扇的沉積物多為砂質(zhì)土壤，固碳能力中等；洼地地下水位較淺，且雨季積水常帶來一定程度的淋洗，因此不利于有機質(zhì)的積累。

表4 不同地貌類型表層土壤有機碳密度

2.4 不同土地利用類型下有機碳密度

由人類活動引起的土地利用方式的改變是影響土壤碳庫、土壤碳循環(huán)的最直接的因素（Gao et al.,2011），研究區(qū)土地利用方式及有機碳密度分布如表5所示。各土地利用類型的變異系數(shù)變化范圍0.08～0.35，除林地、葦?shù)靥幱谥械葟姸茸儺?，其它各類型均處于弱變異，菜地變異系?shù)僅0.08。

表5 不同地貌類型表層土壤有機碳密度

土壤有機碳密度排列為居民地＞水澆地＞旱地＞菜地＞園地＞葦?shù)兀玖值?。由于居民地多發(fā)生在質(zhì)量較好的土壤上（李桂林等，2008），其碳儲量較大，且后期未種植利用，碳消耗較少，因此居民地土壤有機碳密度較高。耕地為研究區(qū)的主要土地利用類型，其面積占研究區(qū)總面積的97.1%，其有機碳密度略高于全省水平，是研究區(qū)主要的表層土壤有機碳儲庫。林地、園地、葦?shù)孛娣e較小，且由于土壤呼吸作用加強，土壤有機碳分解速率加快（謝娜等，2019），故其有機碳密度值較低。

2.5 表層土壤有機碳密度影響因素

土壤有機碳輸入和分解過程中主要的氣候影響因子是溫度和水分（許信旺等，2007；姜勇等，2007）；同時，土壤質(zhì)地、成分及pH值通過對土壤有機質(zhì)分解速率的控制從而影響土壤中有機碳含量水平（楊忠芳等，2011）。本研究主要分析了氣候條件和土壤理化性質(zhì)對表層土壤有機碳密度變化的影響機制。

2.5.1 氣候條件對土壤有機碳的影響

氣溫條件主要是通過影響土壤的溫度與濕度，并進一步作用于動、植物的生長及土壤微生物活性，從而影響土壤中碳的積累和輸出（王荔等，2019）。土壤中有機碳的分解速率隨著溫度的提高而加快，同時溫度增高使得土壤含水量降低，土壤水分的粘滯度和表面張力也下降（周濤等，2003）。分別計算研究區(qū)15個年平均溫度分區(qū)及14個年降水量分區(qū)內(nèi)的有機碳平均值，并制作相應的相關(guān)性散點圖（如圖2a～b所示）。

研究區(qū)年均溫度與土壤有機碳密度呈正相關(guān)關(guān)系（圖2a），此結(jié)論與代杰瑞等（2015）在山東省所作研究結(jié)論相似。有研究表明，當溫度≤10℃時，溫度與碳密度呈負相關(guān)，但研究區(qū)年均溫度＞14℃，隨著溫度的升高，土壤碳密度對溫度的反應是有限的（鐘聰?shù)龋?012）。

降水量對土壤有機碳密度的影響表現(xiàn)為改變土壤通氣性，從而影響土壤中有機碳的礦化分解及外源有機碳的降解，進而使得土壤中有機碳量發(fā)生改變。土壤中充足的水分會減弱土壤的通氣性，致使原有機碳礦化能力變?nèi)?，同時外源有機殘體易于腐爛降解，從而使得土壤中有機碳含量增加；而土壤水分不足則會增加土壤孔隙度，加快有機碳的礦化分解速率，降低土壤有機碳含量。研究區(qū)表層土壤有機碳含量與年降水量呈負相關(guān)關(guān)系（圖2b），且相關(guān)系數(shù)較小，說明降水量對研究區(qū)表層土壤有機碳密度的影響不明顯。

圖2 表層土壤有機碳密度與年均溫度（a）、年降水量（b）、土壤質(zhì)地（c）、土壤pH值（d）相關(guān)關(guān)系

2.5.2 土壤理化性質(zhì)對土壤有機碳的影響

土壤質(zhì)地是影響有機碳含量的重要因系，由于本研究樣品未直接測量土壤質(zhì)地，因此使用Al2O3與SiO2質(zhì)量分數(shù)之比即w(Al2O3)/w(SiO2)表示土壤質(zhì)地信息，當比值越大時樣品中粘粒成分越高。

研究區(qū)土壤質(zhì)地與表層土壤有機碳密度呈正相關(guān)關(guān)系（圖2c），因為土壤中的腐殖質(zhì)與粘?？尚纬尚再|(zhì)穩(wěn)定的有機-無機復合體，阻礙微生物對有機質(zhì)的分解，從而有利于土壤中有機質(zhì)的積累。同時，粉粒含量較高的土壤其養(yǎng)分也較高，有利于作物的生長，秸桿還田后導致土壤中有機質(zhì)含量也相應提高（陳沖等，2014）。因此，土壤粘粒比例的增加可抑制有機質(zhì)的分解，表層土壤的有機碳儲量與粘粒及粉粒含量成正比，而與砂粒含量成反比（曹櫻子和王小丹，2012）。

土壤pH以影響土壤中植物的生長速率及微生物的活性，從而對土壤中有機碳的累積與分解產(chǎn)生一定的影響。研究區(qū)土壤pH值與表層土壤碳密度呈負相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性不明顯（圖2d），宋彥彥等（2019）的研究表明在0～10 cm 時，土壤pH值與有機碳密度呈顯著負相關(guān)，而在10～20 cm時相關(guān)性不顯著。本研究所取表土深度在0～20 cm，其結(jié)論與上述研究結(jié)果相同。

2.6 表層土壤有機碳時間變化規(guī)律

將1990年與2015年表層土壤有機碳含量對比后發(fā)現(xiàn)（圖3～4），研究區(qū)有機碳含量水平整體呈上升趨勢。全區(qū)無有機碳含量1、2級水平土壤，含量以4級為主，1990年、2015年4級有機碳面積分別為7061 km2、9427 km2，占當年總面積的71.8%、95.6%。1990年時3級土壤只分布在商丘市區(qū)周邊，面積為82.0 km2；而到2015年，商丘市區(qū)周邊土壤面積減小，而在調(diào)查區(qū)各處均有零星分布，特別是永城市有大幅度增加。

圖3 研究區(qū)1990年有機碳含量分布圖

圖4 研究區(qū)2015年有機碳含量分布圖

3 結(jié)論

（1）調(diào)查區(qū)表層（0～20 cm）、中上層（0～100 cm）、全層（0～200 cm）土壤有機碳密度分別為2.34 kg/m2、2.82 kg/m2、7.89 kg/m2，與全國主要農(nóng)耕區(qū)相應土壤深度有機碳密度相比，其值偏低。對比1990年與2015年研究區(qū)有機碳分布圖，調(diào)查區(qū)有機碳含量水平整體呈上升趨勢。

（2）不同土壤類型、地貌類型及土地利用方式下，土壤有機碳密度表現(xiàn)各不相同。其排列順序分別為砂姜黑土（2.54 kg/m2）＞粘質(zhì)潮土（2.49 kg/m2）＞壤質(zhì)潮土（2.32 kg/m2）＞堿土（2.23 kg/m2）＞鹽土（2.12 kg/m2）＞砂質(zhì)潮土（2.05 kg/m2）；低緩平原（2.57 kg/m2）＞泛流平原（2.37 kg/m2）＞決口扇（2.29 kg/m2）＞洼地（1.99 kg/m2）；居民地（2.67 kg/m2）＞水澆地（2.44 kg/m2）＞旱地（2.26 kg/m2）＞菜地（2.23 kg/m2）＞園地（1.96 kg/m2）＞葦?shù)兀?.76 kg/m2）＞林地（1.47 kg/m2）。不同土壤類型對有機碳密度的影響主要是由于土壤中水分含量與粘粒含量，而土地利用方式的差異則與秸桿還田及施肥有關(guān)。

（3）研究區(qū)表層土壤碳密度受溫度變化影響較明顯，其含量水平隨著溫度的升高而增加，而年降水量與碳密度間呈負相關(guān)關(guān)系且影響較小。土壤理化性質(zhì)中粘度與pH值對有機碳密度影響有限，粘度增加有利于有機碳的累積。