青海东部表层土壤有机碳密度及其空间分布特征.pdf

第 47 卷第 4 期物 探 与 化 探Vol.47,No.4 2023 年 8 月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Aug.,2023doi:10.11720/wtyht.2023.1287刘庆宇,马瑛,程莉,等.青海东部表层土壤有机碳密度及其空间分布特征J.物探与化探,2023,47(4):1098-1108.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1287Liu Q Y,Ma Y,Cheng L,et al.Density and spatial distribution of organic carbon in the topsoil of eastern QinghaiJ.Geophysical and Geochemical Explo-ration,2023,47(4):1098-1108.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1287青海东部表层土壤有机碳密度及其空间分布特征刘庆宇1,马瑛1,程莉2,沈骁1,张亚峰1,苗国文1,黄强1,韩思琪1(1.青海省第五地质勘查院,青海 西宁 810099;2.青海省地质矿产测试应用中心,青海 西宁810000)摘 要:整合了青海省东部地区 33 092 km2多目标区域地球化学调查和土地质量地球化学调查数据,估算了研究区表层土壤有机碳总储量为 171.16 Mt,平均有机碳密度为 5 172.14 t/km2,并分析了表层土壤有机碳空间分布特征和主要影响因素。结果表明:在高山和中低山地貌、草原土和草甸土土壤类型、残坡积物成土母质、林草地和高山稀疏植被区土地利用、草原和森林系统下,表层土壤有机碳平均密度明显偏高,在沙漠地貌、风沙土土壤类型和风成砂成土母质区表层土壤有机碳密度最低,说明地形地貌(海拔高低)、成土母质、气候及植被均对表层土壤有机碳密度及分布规律产生影响。与青海省土壤第二次普查数据有机碳储量对比,在过去 20 多年里青海东部表层土壤共释放约 53.21 Mt 有机碳,表明在长期耕种、过度砍伐和放牧等人类生产活动影响下土壤有机碳已出现一定程度的下降。关键词:土壤有机碳密度;分布特征;表层土壤;土壤类型;青海东部中图分类号:S153.6;X142 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2023)04-1098-11收稿日期:2022-06-04;修回日期:2022-11-03基金项目:青海省省级地质勘查专项资金项目“青海省玉树市地区 125 万土地(牧草地)质量地球化学调查”(2022012019jc013);中国地质调查局国家公益性地质调查专项“青海门源湟中地区 125 万土地质量地球化学调查”(DD20160319-07)第一作者:刘庆宇(1987-),男,理学学士,工程师,主要研究方向为农业地球化学、生态环境等。Email:452250910 0 引言陆地生态系统包含着土壤碳库和生物体碳库,土壤碳库是动态碳储库,不断发生着碳的输出和流入1,其中土壤有机碳是土壤碳库中重要的碳储存状态,也是陆地生态系统中最大的碳储库2。在人类活动的影响下,个别地区土壤碳库有逐渐成为碳源的趋势,同时部分生态系统的碳汇功能正在减弱3。土壤有机碳在土壤碳库中占主体地位4,因此研究土壤有机碳密度及空间分布特征,对于全球碳循环、气候变化及温室效应研究等有着重要的意义5。目前国内已开展了较多的青藏高原及黄土高原地区土壤有机碳研究,结果表明:近年青藏高原有机碳总储量减少,黄土高原则呈增加趋势6。同时,针对青海东部地区表层土壤有机碳密度及储量的研究偏少。青海东部位于青藏高原北缘,西接黄土高原,东接青藏高原东北部,生态系统相对脆弱,生态地位显著7。2004 年青海省启动生态地球化学调查工作,截止 2021 年,青海省地质调查院、青海省第五地质勘查院先后开展了西宁、海东、海北、海南、黄南等地区 1 25 万区域土壤地球化学调查,累计完成调查面积 33 092 km28。笔者通过整理青海东部地区生态地球化学调查取得的有机碳、全碳数据指标,计算青海东部表层土壤有机碳密度和土壤有机碳储量9,摸清青海东部地区有机碳储量“家底”,可为土地资源利用、农业种植、粮食安全、碳循环和环境风险评估等提供基础依据10。1 研究区概况研究区位于青海省东部,西起青海湖北部海北州刚察县,东至青海甘、肃交界,北接海北州祁连县,南至循化化隆一带,主要包括西宁市及周边主要 4 期刘庆宇等:青海东部表层土壤有机碳密度及其空间分布特征市县区,行政上分属西宁市、海东市、海南州、海北州和黄南州管辖。研究区面积 33 092 km2(见图 1),是青海省工农业核心区11。109 国道、315 国道、兰西高速、青藏铁路等主干道路贯穿全区,各县、乡之间均有公路网相通,交通较为便利。研究区域跨度较大,地质背景复杂,成土母质主要有黄土、湖积物、冲洪积物、残坡积物以及风成砂共 5 种类型12;地貌分为河谷盆地、河谷平原、湖积平原、丘陵、中低山、高山、沙漠等 7 种类型(图 2a);土壤类型主要有高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、栗钙土、灰褐土、黑钙土、灰钙土、灌淤土及风沙土共 9 种13-15(图 2b),其中栗钙土分布面积较大,黑钙土面积次之;土地利用类型按大类分为草地、林地、旱地、水浇地、滩涂、建筑用地(城镇用地)、裸地(高山植被稀疏覆盖区)(图 2c);区内生态系统为草原生态系统、森林生态系统、农田生态系统、城镇生态系统、湖泊生态系统(滩涂)、沙漠生态系统16(图 2d)。2 样品采集与测试表层土壤采样按多目标区域地球化学调查规范(DD2005-01)和多目标区域地球化学调查规范(1 250 000)(DZ/T 02582014)要求完成17,采样密度为 1 个点/km2,采样深度为 020 cm,经过晾晒、揉搓、过 20 目尼龙筛,每 4 km2内的样品进行组合18,由自然资源部合肥矿产资源监督检测中心和自然资源部西宁矿产资源监督检查中心共同完成分析测试。土壤样品经过重铬酸钾氧化处理,采用硫酸亚铁铵容量法(VOL)测试有机质含量,检出限为 0.05%,满足多目标调查规范要求19,测试精密度为 3.79%,插入的国家标准物质 5%抽查试样合格率均达 100%,报出率为 100%20。经中国地质调查局组织验收,分析数据满足 1 25 万多目标区域地球化学调查要求21。3 计算方法参照全国土壤碳储量及各类元素(氧化物)储量实测计算暂行要求22,以多目标区域地球化学调查表层土壤样品有机碳含量计算表层土壤有机碳密度,依据其含量分布模式计算得到单位土壤有机碳量(以分析样品网格单元 4 km2计),对单位土壤有机碳量进行加和计算取得土壤有机碳储量23-24。图 1 青海东部地区交通位置Fig.1 Traffic location in eastern Qinghai9901物 探 与 化 探47 卷 图 2 青海东部地区地形地貌(a)、土壤类型(b)、土地利用(c)、生态系统分区(d)Fig.2 Landform(a),soil type(b),land use(c)and ecosystem division(d)in eastern Qinghai 表层土壤有机碳计算公式为:SOCD=TOCD104,(1)式中:SOCD 表示表层土壤有机碳密度,t/km2;TOC 取表层土壤有机碳实测含量值,%;D 为表层土壤样深度,取 0.2 m25;为土壤容重,t/m3,取自青海土壤26;104为单位土壤面积内换算系数27。表层土壤样品为 4 km2内组合为一件样品分析,因此计算 4 km2单元内的单位表层土壤有机碳量后即可求得研究区表层土壤有机碳总储量28-29。计算公式为:USCATOC=SOCD4,(2)式中:USCATOC为单位表层土壤有机碳量,t/4 km2;SOCD 表示表层土壤有机碳密度,t/km2。计算出青海东部地区全部表层单位土壤有机碳含量总和即为研究区表层土壤有机碳储量30。计算公式为:表层土壤有机碳储量=USCATOC。(3)4 结果与分析4.1 表层土壤有机碳总体分布特征研究区土壤表层有机碳总储量为171.16 Mt,有机碳密度在 140.819 625.41 t/km2,平均有机碳密度为 5 172.14 t/km2,略低于全国自然土壤表层有机碳平均密度值(5 700 t/km2)31,远高于全国耕种土壤表层有机碳平均密度值(3 000 t/km2)32。青海东部处于青藏高原东北部和黄土高原交界地带,地形变化大,温度差异大,土壤类型多样且有机质含量差别较大,从而造成了研究区有机碳密度变化幅度较大33。2012 年钟聪等34估算得出青海省表层土有机碳密度平均值为 4 509 t/km2,研究区表层土0011 4 期刘庆宇等:青海东部表层土壤有机碳密度及其空间分布特征壤有机碳密度略高于该值,主要由于柴达木盆地大面积风成砂土有机质含量低,拉低了全省平均值。与全国其他地区表层土壤有机碳密度对比,本区土壤有机碳密度明显偏高(表 1)。以研究区内单位土壤碳储量(4 km2)为基础数据,应用软件 GeoExpl 进行2 km2 km 的网格化(搜索半径为 5 km)处理,按照累积频率法绘制等值线图,用以展现有机碳密度空间分布规律(图 3)。从图中可以看出,在达坂山山区、拉脊山山区、坎布拉山区、青海湖北部土壤单位有机碳密度较高;西宁民和盆地、青海湖沙岛、共和盆地及贵德谷地土壤单位有机碳密度较低。表 1 中国典型地区表层土壤有机碳密度及储量特征Table 1 Characteristics of soil organic carbon density and storage in typical areas of China地区面积/km2储量有机碳/Mt有机碳密度/(tkm-2)东北平原(黑龙江、吉林、辽宁)230800768.073327.8成都平原(四川)58956248.904222洞庭湖地区(湖南)41696165.493969华北平原(河北)80268179.962242渭河平原(陕西)1364830.902264长江中下游平原(江苏)106424309.722910黄土高原西段(甘肃)4234878.561870青海东部33092171.165172.14 注:1 Mt=1106t;东北平原数据引自奚小环等35,成都平原、洞庭湖地区、华北平原、渭河平原、长江中下游平原数据引自奚小环等36,黄土高原西段数据引自李春亮等28。图 3 青海东部地区表层土壤单位有机碳密度分布Fig.3 Distribution of unit organic carbon density in surface soil of eastern qinghai4.2 不同单元有机碳密度特征将青海东部表层土壤有机碳数据按地貌、土壤类型、成土母质、土地利用方式、生态系统等进行分类36-37,分别计算表层土壤有机碳密度及储量,探讨有机碳密度分布特征。4.2.1 不同地貌有机碳密度特征对比研究区不同地貌表层土壤平均有机碳储量数据(表 2),可以看出表层土壤有机碳密度排序为:高山中低山湖积平原丘陵河谷盆地河谷平原沙漠,其中高山、中低山和湖积平原表层土壤有机碳平均密度在 6 000 t/km2以上,高于研究区平均值,这是因为山区及湖积平原区海拔较高,温度相对较低,且人类活动影响小,湿度大,有机质积累大于分解,土壤有机碳密度高38;河谷盆地、河谷平原和丘陵表层土壤有机碳平均密度在 4 0004 600 t/km2,丘陵地貌虽然土壤有机碳平均密度一般39,但分布面积较大,仍占表层土壤有机碳总储量的 36.98%,三者有机碳总储量占研究区一半以上40;沙漠地貌中平均有机碳密度在 1 500 t/km2以下,风沙土为主,有机质等养分含量极低41,分布面积小,仅占研究区表层土壤有机碳储量的 0.26%。1011物 探 与 化 探47 卷 表 2 青海东部地区不同地貌有机碳储量和密度分布Table 2 Organic carbon storage and density distribution of different landforms in eastern Qinghai地貌景观面积/km2平均密度/(tkm-2)总储量/Mt占比/%河谷盆地43244209.1418.2010.63河谷平原34564083.2314.118.24丘陵139984521.9663.3036.98湖积平原5646490.823.662.14中低山50566692.5133.8419.77高山53986966.4337.6021.98沙漠2961497.150.440.264.2.2 不同土壤类型有机碳密度特征对比研究区不同类型土壤平均有机碳密度数据(表 3)42,可以看出:表层土壤中有机碳密度由高到底依次为高山寒漠土灰褐土高山草原土沼泽土高山草甸土黑钙土潮土栗钙土灰钙土灌淤土风沙土。有机碳密度在高山寒漠土中最高(13 642.4 t/km2),这是由于高山寒漠土分布在海拔 4 000 m 以上,气候冷凉,冻融交替频繁,生物作用微弱,土壤发育迟缓,有机质分解和腐殖化缓慢;其次在灰褐土、高山草甸土、沼泽土、高山草甸土等海拔相对较高的中高山土类中有机碳密度较高,对应为林草地覆盖区43;而海拔相对较低、多分布在丘陵与河谷地带的栗钙土、灰钙土及灌淤土,其平均有机碳密度较低44-45,对应为农耕区,显示其受农业耕种影响,有机质呈现逐渐降低的趋势46;风沙土中有机质含量最低,对应沙漠区,有机质含量低且不易存储47。表 3 青海东部地区不同土壤类型有机碳储量和密度分布Table 3 Organic carbon storage and density distribution of different soil types in eastern Qinghai土壤类型面积/km2平均密度/(tkm-2)总储量/Mt占比/%沼泽土4286732.702.881.68山地草甸土50126628.4633.2219.41栗钙土117603408.4340.0823.42灰褐土12169823.6711.946.98灰钙土14562184.353.181.86黑钙土61565336.2432.8519.19灌淤土4721438.600.680.40高山寒漠土29613642.404.042.36高山草原土19207663.5814.718.60高山草甸土40326681.1126.9415.74风沙土2961463.650.430.25潮土483983.250.190.114.2.3 不同成土母质有机碳密度特征比较研究区内不同成土母质平均有机碳储量数据,可以看出表层土壤有机碳密度特征为:残坡积物冲洪积物湖积物黄土风成砂(表 4),不同成土母质间有机碳密度差异较大。有机碳密度高值区多为残坡积物、冲洪积物分布区,二者占研究区有机碳总储量的 86.5%,残坡积物成土母质区表层土壤有机碳平均密度达到 8 568.13 t/km2,对应的林草地覆盖率较高,腐殖层较厚,致使有机碳储量处于较高水平48,而在黄土及风成砂成土母质中有机质、微生物等偏少,有机碳密度处于较低水平。表 4 青海东部地区不同成土母质有机碳储量和密度分布Table 4 Organic carbon storage and density distribution of different soil parent materials in eastern Qinghai成土母质面积/km2平均密度/(tkm-2)总储量/Mt占比/%冲洪积物169284449.6275.3244.01残坡积物84888568.1372.7342.49湖积物4643817.041.771.03风成砂4881589.750.780.46黄土67243058.0820.5612.014.2.4 不同土地利用类型有机碳密度特征比较研究区不同土地利用类型土壤有机碳密度数据,可以看出表层土壤有机碳密度由高到底依次为林地裸地(高山植被稀疏覆盖区)草地旱地建筑用地(城镇用地)水浇地滩涂(表 5),其中林地、裸地(高山植被稀疏覆盖区)、草地表层土壤有机碳平均密度均在 5 500 t/km2以上,高于全区平均值,与高海拔、低温度、林草地、人类活动影响小等因素相对应49;旱地、水浇地、建筑用地(城镇用地)表层土壤碳密度在 3 2003 500 t/km2,与人为耕灌活动影响下土壤熟化程度提高50、有机质分解速率大于积累有关,导致土壤有机碳密度低于全区51;滩涂区土壤养分匮乏,有机质含量极低52。表 5 青海东部地区不同土地利用类型有机碳储量和密度分布Table 5 Organic carbon storage and density distribution of different land use types in eastern Qinghai土地利用面积/km2平均密度/(tkm-2)总储量/Mt占比/%草地212925517.92117.4968.64林地30127723.0623.2613.59旱地59723480.8920.7912.15水浇地17123242.495.553.24建筑用地(城镇用地)2083342.420.700.41裸地(高山植被稀疏覆盖区)4006231.532.491.45滩涂4961774.240.880.514.2.5 不同生态系统有机碳密度特征对比可见,研究区不同生态系统表层土壤有机碳密度由高到底依次为森林生态系统草原生态系统农田生态系统城镇生态系统湖泊生态系统(滩涂)沙漠生态系统(表 6),森林和草原二者土壤有机碳密度明显高于全区平均值53-54,且分布面2011 4 期刘庆宇等:青海东部表层土壤有机碳密度及其空间分布特征积大,土壤有机碳储量占全区的 83.69%;农田和城镇生态系统中农业活动和人为因素成为了影响土壤有机碳分布的主导因素,区内农业区耕作历史久远,人口稠密,长期缺乏科学指导的灌溉,土壤有机质含量逐年下降,城镇内植被覆盖少,有机碳的输入补充不足,导致了土壤有机碳密度较低55;沙漠和湖泊生态系统中土壤养分均严重不足,有机质含量极低。表 6 青海东部地区不同生态系统有机碳储量和密度分布Table 6 Organic carbon storage and density distribution of different ecosystems in eastern Qinghai生态系统面积/km2平均密度/(tkm-2)总储量/Mt占比/%草原生态系统216925531.08119.9870.10城镇生态系统2083342.420.700.41湖泊生态系统1762454.930.430.25农田生态系统76883426.6526.3415.39森林生态系统30087731.6523.2613.59沙漠生态系统3201399.870.450.264.3 有机碳储量变化趋势青海省第二次土壤普查周期是 19791985 年,形成的成果资料主要为青海土壤56,本次研究引用青海土壤中收录的 312 个典型剖面数据,有机质测试方法为重铬酸钾消化法,采用青海第二次土壤普查中各类土壤典型剖面表层土壤(020 cm)有机碳的平均值和多目标调查数据分别计算各类土壤中有机碳储量值57,并比较其储量变化情况(图4),获得了从青海省第二次土壤普查到多目标调查这 20 多年间的有机碳储量变化趋势35。图中蓝色黄绿色部分为负值区(-5.95-0.86)10-4 t,代表碳源区,主要分布在门源县大通河谷下游、大通北部、拉脊山主脊、共和盆地、黄河以南的山区,这些区域由于水土流失、气候变暖等因素,成为一个巨大的碳源区域;其次为黄绿色区域(-0.86-0.44)10-4 t,主要分布在湟水谷地、黄河谷地向丘陵山区的过段地带,农业耕种使得一定量的碳从土壤中带出,土壤有机碳有一定的降低;黄色红色部分为正值区(0.055.7)10-4 t,代表碳汇区,主要分布在青海湖北部、达坂山山区、化隆尖扎县周边,该区有大量的牧草生长,并腐化成有机质在本地堆积,固定了大量空气中的碳。统计区内不同土地类型的有机碳储量变化,划分碳汇碳源功能区,结果见表 7。结果显示,20 年来高山寒漠土、高山草原土、灰钙土、风沙土、潮土表层土壤有机碳随着时间增加呈增长的趋势,其分布区域被划分为碳汇区58;其他土壤类型呈减少趋势,被划分为碳源区,尤其是高山草甸土、黑钙土、灰褐土是最主要的碳释放区59。近 20 多年来表层土壤图 4 青海东部地区近 20 年表层土壤有机碳储量变化趋势Fig.4 Variation trend of topsoil organic carbon storage in recent 20 years in eastern Qinghai3011物 探 与 化 探47 卷 共释放约 53.21106 t 有机碳。高山草甸土是青海高山区主要草场土壤,热量条件差,但水分条件较好,全量养分丰富。但 19802000 年期间人为过度放牧情况严重,导致草场退化,土壤出现较严重砂砾化,“黑土滩”面积缓步增加,土壤肥力明显降低。现已加强草场资源管理,根据实际草场载蓄能力合理安排放牧,并引进人工牧草改变传统牧业模式。黑钙土分布在海拔 2 5003 000 m,居于山前冲积、洪积平原、台地和中低山山区,属于研究区主要耕作土壤之一,受长年灌耕影响较大。灰褐土是山地森林土壤,有机质、氮等养分含量均很高,属于潜在肥力很高的土壤60,同样在 20 世纪 80 年代至 2000年偷砍乱伐严重,森林病虫害也无人防治,造成森林面积减少,有机碳密度降低,现已实施封山育林,加大了环境保护力度。表 7 青海东部地区不同土壤类型有机碳储量变化趋势统计Table 7 Trends of organic carbon storage in different soil types in eastern Qinghai土壤类型多目标时期有机碳储量/Mt二普时期有机碳储量/Mt碳储量变化量/Mt潮土0.19 0.12 0.07 风沙土0.43 0.40 0.03 高山草甸土26.94 45.85-18.92 高山草原土14.71 7.12 7.59 高山寒漠土4.04 0.51 3.53 灌淤土0.68 1.37-0.69 黑钙土32.85 54.18-21.33 灰钙土3.18 2.50 0.68 灰褐土11.95 28.41-16.46 栗钙土40.08 43.24-3.16 山地草甸土33.22 36.62-3.39 沼泽土2.88 4.03-1.15 总计171.16 224.36-53.21 5 结论1)青 海 东 部 表 层 土 壤 有 机 碳 总 储 量 为171.16 Mt,平均有机碳密度为 5 172.14 t/km2,在达坂山、拉脊山、坎布拉等山区和青海湖北部及大通山南麓表层土壤有机碳密度较高,西宁民和盆地、青海湖沙岛、共和盆地及黄河谷地土壤有机碳密度较低。2)对比青海东部地区不同地貌类型、土壤类型、成土母质、土地利用类型和生态系统发现:在高山和中低山地貌、草原土和草甸土土壤类型、残坡积物成土母质、林草地和高山稀疏植被区土地利用、草原和森林系统下,表层土壤有机碳平均密度明显较高,且森林和草原表层土壤有机碳占全区 80%以上;在沙漠地貌、风沙土土壤类型和风成砂成土母质下表层土壤有机碳密度全区最低;说明海拔高低变化表现的地形地貌、成土母质、土壤类型及植被等自然因素的差异均对表层土壤有机碳密度及分布规律产生影响。3)依据多目标区域地球化学调查与青海省土壤第二次普查表层土壤有机碳数据的对比研究表明,青海东部地区整体属于碳源区,在过去 20 多年里表层土壤有机碳储量呈下降趋势,共释放约53.21 Mt 有机碳,其中作为主要耕种土壤的黑钙土释放了 21.33 Mt 有机碳,说明人为耕作活动对表层土壤有机碳空间分布和储量有较显著的影响。致谢:感谢青海省第四地质勘查院姬丙艳教授级高级工程师在论文编写过程中提供的指导和帮助,感谢匿名审稿专家对文章内容提出了宝贵的意见和建议,对论文的修改完善有很大帮助,在此表示诚挚的谢意。参考文献(References):1 曹宏杰,王立民,罗春雨,等.三江平原地区土壤有机碳及其组分的空间分布特征J.生态环境学报,2013,22(7):1111-1118.Cao H J,Wang L M,Luo C Y,et al.Spatial distribution patterns of soil organic carbon and its fractions in Sanjiang Plain J.Ecology and Environmental Sciences,2013,22(7):1111-1118.2 陈泮勤.地球系统碳循环M.北京:科学出版社,2004:1-30.Chen P Q.Earth system carbon cycleM.Beijing:Science Press,2004:1-30.3 奚小环,李敏,张秀芝,等.中国中东部平原及周边地区土壤有机碳分布与变化趋势研究J.地学前缘,2013,20(1):154-165.Xi X H,Li 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