近25a珠江北江上游土壤表层有机_省略_固碳潜力估算_以广东省翁源县为例_张正栋.pdf

第35卷 第4期 2013年4月2013，35（4）：809-815Resources ScienceVol.35，No.4 Apr.，2013http:/收稿日期：2012-12-11；修订日期：2013-02-26基金项目：十二五国家科技支撑计划课题（编号：2012BAJ22B06）；广东省自然基金项目（编号：9151063101000046）；广东省软科学项目（编号：2009B70300115）；华南师范大学学术骨干与团队培养专项（编号：G21053）。作者简介：张正栋，男，甘肃榆中人，博士，教授，硕士生导师。主要从事土地利用/土地覆被变化、乡村地理学与3S应用等领域的研究。E-mail文章编号：1007-7588（2013）04-0809-07近25a珠江北江上游土壤表层有机碳储量变化及固碳潜力估算以广东省翁源县为例张正栋，杨春红（华南师范大学地理科学学院，广州 510631）摘要：本文基于土壤类型法，借助ArcGIS9.3工具，对珠江北江上游广东省翁源县的土壤表层有机碳储量及其时空分布进行了分析，并采用最大值法估算其主要土壤类型的有机碳增加潜力。结果显示，翁源县土壤表层平均有机碳密度与全国平均值接近，且近25a来略有下降趋势；水稻土表层有机碳密度上升幅度最大，“碳汇”效果明显；山地和旱地土壤表层表现出“碳源”的效应，水田则表现出“碳汇”的效应；土壤有机碳密度空间分布相对较高的是县域西北部和滃江流域；紫色土的固碳潜力最大，菜园地的固碳潜力最小，固碳潜力高值区主要位于滃江流域及其他耕地地区。在土壤类型和土地利用类型的基础上从时间和空间角度上分析翁源县土壤表层有机碳储量及固碳潜力，研究结果可以为区域农业生产活动、农业政策和碳平衡分析提供参考，同时对估算大尺度的土壤碳储量具有重要意义。关键词：土壤有机碳；时空分布；固碳潜力；珠江1 引言随着全球气候变化研究的深入，关于碳排放和碳储存等相关问题得到了学术界和社会的持续关注。土壤有机碳库储量巨大，在陆地总有机碳库中占有较大的比例。同时，土壤有机碳也是陆地有机碳库中比较活跃的部分1，土壤有机碳库小幅度的增加或减少都可能通过与大气的作用而对全球气候变化产生重要影响2。气候、地形、植被、成土母质等自然因子是影响土壤有机碳密度变化的重要因子，而人类活动对土壤的影响在一定时间内可能远大于自然因子的变化对土壤有机碳的影响的速率和程度3。处于珠江流域北江上游的翁源县位于粤北山区，是广东省的农业大县，长期的农业活动改变了土壤的肥力状况，引起土壤有机碳含量的改变。本文基于翁源县1982年-1984年第二次土壤普查数据和2007年-2008年农业测土配方施肥土壤采样数据，借助SPSS18.0统计和Arc GIS 9.3等相关软件，探讨近25a来翁源县土壤表层（020cm深度）有机碳储量及其时空变化，并估算其土壤固碳潜力，以期可为区域农业生产活动、农业政策和碳平衡分析提供参考。2 研究区概况北江是珠江流域第二大水系，是广东省重要河流之一。其主要支流有滃江、连江、绥江、武水等。其中，滃江发源于广东省翁源县，流经英德县汇入北江，全长173km，流域面积4847km2。滃江对翁源县自然环境和社会经济发展有着重要的作用，有翁源“母亲河”之称。翁源县位于韶关市东南部，东邻连平县，南邻新丰县，西邻英德市、曲江区，北邻始兴县、江西省，地理位置113392-114185E，第35卷 第4期资 源 科 学http:/240730-243715N。辖7镇1场156个村委会，总面积2217km2，耕地面积1.9万hm2，有林地面积16.3万hm2。2011年总人口超过39万。翁源县属中亚热带季风气候，地形以山地和盆地为主，山地面积约占全县总面积的80，地层发育较为完整，自老到新地质年代有前泥盆系、泥盆系、石炭系、上三叠系、下侏罗系、上白垩系、第三系和第四系。因自然环境复杂，成土母质多样，土壤类型也丰富。除水稻土等人为土壤外，主要土壤类型包括黄壤、红壤、赤红壤、红色石灰土、黑色石灰土、紫色土等5。近年来翁源县积极推动产业结构调整，扩大工业总量，已引进水泥、金属等多项项目；注重培育第三产业，积极发展九曲水生态旅游度假村等生态旅游；重视农业结构和布局优化，继续加快农业发展步伐，打造“三华李”、“九仙桃”等农业特色品牌。2011 年，翁源县生产总值 50.1 亿元，比上年增长15.1%；其中，农业总产值24.89亿元，占县总产值的近一半。全县从业人员15 6985人，其中第一产业从业人员8 5907人、第二产业从业人员2 8048人、第三产业从业人员4 3030人，第一产业从业人员所占比重最大。3 数据来源和研究方法3.1 基础图件和数据本研究基础图件包括广东省15万土壤类型图、110万广东省土地利用类型图（来自中国科学院遥感解译数据）、广东省行政区图等。由于各数据来源、坐标、比例尺等不同，基于 AacGIS 9.3 软件，统一投影坐标及边界，绘制出翁源县的土壤类型图（图1）、土地利用类型图等专题图（图2）。研究数据主要来自翁源县第二次土壤普查成果 广东省翁源县土壤普查报告书（1982年-1984年，下面以1982年简称）中的 84 个典型土壤剖面数据，包括土壤剖面分层的有机质数据、土壤容重、土层厚度、各土种面积、样点位置等数据；翁源县农业部门为测土配方施肥项目土壤采样数据（2007年-2008年，下面以2007年简称），采样深度为 020cm。本研究从测土配方数据中选取与图1 翁源县土壤类型分布Fig.1 Soil type map of Wengyuan图2 翁源县土地利用类型Fig.2 Landuse map of Wengyuan8102013年4月张正栋等：近25a珠江北江上游土壤表层有机碳储量变化及固碳潜力估算http:/第二次土壤普查数据样点相近的样点的土壤有机质等属性数据（图3）。3.2 数据处理由于测土配方法施肥项目采样所采取的样本深度是020cm深度，而第二次土壤普查典型剖面数据的耕作层深度不一，有的表土层（A层）厚度20cm，有的厚度20cm。为了与测土配方项目采样深度一致，本文参考相关文献6的做法对第二次土壤普查典型剖面土壤表层厚度不等于20cm的，用厚度加权法求出本土种20cm 厚度的平均有机质数据和平均容重。由于测土配方法施肥项目数据缺乏容重数据，本研究参考相关文献的研究7-9，用以下公式进行估算：=1.642e-0.1194x（1）式中为土壤容重（g/cm3）；x为土壤有机碳质量分数（%）；即用有机质质量分数乘以0.58得到。3.3 研究方法3.3.1 有机碳储量计算方法土壤有机碳储量的计算方法有植被类型法、土壤类型法、生命带或模型法等10，基于数据来源特征，本文采用土壤类型法估算翁源县表层土壤有机碳储量。（1）土壤有机碳密度计算：C=0.58i=1nCOMih110（2）式中C为有机碳密度（t/hm2）；i为土壤种类；COM为有机质质量分数（%）；h为土层厚度，取 20cm；0.58为Bemmelen 换算系数；1/10为单位换算数。通过公式（2）计算出各土种的有机碳密度，在此基础上通过该土种占土属的面积比例为权重求出相应土属的表层土有机碳密度。以此类推，计算出土壤亚类、土壤类型及全县土壤有机碳密度平均值11。（2）表层土壤有机碳储量计算：TC=Sii=1nCi（3）式中TC为有机碳总量（t）；Si为第i种土壤的面积（hm2）；Ci为第i种土壤的碳密度（t/hm2）。3.3.2 土壤有机碳增加潜力估算一定的有机碳投入水平下，投入初期，土壤的有机碳含量急剧增加；增加积累到一定阶段后有机碳增速减缓，并逐步趋于相对稳定状态。此时若再增加外源有机碳投入，则有机碳水平较低的土壤有机碳含量将再次上升并累积达到新的相对稳定状态。对特定的土壤，有机碳含量并不是无限增长的，而是上升到某一水平后，将不再随有机碳投入增加而累积，而是稳定在此状态，这一稳定状态即为有机碳的饱和状态12。这是土壤有机碳增加潜力估算的依据之一。目前国内关于土壤有机碳增加潜力的估算方法主要有最优农业管理措施估算法、自然植被土壤有机碳含量法和土壤属性理论计算法、最大值法的有机碳增加潜力估算、基于模型模拟的农田土壤固碳估算等13-17。本文采用最大值法来估算土壤表层有机碳增加潜力。4 翁源县土壤有机碳密度及储量据公式（2）、公式（3）计算，得出1982年和2007年翁源县各土壤类型表层土平均有机碳含量和山地、旱地、水田的表层土壤有机碳含量（表1、表2）。4.1 土壤表层有机碳密度时空分布根据公式2和公式3计算土壤表层有机碳含量（表1、表2）。在ArcGIS9.3的进行克里格空间插值生成 1982年和2007 年翁源县表层的土壤有机碳密度图（图4、图5）。由图4、图5显示，研究区土壤表层有机碳密度西北部铁龙林场和新江镇、南部周陂镇和龙仙镇西部、官渡镇东部地区有机碳密度较其它区域大。图3 土壤采样点分布Fig.3 Distribution of sampling points811第35卷 第4期资 源 科 学http:/25a来总体上翁源县土壤表层有机碳密度含量空间分布格局没有大的改变，原来的高值区域仍然保持较高的含量，而低值区域仍然在区域中表现出较低值。但其中也有部分变化，西北部地区总体上土壤表层有机碳密度明显的减少，北部、东北部和南部地区有所减少，西南官渡镇部分地区和东部龙仙镇部分地区有所增加。25a来翁源县土壤表层平均有机碳密度和有机碳储量总体有所减少。1982年全县土壤表层平均有机碳含量为 5.34kg/m2，有机碳总储量 163.48t；2007年表层平均有机碳含量为5.02kg/m2，有机碳总储量为149.83t。与全国平均值相比，25a来土壤表层有机碳含量均接近全国平均值7。从土壤类型来看，1982 年土壤表层有机碳储量最大的是红壤（96.42t），其次是赤红壤（48.06t），最小的是菜园地（0.06t），各土类的有机碳储量大小与面积大小有较强的相关性。2007年水稻土有机碳储量超过赤红壤位居第二，其它各土类有机碳储量大小排列不变，这是水稻土有机碳密度剧烈上升所致的。25a来翁源县土壤表层有机碳密度变化幅度差异较大。1982 年土壤表层有机碳密度最大值为9.13kg/m2，最小为0.19kg/m2，变化幅度为8.94kg/m2；而2007年土壤表层有机碳密度最大值为19.58kg/m2，最小值为0.2kg/m2，变化幅度为19.38kg/m2，幅度较大。从土壤类型看，1982年土壤表层有机碳密度紫色土和赤红壤含量最高，其次是红壤、水稻土和潮砂泥土；2007年最高值是水稻土，其次是潮砂泥土和红壤，而且水稻土的数值明显高于后两者。其中水稻土表层有机碳密度从1982年的7.45kg/m2上升到 2007 年的 19.58kg/m2，呈现出急剧上升的势态。紫色土和黑色石灰土有明显的下降趋势，分别下降了8.93kg/m2和3.88kg/m2。图4 1982年土壤表层有机碳空间分布图5 2007年土壤表层有机碳空间分布Fig.4 Distribution of organic carbon of topsoil in 1982Fig.5 Distribution of organic carbon of topsoil in 2007水稻土黄壤红壤赤红壤红色石灰土黑色石灰土紫色土菜园地潮砂泥土S（hm2）16 5991.1614 8285.80115 9325.1253 6763.866 5891.751 2728.662 8154.07641.863676.291982年C7.452.407.968.920.384.409.130.197.23TC12.833.7296.4248.060.260.581.260.060.282007年C19.584.646.115.830.440.520.200.627.23TC33.967.2074.0632.680.640.070.060.180.99表1 不同土壤类型土壤表层有机碳含量Table 1 Soil organic carbon storage of different soil typein topsoil（kg/m2，t）表2 不同土地利用类型土壤表层平均有机碳密度Table 2 Average organic carbon density of differentland uses in topsoil（kg/m2）1982年2007年变化量山地7.3488505.560791-1.788060旱地17.32513916.442043-0.883100水田7.44685219.66239012.2155408122013年4月张正栋等：近25a珠江北江上游土壤表层有机碳储量变化及固碳潜力估算http:/从翁源县不同土地利用土壤表层平均有机碳密度来看（表2），1982年土壤表层有机碳密度平均值最大的是旱地，而且旱地明显高于水田和山地。2007年则最高值是水田，其次是旱地，而且水田和旱地数值明显高于山地。从变化量看，山地和旱地土壤表层平均有机碳密度略有减少，表现出“碳源”的效应。水田有较大幅度的上升，表现出“碳汇”的效应，与相关研究结果一致14，18。由图2显示，20世纪80年代到2010年间，翁源县耕地基本上沿着滃江流域分布，草地明显减少，大部分草地向耕地和建筑用地转化，尤其是滃江流域一带。对比土壤表层有机碳分布插值图和土地利用类型图（图2、图4、图5）可知，滃江流域（即耕地集中区）是土壤表层有机碳分布的相对高值区；图4和图5显示的新江镇西北部有局部的有机碳极值区，而这个极值区在图2显示的是耕地。可见，耕地是翁源县土壤表层有机碳分布的高值区，林地是相对低值区。翁源县农业以水田为主，旱地为辅，水田土壤类型主要是水稻土，旱地以山地黄壤、红壤、赤红壤为主。而前面分析得翁源县土壤表层有机碳密度水稻土含量最高，黄壤、红壤、赤红壤次之，这就说明各土地利用类型的土壤表层有机碳密度分布特征大体上是与土壤类型的表层土有机碳分布特征一致的。4.2 土壤表层有机碳增加潜力根据最大值法，参考相关文献14的做法，为减少极值误差，去掉大于 99.5累积频率对应的含量值，再将去掉极值后的最大值作为该土类有机碳含量的最大值，每个实测数据与最大值之差视为该点有机碳的增加潜力。计算得到各土类的表层土的平均有机碳密度增加潜力，再根据各土类面积计算得到各土类表层土有机碳储量的增加潜力，计算结果见表3。由表3可知，翁源县总固碳潜力是59.52t，各类土表层土固碳潜力最大是紫色土，其次是红壤，第三是红色石灰土，最小的是菜园地，而且排第一、第二的比后面的第三的明显高出20t左右，说明各土类表层土固碳潜力差别较大。对比土地利用类型（图2）和土壤表层固碳潜力（图6），固碳潜力高值区主要是西北、中部和东北部，大致与耕地分布一致，尤其是滃江流域一带。林地和草地地区固碳潜力相对较少。对比翁源县土壤表层有机碳分布（图4和图5）和固碳潜力分布（图6），20世纪80年代到2010年间，西南官渡镇部分地区和东部龙仙镇部分地区土壤有机碳有所增加，与图8中的固碳潜力分布显示的一致，说明该估算方法具有一定的参考价值。5 结论翁源县土壤表层平均有机碳密度与全国平均值接近，有机碳相对高值区主要为滃江流域和其他耕地地区。不同类型土壤有机碳密度变化幅度差异较大。山地和旱地土壤表层平均有机碳密度略有减少，表现出“碳源”的效应；水田有较大幅度的上升，表现出“碳汇”的效应。各类土表层土固碳潜力最大是红壤，其次是紫色土，第三是红色石灰土，最小的是菜园地，而且排第一第二的比后面的第三图6 翁源县土壤表层固碳潜力分布Fig.6 Distribution of topsoil carbon sequestration potential of Wengyuan类型固碳潜力（t）水稻土1.871黄壤1246红壤19.190赤红壤4.178红色石灰土4.722黑色石灰土0.720紫色土25.020菜园地0.280潮砂泥土2.300表3 翁源县土壤表层有机碳增加潜力Table 3 Topsoil carbon sequestration potential of Wengyuan813第35卷 第4期资 源 科 学http:/的明显高出20t左右，各土类表层土固碳潜力差别较大。固碳潜力高值区主要在滃江流域一带，且部分高值区与有机碳密度分布所显示的高变化值一致，说明该估算具有一定的参考价值。本文基于翁源县第二次土壤普查数据和农业测土配方数据，充分利用ArcGIS工具作为辅助工具，在分析土壤表层有机碳储量时空变化的基础上进一步探讨土壤表层固碳潜力。在探讨和分析过程中围绕土壤类型、土地利用方式两个角度展开，同时探讨土壤表层有机碳储量时间和空间上的分布特征。在分析土壤表层有机碳储量时空分布的基础上，各类型土壤和不同土地利用条件下不同土壤固碳潜力的变化是接下来可进一步深化的问题。参考文献（References）：1 程先富，谢勇.基于GIS的安徽省土壤有机碳密度的空间分布特征J.地理科学，2009，（4）：540-544.2 唐国勇，彭佩钦，苏以荣，等.洞庭湖区不同利用方式下农田土壤有机碳含量特征J.长江流域资源与环境，2006，15（2）：219-222.3 王淑芳，王效科，欧阳志云.密云水库上游流域土壤有机碳和全氮密度影响因素研究J.环境科学，2012，（3）：276-281.4 北江.百度百科EB/OL.http：/ 翁源县地方志编纂委员会.翁源县志M.广东：广东人民出版社，1997.6 文雅，邓南荣，刘晓南，等.粤北山区近25年来耕地表层土壤有机碳变化分析J.生态环境学报，2011，20（8）：1247-1252.7 Guohan Song，Lianqing Li，Genxing Pan，et al.Topsoil organiccarbonstorageofChinaanditslossbycultivationJ.Biogeochemistry，2005，74（1）47-62.8 许信旺，潘根兴，曹志红，等.安徽省土壤有机碳空间差异及影响因素J.地理研究，2007，26（6）：1077-1086.9 文雅，邓南荣，刘晓南，等.粤北山区近25年来耕地表层土壤有机碳变化分析J.生态环境学报，2011，20（8）：1247-1252.10金峰，杨浩，蔡祖聪，等.土壤有机碳密度及储量的统计研究J.土壤学报，2001，38（4）：522-528.11 罗怀良，王慧萍，陈浩.川中丘陵地区近25年来农田土壤有机碳密度变化以四川省盐亭县为例J.山地学报，2010，（2）：212-217.12覃章才，黄耀.基于模型的农田土壤固碳潜力估算J.中国科学（生命科学），20107）：658-676.13徐胜祥，史学正，赵永存，等.不同耕作措施下江苏省稻田土壤固碳潜力的模拟研究J.土壤，2012，（2）：253-259.14张秀芝，赵相雷，李宏亮，等.河北平原土壤有机碳储量及固碳机制研究J.地学前缘，2011，18（6）：41-55.15栾文楼，宋泽峰，李随民，等.河北平原土壤有机碳含量的变化J.地质学报，2011，85（9）：1528-1535.16汪景宽.辽宁省农田土壤有机碳动态变化及固碳潜力估算D.沈阳：沈阳农业大学，2011.17王玮，邬建国，韩兴国.内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算J.应用生态学报，2012，（1）：29-37.18Yanyan Yu，Zhengtang Guo，HaibinWu，et al.Spatial changes insoil organic carbon density and storage of cultivated soils inChina from 1980 to 2000J.Global Biogeochemical Cycles，2009，23，GB2021，doi：10.1029/2008GB003428.8142013年4月张正栋等：近25a珠江北江上游土壤表层有机碳储量变化及固碳潜力估算http:/Variations in Soil Organic Carbon Storage and the Potentialfor Carbon Sequestration by Topsoil Over 25 YearsZHANG Zhengdong，YANG Chunhong（School of Geography,South China Normal University,Guangzhou 510631，China）Abstract:Here,we analyze the storage quantity of organic carbon and the temporal and spatialdistribution of topsoil in North River upstream of the Pearl River in the town of Wengyuan usingArcGIS9.3.We found that the average soil organic density of the town of Wengyuan is almost closeto the average level of organic density nationwide,and has been in decline.The increase in thecarbon density of paddy soil is larger than for other soil types.The mean soil organic density ofmountain land and dry land had been decreasing.The high value region,which has a high organiccarbon density,is located in the northwest of the town of Wengyuan and the Wengjiang Rivervalley.The developing potential of carbon sequestration of purple soil is the greatest,while thedeveloping potential of carbon sequestration of the vegetable garden is smallest.The high-valuedregion with the developing potential of carbon sequestration of topsoil is mainly located in theWengjiang River valley and some other cultivated areas.These findings provide some reference forholding regional agriculture activity and forming agricultural policy and analyzing carbon balance.Key words：Soil organic carbon；Temporal and spatial distribution；Potential of carbonsequestration；The Pearl Rive815