全 文 ：基于 1∶100 万土壤数据库的中国土壤
有机碳密度及储量研究 3
于东升 3 3 　史学正　孙维侠　王洪杰　刘庆花　赵永存
(中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 ,南京 210008)
【摘要】　基于中国 1∶100 万土壤数据库 ,利用土壤有机碳储量和碳密度的空间化表达和计算方法研究中
国土壤有机碳密度及储量. 土壤空间数据库包含 926 个土壤类型单元 ,690 个土属类型 ,94 000多个图斑 ;
土壤属性数据库收录了7 292个全国各类型土壤的剖面数据 ,包括 81 个土壤属性字段. 研究采用“土壤类
型 GIS连接法”实现土壤剖面有机碳密度与图形图斑连接 ,通过制图单元碳储量求和得出全国或者区域
碳储量 ,并利用面积平均法计算全国及各类型土壤的有机碳平均密度. 结果表明 ,中国的土壤面积共有
928110 ×104 km2 ,有机碳储量为 89114 Pg (1 Pg = 1015 g) ,土壤平均碳密度 9160 kg·m - 2 ,是目前与真值最
为接近的研究结果.
关键词 　土壤有机碳储量 　土壤有机碳密度 　中国土壤数据库
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 12 - 2279 - 05 　中图分类号 　S15316 ,S159. 2 　文献标识码 　A
Estimation of China soil organic carbon storage and density based on 1∶1 000 000 soil database. YU Dong2
sheng ,SHI Xuezheng ,SUN Weixia ,WAN G Hongjie ,L IU Qinghua ,ZHAO Yongcun ( S tate Key L aboratory of
Soil and S ustainable A griculture , Institute of Soil Science , Chinese Academy of Sciences , N anjing 210008 , Chi2
na) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (12) :2279～2283.
Based on 1∶1 000 000 soil database ,and employing the methods of spatial expression ,this paper estimated the
soil organic carbon storage (SOCS) and density (SOCD) of China. The database consists of 1∶1 000 000 digital
soil map ,soil profile attribution database ,and soil reference system. The digital soil map contained 926 soil map2
ping units ,690 soil families ,and 94 000 or more polygons ,while the soil profile attribution database collected
7 292 soil profiles ,including 81 attribution fields. The SOCDs of soil profiles were calculated and linked to the soil
polygons in the digital soil map by the method of“GIS linkage based on soil type”,resulting in a vector map of 1
∶1 000 000 China SOCD. The SOCS of the country or of a soil could be estimated by summing up the SOCS of
all polygons or the polygons of a soil ,and their SOCD were the SOCS of them derived by their areas. The esti2
mated SOCS and SOCD of the country was 89. 14 Pg (1 Pg = 1015 g) and 9. 60 kg·m - 2 ,respectively ,covered all
the soils with a total area of 928. 10 ×104 km2 ,which might be considered closest to the real value.
Key words 　Soil organic carbon storage , Soil organic carbon density , China soil database.3 中国科学院知识创新工程重大项目 ( KZCX12SW201219) 、中国科学
院知识创新工程领域前沿项目 ( ISSASIP0201) 、中国科学院知识创
新工程信息化建设专项 ( INF1052S) 和国家自然科学基金重大资助
项目 (30390080) .3 3 通讯联系人.
2004 - 12 - 31 收稿 ,2005 - 04 - 22 接受.
1 　引 　　言
土壤有机碳库 (SOC) 是陆地生态系统中重要的
碳库之一 ,对于温室效应与全球气候变化具有重要的
控制作用[17 ] . 世界各国对土壤的有机碳库储量及源
汇问题倍受关注 ,并积极开展研究[1～3 ,6 ,11 ,19～21 ] . 我
国在土壤有机碳库储量方面也取得许多研究成
果[4 ,5 ,8 ,13 ,14 ,18 ,24 ,28 ,30～33 ] ,但对中国土壤有机碳储量
研究结果从 50 Pg[16 ] (1 Pg = 1015 g) 到 180 Pg[7 ] ,相
差 3 倍多 ,主要是研究方法和用于研究的数据资料
基础不同、差异较大. 在诸多研究工作中 ,哪一种结
果更为可靠是学者们所关注的. 本文采用土壤有机
碳库储量较为普遍的研究方法 ,以最新建成的中国
1∶100 土壤数据库为基础 ,对我国土壤有机碳库储
量再次开展研究 ,以期望人们对我国土壤有机碳库
储量有更为清楚的认识.
2 　材料与方法
211 　数据资料
中国 1∶100 万土壤数据库由中国科学院南京土壤研究
所建成 . 该数据库由土壤空间数据库、土壤属性数据库和中
国土壤参比系统 3 部分组成 [22 ] . 其中 ,土壤空间数据库依据
全国土壤普查办公室 1995 年编制出版的《1∶100 万中华人
民共和国土壤图》,通过对土壤图进行数字化、图幅接边和编
应 用 生 态 学 报 　2005 年 12 月 　第 16 卷 　第 12 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2005 ,16 (12)∶2279～2283
辑后完成 ,基本土壤制图单元大部分为土属 ,共有 12 个土
纲 ,61 个土类 ,235 个亚类和 926 个土壤类型单元 ,94 000多
个图斑 (polygon) . 土壤属性数据库包含了土壤剖面描述数
据、土壤肥力数据和土壤化学数据 3 个子库 ,有剖面编码、土
壤类型名称、剖面地点、层次名称、土层深度、剖面厚度、容
重、有机质含量和石砾含量等 81 个属性字段. 该数据库中土
壤属性数据引自《中国土种志》(共 6 卷) 和全国各省 (直辖
市)土种志 ,共有 7 292 个各类型土壤剖面数据资料.
中国 1∶100 万土壤数据库中土壤属性数据与空间数据
库连接采用“土壤类型 GIS 连接法”,即利用 GIS 平台 ,根据
土壤类型一致与相似性、土壤成土母质相同或相近、土壤剖
面点位置与同类型土壤分布区域一致或邻近等原则 ,以县级
(市)行政区域作为基本控制区域 ,省 (直辖市)作为独立连接
对象 ,把土壤属性数据库中的一个个剖面数据与空间数据库
中每个对应的图斑单元合理地连接起来 ,建立土壤剖面号与
图斑 (polygon)号连接关系 ,从而实现土壤空间与属性数据库
的连接.
212 　研究方法
首先利用土壤属性数据库 ,计算全国 7 292 个剖面的土
壤有机碳密度. 土壤剖面有机碳密度的计算模型如下 :
S OC = ∑
n
i = 1
(1 - θi %) ×pi ×Ci × T i / 100
其中 , S OC为土壤剖面有机碳密度 ( kg·m- 2) ,θi 为第 i 层 >
2 mm砾石含量 (体积 %) , pi 为第 i 层土壤容重 (g·cm- 3) , Ci
为第 i 层土壤有机碳含量 (C g·kg- 1) , T i 为第 i 层土层厚度
(cm) , n 为参与计算的土壤层次总数. 土壤剖面有机碳密度
计算深度采用了土壤剖面的观察深度 ,但最大计算深度限于
1 m ,以利于同类数据的可比性. 对于土壤剖面自然深度超过
1 m ,但观测深度不足 1 m 的以下部分处理参见文献 [23 ] .
按照土壤剖面号与土壤图形数据图斑号的连接关系 ,将
土壤剖面碳密度与空间数据连接 ,制作中国土壤有机碳密度
分布图 ,并结合土壤制图单元图斑面积计算每个单元图斑的
土壤有机质碳储量. 最后通过求和统计确定中国土壤有机碳
储量 ,并按照土壤类型对土壤有机碳密度及储量进行统计分
析.平均土壤碳密度是利用同类型土壤碳储量除以该类型土
壤总面积计算得到.
3 　结果与分析
311 　中国土壤有机碳储量及密度分布
基于中国 1∶100 万土壤有机碳密度空间分布图
(图 1)的图斑 (polygon) 统计结果表明 ,图斑间的土
壤碳密度和碳储量差异十分突出 ,土壤碳密度最小
为 01143 kg·m - 2 、最大为 446125 kg·m - 2 . 我国土
壤面积共有 928110 ×104 km2 ,有机碳储量为 89114
Pg ,土壤平均碳密度 9160 kg·m - 2 . 其中有机碳密度
在 5～10、1～5 和 10～20 kg·m - 2的土壤面积分别
占 3118 %、2813 %和 1811 % ,大于 60 kg·m - 2的土
壤面积占 018 %(表 1) .
312 　土类土壤有机碳密度及储量
统计结果表明 ,泥炭土的平均有机碳密度最高 ,
为 14618 kg·m - 2 ;漂灰土和沼泽土其次 ,分别为
9 4129 kg·m - 2和49149 kg·m - 2 ;棕漠土和冷漠土
　
图 1 　中国土壤有机碳密度 (1 m)分布
Fig. 1 SOC density (1 m) in China.
表 1 　不同等级碳密度面积分布
Table 1 Area of different SOC density levels
碳密度 SOCD range (kg·m - 2)
< 1 1～5 5～10 10～20 20～40 40～60 60～100 > 100
合计
Total
面积 Area (104 km2) 96181 26216 29516 16811 8714 10104 4163 0129 928110
% 1014 2813 3118 1811 914 111 015 013 10010
0822 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
表 2 　土类土壤有机碳密度及储量清单
Table 2 SOC density and storage of soil groups
土　类
Soil group
碳储量
SOCS
(106 t)
碳密度
SOCD
(kg·m - 2)
土　类
Soil group
碳储量
SOCS
(106 t)
碳密度
SOCD
(kg·m - 2)
砖红壤 Laterite 38916 9123 石灰 (岩)土 Limestone soil 2086 13105
赤红壤 Crimson soil 1891 9115 火山灰土 Volcanic ash soils 46184 13176
红　壤 Red soil 6022 9158 紫色土 Purple soil 1254 5154
黄　壤 Yellow soil 2581 10151 石质土 Rocky soil 27917 1162
棕色针叶林土 Brown coniferous forest soils 2626 24174 粗骨土 Skeleton soil 84112 5115
漂灰土 Grey soil 10157 94129 草甸土 Meadow soil 4732 14143
黄棕壤 Yellow brown soil 2885 13112 砂姜黑土 Shajiang black soil 35312 7107
黄褐土 Yellow cinnamon soil 36510 6170 山地草甸土 Moutain meadow soil 10118 26191
棕　壤 Brown soil 3235 12181 林灌草甸土 Forest/ shrub meadow soil 14912 6163
暗棕壤 Dark brown soil 7154 18176 潮　土 Tidal soil 2245 6154
白浆土 Bleached beijiang soils 63415 14100 沼泽土 Bog soils 6995 49149
燥红土 Dry red soil 66105 9120 泥炭土 Peaty soil 76919 146176
褐　土 Cinnamon soil 2198 8125 盐　土 Solonchak soil 71119 6136
灰褐土 Grey cinnamonic soil 80010 13138 漠境盐土 Deserty solonchak soil 15516 5149
黑　土 Black soil 96614 15142 滨海盐土 Seashore solonchak soil 31611 10192
灰色森林土 Grey forest soil 93615 29138 酸性硫酸盐土 Acid sulphate soil 10135 27129
黑钙土 Chernozem 2259 16112 寒原盐土 Frigid solonchak soil 37145 4115
栗钙土 Chestnut2like calcic soil 4287 11106 碱　土 Alkali soil 27182 5133
栗褐土 Chestnut2like cinnamon soil 24610 5161 水稻土 Paddy soil 5089 11114
黑垆土 Drak calcic soil 16716 8161 灌淤土 Irrigated alluvial soil 14715 7121
棕钙土 Calcic brown soil 1106 4125 灌漠土 Irrigated desert soil 10711 9152
灰钙土 Sierozem 24417 5128 草毡土 Grass felt soil 7484 14179
灰漠土 Grey desert soil 24113 3160 黑毡土 Black grass felt soil 4563 18105
灰棕漠土 Grey brown desert soil 44111 1153 寒钙土 Cold calcic soil 4443 6108
棕漠土 Brown desert soil 28614 1115 冷钙土 Cool calcic soil 94116 6120
黄绵土 Yellow soft soil 72718 3198 棕冷钙土 Brown cool calcic soil 53185 6142
红粘土 Red clay soil 36152 5130 寒漠土 Cold desert soil 94155 3156
新积土 Recent deposited soil 24419 4167 冷漠土 Cool desert soil 3141 1121
龟裂土 Takyr soil 17153 3121 寒冻土 Cold frozen soil 78916 2164
风沙土 Wind sand soil 1241 1191
的平均有机碳密度最低 ,小于 115 kg·m - 2 . 有机碳
储量排位前 5 位的土壤为草毡土、暗棕壤、沼泽土、
红壤和水稻土 ,碳储量高于 510 ×109 t ,冷漠土最
少 ,为 3141 ×106 t (表 2) .
313 　亚类土壤有机碳密度及储量
统计结果表明 ,平均土壤碳密度大小排位前 5
位的是低位泥炭土、中位泥炭土、泥炭沼泽土、漂灰
土和高位泥炭土 , 分别为 15016、14519、10216、
94129 和 76185 kg·m - 2 ,而棕漠土、石膏灰棕漠土
和淡冷钙土的平均土壤碳密度最小 ,且都小于 1 kg·
m
- 2
. 暗棕壤、泥炭沼泽土和草毡土的土壤有机碳储
量很高 ,分别为 6 465 ×106 t 、5 378 ×106 t 和 5 099
×106 t ,龟裂碱土等 9 个土壤亚类的有机碳储量都
小于 1 ×106 t (表略) .
314 　土属土壤有机碳密度及储量
统计结果表明 ,属于土属类型单元 (polygon) 的
土壤面积达到 38814 ×104 km2 ,土壤总的碳储量为
28111 Pg ,平均土壤碳密度为 7124 kg·m - 2 . 平均土
壤碳密度最高的土属类型为冲积砂砾质湿草毡土
(12019 kg·m - 2) ,其次是麻砂质棕草毡土 (89158 kg ·m - 2) 、洪积砂砾质黄壤性土 (85101 kg·m - 2) 和壤质沼泽土 (71159 kg·m - 2) ;碳密度最低的土属类型为洪冲积砂壤质石膏盐盘棕土 (0130 kg·m - 2) ,其次为洪积泥砾质淡冷钙土和洪积砂砾质淡冷钙土(0139 kg·m - 2) . 在 690 个土属类型中 ,13 个土属类型的土壤碳密度小于 1 kg·m - 2 ,183 个土属碳密度间于 1～5 kg·m - 2 ,293 个土属碳密度间于 5～10kg·m - 2 ,120 个土属碳密度间于 10～15 kg·m - 2 ,35个土属碳密度间于 15～20 kg·m - 2 ,21 个土属碳密度间于 20～25 kg·m - 2 ,25 个土属碳密度大于 25kg·m - 2 . 土壤碳储量最高的土属为麻砂质暗棕壤(2 043 ×106 t ) ,其次依次是泥质红壤 (1 321 ×106t) 、壤质草甸土 (1 058 ×106 t ) 、泥质黄壤 (1 022 ×106 t ) 、麻砂质棕壤 ( 98613 ×106 t ) 、泥质黄红壤(86212 ×106 t) 、麻砂质红壤 (67213 ×106 t ) 和砂质草甸土 (53413 ×106 t) ;46 个土属碳储量间于 100 ×106～500 ×106 t 之间 ,共 10170 Pg ;463 个土属碳储量间于 1～100 ×106 t 之间 ,共 8185 Pg ;173 个土属碳储量间于 0101～1 ×106 t 之间 ,共 66161 ×106 t ,其中紫土质潮褐土最低为 0101 ×106 t (表略) .
182212 期 　　　　　　　　　于东升等 :基于 1 :100 万土壤数据库的中国土壤有机碳密度及储量研究 　　　　　　　　　　　
表 3 　中国土壤有机碳库研究结果列表
Table 3 Results of several studies on SOC storage in China
研究工作
Researchers
基础数据 Soil data
土壤图
Soil map
剖面数
Soil profiles
碳密度取值方法
SOCD valuation
面积
Area
(104 km2)
碳储量
SOCS
( Pg)
碳密度
SOCD
(kg·m - 2)
方精云 Fang J2Y[7 ] 1∶1000 万 (1978 ed . ) 725 面积加权平均值 944186 180 ±100118 19105
王绍强 Wang S2Q [25 ] 1∶400 万 (1988 ed . ) 236 Weighted mean value by area 925145 10183
王绍强 Wang S2Q [26 ,27 ] 2473 877163 92142 10153
金　峰 Jin F [9 ,10 ] 1∶400 万 (1988 ed . ) 3600 659198 81176 12139
1∶1000 万 (1978 ed . )
吴海斌 Wu H2B [28 ] 1∶400 万 (Unknown) 不详 Unknown 3 881181 7013 3 810 3
923 3 3 7714 3 3 818 3 3
潘根兴 Pan G2X[16 ] - 2500 剖面计算值
Calculated profile values
915 ± 50 ± 5146
解宪丽 Xie X2L [29 ] 1∶400 万 (2000 ed . ) 2456 中值或面积加权平均值 Mid2val2
ue or weighted mean value by area
924 ± 8414 9114
倪　健 Ni J [15 ] 10′经纬网格分别率的气候、土壤和植被数
据 ,基于平衡过程的陆地生物圈模型
(BIOME3) 方法 Climate , soil , and vegetation
data with 10′resolution in longitude and lati2
tude grids ,based on balance process terrestrial
biosphere model (BIOME3)
引 用 资 料 Cited from Zinke
(1984) ; Prentice (1993)
959163 119176 12148
李克让 Li K2R [12 ] 015°经纬网格分别率的气候、土壤和植被数
据 ,生物地球化学模型 ( CEVSA) 方法 Cli2
mate ,soil ,and vegetation data with 015°reso2
lution in longitude and latitude grids ,based on
biogeochemistry model (CEVSA)
碳储量/ 面积
SOC storage divied by area
901114 82165 9117
本研究 The present study 1∶100 万 (1995 ed1) 7292 剖面计算值Calculated profile values 928110 89114 91603 Present2day ; 3 3 Under non2cultivated condtions.
4 　讨 　　论
411 　基于不同基础数据研究的结果比较
在已有的研究工作中 ,最为详细的基础数据为
1∶400 万中国土壤图和 3 600 个土壤剖面数据. 与其
相比 ,本研究采用中国 1∶100 万数据库 ,土壤制图单
元类型从 235 个到 926 个 ,增加 3 倍 ;土壤图斑数由
3 090 个到 94 000 多个 ,增加 30 多倍 ;土壤剖面从
3 600个到7 292个 ,增加了 2 倍多. 基础数据资料差
异 ,首先导致了中国各类型土壤面积的统计研究结
果产生巨大差异. 在已有的研究工作中 ,土壤面积从
659198 ×104 km2 [9 ]到 944186 ×104 km2 [7 ] ,最大相
差 285 ×104 km2 ,这必然影响土壤有机碳储量研究
结果的准确性. 制图学的理论与方法表明了制图比
例尺越大 ,图形所反映的内容越详细 ,数据越准确.
所以 ,本研究利用的 1∶100 万土壤图研究计算出的
中国各类型土壤的面积也应是最为准确的 ,这为本
研究取得最为准确的碳储量研究结果提供了必要条
件. 其次 ,基础数据资料差异导致土壤有机碳储量研
究结果从 50 Pg[16 ]到 180 Pg[7 ] ,土壤有机碳密度从
5146 kg·m - 2 [16 ]到 19105 kg·m - 2 [7 ] ,最大相差 3 倍
多. 而本研究所利用的土壤剖面 ,无论是类型分布的
广度还是空间分布的密度 ,都远超过已有研究工作
的水平. 从地统计学理论与方法来看 ,这必然会对研
究结果接近真值的可靠性产生重大影响. 与同行研
究结果比较 ,王绍强[26 ,27 ]土壤碳储量研究结果与本
研究结果差距最小 ,但也相差 3128 Pg ;李克让[12 ]的
平均土壤碳密度研究结果与本研究结果最为接近 ,
相差 0143 kg·m - 2 . 除此以外 ,研究方法差异也是导
致研究结果差异的主要原因.
412 　基于不同方法的研究结果分析
在已有研究工作中 ,方精云[7 ] 、王绍强等[26 ,27 ]
和金峰等[9 ,10 ]的研究工作都以同类型土壤碳密度
的面积加权平均值作为各类型土壤有机碳密度 ,再
利用土壤类型图统计出的各类型土壤面积来估算土
壤有机碳总储量 ;吴海斌等[28 ]等利用同样的方法研
究了中国土壤有机碳库及其变化. 但他们的研究结
果差距较大 ,主要是应用的数据基础差异. 潘根
兴[16 ]则首先计算出各土种剖面的土壤有机碳密度 ,
然后利用各土种的面积统计资料来估算土壤有机碳
储量 ;解宪丽等[29 ]的研究是以同类型土壤剖面碳密
度中值作为二级类型各单元的土壤有机碳密度 ,以
二级类型单元的土壤有机碳密度面积加权平均值作
为相应的一级单元土壤有机碳密度 ;李克让等[12 ]则
利用 015°经纬网格分别率的气候、土壤和植被数据
驱动的生物地球化学模型 (CEVSA) 来进行估算 ;倪
健[15 ]基于 1∶400 万土壤植被图以及其它数据资料
利用模型 (B IMEO3) 也进行了估算. 而这些研究结
果产生差异的主要原因难以区分 ,是方法差异为主 ,
还是基础数据差异为主.
2822 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
除使用模型模拟估算方法外 ,已有研究工作中
多数采用了以同类型土壤碳密度的面积加权平均值
或中值作为各类型土壤有机碳密度 ,再利用土壤类
型图统计出的各类型土壤面积来估算土壤有机碳总
储量. 为此 ,本研究还分别以 GSCC 亚类和土类的土
壤类型为研究单元 ,以次一级类型的土壤碳密度的
面积加权平均值和中值分别作为各类型的土壤碳密
度值 ,再乘上同类型土壤的面积 ,得出各类型土壤的
碳储量. 结果表明 ,按“面积加权平均法”研究的土类
和亚类的土壤有机碳储量分别为 92151 Pg 和 93179
Pg ,按“中值法”研究的土壤有机碳储量分别为
72169 Pg 和 83147 Pg. 显然 ,碳密度“中值法”的研
究结果小于“面积加权平均法”的结果 ,可见研究方
法不同 ,即使是同样的数据基础 ,结果差异非常明
显. 而本文以“剖面计算值法”研究的土壤有机碳储
量 (89114 Pg) 居中 ,小于“面积加权平均法”但高于
“中值法”的研究结果. 直接以亚类为研究单元 ,各亚
类碳密度取值为属于同一亚类的所有剖面土壤碳密
度的算术平均值 ,得出的碳储量为 90175 Pg ,与
89114 Pg 的研究结果非常接近. 潘根兴[16 ]利用“剖
面计算值法”研究的土壤储量结果很低 ,主要在于各
类型土壤面积是根据统计资料得来的 ,各类型土壤
面积的误差较大是其中原因之一 ,虽然总的土壤面
积相差得不太多.
综上所述 ,中国土壤面积为 928110 ×104 km2 ,
土壤有机碳储量为 89114 Pg ,土壤平均碳密度为
9160 kg·m - 2的研究结果应该与真值最为接近.
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作者简介 　于东升 ,男 ,1966 年生 ,硕士 ,副研究员. 主要从
事土壤资源、土壤侵蚀、土壤遥感与信息系统等方面的研究 ,
发表论文 30 多篇. Tel :025286881272 ; E2mail : dshyu @issas.
ac. cn
382212 期 　　　　　　　　　于东升等 :基于 1 :100 万土壤数据库的中国土壤有机碳密度及储量研究