全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
〔 , , 一
环渤海地区土壤有机碳库及其空间分布格局的研究 ‘
刘国华
‘ ’
傅伯杰 吴 钢 段桂兰
中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室 , 北京
摘要 土壤碳库的研究和管理以及土地利用变化对土壤碳库的影响已成为全球变化研究中的核心 内
容 本文利用第 次土壤普查时环渤海地区 个土壤剖面资料 , 对该地区 土壤有机碳库进行 了估算
结果表明 , 整个环渤海地区 深的土壤有机碳库为 进一步分析该区域各土壤类型的有机碳库
发现 , 棕壤的有机碳库最大 , 占该区域总有机碳库的 , 其次为潮土 , 占 , 风沙土和暗棕壤的土
壤有机碳库则很小 , 仅占 以下 对不同土壤类型 的碳密度 比较发现 , 沼泽土的碳密度最高 , 为
一 , 其次是暗棕壤 , 为 一 “ 而风沙土的碳密度最低 , 为 一 , 再次是盐土 , 为
· 一 “ 可见土地风沙化和盐碱化将极大地降低土壤的有机碳 此外 , 该地区表层土壤 中的碳储量
为 , 即约占总碳储量三分之一的土壤碳易受人类活动的影响 该地区土壤有机碳的水平分布
主要为沿海地区 、 平原地区 、 西北部地区和山地丘陵区 个区域 , 其碳密度由大到小依次为山地丘陵区 森
林 西北部地区 农牧区 平原地区 农业 沿海地区 裸地 其分布规律不仅在一定程度上体现 了气
候和地形等因素的作用 , 而且充分反映了不同人类活动强度对土壤有机碳的影响 因此 , 加强该区域土地
的保护和管理对于维护土壤有机碳和土地的持续利用极其重要
关键词 土壤有机碳库 土壤碳密度 空间分布格局 环渤海地区
文章编号 一 。 一 一 中图分类号 文献标识码
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一
引 言
土壤有机质是影响土壤中养分的储存与供应 、
土壤结构的稳定性与坚实度
、 土壤持水力 以及土壤
生物 如菌根和固氮菌等 生长的主要 因子 , 因而作
为评价土壤肥力和土地持续利用的主要指标之一 ,
土壤有机质长期受到农学界的关注 近几十年来 , 土
壤有机碳又被赋于新的 内容 , 即与全球变化紧密联
系在一起 , 从而 引起更为广泛 的关注 , ‘ 〕作为大
气中的 源汇交错地 , 土壤是全球陆地系统中一
个最为重要的碳库 , 其碳储量约为 , 占全
球整个陆地有机碳库的 , 几乎是大气中碳储量
的 倍 ” 由此可见 , 即使其轻微的变化也足以引
起大气中 的极大改变 尤其是人类活动的加强
加速 了土壤有机碳库流失的速率 , 从而增加了大气
‘ 国家重点基础研究发展规划项 目
一 和中国科学院
知识创新工程重大资助项 目
一 一 一
“ 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
应 用 生 态 学 报 卷
中的温室效应 , 导致全球气候变化 反之 , 全球气候
的变化又可能进一步加强土壤有机碳的释放 , 进而
加剧全球的增温效应
土壤有机碳库的影响因素较多 在 自然状态下 ,
土壤有机碳库的动态变化主要取决于植物凋落物的
归还量和枯枝落叶的分解速率以及土壤生物的呼吸
速率和土壤表层的流失量 当前者的量大于后者时 ,
土壤有机碳库呈增加趋势 反之
, 土壤有机碳库则减
少 由于人 口 的增加以及人类活动的加强 , 自然界受
到人为的干扰越来越严重 , 尤其是土地利用和覆被
的变化极大地影响了土壤中有机碳库的储量 例如 ,
当森林转化为草地或农 田时 , 可能造成原有土壤系
统中大量的有机碳的流失 而 当农 田弃耕或荒芜而
向草地 、灌木和森林转化时 , 土壤系统中的有机碳则
可能会呈增加的态势 此外 , 在农业活动中 , 农 民为
了提高粮食产量 , 通常大量地使用肥料 , 也可能增加
土壤中的有机碳含量 另一方面 , 土壤的耕作则又会
改变土壤结构 , 从而增加土壤生物的呼吸速率 , 导致
土壤有机碳库的减少 目前 , 土地利用变化被认为是
继化石燃料燃烧后大气 中 浓度增加 的第二大
来源〔’ 由此可见 , 土壤碳库及其动态变化是人们
关注的重点【“
, ‘“
研究地区与研究方法
研究地区概况
以环渤海地区为研究对象 包括北京
、 天津 、 河北
、 辽 宁
和山东二市三省 的 个地级行政单位 , 个县级行政单
位 , 面积 “ , 约占全国总面积 的 , 人 口 约为
。。万 , 占全国总人 口 的 该 区域属温带气候类型 ,
自然植被稀少 , 多为次生林 区域内地带性土壤以棕壤和褐
土为主 , 暗棕壤只在辽 宁有少量分布 , 此外还有水稻 土 、 潮
土 、 风沙土 、盐土 、 草甸土和 沼泽土等非地带性土壤分布 该
区域是我国近年来继珠江三 角洲和长江三角洲后又 一个经
济快速增长区 由于经济的发展 , 该区 的土地利用格局变化
较大 , 尤其是城市化扩展过程较快 , 因此该区域的土地利用
变化对土壤碳库的影响相对较大 此外 , 该区域农业生产的
历史悠久 , 农业用地所占的份额大 , 是研究农业生产活动对
土壤碳库影响的典型区域 该区域三面环绕渤海 , 海拔较低 ,
是我国有可能受未来全球气候变化 如海平面上升等 潜在
影响较严重的区域之一 总体来说
, 该区域土地利用变化格
局对土壤碳库和碳动态的影响是研究我国土地利用变化对
大气环境影响的一个缩影 , 可为我国土地的可持续利用以及
未来气候变化情形下土地利用模式提供参考
研究方法
研究资料 全球和区域尺度上土壤碳库的估算一直
被关注 , 但由于不同研究者间所用的数据来源不同 , 其估算
的结果往往出现很大差异 因此 , 如何利用更为详细的资料
来提高其精度是问题的关键 , 也是进一步深人研究的基础
而国家和区域尺度上土地资源清查提供了更为详尽和可靠
的资料 本文收集了我国在 世纪 年代末和 年代初
进行的第 次土壤普查时有关整个环渤海地区所有县 、 市的
土壤普查资料 各个土壤类型的典型剖面的理化资料 , 如土
壤深度
、
每层的有机质含量和土壤容重等 、 各土壤类型的面
积以及各县 、 市的土地利用格局等 在此基础上 , 共筛选出
个比较完整的各类土壤剖面资料 , 以其作为计算土壤
碳库的参数
,
此外 , 各土壤类型 的面积还通过在全国
万土壤类型分布图中提取该区域的信息进行核实和订正
研究方法 土壤有机碳库的计算方法主要有两种 一
是按不同生态系统类型的分类进行计算 , “ 〕二是根据不同
的土壤类型进行计算 ,
, ‘ ·‘, ‘ 〕这两种方法各有利弊 , 前
者考虑到不同的生态系统类型对土壤碳库的影响 , 但忽略了
同一生态系统中不同土壤类型所产生的土壤碳含量的差异
而后者在关注同一土壤类型的同时 , 却忽略了在同一土壤类
型中不同生态系统对有机碳的输人不同而产生的碳含量的
差异 总体而言 , 在区域尺度上 , 如果在同一土壤类型中生态
系统类型较为单一 , 则往往采用后者以利于提高估算精度
文中对土壤碳库的推算按不同的土壤类型进行 首先 根据
土壤普查资料建立各土壤类型剖面资料的数据库 其次 , 依
据这些剖面资料利用加权平均的方法计算出不同土壤深度
层的有机质含量和土壤容重 然后利用式 计算出不同土
壤类型的土壤有机碳库 最后得出各土壤类型有机碳库的总
和 , 即本区域土壤的总碳库
〔天了 火 只 义刀才 火 工如
式中 , 义芜 为土壤有机碳 ‘ 为不 同土壤类型
的面积 为土壤深度 , 及扒了为不同土壤深度中土壤
有机质的含量 注 为不同土壤深度中的土壤容重 ’
一 为土壤有机质转化为土壤有机碳的转换系数
结果与讨论
环渤海地区各土壤类型的有机质含量
传统土壤有机碳库的计算是根据不同土壤类型
的平均土壤深度 、 平均有机质含量 、 平均土壤容重得
出陈 ‘“ 〕, 但易导致对土壤碳库估算的精度 相对较
差 这主要是因为土壤有机质随土壤深度的变化而
存在较大的差异 , 而这一方法有可能使不同土壤深
度层之间的差异变小 , 从而降低了估算的精度 因
此 , 为了提高对土壤有机碳库计算的精度 , 将 深
的土壤划分为 一 表层 、 一 心土层 和
一 底土层 个层次进行土壤有机碳库的计
算 但是在不同的剖面资料中 , 其分层不一定与本文
所分的层次相一致 因此 , 在计算过程中遵循以下两
个原则 应根据其实测数据在不同层次中所 占的
份额进行综合 , 如某一剖面可能分为 一 、 巧 一
期 刘国华等 环渤海地区土壤有机碳库及其空间分布格局的研究
、 一 和 一 等 , 那么 , 一 的有
机质含量为 〔 一 、中的有机质含
量 〕 〔 一 中的有机质含量 ,
以此类推 , 计算出 一 和 一 深度 中的
土壤有机质含量 每个地 区的土壤实际深度可能
不一致 , 如果土壤实际深度小于 , 则实际深度以
下部分的有机质含量被认为是零 因土壤母质 中的
碳主要以无机碳的形式存在 , 而土壤实际深度大于
的 , 则按 计算 土壤容重的计算与此相 同
根据该地区第 次土壤普查时 个土壤剖面的
资料 , 利用上述方法 , 计算出每一个土壤剖面各层的
土壤有机质含量 尔后 , 对相同土壤类型同一层的土
壤有机质进行相加 , 取其平均值 , 得出各土壤类型不
同深度层的土壤有机质含量和土壤容重 表
表 环渤海地区各土绷类型不同土嫂深度有机质含量和土坡容重
《
·
· 一
土壤类型 土壤有机质含量
乳一 一 一 们飞 一
〕
暗棕壤
劝一
棕 壤 、 二,
褐 土 们旧。 介 刻
潮 土
草甸土 由 刘 ‘
沼泽土 助 ,
水稻土
风沙土
印
盐 土 阮
根据表 各土壤类 型 中的各个要 素 , 利用 式
可 以计算 出环渤海地 区各土壤类型 的有机碳
库 , 结果列于表
表 环渤海地区各土坡类型的面积 、 土坡碳库及碳密度
孟 , 劝 侧泊 三 加 即 盛
土壤类型
阮一
面积 百分比 土壤碳库 百分比
罗阮一 比
习
土壤碳密度
乳
,
· 一
,
之‘月崎八吕巧丁场以棕 壤 劝 ,
褐 土 、
潮 土 、 ,
暗棕壤
草甸土
沼泽土 肠 、
水稻土
盐 土 阮
风沙土 卜 盆日 。【
湖泊等 ,
总 计
,
,
由表 可见 , 土壤有机质的含量 随着土壤深度
的增加而减少 , 但不 同的土壤类型其减少的幅度存
在较大的差异 在该地 区 的 个土壤类型 中 , 暗棕
壤 、棕壤和褐土中土壤有机质随深度的变化较大 , 心
土层 中的 有机质分别 比表层 中的减 少 、 和
, 而底土层中的有机质则分别比表层 中的减少
、 和 , 沼泽土土壤有机质的变化较小 , 心土
层仅比表层减少 , 在其它土壤类型 中 , 心土层 中
的有机质一般比表层减少 一 左右 , 底土层
则减少 一 左右 土壤容重随土壤深度的变
化则与土壤有机质的情况相反 , 随土壤深度的增加
而加大 , 但其变化的幅度很小 总体而言 , 在该地 区
所有土壤类型中 , 沼泽土和暗棕壤的有机质含量相
对较高 , 但其土壤容重较小 风沙上和盐土的有机质
含量相对较低 , 但其土壤容重则相对较大 , 其余的土
壤类型则介于两者之间
环渤海地区土壤有机碳库
由表 可见 , 整个环渤海地 区的土壤有机碳库
为 , 平均碳密度为 ’ 一 “ , 然而 , 与
其面积在全 国所 占的百分比 约 占 相 比 , 其
碳储 量 仅 占 全 国 土 壤 总 碳 储 量 的 一
,
“, , ’“ 由此可见 , 该 区域土壤有机碳库远低
于全国的平均水平 造成这一结果的原因 该区域
多为海拔较低的平原地区 , 区域内自然植被较少 , 尤
其是森林覆盖率很低 , 因此导致土壤有机碳的输人
减少 , 使土壤有机质的含量降低 , 有关研究也表明当
草地和 森林转化为农 田 时 , 其土壤有机质将减 少
一 〔“ , 该区域农业生产的历史悠久 , 土
地资源开发较为严重 , 土壤有机质受人类活动的影
响较大 , 可能导致土壤大量有机碳的流失 如水土流
失及 释放等 由于 土地的长期耕作 , 可能导
致上壤质地的改变 , 致使土壤有机质含量的减少 , 如
等 ‘ 研究表明 , 耕作会改变土壤的物理性
质 , 增加土壤中的空气含量 , 从而提高土壤有机质的
活性 , 使之易于 以 的形式排放而减少
此外 , 对各土壤类型的碳储量进行比较发现 , 在
该区域内棕壤的有机碳储量最大 , 为
, 约占整个区域内总有机碳储量的 , 其次是
潮土 , 为 , 占该区土壤总有机碳储量的
这两 种土壤类型共 占整个 区域碳储量 的
, 与它们在该区域内所占面积的比重相符 约
占该区总面积 的 而风沙土和暗棕壤的有
机碳储量则较小 , 分别是 和
·
,
仅占 但 土 壤碳 密度却是 沼 泽 土 最 大 , 为
· 一 , 其次是暗棕壤 , 为
· 一 “ 风
沙土和盐土 的土壤碳密度则较低 , 分别为 和
应 用 生 态 学 报 卷
’ 一 “ 由此可见 , 土地风沙化和盐碱化将极
大地降低土壤有机碳的含量
土壤有机碳库的空间分布格局
土壤有机碳的垂直分布格局 土壤有机碳的
空间分布包含两方面的内容 , 一是指其随土壤深度
的变化 , 即垂直方向上的分布 另一是指其随不同地
理位置上的变化 , 即水平方向上的分布 土壤有机碳
空间分布的研究对模拟农业耕作对 土壤有机碳影
响〔“ 、评估土壤侵蚀 对土壤有机碳 的影响〔‘“ 〕以及
营养元素的生物地球化学循环 的模型模拟〔‘’ 等方
面的研究具有重要意义
在不同的土壤深度层 , 由于其物理性质和有机
碳含量不同 , 其对全球碳循环的贡献也有差异 表层
土壤由于具有温度相对较高 、通气状况较好等条件 ,
其土壤有机碳往往表现出更加具有活性 、 周转速率
快等特性 此外 , 人类的影响也主要集中在表层土壤
中 , 如耕作 、水土流失等 因此 , 表层土壤的有机碳对
全球碳循环以及温室气体排放的贡献更大 , 也更易
于受到人类活动的影响 随着土壤深度的增加 , 土壤
有机碳也更加稳定一些研究表明
, 土壤有机碳的年
龄随土壤深度的增加而增加
, ‘ 】, 可见深层土壤有
机碳的惰性相应更大 因此 , 研究土壤有机碳随土壤
深度分布对于进一步了解不同深度层中碳的动态变
化及其对
一
全球碳循环和温室气体浓度的影响具有重
要意义
表 是环渤海地区各土壤类型土壤有机碳随深
度的分布
,
结果表明 , 该地 区各土壤类型 中表层 耕
层 土壤 。一 的有机碳储量约占其各 自总碳
储量的 一 、 心土层 一 约 占 、 底
土层 一 约 占 一 就整个环渤海
地区而言 , 表层 、 心土层和底土层的土壤有机碳库分
别为 、 和 , 分别占该地区土
壤总碳储量的 犯 、 和 由此 可见 , 在
表 不同土壤类型中土壤有机碳随土壤深度的分布
该地区将近有 的土壤有机碳易受人类活动的影
响 因此 , 加强该地区的土地管理和合理利用一方面
可以减少土壤有机碳以 的形式向大气中释放 ,
缓解大气中温室气体浓度的上升 另一方面可维持
土壤肥力 , 保持土地质量 , 使土地达到可持续利用
土壤有机碳的水平分布格局 在全球或国家
尺度上 , 土壤有机碳的水平分布取决于大的气候因
素 、植被类型 、 土壤类型和母质以及地形 、 地貌等条
件 土壤有机碳在水平方向上的分布格局对宏观尺
度上的土地利用和管理具有指导意义 研究表明 , 环
渤海地区土壤有机碳密度的水平分布大致分为 个
区域 图 沿海地区低碳密度区 主要位于环渤
海沿海地区 , 是海陆相互作用的主要区域 土壤类型
以风沙土为主 , 碳密度为 。一
· 一 “ 华北
平原和辽河下游平原区 该区主要包括海河平原 、 黄
河下游平原及辽河下游平原 , 是环渤海地 区的主要
农业区 , 土壤类型以褐土 、 潮土 、 水稻土等为主 , 土壤
有机碳密度为 一
· 一 “ 环渤海西北部
区 主要包括河北坝上的小部分 , 所 占比例很小 , 为
环渤海地区的农牧交错区 土壤类型以褐土为主 , 土
壤有机碳密度为 一
· 一 胶东半岛 、 辽
东半岛和燕山山脉山地丘陵区 是环渤海地 区的主
要农业 区 , 也是环渤海地区森林植被的主要分布区
土壤类 型 以 棕壤 为主 , 土壤有 机碳密度 为 一
· 一 总体来说 , 环渤海地区土壤有机碳的
水平分布在一定程度上反映 了气候 、 地形等因素的
作用 , 但主要体现的应是人类不 同活动程度下土壤
有机碳的分异规律 , 如该地 区的土壤有机碳密度的
大小表现为山地丘陵区 森林 西北部地 区 农牧
区 平原地区 农业 区 沿海地 区 裸地 因此 ,
其水平分布格局可为该区域的土地利用和管理以及
如何有效维持区域土壤有机碳提供理论依据
介 一
土壤类型
弘
土壤有机碳 阮 啥。 , 比
一 一 一
土壤碳密度 , 肠。
· 一
一 一 一
棕 壤 , 、
褐 土
,
潮 土 ,
暗棕壤 、
,
草甸土 、‘
沼泽土 召 、 ,
水稻土 、
盐 土 刃 、
风沙土 犷 、
总 计 屯 一 琴
·
之一 互盛卫 一 旦卫 卫迎 一丝卫一一鱼旦旦一卫卫色一一立卫一
期 刘国华等 环渤海地区土壤有机碳库及其空间分布格局的研究
规律在一定程度上体现 了气候和地形 的作用 , 反映
了不同人类活动强度对土壤有机碳的影响
参考文献
土壤碳密度
·
,
‘
一
图 环渤海地区 深土壤碳密度分布图
一
、
结 论
环渤海地区 深土壤的总有机碳储量为
, 仅占全国土壤有机碳储量的 一
在该区域中 , 棕壤的土壤有机碳储量最大 , 为
, 约 占该区总碳储量的 其次
是潮土 , 为 , 占 , 与其面积在该
区所 占的比重相一致 而风沙土和暗棕壤的土壤有
机碳储量则很小 , 分别为 和 , 仅 占
在该地区所有土壤类型中 , 沼泽土的碳密度最
大 , 为
· 一 , 其次是暗棕壤 , 为 ’
一 , 而 风 沙 土 的土壤碳 密度 最 小 , 为 ’
一 ’, 其次是盐土 , 为
· 一 之 由此可见 , 土地
的风沙化和盐碱化将极大地降低土壤有机碳的含
量 其余各类型的碳密度介于二者之间
该地区土壤有机碳库的分布格局在垂直方 向
上 , 随土壤深度的增加而增多 , 表层 、 心土层和底土
层的土壤碳库分别为 、 和 ,
分别 占该 地 区 土 壤 总 碳 储 量 的 、 和
土壤有机碳在水平方向上
‘
的分布可分为沿
海地区 、平原地区 、 西北部地区以及 山地丘陵区 个
区域 其土壤有机碳密度的大小依次为山地丘 陵区
森林 西北部地区 农牧区 平原地区 农业
沿海地区 裸地 由此可见 , 土壤有机碳的水平分布
, ,
” 肠以 凡巧 ,
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塔 卿 命 亡愁 地理研究
, 一
昌卿圈哪
作者简介 刘国华 , 男 , 年生 , 副研究员 主要从事碳循
、 全球变化和植物生态学等方面的研究 , 发表论文 余
一 , 一
环篇