廣東韶關地區土壤有機碳儲量特征及其影響因素

李婷婷，陳 恩

（1.廣東省地質調查院，廣州510080；2.中國科學院南海海洋研究所 邊緣海與大洋地質重點實驗室，廣州510301；3.中國科學院大學，北京100049）

由于國際氣候談判及碳交易中對碳源、碳匯評價的客觀需要，碳循環問題日益受到人們的普遍關注[1-4]。土壤是陸地生態系統最重要的組成部分，碳在土壤系統中以有機碳和無機碳的形式賦存，其中無機碳相對穩定且占比較小，有機碳與大氣、生物等生態系統頻繁交換，所占比例較大，其儲量是大氣碳儲量的2倍[5]。有研究表明，土壤有機碳庫很小的變幅就會引起全球氣候較大的變化，在全球碳循環中扮演著重要的角色[6]。一方面，它是影響全球碳循環的重要流通方式，是應對全球氣候變化的重要途徑；另一方面，開展陸地土壤碳循環的研究對增加土壤碳截存，提高土壤質量，對退化土地的生態恢復及環境治理和保護具有重要的意義[7-10]。本文對廣東省韶關地區土壤碳密度及儲量進行估算，研究其空間分布特征，并結合1985年廣東省第二次土壤普查資料進行對比研究，對近34年來該區土壤有機碳密度的時空變化進行分析，為探討土壤碳儲量空間分布及變化規律提供了新途徑，為維護該區土壤質量和土地生產力提供科學依據。

1 區域概況與研究方法

1.1 研究區概況

韶關市位于廣東省北部，有廣東省北大門之稱，北接湖南，東鄰江西，地理坐標介于北緯23°53′～25°31′、東經112°53′～114°45′之間。全境東西跨度186.3 km，南北直線跨度約173.4 km。該區總體地勢北高南低，山巒起伏，中低山廣布。地貌以中低山為主，丘陵、巖溶準平原次之，局部為山前沖積平原和山間沖洪積平原。區內土壤主要可分為水稻土、紅壤、赤紅壤、黃壤、石灰土、紫色土等六類，其中紅壤分布面積最廣泛，其次是黃壤、水稻土和石灰土，其余類型土壤分布面積較小。全市土地利用現狀以農用地為主，面積1686011公頃，占土地總面積的91.7%。本區屬南亞熱帶濕潤型氣候大區，氣候具有潮濕、溫暖、多雨、雨季和旱季明顯等特點，年平均氣溫18.8～21.6℃；雨量充沛，多年平均降水量1682.3 mm，3～8月為雨季，其余月份為旱季。

1.2 樣品采集與分析

開展韶關地區土壤碳匯調查時，采用雙層網格化布點，采集表層和深層土壤樣品。采樣標準是：表層土壤采樣密度為1個點／（4-8）km2，采樣深度為0～0.2 m；深層土壤采樣密度為1個點／（16-32）km2，采樣深度為0～1.8 m，連續采集1.8 cm的土柱，但不采集基巖風化層。采樣以具有代表性為主要原則，兼顧空間分布均勻性和合理性，注意避開人為污染和近期搬運的堆積土。全區共計完成表層、深層土壤調查面積18412 km2，采集表層土壤樣3969件，深層土壤樣1023件。樣品測試由湖北省地質實驗測試中心承擔，測試過程采用了嚴格的質量控制：用于監控準確度和精密度的標準控制樣（國家土壤一級標準物質）中，各元素或指標合格率100%；實驗室內部檢查和異常點抽查檢查合格率大于90%；密碼抽查檢查合格率大于90%。

1.3 土壤碳儲量計算方法

土壤碳密度是指單位面積內（km2）一定深度土體中碳元素（包括有機碳和無機碳）的儲量（質量），單位一般為kg／m2或t／km2。土壤碳儲量是指一定面積內一定深度土壤的碳儲量（質量），一般用質量單位表示，常用單位有t、Gt、Pg等。分別計算表層（0-0.2 m）、中層（0-0.1 m）、深層（0-1.8 m）、底層（1.5-1.8 m）等不同層位土壤全碳、有機碳、無機碳儲量及密度。具體計算方法如下：

（1）土壤碳密度計算公式：

SCD＝D×ρ×C÷10

式中：SCD—土壤碳密度，單位為千克每平方米（kg／m2）；

D—土壤深度，單位為厘米（cm）；

P—土壤容量，單位為克每立方厘米（g／cm3）；

C—土壤碳含量，單位%；

10—單位換算系數；

土壤碳密度計算深度不同，土壤有機碳和無機碳含量取值不同：

D＝20 cm時，C為表層土壤碳含量（無機碳和有機碳）；

D＝100 cm時，計算公式：

D＝180cm時，有機碳含量計算公式：

式中：TOC表—表層土壤有機碳含量，%；

TOC深—深層土壤有機碳碳含量，%；

d1—10；

d2—深層土壤實際采樣深度，單位為厘米（cm）。

（2）單位土壤碳量

單位土壤碳量是指以4 km2為單位的范圍內，一定深度土體中的碳量。

單位土壤碳量計算公式如下：

USCA＝4×103×SCD

式中：USCA—單位土壤碳量，單位為噸（t）；

4×103—換算系數；

SCD—土壤碳密度，單位為千克每平方米（kg／m2）。

（3）土壤碳儲量

土壤碳儲量計算公式：

SCR＝Σi＝1nUSCAi

式中：SCR—土壤碳儲量，單位為噸（t）；

USCA—單位碳儲量，單位為噸（t）；

n—土壤碳儲量統計范圍內，單位土壤碳量的加和個數。

2 結果與討論

2.1 有機碳儲量及區域分布特征

2.1.1 不同土壤類型有機碳儲量特征

各土壤類型有機碳儲量統計結果見表1。調查區土壤有機碳主要分布于面積較大的紅壤，黃壤和潴育水稻土中。其中，紅壤中有機碳含量最多，分別為：表層（0-0.2 m）2.62×107t，中層（0-1.0 m）8.49×107t，深層（0-1.8 m）1.15×108t；各層有機碳含量占有機碳總含量的48%以上，說明調查區內紅壤具有較強的碳儲能力。對比各土壤類型有機碳密度的分布特征發現，不同土壤類型不同層位的有機碳密度差異較大，以深層有機碳密度最大，且有機碳密度分布不均勻。

2.1.2 不同母質類型有機碳儲量特征

調查區主要分布有火山巖、沉積巖、變質巖、侵入巖以及第四紀沖洪積物等母質類型的土壤，其有機碳儲量具體特征見表2。由表2可知，韶關地區不同母質類型的有機碳主要分布于花崗巖母質土壤、變質巖類母質土壤、砂頁巖類母質土壤分布區，而酸性火山巖類母質土壤中有機碳含量較少（主要是因為酸性火山巖類分布面積較少）。前三類母質土壤有機碳儲量占全區相應層位總有機碳儲量的66.49%。對比各母質單元土壤有機碳密度的分布特征發現，表層有機碳密度以酸性火山巖類母質土壤和變質巖類母質土壤最高；中層有機碳密度總體較高，其中變質巖母質土壤有機碳密度最高，達14.04 kg／m2，其次是酸性火山巖類、碳酸鹽巖類、花崗巖類母質土壤，有機碳密度介于12.19～13.96 kg／m2之間；各母質土壤深層有機碳密度以變質巖母質土壤最高，酸性火山巖次之，高于調查區深層土壤平均有機碳密度，其它母質土壤有機碳密度較低。綜上可知，不同層位有機碳儲量均以變質巖類、砂頁巖類和花崗巖類母質土壤最高，對調查區土壤有機碳貢獻較大。

2.1.3 不同地貌類型有機碳儲量特征

調查區不同地貌類型的土壤有機碳儲量見表3。從地貌類型角度分析可知，區內土壤有機碳主要分布于中山和丘陵地帶。其中，中山地貌區土壤有機碳儲量最大，所占比例分別為：表層（0-0.2 m）67.31%，中 層（0-1.0 m）67.73%，深 層（0-1.8 m）68.15%。平原地貌區土壤有機碳所占比例最小。對比各地貌單元土壤有機碳密度的分布特征發現，不同地貌單元土壤有機碳密度差異較大，其中表層有機碳密度以中山最高，低山次之，平原有機碳密度最低；中層有機碳密度大小排序為：中山＞低山＞丘陵＞平原，數值介于8.58～12.54 kg／m2之間；深層土壤有機碳密度分布特征與表層、中層相似。

2.1.4 不同土地利用類型有機碳儲量特征

調查區不同土地利用類型的土壤有機碳儲量特征見表4。調查區土壤有機碳主要分布于水田和林地中。這兩種土地利用類型不同層位有機碳儲量占全區對應層位有機碳總儲量比例分別為：表層（0-0.2 m）：43.62%、44.46%，中 層 （0-1.0 m）：43.75%、44.25%，深層（0-1.8 m）：43.86%、44.08%。表層土壤有機碳密度以草地、林地、耕地、園地最大，工礦倉儲用地有機碳密度較小；中層土壤有機碳密度較表層土壤大，介于9.42～14.38 kg／m2，其中有機碳密度最大為草地，最小的為工礦倉儲用地；深層土壤有機碳密度介于12.60～18.77 kg／m2之間，草地土壤中有機碳密度最高，工礦倉儲用地有機碳密度最低。

表1 韶關市不同類型土壤的碳儲量Table 1 Soil carbon reserves in Shaoguan（refer to soil type）

表2 韶關市不同成土母質土壤碳儲量Table 2 Soil carbon reserves in Shaoguan（refer to parent material type）

表3 韶關市不同地貌類型土壤碳儲量Table 3 Soil carbon reserves in Shaoguan（refer to geomorphological type）

表4 韶關市不同土地利用土壤碳儲量Table 4 Soil carbon reserves in Shaoguan（refer to land use）

表5 不同深度土壤碳密度與碳儲量Table 5 Carbon density and storage in soils at different depths

2.1.5 韶關地區土壤有機碳儲量及其空間分布特征

由表5可知，調查區內表層、中層、深層土壤碳儲量分別為5.94×107t、1.87×108t、2.68×108t，其中有機碳分別為5.45×107t、1.75×108t、2.35×108t，占相應層位總碳儲量的比例分別為91.81%、93.56%和87.8%，各層位有機碳占碳總儲量的比例與全國土壤水平相當。表層土壤（0-0.2 m）有機碳密度平均值為3.62 kg／m2，高于全國平均水平[11]，這與韶關地區多為中低山，林地與耕地面積較大，土壤有機質不易流失有較大關系[12-13]；底層土壤（1.5-1.8 m）碳密度平均值為1.53 kg／m2，土壤表層碳密度大于底層土壤碳密度，是底層土壤碳密度的1.58倍。與廣東省珠三角地區土壤相比[14]，調查區內各層土壤有機碳密度均高于珠三角地區有機碳密度。與我國四川、湖南地區土壤相比，調查區內各層土壤有機碳密度相對較低，與內蒙古相比，則相對較高[15]。說明韶關地區碳儲量、碳儲能力中等，具有良好的碳富集環境。

由圖1-3可見，表層土壤有機碳密度低值區主要為盆地（如南雄盆地、翁源盆地、樂昌盆地）、平原等地勢較低處，高值區主要分布在中低山區域。中層、深層土壤有機碳分布特征與表層土壤有機碳分布特征相似。高值區主要分布于地勢較高的中低山及丘陵，低值區主要分布在地勢較低洼的盆地、平原。有機碳的這種分布特征說明，調查區內中低山地區土壤有機碳儲量高于盆地及平原地區，具有一定的垂向分布規律。

2.1.6 不同時期土壤有機碳變化趨勢特征

圖1 韶關地區表層土壤有機碳密度分布圖Fig.1 Spatial variation of SOCdensity of top soil（0-20 cm）in the Shaoguan area

圖2 韶關地區中層土壤有機碳密度分布圖Fig.2 Spatial variation of SOCdensity of middle soil（0－100 cm）in the Shaoguan area

圖3 韶關地區深層土壤有機碳密度分布圖Fig.3 Spatial variation of SOCdensity of deep soil（0－180 cm）in the Shaoguan area

表6 近34年來韶關市表層土壤有機碳變化量Table 6 Variation of SOC in Shaoguan in recent 34 years

利用本次韶關市土壤環境背景值調查實測土壤有機碳密度與1985年廣東省第二次土壤普查取得的土壤有機碳密度進行對比[16]，分析30多年來，韶關地區在人類活動改造下土壤有機碳的變化情況。由表6可知，34年來，韶關地區土壤有機碳含量略有減少。由廣東省第二次土壤普查結果計算可知，1985年韶關市表層土壤有機質平均含量為1.52（%），2019年表層土壤有機質平均含量為1.33（%）。城鎮村建設用地、工礦倉儲用地、水域及水利設施用地、草地有機碳密度有所增加，有機碳密度分別增加了0.10 kg／m2、0.28 kg／m2、0.21 kg／m2、1.05 kg／m2，增加幅度分別為3.07%、10.65%、6.15%、29.63%。耕地、未利用地、林地、園地土壤有機碳密度均有不同程度的降低，其中未利用地降幅最大。調查區內林地和耕地分布面積較大，且林地和耕地有機碳儲量分別減少1.75×106t和5.16×105t，占全區有機碳儲量變化量的－2.15%和29.63%，認為這兩種利用類型土壤有機碳的改變是影響區域土壤有機碳儲量的主要因素。

2.2 土壤有機碳的影響因素分析

土壤受各種人為和自然因素的影響，這些因素在不同程度上影響著有機碳的儲量、動態和分布。影響土壤有機碳的自然因素包括兩個方面，一是自然干擾對土壤有機碳的影響，包括土地利用、氣候變化等。另一方面是碳和其它土壤因子之間的關系，包括溫度、濕度、土壤質地和母質、地形地貌、植被覆蓋、養分狀況、土壤性質等。

2.2.1 母質類型和土壤類型

成土母質是形成土壤的物質基礎，母質類型影響成土的速度、性質和方向；影響土壤的物理性質，不同母質類型土壤的質地、孔隙等不同；影響土壤的礦物組成和機械組成，從而影響地球化學元素的含量和分布[17]。不同成土母質最終形成不同類型的土壤。而土壤類型、土壤中粘土礦物種類是影響土壤有機碳儲量的重要因素[18]。土壤發育主要伴隨著粘化過程和土壤的脫硅富鐵鋁過程，即粘土礦物由結構比較復雜的過程逐漸演變為結構簡單的過程，并隨著風化和淋溶作用的增強，硅逐漸流失，導致硅與鐵鋁的比值逐漸降低。據研究，紅壤磚的紅壤中，硅的遷移率達到40%－70%，鈣、鎂、鉀達到100%，粘土礦物逐漸增多。有研究表明，土壤中有機碳含量與粘土礦物含量呈顯著的正相關。粘土礦物對有機質的保護作用也存在一定差異，不同粘土類型土壤因所含粘粒所占比例不同及持水性能不同，進而導致了不同土壤有機碳分布的不均勻性。因此，研究區紅壤分布面積較黃壤和潴育水稻土小，但其有機碳儲量較高。

2.2.2 地貌類型和氣候環境

地貌類型的不同，導致了區域性溫度、濕度各異，從而影響土壤有機碳的分解、分布以及上覆植被的種類[19]。表生條件下，植被類型不同，有機物進入土壤的量和方式各異[20－21]。有研究表明[22]，陸地土壤碳密度與降水量和溫度呈正相關，碳密度隨著降水量的增加而增加，在降水量相同的情況下，則溫度越高土壤碳密度越大。調查區內中低山廣布、森林覆蓋率高、植被發達、氣溫較低，有機碳儲量較高。而平原、盆地地勢較低處，多為農用地，長期施肥導致微生物活性較強，有機碳分解較快，土壤有機碳儲量較低。對我國第二次土壤普查2000多個土壤剖面中的碳儲量與年降水量（P）、年平均溫度（T）的相關性研究表明：它們之間的相關性在不同的溫度帶下具有很大的差異，在T≤10℃的地區，土壤有機碳儲量與溫度的負相關性最強；在10℃＜T≤20℃的地區，土壤有機碳儲量與降水量和年平均氣溫呈正相關；而在T＞20℃的地區，土壤有機碳儲量與溫度和降水的相關性都很差。由于溫度和降水在中國存在很強的正相關性，因此在相關分析中宜采用偏相關分析方法。受人類耕種的影響，耕地土壤有機碳儲量與溫度、降水相關性遠低于非耕地土壤。對具有相同土壤屬性和氣候條件的同一地區的耕地土壤與非耕地土壤樣本進行的配對檢驗表明，耕地土壤與非耕地土壤有機碳儲量之間存在顯著差異，土地利用的改變在總體上導致了土壤碳的釋放。

2.2.3 土地利用類型

土地利用類型影響土壤碳的動態變化，影響著土壤有機碳的輸入，是土壤碳庫最直接的影響因素[23]。有大量研究表明[24－27]，林地土壤有機碳儲量高于農用地和草地，工礦倉儲用地的有機碳儲量最低。調查區內人工用地較珠三角地區少，而林地、農用地偏多，因此，土壤有機碳密度高于珠三角地區；而與四川、湖南等林地覆蓋面積較大的地區相比，區內土壤有機碳密度相對較低；與草原分布面積較大的內蒙古相比，則相對較高。

3 結論

（1）廣東韶關地區不同深度土壤有機碳儲量表現為深層最高，其次為中層，表層最低。各層位有機碳占碳總儲量的比例與全國平均水平相當，說明韶關地區碳儲量、碳儲能力中等，具有良好的碳富集環境。

（2）有機碳主要分布于紅壤、黃壤和潴育水稻土中；不同母質類型土壤有機碳主要分布于花崗巖母質土壤、變質巖類母質土壤、砂頁巖類母質土壤中；地勢較高的中低山及丘陵地帶比地勢較低洼的盆地、平原區有機碳儲量高；水田和林地土壤有機碳儲量高于其它土地利用類型。

（3）土壤有機碳儲量在空間上表現出不均勻性，在垂向上則呈現出隨海拔高度增高而變大的規律。時間上表現出有機碳含量略有減少的特征。研究認為，林地與耕地這兩種利用類型土壤有機碳的改變是造成區域土壤有機碳儲量減少的主要因素。