不同土地利用類型下生態(tài)系統(tǒng)固碳成效研究

摘要：為探究生態(tài)恢復(fù)后不同土地利用類型對(duì)碳匯效應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系，以2000年和2020年貴州省清鎮(zhèn)市土地利用和植被覆蓋類型數(shù)據(jù)等空間地理信息為基礎(chǔ)，從空間大尺度范圍估算坡耕地、草地、灌木林地、喬木林地植被碳儲(chǔ)量；并測(cè)定4種土地利用類型下土壤有機(jī)碳組分含量及儲(chǔ)量、溶蝕速率和土層CO₂濃度，從植被碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)碳含量、巖溶作用強(qiáng)弱3個(gè)方面對(duì)比分析不同土地利用類型下的固碳成效。結(jié)果表明：① 2020年4種土地利用類型植被總碳儲(chǔ)量為19.42×10⁵ t，比2000年增加1.83×10⁵ t，其中喬木林占植被總碳儲(chǔ)量的95.73%。在碳密度方面，不同用地類型植被碳密度由大到小為常綠針葉林＞常綠闊葉林＞落葉闊葉林＞灌木林＞農(nóng)作物＞草地。② 草地、灌木林地、喬木林對(duì)比坡耕地有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳均明顯增加，4種土地利用類型中土壤有機(jī)碳組分儲(chǔ)量總體呈現(xiàn)喬木林地＞灌木林地＞草地＞坡耕地的遞減順序。③ 不同土地利用類型與土壤CO₂濃度、溶蝕速率密切相關(guān)，CO₂濃度越高對(duì)應(yīng)土壤溶蝕越大，土壤有機(jī)碳含量也越高。

關(guān) 鍵 詞：生態(tài)系統(tǒng)；固碳成效；土地利用類型；土壤有機(jī)碳；植被碳儲(chǔ)量；巖溶作用；土壤CO₂濃度；貴州省

中圖法分類號(hào)：S718.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.017

0 引 言

由大氣CO₂濃度升高導(dǎo)致的溫室效應(yīng)和全球氣候變暖受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。通過植樹造林、退耕還林還草等措施增加陸地生態(tài)系統(tǒng)CO₂吸收、抵消工業(yè)生產(chǎn)中的碳排放，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的主要技術(shù)途徑之一。隨著碳交易機(jī)制的逐步完善，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及分布規(guī)律對(duì)地方碳匯經(jīng)營(yíng)管理具有重要意義^［1-2］。但不同土地利用類型下碳匯管理及其成效評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，植被種類、土壤性狀和微生物活動(dòng)等都對(duì)固碳能力存在影響^［3-5］。

目前，學(xué)界針對(duì)不同土地利用類型下植被、土壤碳匯測(cè)算開展了廣泛研究，形成了較為成熟的評(píng)估方法。在植被碳儲(chǔ)量測(cè)算上，方精云等^［6］通過測(cè)定植被實(shí)地生物量數(shù)據(jù)建立了森林碳儲(chǔ)量測(cè)算的平均生物量法；隨著不同林分生物量與蓄積量回歸方程的完善，生物量與蓄積量比值作為轉(zhuǎn)換因子^［7-9］并結(jié)合遙感影像等技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于測(cè)算區(qū)域范圍植被碳儲(chǔ)量^［10-12］。在土壤碳儲(chǔ)量測(cè)算上，通過實(shí)地測(cè)定不同土地利用類型和農(nóng)業(yè)管理方式下土壤有機(jī)碳含量，于東升^［13］、解憲麗^［14］、陳高起^［15］、陳堅(jiān)淇^［16］等分析了全國(guó)或區(qū)域范圍土壤有機(jī)碳的空間分布特征，結(jié)果表明轉(zhuǎn)變土地利用方式、農(nóng)業(yè)管理、退耕還林還草等措施能有效促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累和固定^［17-19］，從而影響土壤碳儲(chǔ)量。但長(zhǎng)時(shí)間序列上土地利用類型變化導(dǎo)致的植被種類面積改變對(duì)區(qū)域固碳能力存在明顯的影響，在評(píng)價(jià)區(qū)域固碳成效時(shí)應(yīng)考慮不同土地利用類型下的植被面積變化。同時(shí)，不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳組分存在明顯差異，其響應(yīng)機(jī)制直接影響土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量^［15］。此外，研究還表明土壤CO₂濃度變化和碳酸鹽巖溶蝕量變化基本一致，監(jiān)測(cè)土壤CO₂變化、水化學(xué)特征及巖石溶蝕情況能夠評(píng)估巖溶作用固碳強(qiáng)度^［20-22］。但目前評(píng)價(jià)固碳成效或固碳潛力的研究較少討論不同土地利用類型對(duì)巖溶固碳作用的響應(yīng)，且多在針對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)碳整體測(cè)算層面。故此，本文以不同土地利用類型下的固碳作用作為研究對(duì)象，從植被、土壤和巖溶作用3個(gè)方面分析生態(tài)系統(tǒng)固碳的影響因素。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域地理位置

研究區(qū)域清鎮(zhèn)市位于貴州省中部地區(qū)，歸屬貴陽(yáng)市管，區(qū)內(nèi)海拔標(biāo)高1 215～1 602 m，相對(duì)高差387 m。最高處位于北部龍頭山頂，海拔1 601.78 m，最低處為長(zhǎng)沖河流以南，海拔高程約1 215 m；屬亞熱帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，年平均溫度為14 ℃，平均降雨量1 300 mm，平均相對(duì)濕度為80%，總面積1 386.6 km²。該研究區(qū)域曾為貴陽(yáng)市水土流失石漠化治理重點(diǎn)區(qū)域，由于長(zhǎng)期的工礦開采，該地區(qū)水土流失曾經(jīng)尤為突出。2000年以來，經(jīng)過礦山生態(tài)修復(fù)和退耕還林措施，植被恢復(fù)區(qū)面積變化明顯，可作為研究對(duì)比分析試驗(yàn)場(chǎng)地。在研究區(qū)域南部站街鎮(zhèn)林東村至巖腳坡一帶布設(shè)采樣點(diǎn)開展試驗(yàn)，研究區(qū)域地理位置如圖1所示。

1.2 研究區(qū)域主要土地利用類型

清鎮(zhèn)市土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類。在ArcGIS 10.8中將2000年和2020年清鎮(zhèn)市土地利用數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)疊加篩選出耕地中的坡耕地，結(jié)合植被覆蓋類型數(shù)據(jù)將坡耕地、林地和草地按照表1中植被類型進(jìn)行分類。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 空間地理信息數(shù)據(jù)來源

清鎮(zhèn)市2000年和2020年土地利用數(shù)據(jù)、植被覆蓋類型數(shù)據(jù)來源于中科超圖數(shù)字科技有限公司，氣象數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（https：∥www.gscloud.cn/）。

2.2 試驗(yàn)方法

以前人的研究成果^［23-27］為基礎(chǔ)計(jì)算研究區(qū)域植被碳儲(chǔ)量，計(jì)算數(shù)據(jù)來自于貴州省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)采集的試驗(yàn)點(diǎn)土壤樣本進(jìn)行碳組分測(cè)定^［28］，分別測(cè)試土壤有機(jī)碳（SOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、易氧化有機(jī)碳（EOC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）、非活性有機(jī)碳（NLOC）、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）含量，計(jì)算土壤有機(jī)碳組分變化和儲(chǔ)量。參照何師意等^［22］的設(shè)計(jì)，每月測(cè)定土壤中的CO₂濃度，并對(duì)不同用地類型樣地進(jìn)行一個(gè)水文周期巖溶蝕片試驗(yàn)^［29-30］，蝕片采用研究區(qū)域內(nèi)三疊系大冶組（T₁d）石灰?guī)r制成。

2.3 植被碳儲(chǔ)量和土壤有機(jī)碳組分儲(chǔ)量計(jì)算

2.3.1 植被碳儲(chǔ)量的計(jì)算方法

（1）喬木林碳儲(chǔ)量采用方精云等^［6］建立的回歸方程進(jìn)行計(jì)算：

B_f=（aV+b）×c_q×s_q（1）

式中：B_f為林分碳儲(chǔ)量，t；V為林分蓄積量，t/hm²；a和b為計(jì)算參數(shù)；c_q為喬木林含碳率，%；s_q為喬木林面積，hm²。

（2）灌木林碳儲(chǔ)量采用任德智等^［11］的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算：

B_疏=19.76×s_g×c_g（2）

B_密=23.70×s_g×c_g（3）

式中：B_疏、B_密分別為稀疏灌木林及灌木林的碳儲(chǔ)量，t；s_g為灌木林面積，hm²；c_g為灌木林含碳率，%。

（3）草地碳儲(chǔ)量估算按樸世龍等^［31］地上生物量與NDVI_max值的線性相關(guān)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算：

B_g=179.71×NDVI_max^1.6228×（1+e）×c_c×s_c（4）

式中：B_g為草地碳儲(chǔ)量，t；NDVI_max為歸一化植被指數(shù)最大值；e為地下部分生物量比例折算系數(shù)；c_c為草地含碳率，%；s_c為草地面積，hm²。

（4）坡耕地農(nóng)作物碳儲(chǔ)量按輪作作物整理，引用前人研究結(jié)果^{［3，32-33］}，結(jié)合清鎮(zhèn)市主要坡耕地為油菜-玉米（水稻），油菜-花生（甘薯）進(jìn)行取值計(jì)算。

（5）植被平均碳密度按主要植被類型總碳儲(chǔ)量每公頃面積密度計(jì)算：

M_i=B_i/A_i（5）

式中：M_i為主要植被類型的碳密度，t/hm²；B_i為主要植被類型碳儲(chǔ)量，t；A_i為主要植被類型面積，hm²。

2.3.2 土壤有機(jī)碳及組分儲(chǔ)量計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳及組分儲(chǔ)量計(jì)算公式為^［34-35］

SoilOC_s=OC×D×BD/100（6）

式中：SoilOC_s為全土中SOC，EOC，NLOC，POC，LFOC和MOC的有機(jī)碳含量，g/kg；OC代表全土中SOC，EOC，NLOC，POC，LFOC和MOC的含量，g/kg；D為土層厚度，cm；BD為土壤密度，g/cm³。

3 結(jié)果分析

3.1 不同土地利用類型植被碳儲(chǔ)量變化對(duì)比

按坡耕地、草地、灌木林地和喬木林地4種土地利用類型計(jì)算植被碳儲(chǔ)量，結(jié)果見表2。由表2可知，2020年4種土地利用類型植被總碳儲(chǔ)量為19.42×10⁵ t，比2000年增加1.83×10⁵ t，其中喬木林地占植被總碳儲(chǔ)量的95.73%，喬木林地是植被碳儲(chǔ)量的主要來源。喬木林地植被按常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林3種類型劃分植被碳儲(chǔ)量變化為0.966×10⁵，-0.078×10⁵ t和1.036×10⁵ t。不同土地利用類型下植被總碳儲(chǔ)量大小為常綠闊葉林＞常綠針葉林＞落葉闊葉林＞農(nóng)作物＞草地＞灌木。在平均碳密度方面，2020年不同土地利用類型植被碳密度中常綠針葉林40.37 t/hm²，較2000年提升4.17 t/hm²，為植被碳儲(chǔ)量中增加最多的類型。2020年不同土地利用類型的植被平均碳密度由大到小依次為常綠針葉林＞常綠闊葉林＞落葉闊葉林＞灌木＞農(nóng)作物＞草地。

以坡耕地為對(duì)照來看，2020年坡耕地為5.10萬hm²，較2000年減少0.67萬hm²，在各類用地類型中面積變化最大，農(nóng)作物植被碳儲(chǔ)量減少0.102×10⁵ t。喬木林、灌木林和草地植被面積增加0.42萬 hm²，植被碳儲(chǔ)量增加1.93×10⁵ t。分析表明，2000年以后進(jìn)行的退耕還林還草措施有效地增加了清鎮(zhèn)市的植被覆蓋面積，隨著以喬木、灌木為主的植被生長(zhǎng)，儲(chǔ)存碳的總量明顯得到提升。

3.2 土壤有機(jī)碳及組分含量對(duì)土地利用類型的響應(yīng)

在研究區(qū)域內(nèi)，通過測(cè)定坡耕地、草地、灌木林地、喬木林地4種土地利用類型在0～10，10～30，30～50 cm深度土壤有機(jī)碳及組分含量，分析土壤有機(jī)碳對(duì)不同土地利用類型的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，坡耕地土壤有機(jī)碳及組分含量低于其他3種土地利用類型。灌木林地、喬木林地相對(duì)于坡耕地，SOC含量在0～10 cm土層深度分別增加139.84%和85.01%；在10～30 cm土層深度分別增加138.5%和76.42%；在30～50 cm土層深度分別增加92.28%和66.58%。草地、灌木林地、喬木林地相對(duì)坡耕地，POC含量在0～10 cm土層分別增加257.82%，96.52%和135.21%；在10～30 cm土層分別增加236.8%，44.01%和118.80%；在30～50 cm土層分別增加了43.14%，33.43%和35.43%。同樣坡耕地MOC、EOC、NLOC、LFOC含量也明顯低于其他3種土地利用類型（圖2）。另一方面，LFOC和EOC與SOC呈正相關(guān)關(guān)系（圖3），LFOC和EOC含量隨著土壤中SOC總含量的增加而增加。

在土壤碳儲(chǔ)量方面，不同深度土層SOC、EOC、POC、MOC儲(chǔ)量普遍大于坡耕地，如土壤SOC在0～10 cm土層中灌木林地儲(chǔ)量最高（10.02 g/m²），其次是喬木林地（8.09 g/m²）、草地（3.50 g/m²）、坡耕地（3.35 kg/m²）。與坡耕地相比，喬木林地、灌木林地和草地的土壤SOC儲(chǔ)量顯著增加了130.9%，185.9%和4.5%。總體而言，土壤有機(jī)碳組分儲(chǔ)量總體呈現(xiàn)喬木林地＞灌木林地＞草地＞坡耕地，0～10 cm土層SOC含量和儲(chǔ)量大于10～30 cm、30～50 cm土層，土壤有機(jī)碳組分含量和儲(chǔ)量隨土層深度的增加而減少（表3）。

3.3 土地利用類型對(duì)土壤CO₂濃度和巖溶作用的影響

在坡耕地、草地、灌木林地、喬木林地中各選取2個(gè)具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行巖溶蝕片試驗(yàn)和土壤CO₂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在土壤深度20 cm和50 cm處平行放置巖溶蝕片6片，巖溶蝕片為厚度0.3 cm，直徑4 cm圓形薄片，制片巖石為清鎮(zhèn)市舊院采集的三疊系大冶組（T₁d）灰?guī)r，埋入前烘干8 h以上稱取蝕片質(zhì)量并記錄。2022年12月埋入后1 a取出清洗干凈并烘干稱取溶蝕后的質(zhì)量。土壤CO₂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)采取每月監(jiān)測(cè)一次的方法進(jìn)行，分別記錄20 cm和50 cm深度的土壤CO₂濃度。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同土地利用類型的溶蝕速率和土壤CO₂濃度表現(xiàn)出明顯的不同。土壤中溶蝕速率由高到低依次為喬木林地（149.2 mg·m^-2·d^-1）＞草地（124.1 mg·m^-2·d^-1）＞灌木林地（84.2 mg·m^-2·d^-1）＞坡耕地（52.7 mg·m^-2·d^-1）（表4），同樣地土壤CO₂監(jiān)測(cè)顯示，土壤CO₂濃度由高到低依次為喬木林地＞草地＞灌木林地＞坡耕地（圖4～5）。由此可見，不同土地利用類型土壤CO₂濃度和溶蝕速率密切相關(guān)，CO₂濃度越高對(duì)應(yīng)巖石溶蝕越大，在土壤有機(jī)碳含量上也越高。

巖溶蝕片試驗(yàn)表明，年絕對(duì)溶蝕量、溶蝕速率最高值均出現(xiàn)在喬木林地下50 cm處，最小值均出現(xiàn)在耕地土下20 cm處。喬木林地、灌木林地、草地年絕對(duì)溶蝕量、溶蝕速率均明顯大于相同深度土層坡耕地，表明不同土地利用類型下巖溶作用強(qiáng)度不同。坡耕地和喬木林地土下溶蝕量、溶蝕速率隨土壤深度增加有減小的趨勢(shì)，灌木林地和草地則呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。此外相同土地利用類型的土壤CO₂濃度與年絕對(duì)溶蝕量、溶蝕速率基本對(duì)應(yīng)，印證了濕熱環(huán)境下土壤CO₂濃度是影響巖溶作用的主要驅(qū)動(dòng)力的論斷^［36-37］。

4 討 論

（1）喬木林是植被碳儲(chǔ)量的主要來源，森林面積的增加能夠明顯提升區(qū)域生態(tài)碳固定總量。從長(zhǎng)時(shí)間跨度上來看，樹木生長(zhǎng)又能穩(wěn)定提供長(zhǎng)時(shí)間尺度的碳匯增長(zhǎng)。

（2）土壤有機(jī)碳含量在不同土地利用類型之間存在明顯差異，喬木林地、灌木林地的土壤有機(jī)碳含量高于其他土地利用類型。這主要原因可能是喬木林、灌木林植被凋落物和根系分泌物較多。坡耕地地上和地下根系生物量較低，頻繁的土地翻耕和施肥增加了土壤有機(jī)碳的礦化。此外，植被覆蓋及凋落物的分解使得灌木、喬木林地土壤具有較高的碳輸入，以此提升土壤有機(jī)碳及組分含量。

（3）土壤CO₂濃度隨季節(jié)性變化，夏秋季節(jié)明顯高于冬春兩季，且不同土地利用類型間土壤CO₂濃度差異明顯，CO₂濃度變化可能主要受氣溫和土地利用類型控制。同時(shí)，似乎土壤中CO₂越多巖溶作用越明顯，這可能與濕熱環(huán)境條件下土壤微生物群落和植被根系活動(dòng)強(qiáng)烈有關(guān)，還需要進(jìn)一步研究闡明土壤微生物、CO₂濃度和巖溶作用的相互關(guān)系。

5 結(jié) 論

（1）基于生物量法估算了坡耕地、喬木林地、灌木林地和草地4種土地利用類型植被碳儲(chǔ)量。結(jié)果顯示：2022年4種土地利用類型植被總碳儲(chǔ)量為19.42×10⁵ t，比2000年增加1.83×10⁵ t，其中喬木林占植被總碳儲(chǔ)量的95.73%。喬木林地植被碳儲(chǔ)量增加最為明顯，其中常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林3種植被類型碳儲(chǔ)量變化為0.966×10⁵，-0.078×10⁵ t和1.036×10⁵ t。在碳密度方面常綠針葉林為40.37 t/hm²，較2000年提升4.17 t/hm²為植被碳儲(chǔ)量中增加最多的類型。不同土地利用類型下植被總碳儲(chǔ)量大小為常綠闊葉林＞常綠針葉林＞落葉闊葉林＞農(nóng)作物＞草地＞灌木。

（2）坡耕地對(duì)比草地、灌木林地、喬木林地的SOC、POC、MOC、EOC含量均明顯較低。4種土地利用類型中土壤有機(jī)碳組分儲(chǔ)量總體呈現(xiàn)喬木林地＞灌木林地＞草地＞坡耕地的遞減順序。

（3）從巖溶蝕片溶蝕速率來看，土壤中溶蝕速率喬木林地（149.2 mg·m^-2·d^-1）＞草地（124.1 mg·m^-2·d^-1）＞灌木林地（84.2 mg·m^-2·d^-1）＞坡耕地（52.7 mg·m^-2·d^-1），這與土壤CO₂濃度基本對(duì)應(yīng)。CO₂濃度越高對(duì)應(yīng)土壤溶蝕越大，在土壤有機(jī)碳含量上也越高。喬木林地、灌木林地、草地年絕對(duì)溶蝕量、溶蝕速率均明顯大于相同深度土層坡耕地，喬木林地的巖溶作用表現(xiàn)更強(qiáng)。

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（編輯：黃文晉）

Ecosystem carbon sequestration efficiency of different land use types

WANG Xing¹，ZHAO Youli²，LIU Chaoyang³，WANG Xiaoya¹

（1.Guizhou Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower，Guiyang 551416，China； 2.China Water Resources and Hydropower Ninth Engineering Bureau Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China； 3.China Power Construction Group Guiyang Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China）

Abstract： To study the response relationship of different land use types to carbon sequestration effects after ecological restoration，based on spatial geographic information such as land use data and vegetation cover type data in Qingzhen City Guizhou Province in 2000 and 2020，the vegetation carbon storage in sloping land，grassland，shrub land and arbor land were estimated at a wide spatial scale.The content and storage of soil organic carbon components，Karst rate，and soil CO₂ concentration were measured.Then the carbon sequestration effect of the ecosystem was compared and assessed from the perspective of vegetation carbon storage，soil organic carbon content，and the Karst effect.The results showed that：① In 2022，the total carbon storage of vegetation of four land-use types amounted to 19.42×10⁵ t，showing a 1.83×10⁵ t increase from 2000.Arbor land comprised 95.73% of the total vegetation carbon storage.As for the carbon density，the carbon density among different types of vegetation from high to low was：evergreen coniferous forest gt; evergreen broad-leaved forest gt; deciduous broad-leaved forestgt; shrub forestgt; cropgt; grassland.②Compared to sloping land，grassland，shrub land，and arbor land exhibited notable increases in SOC，POC，MOC，and EOC.The soil organic carbon component storage of the four land use types from high to low were arbor land gt; shrub land gt; grass land gt; sloping land.③ The dissolution rate was directly correlated with the concentration of soil CO₂.Both soil dissolution and soil organic carbon content increased with the increase in CO₂ concentration.

Key words： ecosystem; carbon sequestration efficiency；land use type; soil organic carbon；vegetation carbon storage；Karstification；concentration of soil CO₂；Guizhou Province