Estimating soil organic carbon storage and distribution in a catchment of Loess Plateau, China
黄土高原小流域土壤有机碳储量与分布估算
将土壤作为碳汇封存二氧化碳已引起人们广泛关注。但是由于黄土高原地形复杂对土壤有机碳（SOC）的研究较少。本文对中国黄土高原西北部一个小流域内土壤有机碳储量进行估测。测定了169个剖面的有机碳含量和12个剖面的容重。研究区包含6类不同的样地：农田，草地，灌木地，林地，沟道，Aeolian sandy soil砂壤土。结果表明，土壤容重和有机碳含量受土地利用方式和土壤类型的影响，二者之间的关系可用幂函数表示。草地和农田单位面积土壤有机碳含量最高，灌木林地与林地相近，砂壤土和沟道最低。土壤有机碳累积储量随深度的变化均符合对数模型。农田、草地、灌丛、林地、沟道和砂壤土的SOC储量分别为3.32×106kg、9.45×106kg、1.023×107kg、2.73×106kg、5.76×106kg和2.94×106kg。该流域100cm土层范围内有机碳总储量为3.443×107kg。
土壤有机碳（SOC）是农田系统的重要组成部分。它对改善土壤和水质至关重要，进而对维持粮食生产具有重要意义。工业或汽车碳排放对全球变暖产生影响，这一环境问题受到人们广泛地关注。可以通过减少碳排放或增加碳封存来缓解这些负面影响。由于土壤含有的有机碳比大气和生物圈的总和还要多，所以SOC是陆地碳库的一个主要部分。在陆地生态系统中，SOC储量几乎是植被碳储量的三倍，是全球大气碳储量的两倍。
在过去的20年里，许多生物地球化学模型被用于估算全球变暖情景下土壤有机碳储量和损失量。这些模型包括ROTHC、DND、CANDY、CENTURY、DAISY和NCSOIL。首个关于SOC的研究估测了全球碳储量大约为1200至1600 Gt。之后又开展了一系列研究，以估算全球、大陆、国家以及区域尺度的SOC储量及其分布格局。这包括全球二氧化碳收支、日本森林土壤中的有机碳储量和中国土壤碳库及其分布格局。
但由于数据来源不一，缺乏完整的研究数据，以及SOC空间变异性，对SOC储量的预测在不同的研究中存在差异。特别是黄土高原山多且地形及其复杂。多变的地形导致SOC空间变异性强。黄土高原土壤有机碳储量及分布的研究仅局限于坡面尺度上。
本研究旨在：（1）揭示陕北黄土高原小流域土壤有机碳含量与土壤容重的关系；（2）评估小流域土壤有机碳的分布；（3）估算小流域土壤有机碳储量。
研究流域位于中国陕西省神木县（东经110º21'至110º23'，北纬38º46'至38 º51'）（图1），是黄土高原典型的沟道丘陵区。流域属温带半干旱气候，年平均气温8.4℃，年平均降水量549 mm，降水量主要集中在的雨季（6 - 9月），约占年降水量的77.4%。研究区86%的面积被黄土覆盖，其余为砂壤土覆盖（图1C）。主要植被种类为紫花苜蓿（Medicago sativa L.），散生灌木锦鸡儿（Caragana korshinskii）、小叶杨（Populus simonii Carr）和少量的农田（图1B）。
图1研究区位于中国陕西省神木县（A），流域内土地利用类型和样方（B）和流域内土壤类型（C）。
便携式Garmin Summit GPS接收器被用来定位采样点。选择的采样点（图1B）代表了流域内的所有土地利用类型。0 -100 cm深度分为5层，0-20 cm每10 cm为一层，20-60 cm每20cm为一层，60-100 cm为一层。使用直径为5 cm的手动螺旋钻采集土壤样品。烘干后过0.25 mm筛，在实验室分析。本研究于2007年10月完成了流域内169个样点（15×15 m网格）的土壤有机碳含量分析，共采集样品845个。
根据土地利用和土壤类型对采样区进行了分类。使用ArcGiS软件包计算不同类别的面积（表1）。选取包括土壤类型，土地利用和有机碳含量信息的12个剖面估计不同类别的土壤容重。不同类别的SOC密度可表示如下：
其中：
SOCDj为第j层土壤有机碳密度（kg m-3）
ρsj为第j层平均土壤容重（g cm-3）
SOC是第j层土壤有机碳的平均含量（g kg-1）
剖面的单位面积SOC质量（kg m-2）计算为每层的SOC质量密度（kg m-3）的加权平均值，其中土层厚度是加权因子乘以参考深度。
其中：
SOCm为单位面积SOC质量（kg m-2）
Dr参考深度（m）
Tj第j层厚度（m）
k为层数
流域内总SOC储量为根据土地利用和土壤类型分类的每个类别的加权平均值，其中不同类别的面积是加权因子，乘以参考面积。
其中：
SOCT为研究区域SOC总储存量（kg）
SOCmi为第i类单位面积SOC质量（kg m−2）
Si为第i类面积（m2）
Sr为参考面积（m2）
n为分类数量。
数据分析采用SPSS13.0、SigmaPlot2001和ArcGIS软件包。
1.土壤容重：
土壤容重在SOC含量的评估中起着非常重要的作用。图2显示了不同土地利用方式和土壤类型下土壤容重的差异。这表明砂壤土土壤容重高于黄土。沟道剖面和灌木土壤剖面的分别在20cm和40cm处，土壤容重增加到1.45gcm−3，然后保持相对稳定。其余各类样地的容重在80cm范围内变化较大。总趋势为林地<草地<农田。农田剖面的容重在80cm深处达到1.45gcm−3。但对于林地剖面和草地剖面，80cm土壤容重达到1.37 gcm−3。土壤容重以表层砂质土最大，其它土层次之。这可能是因为黄土高原的地形以丘陵和沟坡为主（李等人，2008），大多数降水发生在雨季。土壤容重随土地利用方式的不同而不同，沟道区土壤容重最高，其次为农田和草地。灌木林地土壤容重较低，但在40cm处增加，成为所有样地中最大的。结果表明，土地利用方式对土壤容重有一定的影响，尤其是灌木对土壤容重的降低作用最为明显，这与Chen（2000）的结果相似。土壤容重的差异可能是由植物根系差异引起的。
表1根据土地利用类型和土壤类型划分不同样地的面积。
图2不同土地利用类型土壤容重差异（A）不同土壤类型土壤容重差异
2. 有机碳含量：
整个研究区土壤有机碳含量随土壤深度的增加而降低（图3）。表层平均土壤有机碳含量最高，但变异幅度大。农田表层土壤有机碳含量较高，但随着深度的增加，有机碳含量急剧下降，这是由于施肥造成的。在黄土高原地区，农田中使用的肥料大部分是来自家畜的有机肥，因此含有更多的有机质。平均土壤有机碳含量随深度的变化趋势可用幂函数拟合（y=4.03x-1.01，R2=0.961）。
图3不同土地利用类型SOC差异（A）不同土壤类型SOC差异
在所有土地利用类型中，SOC随深度而降低，但地表SOC值因土地利用而异。由于该研究区域较小，气候可以忽略不计。因此，土地利用、土壤类型和地形是造成土壤有机碳含量空间变异的主要因素。黄土的有机碳含量显著高于砂壤土，尤其是表层土壤。同时，土地利用将对土壤养分状况产生显著影响。显然，表层土壤最容易受到土地利用的影响。草地土壤有机碳含量除表层土壤有机碳含量小于农田外，其余各层土壤有机碳含量草地最高，经Kruskal–Wallis检验，不同土地利用类型土壤有机碳含量差异显著（p<0.01），除第二层（p=0.033）和第三层（p=0.016）表现出显著性差异外，在第1层、第4层和第5层土壤有机碳含量差异均达到极显著水平。
在本研究之前，缺乏对黄土高原土壤容重与有机碳之间关系的研究。利用SigmaPlot 2001软件对该流域土壤容重与土壤有机碳含量的关系进行了模拟，发现只有以土壤有机碳含量为输入变量（x）才能计算出土壤容重。土壤容重（y）可表示为：y=3.57-1.602x0.1633，R2=0.53（p<0.01）。这与Manrique和Jones（1991）的结果相同。
3. SOC密度和分布：
计算了流域不同类别的平均SOC密度和变异系数（CV）（表2）。土壤有机碳密度随土地利用方式、土壤类型和地形的不同而变化。除0～10 cm土层外，草地土壤有机碳密度最高，其次是农田。沟道和砂壤土的有机碳密度最低。在黄土高原，农田中使用的肥料大部分来自家畜，其中含有更多的氮和有机质。然而，农地收割时，通常将植物的茎移除。一年生草地为土壤提供更多的氮和有机质。所有这些原因都使得农田和草地的平均SOC较高，但变异性较弱。不同类别样地中表层（0-10 cm）SOC含量排序为农地>草地>林地>灌木林地>砂土>沟道。同一类样地中，SOC变异程度较弱。因此，在估算SOC时，应考虑土地利用类型、土壤类型以及地形的差异。利用全国土壤普查数据来估算SOC密度。小流域SOC密度估算可为黄土高原地区大尺度SOC密度估算提供参考，提升大尺度SOC密度估算的精度。
表2 不同类别样地SOC密度分布
如果SOC密度已知，根据等式（2）则能够得到黄土高原小流域单位面积土壤有机碳含量。方便起见，选择了1m的参考深度，因为这是相关研究中最常用的参考深度。结果表明，草地和农田单位面积有机碳含量最高，灌木林地与林地相近，砂壤土和沟道最低（图4）。
图4 流域单位面积SOC含量分布
4.SOC储量估算：
可以通过估算SOC储量来评估土壤固碳潜力。利用公式（3），根据流域单位面积的有机碳含量，可以很容易地计算出流域的有机碳储量。结果表明，不同土地类型土壤有机碳储量分别为：农田3.32×106kg，草地9.45×106kg，灌木林地1.023×107kg，林地2.73×106kg，沟道5.76×106kg，砂壤土2.94×106kg。流域内100cm深土层内总的SOC储量为3.443×107kg（表3）。相较于前人的研究，本研究土壤侵蚀强烈，单位面积上的土壤有机碳储量在表层较低。单位面积农田土壤有机碳含量高于灌木林地，但土壤有机碳储量远低于灌木林地，这由于两类样地面积差异造成的。
随着深度的增加，不同样地中SOC存储量也发生了变化。不同样地中累积SOC储量如图5所示。土壤有机碳储量随深度的变化均可用对数函数y = aln(x)-b来描述，决定系数R2大于0.95。
表3流域SOC储量
图5 不同类别样地累积SOC储量
该流域土壤有机碳库主要包含草地和灌木林地，黄土高原大部分地区为草地和灌木林覆盖。鉴于温室效应导致全球变暖，科学家已经认识到土壤作为碳汇能够抵消大气CO2浓度的增加。了解土地利用方式对土壤有机碳库的影响，提高土壤固碳能力是人类面临的重大挑战。因此，草地和灌木林地可以作为碳汇来减缓温室效应。
土壤容重受土地利用方式和土壤类型的影响。砂壤土土壤容重高于黄土，不同土地利用方式下土壤容重大小顺序为：沟道>农田>草地>林地。而灌木林地在0～40 cm范围内变化较大。相反，黄土SOC含量高于砂壤土，尤其是表层土壤。在不同土地利用类型中，草地和农田含碳量较高。土壤容重与土壤有机碳含量的关系为：y = 3.57-1.602x0.1633，R2=0.53（p <0.01）。
土壤有机碳密度随土地利用方式、土壤类型和地形的不同而变化。除0-10 cm土层外，草地土壤有机碳密度最高，其次是农田。沟道和砂壤土土的有机碳密度最低。单位面积土壤有机碳含量以草地和农田最高，灌木林地与林地相近，砂壤土和沟道最低。
不同类型土壤有机碳储量的差异为：灌木林地>草地>沟道>农田>砂土>林地，流域100 cm土层有机碳总储量为3.443×107kg。土壤有机碳储量随深度的变化可用对数函数y=a ln(x)-b拟合。
作者 | 丽平
编辑 | 回毅滢
