云南省土壤有机碳储量估算及空间分布

包承宇，曾和平，张梦妍，李 浩，潘 波

（昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明650500）

全球陆地土壤碳库约为1 500Pg（1Pg＝109t）［1］，是全球动植物碳库的3倍［2］，大气碳库的2倍［3］。另外，土壤有机碳（SOC）库的微小幅度的变化都会使大气中CO2浓度产生改变［4－5］。此外，人类对森林、湿地和草地大量地开垦及不合理利用造成土地大面积退化，全球土壤有机碳储量在过去100a中始终呈下降趋势［6］。有研究显示，全球自然土壤耕作后有机碳的损失是十分明显的［3］。根据IPCC的估计，土壤有机碳损失对全球大气CO2浓度升高的贡献率在30%～50%之间［7］。因此土壤碳库是全球碳循环中重要的组成部分，已成为全球研究气候变化的热点问题［8］。

鉴于全球对温室效应的关注，研究SOC储量、空间分布、转化及衰减机理，不仅为土壤生产力、土壤水文特性提供重要的信息［9］，还将对科学地利用和保护现有的土壤资源，防止水土流失，维护农业经济可持续发展具有重要的现实意义。20世纪80年代以来，国内学者对中国SOC库进行了估算［10－14］，还开展了不同地理区域和省区SOC库估算及其时、空变化进行了研究［15－25］，但由于土壤本身是一个复杂的不均匀三维结构体，在空间上呈现复杂的镶嵌性，并与气候及陆地生物发生复杂的相互作用，SOC分布存在极大的空间变异性。因此SOC库估算的结果存在很大差异，例如利用全国土壤普查数据估算中国SOC储量的估算结果为84.40～100.18Pg［10－11，13－14］，而利用模型估算全国SOC储量约为82.70～119.80Pg［12，26］。此外，云南省拥有独特的地形地貌，海拔高差变化悬殊，气候复杂多变，研究此区域内影响SOC密度分布规律的因素，对其他区域的相关研究提供有价值的参考。虽然张勇等［25］已研究了滇黔桂地区土壤有机碳储量及通过初步回归分析方法分析了影响SOC密度的主要因子，但并未突出SOC密度的分布规律，及以宏观方式表现SOC密度与影响因子之间的联系。本研究试图利用第二次土壤普查资料的数据和云南省土壤类型分布图，对云南省0—20cm和0—100cm深度的SOC的密度及储量进行再次估算，并分析SOC密度分布规律，探讨区域内不同影响因素，更加直观地为环境保护及水土保持等工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云南省地处中国西南边陲，界于97°31′—106°11′，北纬21°8′—29°15′之间。属于低纬度内陆地区。东面与贵州、广西省交界，北部和西北与四川省和西藏自治区相接，南部与越南、老挝等国接壤，西部及西南部与缅甸毗邻。总面积为390 000km2。

以元江谷地和云岭山脉南段的宽谷为界，云南省可分为东、西两大地形区。其外部形态及地质构造截然不同，东部为云南高原，西部为横断山山地，分别占该省总面积的63.5%和30.5%。因此，云南省地势由西北高，东南低，海拔高差悬殊。海拔最高点为梅里雪山的卡格博峰，海拔6 740m，而与越南交界的河口地区海拔只有76.4m。

云南省大部分地区年温差小，一般为10～15℃。全年干湿季分明，80%～90%的雨量集中在每年的5—10月，而11月至次年4月的降雨量仅为10%～20%。受山地自然环境条件的影响，产生了多层次、多种类的森林立地环境，其分布上具有纬向和显著的垂直地带性分布特征。云南省主要土壤类型分布详见表1。

表1 云南省主要土壤类型分布

1.2 数据来源

云南省土壤有机碳相关数据来自全国第二次全国土壤普查资料的成果汇编《云南土种志》、《云南土壤》、《云南省第二次土壤普查数据资料集》，共569个采样点，采集深度为0—20cm的表层土和0—100cm的土层。该区域基本分布于云南省的各州市，其中大部分覆盖了主要农作区，在一定程度上可以反映云南省不同类型的土壤表层有机碳变化。上述土壤有机碳含量由土壤有机质含量乘以0.58得出。各土属面积根据云南省第二次土壤普查数据统计得出。为了真实地反映当时采样点的气候条件，气象资料选取了1982年编撰的《云南气候图册》，记录了131个气象站点近30a的年降水量和年平均气温数据，绘制云南省年降水量和年平均气温分布图。

1.3 土壤有机碳密度和储量的计算方法

土壤有机碳密度是指单位面积已达深度的土层中土壤有机碳的储量，由于排除了面积因素的影响而以土体体积为基础来计算，土壤有机碳密度已成为评价和衡量土壤中有机碳储量的一个及其重要的指标。

因为部分采样深度小于或者大于100cm，可根据公式（1）［28］计算，按照各土壤类型模拟出土壤有机质浓度与采样深度的关系，插值后求出采样深度100cm的有机质含量，最后乘以0.58得到100cm深度处的SOC含量。

式中：Y——有机质浓度（%）；L——采样深度（cm），通过各土壤类型拟合的最佳曲线确定参数a，b。对于采样深度D 大于100cm，SOC（0—100）密度直接由公式（1）插值计算得到；当D 小于100cm 时，SOC（0—100）密度等于 SOCD加上 SOC（D—100），其中 SOC（D—100）由公式（1）插值计算得出。

某一土层 的有机碳密度SOCDi（t／hm2）计算公式［29］为：

式中：i——土壤类型；Si——i种土壤类型的土壤有机碳含量（g／kg）；Hi——i种土壤类型的厚度（cm）；Bi——i种土壤类型的土壤容重（g／cm3）；Gi——i种土壤类型大于2mm的石砾所占的体积百分比（%）。

由于土壤剖面缺少土壤容重的数据，则根据Song等［30］的研究，按自然土壤和耕作土壤容重分别计算：

云南省土壤总有机碳储量SOCS（t）的计算公式［29］为：

式中：Si——i种土壤类型的分布面积（hm2）。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳密度及储量估算

本研究区域中14种土壤类型分布面积为3.84×107hm2，约占云南省总国土面积的97.4%，其分布面积和土壤有机碳密度状况详见表2。0—20cm的SOC密度的平均值为 59.77t／hm2，0—100cm 的SOC密度的平均值为159.95t／hm2，分别高于张勇等［24］研究的滇黔桂地区表层土（0—20cm）SOC密度56.20t／hm2和土壤剖面 （0—100cm）SOC 密度139.80t／hm2。从表2可以看出，不同类型土壤的有机碳含量差别较大，区域内0—20cm深度土层SOC密度依次为：棕色针叶林土＞暗棕壤＞亚高山草甸土＞棕壤＞黄棕壤＞黄壤＞石灰（岩）土＞赤红壤＞红壤＞水稻土＞新积土＞砖红壤＞紫色土＞燥红土。0—100cm深度土层的SOC密度与0—20cm深度土层SOC密度次序基本一致，大小顺序依次为：棕色针叶林土＞亚高山草甸土＞暗棕壤＞棕壤＞黄棕壤＞水稻土＞黄壤＞石灰（岩）土＞赤红壤＞红壤＞新积土＞砖红壤＞燥红土＞紫色土。由表2看出，云南省0—20cm深度的SOC储量为2.30×108t，0—100 cm深度的SOC储量为6.15×108t，表层土（0—20 cm）SOC储量占土层（0—100cm）的37.43%。由于土壤面积对SOC储量的影响，部分类型SOC的密度虽然并不高，但由于土壤面积大，导致其SOC储量排在全省SOC储量前几位。例如，云南省分布最广的土壤是红壤，面积为1.21×107hm2，约占全省土壤面积的31.60%，0—20cm和0—100cm的SOC储量分别占25.99%和24.02%。赤红壤为云南省第二大土壤类型，面积为5.61×106hm2，约占全省土壤面积的14.63%，0—20cm和0—100cm的SOC储量分别占12.29%和11.67%。

另一方面，虽然黄棕壤、棕壤、暗棕壤在全区分布面积并不大，分别占10.55%，5.68%和2.62%，但是由于SOC密度很高，导致这3种土壤在0—20cm和0—100cm深度的SOC储量在区域内占有重要位置。黄棕壤在0—20cm和0—100cm深度的SOC储量分别占到14.50%和15.59%，棕壤在0—20cm和0—100cm深度的SOC储量分别占到8.94%和9.95%，暗棕壤在0—20cm 和0—100cm 深度的SOC储量分别占到7.06%和7.85%。

2.2 土壤有机碳密度的空间分布

因为0—20cm深度和0—100cm深度的SOC密度的空间分布特征基本相同，所以根据云南省土壤类型分布图绘制出了0—20cm深度的土壤有机碳密度空间分布图（图1）。云南省的SOC密度总体上呈由北向南逐步减少，由东向西逐步增加的趋势。特别是在西北部三江纵谷区的SOC密度最高，其次为西南部横断山山区，而东部的云南高原次之，以紫色土为主的中北部地区SOC密度最低。一方面，由于西部横断山山地地形复杂，分布着许多较高SOC含量的土壤类型，所以高低SOC密度均有分布；而在东部高原地区，地势平缓，土壤类型较为单一，大部分区域SOC密度集中在60～80t／hm2。另一方面，SOC的分布受所处海拔高度、气候条件的众多影响，尤其使有河流流经的河谷区域，SOC密度变化较大，例如有金沙江、澜沧江、怒江流经的西北高山地带时，河岸两侧的河谷地区SOC密度明显降低。位于云南东北部东川区境内的部分地区则显示SOC密度很高，主要是由于该区域内有牯牛山和轿子雪山，最高海拔分别为4 017和4 247m，分布着大量SOC含量很高的高山草甸土。另外，云南东北部昭通附近的大片区域由于主要土壤类型为黄壤和黄棕壤，所以SOC密度较高。

表2 云南省主要土壤有机碳密度和储量

图1 云南省0－20cm土壤有机碳密度空间分布

2.3 影响土壤有机碳库的主要因子

土壤有机碳是进入土壤的动植物残体量及微生物分解失量之间平衡的结果。自然条件不仅决定了动植物的种类，同时制约了微生物的活动，从而影响了进入土壤的有机残体量和分解强度。

2.3.1 降水量 降水量会影响土壤中微生物的活性和有机质的转化。降雨量在一定范围内，微生物的活性与土壤水分成正相关。但如果降雨量过多，土壤通气不良，则会导致有机质分解速度缓慢，有利于SOC的积累。另外，在土壤温度为30℃，土壤含水率为60%～80%时，有机质的矿化作用最为明显。

由图2可以看出，云南省大部分区域年降水量在1 500mm以下，西南地区及部分东部地区受印度洋西南季风和太平洋东南季风气候影响，降水量较高。结果表明，云南省东部大部分地区的降水量为1 000～2 500mm，SOC密度在40～60t／hm2；但SOC密度较高的云南省北方大部地区的降雨却很少，降水量基本在1 000mm以下。此外，由表3可知，年降水量在500～2 000mm的区域，SOC密度基本随降水量的增加而逐渐减少，说明微生物活性随降水量升高而升高，加速了SOC的分解，并未符合SOC密度随降水量的增加而增加这一规律［28］。而年降水量在750～1 000mm的区域，SOC平均密度会突然降低，可能是由于所占面积较大，分布着多种土壤类型，致使最后得出的平均SOC密度偏低。另外，年降雨量为2 000mm以上的地区，SOC密度有逐步增加的趋势，其原因是区域内植被资源（如热带雨林、亚热带常绿阔叶林等）丰富，有机碳来源丰富，土壤含水量影响程度大于有机质的矿化作用。可见总体上云南省SOC密度受降水量影响较大。2.3.2 温度 温度对SOC的主要影响表现在对微生物种群和对净初级生产力（NPP）的影响。SOC的分解速率与微生物密切相关，温度高的区域，微生物活动旺盛，使土壤中的更多的碳释放到大气中。植被生产力的大小在被温度作用的同时，也会对碳循环产生反馈作用［31］。例如，温度的较低的地区，植被的种类较为单一，凋落物数量少，因此土壤有机质的来源较少［17］。

表3 云南省不同降水量下0－20cm土层SOC平均密度

云南省年平均气温的分布图如图2所示。受海拔和纬度因素的影响，云南省低纬度的横断山脉地区年平均温度普遍在18～21℃，其他区域温度随海拔升高而降低，某些特殊区域如河谷区及海拔低的区域温度较高。结果表明，云南大部分地区SOC密度随温度升高而降低［32］，特别表现在东北部高海拔地区（年平均气温为0～9℃），其原因是区域内温度低，微生物活动受到一定抑制，所以有机质不能很快得到分解，土壤中的有机碳随之慢慢积累，SOC密度约为97.20 t／hm2。此外，由表4可知，云南省年平均气温在18℃以上区域的SOC密度并不是最低值，这是因为此地区多为林地，有稳定的有机碳来源。总体上温度对SOC密度的影响占主导地位。

表4 云南省不同气温下0－20cm土层SOC平均密度

图2 云南省年降水量和年平均气温空间分布图

2.3.3 海拔 海拔的高低不仅会影响各植被类型的分布，还对气候等条件造成影响。尤其在西北部三江纵谷区，从图1可以明显看出，河谷区域的SOC密度显著下降，这是因为一方面海拔变化大，不利于植被的生长；另一方面，温差较大，致使土壤中微生物种群和活性受到显著影响。

由表5可知，云南省的SOC密度随海拔的升高而逐渐增加，尤其是在海拔3 000～4 000m的区域内SOC密度比其他地区高出约1倍。

同时，这个规律与气温对SOC密度影响的趋势是相反的，充分地印证了气温随海拔高度的升高而降低这一自然规律。

表5 云南省不同海拔下0－20cm土层SOC平均密度

2.3.4 土地利用类型 土地利用的变化不仅会改变生态系统的净第一性生产力及动植物残体等SOC的输入过程，同时也会潜在地改变土壤理化性质，进一步影响SOC的释放过程［33］。因此土地利用在SOC储量变化中占有重要地位。云南省主要的土地类型包括林地、耕地、草地等。由表1可知，林地主要分布在山地，高海拔地区，如暗棕壤和棕色针叶林土区域（西北三江纵谷区）主要生长寒温性针叶林，云杉、冷杉等植被，森林凋落物保护完整，土壤浅层根系生物量大，有较厚的腐殖质层，因而有机碳密度高。而草地集中分布在海拔3 000m以上的高原地区，如亚高山草甸土区域（年平均气温0～6℃）内部分被积雪覆盖，以高山草地为主，还有报春、龙胆等，虽然微生物活动受到限制，但植物凋落物较少，基本维持土壤有机碳平衡，相比暗棕壤和棕色针叶林土区域（年平均气温6～9℃）的SOC密度少。以上两种土地利用类型对SOC密度变化的作用较为稳定，而耕地对SOC密度变化影响最大。这是由于耕作首先减少了有机质的来源；其次会对土壤中大团聚体造成破坏，破坏了有机质的稳定性，提高了土壤碳的矿化速度；最后会直接影响土壤微生物的活性。所以耕地的SOD密度较自然植被下的土壤要少。例如，耕地集中的云南省中北部地区，土壤类型以紫色土为主，其SOC密度仅为20～40t／hm2。

3 结论

（1）云南省0—20cm深度的SOC密度为59.77 t／hm2，0—100cm深度的SOC平均密度估算值为159.95t／hm2，高于全国平均水平。两个采样深度的SOC储量分别为2.30×108t和6.15×108t，如以谢宪丽等［12］得出的全国0—20cm和0—100cm深度的SOC储量为标准，则分别占到8.40%和7.28%；若以全球SOC储量1.50×1011t为标准，则0—100cm深度的SOC储量约占全球陆地生态系统SOC储量的0.41%。

（2）云南省的SOC密度的空间分布总体上呈由北向南逐步减少，由东向西逐步增加的趋势。地理区域SOC密度顺序为：西北部三江纵谷区＞西南部横断山山区＞东北部的云南高原＞东南部的云南高原＞以紫色土为主的中北部地区。

（3）在降雨量、气温、海拔和土地利用类型等因素的共同作用下，云南省的SOC密度的空间分布差异明显。由于云南是高原山区省份，该省山地约占84%，高原约占10%，高海拔土地和陡坡土地占有较大比重，制约了土地利用的效率，所以自然因素是影响云南SOC密度的主要因子，而土地利用方式的影响较小。

（4）本研究所用数据来源于第二次土壤普查资料，由于当时采样方法的限制和时空变化的影响，在计算SOC密度时，容重数据和采样深度100cm有机质含量是根据其他文献拟合的公式得出的，估算结果可能会与实际结果有所误差。此外，在分析影响SOC储量的因素时，缺乏采样时的土地利用相关数据，并且土地利用类型已发生变化，不能完整地反映出土地利用对云南省的SOC的影响程度。

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