李春亮等:黄土高原西段表层土壤有机碳储量及时空变化规律

2023年3月26日 by 没有评论

黄土高原表层土壤有机碳在土壤碳循环中具有重要地位,通过土地质量地球化学调查获得的黄土高原甘肃省境内表层土壤有机碳数据,总结了表层土壤有机碳在不同土壤类型、土地利用方式及地形地貌中的分布特征,分析了研究区土壤有机碳密度与全国其他典型地区的差异,并与全省第二次土壤普查成果进行了比较。结果表明:在不同土壤类型中有机碳密度呈灰褐土>

黄土高原表层土壤有机碳在土壤碳循环中具有重要地位,通过土地质量地球化学调查获得的黄土高原甘肃省境内表层土壤有机碳数据,总结了表层土壤有机碳在不同土壤类型、土地利用方式及地形地貌中的分布特征,分析了研究区土壤有机碳密度与全国其他典型地区的差异,并与全省第二次土壤普查成果进行了比较。结果表明:在不同土壤类型中有机碳密度呈灰褐土沟道的分布规律。黄土高原西段表层土壤有机碳密度在全国各典型地区最低,为1.87 kg/m2;有机碳储量为78.56 Mt,较1990年增幅10.54%,近年来土壤有机碳储量呈不断上升趋势。

人们普遍认为气候变暖与自工业革命以来大气中CO2浓度的增加有密切关系,土壤碳库作为陆地生态系统碳库中最大的贮库,一直以来都是国内外学者关注的对象。其中,有机碳作为土壤中较为活跃的部分[1⇓⇓-4],其浓度变化更是以温室效应的方式影响全球气候变化[5]。针对土壤碳储量,早期的研究多集中于土壤有机质(碳)及其在土壤肥力中的作用,如对土壤养分、土壤结构、土壤保水保肥方面的意义[6]。20世纪末开始关注土壤固碳、土壤碳转化和碳循环对全球气候变化的影响,土壤能否增加碳储存是关系陆地生态系统继续发挥对大气中CO2的吸收与固定的碳汇效应的重要理论基础[7]。

王绍强等[8]运用第二次全国土壤普查资料估算得到中国土壤总有机碳库为92 Pg;潘根兴等[9]估算全国土壤表层有机碳库为43.6 Pg,徐香兰等[10]估算黄土高原表层土壤有机碳库为1 068 Tg,目前对黄土高原西段甘肃省境内表层土壤有机碳储量的研究则比较少见,表层土壤有机碳含量关系着黄土高原西段粮食安全、土壤质量和生态环境等诸多方面[11⇓-13],随着黄土高原区生态环境综合治理的大规模开展以及国土绿化工程的实施,西北黄土高原地区极有可能成为陆地生态系统蓄存二氧化碳的重要区域[14]。本文通过调查甘肃省境内黄土高原表层土壤获得的有机碳含量,分析了在不同土壤类型、土地利用方式及地形地貌中土壤有机碳的分布特征,并估算了黄土高原西段不同时期表层土壤有机碳储量,有助于了解整个黄土高原有机碳的分布情况,并为准确计算黄土高原有机碳储量提供科学依据,对建立黄土高原区土壤碳库,研究碳循环和土壤碳封存能力具有较大的指导意义。

黄土高原西起青海省东部及甘肃省乌鞘岭,东至太行山,南靠秦岭,北抵长城沿线一带,涉及甘肃、青海等7省(区),总面积623 000 km2[15]。本文以黄土高原西段典型代表区甘肃省境内兰州、白银、定西、平凉和天水5地区表层土壤有机碳为研究对象,研究区面积42 348 km2,其中农用地20 068 km2、草原16 664 km2、森林3 324 km2,是甘肃省主要农业生产区;区内土壤以黑垆土、黄绵土和灰钙土为主;水土流失问题严重,属西北生态环境最脆弱区[16]。

本文研究数据来源于甘肃省1:25万土地质量地球化学调查实施的兰州—白银地区、定西—静宁地区及临夏地区3个项目采集的表层土壤样品(0~20 cm)共计42 351件,采样密度为1个点/km2,以4个样品组合成为1个分析样,分析获得土壤样品有机碳含量数据10 587个,垂直剖面土壤样品(0~2 m)68个,分析获得垂直剖面土壤有机碳含量数据340个,所有样品均由武汉综合岩矿测试中心检测,采用重铬酸钾容量法,该分析配套方案是我国多目标区域地球化学扫面样品分析的最佳分析方法之一,检出限为0.1μg/g,分析精密度控制在10%~20%,准确度控制在0.10~0.12,分析报出率达到98%以上,对分析质量采用全国质量监控制度控制。

土壤碳密度是指单位面积中一定深度的土体中碳元素的质量[17],本文土壤有机碳密度的计算公式为:

式中:SOCD为有机碳密度, kg/m2;w(TOC)为土壤有机碳含量, %;d为计算深度,本文取20 cm;ρ为土壤容重, g/cm3;10为单位换算系数,其中土壤容重数据来源于《甘肃土壤》[18]。

土地质量地球化学调查中土壤表层样品分析以4 km2为分析单元;在4 km2范围内,一定深度土层中有机碳的质量被定义为单位土壤有机碳量[19],单位土壤有机碳量计算公式为:

利用土地质量地球化学调查数据,采取单位土壤碳量方法计算土壤碳储量。土壤有机碳储量计算公式为:

式中:SCRTOC为土壤有机碳储量,t;USCATOC,i为第i个统计单位土壤有机碳量,t/4 km2;n为土壤有机碳储量统计范围内单位土壤有机碳量加和个数,即4 km2大小的网格数。

将分析数据叠加至1:500 000甘肃省土壤类型图[18]上,分别统计不同土壤类型单元内有机碳储量,灰钙土中土壤有机碳储量最大,占总储量的32.15%;其次是黄绵土,占总储量的21.52%;加之黑垆土、红黏土、黑钙土和灰褐土,这6种土壤有机碳储量占总储量的86.4%。有机碳密度由高到低依次为灰褐土、高山草甸土、黑钙土、栗钙土、红黏土、灌漠土、灌淤土、黑麻土、黑垆土、黄绵土、灰钙土和风沙土。

将分析数据叠加至2015年甘肃省第二次全国土地调查数据图斑上,分别统计不同土地利用方式下土壤有机碳储量,其中耕地有机碳储量最大,占总储量的47.18%;其次是草地,占总储量的21.52%;有机碳密度由高到低依次为林地、建设用地、耕地、园地、草地和未利用地。

将研究区土壤有机碳储量与全国其他典型地区有机碳储量进行对比分析[20],可以看出黄土高原西段土壤有机碳储量约占黄土高原有机碳总储量的6.61%,面积却占黄土高原总面积的9.85%;在各分区中平均碳密度最低为1.87 kg/m2,约为黄土高原区平均碳密度的75.05%。

对研究区内黄绵土分布范围内的采样点按照地形地貌条件进行了分类统计,总结了不同地形地貌、不同深度土壤有机碳密度的分布特征(图2),结果表明,土壤有机碳密度随深度呈指数形式变化,在不同的地形地貌间,表层土壤碳密度呈现出塬面>

梯田>

坡地>

沟道的分布趋势,这主要与塬面为历史多年的农耕区[22],受到人工改造及施肥历史悠久有关,梯田区则多为黄土丘陵区受人工改造所致,而坡地及沟道区多是与土壤有机碳受流水冲刷流失有关。

利用2018年土地质量地球化学调查所获得的有机碳含量数据与1990年甘肃省第二次土壤普查所获得的有机质数据进行对比,分析近30年来调查区内土壤有机碳变化(表4。

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