黑河中游不同土地利用类型下土壤碳储量及其空间变化

基金项目：中国科学院知识创新重大项目（KZCX1－09）资助。

作者简介：张俊华（1975－），女，博士，副教授，主要从事陆地生态系统碳循环与环境变化方面的研究。E-

mail ：oklgd@163．com 黑河中游不同土地利用类型下土壤碳储量

及其空间变化

张俊华1，李国栋1，南忠仁2，肖洪浪3，赵自胜

1

（1．河南大学环境与规划学院，河南开封475000；2．兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000；

3．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州730000）

摘要：通过黑河中游不同土地利用类型下土壤碳密度、碳储量的研究表明：总有机碳（TOC ）、活性有机碳（AOC ）、非活性有机碳（NOC ）碳密度、碳储量从小到大呈不同的变化趋势。其中，NOC 与TOC 碳密度从大到小的空间分布基本一致，而AOC 与NOC 、TOC 的分布存在差异，说明土地利用类型变化对三类有机碳的影响不同。经计算得到，

1m 深度TOC 、AOC 、DOC 碳库总量分别为94．72、45．12、49．60Tg ，DOC 碳库占TOC 碳库的比例略高于AOC 占TOC 碳库的比例。分析发现，引入AOC 和NOC 指标，更能真实反映出有机碳与影响因素间关系。关

键

词：土壤有机碳；土地利用；空间变化；黑河中游

中图分类号：X14

文献标识码：A

文章编号：1000－0690（2011）08－0982－07

引言

生态系统中碳的自然平衡遭到破坏，是导致大气中温室气体浓度增加的主要原因，而碳库储量及碳库间的流通量作为基础和重要的数据，是碳循环研究中的焦点。土壤碳库作为陆地生态系统碳库的主体，含量分别是植被碳库的3倍、大气碳库的2倍［1］，其微小变化，即可成为CO 2的主要碳源

［2 6］

，也可成为减缓释放碳的途径［7 9］

，因此，土

壤有机碳的变化机制是目前一个关键的生态过程和活跃的研究方向。国内外对土壤碳库的研究较多，国内的研究多利用两次土壤普查数据计算所

得，结果存在差异［10 13］

，且多集中在土壤总有机碳库的研究和典型生态系统下土壤碳通量的监测。

土壤中有机碳的组分复杂，常被分为难分解有机碳和易分解有机碳、非活性有机碳和活性有机碳（易矿化、易分解、水溶性强、周转时间短等），活性有机碳虽然只占很少比例，但因能敏感指示土壤环境和气候变化，对大气中温室气体含量贡献大受到重视。因土壤活性有机碳有不同表征，实验方法也有

很大不同，其含量和分析结果存在较大差异［14］

，故而，

对活性有机碳库的研究较土壤总有机碳库少。绿洲作为干旱区一类主要的生态系统，环境承

载力低，是人类活动对自然生态系统干扰和破坏程

度较深的区域。作为绿洲可持续发展的基础，土壤生态系统的变化也将波及到区域或全球其它系统

的变化，引发一系列的生态环境问题。本文以黑河中游绿洲为例，研究不同土地利用类型土壤总有机碳、活性有机碳和惰性有机碳的碳密度、碳储量的空间分布及其变化因素，填补以干旱区流域为单位的土壤生态系统碳库研究中的空白。

1材料与方法

研究区位于黑河（中国西北地区第二大内陆

河）流域中游，包括张掖地区的民乐、张掖、山丹、高台、临泽及酒泉地区的酒泉、金塔、嘉峪关等县市（96ʎ42' 102ʎ00'E ，37ʎ41' 42ʎ42'N ），是一个灌溉绿洲农业区，人工绿洲是社会经济的主体，其中耕地占流域总面积的90%。因地处中纬度地带，深居欧亚腹地，属于性中温带干旱气候。夏季短而炎热，月平均气温18．42 22．39ħ，月平均降水15．65 43．99mm 。冬季长而寒冷，月平均气温－0．36 －10．17ħ，月平均降水1．35 5．14mm 。春季升温快，秋季降温快。中游作为主要的耕作区，用水量占流域总用水量的82．6%，其中农

田灌溉用水23．31ˑ108m 3

。

第31卷第8期2011年08月

地理科学

SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA

Vol ．31No．8Aug．，2011

土壤样品的野外取样方法为网格法。以研究区内1ʒ10万的地形图为准，12kmˑ12km的网格为一个采样点，因酒泉、龙首山－合黎山土地利用类型简单，采样点布设稀疏，最终，共获得195个样点。剖面上的取样深度100cm，按0 20、20 40、40 60、60 80、80 100cm，因沙漠、戈壁、裸土地深层以砾石为主，取样深度为0 20、20 40cm。土壤容重采用环刀法。每个土壤样品在室内进行风干、过筛后，进行总有机碳（total organic carbon，简称TOC）、活性有机碳（active organic carbon，简称AOC）的测定。采样点的地理坐标用GPS测定。

TOC含量采用油浴加热－K

2Cr

2

O

7

容量法［15］；AOC

采用高锰酸钾氧化法［16］，该方法是Loginow等在1987年提出，因简单、易行被广泛采用。非活性有机碳（nonactive organic carbon，简称NOC）的含量是土壤中总有机碳含量与活性有机碳含量的差值。1．2土地利用类型现状分布图

黑河流域现状土地利用类型图来源于中国科学院寒区旱区环境工程研究所遥感与地理信息科学研究室，本文所用的黑河中游土地利用类型图是从该图中所切，并从黑河中游土地利用类型图上提取各类型的面积。以上操作在Arc GIS9．2中完成。1．3土壤碳库、碳储量的估算

土壤碳密度（C

d

，单位：kg/m2）的计算公式［17，18］为：

C

d =Σn

i=1

0．58H

i

B

i

Q

i

ˑ10－1ˑ（1－θ

i

）

0．58是土壤有机质含量中碳所占的百分比，

H

i 是i层土壤的厚度（cm），B

i

是i层土壤容重（g/

cm3），O

i 是i层土壤的有机质含量（%）。θ

i

为i层

＞2mm砾石体积含量（%）。

土壤有机碳库（SOC

t ，下式S

SOC t

为其值，单位：

kg）的计算公式［17，19］为：

S SOC t =Σn

j=1

C

d

S

j

式中，S

j

是j类土地利用类型的分布面积（m2）。2结果与讨论

2．1土地利用类型现状分布

研究区内土地利用类型有15种：中覆盖度草地、城镇用地、戈壁、旱地、有林地、水库和坑塘、水田、沙地、河渠、湖泊、灌木林地、盐碱地、裸土地、裸岩石砾地、高覆盖度草地。分析发现，戈壁、水田、中覆盖度草地、裸岩石砾地、盐碱地、沙地分布面积广，由大到小依次为9756．59、3922．98、3363．06、2420．24、2231．75、2033．49km2；而湖泊、水库和坑塘、旱地、高覆盖度草地、灌木林地、有林地、河渠、城镇用地、裸土地的分布面积相对小，由小到大依次为5．87、50．07、54．36、86．2、96．74、116．36、268．72、398．41、796．48km2。其中，戈壁、水田、中覆盖度草地、裸岩石砾地、盐碱地、沙地、裸土地、城镇用地、有林地等占97．80%的土地面积，而耕地占总面积的17．09%。水田、城镇用地主要分布在黑河流经区域的两侧，戈壁、沙地、盐碱地、裸土地、裸岩石砾地则远离水源地，中覆盖度草地主要分布在水田的外围、近祁连山区和山丹的东南部一带。近年，随着人口迅速增加，大片耕地被城市、村镇等侵占。同时，其它土地利用类型被开垦为耕地后，受水资源的，很多又被弃耕。受区域气候影响，土地沙化严重，沙漠化面积增加迅速。不难看出，绿洲区发展成了以戈壁、荒漠为主，水田和旱生草地为辅的土地利用类型分布格局。

2．2不同土地利用类型下土壤有机碳的碳密度与碳储量研究

1）不同土地利用类型下土壤有机碳密度的空间分布。图1所示：土壤TOC碳密度从大到小依次为：有林地、高覆盖度草地、旱地、灌木林地、水田、城镇用地、中覆盖度草地、盐碱地、裸土地、戈壁、沙地、裸岩石砾地、水域。土壤碳密度与土壤的容重、有机碳的含量有关。植被、微生物、自然因素、人类活动是影响土壤有机碳含量和容重的主要因素。裸土地、戈壁、沙地、裸岩石砾地几类土地利用类型所在区域，气候干燥，风大且频繁，风蚀作用强烈，土壤疏松，植物稀疏低矮、定居困难，以沙拐枣、梭梭、白茨、胡杨、花棒、沙麻黄等沙生植物为主。因大风多，滞留在地表的枯枝落叶和细土常被吹走，土壤微生物作用小，土壤发育微弱，无层状结构，有机碳含量低。有林地、高覆盖度草地、灌木林地位于近祁连山区的地带，因雨量充沛，植物生长茂盛，以嵩草、珠芽蓼、垂穗披碱草、早熟禾、针茅、芨芨、杂草、农作物等为主，植物残体易于积累，土壤发育好，有机碳含量高。中覆盖度草地、旱地、水田、城镇用地、盐碱地等土地利用类型，土壤发育过程受自然、人为耕种和水资源的多重因素影响，成土环境介于以上两者之间，土壤有机碳的含量也在

3

8期张俊华等：黑河中游不同土地利用类型下土壤碳储量及其空间变化

两者之间。土壤容重的大小取决于质地、结构、有机质含量和固体颗粒排列的疏密、灌溉、农业耕作措施等因素。土壤重矿物含量多，

容重大；有机物含量高，

土壤疏松多孔，容重小。结果显示：区内土壤容重的变化在0．61 1．82g /cm 3

，其平均值为1．17g /cm 3。有林地、高覆盖度草地、灌木林地土壤平均容重均低于1g /cm 3，变化范围为0．94 0．99g /cm 3，裸土地、戈壁、沙地、裸岩石砾土壤容重在1．30g /cm 3

左右，土壤松紧度最紧，孔隙度最低。中覆盖度草地、旱地、水田、城镇用地、盐碱地土壤容重的变化在1．1 1．23g /cm 3，其中耕地土

壤的容重稳定在1．20g /cm 3

，且区域变化小。综上

所述，空间上不同土地利用类型土壤TOC 密度的

变化趋势体现了有机碳含量和容重的空间变化，呈现出与有机碳含量相同、

容重相异的变化趋势

。图1不同土地利用类型下土壤剖面碳密度分布（g /cm 2

）

Fig．1SOC density distribution in soil profile under different land use

不同土地利用类型下AOC 碳密度从大到小依次为：灌木林地、有林地、旱地、高覆盖度草地、水田、裸土地、城镇用地、中覆盖度草地、盐碱地、戈

壁、

沙地、裸岩石砾地、水域。不同土地利用类型下NOC 碳密度从大到小依次为：有林地、高覆盖度草地、

旱地、水田、灌木林地、中覆盖度草地、城镇用地、

盐碱地、裸土地、戈壁、沙地、裸岩石砾地、水域。可以看出，不同土地利用类型下，土壤NOC 碳密度从大到小的空间分布与TOC 碳密度的分布趋势基本一致，而AOC 碳密度的空间分布与NOC 、

TOC 存在差异，这种差异主要体现在：盐碱地、戈壁、沙地、裸岩石砾地、水域属于TOC 、AOC 、NOC 碳密度较低的土地利用类型，三者的变化趋势一致，而其余几种土地利用类型三种类型有机碳含量较高，AOC 碳密度含量的高低分布趋势与TOC 、NOC 的分布不同。可以认为，土壤TOC 碳密度的空间变

化大体上可以体现土壤NOC 的变化，

但不能代表土壤AOC 的变化。反之，

作为土壤TOC 的组成部分，NOC 占TOC 的比例要高于AOC ，这种空间上的差异性也说明NOC 的含量是影响和控制TOC 含量的主要部分。NOC 是区内相对稳定、短期内转化慢的一类有机碳，对近期环境变化影响相对较小。土壤AOC 是容易被氧化分解的有机碳，短期内对气候和环境的影响也主要体现在AOC 含量的变化。AOC 碳密度高、易发生变化的土地利用类型，是区内有机碳发生变化的区域。该区域土地利用的改变将会引起土壤有机碳含量的升高和降低，成为区域“碳源”和“碳汇”区。因此，

AOC 碳密度的空间分布趋势更能体现有机碳的变化动态。目前的研究多注重土壤TOC 碳密度的研究，而对AOC 的研究，多侧重典型样点上的观测，这里从空间上说明了AOC 、NOC 的变化。分析可知，仅从不同土地利用类型下TOC 碳密度的空间变化研究区域环境与气候变化的关系能间接反映NOC 的变化，却掩盖了其中AOC 的变化，而AOC 的空间变化更真实反映有机碳变化与环境之间的关系，这一研究结果在其它区域还尚未曾见到，也区别于之前在研究有机碳密度时只注重TOC 碳密度的研究，将对干旱区土壤生态系统有机碳的研究有重大

的现实意义和实用价值。但是，从动态变化的角度

来说，

当一种土地利用类型被另一种土地利用类型代替后，土壤TOC 含量发生变化，进而影响AOC 和NOC 含量和空间分布，土壤NOC 的空间变化是否与土壤TOC 保持一致，

AOC 与NOC 之间转化的速率及与影响因素间的关系如何，文中并未涉及，这些机理对区域碳循环的研究具有指导意义，还有

4

地理科学31卷

待深入探讨。

2）不同土地利用类型下土壤有机碳储量的空间分布。图2是不同土地利用类型下土壤剖面上1m 深度碳库的空间分布图。不同土地利用类型下土壤TOC 碳库储量从大到小依次为：水田、戈壁、中覆盖度草地、盐碱地、沙地、有林地、城镇用地、高覆盖度草地、裸岩石砾地、灌木林地、旱地、裸土地、水域。AOC 碳库储量从大到小依次为：戈壁、水田、中覆盖度草地、盐碱地、沙地、城镇用地、裸岩石砾地、有林地、灌木林地、高覆盖度草地、旱地、裸土地、水域。NOC 碳库储量从大到小依次为：水田、戈壁、中覆盖度草地、盐碱地、有林地、沙地、城镇用地、高覆盖度草地、灌木林地、旱地、裸岩

石砾地、

裸土地、水域。不同土地利用类型下，土壤NOC 碳库从大到小的空间分布与TOC 碳库的分布趋势基本一致，而AOC 碳库的空间分布与NOC 、

TOC 的分布有很大不同，这与三类有机碳密度的空间变化一致。进一步说明土壤TOC 的含量主要受控于NOC ，与AOC 关系较弱

。

图2不同土地利用类型下土壤剖面碳库总量分布（0．1Tg ）

Fig．2

SOC pool distribution in soil profile under different land use

通过计算所得，区内1m 深度土壤TOC 碳库

总量为94．72Tg ，

AOC 碳库总量为45．12Tg ，NOC 碳库的总量为49．60Tg 。其中，

AOC 碳库占TOC 碳库总量的47．63%，

NOC 碳库又占TOC 碳库的52．36%，NOC 碳库含量略高于AOC 。土壤碳库的大小一方面受土地利用类型的分布面积影响，另外还受单位面积上土壤有机碳的碳密度影响。仅从分布面积讲，戈壁、水田、中覆盖度草地、裸岩石砾地、盐碱地、沙地、裸土地、城镇用地、有林地等土地利用类型占据了97．80%的土地

面积，它们的TOC 碳库、AOC 碳库、NOC 碳库储量高，分别占总碳库相应类型储量的95%，

98%，97%，其中，水田、戈壁、中覆盖度草地、盐碱地、沙地面积分布广，

占总面积的83．23%，土壤TOC 碳库、

AOC 碳库、NOC 碳库储量大，分别占总碳库的86．56%，92．65%，．26%，是对TOC 碳库、AOC 碳库、

NOC 碳库的贡献较大的土地利用类型；而城镇用地、有林地、裸土地、高覆盖度草地、灌木林地、旱地、水域面积分布小，占总面积的7．32%，土壤TOC 碳库、AOC 碳库、NOC 碳库储量小，分别占到

总碳库的12．%，

2．15%，10．27%；裸岩石砾地面积仅次于戈壁和水田，位于第三，土壤碳库的储

量低，分别占到土壤TOC 碳库、

AOC 碳库、NOC 碳库的0．8%，1．2%，0．47%。计算结果显示，戈壁、沙地、裸岩石砾地、裸土地这几类土地利用类型，土

壤AOC 碳库储量高于NOC 碳库，主要归因于地表植被覆盖度低，受区域气候的强烈影响，土壤有机

碳氧化速率快，

驱使NOC 向AOC 转化，不利于有机碳积累，他们占据了区内面积的59%，

AOC 碳库、NOC 碳库分别占区内的38%，28%，其中戈壁占总面积的38%，AOC 碳库、NOC 碳库分别占31%，23%，采取有效措施减少AOC 的损失意义重大。其他的土地利用类型，除灌木林外（0 40cm ，NOC 含量明显高于AOC ，40 100cm 则相

反），

AOC 碳库均低于NOC 碳库。土壤有机碳密度的高低是影响碳库另一个原因。戈壁、水田、中覆盖度草地、裸岩石砾地、盐碱地、

沙地、裸土地、城镇用地、有林地等土地利用类型土壤TOC 、AOC 、NOC 碳密度空间差异性大，它

们间的相互转化直接影响到土壤有机碳库的储量。

实地调查发现，裸土地、裸岩石砾地土壤TOC 、AOC 、NOC 的碳密度和碳库储量偏低，土地不宜被开垦利用，沙化趋势严重，二者对区内碳库的变化

5

8期张俊华等：黑河中游不同土地利用类型下土壤碳储量及其空间变化

2．3土地利用变化对土壤有机碳的碳密度与碳储量的影响

土地利用类型的动态变化是影响土地利用分布面积、有机碳碳密度和碳库的重要原因。1969 2000年，张掖盆地土地利用变化最显著特征是耕地面积扩张，天然草地和林地面积减少［20］。1987 2000年，中游地区耕地、城镇用地面积分别扩大16．27%和20．01%，草地和水域面积分别减少了13．65%和28．94%［21］。郑丙辉等［22］认为，自1988年以来，城建用地面积增加了5109hm2，其中占用耕地和草地分别达到79．10%和16．80%。开垦草场和未利用地的开垦，使得耕地面积增加了13987 hm2。蒙吉军等［23］比较了1988和2000年黑河中游土地利用变化，表现出耕地和城镇用地大量增加。另外，土地沙漠化是土地利用变化的另一个重要的过程［24］。以上结果显示，现有土地利用类型草地、林地、城镇用地、耕地、戈壁、盐碱地、沙地易发生变化，耕地扩张和土地沙漠化是两个主导过程［25］。从耕地扩张来说，土壤TOC、AOC、NOC的碳密度主要以增加为主，表现在耕地与草地、林地、城镇用地、戈壁、盐碱地、沙地之间的动态变化，同时伴随碳库的增加和减少。据估算，由于耕灌作用，分别使黑河中游土壤总有机碳、活性有机碳、惰性有机碳的储量增加了20．00、8．33、11．78Tg［26］，说明绿洲农田耕种作用对土壤碳汇产生明显影响［27 29］，这与中亚热带地区和三江平原湿地持续耕作后土壤有机碳含量降低的结果相反［30 32］。而土地沙漠化过程则伴随土壤TOC、AOC、NOC大量流失和碳密度的减少，表现在戈壁、盐碱地、沙地大面积的扩张以及弃耕地面积的增加，同时伴随着碳库的增加。土地沙漠化以弃耕地和风沙活动为标志的土地退化为主，这一过程对碳库的影响可从碳密度的变化获得，而沙漠化引起的碳库总量的变化较难获得。

3结论

不同土地利用类型下，土壤TOC、AOC、NOC 碳密度从小到大呈现出不同的变化趋势。土壤NOC碳密度从大到小的空间分布与TOC碳密度的分布趋势基本一致，而AOC碳密度的空间分布与NOC、TOC的分布不同，说明不同土地利用类型变化后对三类土壤有机碳的影响不同。目前，碳循环研究中多注重土壤TOC碳密度的研究，依上所述，土壤NOC碳密度与TOC的趋势一致，与AOC不同，因此，前人的研究结果往往体现影响NOC的因素，而会忽略掉影响AOC的因素。因此，引入AOC 更能真实反映出有机碳与影响因素间关系。

不同土地利用类型下，1m深度土壤TOC碳库总量为94．72Tg，AOC碳库总量为45．12Tg，NOC碳库总量为49．60Tg。其中，AOC碳库占TOC库总量的47．63%，NOC碳库占TOC碳库的52．36%。空间上，土壤NOC碳库从大到小的分布与TOC碳库的分布趋势基本一致，AOC碳库的分布与NOC、TOC有很大不同。分析发现，戈壁、水田、中覆盖度草地、盐碱地、沙地、城镇用地是影响土壤有机碳库的几类土地利用类型。土地利用发生变化后，AOC、NOC之间的转换对掌控有机碳的动态变化将有重大意义。

土地利用变化引起土壤碳库的增减是评价影响土壤有机碳的重要因素。要获知土地利用类型变化后碳库的变化，还需获得土地利用动态变化的面积及变化前后土壤有机碳的百分含量、碳密度、碳库等数据，对于土壤生态系统来说，这一研究任务繁重。另外，土壤有机碳的变化速度较慢，时间尺度较难掌控。从目前的研究成果来看，多采用间接的数学方法获得土地利用变化引起的土壤有机碳储量的变化，对本区域来说，这将在下一步的研究中有所体现。

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7

8期张俊华等：黑河中游不同土地利用类型下土壤碳储量及其空间变化

8地理科学31卷

The Spatial Distribution of Soil Organic Carbon Storage and Change under Different Land Uses in the Middle of Heihe River

ZHANG Jun-hua1，LI Guo-dong1，NAN Zhong-ren2，XIAO Hong-lang3，ZHAO Zi-sheng1

（1．The College of Environment and Planning of Henan University，Kaifeng，Henan475000，China；2．College of Resource and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu730000，China；3．Cold and Arid Regions

Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou，Gansu730000，China）

Abstract：Spatial distribution of soil organic carbon density，storage and its change are researched under differ-ent land uses in the middle of Heihe River，based on the multi-methods of gathering field samples，laboratory a-nalysis，GIS spatial analysis model and remote sensing．The results show that obvious spatial otherness of total soil carbon（TOC），active organic carbon（AOC），nonactive organic carbon（NOC）exist under different land uses．NOC density is consistent with TOC，but density of AOC is different．It indicates that impacts of land use changes on TOC，AOC and NOC are different．According to the calculation result，storage of TOC，AOC and NOC is94．72Tg，45．12Tg and49．60Tg in1m depths，respectively．AOC account is for47．63%and NOC is 52．36%．It’s found that the relationship between SOC and influencing factors is more authentic if AOC and NOC are introduced．

Key words：soil organic carbon；land use；spatial change；the middle of Heihe River