土壤有机碳储量时空变化及影响因素

山东省第二次土壤普查（开始于1985年）和本区的多目标区域地球化学调查（开始于2007年）前后间隔22年，在这一时期内，随着城市化、工业化和农业经济快速发展，表层（0～20cm深）SOC受到自然条件和人为活动的影响最显著，导致表层土壤SOC密度及储量发生明显改变。

一、不同时期表层土壤有机碳密度及储量

图6-4为SOC含量的频率直方图，同时计算了不同土壤类型的表层SOC储量及年变化速率，结果见表6-6。对这两个不同时期SOC的含量、密度及储量进行对比发现，从第二次土壤普查到多目标调查，研究区SOC含量从主要集中在0.25%～0.5%范围内变为集中在0.75%～1.0%的范围；0.75%以上的SOC含量比例从11.49%升高为55.15%，相应＜0.5%的SOC含量比例从49.94%降低为10.28%，总体SOC含量从0.53%升高到0.83%，经过22年的时间，本区SOC含量总体表现为升高的趋势。

图6-4 不同时期SOC含量对比图

表6-6显示，1985年表层SOC密度为1.33kg/m2，2007年表层SOC密度为2.12kg/m2。土壤类型中只有风沙土和盐土表层SOC密度整体有所降低，其SOC储量较1985年分别减小了21.55%，18.28%，其他土壤类型SOC密度均不同程度升高，SOC储量虽然局部地区较小，但整体呈增加的趋势，尤其水稻土和石质土增加量远大于减小量，总体分别增加了122.86%，95.41%。

表6-6 鲁东地区表层SOC密度及储量变化表

从年变化速率来看，以水稻土、石质土和砂礓黑土增加TOC最快，其速率分别达到72.93 t/（km2·a），56.22 t/（km2·a）和46.21 t/（km2·a），而全区表层土壤以35.94 t/（km2·a）的速率增加有机碳。这说明在22年来，研究区表层土壤不断地从环境中吸收碳，总体表现为“碳汇”效应；由表6-6可见，表层SOC储量由72.94mt增加为116.19mt，净增了43.27mt，利用MapGIS空间分析功能，计算得出总“碳源”值为2.35mt，总“碳汇”值为45.80mt。

二、土壤有机碳密度空间变化特征

利用式（6-1）可以计算1985年SOC密度，同时对2007年和1985年SOC密度做减法运算，得到全区从1985年至2007年约22年间的SOC“源汇”分布图（图6-5）。22年来，研究区90.71%的区域SOC密度增加，SOC增加的“碳汇”区分布在研究区中部和南部大部分地区，其中青岛市中东部及研究区西部最为显著，SOC密度增加1.0kg/m2以上。

图6-5 表层（0～20cm）SOC碳密度空间变化图（1985～2007年）

SOC密度降低的“碳源”区分布有如下3个特征：①出现在沿海地带，潍坊北部海岸和胶东半岛海岸带，SOC密度均大幅度降低，一般降低0.4kg/m2以上，初步分析与高钙碱性环境不利于有机碳增加，另外与土壤盐促进有机质的分解有关；②中低山区，毁林（草）开荒，林地、草地向旱地转化（SOC密度降低）是形成“碳源”的主要原因，另外沿海局部地带也存在这种现象；③矿集区及城镇所在地，城镇用地及矿山用地的扩大导致SOC密度降低，但由于面积有限，由此造成的土壤“碳源”效应相对较小。

三、影响有机碳密度变化因素

从变化机理上来分析，引起土壤有机碳密度降低的原因是多方面的，气温、降水、农耕管理和土地利用的变化能够使土壤中有机碳含量发生变化，另外土壤 pH、土壤质地、土壤C/N值、微生物量等许多因素均可能影响SOC含量及其在土壤中的稳定性。但在不同区域，其主导因素不同。本研究从现有条件出发，对影响SOC含量及变化的因素进行了分析研究。

（一）农耕管理

不同耕作措施对土壤碳含量影响较大，耕作措施变化的影响是非常显著的。传统耕作下，翻耕导致了土壤结构的变化及频繁的干/湿循环，使本来受到团聚体保护的SOC得以暴露，导致土壤中碳矿化速率提高，加速了土壤碳的释放，免耕、浅耕则减少了因耕作带来的对土壤的翻动，减少土壤接触空气的机会，减缓了土壤中碳、氮的矿化速率和土壤有机质分解速率，减少了反硝化作用所需的碳、氮基质供应量。同时，长期免耕可以提高土壤表土层微生物生物量碳、氮含量，凋落物的转化也增加了有机碳的蓄积量，同时也避免了土壤中富含碳的大团聚体破坏。山东省自20世纪80年代初开始推广免耕、浅耕技术，对SOC含量的提高起到积极作用。

尽管免耕措施具有较大的固碳潜力，但是长期实施免耕会出现土壤紧实度增加，表层有机质和植物养分富集，病虫草害严重等问题，而秸秆还田不仅可以增加SOC储量和养分含量，而且还能减少由于秸秆就地焚烧导致的碳损失和减轻大气污染，具有明显的环境效益。

多施有机肥、植物残体还田，或种植绿肥这是增加有机质的主要来源。长期施用有机肥或有机肥和氮磷钾矿质肥料配合使用，有利于土壤有机碳、活性炭、微生物碳和矿化碳含量的提高。

（二）温度与降水

土壤是气候变化影响的接受体，也是气候变化的记录者，气候在SOC蓄积及消耗过程中起着重要的作用。土壤中有机质的分解速率受土壤水分和温度控制。

温度对SOC的影响可能通过以下方式：一是温度影响植物的生长，从而改变植物残体向土壤的归还量；二是温度影响SOC分解的速率，改变土壤有机碳的释放量。温度越高，土壤微生物活动增强，分解有机质速率加快，SOC密度越低。积温是一年内日平均气温≥10℃持续期间日平均气温的总和，是研究温度与生物有机体发育速度之间关系的一种指标，因此理论上SOC与积温也应具有上述一般规律。然而，本次研究发现积温与表层SOC含量间显著正相关，正好与其相反（图6-6），与表层SOC密度变化量相关性不明显（图6-7），但仍显示出正相关关系。说明气温不是影响鲁东地区表层SOC含量及变化的主要因素，其他因素可能干扰了气温对SOC的影响；而对于深层土壤，积温越高，SOC含量越低（图6-8），满足一般规律。

降水量对SOC有着明显的制约性。土壤水分充足，则透气性差，原有机碳不易矿化，外源有机残体在水分作用下易于腐烂分解成小分子有机质，保存于土壤中，从而有利于SOC含量的提高；土壤水分不足，土壤孔隙度大，利于有机碳的矿化分解，不利于有机碳的积累。由图6-9可知，随着降水量的增加SOC密度变化量增加（碳汇效应），呈明显的线性正相关，而与土壤TOC含量关系不明显（图6-10）。

图6-6 积温与土壤TOC含量的关系图

图6-7 积温与表层SOC密度变化量的关系图

图6-8 积温与深层土壤TOC含量的关系图

图6-9 多年平均降水量与表层SOC密度变化量的关系图

图6-10 多年平均降水量与土壤TOC含量的关系图

（三）大气CO2浓度

大气CO2浓度的变化主要通过影响植物生长而间接影响土壤碳循环。首先，大气CO2体积分数的增加直接影响植物的光合作用，进而提高净初级生产力。并且更多的光合产物分配到植物根系，促进根系的生长和根分泌物的增加，使得根基沉积和根际呼吸作用也显著提高，因此促进了碳向地下部分的输入。有资料显示，当大气中的CO2体积分数加倍时，多数作物的产量就增加33%，实际上这也是一个明显的碳汇。另外，大气CO2浓度的升高还将通过影响凋落物的化学组分及生态系统种类组成而影响凋落物的分解，而且通过凋落物中C/N比的改变影响土壤微生物分解速率，从而导致植物-土壤系统中碳通量的变化。

（四）土地利用变化

随着山东省工业的发展和城市化进程加快，在土地利用方式改变的同时也严重影响了 SOC的含量。本次研究表明（表 6-5），不同土地利用类型间SOC密度存在较大差异，起到使 SOC密度增加（碳汇）的典型土地利用转化方式是旱地到水田的转化、旱地等其他类型到林地、草地的转化；使SOC密度减小（碳源）的典型土地利用方式是园地、林地、草地到旱地、水田到旱田、其他用地到水域用地、居民工矿用地的转化等。

（五）土壤性质

土壤质地、pH、化学元素组成等影响SOC的稳定与存储。表6-7为表层SOC含量和密度变化量与土壤部分指标的相关系数。通过相关系数表可知，SOC与多种元素存在明显相关性，土壤性质对SOC有如下影响：

表6-7 表层SOC含量和密度变化量与土壤理化指标的相关系数表

1）土壤质地是影响SOC含量的重要因素。由图6-11可知，土壤黏粒含量与SOC含量存在显著正相关关系，相关系数达0.772。质地重，土壤保肥力强，通气性差，土壤水分含量较高，好气微生物的活动在一定程度上受到抑制，有机质分解缓慢，矿化率低，容易积累；而轻质地土壤，保蓄力弱，养分流失量大，土体内常常是气多水少，通透性良好，微生物对有机质分解很旺盛，有机质不易积累，故含量往往偏低。

2）由图6-12可知，对于原TOC含量越高的土壤，其后期SOC增加量越小（碳源效应越小）。这说明原TOC含量高的土壤，随着耕种年数的递增，有相当大的部分作为收获物被带出，进入土壤中的有机物减少，同时耕作增加了土壤的侵蚀，使土层变薄，也是SOC增加量减小的一个主要因素。因此，要维持土壤有机质含量在这种动态平衡中保持一定的水平，人为的增施补充有机肥是一个必不可少的措施。

图6-11 土壤质地对TOC含量的影响图

图6-12 土壤原TOC含量对SOC密度变化量的影响图

3）土壤盐不利于有机碳的增加。土壤盐可能会促进有机质的分解而不利于有机碳的存储。图6-5中沿海部分地区表现为“碳源”效应。胶莱盆地中部为高矿化度水分布区，土壤盐度远高于西部地区，该区虽然也具“碳汇”效应，但TOC增加幅度比淡水分布区小得多，可能与K＋，Na＋，Cl-等盐离子不利于有机碳稳定与存储，从而与TOC含量及密度变化量之间出现负相关性（表6-7）。

4）SOC含量和密度增加量与 TOC/N比及 Se元素含量均呈显著正相关，说明较高的TOC/N及Se含量可提高TOC 的固存能力。土壤、植物残体及微生物体内的 TOC/N在土壤有机质分解中具有重要作用，并且影响SOC的剖面分布及碳储量。研究表明，微生物对有机质正常分解的碳氮比为25：1。碳氮比大的有机物分解矿化较困难或速度缓慢。本区TOC/N范围为0.91～42.6，均值为9.13，低于全国均值10.21。Se是本区表层土壤富集强度较高的元素，仅次于TOC，且与燃煤及采煤有显著的空间对应关系，人为成因大于自然成因。土壤中 Se元素的腐殖酸结合态及强有机态累积约占全量的44.45%，即Se元素在土壤中主要以有机态存在。在表层土壤中，Se不但与 TOC 密切相关，且与SOC密度增加量呈显著正相关（表 6-7）。可见，无论 Se元素成因如何，它与有机碳的积累密切相关。

5）SOC含量和密度增加量与CaO呈负相关（表6-7），说明高Ca碱性土壤环境不利于有机碳增加。已有研究表明，干旱、半干旱碱性、富钙土壤环境下，由于富含氢氧化物、氧化物、磷酸盐和无机碳，有利于次生碳酸盐的形成，生成途径为SOC→CO2→

→CaCO3。胶莱盆地中部即属碱性富钙土壤，其表层土壤pH平均值高达7.9，CaO背景值为5.48%，是全国土壤背景值（2.16%）的2.5倍。因此，具有典型的干旱、半干旱碱性、富钙土壤环境特征。在此条件下，土壤虽然表现出“碳汇”效应，但却使SOC分解速度加快，SOC密度降低。

6）SOC含量和密度增加量与土壤SiO2之间呈明显的负相关性（表6-7），说明高Si的沙质土壤有机碳易流失。土壤碳丢失途径除有机质矿化分解、作物收割等因素外，还包括河流输出、水土侵蚀、水文地质作用等。鲁东地区土壤母质多以花岗岩风化物为主，土壤熟化程度较低，而且颗粒较粗，SOC易流失。

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