區域尺度森林土壤碳儲量估算方法及人為影響因素研究進展

李曉龍 張雨鑒 宋婭麗

摘要：指出了研究方法不統一是造成不同學者估算森林土壤碳儲量結果不同的主導因素，所得結果必然存在極大的不確定性。歸納和總結了近年來區域尺度森林土壤碳儲量研究中的估測方法及人為影響因素，為尋求統一的研究方法提供理論依據。提出了應根據不同研究區域特征及研究目的選擇合適的土層厚度、研究方法，加強和完善森林生態系統定位觀測，提高森林生態系統土壤碳儲量中各環節數據的準確性，增加必要的實測數據，提高精度;同時采用先進的地理信息系統（GIS）和遙感（Rs）圖像數據處理等技術，利用高精度遙感影像數據，與土壤實測值、模型方法相結合，建立完整的森林生態系統土壤碳儲量數據庫。在研究中應注重人為活動、土地利用和土地覆蓋變化對森林生態系統土壤碳儲量的影響，使得碳儲量的估算更加注重多因素的綜合影響并能在一定程度上揭示碳儲量的動態變化過程及其變化機理。

關鍵詞：碳儲量;森林土壤;估算方法;人為影響;區域尺度

中圖分類號：$718.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0011-06

1引言

當前，由于人口激增引起了對森林等自然資源需求量大幅度增加，毀林現象嚴重，使森林生態系統吸收CO2能力減退，大氣CO2濃度由280mg·kg^-1增加至353mg·kg^-1，增加了近25%。大氣中CO2濃度上升直接導致了溫室效應，使全球氣候變暖。森林生態系統作為陸地生態系統碳貯庫的主體，對于調節全球碳平衡和減緩大氣CO2等溫室氣體濃度上升及調節全球氣候變暖具有不可替代的作用;其維持著陸地生態系統植被碳庫的86%以上和土壤碳庫的73%，每年固定的碳約占整個陸地生態系統的2/3。土壤是森林生態系統中最大且最活躍的碳庫，其碳源/匯功能在減緩溫室氣體體積上升及調節碳平衡等方面具有不可替代的作用，森林土壤碳庫的微小變化都可顯著地引起大氣CO2濃度的改變以及整個區域碳儲量的動態變化。

20世紀90年代以來，我國許多科學家陸續在國家、區域尺度上對土壤碳蓄積量作了大量研究，土壤碳儲量經過兩次全國性的土壤普查，積累了大量的土壤屬性數據。但由于采用的數據來源、項目的研究目的與方法，以及樣本大小、采樣深度等不同，導致同一尺度不同研究結果之間甚至是同一方法和同一研究區的估算結果也相差甚遠。周成虎等、解憲麗等和于東升等應用第二次全國普查資料和中國土壤類型分布圖得出的土壤碳儲量結果在84400～92400Tg之間，土壤碳密度9.14～10.53kg·m^-2之間。對于中國森林土壤而言，周玉榮等、劉世榮等運用土壤類型和植被類型法計算出的碳密度結果也相差很遠，分別為19.4kg·m^-2和10.78kg·m^-2。造成不同學者估算土壤碳儲量結果不同的原因中研究方法不統一是導致土壤碳庫估測不統一的主導因素，所得結果必然存在極大的不確定性。因此，本文歸納和總結國內近年來區域尺度森林土壤碳儲量研究中的估測方法及人為影響因素，以期為尋求統一的研究方法提供理論依據;同時指出加強全國和區域尺度上森林生態系統土壤碳儲量的長期研究，積累長期數據是計算區域土壤碳儲量的有效途徑，對于更為精確計算全國及區域生態系統碳儲量具有非常重要的意義。

2區域尺度森林土壤碳儲量的研究方法

目前，區域尺度研究森林土壤碳儲量的研究方法主要包括土壤類型法，植被類型、生態系統類型和生命地帶類型法、模型法、GIS估算法，相關關系統計法和遙感方法等。值得指出的是，土壤類型法中的挖掘法適用于在土壤礫石含量較多的情況下測定土壤碳儲量。具體做法是：挖出1m×1m樣方內的土壤（深度直達巖石層），分揀出石礫和地表草本、根系后，將樣品過5mm篩，對樣方內土壤抽樣后用于有機碳含量的測定，進而計算該地區土壤碳儲量。研究區域森林土壤碳儲量的不同方法各自有優缺點。

①土壤類型法優點是原理簡單，結果可靠準確，數據較易獲取;但在實際中，由于缺乏土壤類型的空間變異性和空間分布均勻的土壤剖面實測數據，土壤類型的空間變異性導致土壤有機碳儲量估算的不確定性，從而限制土壤碳儲量的估算。②植被類型、生態系統類型和生命地帶類型法可在無土壤剖面資料下估算，但全球植被類型與面積難以精確統計，植被與土壤類型不能一一對應，加之土地利用方式在人為影響下不斷變化，導致統計中不確定因素增多，計算誤差較大，可信度不高。③模型法是應用于區域尺度上森林生態系統碳循環的必要手段，但在運算過程中所有數據必須來自實測值，最終再利用實測值進行驗證;模型參數不易確定;細節過于均一化，忽略了土壤類型和植被類型分布的多樣性及影響因子的多樣性，存在較大的誤差。④GIS估算法可對土壤精確分類，結果較準確，可在某種程度上解決土壤碳儲量由點尺度推演到區域尺度所帶來的尺度擴展問題，也便于和其他技術相耦合;但在運算過程中過程復雜，需要與模型相結合更加全面的計算土壤碳儲量。⑤相關關系統計法具有方便、簡潔的優點;同時土壤碳蓄積量的地理格局和土壤形成因子的關系可以通過比較土壤碳和母質、土壤理化性質、地形、植被和氣候的空間分布，從而得到土壤碳的含量與形成影響因素之間的空間相關關系，但相關關系具有一定的空間局限性，同時并不能解釋土壤有機碳儲量積累或釋放的過程、機理、形成與影響因素。⑥遙感影像直接估算方法可在短時間內對同一地區進行重復探測，獲取大面積同步觀測數據，并且不受地形阻隔等限制，可以綜合反應地質、地貌、土壤、植被、水文等特征;但同時其他土壤特性如“鐵”含量的存在干擾監測，另外只能應用于地表裸露的土壤;土壤有機碳和遙感數據之間的模擬關系仍需改善。

研究方法的選擇上要考慮尺度問題，尺度包括時間尺度、空間尺度和功能尺度等多維性特點，目前關注更多的是空間尺度。例如根據研究目的不同、研究方法不同，不同地區的土壤質地不同等，研究學者選擇不同的土壤厚度做研究。有的研究學者注重土壤表層的研究，.將土壤表層O～40cm每隔10cm細化為O～10、10～20、20～30、30～40cm，隨后按照20am或者25am劃分直到100cm土層深度以及每隔5cm劃分為一個土壤剖面;另外一些學者注重土壤垂直分布的研究，則將土層每隔20cm劃分直到100cm?？傮w來看，傳統采用國際上通用的100cm的深度來研究土壤碳儲量，但目前為止不同學者并沒有統一的劃分標準。也有學者根據實際采樣地的土層厚度<100am來研究，比如在江西省大崗山的土層研究在60am以下，川西亞高山的森林土壤根據當地土壤質地分為腐殖質層+淀積層+母質層，鼎湖山保護區土層深度集中在45～80cm，四川彭州的人工柳杉林土壤研究到70cm;也有學者的研究深度高于100cm，如在山西河曲縣磚窯溝流域暖溫帶半干旱森林草原的栗褐土中，賈宇平等人研究的土層深度為200cm，O～100 am土壤碳儲量僅占O～200cm土壤碳儲量的51.8%，說明100～200cm深度以內土壤碳庫儲量仍占較大比重。若忽略這一深度的土壤碳儲量，則不能對全流域土壤碳庫做出合理估算。因此，根據不同研究區域特征及研究目的選擇合適的土層厚度、研究方法，為全面而準確地估算我國及各區域森林土壤有機碳儲量提供了可能途徑。

3區域尺度森林土壤碳儲量相關因子的計算

通常情況下，在野外取得土壤樣品后，通過不同的測定方法得到某一土層有機質含量（%），再通過與Be-mmelen換算系數0.58的乘積計算得到有機碳含量（%）;某一土層容重（g·am^-3）、有機碳含量（%）、厚度（cm）與<2mm土壤含量（%）的乘積得到某一土層土壤碳密度（kg·m^-2）。森林土壤碳儲量計算過程中的相關因子公式如表1。也有一些研究未考慮>2mm礫石所占體積，使得計算結果有一定的不確定性和不準確性。例如，楊金艷和王傳寬研究中的黑龍江森林生態系統的土壤厚度僅波動在38.44～46.56cm之間，剔除土壤剖面中的石礫含量也使SOC密度估測值略為下降，造成研究結果低于孫維俠等報道的黑龍江暗棕壤的土壤碳密度（21.24kg·m^-2）。其中，土壤容重受土壤含水量、松緊度等因素影響，通常使用環刀法在野外測定。在沒有測定容重的前提下，如表1中陳先剛等利用相關關系得到容重，擬合系數ai、βi、yi在土壤表層分別為0.456、0.056和0.012，在下層分別為0.484、0.02和-0.113;而張城等則利用土壤個剖面點的地理坐標和GIS方法，在中國1：100萬的土壤類型圖上查找剖面所在地的土壤類型，進而查找剖面點的容重數據;以及土壤容重與有機碳含量的回歸方程p=1.3770×e^-0.0048×soc估算得出。

4區域尺度森林土壤有機碳室內測定

土壤樣品帶回室內后，通常對森林土壤有機碳含量進行測定，其方法主要包括干燒法、濕氧化法、光譜分析法。由于測定的方法和儀器差別較大，精度仍然是一個問題。

（1）干燒法是將土壤樣品研磨均勻在80℃下烘干，在中性條件下經過多級冷阱（酒精+液氮）純化，通過不同儀器讀取樣品產生的CO2量，根據產生的CO2量計算出樣品中C的百分含量。所用儀器主要包括CN元素分析儀（ELEMENTAR Vario EL III）、TOC-5000型TOC分析儀、High TOC 11分析儀、HTl 500 Solids

Module

（Analytik

Jena

AG，Germany）等。該方法的優點主要是精度高、操作簡單、樣品用量少、分析結果誤差小，但由于價格昂貴，耗時，產生化學廢物使得應用沒有濕氧化法廣泛。

（2）濕氧化法又稱作重鉻酸鹽氧化法，這種方法是在外加熱源的條件下，用一定量的標準重鉻酸鉀一硫酸溶液來氧化土壤有機質，剩余的重鉻酸鉀用標準硫酸亞鐵來滴定。由消耗的重鉻酸鉀量計算有機碳的含量，再間接計算有機質的含量。一般來說，土壤有機質平均含碳量為58%，要換算成有機質則應乘100/58=1.742。另外，由于該方法對土壤有機質的氧化約為90%。故測定結果還應乘以較正系數100/90=1.1。國內很多學者用此方法，成本低，但精度不高。

（3）光譜法是一種新興方法，此方法需要獲取掃描樣品的平均組成，時間以分鐘或秒計算，儀器購買后分析費用降低，是對航空遙感影像方法的寶貴補充;土壤反射光譜包含豐富的土壤信息，比如土壤有機碳含量、氧化鐵含量、土壤質地、主導粘土礦物類型等。但同時此方法準確度低，土壤標定方面存在偏差，需要提高精度來適用于今后的測定。

5人為因素對區域森林土壤碳儲量的影響

森林土壤有機碳包括植物、動物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產物和腐殖質，其庫容大小受到自然和人為因素的影響。自然因素主要包括植被（森林植被類型、植物生長與過程、林齡等）、土壤屬性（成土母質、土壤理化性質、粘土礦物類型、土壤環境、土壤結構等）、立地條件（海拔、坡度、坡向、坡位等）、氣候條件（溫度、降水、CO2濃度等）、輸人情況（凋落物輸入、根系輸入等）、自然演替進程等;人為因素主要包括土地利用方式的改變（森林轉變為人工林、農地等、改變土地利用現狀等）、人為活動（火燒秸稈用于生活需要、毀林或改變土地利用現狀、退耕還林還草、土地開墾與耕作、過渡放牧、農業生產活動等）。自然和人為因素之間相互作用對森林土壤有機碳儲量產生動態變化，在一些區域人類活動的影響對森林土壤有機碳儲量起主導性作用，也出現未知碳匯、預測氣候變化及其影響不確定性的重要原因。

5.1天然林轉變為次生林對森林土壤碳儲量的影響

天然地帶性森林植被類型各土層土壤碳密度、碳儲量均高于次生人工林植被類型，說明天然地帶性植被類型是最具有潛力的土壤碳改良樹種，在土壤碳儲存方面更能發揮積極的作用。與我國森林土壤平均碳密度相比，江西省森林土壤碳密度均低于全國平均水平，其中闊葉混交林和毛竹林的土壤碳密度高于其他森林類型，二者均以天然林為主，表明天然林土壤碳貯能力強于人工林。這是由于我國亞熱帶地區山高坡陡，土壤抗侵蝕性能差，降雨量大且集中，天然林被破壞后營造的人工林，群落結構簡單、樹種單一、水肥流失嚴重，導致森林有機碳庫的損失嚴重。由此可見天然林的破壞不僅造成植被儲碳能力的下降，而且土壤儲碳能力也隨著降低。楊玉盛等的研究也表明，福建省格氏栲天然林O～100cm土層內土壤有機碳儲量分別是格氏栲人工林和杉木人工林的1.17倍和1.35倍。而在中國北方地區情況相似，吉林省西部松花江平原作為主要農業區域，原生植被的碳儲量遠遠大于次生植被，此地區被其他次生林植被或人工林所替代;同時人口密度大，長期受到人為活動的干擾，許多原生植被破壞嚴重，降雨量也小于東部地區，導致西部地區的碳儲量和碳密度明顯小于東部地區。因此，天然林在土壤碳儲存上起著至關中重要的作用，加強營造和保護天然林不僅可以保持水土、涵養水源、改善區域氣候，更能轉化吸收更多的碳，對碳積累和緩解大氣CO2濃度的上升有更積極的意義。同時，雖然天然林的土壤碳儲量大于人工林，但由于中國森林碳儲量增加主要貢獻來自于人工林，加強人工林的撫育和管理，同時考慮經營措施對土壤碳儲量的影響，通過合理的經營模式增強人工林的碳匯功能，對提高森林質量和其固碳能力、發揮森林巨大碳庫的潛力有重要意義。

5.2土地利用方式改變對森林土壤碳儲量的影響

人為干擾對森林土壤碳儲量有顯著影響，人類活動驅動的土地利用和土地覆被變化是森林碳庫和碳循環最直接的影響因子。不同土地利用方式導致覆被類型的改變，進而形成不同的土壤有機碳儲量，由其他不同土地利用方式包括草地或農田轉變為林地以及退耕還林也會引起土壤有機碳儲量的增加。覆被類型的變化不僅會直接影響土壤有機碳的含量與分布，而且還可以通過改變與土壤有機碳形成和轉換的有關因子間接影響土壤有機碳。張新厚等的研究表明，沙質草地轉變為楊樹防護林帶后，土壤碳儲量以0.95t·hm^-2·a^-1的平均速率在增加。在半干旱沙區，退耕5年的楊樹人工林比對照農田碳儲量下降10%，退耕10-15年的楊樹林比對照分別提高了2和5倍。說明農田退耕還林后，生態系統碳儲量顯著增加，增加的碳儲量主要積累在地上生物量碳庫中。土壤有機碳儲量在退耕還林初期表現出下降趨勢，隨后逐漸恢復甚至高于農田土壤碳儲量。退耕還林也增加了喀斯特峰叢洼地景觀類型土壤有機碳儲量。這主要是由于退耕還林過程中征地（Site preparation）改善了土壤結構，增加了土壤通氣性，提高了土壤微生物活性，加速了土壤有機碳的釋放，同時，土壤有機碳積累依賴于凋落物的供給與分解，從而使凋落物的分解程度不深，土壤有機碳的固定小于釋放。同樣，棄耕后的橡膠林土壤碳儲量低于植被碳儲量，這說明土壤有機碳的儲存需要長效機制，長期條件下保護林地不被破壞才是土壤有機碳儲量增加的有效途徑。

5.3人類活動對森林土壤碳儲量的影響

通常情況下，人類管理活動對深層土壤碳的影響要比表層土壤的影響小得多，因此，對于土壤碳的各種管理實踐相應集中于土壤表層（O～30cm）。研究表明：毀林或改變土地利用現狀，將會造成20%～50%有機碳的損失。例如，環湖地區農田土壤有機碳含量顯著低于圍欄封育草地，原因是圍欄封育草地由于不受機械擾動，呼吸作用減緩，導致土壤有機質氧化程度較低，因此土壤有機碳含量較高。鼎湖山自然保護區中馬尾松針葉林、針闊混交林、次生季風常綠闊葉林和常綠灌叢4種次生植被均為遭到破壞后重新造林或自然更新形成，其中針葉林和混交林雖然都是起源于20世紀30～40年代中期人工營造的馬尾松林，但由于針葉林受到人為干擾（主要指農村居民為滿足對燃料的需求而進行收割林下層植物和凋落物的活動）較混交林嚴重，目前仍停留在針葉林階段。這種人為干擾在我國各地區和一些東南亞國家具有一定的普遍性。在粵東北山區梅江區林地，馬尾松林、桉樹林等在遭到自然或人為破壞（如煉山開墾、收集林下層植物和凋落物等）后，土壤有機碳儲量明顯低于常綠闊葉林等自然地帶性植被類型。這是由于人為干擾活動每年會從森林中帶走大量的林下層植物和凋落物，減少了向土壤層輸入的有機碳含量，人為干擾的負效應又進一步制約森林物質生產和森林演替進程，不利于其碳積累。

人類對森林的肆無忌憚的破壞，改變森林土地利用方式的同時，導致了森林生態系統土壤碳固定功能的減弱。森林砍伐可以直接造成森林生物碳庫的急劇下降，同時改變林下土壤結構和水熱條件，使土壤有機質暴露并與氧氣充分接觸;同時，除了利用一部分有用的木材外，其他部分如葉、枝、皮、根等可能被分解腐爛，或被當做燃料而燒掉，導致大氣中CO2含量增加。森林采伐后的土壤碳儲量被認為在采伐后的幾年里導致土壤碳的損失，有機物分解引起的碳排放超過碳輸入，使得林地土壤成為一個凈碳源。胡會峰和劉國華認為中國實施天然林保護工程后，在1997～2002年的5年間，因森林木材砍伐減少，有累積22.75Tg的碳釋放減少。而采伐后的土地利用方式對土壤有機碳影響也很大，森林轉變為農田后土壤有機碳含量減少20%，轉變為牧場后也會降低。

人類活動對全球變化背景下，不同土地利用方式的土壤碳吸存的影響作用必須高度重視。尤其是在我國不同林區，人口密度不同，經濟發展水平不同，人為因素對土地的利用類型影響深刻、久遠。尋求適合的土地資源管理形式，持續土壤碳吸存的經營模式，最終以穩定腐殖質來提高土壤對大氣CO2的吸存，使之朝一個有利于土壤碳儲存而又促進土地退化過程逆轉的方向發展，才是人們在緩解大氣CO2濃度上升中應該做出的抉擇。

6存在的問題與展望

由于缺乏連續、可靠、完整和統一的土壤剖面實測數據，土壤碳含量、質地、容重等土壤理化性質存在相當大的空間變異性，以及氣候、地形、母巖、植被和土地利用在時間和數量上復雜性的綜合影響，森林土壤有機碳儲量很難估算。不同研究者對我國陸地土壤碳庫的估算結果差異較大，是由于他們計算時所采用的基礎資料來源不同、土壤采樣方法的設計不同以及土壤碳蓄積量的計算方法導致同一土壤理化性質不同、土壤面積差異、土壤剖面個數相差較多、土壤深度不統一。森林生態系統碳儲量研究是一個長期持續的過程、學科涉及面廣、時空尺度復雜、數據量龐大，為更加準確深人地研究森林生態系統的碳儲量，今后應加強和完善森林生態系統定位觀測，提高森林生態系統土壤碳儲量中各環節數據的準確性，增加必要的實測數據，提高精度;同時采用先進的地理信息系統（GIS）和遙感（RS）圖像數據處理等技術，利用高精度遙感影像數據，與土壤實測值、模型方法相結合，建立完整的森林生態系統土壤碳儲量數據庫。另外，研究中應注重人為活動、土地利用和土地覆蓋變化對森林生態系統土壤碳儲量的影響，使得碳儲量的估算更加注重多因素的綜合影響，并能在一定程度上揭示碳儲量的動態變化過程及其變化機理。