土壤有機碳儲量估算的影響因素和不確定性

劉苗，劉國華*

土壤有機碳儲量估算的影響因素和不確定性

劉苗1,2，劉國華1*

1. 中國科學院生態環境研究中心，區域生態與環境國家重點實驗室，北京 100085；2. 中國科學院大學，北京 100049

土壤作為陸地生態系統最大的碳庫和碳循環過程的關鍵環節，其源、匯的變化直接影響全球碳平衡，因此，土壤有機碳儲量估算成為生態領域的重要研究內容之一。通過比較不同研究者在不同研究尺度上報道的有機碳儲量的研究結果，發現這些研究結果較不一致。分析認為導致土壤有機碳儲量評估結果存在較大差異的原因，主要是來自于采樣過程中人類干擾以及氣候變化等環境要素的波動，特別是研究者所采取的不同估算方法和背景資料。從環境要素（外因）和估算方法（內因）兩個角度出發，提出了土壤有機碳儲量的研究意義，闡述了造成土壤有機碳儲量估算的不確定性和目前研究中存在的問題，并在此基礎上，對其未來研究方向和重點進行了展望。

土壤有機碳儲量；不確定性；人類干擾；氣候變化；估算方法

生態系統的碳平衡整體上由3部分組成：以凈生產力表征的碳輸入、以系統呼吸表征的碳輸出和系統的碳庫儲量（Fang，2011）。基于區域或者全球生態系統碳循環過程機理的認識，是人類調節地圈-生物圈-大氣圈的相互作用關系，維持全球生態系統的物質與能量循環以及自然資源循環再生的重要生態學途徑，也是全球變化科學與區域或全球可持續發展研究中最具挑戰性的重大理論性和戰略性問題（于貴瑞等，2003）。

土壤是陸地生態系統最大的碳庫，土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）水平直接影響環境過程，如侵蝕、土壤肥力（Huang等，2007）、溫室氣體通量（Panos等，2013）、提供食物和維持水質（Zhang等，2008），其對全球變化的反應靈敏、復雜，在減少碳匯不確定性方面具有極為重要的作用，但目前尚未引起足夠重視（Fang等，2001）。土壤有機碳作為土壤碳庫的重要組成部分，是大氣碳庫的3倍，大約是植被的2.5～3倍（Post等，2000），如若全球土壤有機碳的10%轉化為二氧化碳，則會有超過30年來人類二氧化碳的總排放量（IPCC，2001）。所以土壤有機碳的微小變化將會極大的緩和或加速大氣CO2濃度的提高，進而改變全球碳循環（Yang等，2009；陳朝等，2011）。作為衡量土壤固碳能力的重要指標之一，土壤有機碳儲量在調控地球表層生態系統的碳平衡和減緩溫室氣體排放方面發揮重要的作用（汪業勖等，1999），土壤有機碳儲量估算的研究也因此成為近年來國內外全球碳循環研究的焦點。同時土壤固碳作為一種工業碳減排的替代性戰略途徑，成本低，可行性強，在氣候談判過程中已經引起了世界各國政府的高度重視。

但是，目前對土壤有機碳儲量估算沒有形成統一標準或規范，由于學者們的研究方法和角度不同，使得估算中存在較大不確定性，研究結果并不一致，存在較大差異，這也成為不同區域土壤有機碳儲量比較、大尺度上有機碳儲量評估以及國家政策制定的主要障礙。為此，本文提出了土壤有機碳儲量在當前背景下的研究意義，從不同尺度方面論述土壤有機碳儲量估算，并從環境因素、人類活動、氣候變化以及估算方法幾個方面論述土壤有機碳儲量估算不確定性的來源，據此揭示研究中存在的問題、探討未來研究方向。以期為今后土壤有機碳儲量估算精度的提高，提供理論依據，為制定土壤固碳路線圖提供重要參考。

1 土壤有機碳儲量估算的不確定性

與國外相比，國內對不同尺度土壤有機碳儲量的研究相對較少且較晚。由于研究者采用研究尺度不同、基礎數據來源和方法不同，同時不同尺度上

的影響因子也存在很大差異，因而，對于土壤有機碳固定能力的分析會有所差別，使用模型方法模擬土壤碳蓄積的機理過程，又缺乏大量相關和連續觀測數據，導致模型的參數化和初始化更加困難（王紹強等，2003），進而影響土壤有機碳儲量的估算結果。因此，在不同尺度上土壤有機碳估算存在很大的不確定性，有必要對其進行梳理。

早期多數研究集中在全球1 m厚度土壤有機碳儲量的估算，由圖1 [根據金峰等（2000）數據整理繪制] 可以看出，由于采取不同的研究方法，導致研究結果存在較大差異。Rubey（1951）利用土壤剖面估算法，估算全球1 m厚度土壤有機碳儲量為710 Gt，而Bolin認為全球1 m厚度土壤有機碳儲量則為700 Gt。Bohn（1976）利用世界土壤類型分布圖，得出全球1 m厚度土壤有機碳儲量為2946 Gt；比較而言，后期的研究結果較為一致，研究表明全球1 m厚度土壤有機碳儲量大約為1400～1600 Gt。如根據生命帶法（2696個土壤剖面數據資料），得出全球1 m厚度土壤有機碳儲量為1395 Gt（Post等，1982），而利用美國農業部土壤保持局的土壤數據庫進行計算，結果為1427 Gt（Buringh，1984），Schlesinger（1990）研究得出土壤碳庫高達1500 Gt，而利用FAO/UNESCO世界土壤圖統計，計算結果為1576 Gt（Eswaran等，1993）。Batjes（1996）則采用土壤類型研究法，將世界土壤圖劃分0.5°×0.5°的基本網格單元，根據每個單元的土壤結構屬性數據，估算出全球1 m土壤有機碳儲量為1462～1548 Gt。Prentice and Fung（1990）、田中正之（1992）、Sombroke（1993）、Foley（1995）、King（1995）估算全球的有機碳儲量分別為1143、1490、1220、1373.2、1537.9 Gt，由此可知，在評估全球尺度上有機碳儲量，不同學者研究結果存在一定的差異。

中國陸地生態系統碳貯量作為全球碳循環的重要組成部分，近年來受到學者們的廣泛關注。李克讓等（2003）應用0.50經緯網格分辨率的氣候、土壤和植被數據驅動的生物地球化學模型（應用植被、土壤和大氣碳交換(CEvsA)模型）估算了當前中國植被和土壤的碳貯量，結果表明，中國陸地生態系統土壤碳貯量分別為82.65 Gt，為全球土壤碳貯量的4%。王紹強等（1999，2000）、金峰（2001）、Ni（2001）、Wu（2003）、解憲麗（2004）、于東升（2005）等采用第一次、第二次中國土壤普查資料及經驗模型等方法，研究中國陸地1 m土層土壤有機碳儲量，估算結果在50～180 Gt之間。Yu等（2007）根據調查的不同土壤類型的SOC均值對中國SOC進行了估計，結果表明SOC儲量也在50～180 Gt之間。由表1可知，方精云（1996）與潘根興（1999）的研究結果差異最大，前者是以同類型土壤碳密度的面積加權平均值作為各類型土壤有機碳密度，然后利用土壤類型圖統計出的各類型土壤面積來估算土壤有機碳儲量是185.6 Gt，后者是先計算出各土種剖面的土壤有機碳密度，再利用各土種的面積統計資料來估算土壤有機碳儲量是50.0 Gt，二者相差3～4倍。

表1 中國1 m厚度土壤有機碳儲量估算的主要研究結果Table 1 Main results on soil organic carbon storage of 1 m depth in China

圖2 不同生態系統土壤有機碳儲量研究結果比較Fig.2 Two results on soil organic carbon storage of different ecosystems

研究局域尺度土壤有機碳空間分布特征，對準確估算大尺度土壤碳庫儲量和變化具有重要意義（孫文義等，2011）。由于土壤碳庫空間分布不均，區域土壤有機碳儲量實測及代表性數據貧乏，使得區域尺度土壤有機碳儲量估算存在較大不確定性。同時環境的變化和人類擾動對土壤有機碳影響很大，如Bockheim（1999，2003）先后2次對面積為64 km2的阿拉斯加北極圈凍土有機碳儲量進行估算，前期研究發現土壤平均有機碳含量是50000 g·m-2，后期研究表明土壤容重和土壤有機碳密度均隨著分解速率的加快而增加。

針對具體的生態系統，國內外學者開展了土壤有機碳儲量估算方面的工作。Post（1982）和Houghton（1995）分別對不同生態系統的土壤有機碳儲量進行了較細致的研究（圖2）。兩者研究的差異較大，但是在不同生態類型之間差異較為一致。Yang分析比較了近20年來在中國草地生態系統開展的不同研究，指出不同研究得到的結果差異較大，草地土壤有機碳密度的變動在8.5～15.1 kg·m-2（以C計）之間（Yang等，2010），中國草地生態系統的碳庫約為29.1 Pg C，其中96.6%的碳儲存于土壤有機質中。分析發現中國草地生物量和土壤有機碳庫在過去20年里沒有發生顯著變化，認為中國草地生態系統處于中性碳匯狀態（Fang等，2010）。周玉榮（2000）對我國主要森林生態系統土壤碳庫的估算結果是21.02 Gt。黃耀等（2006）根據近20年中國耕作土壤有機碳儲量的變化，得出中國耕作土壤的平均碳匯為15～20 Tg·a-1。Pan（2003）研究得出90年代中國水稻土的碳匯為12 Tg·a-1。因此整體而言，國內外研究狀況表明，不同尺度以及不同生態系統土壤有機碳評估結果差異很大。

Fang等（2011）認為探究生態系統碳庫，需要結合生態系統過程模型和大尺度生產力及碳庫變化模式的分析，解析生態系統碳循環應對短期環境波動和長期氣候變化的響應；并且通過長期定點觀測和實驗，明確生態系統生產力和土壤有機碳分解的關鍵機制；特別是檢測土壤碳庫變化的新技術手段的應用，以及由定點研究到區域調查的尺度轉換、數據融合和不確定分析。

2 產生不確定性的主要因素

分析認為，導致土壤有機碳評估結果差異較大原因，來自估算方法的選用、背景資料選擇以及采樣過程的控制。而估算方法和背景資料的確定是評估結果出現偏差的內在原因。采樣過程所考慮的人類干擾以及氣候變化等環境要素為外在因素(圖3)。Campbell等（2008）認為估計土壤有機碳存在很大的差異主要是由于調查方法以及環境因子的影響。

就外因而言，土壤有機碳儲量大小主要受自然環境因素、人類活動以及氣候變化三者的綜合制約，三者間存在相互作用的復雜關系。首先地面植被、礦物組成、風化層厚度、水分、通氣和溫度狀況，土壤的化學性質及其土壤微生物分解的能力，即土壤本身狀況影響土壤有機碳含量的大小（Swift，2001；張國盛等，2005）。另外，氣候變化也影響著生態系統碳循環，包括植物光合、呼吸以及土壤有機碳的降解。而土地利用方式對土壤有機碳的影響更為劇烈，直接影響陸地生態系統的分布方式和結構，進而影響陸地生態系統的碳儲量和排放通量（Gao等，2013）。但是，研究者們更多的是

從單一因素著手來研究土壤有機碳儲量，而忽略了多因素的綜合作用，從而造成對土壤有機碳儲量估算的不確定性；另一方面，即內因，是由于研究者采用不同的研究方法、數據源、技術水平、研究參數及分類標準等，使得土壤有機碳儲量估算結果差異較大，從而增大了土壤有機碳估算的不確定性（圖3）。

圖3 土壤有機碳估算的不確定性來源Fig.3 The sources of uncertain of soil organic carbon

2.1環境因素

自然環境因素主要有地形、氣候、土壤性質等。不同的自然環境條件是造成土壤有機碳儲量差異的重要因素（蘇永中等，2002），如青藏高原高寒草原土壤活性有機碳含量表現為東南高、西北低，且降水對高寒草原土壤活性有機碳含量的貢獻大于氣溫（王建林等，2009），而錫林郭勒地區的草甸草原、典型草原、荒漠草原的土壤有機碳儲量隨特定的氣候條件依次逐漸減少（王艷芬等，1988）。更多的研究認為土壤有機碳儲量受綜合環境因子影響，如Yang等（2008）研究西藏草地土壤有機碳分布，發現土壤濕度、溫度以及土壤質地均對土壤有機碳影響較大，而Sun等（2013）利用調查數據分析青藏高寒草原地上部生物量的主要控制因子為表層有機碳密度、年均降雨以及土壤濕度等。利用NDVI遙感影像分析青藏高原的植被指數的主要控制因子是年均降雨和生長季降雨（Sun等，2013）。這也間接地證明土壤有機碳受環境因子的影響很大，因為植物是土壤碳的主要來源。其他影響因子包括管理方式、利用年限等（Schulp等，2008）。而海拔高度也是影響土壤有機碳分布的一個主要因素，研究祁連山北坡垂直帶山地草原、森林及高山灌叢的土壤有機碳分布特征，發現土壤有機碳含量隨海拔升高而升高（胡啟武等，2006）。也有研究認為發現了相似的結果，如阿拉善左旗境內主要草地類型的土壤有機碳含量隨海拔的變化（傅華等，2004）。其他環境因子如風力搬運導致風蝕，風蝕使土壤有機碳流失，從而影響源區及匯區的碳平衡（胡云鋒等，2004）。而坡度及坡向可影響蒸發散及水分入滲，從而影響植被生長和凋落物歸還及分解，引起土壤有機碳明顯的分異（Jenkinson等，1991）。可見環境影響土壤有機碳儲量具有多樣性和綜合性的特點。此外，生物因素作為重要因子，伴隨自然環境因素，進而影響土壤有機碳儲量。不同的地理位置、海拔高度、氣候等，造成植被類型上的差異，導致進入土壤的植物殘體種類和數量不同，使得土壤有機碳儲量估算存在較大不確定性。土壤微生物對土壤有機碳的分解作用受土壤酸堿性、溫度及水分等影響，而溫度和水分是影響微生物活性最重要的因素，適宜的溫度和水分可加速微生物對植物體的分解，從而影響土壤有機碳儲量。有研究者通過統計發現不同緯度地區的枯枝落葉量從低緯度向高緯度遞減，即植物殘體進入土壤的量隨緯度升高而降低（Willian等，1974）。通過定位試驗研究，發現微生物量C與速效養分均顯著相關，由此說明，微生物可轉化和固定腐殖質中的有效成分（孫建等，2009）。酸性較強的土壤可抑制微生物對有機碳的分解，從而對有機碳起到一定的保護作用，同時，土壤C/N的高低也對土壤微生物活性有一定促進或限制作用，即增加土壤氮素可促進微生物活性，提高土壤有機質的分解速率

（廖利平等，1997）。

2.1.1 人類活動

人類與自然是一個耦合的系統，這一系統隨著空間、時間以及組織單元變化而變化（劉紀遠等，2004）。陸地碳循環過程就是人類活動與自然生態系統相互作用、相互制約的過程。陸地生態系統碳貯量及其變化被認為在全球碳循環和大氣二氧化碳濃度變化中起著非常重要的作用（李克讓等，2003）。而人類活動對陸地生態系統碳蓄積量和通量的影響，遠遠超過了自然變化影響的速率和程度（Liu等，2004）。人類活動對土壤碳循環影響的本質是土地利用方式的變化，導致土壤碳循環的源匯變化，土地利用主要包括放牧刈割、施肥、林火、砍伐、撂荒、退牧還草、退耕還林以及城市建設等。土地利用方式對生態系統碳循環的影響更為劇烈，直接影響陸地生態系統的分布方式和結構，進而影響陸地生態系統的碳儲量和排放通量（Gao等，2013），因而土地覆蓋、土地利用和管理也是生物地球化學循環模型，模擬陸地生態系統碳循環首先考慮的要素（Dieye等，2011）。

土地利用變化引起的陸地生態系統類型轉變對于全球碳循環有著極其重要的作用，周廣勝等（周廣勝等，2002）總結國內外有關森林砍伐以及森林、草地轉變成農田對于碳循環的影響，認為生態系統類型（即土地利用類型）的轉變可能引起全球碳“未知匯”現象的重要原因，強調未來陸地生態系統碳循環研究，應充分重視陸地生態系統類型轉變對于全球碳循環的影響研究，包括研究陸地生態系統的不同發展階段(自然與退化生態系統)以及利用方式的改變(森林轉化為人工林或農田、草地轉化為農田、退耕還林還草等)所引起的碳庫類型轉換的機理及其對全球變化響應。自然土壤轉為農牧業用地后，土壤有機碳儲量迅速下降（Davidson等，1993）；草地開墾是影響草地土壤碳貯量最為劇烈的人類活動，草地開墾為農田通常會導致土壤有機碳大量釋放（陳佐忠等，2000），而使其達到動態平衡，則需要大約20年的時間（李凌浩等，1998）。毀林或改變林地利用現狀會造成20%～50%以上的有機碳損失（Eswaran等，1993）；基于綜合分析（Meta-analysis）的土地利用變化導致土壤碳庫變化的研究表明，天然林轉變為人工林和農田的土壤有機碳分別降低13%和42%，而農田轉變成人工林和次生林的土壤有機碳分別增加了18%和53%（Guo等，2002）。Wang等（2011）綜合分析133篇關于中國草地土地利用對土壤碳儲量影響的文章，結果表明過牧，以及自由放牧草地轉為農田用地會導致每年平均約2.3%～2.8%的土壤有機碳貯量的減少。圍欄以及農田轉為撂荒地會提升碳貯存能力，0～30和0～40 cm土壤碳增加速率分別為128.0和130.4 g·m?2·a?1（以C計）。以內蒙古錫林郭勒盟典型草原圍封和放牧對照的實測數據為基礎，不同植物群落類型的碳儲量和固碳量，隨著圍封年限的增加，土壤碳儲量呈遞減趨勢，與放牧比較，則均有所增加（王瑋等，2012），有研究認為通過減少畜牧承載量等方法恢復退化草地，可使我國草地土壤有機碳庫增加4561.62 Tg（郭然等，2008）。

秸稈還田、淺耕和免耕的推廣以及化肥的合理施用等，可使中國耕作土壤有機碳儲量增加，如通過試驗研究發現，秸稈還田可提高土壤有機碳含量，且秸稈還田微生物量顯著高于無秸稈對照（范丙全等，2005）。免耕留茬覆蓋耕作方式的長期實施，可顯著增加表層土壤有機質含量（孫建等，2010）。對過去20年中國潮土區與黑土區土壤有機質變化的研究，發現肥料的長期施用也有利于中國耕作土壤的有機碳積累（徐艷等，2004）。

城市化是人類活動的主要內容之一，盡管全球城市面積僅占陸地面積的2.4%（Potere等，2007），但是城市化的影響卻是巨大的，且具有全球性（朱超等，2012）。城市化對碳的影響具有兩面性，其一城市化程度的加強使得城市人口、建筑物和機動車輛增加，會排放更多的碳；其二水泥森林的增多、道路的硬化又促使城市生態系統儲存更多的碳（Kaye等，2005）。

綜上所述，人類活動對碳循環以及源匯功能的影響很大，合理地利用土地、改善土地覆被以及科學管理土地，對陸地生態系統碳循環以及碳源匯功能具有積極的意義。

2.1.2 氣候變化

由于全球變暖越來越受到人們的關注，作為大氣碳的潛在庫的有機碳庫，對其精確估算的需求逐漸增加（Bell等，2009）。同時在生物地球化學循環模型模擬植被和土壤碳時，氣候變化也要作為主要驅動因子被考慮（Dieye等，2011），因為陸地生態系統在自然狀態下，氣候條件是影響土壤碳儲量平衡的重要因素（郭廣芬等，2006）。氣候變化主要通過改變溫度、降水等氣候因子，進而影響陸地生態系統的碳循環。

氣候變暖對土壤碳庫的影響主要包括2個循環路徑，第一個循環路徑為，溫度升高致使植物的生長速率加快，進而提高了植被的凈第一生產力，因此植物可以向土壤輸入更多的碳，從而有利于土壤碳儲量的增加；另一個對立的循環路徑為，溫度升高后，土壤微生物群落及土壤各種酶活性受到影響，進而調整土壤理化性質，提高著土壤碳礦化速

率，導致土壤有機碳分解、凋落物分解和土壤呼吸等活動加劇，這些變化一般都將降低土壤的碳儲量（衛云燕等，2009）。整體而言，溫度升高會導致土壤碳庫降低，有研究表明全球范圍內溫度升高0.5 ℃會使處于穩定狀態的土壤碳儲量降低約6%（Trumbore等，1996），Bond-Lamberty和Thomson（2010）研究全球尺度的土壤呼吸，發現長時間序列上全球溫度上升與土壤呼吸的增加趨勢能夠良好的匹配，而土壤呼吸的增加，是土壤有機碳加速分解而儲量減少的結果。而溫度升高使永久凍土和苔原面積減少（Serreze等，2000），凍融作用改變了土壤理化性質，降低了土壤團聚體穩定性和土壤容重，增加了營養元素釋放．凍融作用對活性有機碳影響較顯著，可加劇可溶性有機碳的流失（王嬌月等，2011），且導致深埋地下的土壤大量釋放，將會使更多的土壤碳釋放到大氣中，使得凍原成為巨大的碳源（Schuur等，2009）。

郭廣芬等（2006）認為研究氣候變化對土壤有機碳的影響，CO2濃度增加和溫度升高的協同影響也是一個重要方面。二氧化碳的增加導致氣候變暖，同時氣候變暖促進了土壤碳排放，進而使氣候變暖的趨勢更為強烈，成為一個惡性循環模式。Carrillo等（2011）在半干旱草原開展加熱和CO2倍增實驗，連續2年實驗表明，土壤有機質對溫度上升和CO2濃度升高協同作用反映強烈，但是年際之間的有所差異，第一年土壤碳增加與植物生物量增加正相關，而次年土壤的碳增量與植物生物量無關，但是溫度上升和CO2濃度升高條件下的土壤濕度和溫度卻促使土壤碳的分解。研究認為，溫度上升和CO2濃度升高協同作用對土壤碳庫的影響機理，目前研究結果還不完善，并不能給出精確的結論。而大氣二氧化碳濃度和全球溫度同時在不斷的上升，并深刻影響著陸地生態系統的碳循環，因此土壤碳儲量在此協同作用下的變化機理，仍需要今后深入研究。

降雨是調整陸地碳循環的重要驅動力之一（Zhou等，2009），降水格局的變化對土壤有機碳儲量的影響包含3個方面：其一降水的增加會影響植物可利用水含量的提高和生長季長度的延長，降水增加可以使植物的光合作用和植物生產力增加，導致更多的植物凋落物輸入到土壤中，提高了土壤有機碳儲量；其二降水量增加，土壤動物和土壤微生物活動可能會加劇，進而促進土壤呼吸，導致森林土壤有機碳庫釋放CO2的速度加快（周曉宇等，2010）；其三降水量的增加，滿足發生地表徑流的條件下，引起的土壤侵蝕會降低土壤有機碳儲量。降雨對碳循環的影響，更多的研究集中于土壤碳排放，結果表明土壤呼吸對降雨的響應并不一致。如在亞熱帶森林開展降雨增加對土壤呼吸的影響，結果顯示降水增倍對不同森林類型土壤呼吸的影響差異很大，針葉林呼吸增加了15.4%，而闊葉林和針闊混交林土壤呼吸沒有顯著變化（Deng等，2012），Shi等（2011）研究了黃土高原典型林區干旱季降雨對土壤呼吸的影響，結果表明降雨促進了土壤呼吸通量的增加。Inglima等（2009）在地中海生態系統的研究結果也是如此。但是有很多研究認為降雨之后對土壤碳排放通量顯著降低（Sotta等，2004）。針對降雨對土壤有機碳儲量影響的研究相對較少，Zachary等（2010）研究寒冷荒漠區土壤有機碳受降雨季節性變換的影響，結果發現土壤有機碳儲量減少，而可溶性有機碳以及輕組分碳含量沒有變化。而Berthrong等（2012）研究發現在干旱人工林區降雨促進了土壤有機碳含量的增加，而在濕潤區卻出現了相反的情況，認為樹齡可能是影響土壤有機碳儲量的另一個重要因子。因此，降雨對土壤有機碳儲量的影響機理還不是很清楚，這將成為今后的一個重要研究方向。

2.2估算方法

導致土壤有機碳估算出現較大偏差的另一個重要方面就是估算方法的不同，土壤有機碳估算方法主要分2類：一類是土壤剖面上的估算，土壤剖面上的估算因其數據來源的數量性和精確性，可分為分層中間點法、主因子法和有限數據推測法；另一類是水平空間上的估算，分為土壤類型法、生命地帶和生態系統類型法、相關關系統計法、公式模型法、GIS估算等方法（張林，2007），各種方法的原理、優缺點以及適用范圍見表2。

2.2.1 土壤剖面估算法

土壤剖面有機碳儲量的估算方法都是基于土壤土層有機碳儲量或密度的計算，所不同的是考慮土壤有機碳儲量的影響因素有所差異。分層中間點計算法是先以土層中間點的土壤有機質、容重、土層厚度對土層有機碳含量進行計算，再根據土壤剖面的各個土層計算結果匯總得到總土壤有機碳儲量。此法雖然比較真實反映出土壤有機碳儲量，但是需要大量實測土壤數據作為支持，限制了在大范圍區域研究的應用。主因子計算法（Batjes等，1996）是先計算土壤土層的有機碳密度，然后再對各土層求和，得到各單元內土壤有機碳密度。該法僅考慮影響土壤有機碳的主要因素而舍去其他因素的干擾，能簡單方便的得到較為準確的數據，是目前采用最多的方法。

2.2.2 水平空間估算法

在估算區域土壤有機碳庫時，傳統方法運用較

多的是土壤類型法、植被類型和生命地帶法（Wang等，2011）。這些方法均是先計算土壤剖面有機碳密度，再加權平均得到土壤亞類、植被亞類、生態類型亞類的有機碳密度，然后根據亞類的分布面積，計算出亞類的土壤有機碳儲量，最后累計得到區域土壤有機碳儲量（邵月紅等，2006）。土壤類型法是基于土壤剖面數據，以土壤類型作為分類單元結合區域或國家尺度土壤圖來估算土壤有機碳儲量，并且據土壤類型圖還可以得到土壤碳密度的空間分布格局和規律。由于同類土壤具有相似的影響土壤碳蓄積的調控因素，因此該法容易識別土壤有機碳的空間格局，減少估算的不確定性，是目前進行土壤有機碳儲量研究較為常用的方法（劉留輝等，2007）。但土壤類型法是基于大量實測剖面數據及土壤類型劃分標準的，且僅考慮土壤類型的因素。實測數據的缺乏和對植被、土地利用方式及人類活動等影響因素的忽略，都會在一定程度上增加估算結果的不確定性。生命地帶和生態系統類型法是以生命地帶或生態系統類型作為分類單元來計算土壤有機碳儲量，適用于較小的地帶區域及生態系統研究。隨研究區域范圍的增大，生態類型與面積難以精確統計，且與土壤類型的相互對應不足，同時土地利用方式的變化，不確定因素造成的誤差相對較大，限制了此法的應用。相關關系統計法是根據土壤剖面有機碳蓄積數據與樣點環境因子和土壤屬性間的相關關系，建立數學統計關系來計算土壤有機碳蓄積量（王紹強等，2003）。但由于各區域C的主控因子不同，導致相關性表現不同，所確立的統計關系需得到驗證后方可應用，所以影響了該方法的推廣。

表2 不同土壤有機碳儲量研究方法對比Table 2 Different research methods on soil organic carbon storage

由于使用傳統方法的估算值存在較大差異，尋求新方法以降低土壤有機碳儲量估算不確定性顯得尤為迫切。隨著遙感(Remote Sensing)、地理信息系統(Geographic Information System)和全球定位系統(Global Positioning System)技術的發展，計算機模型模擬成為估算土壤有機碳含量的主要手段。公式模型法是目前研究土壤碳庫及固碳潛力的一種重要的途徑，它是在掌握土壤碳循環過程與機理的基礎上，建立碳的表征、評估或預測模型，輸入大量實測數據，來估算區域有機碳儲量，基于此還可據碳的影響因素或管理措施的變化做情景分析，從而評估和預測區域或國家尺度的土壤固碳潛力（常瑞英等，2010）。國際上具有代表性的土壤碳循環模型包括CENTURY（Basso等，2011）、TEM、CASA（Yu等，2009）、BIOME3（Ni等，2011）、LINKAGES、IMAGEZ，DNDC（Lu等，2009）等，各種模型分別從不同角度表達了土壤碳循環過程及機制，已經在一些國家和地區得到了較為成功的驗證和應用GIS技術，通過其空間分析模塊能快速出圖使得土壤有機碳的分布情況一目了然，是土壤有機碳儲量研究的有力工具（雷能忠等，2008）。在描述區域化變異中，插值法是利用區域化變量對未采樣點取值進行最優估計的一種常用方法。常用的插值方法為克立格法（泛克里格法、對數克里格法、簡單克里格法等），根據樣本分布特征采用不同克里格法。空間插值分析模塊快速、準確的特點能更便捷的分

析區域化變量。在計算土壤有機碳儲量時，插值法的優點在于最大限度地利用了空間取樣所提供的各種信息。

3 存在問題

1）目前對大尺度土壤有機碳儲量研究較多且不用研究差異較大，同時土壤調查數據積累的連續性和完整性較差。而中小尺度土壤有機碳儲量及分布的研究較少，研究區域不夠細化，如高寒地區作業環境惡劣，土壤有機碳儲量數據的獲取成本較高，使區域土壤有機碳儲量研究不確定性較大。此外，草地生態系統的土壤碳儲量研究主要以集中在0～20 cm的表層土壤中，而對草地生態系統更深部分的有機碳儲量的研究缺乏。同時，研究報道多為植物的生長季而缺乏長期定位連續觀測，增加了生態系統尺度上土壤有機碳儲量估算的不確定性。

2）另一個存在問題是估算土壤有機碳儲量時，研究者們只著眼于單一影響因素而忽略了綜合環境因素的作用，事實上各影響因素間相互作用復雜，土壤碳氮含量、質地、容重、根量等理化性質及氣候存在很大的空間差異，它們對土壤有機碳儲量的綜合影響很難確定，是估算不確定性的重要原因之一，由此降低了土壤有機碳儲量估算精度。另外，人類干擾活動，特別是土地利用方式對土壤碳庫的影響和作用存在較大的區域差異，且近年來氣候波動較大，在不同程度的增加了土壤有機碳儲量估算的不確定性。凋落物碳庫是植物碳庫和土壤碳庫之間交換的紐帶，但是對其研究資料相對貧乏。

3）土壤有機碳儲量估算存在的最重要的問題是分類標準不同（如土壤和植被分類方法）、觀測資料缺乏一致性和完整性、模型模擬過程選擇的參數又不盡相同，且模擬結果因試驗數據的缺乏又難以得到驗證，均導致土壤有機碳儲量估算結果的不確定性。此外，改善適合不同區域的統一模型、綜合考慮各種影響因素、提高模型預測的準確性和可行性，是目前建模研究亟待解決的問題。

4 研究展望

鑒于土壤有機碳儲量全球變化研究中的重要意義，以及當前土壤有機碳儲量估算研究中存在的不確定性，建議未來加強以下研究工作的開展。

1）研究區域的細化以及高寒地區研究條件的改善，可大大提高我國乃至全球尺度土壤有機碳儲量估算精度。生態系統尺度上應制定統一的野外監測方法和試驗技術，尤其是草地生態系統地下部分研究手段的統一，以利于研究數據結果的比較和整合，同時，加強開展長期定位連續觀測，以擴充碳循環研究的基礎數據，從而減少估算的不確定性。

2）土壤碳循環過程難以觀測，土壤呼吸及有機質轉化過程不能確定，導致土壤碳累積過程和機理研究困難。加強同位素示蹤技術的應用，以更準確的揭示土壤碳循環過程及其機理，降低土壤有機碳儲量估算的不確定性。土壤有機碳的固定與分解都離不開微生物的參與，土壤微生物對土壤有機碳影響的方向主要取決于微生物的種類組成與數量關系，應加強這方面的研究以提高估算精度。

3）研究方法的改進：（1）模型的改進是未來建模研究的重點。目前勝任所有時空尺度上碳儲量估算的模型并不存在，每個模型的估算及預測能力都存在不同方面的缺陷，因而在特定地區需完善現有的各類模型，提高參數的易獲取性和有效性，減少模擬結果的不確定性，增加模型間的可比性。同時，研究一款類似于分段函數的模型，通過變換某一個或某幾個系數，對應調整不同尺度、不同影響因素以適合普遍使用的碳儲量模型。此外，建議加強反演模型的開發，即開展多尺度的調查研究，將小尺度研究推演到較大空間領域，以增加其適用性和準確性。（2）加強遙感技術在土壤有機碳儲量估算中的研究。利用更全面的衛星圖像信息，針對不同研究目的，選擇對應的遙感產品類型來估算SOC儲量，為全球變化導致的土壤有機碳流失等問題的研究，提供準確的監測數據，以減少研究中存在的不確定性。（3）加強綜合手段的應用。在陸地生態系統碳儲存過程研究中，建議綜合應用基礎數據調查、3S技術、機理分析與模型模擬的研究方法，進一步降低土壤有機碳儲量估算的不確定性。

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Impact Factors and Uncertainties of the Estimation on Soil Organic Carbon Storage

LIU Miao1,2, LIU Guohua1*
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Soil is regarded as the largest carbon pools and the key linkage in the process of the carbon cycle in terrestrial ecosystem. The global carbon balance is directly affected by the change of source or sink of soil carbon. Hence the estimation on soil organic carbon storage becomes one of the most important content in the ecological field. We found that the difference was existed among the reported results of the soil organic carbon storage from the different researchers or research scales. This difference was mainly resulted from human disturbance and the fluctuation of environmental elements (e.g. climate change) in the sampling process, in particular, the various estimating methods and background information adopted by researchers. The significance of the study on the soil organic carbon storage was raised firstly. Then the research advances and the shortcomings in the present about the uncertainties of the estimation on soil organic carbon storage were reviewed from the aspects of environmental factors (external reason) and estimating methods (internal reason). Finally, on the basis of our thorough review, the priority areas in the future about the uncertainties on the estimation of soil organic carbon storage were suggested in this paper.

soil organic carbon storage; uncertainties; human disturbance; climate change; estimating methods

S714.5

A

1674-5906（2014）07-1222-11

中國科學院戰略性先導科技專項（XDA05060100）

劉苗(1984年生)，女，博士研究生，研究方向為區域生態學。E-mail: liumiaoerdos@163.com

*通信作者：劉國華（1965年生），男，研究員，博士生導師，研究方向為區域生態學。E-mail: ghliu@rcees.ac.cn

2014-01-21

劉苗，劉國華. 土壤有機碳儲量估算的影響因素和不確定性[J]. 生態環境學報, 2014, 23(7): 1222-1232.

LIU Miao, LIU Guohua. Impact Factors and Uncertainties of the Estimation on Soil Organic Carbon Storage [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1222-1232.