作为气候变化的风向标，碳收支的动态变化已经成为全球变化研究的核心内容之一，而土壤碳库的收支对大气中温室气体的浓度以及全球气候变化有着重大影响，因此土壤碳库收支在调控地球表层生态系统碳平衡和减缓温室气体方面具有重要作用^[1]. 农田土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分，由于受到人类活动的强烈影响，农田土壤有机碳库的研究一直是碳循环研究的热点^{[2, 3, 4, 5]}，同时也是全球变化、 温室气体减排和粮食安全等问题研究的核心内容之一^[6,7]. 在固碳减排目标驱使下^[8,9]，农田土壤固碳潜力研究得到了科学界的空前关注^[10,11].

土壤固碳潜力的估算方法一直以来都是固碳潜力研究的重点和难点^[12]，基于不同的“潜力”范畴，潜力估算有不同的方法. 如何科学、 准确地估算区域和全国尺度的固碳潜力，是当前乃至今后一段时期内碳循环研究的核心内容. 农田土壤固碳潜力是区域或国家农业土被的整体固碳能力^[13]. 以往有关土壤固碳潜力的研究多集中在模型^[14]和机制^[15]上，关于农田土壤固碳潜力的研究大多在影响因素^[16,17]和空间变异上^[18,19]，针对潜力的估算也往往集中在某一种方法上，刘国栋等^[20]采用最大值法对松嫩平原耕层土壤固碳潜力进行了估算，覃章才等^[21]基于饱和理论模型估算了全国农田土壤固碳潜力，王晓丽等^[22]对海岛陆地生态系统固碳潜力做了估算，但类似研究都集中在特定的一种方法对不同区域的潜力估算，针对不同固碳潜力估算方法的对比研究还未见报道.

我国西北五省区(陕甘青宁新)占全国耕地的10%以上. 西北地区独特的气候、 地形和土壤条件决定了其农业生产具有明显的区域特征. 本研究以黄土丘陵沟壑区典型代表县——庄浪县为例，针对黄土丘陵沟壑区县域尺度农田土壤固碳潜力研究的薄弱环节以及区域农田固碳潜力估算实际需求，基于研究区农田土壤固碳潜力影响因素的剖析，分别采用最大值法^[23]、 分类定级法、 饱和值法^[21]、 加权法，通过野外调查采样，借助全国第二次土壤普查数据和耕地质量评价数据，分析了庄浪县农田土壤理想固碳潜力和现实固碳潜力. 通过探究固碳潜力估算方法优劣，以期为区域农田土壤固碳潜力估算与方法选择提供依据.

庄浪县(东经105°46′15″～106°23′45″，北纬35°03′23″～35°28′26″)位于甘肃省中东部，属黄土丘陵沟壑区第三副区，面积1 553 km²，海拔1 405～2 857 m，属于大陆性季风区气候，年降雨量510 mm，多集中在5～9月，年均气温为8.1℃，无霜期159 d. 植被属森林草原向半干旱过渡类型，地带性植被为草原植被. 主要土类有黄绵土、 黑垆土、 红黏土、 新积土、 灰褐土. 境内群山起伏，地势东高西低. 全县共有耕地6.13万hm²，人均0.17 hm². 80年代以来以基本农田建设为突破口的生态环境建设取得了重要进展，梯田化程度达到了92%.

样点布设首先采用联合单元布点法^[24]，依据综合性、 均衡性、 可对照性原则，考虑土地利用类型、 地形地貌、 土壤类型等多种因素，将庄浪县划分为8种“土地利用类型-地貌类型-土壤类型”组合斑块类型，其代表面积占全县耕地面积的97%. 在此基础上，参照全国第二次土壤普查样点信息，依据“点对点”的原则，使所选样点与全国第二次土壤普查样点尽可能重合. 据此，在全县共布设70个样点，样点数与类型单元面积成比例，空间分布大致均匀，确保布设样点具有代表性. 其中47个双层点，23个剖面点，能够代表全县农田土壤的基本情况(表 1、 图 1).

表 1(Table 1)

表 1 样点布设情况 Table 1 Design of sampling points 土地利用-地貌类型-土类组合 面积比例 /% 剖面点数 /个 双层点数 /个 旱地-低山丘陵区-黄绵土 44 10 20 旱地-丘陵沟壑区-黄绵土 23 5 11 旱地-低山丘陵区-黑垆土 8 2 5 旱地-高山区-红黏土 7 2 3 旱地-丘陵沟壑区-黑垆土 5 1 2 旱地-低山丘陵区-红黏土 5 1 2 旱地-丘陵沟壑区-新积土 3 1 2 旱地-高山区-灰褐土 2 1 2 合计 97 23 47

表 1 样点布设情况 Table 1 Design of sampling points

图 1

Fig. 1

图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Distribution map of sampling points

2011年8月在庄浪县进行样品采集，剖面点根据土壤发生层分层取土，双层点取0～20 cm和20～40 cm土壤，分别从布设样地的四角和中心部位采集，采用5点混合的方法取土样，混匀后将样品缩分至1.5 kg，将土样风干后过2 mm和0.25 mm筛，供分析测定. 记录每个样点的经纬度、 海拔、 地理位置、 地形、 坡度、 坡向等自然地理因素，通过走访调查当地的耕作制度、 田间施肥管理情况、 正常产量水平、 灌溉条件等构建土壤描述性指标数据库. 本研究均采用0～20 cm表层土样数据.

除采样分析数据外，本研究还采用了庄浪县第二次土壤普查数据和耕地质量评价数据，第二次土壤普查数据样点数量和分布与采样分布图一致，耕地质量评价数据由庄浪县农业技术推广中心提供. 耕地质量评价采样点覆盖全县所有农田，总面积为6.13万hm²，布点均匀，每16 hm²一个样点，总样点数共计3 839个(如图 2).

图 2

Fig. 2

图 2 耕地质量评价样点分布示意 Fig. 2 Distribution map of sampling points in cultivated land quality evaluation

所有土壤有机碳数据均采用重铬酸钾-外加热法测得.

基于固碳潜力可实现程度，将固碳潜力分为理想固碳潜力和现实固碳潜力. 理想固碳潜力是指将当前所有区域有机碳水平提升到当前有机碳含量的最高水平，土壤中还能容纳的碳. 由于不同区域环境条件不同，不可能完全实现，因此把这种潜力称之为理想固碳潜力. 现实固碳潜力是指将土壤有机碳提高到环境条件允许的最高水平即为饱和水平时，土壤中还能容纳的碳. 现实固碳潜力是可以通过改变人为管理措施等人为技术手段实现的潜力.

基于目标值理论的潜力估算.

最大值法^[23]是将该土壤类型中有机碳含量的最大值与每个实测数值之差被视为该点土壤有机碳的增加潜力. 饱和值法^[21]是将该土壤类型中有机碳变化量为零时的有机碳含量水平与每个实测含量之差被视为该点土壤有机碳的增加潜力. 分类定级法是将该土壤类型中有机碳含量分为不同水平层次，通过比较不同等级水平有机碳含量与实测值中低于该水平有机碳含量差值作为该点土壤有机碳的增加潜力.

庄浪县农田土壤的固碳潜力(SOC_p)等于土壤有机碳密度目标值(SOCD_b)与土壤有机碳密度现状(SOCD₀)之间的差值乘以该土类面积，计算方法为：

基于影响因素的权重分析原理： 加权法是在有机碳变化多因素影响分析的基础上，通过分析有机碳含量处于高水平的样点的属性，找出其他样点与该样点有机碳含量差值的大小，排除因自然因素而无法实现的影响部分，求得各样点与其差值，进而求得该区域农田土壤的固碳潜力.

土壤有机碳密度(kg·m^-2)的计算方法：

采用土壤类型法估算庄浪县表层土壤有机碳储量.

数据处理及制图采用Acrgis 10.0、 SPSS 20.0和Excel 2007等软件.

利用2006年庄浪县耕地质量评价土壤有机碳数据，依据最大值法，对庄浪县农田表层土壤固碳潜力进行了估算. 首先去掉累计频率大于99.5%所对应的土壤有机碳含量数值，然后将去掉极值以后的最大值作为该土壤类型中有机碳含量的最大值，从而减少极值误差. 每个实测数值与最大值之差被视为该点土壤有机碳的潜力增量. 计算得出该土壤类型表层土壤的平均有机碳密度的增量，依据各土壤类型所占面积，计算该类型表层土壤有机碳的潜力增量. 由图 3可知，在3 037个黄绵土样点中，有机碳含量在7～9 g·kg^-1的样点个数占样本容量的52.16%；在6～11 g·kg^-1的样点占样本容量的93.41%；累计频率小于99.5%的样点的有机碳含量介于3～14 g·kg^-1，有效样点为3 028个. 其他土类均按照此法选出有效样点.

图 3

Fig. 3

图 3 黄绵土有机碳含量区间分布 Fig. 3 Frequency distribution histogram of SOC content in Loess soil

各土类有机碳含量最大值依次为黑垆土、 红黏土、 黄绵土、 新积土和潮土(表 2)，平均有机碳密度增加潜力最大的为黑垆土24.68 t·hm^-2，其次为红黏土20.93 t·hm^-2，第三为黄绵土17.20 t·hm^-2，最小为潮土5.11 t·hm^-2. 根据各土壤类型有机碳含量的最大值法估算，庄浪县表层土壤有机碳贮存量增加潜力为1.13 Mt，主要集中在黄绵土、 黑垆土和红黏土三大类型中(表 2)，三者分别占了总潜力的73.78%、 21.82%和4.11%.

表 2(Table 2)

表 2 不同土类农田表层土壤固碳潜力 Table 2 SOC sequestration potential of cropland surface soils in different soil types 土壤类型 有效样点 有机碳含量 最大值/g·kg -1 平均有机碳密度增量 /t·hm -2 面积 /hm 2 固碳潜力 /t 新积土 8 10.55 7.46 144 1 074.24 红黏土 138 15.55 20.93 2 222 46 506.46 黄绵土 3 028 13.92 17.20 48 541 834 905.20 黑垆土 622 17.48 24.68 10 006 246 948.08 潮土 25 9.55 5.11 416 2 125.76 合计 3 821 15.08 1 131 559.74

表 2 不同土类农田表层土壤固碳潜力 Table 2 SOC sequestration potential of cropland surface soils in different soil types

以1980年的农田土壤有机碳值作为庄浪县农田土壤初始有机碳含量，土壤有机碳变化量为2011年与1980年农田土壤相对应样点有机碳含量的差值，以庄浪县不同土壤类型农田土壤初始有机碳与其变化量，建立两者之间的拟合关系曲线. 当土壤有机碳变化量为零时，所对应的初始土壤有机碳含量达到饱和. 该饱和水平的有机碳含量称为该土壤类型下有机碳含量的饱和值，将每个实测值和饱和值之差视为该点土壤有机碳的潜力增量. 计算所得该土壤类型表层土壤平均有机碳密度增加量，然后根据各种土壤类型面积计算取得其表层土壤的固碳潜力(表 3). 不同土壤类型的有机碳饱和值不同，饱和值最大的为黑垆土13.4 g·kg^-1，其次为黄绵土11.0 g·kg^-1，红黏土的饱和值最小. 平均有机碳密度增量最大的为黑垆土7.3 t·hm^-2，其次是黄绵土为5.1 t·hm^-2，红黏土最小. 因黄绵土面积较大，故其固碳潜力增量最大，约为0.25 Mt，约占总潜力增量的78%. 而黑垆土固碳潜力增量为0.073 Mt，约占总潜力增量的22%.

表 3(Table 3)

表 3 饱和值法估算土壤固碳潜力 Table 3 Soil carbon sequestration potential estimated by saturation value method 土壤类型 黄绵土 黑垆土 红黏土 合计 面积/hm 2 48 541 10 006 2 222 60 769 有机碳增量/g·kg -1 2.18 3.15 0.00 1.78 有机碳密度增量/t· hm -2 5.10 7.30 0.00 4.10 固碳潜力/t 247 561.10 73 040.66 0.00 320 601.76

表 3 饱和值法估算土壤固碳潜力 Table 3 Soil carbon sequestration potential estimated by saturation value method

鉴于不同土壤类型固碳潜力的可实现程度不同，笔者按照土壤类型对所有样点进行分类. 在同一土壤类型下对土壤有机碳含量进行分级，每种土壤类型下分5个有机碳含量水平，分别为低、 较低、 中、 较高、 高这5个等级水平，通过5个标准等级水平与实测数据的差值，可以得出实现到不同水平的土壤固碳潜力.

不同土壤类型各个水平的固碳潜力差异较大(表 4). 在高水平下，黄绵土的固碳潜力达0.78 Mt，占到总固碳量的71.0%；其次是黑垆土为0.26 Mt，占到总固碳量的24.1%；新积土的固碳潜力最小为1.1 kt；总固碳量为1.09 Mt. 在中等水平下，黄绵土的固碳潜力达0.25 Mt，占到总固碳量的66.55%；其次是黑垆土为0.11 Mt，占到总固碳量的28.89%；新积土的固碳潜力最小为448 t；总固碳量为0.37 Mt. 可见，不同土类土壤有机碳密度增量存在差异，以中等水平的固碳潜力为例(表 5)，各土类土壤有机碳密度增量由大到小依次为黑垆土>红黏土>黄绵土>新积土>潮土，最高为11.21 t·hm^-2，最低的为3.43 t·hm^-2. 各土类有机碳增加面积存在差异，故黄绵土的潜力增量最大.

表 4(Table 4)

表 4 不同固碳水平下各土类固碳潜力/t Table 4 SOC sequestration potential in different soil types under different carbon sequestration levels/t 水平级别 低 较低 中 较高 高 黄绵土 5 393.07 59 738.55 247 578.22 505 948.87 777 078.65 新积土 85.70 194.33 447.76 756.02 1 113.65 红黏土 283.42 3 155.72 15 983.10 32 643.65 49 773.61 黑垆土 2 748.58 37 436.31 107 515.22 184 742.38 263 480.93 潮土 55.00 194.66 512.99 1 314.72 2 694.94 总固碳潜力 8 565.76 100 719.58 372 037.29 725 405.64 1 094 141.78

表 4 不同固碳水平下各土类固碳潜力/t Table 4 SOC sequestration potential in different soil types under different carbon sequestration levels/t

表 5(Table 5)

表 5 中等水平下不同类型土壤的固碳潜力 Table 5 SOC sequestration potential in different types under moderate levels 土类 黄绵土 黑垆土 红黏土 新积土 潮土 面积/hm 2 48 541 10 006 2 222 144 416 比例/% 87.74 95.83 89.13 75.00 36.00 容重/g·cm -3 1.39 1.40 1.38 1.37 1.33 样点数 3 019 623 138 8 25 有机碳增量/g·kg -1 2.09 3.99 2.93 1.52 1.29 有机碳密度增量/t·hm -2 5.81 11.21 8.07 4.15 3.43 固碳潜力/t 247 578.22 107 515.22 15 983.10 447.76 512.99

表 5 中等水平下不同类型土壤的固碳潜力 Table 5 SOC sequestration potential in different types under moderate levels

通过对庄浪县农田表层(0～20 cm)土壤近30年有机碳变化及影响因素的研究，基于多因素影响分析，得出土壤有机碳主要受到海拔高度、 初始有机碳含量、 土壤类型、 有机肥以及坡向的影响，且影响程度均可量化. 假设其单一因素的影响结果符合线性规律，笔者对各影响因子的影响结果进行加权，从而得出其多因素影响的加权结果.

以海拔高度为例：样点数据来自20世纪80年代全国第二次土壤普查数据和2011年采样数据，通过对比分析得知，庄浪县农田表层土壤有机碳含量分布与海拔高度成线性递增关系，同时海拔高度对有机碳含量变化的贡献因子为q，在这里将海拔高度分为4个区间水平，分别为1 400～1 600、 1 600～1 800、 1 800～2 000 和2 000～2 200 m，分别用1、 2、 3、 4表示，而每个样点的海拔高度均用以上数字表示. 笔者认为海拔属于自然因素，不同海拔高度对应着不同的气候条件，故属于不可改变因素，考虑海拔的影响作用，不可能使得海拔为1的样点有机碳达到海拔为4的水平，因而需要排除海拔对有机碳变化的影响效果. 假设海拔对有机碳含量的影响是线性的，那么可以得出海拔为1的样点海拔高度对其影响为(4-1)×q/3，海拔为2的样点海拔高度对其影响为(4-2)×q/3，海拔为3的样点海拔高度对其影响为(4-3)×q/3，海拔为4的样点海拔高度对其无影响. 假如在属于1水平海拔高度的样点的土壤有机碳含量为x，有机碳含量较高水平的值为m，那么没有排除各个影响因素的该样点有机碳增量为m-x，而排除海拔高度对该样点影响后的有机碳含量为(m-x)×[1-(4-1)×q/3]. 在分别考虑海拔高度、 土壤类型、 初始有机碳、 有机肥施用量和坡向等因素后，可以得出每个样点在排除其不可改变影响因素作用后的有机碳增量，进而可以计算出庄浪县农田表层土壤固碳潜力.

加权法估算各土类有机碳增量差异较大，最大的为红黏土2.12 g·kg^-1，最小的为灰褐土0.38 g·kg^-1(表 6)；各土类有机碳密度自大到小依次为新积土、 红黏土、 黄绵土、 黑垆土、 灰褐土；平均有机碳密度为3.96 t·hm^-2. 庄浪县农田表层土壤中总潜力增量为0.28 Mt，其中增量最大的为黄绵土0.23 Mt，占到总潜力增量的82%；其次是黑垆土0.038 Mt，占总潜力增量的13%；第三为红黏土0.011 Mt，占总固碳量的4%；最小的为灰褐土291 t.

表 6(Table 6)

表 6 加权法估算土壤固碳潜力 Table 6 SOC sequestration potential estimated by weighting method 土壤类型 黄绵土 黑垆土 红黏土 潮土 新积土 合计/平均 样点数 46 10 8 3 3 70 面积/hm 2 48 541 10 006 2 222 416 144 61 329 有机碳增量/g·kg -1 2.03 1.63 2.12 0.38 2.10 1.65 有机碳密度增量/t·hm -2 4.80 3.80 5.10 0.70 5.40 3.96 固碳潜力/t 232 996.80 38 022.80 11 332.20 291.20 777.60 283 420.60

表 6 加权法估算土壤固碳潜力 Table 6 SOC sequestration potential estimated by weighting method

不同估算方法对同一地区估算结果差异较为明显(表 7)，其中估算得出固碳量最大的是最大值法，为1.13 Mt，平均增加有机碳密度为18.40 t·hm^-2. 该方法估算结果为理论水平，由于受到各种自然和人为因素限制，农田的有机碳水平无法达到这一理论值，仅作理论参考. 与最大值法相比，分类定级法可估算多个水平的潜力值，其中高水平的估值较为接近最大值法，为1.09 Mt，平均有机碳密度增量为17.84 t·hm^-2，而分类定级的中等水平是将低于高水平60%层次的样点提升到这一水平值，能够固定的有机碳总量为0.37 Mt，平均有机碳密度增量为6.76 t·hm^-2，约为高水平下固碳潜力的1/3. 饱和值法是基于饱和理论估算得出的，其准确性相对较高，能够较准确地反映出有机碳增量空间，其固碳量约为0.32 Mt，平均增加有机碳密度为5.21 t·hm^-2. 加权法估算得出的固碳潜力为0.28 Mt，平均有机碳密度增量为4.56 t·hm^-2，与饱和值法估算结果较为接近，是一种比较实际的有机碳估算方法，有较强的参考价值. 根据庄浪县近30年农田表层土壤有机碳增幅30.9%^[25]，可知其平均增速约为196 kg·(hm²·a) ^-1，在当前耕作管理方式下，达到现实固碳潜力水平大约需要24～34 a.

表 7(Table 7)

表 7 不同估算方法下固碳潜力对比 Table 7 Comparison of SOC sequestration potential estimated by different estimation methods 估算方法 固碳面积/km 2 固碳潜力/Mt 有机碳密度增量/t·hm -2 主要土壤类型 最大值法 613 1.13 18.40 黄绵土、 黑垆土、 红黏土 分类定级(高) 613 1.09 17.34 黄绵土、 黑垆土、 红黏土 分类定级(中) 613 0.37 6.76 黄绵土、 黑垆土、 红黏土 饱和值法 608 0.32 5.21 黄绵土、 黑垆土、 红黏土 加权法 613 0.28 4.56 黄绵土、 黑垆土、 红黏土

表 7 不同估算方法下固碳潜力对比 Table 7 Comparison of SOC sequestration potential estimated by different estimation methods

因最大值法能方便、 快捷、 粗略的估算土壤固碳潜力，故当前土壤理想固碳潜力的估算多应用此方法. 由于形成每种土样的自然条件，环境因素、 耕作管理方式等属性各不相同，不可能所有土样都能达到该土类的有机碳含量最高水平，所以最大值法求得的潜力是一种理论值. 但仍具有一定的参考价值. 本研究采用最大值法所求的结果与张秀芝等^[23]采用同方法估算的河北平原平均有机碳密度增量相近. 分类定级法(高)是在最大值法的基础上通过分级而来的，相比最大值法，分类定级法(高)的最大值是一个级别水平的代表而不是某个样点的具体数值，具有统计学意义，更具有代表性. 分类定级法(高)求得的理想固碳潜力值略低于最大值法，其差值源自目标值的差异. 由此可知，在估算农田土壤理想固碳潜力方面，分类定级法(高)是优于最大值法的.

目前，关于土壤现实固碳潜力估算方法应用最为广泛的是饱和值法，饱和值理论的难点在于确定饱和水平，如何确定当前环境条件下土壤有机碳的饱和水平，成为饱和值法能否估算准确的决定因素. 通过分析得到有机碳变化量为零时，有机碳含量水平确定饱和值是较为准确的方法，但这一结果需要满足以下两个条件：一是满足一定数量的样点个数，样点数量决定了获取饱和水平的高低. 二是外源有机质投入是否充足，根据相关研究^{[26, 27, 28]}所作的SOC动态变化可知，外源有机碳投入会出现土壤有机碳的稳定期，当土壤有机碳含量不再随外源有机碳的投入而增加时，才是土壤有机碳真实的饱和水平. 尽管本研究结果与任春颖等^[29]在松嫩平原玉米带农田表层土壤有机碳储量和固碳潜力的研究结果基本一致，但由于有机碳饱和值的确定存在一定的不确定性，因此该方法在实际的操作过程中仍存在一定困难. 估算结果可靠性有待于进一步研究.

加权法是在土壤有机碳变化的影响因子贡献系数的基础上，通过排除自然影响因子的影响效果，从而求得土壤潜力增量的方法. 此方法假定有机碳的变化主要由这些影响因子引起，由于自然影响因子如土壤属性、 海拔、 坡向等不可改变，而人为的影响因子如秸秆还田、 有机肥施用量等可以人为控制，排除自然影响因子之后所得的有机碳增量即为实际有机碳的增量空间. 这一方法是基于有机碳变化影响因素，其影响因子及权重对潜力估算影响较大. 同时，影响因素的分级对其估算结果也有一定程度的影响. 由于该方法修正了自然因素的影响，估算结果更能体现管理措施对土壤固碳潜力的影响，具有较高的现实意义. 相比饱和值法，加权法估算的结果更为准确.

分类定级法(中)估算的现实固碳潜力与饱和值法、 加权法估算结果较为接近，尽管分析结果不及饱和值法、 加权法精确，但该方法简单易于操作，在粗略估算方面应用较为广泛. 综合以上因素，在县域尺度上，估算农田表层土壤现实固碳潜力时，在精确性上，加权法优于饱和值法优于分类定级法(中)；在操作简易程度上，分类定级法(中)优于饱和值法优于加权法. 而在估算理想固碳潜力时，分类定级法(高)优于最大值法.

(1) 分类定级法(中)、 饱和值法、 加权法这3种固碳潜力估算方法求得庄浪县农田表层(0～20 cm)土壤现实固碳潜力约0.28～0.37 Mt，为理想固碳潜力水平的1/3.

(2) 采用分类定级法(中)、 饱和值法和加权法估算现实固碳潜力，达到现实固碳潜力水平大约需要24～34 a.

(3) 在县域尺度上，采用最大值法和分类定级法(高) 估算农田表层(0～20 cm)土壤理想固碳潜力，估算结果差异不明显. 但分类定级法(高)优于最大值法. 估算现实固碳潜力时，加权法的精确性优于饱和值法优于分类定级法(中). 在操作的易行程度上分类定级法(中)优于饱和值法优于加权法.