全球土壤有机碳贮量约为1500 Pg^[1]（1 Pg=10¹⁵ g）,是大气碳库的2倍，亦是陆地碳库的主要组成部分。因此，土壤碳库小幅度的变化就可能对大气中碳的浓度造成影响 ^[1,2,3,4].近年来，我国学者利用第一次和第二次土壤普查数据对全国尺度的土壤有机碳展开了研究，并估算了全国范围内1 m深度的土壤有机碳总储量^[5,6,7,8],研究结果表明，土壤有机碳储量有降低的趋势。东北平原是我国重要的粮食生产基地，其土壤有机碳总储量约为12.68 Pg^[11],占全国土壤有机碳库储量（50 Pg）^[7]的 25.36%,然而其土地面积仅为全国土地面积的12.94%,因此通过对东北地区土壤有机碳的研究为土壤肥力、土壤质量、土壤健康的评价及农业生态系统的科学管理提供依据，具有重要意义。目前，对我国东北地区土壤有机碳储量的研究已经积累了一定的研究成果^{[9,10,11,12,13]},但多集中在整个东北地区大尺度范围，使用的数据大部分是第二次土壤普查数据，对东北地区省域尺度的土壤有机碳储量的研究尚不多见。本文使用吉林省2010年耕地地力评价数据，对耕层土壤有机碳库密度、储量及其影响因子进行研究，为吉林省土壤肥力、土壤质量、土壤健康的评价及科学管理农业生态系统提供依据，对改善土壤环境、提高粮食产量、促进经济持续稳定发展具有重要的意义。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

吉林省地处东北地区的中部，地理坐标介于东经121°38′~131°19′、北纬40°52′~46°18′之间，全省总面积为1874×104 hm²,耕地总面积为536×10⁴ hm².吉林省属于温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，从东南向西北由湿润气候过渡到半湿润气候再到半干旱气候。全省气温、降水、温度、风以及气象灾害等都有明显的季节变化和地域差异。年平均气温为2～6 ℃，年平均降水量为400～600 mm.全省地势东南高，西北低，由东南向西北倾斜。地貌类型主要由火山地貌、侵蚀剥蚀地貌、冲洪积地貌和冲积平原地貌构成。火山地貌占吉林省总面积的8.6%,流水地貌占83.5%,湖成地貌占2.6%,风沙地貌占5.2%.土壤类型主要有白浆土、草甸土、棕壤、砂土、灰化土、黑土、黑钙土等。 1.2 数据来源

本研究所用资料来源于2010年吉林省耕地地力评价数据。吉林省共有19个土类 ^[14],其中棕色针叶林土、火山灰土、山地草甸土和石质土4个土类多为非耕地，因此本研究选取其余15个土类的耕地，按照均匀性和代表性进行布点，采样深度为0~20 cm,共选取有效样点5742个，样点分布见图 1.土壤有机碳（SOC）、pH、阳离子交换量（CEC）用常规方法测定^[15].土壤容重（γ）采用Song等^[6]方法计算：

γ=1.377 0e^{-0.0048 SOC}

Figure 1 Spatial distribution of soil sampling locations in Jilin Province 图 1 吉林省土壤采样点的空间分布

图选项

粒径>2 mm砾石含量根据《吉林土壤》^[14]及《中国土壤》^[16]进行估算。年积温、年降雨数据来自于中国气象科学数据共享服务网的《中国地面气候标准值年值数据集》。 1.3 土壤有机碳密度估算方法

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳的储量，由于排除了面积因素的影响而以土体体积为基础来计算，土壤有机碳密度已成为评价和衡量土壤中有机碳储量的一个极其重要的指标。土壤有机碳密度SOCDD的计算公式如下^[17,18,19]:

本研究中土壤有机碳储量的估算采用土壤类型法，即按土类的平均有机碳密度与其面积的乘积之和求得。国内外常用这种方法进行土壤有机碳储量的估算研究^{[20,21,22,23,24,25]},因此可以形成统一的估算体系，方便对土壤有机碳储量的汇总和进行对比分析。计算公式为：

本研究以土类为单位，分析不同土壤类型耕地表层有机碳密度的差异和土壤有机碳储量分布特征，各种土壤类型耕地表层的有机碳密度、储量及面积分布如表 1所示，不同土壤类型耕地表层的土壤有机碳密度差异较大。暗棕壤、沼泽土和泥炭土的土壤有机碳密度较大，分别为5.17、6.03、8.40 kg·m^-2;白浆土、水稻土、粗骨土、碱土的土壤有机碳密度次之，介于4~5 kg·m^-2之间；栗钙土的土壤有机碳密度最低，为2.80 kg·m^-2.从耕地分布面积来看，黑钙土、黑土、草甸土的分布面积最大，分别占耕地总面积的26.95%、15.52%和14.45%;分布面积最小的土壤类型为盐土，所占不足总面积的0.1%.从储量上来说，黑钙土耕地表层的碳储量位居第一，为4.65×10¹⁰ kg,占总储量的22.57%;黑土、暗棕壤和草甸土的碳储量紧随其后，分别为2.98×10¹⁰、2.95×10¹⁰、2.80×10¹⁰kg,占总储量的百分比分别为14.45%、14.33%和13.57%;有机碳储量最小的土壤类型是盐土，仅为4.20×10⁷ kg,这与其分布面积小有很大关系。吉林省耕地表层土壤有机碳总储量为2.06×10¹¹ kg.

表 1 吉林省耕地表层土壤有机碳密度和储量 Table 1 Soil organic carbon（SOC） density and storage in Jilin Province

表选项

利用ArcGIS中地统计分析的克里金插值法，对吉林省各采样点耕地表层的土壤有机碳密度进行空间插值分析，得到吉林省耕地表层土壤有机碳密度分布图（图 2）.

图 2 吉林省耕地表层土壤有机碳密度空间分布 Figure 2 Spatial distribution of organic carbon density in cultivated topsoils in Jilin Province

图选项

受自然条件和经济条件的影响，省内农业的地区差异明显，由东向西，分别形成了东部山区以农林业为主，中部以农业为主和西部以农牧业为主的农业格局。东部山区包括白山市、吉林市、辽源市、通化市及延边朝鲜族自治州；中部丘陵地区包括长春市和四平市；西部平原区包括松原市和白城市^[26].由图 2可见，吉林省耕地主要分布在中部和西部地区，东部地区分布相对较少，耕地表层土壤有机碳密度具有高度的空间变异性。中部耕地表层土壤有机碳密度主要集中在2~6 kg·m^-2之间；东部耕地表层土壤有机碳密度主要集中在4~8 kg·m^-2之间；西部松原及白城地区耕地表层土壤有机碳密度大都在0~4 kg·m^-2之间。土壤有机碳密度较小（<2 kg·m^-2）的区域主要分布在白城市和松原市境内，主要是由于西部地区盐碱化严重所造成的。吉林省耕地表层土壤有机碳密度总体上呈现由东向西逐渐减小的趋势。 2.2 土壤有机碳含量与气候因素及土壤性质的关系

影响土壤有机碳含量的因素很多，最为重要的影响因素为气候、土壤属性和人为活动^[27],本文主要研究了年积温、年降雨、pH和CEC含量对吉林省耕地土壤表层有机碳含量的影响。由于采样点数目较多，以5742个采样点作散点图，各因素与土壤有机碳含量之间的关系并不明显（图 3A、图 4A、图 5A、图 6A）,考虑从吉林省9个行政地区来分析气候因素（年积温和年降雨）对土壤有机碳含量的影响，从土壤类型来分析pH对土壤有机碳含量的影响及CEC与土壤有机碳含量的关系。

（A）吉林省5742个土壤采样点的土壤有机碳含量与年积温的关系 （B）吉林省9个行政区域的平均土壤有机碳含量与年积温的关系 A:Relationship between soil organic carbon content and annual accumulated temperature by 5742 soil sampling locations in Jilin Province B:Relationship between soil organic carbon content and annual accumulated temperature by 9 administrative regions in Jilin Province 图 3 土壤有机碳含量与年积温的关系 Figure 3 Relationship between soil organic carbon content and annual accumulated temperature

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（A）吉林省5742个土壤采样点的土壤有机碳含量与年平均降雨量的关系 （B）吉林省9个行政区域的平均土壤有机碳含量与年平均降雨量的关系 A:Relationship between soil organic carbon content and annual precipitation by 5742 soil sampling locations in Jilin Province B:Relationship between soil organic carbon content and annual precipitation by 9 administrative regions in Jilin Province 图 4 土壤有机碳含量与年平均降雨量的关系 Figure 4 Relationship between soil organic carbon content and annual precipitation

图选项

通过分析吉林省9个行政地区年积温对土壤有机碳含量的影响，从图 3B可以看出，研究区耕地表层土壤有机碳含量与年积温呈不显着负相关（R=-0.571,n=9）,说明温度不是影响吉林省土壤有机碳分布的控制性因素，可能与温度对土壤有机碳含量的影响较为复杂有关。大量研究表明，温度对植物的净初级生产力及土壤中有机碳的分解都会产生影响^[28].温度对土壤有机碳含量的影响主要体现在两个方面：一方面温度条件会对植被的生产力及分布产生影响，改变土壤中植物残体的归还量，从而影响土壤有机碳的输入源；另一方面，温度会对土壤微生物的活性和数量产生影响，进而影响微生物对有机碳的分解和转化^[22,29].而植物的净初级生产力及土壤有机碳的分解，二者对温度的相对敏感性在很大程度上决定温度影响下的土壤有机碳含量^[30,31]. 2.2.2 年平均降雨量对土壤有机碳含量的影响

通过分析吉林省9个行政地区年平均降雨量对土壤有机碳含量的影响，从图 4B可以看出，研究区耕地表层土壤有机碳含量与年平均降雨量呈显着正相关（R=0.766,n=9）,表明随着年平均降雨量的增多，土壤有机碳含量也相应增加。土壤水分可以通过影响土壤的通透性来影响土壤有机碳的含量：降水增多，土壤的通透性较差，土壤中的固有有机碳不易矿化，外源有机残体在水分充足的作用下易于降解成小分子有机物质，保存于土壤中，从而增加土壤中有机碳的含量；水分不足，则土壤的孔隙度大，土壤中的有机物质矿化分解，不易于土壤有机碳的积累^[32,33].此外，降水还会通过影响植物的净初级生产力影响土壤有机碳库的输入，降水增加可能提高光合作用速率以及水分利用和养分利用效率，进而提高植物的生产力，增加土壤有机碳库的输入，也可能提高植物呼吸速率从而降低土壤有机碳库的输入^[32].受降雨量的影响，吉林省土壤有机碳积累量大于分解量，总体上土壤有机碳含量随降雨量增多而增加。 2.2.3 pH值对土壤有机碳含量的影响

通过分析吉林省15个土壤类型的平均pH值对土壤有机碳含量的影响，从图 5B可以看出，研究区耕地表层土壤有机碳含量与土壤pH呈显着负相关（R=-0.609,n=15）,表明随着pH值的升高，土壤有机碳含量相应减少。pH对土壤有机碳含量的影响主要体现在pH对微生物生命活动的影响，pH过高（>8.5）或者过低（<5.5）对大部分微生物都不适宜，会抑制其活动，从而使有机碳分解的速率下降，土壤中有机碳的含量相应升高^{[32,34,35,36,37]}.土壤pH大部分集中在5.5~8.5之间，有机碳含量随着pH的增大呈现减少的趋势。

（A）吉林省5742个土壤采样点的土壤有机碳含量与pH的关系 （B）吉林省15个土壤类型的平均土壤有机碳含量与pH的关系 A:Relationship between soil organic carbon content and pH by 5742 soil sampling locations of Jilin Province B:Relationship between soil organic carbon content and pH by 15 administrative regions of Jilin Province 图 5 土壤有机碳含量与pH的关系 Figure 5 Relationship between soil organic carbon content and soil pH

图选项

通过分析吉林省15个土壤类型平均CEC与土壤有机碳含量的关系，从图 6B可以看出，研究区耕地表层土壤有机碳含量与CEC呈显着正相关（R=0.602,n=15）.土壤有机质与土壤矿质部分结合时会导致表面电荷的变化，从而影响土壤CEC.通常情况下土壤有机质与土壤矿质部分复合会有交换点的损耗且常伴随其他土壤性质的变化，但是土壤有机质比土壤矿质部分的CEC要大得多，在绝大多数情况下，土壤有机质的交换量虽不能百分之百转化为土壤CEC,但仍可使土壤CEC有所增加，土壤有机碳含量与CEC呈显着正相关关系^[38,39].

（A）吉林省5742个土壤采样点的土壤有机碳含量与CEC的关系 （B）吉林省15个土壤类型的平均土壤有机碳含量与CEC的关系 A:Relationship between soil organic carbon content and CEC by 5742 soil sampling locations in Jilin Province B:Relationship between soil organic carbon content and CEC by 15 administrative regions in Jilin Province 图 6 土壤有机碳含量与土壤阳离子交换量的关系 Figure 6 Relationship between soil organic carbon content and CEC

图选项

（1）吉林省耕地表层（0~20 cm）土壤有机碳储量为0.206 Pg,主要分布在暗棕壤、白浆土、黑土、黑钙土和草甸土5种土壤类型。

（2）吉林省耕地表层土壤有机碳密度具有高度的空间变异性，整体上呈现出自东向西逐渐减小的趋势。

（3）年降雨量、年积温、pH均是影响吉林省耕地表层土壤有机碳含量的因素，其中年降雨量和pH是吉林省耕层土壤有机碳含量的控制因子，CEC与吉林省耕层土壤有机碳含量有密切关系。在进行土壤有机碳空间预测和碳库估算时，需要考虑这些因子，在农业利用及固碳减排措施的选择上需要关注耕层土壤有机碳储量及分布。