浙江省土壤有机碳估算及其尺度效应研究

【摘要】作为陆地碳库的重要组成部分,土壤有机碳库对于温室效应和全球变化具有重要的作用。精确估算土壤有机碳储量是当前全球变化研究中的热点之一,同时也是土壤质量评价、农业可持续发展、农业面源污染控制、国家粮食安全、全球碳循环模拟模型构建和全球气候变化等方面研究的重要基础。由于土壤存在很大的空间异质性,因而区域尺度土壤有机碳估算研究的结果有助于提高全球尺度的估算精度,同时亦可为区域的政策制定和农业的可持续发展提供数据支持。本文以浙江省为研究区,基于浙江省系列比例尺基础土壤数据库(含1：1000万、1：400万、1：100万和1：50万四个小比例尺,1：25万中比例尺以及1：5万大比例尺,共计六个比例尺),利用经典的统计学(土壤剖面统计法,soilprofilestatisticsmethod,SPS法)和基于GIS技术的三种方法[即均值法、中值法和基于土壤学专业知识的方法(pedologicalprofessionalknowledgebasedmethod,PKB法)]计算浙江省0-100cm深度土层中的有机碳密度和储量,分析有机碳在不同土壤类型、不同土壤深度范围、不同地形条件、不同地貌区和不同土地利用方式下的空间分布特征,以及时序上的变化规律,量化土壤剖面数据的汇总尺度、剖面数量的扩充以及不同估算方法对土壤有机碳估算结果的影响,揭示土壤图制图比例尺影响土壤有机碳密度及储量估算的具体过程。主要结果和结论如下：1、浙江省土壤有机碳的密度及储量：本研究采用的2154个剖面中土壤有机碳密度最大值为279.52kg/m2,最小值为0.10kg/m,呈正偏态分布(偏度为14.17),属强变异性(变异系数为103.9%)。基于1：5万数字化土壤图,浙江省土壤总面积为100740.0km2(不含水体和城镇覆盖区域),土壤有机碳总储量为831.49*106t,土壤有机碳平均密度为8.25kg/m2。山地草甸土土类有机碳密度最高(45.30kg/m2),基性岩土最低(3.49kg/m2)；红壤是分布面积和有机碳储量均最大的土类,分别占全省土壤总面积的39.4%和有机碳总储量的31.2%。2、浙江省土壤有机碳的空间分布特征及其时序上的变化规律：土壤有机碳密度和储量随土层深度的增加均表现为逐渐减小的趋势。利用PKB法估算的0-20cm深度内的土壤有机碳储量平均占0-100cm深度内土壤有机碳总储量的41.1%。不同土地利用方式下土壤有机碳积累差异显著。利用方式为草地、富含具有明显有机质积累过程的山地草甸土,其土壤有机碳密度最高,平均为14.42kg/m2；未利用地由于植被覆盖度较低甚至无植被覆盖,其土壤有机碳密度最低,平均仅为5.75kg/m2；水田土壤有机碳密度比旱地和园地高,原因可能在于有机肥的施用和淹水耕作。以海宁市为例,研究了从第二次土壤普查至2005年土壤有机碳的变化,结果表明该市表层土壤的有机碳密度增长了11.6%。3、不同估算方法对土壤有机碳储量估算的影响：采用同一方法以不同土壤制图单元级别(土种、土属、亚类和土类)为基础所估算的有机碳总储量之间的变异较小(≤2.1%);在同一土壤制图单元级别上,利用中值法估算的有机碳储量远低于均值法、SPS法和PKB法估算的结果；在不同土壤制图单元级别为基础的土壤有机碳储量估算中,以土种水平上利用四种方法估算的有机碳储量之间的变异系数最小。由于黄壤和山地草甸土的剖面有机碳密度值具有极高的变异性且山地草甸土剖面数量较少,这两个土类的有机碳储量和空间分布特征在基于GIS的三种估算方法之间差异最为显著。在5种不同深度土层(0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm和80-100cm)中,利用四种方法估算的土壤有机碳储量大小顺序均为：PKB法>SPS法>均值法>中值法,与0-100cm深度土层中估算的结果一致。由于PKB法在将土壤剖面的有机碳密度值与数字化土壤图上的图斑进行连接的过程中,采用了以县域为基本控制单元,并综合考虑了土壤剖面的地理位置和土壤母质信息,其在展示土壤有机碳的空间分布特征方面具有明显的优势。4、土壤有机碳估算的尺度效应：土壤剖面数据的汇总尺度及剖面数量的扩充对土壤有机碳估算的结果具有较大影响。利用省级汇总尺度的161个土种统计剖面数据估算的土壤有机碳储量比利用县级尺度该161个土种对应的1797个土壤典型剖面数据估算的结果高12.4%(均值法)和8.5%(PKB法)。利用均值法、中值法和PKB法估算的土壤有机碳储量之间差异显著(P<0.05)。而在利用六种比例尺土壤图估算的土壤有机碳储量之间,1：5万与1：50万、1：100万、1：400万和1：1000万之间的差异显著,与1：25万之间的差异不显著。随土壤图比例尺从1：5万向1：1000万降低,表现出以下特征：(1)土壤有机碳密度和储量均表现为增大的趋势,其中以1：50万向1：100万比例尺的转变最为明显;(2)土壤图上增加的土壤面积主要来源于在图件缩编过程中大比例尺土壤图上的水体和城镇图斑归并为更小比例尺土壤图上的土壤图斑,1：1000万土壤图中有机碳总储量的增大主要来源于土壤图缩编过程中把有机碳密度较低的粗骨土归并为有机碳密度较高的其它土类；(3)水体和城镇面积被归并为土壤面积、土壤类型之间的相互归并以及由土壤图概化过程所引起的土壤剖面数量的变化均对土壤有机碳密度及储量的估算产生直接影响；(4)更小比例尺土壤图有机碳密度之间的差异程度趋于减小,PKB法比均值法和中值法更能呈现不同比例尺土壤图有机碳密度在空间分布上的差异。本论文仍然存在一定的局限性和不足,在今后的工作中,需要在数据时效性(将土壤类型和土壤属性等信息更新至当前时点)、省域尺度土地利用变化对土壤有机碳的影响、各因子之间的相互作用、DNDC模型和地统计等方法的应用以及不同数据源的尺度匹配与转换等方面进一步研究。
【作者】支俊俊；
【导师】吴嘉平；
【作者基本信息】浙江大学，农业遥感与信息技术，2014，博士
【关键词】土壤有机碳；密度；储量；空间分布；尺度效应；浙江省；

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