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華北和東北地區(qū)土地利用和氣候變化對土壤有機(jī)碳的影響

日期： 2020-05-15

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土壤有機(jī)碳（SOC）源和匯之間的平衡會影響溫室氣體以及全球氣候。SOC儲量的微小變化會影響碳循環(huán)，并可能顯著增加或降低大氣中的碳濃度。土壤碳的變化受氣候和土地利用的影響，并且在不同土壤中也會發(fā)生變化。為了更好地理解土壤有機(jī)碳的動力學(xué)及其驅(qū)動因子，作者收集了華北和東北地區(qū)1980年代和2000年代的數(shù)據(jù)，其中2000年代的樣品利用ASD Fieldspec ProFR vis–NIR光譜儀進(jìn)行了漫反射光譜的測定用于土壤碳的預(yù)測，并對各個(gè)時(shí)期土壤有機(jī)碳的空間變化進(jìn)行了數(shù)字土壤制圖。在1980年代，在30公里的方格中采集了585個(gè)土壤樣品，并在2003年和2004年對該區(qū)域進(jìn)行了重新采樣（1062個(gè)樣品）。該地區(qū)土地利用類型主要是農(nóng)田，森林和草地。土地利用，地形因素，植被指數(shù)，可見近紅外光譜和氣候因素作為預(yù)測因子，使用隨機(jī)森林預(yù)測土壤有機(jī)碳濃度及其時(shí)間變化。1985年平均土壤有機(jī)碳濃度為10.0 g kg^-1，而2004年為12.5 g kg^-1。在這兩個(gè)時(shí)期中，土壤有機(jī)碳變化相似且從南到北增加。據(jù)估計(jì)土壤有機(jī)碳儲量在1985年為1.68 Pg，在2004年為1.66 Pg，但是不同土地利用下土壤有機(jī)碳變化是不同的。在過去的20年中，平均氣溫升高，大面積森林和草原轉(zhuǎn)化為農(nóng)田。農(nóng)田土壤有機(jī)碳增加了0.094 Pg（+9％），而森林和草地土壤有機(jī)碳分別損失了0.089 Pg（?25％）和0.037 Pg（?25％）。結(jié)論是，土地利用是該地區(qū)土壤有機(jī)碳變化的主要驅(qū)動力，而氣候變化在不同地區(qū)的貢獻(xiàn)則不同。在土地利用的轉(zhuǎn)換下，土壤有機(jī)碳損失顯著，而農(nóng)田具有土壤有機(jī)碳封存的巨大潛力。

1 結(jié)果

1.1?土壤有機(jī)碳濃度

2004年樣品的總SOC平均濃度為12.5 g kg^-1，略高于1985年的SOC濃度（10.0 g kg^-1）（表2）。在1985年，各土地利用類型表現(xiàn)為農(nóng)田（8.3 g kg^-1）＜裸地（10.0 g kg^-1）＜草地（15.1 g kg^-1）＜沼澤（16.0 g kg^-1）＜森林（17.1 g kg^-1）。在2004年表現(xiàn)為裸地（11.1 g kg^-1）＜農(nóng)田（12.2g kg^-1）＜森林（12.7g kg^-1）＜草地（13.3g kg^-1）＜沼澤（20.8 g kg^-1）。隨著時(shí)間的變化，農(nóng)田，沼澤和裸地土壤的SOC增加了，而森林和草地降低了。1985年的土壤由于較高的標(biāo)準(zhǔn)偏差而顯示出比2004年更高的變化（表3）。

華北和東北地區(qū)土地利用和氣候變化對土壤有機(jī)碳的影響

1.2 土壤有機(jī)碳濃度空間模型

表4總結(jié)了預(yù)測模型的校準(zhǔn)和獨(dú)立驗(yàn)證，其中1985年樣品的校準(zhǔn)LCCC為0.91（0.90–0.92），2004年為0.97。1985年獨(dú)立驗(yàn)證LCCC為0.65（0.39-0.90），2004年為0.84（0.77-0.90）。在校準(zhǔn)和驗(yàn)證水平，1985年的RMSEs均高于2004年。由于樣品密度較高，LCCC和RMSE較低，因此2004年的模型比1985年的模型更穩(wěn)定。

圖2顯示了環(huán)境協(xié)變量在1985年和2004年預(yù)測模型中的重要性。在這兩個(gè)時(shí)期一些協(xié)變量重要性相似，例如坡度，TWI，MBI，溫度，降水和土地利用。植被和氣候因素是重要的預(yù)測指標(biāo)，尤其是溫度，降水，NDVI和VNDVI。坡向，曲率和MBI對2004年SOC預(yù)測的貢獻(xiàn)不大，且坡向是兩個(gè)時(shí)期中最不重要的因素。2004年土壤樣品光譜的PCA在預(yù)測模型中表現(xiàn)出很高的重要性。從PC1到PC3重要性依次降低。

1.3 土壤碳的空間變化

圖3預(yù)測了1985年和2004年0-20 cm表土中SOC濃度。1985年研究區(qū)的SOC濃度從南到北增加。在南部，SOC濃度大部分在8g kg^-1以下。中部海拔較高，其SOC濃度高于南部。在北部，SOC濃度隨緯度顯著增加。兩個(gè)時(shí)期SOC的空間分布是相似的。在南半部，SOC濃度在8至10 g C kg^-1之間，高于1985年。在北部，SOC濃度隨緯度增加。

由于樣品數(shù)量和地點(diǎn)的不同，兩個(gè)時(shí)期的不確定性也有所不同（圖4）。北部地區(qū)預(yù)測不確定性最低。1985年SOC預(yù)測的高度不確定性發(fā)生在海拔較高的中部和南部邊緣。2004年的高度不確定性發(fā)生在樣品密度較低的中北部地區(qū)。

華北和東北地區(qū)土地利用和氣候變化對土壤有機(jī)碳的影響

1.4 土壤有機(jī)碳的變化

在1985年至2004年之間，除農(nóng)田外，所有土地利用的平均SOC濃度均下降。農(nóng)田是研究區(qū)最大的土地利用類型，其SOC濃度增加了0.5 g kg^-1（表4）。在森林土壤中，SOC減少量最大，為8.8 g kg^-1（-38％）。草地上的SOC濃度降低了21％。

研究發(fā)現(xiàn)，SOC濃度發(fā)生了顯著變化，并且在初始濃度較高的地區(qū)，SOC的降低幅度更大。SOC的降低主要發(fā)生在研究區(qū)域的北部（中國東北）。減少量超過6 g kg^-1。?相反，初始SOC相對較低的南部地區(qū)（華北地區(qū)）SOC有所提高。

1985年和2004年土壤有機(jī)碳總儲存量分別為1.68 Pg和1.66 Pg。在不同的土地利用類型中，農(nóng)田含有最多的有機(jī)碳，而森林和草地的有機(jī)碳含量遠(yuǎn)少于農(nóng)田。二十年來森林土壤SOC損失了約25％（表5），但農(nóng)田土壤有機(jī)碳卻增加了9％。草地土壤有機(jī)碳以25%速率增加了0.013 Pg。

1.5 土地利用和氣候變化對土壤有機(jī)碳變化的影響

在華北和東北地區(qū)，土地利用對SOC變化的貢獻(xiàn)超過溫度和降水變化（圖5）。在整個(gè)地區(qū)，對SOC變化的貢獻(xiàn)中土地利用占38％，溫度變化約占9％，而降水變化僅占5％。東北地區(qū)（42％）比華北地區(qū)（33％）的土地利用占比更大。整個(gè)研究區(qū)域，特別是東北和華北地區(qū)，溫度變化對SOC均無顯著影響。華北地區(qū)降水變化對SOC動態(tài)的影響很?。?/span>17％），而東北地區(qū)幾乎沒有影響。溫度對東北地區(qū)的SOC變化沒有顯著影響，而華北地區(qū)占20％。華北地區(qū)氣候變化對SOC變化的總貢獻(xiàn)達(dá)到了35％，而土地利用為33％，但在總變化中共有19％的相互作用。

2 結(jié)論

研究估計(jì)了1985年至2004年之間0–20 cm表層土壤有機(jī)碳濃度和儲存量的變化。數(shù)字土壤制圖方法利用隨機(jī)森林模型中的環(huán)境協(xié)變量預(yù)測了兩個(gè)時(shí)期SOC的空間變化。結(jié)果為：

（1）?隨機(jī)森林可以在大尺度上有效地預(yù)測SOC空間變化。在這兩個(gè)時(shí)期中，SOC濃度具有相似的趨勢，東北地區(qū)的SOC較低，華北平原的SOC較高。華北地區(qū)土壤碳增加，而大多數(shù)東北地區(qū)則減少。

（2）?SOC的總體儲存量穩(wěn)定。農(nóng)田土壤中的碳儲量增加0.094 Pg，增長率為9％。森林和草原土壤中發(fā)生顯著的碳損失，均為-25%。

（3）?在中國華北和東北地區(qū)，土地利用變化是SOC變化的主要驅(qū)動因子。與土地利用變化相比，氣候變化對SOC變化的貢獻(xiàn)相似，而東北地區(qū)的貢獻(xiàn)較小。

Land use and climate change effects on soil organic carbon in North and Northeast China.pdf

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