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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碳的影響

日期: 2020-05-15
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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碳的影響

華北和東北地區(qū)土地利用和氣候變化對土壤有機碳的影響

土壤有機碳(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光譜儀進行了漫反射光譜的測定用于土壤碳的預(yù)測,并對各個時期土壤有機碳的空間變化進行了數(shù)字土壤制圖。在1980年代,在30公里的方格中采集了585個土壤樣品,并在2003年和2004年對該區(qū)域進行了重新采樣(1062個樣品)。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,使用隨機森林預(yù)測土壤有機碳濃度及其時間變化。1985年平均土壤有機碳濃度為10.0 g kg-1,而2004年為12.5 g kg-1。在這兩個時期中,土壤有機碳變化相似且從南到北增加。據(jù)估計土壤有機碳儲量在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)田土壤有機碳增加了0.094 Pg+9%),而森林和草地土壤有機碳分別損失了0.089 Pg?25%)和0.037 Pg?25%)。結(jié)論是,土地利用是該地區(qū)土壤有機碳變化的主要驅(qū)動力,而氣候變化在不同地區(qū)的貢獻則不同。在土地利用的轉(zhuǎn)換下,土壤有機碳損失顯著,而農(nóng)田具有土壤有機碳封存的巨大潛力。


1 結(jié)果
1.1?土壤有機碳濃度
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)(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準偏差而顯示出比2004年更高的變化(3)。

華北和東北地區(qū)土地利用和氣候變化對土壤有機碳的影響

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1.2 土壤有機碳濃度空間模型
4總結(jié)了預(yù)測模型的校準和獨立驗證,其中1985年樣品的校準LCCC0.910.90–0.92),2004年為0.97。1985年獨立驗證LCCC0.650.39-0.90,2004年為0.840.77-0.90)。在校準和驗證水平,1985年的RMSEs均高于2004年。由于樣品密度較高,LCCCRMSE較低,因此2004年的模型比1985年的模型更穩(wěn)定。
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。在這兩個時期一些協(xié)變量重要性相似,例如坡度,TWIMBI,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,尤其是溫度,降水,NDVIVNDVI。坡向,曲率和MBI2004SOC預(yù)測的貢獻不大,且坡向是兩個時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PC1PC3重要性依次降低。
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1.3 土壤碳的空間變化
3預(yù)測了1985年和20040-20 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。兩個時期SOC的空間分布是相似的。在南半部,SOC濃度在810 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)量和地點的不同,兩個時期的不確定性也有所不同(4)。北部地區(qū)預(yù)測不確定性最低。1985SOC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碳的影響

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1.4 土壤有機碳的變化
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)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-14)。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年土壤有機碳總儲存量分別為1.68 Pg1.66 Pg。在不同的土地利用類型中,農(nóng)田含有最多的有機碳,而森林和草地的有機碳含量遠少于農(nóng)田。二十年來森林土壤SOC損失了約25%(5),但農(nóng)田土壤有機碳卻增加了9%。草地土壤有機碳以25%速率增加了0.013 Pg

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1.5 土地利用和氣候變化對土壤有機碳變化的影響

在華北和東北地區(qū),土地利用對SOC變化的貢獻超過溫度和降水變化(5)。在整個地區(qū),對SOC變化的貢獻中土地利用占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變化的總貢獻達到了35%,而土地利用為33%,但在總變化中共有19%的相互作用。
華北和東北地區(qū)土地利用和氣候變化對土壤有機碳的影響
2 結(jié)論
研究估計了1985年至2004年之間0–20 cm表層土壤有機碳濃度和儲存量的變化。數(shù)字土壤制圖方法用隨機森林模型中的環(huán)境協(xié)變量預(yù)測了兩個時期SOC的空間變化。結(jié)果為:
(1)?隨機森林可以在大尺度上有效地預(yù)測SOC空間變化。在這兩個時期中,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變化的貢獻相似,而東北地區(qū)的貢獻較小。


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


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