基于不同圖量法的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算方法比較

基于不同圖量法的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算方法比較

1土壤類劃分參數(shù)的方法土壤有機(jī)碳（si）作為耕地系統(tǒng)土壤肥力的重要組成部分，在提高土壤肥力、保持作物產(chǎn)量、質(zhì)量狀況和水處理方面發(fā)揮著重要作用。此外，秘書還是土壤碳數(shù)據(jù)庫的主要組成部分，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。SOC庫是陸地植被碳庫的近3倍,是全球大氣碳庫的近2倍。由于SOC的巨大庫容,其較小幅度的變化就可能影響全球氣候變化。因此,在當(dāng)前全球氣候變化問題已經(jīng)成為世界各國所必須面對的挑戰(zhàn)的背景下,準(zhǔn)確估算SOC儲(chǔ)量對于定量碳截存和碳通量變化具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。目前對SOC儲(chǔ)量的估算存在很大差異,如對全球SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果從710PgC到3000PgC,對中國SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果從50PgC到185.7PgC。SOC儲(chǔ)量的估算方法主要有土壤類型法、生命帶法(模型法)、植被類型法,其中土壤類型法應(yīng)用最為廣泛。土壤類型法是按照某種連接方法將土壤剖面的SOC密度值賦予土壤圖圖斑,通過GIS獲得土壤圖圖斑面積,從而實(shí)現(xiàn)對SOC儲(chǔ)量的估算。但由于比例尺的限制,土壤圖制圖單元在不同比例尺條件下有所不同。由于隨剖面數(shù)量的增加SOC密度的變異系數(shù)增大,因此基本制圖單元的變化將會(huì)使屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的連接對區(qū)域SOC儲(chǔ)量估算的不確定性產(chǎn)生影響。即使以同樣的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)估算,由于連接方法不同,估算的結(jié)果也會(huì)有較大差異。如于東升等基于1∶100萬的全國土壤圖和7292個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù),以土類為研究單元,將土類中各亞類SOC密度的面積加權(quán)平均值和中值分別賦予相應(yīng)的土類,估算的結(jié)果分別為92.51PgC和72.69PgC,二者相差27%?；?∶400萬的全國土壤圖,王紹強(qiáng)等利用2473個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù),以各土種的面積為權(quán)重計(jì)算各基本制圖單元的SOC密度值,估算的全國SOC儲(chǔ)量為92.42PgC;而解憲麗等利用2456個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù),將各剖面SOC密度的中值作為相應(yīng)制圖單元的SOC密度,估算的全國1m土層SOC儲(chǔ)量為84.4PgC,比前者低10%。另外,Zhao等、李忠等和徐香蘭等以土種面積為權(quán)重計(jì)算相應(yīng)分類單元的平均SOC密度;姜小三等、甘海華等以算術(shù)平均值作為相應(yīng)分類單元的平均SOC密度,對我國不同區(qū)域SOC儲(chǔ)量進(jìn)行了估算。基于中國土壤普查和分類系統(tǒng)的特點(diǎn),Shi等提出了基于土壤學(xué)專業(yè)知識(shí)的連接方法,根據(jù)土壤成土母質(zhì)相同或相近、土壤類型一致與相似性、土壤剖面點(diǎn)位置與分布區(qū)域一致或鄰近等原則,把每個(gè)土壤剖面的屬性數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的土壤圖圖斑相連接,能夠反映同一制圖單元不同空間位置上圖斑之間碳密度的變異性,土壤圖越詳細(xì)效果越好。于東升等利用這種方法基于1∶100萬的全國土壤圖和7292個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù)估算全國1m土層SOC儲(chǔ)量為89.4PgC。Zhao等和Liu等均應(yīng)用了這種方法。屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的連接能夠引起對SOC儲(chǔ)量估算的巨大差異,在估算過程中不能忽視。為了探明基本制圖單元及連接方法對區(qū)域SOC儲(chǔ)量估算的影響,本文以中國滇黔桂地區(qū)為例,利用相同的土壤剖面數(shù)據(jù)和1∶50萬土壤圖,分別以土屬、亞類和土類為研究單元,以不同的連接方法對區(qū)域SOC儲(chǔ)量進(jìn)行估算,探尋適合不同制圖單元下SOC儲(chǔ)量估算的最佳連接方法,為SOC估算提供依據(jù)。2材料和方法2.1西南中低山地氣候。在我國,我國研究區(qū)域?yàn)橹袊崆鸬貐^(qū)(圖1),包括云南省、貴州省和廣西壯族自治區(qū),位于20°53′48″~29°15′00″N和97°31′52″~112°03′25″E之間,面積為806400km2,約占中國陸地面積的8.4%。該區(qū)地勢西北高、東南低,山地廣布,地形復(fù)雜,山地面積約占78%。特別是西部橫斷山縱谷區(qū)(位于云南省元江以西,面積占全區(qū)的26.5%),屬橫斷山脈南段,西部與喜馬拉雅山相連,嶺谷高差懸殊,最低海拔為76m,最高為6740m。滇黔桂地區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),由于處于低緯度,海拔變化懸殊,因此氣候類型多樣,氣候的區(qū)域差異和垂直變化十分明顯。該區(qū)土壤具有明顯的水平地帶性和垂直地帶性。水平地帶性表現(xiàn)為從南向北的磚紅壤、赤紅壤、紅壤的依次更替,垂直地帶性表現(xiàn)為燥紅土、紅壤、黃壤、黃棕壤、棕壤、暗棕壤、棕色針葉林土、亞高山草甸土和高山寒漠土的依次更替,另外還有大面積的石灰?guī)r土、紫色土和水稻土分布。2.2土壤剖面數(shù)據(jù)庫土壤剖面數(shù)據(jù)來源于《廣西土種志》、《貴州土種志》和《云南土種志》中記載的共798個(gè)典型土壤剖面,其中有265個(gè)土壤剖面被《中國土種志》收錄。根據(jù)中國土壤發(fā)生分類系統(tǒng)(GeneticSoilClassificationofChina,GSCC),這些土壤剖面分屬798個(gè)土種,265個(gè)土屬,60個(gè)亞類和26個(gè)土類。基于剖面數(shù)據(jù),建立了土壤剖面數(shù)據(jù)庫,其中包括土壤類型、土壤理化性質(zhì)、采樣點(diǎn)位置及土種分布面積等信息,其中798個(gè)土種的統(tǒng)計(jì)面積共計(jì)47.45Mhm2。空間數(shù)據(jù)來自廣西壯族自治區(qū)1∶50萬土壤圖1、貴州省1∶50萬土壤圖2和云南省1∶50萬土壤圖3。土壤圖的制圖單元系統(tǒng)也是基于GSCC,最小分類單元為土屬;土壤面積為78.04Mhm2。2.3學(xué)習(xí)方法2.3.1土壤理化性質(zhì)對于一定剖面深度D(cm)的土壤,有機(jī)碳密度SOCDD(kgC/m2)的計(jì)算公式如下:SOCDD=∑i=1n(1?δi%)×ρi×Ci×Ti100SΟCDD=∑i=1n(1-δi%)×ρi×Ci×Τi100式中:n為土層數(shù),δi%為第i層>2mm礫石含量(體積百分含量),ρi為第i層土壤容重(g/cm3),Ci為第i層土壤有機(jī)碳濃度(g/kg),土壤有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)質(zhì)含量乘以0.58(Bemmelen轉(zhuǎn)換系數(shù))得到的,Ti為第i層土層厚度(cm)。先計(jì)算每個(gè)土種剖面的碳密度,本研究中計(jì)算的剖面碳密度的深度為0~100cm,對于剖面沒有容重記載的剖面,采用同一土屬的其它剖面相應(yīng)土層的平均容重代替。2.3.2建立土壤數(shù)據(jù)庫首先將土壤圖數(shù)字化,然后利用基于土壤學(xué)專業(yè)知識(shí)連接方法將土壤剖面數(shù)據(jù)庫與數(shù)字化土壤圖連接,建成基于土壤學(xué)專業(yè)知識(shí)的土壤數(shù)據(jù)庫。再以省級(jí)區(qū)域?yàn)榭刂茊卧?分別以GSCC土類、亞類和土屬為研究單元,分別以各研究單元所包含的土壤剖面(土種)SOC密度的中值、算術(shù)平均值和面積加權(quán)平均值(以土壤剖面數(shù)據(jù)庫的中土種面積為權(quán)重)作為該研究單元的SOC密度,建成9個(gè)相互獨(dú)立的土壤數(shù)據(jù)庫?；贕SCC,10個(gè)數(shù)據(jù)庫分別被用來估算SOC儲(chǔ)量,以土壤圖上各圖斑所代表的面積為面積來源計(jì)算各土壤類型和全區(qū)面積加權(quán)SOC密度和SOC儲(chǔ)量。3結(jié)果與分析3.1土屬水平上的soc儲(chǔ)量和密度在不同制圖單元(土壤分類)水平上利用不同方法連接屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù),對滇黔桂地區(qū)SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果具有較大差異(表1)。在土類水平上利用中值法估算的結(jié)果最低(1m土層SOC儲(chǔ)量為8.91PgC,SOC密度為11.42kgC/m2);在土屬水平上利用PKB法估算的結(jié)果最高(1m土層SOC儲(chǔ)量為10.91PgC,SOC密度為13.98kgC/m2),二者相差18%。PKB法估算的結(jié)果與面積加權(quán)平均值法估算的結(jié)果接近,差異均在1.5%以內(nèi)。除PKB法外,其它3種連接方法對SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果由大到小依次為:面積加權(quán)平均值法>算術(shù)平均值法>中值法。算術(shù)平均值法和中值法的估算結(jié)果均隨分類水平的降低而升高,而面積加權(quán)平均值法則是亞類水平最高,土屬水平最低。除PKB法外,在土類、亞類和土屬水平上其它3種連接方法間的最大差異分別為22%、16%和9%;而算術(shù)平均值法、中值法和面積加權(quán)平均值法在不同連接水平上的最大差異分別為4%、11%和2%,方法間的差異要大于鏈接水平間的差異。3.2估計(jì)結(jié)果對比從土類的角度對SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果進(jìn)行分析更能體現(xiàn)對區(qū)域SOC儲(chǔ)量估算結(jié)果的差異性。該研究區(qū)的土壤共有26個(gè)土類,其中11個(gè)土類分布面積較大,占總土壤面積的96.9%。由于所采用的土壤圖比例尺較大(1∶50萬),制圖單元較為詳細(xì)(基本制圖單元為土屬),因此PKB法的估算結(jié)果與真值較為接近。以PKB法估算的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),對算術(shù)平均值法、中值法和面積加權(quán)平均值法進(jìn)行比較?；?1種主要土類SOC密度估算值的比較結(jié)果見圖2。算術(shù)平均值法對11種主要土類SOC密度的估算結(jié)果與PKB法相差較大,對黃壤、紫色土和粗骨土的估算結(jié)果偏高,而對于石灰?guī)r土、棕壤和暗棕壤的估算結(jié)果則偏低;中值法的估算結(jié)果則普遍偏低,最大差值達(dá)到30%以上;而面積加權(quán)平均值法的估算結(jié)果,除赤紅壤和水稻土外,均與PKB法的估算結(jié)果相接近(差異<10%)。在不同分類水平上鏈接對土類SOC密度的估算結(jié)果的差異性在3種連接方法之間表現(xiàn)并不一致。中值法在不同連接水平上的差異最大,對6種主要土類估算結(jié)果的差異超過10%;其次是算術(shù)平均值法,對4種主要土類估算結(jié)果的差異超過10%;而面積加權(quán)平均值法在不同連接水平上對11種主要土類的估算結(jié)果最為一致,水平間的差異均在10%以內(nèi),其中有7種土類小于5%。4對計(jì)面積與土壤圖面積的估計(jì)結(jié)果分析從滇黔桂地區(qū)三省省級(jí)土種志中收集的798個(gè)土壤剖面的SOC密度值呈正偏態(tài)分布,因此中值小于算術(shù)平均值,從而導(dǎo)致利用中值法連接屬性數(shù)據(jù)與面積數(shù)據(jù)對SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果小于算術(shù)平均值法,兩種方法的估算結(jié)果均與PKB法的估算結(jié)果相差較大,這與趙永存對河北省的研究結(jié)果一致,說明無論是采用中值還是算術(shù)平均值對SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果均不理想。這也可以解釋為什么在數(shù)據(jù)資料相近的情況下,解憲麗等對全國SOC儲(chǔ)量估算的結(jié)果比王紹強(qiáng)等估算的結(jié)果低。而面積加權(quán)平均值由于采用了各省土種志中記錄的各土種的面積作為權(quán)重,盡管這種面積存在較大的誤差(總土壤面積比土壤圖上的面積低39%),但對SOC密度的估算結(jié)果與PKB法較為接近,這可能是因?yàn)殡m然土種志中所記載的土壤面積比土壤圖上的面積偏低,但各級(jí)土壤分類單元內(nèi)部的土種所占的面積比例可能與通過土壤圖計(jì)算的結(jié)果較為接近。圖3為滇黔桂地區(qū)各土屬兩種面積的關(guān)系圖。從圖中可以看出,大多數(shù)土屬的土種志統(tǒng)計(jì)面積與土壤圖面積之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系,說明對大多數(shù)土屬而言,土種志中記載的面積占相應(yīng)省內(nèi)總土壤面積的比例與通過土壤圖統(tǒng)計(jì)的結(jié)果相差不大。從對各主要土類SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果來看,面積加權(quán)平均值法的估算結(jié)果要好于算術(shù)平均值法和中值法,而且在土類、亞類和土屬3個(gè)水平上連接的估算結(jié)果相差不大。但對于赤紅壤和水稻土SOC儲(chǔ)量的估算結(jié)果與PKB法的估算結(jié)果相差較大,對赤紅壤的估算結(jié)果比PKB法低8%~13%,而對水稻土的估算結(jié)果比PKB法低15%~19%。面積加權(quán)平均值法與PKB法對赤紅壤的估算結(jié)果相差較大,主要是因?yàn)橥练N志中赤紅壤某些土種的統(tǒng)計(jì)面積與真實(shí)值相差極為懸殊而引起的。由于所采用的土壤圖的基本制圖單元為土屬,因此可以從土屬水平上對土種志中的統(tǒng)計(jì)面積與利用土壤圖所計(jì)算的土壤面積進(jìn)行比較(圖3)。從圖中可以看出,土種志統(tǒng)計(jì)面積與土壤圖上的土壤面積相差最大的土屬大多分布于云南省,這些土屬主要分布在云南省西部的橫斷山區(qū)。該地區(qū)山高谷深,地形極為復(fù)雜,而且有很多山區(qū)極為偏遠(yuǎn),在第二次土壤普查中進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)時(shí)誤差較大。這些土屬主要分屬于赤紅壤和紅壤,這也使面積加權(quán)平均值法與PKB法對紅壤的估算結(jié)果相差也較大(6%左右)。對水稻土的估算結(jié)果,面積加權(quán)平均值法與PKB法之間相差也較大,這與水稻土的分布特征和SOC密度的變異性有關(guān)。三省1∶50萬土壤圖表明水稻土各類型的區(qū)域性分布特征并不明顯,各種類型往往相間分布;而且該研究區(qū)內(nèi)水稻土不同類型間SOC密度變異性非常大(表2),在利用PKB法進(jìn)行連接時(shí)可能產(chǎn)生較大誤差,而水稻土的統(tǒng)計(jì)面積與土壤圖中水稻土的面積差異相對較小(27%),所以面積加權(quán)平均值法對水稻土SOC密度的估算結(jié)果比PKB法更為準(zhǔn)確。盡管對于少數(shù)土類,面積加權(quán)平均值法與PKB法的估算結(jié)果相差較大,但對大多數(shù)土類而言,二者的估算結(jié)果較為接近,這是由于所采用的土壤圖比例尺較大(1∶50萬),基本制圖單元較低(土屬)的緣故。如果采用比例尺更大、基本制圖單元更低(如土種)的土壤圖,PKB法連接效果將會(huì)更好,它不但能體現(xiàn)同一制圖單元不同空間位置上圖斑之間碳密度的變異性,而且估算結(jié)果較為準(zhǔn)確;如果采用比例尺更小、基本制圖單元更高(如土類或亞類)的土壤圖,利用PKB法連接將會(huì)使部分土壤剖面由于土壤圖比例尺的限制而不能與土壤圖連接。這是因?yàn)殡S著土壤圖比例尺的減小,部分土壤類型的制圖單元將被概化,一些土壤剖面所代表的土壤類型不能在土壤圖上得到體現(xiàn),因此不能根據(jù)土壤類型名稱將這些剖面連接到土壤圖圖斑。所以在土壤圖比例尺較小時(shí),面積加權(quán)平均值法將會(huì)是最好的選擇。另外,由于土地利用變化對土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量具有重要的影響,在采用較小比例尺土壤圖對SOC儲(chǔ)量進(jìn)行估算時(shí),利用土地利用現(xiàn)狀圖