基于GIS的三江平原表層土壤有機碳儲量估算及空間分布研究

楊安廣， 苗正紅， 邱發(fā)富， 楊清臣， 王宗明， 毛德華

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院, 吉林 長春 130012；

2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 吉林 長春 130021)

基于GIS的三江平原表層土壤有機碳儲量估算及空間分布研究

楊安廣1， 苗正紅1， 邱發(fā)富1， 楊清臣1， 王宗明2， 毛德華2

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院, 吉林 長春 130012；

2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 吉林 長春 130021)

資助項目：中國科學(xué)院重點部署項目“北方毗鄰地區(qū)資源環(huán)境關(guān)鍵問題及科學(xué)數(shù)據(jù)庫建設(shè)”(KZZD-EW-08-02)； 國家基礎(chǔ)科學(xué)研究(973)計劃項目(2009CB421103)

第一作者：楊安廣(1960—),男(漢族),吉林省長春市人,本科,高級工程師,主要從事遙感與GIS應(yīng)用研究。E-mail:miaozhengh@163.com。

摘要：[目的] 研究三江平原2010年表層(0—30 cm)土壤有機碳儲量空間分布規(guī)律和不同土地利用類型對有機碳空間分布的影響。[方法] 采用地統(tǒng)計學(xué)和GIS相結(jié)合的方法。[結(jié)果] (1) 2010年三江平原表層土壤有機碳總儲量為1161.28 Tg； (2) 表層土壤有機碳空間分布變異性較大，中部和西南地區(qū)較低，東北、西北、東南地區(qū)較高； (3) 不同土地利用類型土壤有機碳密度和儲量有所不同，旱地表層土壤有機碳儲量最大，為412.10 Tg，草地最小，表層土壤有機碳儲量為2.31 Tg； (4) 不同植被類型表層土壤有機碳密度大小順序為：沼澤濕地>林地>草地> 水田>旱地，沼澤濕地表層土壤有機碳密度為147.84 Mg/hm2。 [結(jié)論] 三江平原土壤有機碳密度空間分布存在較大的分異性，土壤有機碳密度的空間分布特征受土地利用類型分布的影響。

關(guān)鍵詞：GIS; 土壤有機碳密度; 地統(tǒng)計學(xué)； 三江平原

工業(yè)革命以后，大氣中的CO2等溫室氣體濃度不斷增加，導(dǎo)致全球氣候變暖[1]。而增加陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲量被認為是一種非常有效的CO2等氣體減排措施，土壤是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫場所，全球約有1 500 Pg碳是以有機質(zhì)形態(tài)儲存于土壤中。而表層土壤有機碳儲量占整個深度(1 m)有機碳總儲量的比重較大[2]。所以研究土壤表層土壤有機碳儲量對于全球氣候變化具有重要意義。

三江平原位于中國黑龍江省東北部，是我國最大的淡水沼澤濕地分布區(qū)，也是近50 a來濕地開發(fā)最嚴重的地區(qū)[3]，同時它也是我國國家戰(zhàn)略儲備和重要的商品糧生產(chǎn)基地。研究三江平原表層土壤有機碳儲量現(xiàn)狀及其空間分布對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、濕地保護及政府宏觀決策都具有重要的意義重大。目前國內(nèi)外學(xué)者多數(shù)從土地利用方式變化方面研究三江平原土壤有機碳，而且大多數(shù)研究濕地生態(tài)系統(tǒng)[4-6]，但是缺少對三江平原有機碳總庫的大小、時空分布及其他農(nóng)田、林地、草地等生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳儲量的研究。近幾十年來，三江平原土地利用類型變化迅速，其中變化的比較劇烈的土地利用類型是耕地和濕地，三江平原墾殖率已由1949年的7.2%增至1994年的50.0%，農(nóng)田成為該區(qū)的主要景觀類型，而濕地和林地面積減少[7]。三江平原土壤表層有機碳碳儲量現(xiàn)狀及其總體空間分布規(guī)律等一系列問題尚未解答。本研究以三江平原土壤表層有機碳儲量為研究對象，擬基于大量土壤數(shù)據(jù)，利用GIS和地統(tǒng)計學(xué)方法，估算2010年三江平原表層土壤有機碳總儲量，并且分析其空間分布規(guī)律。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

三江平原包括完達山以北的松花江、黑龍江和烏蘇里江沖積形成的低平原和完達山以南的烏蘇里江及其支流與興凱湖形成的沖積湖積平原,地理緯度，最北端為北緯48°27′56″，最南端為北緯45°01′05″，西部邊緣為東經(jīng)130°13′1″，東部抵達東經(jīng)135°05′26″。總面積1.09×105km2,平均海拔50~60 m,地勢由西南向東北緩緩傾斜。除西部和西南部邊界的小興安嶺、老爺嶺、張廣才嶺和橫亙中部的完達山為森林覆蓋的山區(qū)外,廣闊的沖積低平原和河流形成的階地、河漫灘上廣泛發(fā)育著沼澤和沼澤化草甸。該區(qū)氣候類型為溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候,土壤以暗棕壤、黑土、白漿土、草甸土和沼澤土為主，土地的自然肥力較高[7]。

1.2　數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

在三江平原選取水田、旱田、林地、草地、濕地五種類型土地覆被類型，土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)由2010—2011年的Landsat TM遙感數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理、幾何糾正、圖像鑲嵌拼接和裁剪，并經(jīng)人工目視解譯得到，已進行廣泛的地面調(diào)查、咨詢、驗證和精度評價。于2010—2011年在三江平原調(diào)查了367處樣地(附圖9)，其中286個樣點的采樣時間為2010年11月，81個樣點的采集時間為2011年3月，在這里統(tǒng)一定為2010年，從附圖9可以看出，367個調(diào)查點基本覆蓋了研究區(qū)主要的土壤類型和覆被類型，基本能夠代表三江平原的植被特征、土壤特征及土壤有機碳儲量等信息。在每個采樣點周圍取3個點，混合土樣，四分法取樣，其中濕地采樣方法是在每個采樣點選擇3塊4 m×4 m的樣地,采樣前先去除地表未腐解的凋落物,采用多點混合采樣法采集0—30 cm深度的土壤樣品,裝入無菌袋中.采集的土樣迅速帶回實驗室,剔除可見的動、植物殘體和石塊,用四分法取出適量土壤樣品用于測定土壤有機碳。土壤容重采用環(huán)刀法(100 cm3)采集0—30 cm的土壤樣品，所采集的土壤樣品自然風干后，以四分法取樣。用于測定有機碳的土樣，風干后挑去根系和>2 mm的礫石，利用FW-100粉碎機粉碎，過100目篩。本研究采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定土壤有機碳含量[8]。

1.3　統(tǒng)計學(xué)與地統(tǒng)計學(xué)方法

選用均值、最大值、最小值、標準差、變異系數(shù)、偏度系數(shù)和峰度系數(shù)來進行土壤性質(zhì)的描述行統(tǒng)計分析，其中偏度系數(shù)和峰度系數(shù)是用來確定數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布[9]。應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)的前提是數(shù)據(jù)應(yīng)符合正態(tài)分布，正態(tài)分布性直接影響到插值結(jié)果的精度。對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗時，如果原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布應(yīng)將其進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)符合或基本符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)正態(tài)分布的檢驗采用偏度峰度聯(lián)合檢驗法[10]，通過計算得出，當偏度系數(shù)為0，峰度系數(shù)的絕對值小于3時，土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，并且這兩個數(shù)值越接近于0，數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性越好，此時利用克里格插值的精度越高。Excel和SPSS軟件用來計算統(tǒng)計參數(shù)，利用面積權(quán)重法來計算不同土地覆被的土壤有機碳密度和儲量。

半變異函數(shù)是描述土壤特性空間變異結(jié)構(gòu)的一個函數(shù)，通過決定系數(shù)R2來確定，并綜合考慮RSS(殘差)、塊金值和有效距離確定來最優(yōu)的半變異函數(shù)理論模型。計算公式為：

(1)

式中：r(h)——樣本距為h的半方差； h——樣本距(變程lag)； N(h)——間距為h的樣本對的總個數(shù)； z(xi)——樣本z在位置xi的實測值； z(xi+h)——與xi距離為h處樣本的值。

Kriging方法是根據(jù)半方差函數(shù)分析提供的空間自相關(guān)程度的信息進行插值，將未測定處x0的估計值Z′(x0)假設(shè)為已知觀測值的線性和，計算公式[11]為：

(2)

式中：λi——與測點有關(guān)的加權(quán)系數(shù)。基于半方差函數(shù)，Kriging插值可根據(jù)無偏估計和方差最小兩項要求來確定。

利用GS+和VARIOWIN軟件來計算半變異函數(shù)及確定最優(yōu)模型[12-13],模型的最佳指數(shù)值(IGF)在0.000 5~0.005 9之間，表示該模型模擬效果最佳。ArcGIS9.2和Orgin8.0軟件進行空間插值和制圖。

1.4　土壤有機碳儲量計算

國際上關(guān)于表層土壤碳儲量的估算一般采用0—30cm深度來進行[14]，所以參考此深度計算表層土壤有機碳儲量，參考楊元合[15]所提出的方法進行土壤表層有機碳密度的估算，計算公式為：

SOCDh=BDh·SOCh·(1-Ch)

(3)

式中：h——土壤深度(cm)；SOCDh，BDh，SOCh和Ch——h深度處的有機碳密度(g/cm3)，土壤容重(g/cm3)，土壤有機碳含量(g/kg)和大于2mm的礫石含量(%)，由于三江平原多為平原區(qū)，表層土壤>2mm粒徑的顆粒可以忽略不計。

由于采樣及樣品處理過程中旱地和水田共12個土壤容重數(shù)據(jù)缺失，參考宋郭韓[16]等方法，采用已有的旱田和水田土壤有機碳含量與對應(yīng)的土壤容重數(shù)據(jù)建立關(guān)系，從而利用此方程計算出缺失的土壤容重數(shù)據(jù)。由于缺少數(shù)據(jù)較少，類型相近，而且擬合結(jié)果精度較高，該方法可行有效，具體擬合方程為：

BD=1.4459×exp(-0.006×SOC)

(R2=0.443 6, p<0.01)

(4)

式中：BD——缺失的土壤容重數(shù)據(jù)；SOC——對應(yīng)的土壤有機碳含量。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤有機碳密度描述性統(tǒng)計特征

根據(jù)偏度峰度聯(lián)合檢驗法和表1中對偏度系數(shù)和峰度系數(shù)的計算，2010年表層土壤有機碳密度(SOCD)不符合正態(tài)分布，但是對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布，所以可以進行空間插值。2010年三江平原表層土壤有機碳密度的平均值為9.96g/cm3，最大值為94.46g/cm3，最小值為1.98g/cm3(表1)。

表1　三江平原表層(0-30 cm)土壤有機碳密度描述性統(tǒng)計(樣點數(shù)為367)

2.2　半變異函數(shù)參數(shù)確定

表2為表層(0—30 cm)土壤有機碳密度半方差模型參數(shù)。從表2可以看出，2010年表層土壤有機碳密度的半變異函數(shù)是高斯模型，IGF值分別為0.004 47，表示屬于最佳擬合(圖1)。

2010年的塊金效應(yīng)為15%(<25%)，表示其具有強烈的空間相關(guān)性，主要是由于土壤母質(zhì)、地形、土壤類型等非人為的結(jié)構(gòu)性因素引起的變異。

表2　表層(0-30 cm)土壤有機碳密度半方差模型參數(shù)

圖1　三江平原2010年表層土壤有機碳密度半變異函數(shù)

2.3　三江平原表層土壤有機碳密度空間分布

附圖10為三江平原表層土壤有機碳密度的空間分布圖。從附圖10可以看出，三江平原土壤有機碳密度表現(xiàn)出較大的空間變異，具體表現(xiàn)為中部和西南地區(qū)較低，東北、西北、東南地區(qū)較高的，這主要是因為該地區(qū)主要植被類型為林地和沼澤濕地。其中旱地和水田分布較多的中部和西南地區(qū)表層土壤有機碳密度的值多數(shù)都在10 kg/m2以下，最低值在6 kg/m2以下。而東北、西南和東南地區(qū)的值多數(shù)都在10 kg/m2以上，甚至有些地區(qū)的土壤有機碳密度值大于14 kg/m2。

2.4　三江平原不同土地利用類型的表層土壤有機碳

由表3可知，2010年表層三江平原土壤有機碳庫為1 161.28 Tg。不同土地利用類型的土壤有機碳儲量不同，其中旱地表層的總儲量最大，為412.10 Tg，其次為林地，而面積較小草地儲量最小，2010年表層土壤有機碳儲量為2.31 Tg。從土壤有機碳密度上來看，從大到小的順序為:沼澤濕地>林地>草地>水田>旱地，2010年沼澤濕地的表層土壤有機碳密度為147.84 Mg/hm2，這主要是由于沼澤濕地具有較強的固碳作用，林地的表層土壤有機碳密度僅低于沼澤濕地，由于人類活動的影響，耕地的土壤有機碳密度最低，其中水田的土壤有機碳密度高于旱地，旱地表層土壤有機碳密度達到97.17 Mg/hm2。這主要水田的固碳能力要高于旱地。三江平原旱地表層土壤碳密度最低，其總儲量最大，主要原因是旱地面積較大(附圖9)。

表3　三江平原2010年不同地類表層土壤有機碳儲量

3結(jié) 論

(1) 應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)理論，基于GS+和Variowin等軟件，選取最佳匹配指數(shù)確定最優(yōu)半變異模型，對2010年土壤有機碳密度進行空間預(yù)測，提高了方法的應(yīng)用性。

(2) 三江平原2010年表層土壤有機碳庫為1 161.28 Tg，不同植被類型的土壤有機碳儲量大小順序為：旱地>林地>水田>沼澤濕地>草地，從土壤有機碳密度上來看，沼澤濕地土壤有機碳密度最高，其具有較強的固碳能力，而受人類活動影像的旱地土壤有機碳密度最低，旱地表層土壤有機碳密度達到97.17 Mg/hm2。

(3) 從空間上看，三江平原土壤有機碳空間分異性較大，東北、西北和東南地區(qū)較高，多數(shù)值在10 kg/m2以上，中部和西南地區(qū)較低，低于10 kg/m2。土壤有機碳密度的空間分布特征受土地利用分布的影響。

(4) 由于野外采集數(shù)據(jù)未對土地利用類型中非植被類型進行采樣，所以本研究只分析了林地、草地、沼澤濕地、旱地和水田的土壤有機碳儲量和空間特征。

[參考文獻]

[1]Change I P O C. Climate change 2007: The physical science basis[J]. Agenda, 2007,6(7):333.

[2]Wang Shaolang, Huang Mei, Shao Xuemei, et al. Vertical distribution of soil organic carbon in China[J]. Environmental Management, 2004, 33(1): 200-209.

[3]白軍紅,鄧偉,朱顏明,等.濕地土壤有機質(zhì)和全氮含量分布特征對比研究[J].地理科學(xué),2002,22(2):232-237.

[4]劉吉平,呂憲國,楊青,等.三江平原環(huán)型濕地土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律[J].土壤學(xué)報,2006,43(2)：247-255.

[5]劉景雙,楊繼松,于君寶,等.三江平原沼澤濕地土壤有機碳的垂直分布特征研究[J].水土保持學(xué)報,2003,17(3):5-8.

[6]王麗麗,宋長春,葛瑞娟,等.三江平原濕地不同土地利用方式下土壤有機碳儲量研究[J].中國環(huán)境科學(xué),2009(6):656-660.

[7]劉興土.三江平原自然環(huán)境變化與生態(tài)保育[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[8]Anderson T H, Domsch K H. Ratios of microbial biomass carbon to total organic carbon in arable soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1989, 21(4): 471-479.

[9]Paz-Gonzalez A, Vieira S R, Castro M T T. The effect of cultivation on the spatial variability of selected properties of an umbric horizon[J]. Geoderma, 2000, 97(3): 273-292.

[10]陳彥.綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分時空變異及精確分區(qū)管理研究[D].新疆 石河子:石河子大學(xué),2008.

[11]王政權(quán).地統(tǒng)計學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1999.

[12]Bivand R S, Pebesma E J, Gómez-Rubio V, et al. Applied Spatial Data Analysis withR[M]. New York: Springer, 2008.

[13]Lévesque J, King D J. Airborne digital camera image semivariance for evaluation of forest structural damage at an acid mine site[J]. Remote Sensing of Environment, 1999,68(2):112-124.

[14]Yang Yuanhe, Fang Jingyun, Ma Wenhong, et al. Soil carbon stock and its changes in northern China’s grasslands from 1980s to 2000s[J]. Global Change Biology, 2010, 16(11):3036-3047.

[15]楊元合.青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量[D].北京:北京大學(xué),2008.

[16]Song Guohan, Li Lianqing, Pan Genxing, et al. Topsoil organic carbon storage of China and its loss by cultivation[J]. Biogeochemistry, 2005, 74(1): 47-62.

A Study on Storage and Distribution of Soil Organic Carbon in

Sanjiang Plain Based on GIS

YANG Anguang1, MIAO Zhenghong1, QIU Fafu1, YANG Qingchen1, WANG Zongming2, MAO Dehua2

(1.JilinProvincicalWaterResourceandHydropowerConsultativeCompany，Changchun,Jilin130012,China;

2.InstituteofNortheastGeographyandAgriculturalEcology,ChineseAcademyofSciences,Changchun,Jilin130021,China)

Abstract：[Objective] This paper aimed to illustrate the distribution of soil organic carbon(SOC) storage and its differences caused by land use types. [Methods] Using GIS and geostatistical methods. [Results] (1) In 2010, total reserves of SOC in the surface(0—30 cm) was 1 161.28 Tg; (2) SOC distributed spatially heterogeneously, in the central and southwest of Sanjiang Plain, SOC was lower than that in the northwest, northeast and southeast; (3) The storage and density of SOC of different land use types were quite different. For example, farmlands had the highest surface storage of SOC with a value of 412.10 Tg, but grasslands contained the lowest SOC, that was only 2.31 Tg;(4) Surface SOC density of different vegetation types ranked as: marsh > woodland>grassland>paddy>farmland. Among them, the surface SOC density of marsh was 147.84 Mg/hm2. [Conclusion] There are large difference of spatial distribution of SOC in Sanjiang Plain, and the distribution of surface SOC was affected by land use types.

Keywords:GIS; soil organic carbon density; geostatistic; Sanjiang Plain

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0155-04

中圖分類號：S158.5， P75

收稿日期：2014-09-05修回日期：2014-10-13