基于洞庭湖生態(tài)修復(fù)項目的土壤碳匯采樣布設(shè)路徑研究

摘要：生態(tài)修復(fù)是國土空間領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳增匯的重要方式，土壤碳儲量本底調(diào)查則是生態(tài)修復(fù)碳匯監(jiān)測的關(guān)鍵一環(huán)，而對土壤采樣布設(shè)路徑進行優(yōu)化，有利于更科學(xué)及可持續(xù)地落實土壤碳匯監(jiān)測。以流域尺度上不同類型生態(tài)修復(fù)項目工程的碳匯監(jiān)測需求為基礎(chǔ)，依托“天空地網(wǎng)”監(jiān)測體系，結(jié)合國土調(diào)查、光學(xué)遙感和鐵塔哨兵等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建土壤碳匯采樣布設(shè)路徑框架。路徑框架內(nèi)容包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、項目生態(tài)影響域劃定、生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)分類、樣點選取布設(shè)4個環(huán)節(jié)。以湖南長江經(jīng)濟帶重點生態(tài)區(qū)洞庭湖區(qū)域山水林田湖草沙一體化保護和修復(fù)工程項目為具體案例，闡述路徑框架的應(yīng)用模式和實踐效果，從而為開展流域尺度項目的土壤碳匯核算和持續(xù)監(jiān)測奠定基礎(chǔ)，助力湖南省碳本底庫建設(shè)，并為國內(nèi)其它地區(qū)開展生態(tài)系統(tǒng)碳本底、碳匯量評估提供參考。

關(guān)鍵詞：碳匯；土壤；采樣；選點；生態(tài)系統(tǒng)

課題項目：2022重大科技研究項目《湖南省自然資源領(lǐng)域推進碳達峰碳中和重大技術(shù)研究》（湘自科〔2022〕5號）

引言

國土空間生態(tài)修復(fù)作為一項國家戰(zhàn)略，對于提升生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯能力有重要貢獻。有研究表明，生態(tài)修復(fù)區(qū)域的碳匯有56%是生態(tài)修復(fù)工程帶來的[1]。我國推出的山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程試點，對原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改善，以及森林、草原、濕地、土壤等的固碳作用有效發(fā)揮均起到了重要作用[2]。改善和恢復(fù)原有生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，是自然資源領(lǐng)域落實碳達峰碳中和目標的重要路徑，也是經(jīng)濟、有效、直觀的固碳增匯手段。

生態(tài)修復(fù)項目具有類型多樣性、時空多變性和項目范圍邊界復(fù)雜性等特點，基于此多源遙感技術(shù)在碳匯監(jiān)測中得到廣泛運用[3]。土壤碳匯又是碳匯監(jiān)測中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，合理的采樣尺度、數(shù)量和選點對于實時數(shù)據(jù)的科學(xué)性至關(guān)重要[4]。本研究以流域尺度上不同類型的生態(tài)修復(fù)項目工程碳匯監(jiān)測需求為基礎(chǔ)，依托“天空地網(wǎng)”監(jiān)測體系，結(jié)合國土調(diào)查、光學(xué)遙感和鐵塔哨兵等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建土壤碳匯采樣布設(shè)路徑框架，并以湖南長江經(jīng)濟帶重點生態(tài)區(qū)洞庭湖區(qū)域山水林田湖草沙一體化保護和修復(fù)工程項目（簡稱“洞庭湖區(qū)域山水項目”）為具體案例，闡述路徑框架的應(yīng)用模式和時間效果，以期為生態(tài)修復(fù)土壤監(jiān)測提供參考。

1 土壤碳匯采樣路徑框架

合理的采樣路徑（尤其是在流域尺度區(qū)域）對碳匯數(shù)據(jù)的精確程度有重要影響。當前碳匯研究領(lǐng)域?qū)τ谕寥啦蓸狱c多是采用傳統(tǒng)的樣地實查法，或者集中在合理的數(shù)量、密度和位置范圍做相關(guān)研究，而結(jié)合空間信息技術(shù)所做的土壤碳匯采樣路徑研究較少[5]。

本研究形成的土壤碳匯采樣路徑框架依托“天空地網(wǎng)”綜合監(jiān)測體系中獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（研究區(qū)域概況）、項目生態(tài)影響域劃定、項目生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)分類、項目采樣點選取布設(shè)與優(yōu)化實踐4個環(huán)節(jié)。“天空地網(wǎng)”綜合監(jiān)測體系擁有多樣化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能給出精確的位置信息、實時的用地情況和直接的景觀信息參考；項目生態(tài)影響域劃定可通過分析不同類型生態(tài)修復(fù)項目對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，區(qū)分其具體影響因子和影響范圍；生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)分類環(huán)節(jié)則結(jié)合當前碳匯監(jiān)測研究的分類，形成耕地、園地、林地、草地和濕地5大生態(tài)系統(tǒng)；樣點選取布設(shè)包括底圖生成、初步采樣點選取、優(yōu)化驗證和實踐修正等，詳見圖1。

2研究區(qū)域概況

洞庭湖區(qū)域多地貌并存，土壤類型復(fù)雜多樣，植物區(qū)系豐富，是湖南省自然資源調(diào)查和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力建設(shè)的重點區(qū)域。近年來，洞庭湖區(qū)域生態(tài)保護和修復(fù)工作受到國家及湖南省的高度重視，洞庭湖區(qū)域山水項目涉及7大重點工程共50個子項目，類型豐富，實施覆蓋面積廣，項目范圍邊界復(fù)雜多變。

3項目生態(tài)影響域劃定

洞庭湖區(qū)域山水項目分為礦山修復(fù)、水環(huán)境、農(nóng)田、森林、濕地和生物多樣性6類工程。為了更準確地劃定項目對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的實際范圍，研究中引入生態(tài)學(xué)影響域概念，綜合考慮空間距離、風(fēng)向、水流方向、高程、坡度等因素產(chǎn)生的作用[6]。

風(fēng)向、風(fēng)速、水流方向、地形坡度均與生態(tài)影響域有較強相關(guān)性[7]。常年主導(dǎo)風(fēng)向位置及風(fēng)速較快區(qū)域能夠加速空氣流通，促進生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動。地表徑流方向決定了項目工程修復(fù)效果的傳播與擴散方向，如隨著水的流動對項目下游的水生生物和水文環(huán)境產(chǎn)生影響，而水的稀釋作用使影響范圍逐漸縮小。同時，支流交匯口通常是污染嚴重的區(qū)域，對水文循環(huán)、水質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)均產(chǎn)生重要影響。另外，地形坡度的增加會對水流和土壤侵蝕作用產(chǎn)生影響，使修復(fù)效果更易傳播到更遠的區(qū)域。

影響域劃定以項目實施500m緩沖范圍為初始區(qū)域，并根據(jù)不同類型生態(tài)修復(fù)項目的影響因子側(cè)重點不同，依照影響域原則對區(qū)域影響范圍進行調(diào)整。各類生態(tài)修復(fù)項目劃定影響域原則見表1。

4項目生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)分類

依托“天空地網(wǎng)”監(jiān)測體系，先結(jié)合國土調(diào)查、光學(xué)遙感和鐵塔哨兵等多源數(shù)據(jù)，形成初步現(xiàn)狀用地底圖，再結(jié)合湖南省自然地理實際和碳匯監(jiān)測的具體要求，對洞庭湖區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進行初步分區(qū)分類，形成耕地、園地、林地、草地和濕地5大生態(tài)系統(tǒng)。

劃分結(jié)果顯示，洞庭湖區(qū)域山水項目生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)以耕地、林地和濕地為主，其中耕地生態(tài)系統(tǒng)面積為1492.13km2，占總面積的52.05%；林地生態(tài)系統(tǒng)面積為965.27km2，占總面積的33.67%；濕地生態(tài)系統(tǒng)面積為299.82km2，占總面積的10.46%。采樣點的選取以耕地、濕地、林地為主，分別為耕地327個、濕地73個、林地72個。

5項目采樣點選取布設(shè)與優(yōu)化實踐

5.1 初步采樣點選取

土壤類型是土壤碳匯的重要參考因素，洞庭湖區(qū)域?qū)儆谀戏郊t壤丘陵區(qū)，土壤類型多變，對碳匯測算結(jié)果有重要影響[8]。因此，在生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)分類的基礎(chǔ)上加入土壤類型因子，形成“土壤類型+生態(tài)系統(tǒng)”疊加圖斑，作為土壤碳儲量調(diào)查的工作底圖。

流域尺度范圍的土壤采樣中，為了減小土壤類型的變異3系數(shù)，提高采樣點的全局代表性，在網(wǎng)格采樣法的基礎(chǔ)上，根據(jù)單元內(nèi)部占比最大的生態(tài)系統(tǒng)分類和土壤類型對網(wǎng)格單元屬性進行復(fù)合賦值。每個網(wǎng)格圖斑只布設(shè)1個采樣點，選取該圖斑的質(zhì)心點作為采樣的初始樣點位置。因此，綜合以上因素和項目規(guī)模，以100m×100m網(wǎng)格形成高密度布樣；入樣圖斑內(nèi)樣點數(shù)量布設(shè)參考《第三次全國土壤普查工作底圖制作與采樣點布設(shè)技術(shù)規(guī)范》，以及相關(guān)研究的樣本量和項目工程在洞庭湖區(qū)域面積占比，預(yù)先確定選取采樣點樣本量500個[9]。

依據(jù)土壤采樣基本原則，確保監(jiān)測區(qū)域每種土種類型和生態(tài)系統(tǒng)入樣圖斑比例合理，運用二元決策矩陣法確定初步采樣點。首先，根據(jù)每個項目單元的面積占比初步分配采樣點數(shù)；其次，根據(jù)項目單元的采樣數(shù)量創(chuàng)建矩陣，計算生態(tài)系統(tǒng)和土壤類型在項目單元中的面積占比，將計算得到的面積占比用作矩陣中每個項目單元的權(quán)重，從而確定各個項目單元內(nèi)部各生態(tài)系統(tǒng)和土壤類型的采樣數(shù)量；最后，進行采樣點的平衡與調(diào)整，若某些類型的樣本量過高或高低，應(yīng)手動調(diào)整權(quán)重，以確保更均勻的樣本分布。

5.2 優(yōu)化驗證

為了提高實地采樣的有效性，應(yīng)根據(jù)影像判別，進一步細化樣本選取精度，進行空間可達性分析[10]。基于交通可達性及采樣阻礙因素，選取500m道路用地緩沖區(qū)以內(nèi)的采樣點，同步剔除40m水域和建設(shè)用地緩沖區(qū)域內(nèi)的采樣點。同時，應(yīng)考慮不同類型生態(tài)系統(tǒng)采樣點的細節(jié)因素影響。濕地系統(tǒng)核實采樣點可達性、選取生態(tài)系統(tǒng)中的大斑塊（破碎板塊不考慮）；森林系統(tǒng)以山頂、山腰和山腳為一組并分別采樣；礦山類盡量布點在項目核心區(qū)，且沿山谷方向，低坡度地區(qū)。另外，進行查漏補缺工作，針對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)較大空白區(qū)補設(shè)樣點。

5.3 實踐修證與監(jiān)控反饋

實地采樣過程中，通過衛(wèi)星云遙等信息技術(shù)存儲和定位采樣點，并定期監(jiān)控樣本收集情況，同時根據(jù)實際數(shù)據(jù)進行必要調(diào)整，均有助于確保采樣計劃的有效性和準確性，調(diào)整后的實際采樣點分布如圖2所示。采用樣地實查法和模型模擬法，在監(jiān)測區(qū)域開展人工實地采集樣本，分析0～20cm表層土壤有機碳空間分布特征。調(diào)研表明，92.4%的采樣點實際可達性強；部分采樣點由于影像精度問題，以及實地?zé)o作物、耕地荒廢等因素，導(dǎo)致重新選點。

結(jié)語

上述針對國土空間生態(tài)保護修復(fù)工程碳匯監(jiān)測需求，在傳統(tǒng)網(wǎng)格采樣和簡單隨機采樣的基礎(chǔ)上，綜合“天空地網(wǎng)”監(jiān)測體系，疊合環(huán)境影響域，劃定采樣空間，優(yōu)化采樣方法，提高了采樣的科學(xué)性和全局代表性，形成可復(fù)制的碳匯監(jiān)測路徑，有助于后續(xù)長期性地開展系統(tǒng)調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測，為碳儲量評估和增匯潛力分析提供數(shù)據(jù)保障。由于生態(tài)修復(fù)項目類型的多樣性和邊界的復(fù)雜性，以及數(shù)據(jù)的跨部門、跨領(lǐng)域和共享的不充分性，采樣點動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需要更高質(zhì)量技術(shù)的支持，同時隨著生態(tài)修復(fù)項目的不斷落實，“雙碳”目標的持續(xù)推進，土壤采樣路徑也需進一步完善和優(yōu)化。

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作者簡介

亓順慶（1982—），男，漢族，山東萊蕪人，中級地質(zhì)工程師，管理學(xué)學(xué)士，研究方向為國土空間生態(tài)修復(fù)。

劉玲孜（1995—），女，漢族，湖南懷化人，中級規(guī)劃工程師，碩士，研究方向為國土空間生態(tài)修復(fù)。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-02-20