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(cè)設(shè)計(jì)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130012；

2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 吉林 長(zhǎng)春 130021)

基于GIS的三江平原表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)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(cè)設(shè)計(jì)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130012；

2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 吉林 長(zhǎng)春 130021)

資助項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)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(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究(973)計(jì)劃項(xiàng)目(2009CB421103)

第一作者：楊安廣(1960—),男(漢族),吉林省長(zhǎng)春市人,本科,高級(jí)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(jī)碳儲(chǔ)量空間分布規(guī)律和不同土地利用類型對(duì)有機(jī)碳空間分布的影響。[方法] 采用地統(tǒng)計(jì)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(jī)碳總儲(chǔ)量為1161.28 Tg； (2) 表層土壤有機(jī)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(jī)碳密度和儲(chǔ)量有所不同，旱地表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最大，為412.10 Tg，草地最小，表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為2.31 Tg； (4) 不同植被類型表層土壤有機(jī)碳密度大小順序?yàn)椋赫訚蓾竦?林地>草地> 水田>旱地，沼澤濕地表層土壤有機(jī)碳密度為147.84 Mg/hm2。 [結(jié)論] 三江平原土壤有機(jī)碳密度空間分布存在較大的分異性，土壤有機(jī)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(jī)碳密度; 地統(tǒng)計(jì)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(chǔ)量被認(rèn)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(chǎng)所，全球約有1 500 Pg碳是以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)存于土壤中。而表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量占整個(gè)深度(1 m)有機(jī)碳總儲(chǔ)量的比重較大[2]。所以研究土壤表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量對(duì)于全球氣候變化具有重要意義。

三江平原位于中國(guó)黑龍江省東北部，是我國(guó)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(yán)重的地區(qū)[3]，同時(shí)它也是我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略儲(chǔ)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(jī)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀及其空間分布對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、濕地保護(hù)及政府宏觀決策都具有重要的意義重大。目前國(guó)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(jī)碳，而且大多數(shù)研究濕地生態(tài)系統(tǒng)[4-6]，但是缺少對(duì)三江平原有機(jī)碳總庫的大小、時(shí)空分布及其他農(nóng)田、林地、草地等生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)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(jī)碳碳儲(chǔ)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(jī)碳儲(chǔ)量為研究對(duì)象，擬基于大量土壤數(shù)據(jù)，利用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，估算2010年三江平原表層土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)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(dá)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(dá)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(dá)東經(jīng)135°05′26″?？偯娣e1.09×105km2,平均海拔50~60 m,地勢(shì)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(dá)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(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)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(jìn)行廣泛的地面調(diào)查、咨詢、驗(yàn)證和精度評(píng)價(jià)。于2010—2011年在三江平原調(diào)查了367處樣地(附圖9)，其中286個(gè)樣點(diǎn)的采樣時(shí)間為2010年11月，81個(gè)樣點(diǎn)的采集時(shí)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(gè)調(diào)查點(diǎn)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(jī)碳儲(chǔ)量等信息。在每個(gè)采樣點(diǎn)周圍取3個(gè)點(diǎn)，混合土樣，四分法取樣，其中濕地采樣方法是在每個(gè)采樣點(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室,剔除可見的動(dòng)、植物殘?bào)w和石塊,用四分法取出適量土壤樣品用于測(cè)定土壤有機(jī)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(fēng)干后，以四分法取樣。用于測(cè)定有機(jī)碳的土樣，風(fēng)干后挑去根系和>2 mm的礫石，利用FW-100粉碎機(jī)粉碎，過100目篩。本研究采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量[8]。

1.3　統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

選用均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度系數(shù)和峰度系數(shù)來進(jìn)行土壤性質(zhì)的描述行統(tǒng)計(jì)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(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)時(shí)，如果原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布應(yīng)將其進(jìn)行對(duì)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(yàn)采用偏度峰度聯(lián)合檢驗(yàn)法[10]，通過計(jì)算得出，當(dāng)偏度系數(shù)為0，峰度系數(shù)的絕對(duì)值小于3時(shí)，土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，并且這兩個(gè)數(shù)值越接近于0，數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性越好，此時(shí)利用克里格插值的精度越高。Excel和SPSS軟件用來計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)，利用面積權(quán)重法來計(jì)算不同土地覆被的土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)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(gè)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(jì)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(duì)的總個(gè)數(shù)； z(xi)——樣本z在位置xi的實(shí)測(cè)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(jìn)行插值，將未測(cè)定處x0的估計(jì)值Z′(x0)假設(shè)為已知觀測(cè)值的線性和，計(jì)算公式[11]為：

(2)

式中：λi——與測(cè)點(diǎn)有關(guān)的加權(quán)系數(shù)?；诎敕讲詈瘮?shù)，Kriging插值可根據(jù)無偏估計(jì)和方差最小兩項(xiàng)要求來確定。

利用GS+和VARIOWIN軟件來計(jì)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(jìn)行空間插值和制圖。

1.4　土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算

國(guó)際上關(guān)于表層土壤碳儲(chǔ)量的估算一般采用0—30cm深度來進(jìn)行[14]，所以參考此深度計(jì)算表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，參考楊元合[15]所提出的方法進(jìn)行土壤表層有機(jī)碳密度的估算，計(jì)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(jī)碳密度(g/cm3)，土壤容重(g/cm3)，土壤有機(jī)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?？梢院雎圆挥?jì)。

由于采樣及樣品處理過程中旱地和水田共12個(gè)土壤容重?cái)?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(jī)碳含量與對(duì)應(yīng)的土壤容重?cái)?shù)據(jù)建立關(guān)系，從而利用此方程計(jì)算出缺失的土壤容重?cái)?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?cái)?shù)據(jù)；SOC——對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)碳含量。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤有機(jī)碳密度描述性統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)偏度峰度聯(lián)合檢驗(yàn)法和表1中對(duì)偏度系數(shù)和峰度系數(shù)的計(jì)算，2010年表層土壤有機(jī)碳密度(SOCD)不符合正態(tài)分布，但是對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布，所以可以進(jìn)行空間插值。2010年三江平原表層土壤有機(jī)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(jī)碳密度描述性統(tǒng)計(jì)(樣點(diǎn)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)碳密度半變異函數(shù)

2.3　三江平原表層土壤有機(jī)碳密度空間分布

附圖10為三江平原表層土壤有機(jī)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(jī)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?yàn)樵摰貐^(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(jī)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(jī)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(jī)碳

由表3可知，2010年表層三江平原土壤有機(jī)碳庫為1 161.28 Tg。不同土地利用類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量不同，其中旱地表層的總儲(chǔ)量最大，為412.10 Tg，其次為林地，而面積較小草地儲(chǔ)量最小，2010年表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為2.31 Tg。從土壤有機(jī)碳密度上來看，從大到小的順序?yàn)?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(jī)碳密度為147.84 Mg/hm2，這主要是由于沼澤濕地具有較強(qiáng)的固碳作用，林地的表層土壤有機(jī)碳密度僅低于沼澤濕地，由于人類活動(dòng)的影響，耕地的土壤有機(jī)碳密度最低，其中水田的土壤有機(jī)碳密度高于旱地，旱地表層土壤有機(jī)碳密度達(dá)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(chǔ)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(jī)碳儲(chǔ)量

3結(jié) 論

(1) 應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)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(duì)2010年土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行空間預(yù)測(cè)，提高了方法的應(yīng)用性。

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

(3) 從空間上看，三江平原土壤有機(jī)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(jī)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(duì)土地利用類型中非植被類型進(jìn)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(jī)碳儲(chǔ)量和空間特征。

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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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0155-04

中圖分類號(hào)：S158.5， P75

收稿日期：2014-09-05修回日期：2014-10-13