華北和東北地區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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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，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生變化。為了更好地理解土壤有機碳的動力學及其驅動因子，作者收集了華北和東北地區1980年代和2000年代的數據，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測，并對各個時期土壤有機碳的空間變化進行了數字土壤制圖。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年對該區域進行了重新采樣（1062個樣品）。該地區土地利用類型主要是農田，森林和草地。土地利用，地形因素，植被指數，可見近紅外光譜和氣候因素作為預測因子，使用隨機森林預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化為農田。農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％）。結論是，土地利用是該地區土壤有機碳變化的主要驅動力，而氣候變化在不同地區的貢獻則不同。在土地利用的轉換下，土壤有機碳損失顯著，而農田具有土壤有機碳封存的巨大潛力。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）（表2）。在1985年，各土地利用類型表現為農田（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年表現為裸地（11.1 g kg-1）＜農田（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（表3）。
表4總結了預測模型的校準和獨立驗證，其中1985年樣品的校準LCCC為0.91（0.90–0.92），2004年為0.97。1985年獨立驗證LCCC為0.65（0.39-0.90），2004年為0.84（0.77-0.90）。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，LCCC和RMSE較低，因此2004年的模型比1985年的模型更穩定。圖2顯示了環境協變量在1985年和2004年預測模型中的重要性。在這兩個時期一些協變量重要性相似，例如坡度，TWI，MBI，溫度，降水和土地利用。植被和氣候因素是重要的預測指標，尤其是溫度，降水，NDVI和VNDVI。坡向，曲率和MBI對2004年SOC預測的貢獻不大，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在預測模型中表現出很高的重要性。從PC1到PC3重要性依次降低。
圖3預測了1985年和2004年0-20 cm表土中SOC濃度。1985年研究區的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8至10 g C kg-1之間，高于1985年。在北部，SOC濃度隨緯度增加。由于樣品數量和地點的不同，兩個時期的不確定性也有所不同（圖4）。北部地區預測不確定性最低。1985年SOC預測的高度不確定性發生在海拔較高的中部和南部邊緣。2004年的高度不確定性發生在樣品密度較低的中北部地區。
在1985年至2004年之間，除農田外，所有土地利用的平均SOC濃度均下降。農田是研究區最大的土地利用類型，其SOC濃度增加了0.5 g kg-1（表4）。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％。研究發現，SOC濃度發生了顯著變化，并且在初始濃度較高的地區，SOC的降低幅度更大。SOC的降低主要發生在研究區域的北部（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（華北地區）SOC有所提高。1985年和2004年土壤有機碳總儲存量分別為1.68 Pg和1.66 Pg。在不同的土地利用類型中，農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田。二十年來森林土壤SOC損失了約25％（表5），但農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。
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，土地利用對SOC變化的貢獻超過溫度和降水變化（圖5）。在整個地區，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（42％）比華北地區（33％）的土地利用占比更大。整個研究區域，特別是東北和華北地區，溫度變化對SOC均無顯著影響。華北地區降水變化對SOC動態的影響很小（17％），而東北地區幾乎沒有影響。溫度對東北地區的SOC變化沒有顯著影響，而華北地區占20％。華北地區氣候變化對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。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。數字土壤制圖方法利用隨機森林模型中的環境協變量預測了兩個時期SOC的空間變化。結果為：（1）?隨機森林可以在大尺度上有效地預測SOC空間變化。在這兩個時期中，SOC濃度具有相似的趨勢，東北地區的SOC較低，華北平原的SOC較高。華北地區土壤碳增加，而大多數東北地區則減少。（2）?SOC的總體儲存量穩定。農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生顯著的碳損失，均為-25%。（3）?在中國華北和東北地區，土地利用變化是SOC變化的主要驅動因子。與土地利用變化相比，氣候變化對SOC變化的貢獻相似，而東北地區的貢獻較小。
Land use and climate change effects on soil organic carbon in North and Northeast China.pdf