华北和东北地区土地利用和气候变化对土壤有机碳的影响
日期：
2020-05-15
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土壤有机碳（SOC）源和汇之间的平衡会影响温室气体以及全球气候。SOC储量的微小变化会影响碳循环，并可能显著增加或降低大气中的碳浓度。土壤碳的变化受气候和土地利用的影响，并且在不同土壤中也会发生变化。为了更好地理解土壤有机碳的动力学及其驱动因子，作者收集了华北和东北地区1980年代和2000年代的数据，其中2000年代的样品利用ASD Fieldspec ProFR vis–NIR光谱仪进行了漫反射光谱的测定用于土壤碳的预测，并对各个时期土壤有机碳的空间变化进行了数字土壤制图。在1980年代，在30公里的方格中采集了585个土壤样品，并在2003年和2004年对该区域进行了重新采样（1062个样品）。该地区土地利用类型主要是农田，森林和草地。土地利用，地形因素，植被指数，可见近红外光谱和气候因素作为预测因子，使用随机森林预测土壤有机碳浓度及其时间变化。1985年平均土壤有机碳浓度为10.0 g kg-1，而2004年为12.5 g kg-1。在这两个时期中，土壤有机碳变化相似且从南到北增加。据估计土壤有机碳储量在1985年为1.68 Pg，在2004年为1.66 Pg，但是不同土地利用下土壤有机碳变化是不同的。在过去的20年中，平均气温升高，大面积森林和草原转化为农田。农田土壤有机碳增加了0.094 Pg（+9％），而森林和草地土壤有机碳分别损失了0.089 Pg（−25％）和0.037 Pg（−25％）。结论是，土地利用是该地区土壤有机碳变化的主要驱动力，而气候变化在不同地区的贡献则不同。在土地利用的转换下，土壤有机碳损失显著，而农田具有土壤有机碳封存的巨大潜力。2004年样品的总SOC平均浓度为12.5 g kg-1，略高于1985年的SOC浓度（10.0 g kg-1）（表2）。在1985年，各土地利用类型表现为农田（8.3 g kg-1）＜裸地（10.0 g kg-1）＜草地（15.1 g kg-1）＜沼泽（16.0 g kg-1）＜森林（17.1 g kg-1）。在2004年表现为裸地（11.1 g kg-1）＜农田（12.2g kg-1）＜森林（12.7g kg-1）＜草地（13.3g kg-1）＜沼泽（20.8 g kg-1）。随着时间的变化，农田，沼泽和裸地土壤的SOC增加了，而森林和草地降低了。1985年的土壤由于较高的标准偏差而显示出比2004年更高的变化（表3）。
表4总结了预测模型的校准和独立验证，其中1985年样品的校准LCCC为0.91（0.90–0.92），2004年为0.97。1985年独立验证LCCC为0.65（0.39-0.90），2004年为0.84（0.77-0.90）。在校准和验证水平，1985年的RMSEs均高于2004年。由于样品密度较高，LCCC和RMSE较低，因此2004年的模型比1985年的模型更稳定。图2显示了环境协变量在1985年和2004年预测模型中的重要性。在这两个时期一些协变量重要性相似，例如坡度，TWI，MBI，温度，降水和土地利用。植被和气候因素是重要的预测指标，尤其是温度，降水，NDVI和VNDVI。坡向，曲率和MBI对2004年SOC预测的贡献不大，且坡向是两个时期中最不重要的因素。2004年土壤样品光谱的PCA在预测模型中表现出很高的重要性。从PC1到PC3重要性依次降低。
图3预测了1985年和2004年0-20 cm表土中SOC浓度。1985年研究区的SOC浓度从南到北增加。在南部，SOC浓度大部分在8g kg-1以下。中部海拔较高，其SOC浓度高于南部。在北部，SOC浓度随纬度显著增加。两个时期SOC的空间分布是相似的。在南半部，SOC浓度在8至10 g C kg-1之间，高于1985年。在北部，SOC浓度随纬度增加。由于样品数量和地点的不同，两个时期的不确定性也有所不同（图4）。北部地区预测不确定性最低。1985年SOC预测的高度不确定性发生在海拔较高的中部和南部边缘。2004年的高度不确定性发生在样品密度较低的中北部地区。
在1985年至2004年之间，除农田外，所有土地利用的平均SOC浓度均下降。农田是研究区最大的土地利用类型，其SOC浓度增加了0.5 g kg-1（表4）。在森林土壤中，SOC减少量最大，为8.8 g kg-1（-38％）。草地上的SOC浓度降低了21％。研究发现，SOC浓度发生了显著变化，并且在初始浓度较高的地区，SOC的降低幅度更大。SOC的降低主要发生在研究区域的北部（中国东北）。减少量超过6 g kg-1。 相反，初始SOC相对较低的南部地区（华北地区）SOC有所提高。1985年和2004年土壤有机碳总储存量分别为1.68 Pg和1.66 Pg。在不同的土地利用类型中，农田含有最多的有机碳，而森林和草地的有机碳含量远少于农田。二十年来森林土壤SOC损失了约25％（表5），但农田土壤有机碳却增加了9％。草地土壤有机碳以25%速率增加了0.013 Pg。
1.5 土地利用和气候变化对土壤有机碳变化的影响
在华北和东北地区，土地利用对SOC变化的贡献超过温度和降水变化（图5）。在整个地区，对SOC变化的贡献中土地利用占38％，温度变化约占9％，而降水变化仅占5％。东北地区（42％）比华北地区（33％）的土地利用占比更大。整个研究区域，特别是东北和华北地区，温度变化对SOC均无显著影响。华北地区降水变化对SOC动态的影响很小（17％），而东北地区几乎没有影响。温度对东北地区的SOC变化没有显著影响，而华北地区占20％。华北地区气候变化对SOC变化的总贡献达到了35％，而土地利用为33％，但在总变化中共有19％的相互作用。研究估计了1985年至2004年之间0–20 cm表层土壤有机碳浓度和储存量的变化。数字土壤制图方法利用随机森林模型中的环境协变量预测了两个时期SOC的空间变化。结果为：（1） 随机森林可以在大尺度上有效地预测SOC空间变化。在这两个时期中，SOC浓度具有相似的趋势，东北地区的SOC较低，华北平原的SOC较高。华北地区土壤碳增加，而大多数东北地区则减少。（2） SOC的总体储存量稳定。农田土壤中的碳储量增加0.094 Pg，增长率为9％。森林和草原土壤中发生显著的碳损失，均为-25%。（3） 在中国华北和东北地区，土地利用变化是SOC变化的主要驱动因子。与土地利用变化相比，气候变化对SOC变化的贡献相似，而东北地区的贡献较小。
Land use and climate change effects on soil organic carbon in North and Northeast China.pdf