水土开发影响下的干旱区耕层土壤有机碳数字制图及含量研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张兆彤 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 张红旗 |
| 关键词 | 渭干河流域 水土开发因子 耕地土壤有机碳 数字制图 有机碳储量估算 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 我国干旱区大规模水土开发导致耕地土壤有机碳库发生剧烈变化，精确估算耕地土壤有机碳库储量可为固碳减排提供科学依据，是实现双碳目标的前提。数字制图是耕地土壤有机碳库储量精确估算的重要技术手段，水土开发因子（耕作年限、含盐量、pH 值、作物类型、灌溉能力和施肥量）由于在短时间内深刻改变区域土壤碳循环，成为提高制图精度的关键。然而水土开发因子空间化表达较为繁琐复杂，在以往研究中缺乏考虑，制约耕地土壤有机碳数字制图精度的提高。因此，水土开发因子对耕地土壤有机碳的影响规律及其对制图精度提升效果是本文所要解决的科学问题。本文以新疆渭干河流域为研究区，基于1980-2020 年多节点土地利用图，揭示渭干河流域1980-2020 年间耕地扩张过程；分析水土开发因子的动态变化；通过叠加土地利用图、地统计空间插值和随机森林分类等方法实现自然和水土开发因子空间化表达；采用单因素方差分析、随机森林模型、地理探测器模型，分别从因子单独作用、因子重要性排序、因子交互作用3 个角度探讨自然和水土开发因子对耕地土壤有机碳影响规律；应用回归克里格和随机森林模型进行耕地土壤有机碳制图，验证水土开发因子对制图精度的提升效果，并筛选耕地土壤有机碳密度最优制图结果估算渭干河流域耕层土壤有机碳储量；依据自然和水土开发因子划分农业分区，进行农业管理的多情景模拟，预测研究区耕层土壤有机碳固存潜力。以期在学术上为耕地土壤有机碳制图及储量估算提供新思路，实践上为干旱区发展精准农业以及制定合理的农田管理措施提供参考。主要研究结论如下：（1）揭示了渭干河流域水土开发现状和动态变化。2020 年渭干河流域耕地面积占比为14.06%；1980-2020 年间，耕地面积从3516.51km2 增加至5368.55km2，占总面积比重由9.21%增加至14.06%，增加幅度为52.67%；耕地主要开垦自草地和未利用地，耕地扩张主要发生在新和县、沙雅县和库车县。水土开发因子随耕地扩张发生变化，不同作物类型种植比例增减不一，其中单季玉米和棉花种植比例增加，而单季小麦、果树和一年两熟（小麦-玉米两熟）降低；灌区灌溉能力有所提高；施肥量呈波动上升趋势；土壤盐碱化问题虽然经过综合治理得到一定程度的改良，但依然是制约西北干旱区农业发展的主要因素。（2）探讨了自然和水土开发因子对耕地土壤有机碳影响规律。灌溉能力、作物类型和年均降水为耕地土壤有机碳主控影响因子。与单因子相比，因子间交互作用会增强对耕地土壤有机碳的影响，对比来看，自然-自然因子交互、水土开发-水土开发因子交互作用对耕地土壤有机碳的影响总体低于自然-水土开发因子交互作用的影响。（3）揭示了水土开发因子对提高耕地土壤有机碳制图精度的有效性。当制图模型一致时，纳入水土开发因子会提高耕地土壤有机碳含量和密度制图精度，基于回归克里格可使耕地土壤有机碳含量和密度制图精度R2 分别提高22.41%和32.20%；基于随机森林可使耕地土壤有机碳含量和密度制图精度R2 分别提高38.96%和50.72%。当环境协变量组合一致时，随机森林制图性能高于回归克里格，同时纳入自然和水土开发因子时，应用随机森林模型进行耕地土壤有机碳含量和密度制图的精度比回归克里格分别优越18.88%和22.48%（基于R2）。（4）定量估算了渭干河流域耕层土壤有机碳储量。同时纳入自然和水土开发因子为环境协变量，应用随机森林模型可得到耕地土壤有机碳密度制图最优结果，基于此定量估算渭干河流域耕层（0-20cm）土壤有机碳储量为13.50Tg。不同县域耕层土壤有机碳储量由高到低的排序为拜城县>库车县>新和县>沙雅县>温宿县。不同土壤类型中，半水成土的耕层有机碳储量最高，其次为盐碱土，水成土的耕层有机碳储量最低。（5）预测了渭干河流域耕层土壤有机碳固存潜力（2020~2030 年）。基于自然和水土开发因子划分7 个农业分区，在不同农业分区内设置不同农业管理措施变化情景。在灌溉能力改善情况下，通过不同农业管理措施优化组合，土壤有机碳储量均呈增加趋势；而在灌溉能力降低情况下，不同农业分区土壤有机碳储量有增有减，分区1、5 和7 的有机碳储量增加，其他分区减少。同一农业分区内比较来看，灌溉能力级别变化越大，则土壤有机碳储量变化幅度越大；扩大果树和单季小麦种植规模相对于单季玉米和一年两熟（小麦-玉米两熟）来说更有利于促进土壤有机碳固存。本文将水土开发因子作为耕地土壤有机碳数字制图必不可少的环境协变量，验证了其对制图精度的提升效果，可为耕地土壤有机碳制图及储量估算提供新思路。通过耕层土壤有机碳固存潜力预测可为研究区未来制定合理的农田管理措施提供参考，在以后的农业活动中，应该进一步完善灌溉系统，提高灌溉能力；合理调整作物种植结构，扩大果树和单季小麦种植规模，适量增施有机肥，以促进耕层土壤有机碳固存。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 177 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199790]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张兆彤. 水土开发影响下的干旱区耕层土壤有机碳数字制图及含量研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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