未来气候及土地利用变化情景下土壤有机碳库时空分布特征研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王帅 |
| 答辩日期 | 2025-04 |
| 文献子类 | 博士后出站报告 |
| 授予单位 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 关键词 | 土壤有机碳储量 未来气候 未来土地利用 深度函数 数字土壤制图 碳景观 |
| 学位名称 | 博士后 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 土壤作为陆地生态系统中最大的碳库，在全球碳循环及应对和调控气候变化方面发挥着至关重要的作用。根据IPCC 第六次评估报告，全球平均地表温度正以每十年0.2℃年的速度提升。全球大气中的CO₂含量从工业化前的约280 ppm 增至2020 年的414 ppm，超出了过去83 万年间自然波动的最大幅度，显著加剧了地球的“温室效应”。土壤在全球碳循环及应对和调控气候变化中扮演着至关重要的角色，无论是减少碳排放、缓解全球变暖，还是维持生态平衡、提高粮食产量，土壤都为人类社会的可持续发展提供了坚实保障。陆地土壤作为地球表面最大的碳库（1400 - 1500 Pg C，地球表面1 米以内），对全球环境稳定具有重要意义。然而，在预测土壤有机碳（Soilorganic carbon，SOC）对未来不断变化的气候与人类活动的响应方面，仍存在显著的不确定性。与此同时，大多数关于土壤有机碳储量的研究主要集中在表层土壤，而对于土壤剖面内土壤有机碳储量的垂直分布状况，目前尚缺乏系统性的了解。此外，影响深层土壤有机碳储量的关键环境变量也尚未得到充分阐明。 东北地区作为我国最重要的商品粮产地与自然资源基地，同时也是中国森林覆盖率较高的地区之一。该区域拥有广袤的黑土地，土壤中蕴含着极为丰富的土壤有机碳储量，对于实现中国“双碳”目标具有重要意义。因此，针对东北地区土壤有机碳储量的研究不仅意义重大，而且具有极高的学术和实践价值。 本文旨在深入探究未来气候与土地利用变化情景下东北地区土壤有机碳库的时空分布特征，揭示当前环境下东北地区土壤有机碳储量的空间分布格局，以及在未来气候与人为因素影响下该地区土壤有机碳储量的变化趋势。本研究基于野外采样获取的剖面土壤有机碳储量数据，结合环境和土地利用数据，利用ArcGIS 10.8 空间数据处理平台、MATLAB 数据处理软件、R 语言平台以及python 语言平台，对相关数据进行了预处理与深入分析。具体研究包括土壤有机碳深度函数、碳景观分类、机器学习算法及时空替代法的综合应用，旨在精准模拟并预测中国东北地区表层及三维尺度上土壤有机碳储量的空间分布情况。主要研究成果如下： 1）东北地区表层土壤有机碳受气候变量，特别是温度的影响最为显著。在三维尺度上，总体而言，气候变量（尤其是温度）的影响随深度递增而逐渐减弱，而地形变量与深度的相关性则随深度增加而逐渐增强。在增强回归树（Boost regression trees，BRT）模型中，东北地区表层和三维土壤有机碳（累积）方面，环境变量相对重要性最高的均为年平均温度变量（Mean annual temperature，MAT）。 2）东北地区表层土壤有机碳密度预测为6722.81（kg m-2），主要集中该地区的东北部，地表主要生态系统为森林与农田。尽管表层土壤有机碳储量丰富，但其垂直分布随深度增加呈现出先增后减的趋势，并在30-60 cm 深度达到峰值。具体而言。从空间格局来看，表层土壤有机碳储量总体上由东北向西南逐渐减少，而深层土壤有机碳储量则呈现由北向南逐渐减少的趋势。值得注意的是，东北地区土壤有机碳储量在三维尺度上的空间变异性较为显著，在东北地区东部丘陵表层土壤有机碳储量相对较高，而深层土壤有机碳储量则表现欠佳。 3）运用等面积样条函数对表层土壤有机碳储量进行建模分析时，鉴于等面积样条函数自身特性（不同剖面深度函数建模参数并不确定），不对其进行深度函数建模。针对所有剖面发生层土壤有机碳储量数据进行深度函数建模发现，高斯函数总体表现最优（R2：0.85，RMSE：3.81），传统深度函数同样有着较为出色的表现（例如，指数函数R2：0.79，RMSE：4.13 和幂函数R2：0.77，RMSE：4.38）。对大范围研究区进行碳景观划分以减弱深度函数区域性影响后，发现除编号为5 号碳景观区幂函数拟合效果最佳（R2：0.86，RMSE：2.89）外，其余编号碳景观区中高斯函数拟合效果最佳。 4）气候变化强度加剧将对土壤有机碳产生更为显著的不利影响。然而，通过科学合理的土地利用措施（如未来增加东北地区森林和农田面积），可以有效缓解甚至抵消气候变化带来的负面影响。与2015 年表层土壤有机碳储量（5293 Tg C）相比，在共享社会经济路径（SSP245）情景下，2050 年SOC 储量下降了1.5%，而在和SSP585情景则下降了4.5%。到2090 年，SSP245 情景下的SOC 储量增加了1.9%，而SSP585情景下的SOC 储量减少了0.4%。未来两个时期的土壤有机碳储量主要储存在农田与森林中，分别占土壤有机碳储量总量的90%和92%。 5）仅考虑气候条件的情况下，随着升温幅度增加，三维土壤有机碳储量的减少量也相应增加。在两种排放情景（SSP245 和SSP585）下，三维土壤有机碳的空间分布格局较为相似，均表现出由南向北逐渐减少的趋势。此外，随着气候变化强度（包括温度和降水的变化）以加剧以及升温增加，三维土壤有机碳储量的损失速度将加快；然而，随着时间延续，这种损失速度最终会趋于减缓。在中国实现“双碳”目标前景下，对中国东北地区表层和深层土壤有机碳，运用土壤发生学理论、深度函数并结合机器学习算法，进行大尺度研究将有助于更加科学和全面展示和了解东北地区三维空间尺度上土壤有机碳空间分布状况，以及未来情境下土壤有机碳可能呈现出数量组成和空间分布变化状况，在符合数字土壤制图精度要求基础上，为东北地区土壤有机碳储量估计和固碳减排提供一定程度上研究支持。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 126 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217375]  |
| 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 | 王帅. 未来气候及土地利用变化情景下土壤有机碳库时空分布特征研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院地理科学与资源研究所. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。