基于高光谱遥感的土壤有机碳含量估算研究进展

土壤有机碳库是人类可以对其施加影响的最大生物圈碳库,其储量的估算和动态变化研究是全球碳循环研究中的重要内容.传统的各种估算和监测方法存在一定的问题,而利用高光谱遥感估算土壤有机碳含量具有便捷快速、节约成本、非破坏性和准确度高的优势,同时,从机载高光谱传感器获取的土壤图像数据对于估算大尺度区域土壤有机碳含量和跨时空动态研究具有相当大的潜力.但是,基于高光谱遥感数据的监测受到很多因素的影响,包括土壤有机碳含量的差异、成土母质、土壤含水量、土壤质地等以及与土壤有机碳光谱响应特性较为接近的氧化铁的影响.另外,野外土壤表面状态(如植被覆盖、表面粗糙度、土壤含水量和沙石等)以及大气、光照和辐射条件等也都对研究结果和估算精度产生较大的影响.今后该领域的研究应致力于对各影响因素的深入研究,同时寻求更多有效的计量方法提高估算模型的稳定性,并最终应用高光谱遥感数据开展区域尺度土壤有机碳含量的估算.     

黄河源区高寒草地土壤有机碳储量及分布特征

选择位于黄河源区的青海省果洛藏族自治州为研究区,利用第二次全国土壤普查所得的土壤剖面数据以及55个典型土壤剖面的地理位置、土层深度、有机质含量、面积、理化分析数据和1:50万数字化土壤类型图,在GIS的支持下利用土壤类型法对黄河源区草地土壤碳库进行了估算。结果表明,黄河源区土壤碳密度较高,平均土壤有机碳密度为29.97 kg/m²,高寒草地土壤有机碳库主要由高山草甸土和高山草原土的有机碳库构成,研究区土壤有机碳总储量达15×10⁸tC。区域草地土壤有机碳密度及储量呈明显的水平和垂直分异规律。     

遥感在土壤碳储量估算中的应用

土壤碳库是陆地生态系统碳库的主体,在全球碳平衡中具有重要作用。从20世纪70年代早期Landsat-MSS数据的使用开始,各种传感器的卫星多光谱测量开始广泛应用于土壤调查中。首先,分析了利用遥感方法估算土壤碳储量的可行性。之后,系统分析总结了国内外在土壤碳储量研究中的常用遥感方法,即遥感影像直接估算法、植被指数法和光谱测定分析法。最后,对遥感在土壤碳储量估算研究中的发展趋势做出展望。     

中国陆地土壤有机碳库的估算

土壤是陆地生态系统的核心之一,土壤有机碳库是陆地碳库的主要组成部分,在陆地碳循环研究中有着重要的作用,因而了解土壤碳循环是研究中国陆地生态系统碳循环的基础,确定土壤有机碳的储量、空间分布、对土壤碳循环的研究具有重要意义。根据中国和线次土壤普查得到的土壤各类型分布面积,采样数据、土壤有机质含量,运用ＧＩＳ技术,来估算土壤碳库。经过计算,中国陆地生态系统土壤有机碳总量为１００１．８×１０＾８ｔ,平均碳     

土壤光谱特征分析及盐渍化信息提取——以新疆渭干河/库车河绿洲为例

土壤盐渍化严重制约土地生产力,实时监测土壤盐渍化有利于农业正常生产。选择新疆渭干河—库车河绿洲的光谱反射率数据,研究不同程度盐渍化土壤的光谱特征;并对绿洲所在的库车县的环境与灾害监测预报小卫星的高光谱数据进行盐渍化信息提取。提取步骤为：首先对土壤光谱反射率数据进行14种形式的变换,再与土壤含盐量进行相关分析、逐步回归分析,建立估算不同盐渍化程度的土壤含盐量方程,用均方根误差验证方程的精度;其次,建立植被和土壤波谱库;最后,在波谱库的数据基础上,使用波谱角分类法（SAM）对环境与灾害监测预报小卫星的高光谱数据进行分类。用同步实测数据对分类效果进行精度评价,效果较好,这一结果为今后该区域的高光谱应用奠定了基础,对区域农民耕作方式提出了警示,为区域可持续发展实践提供了参考。     

风蚀作用下的土壤碳库变化及在中国的初步估算

土壤有机碳库储量巨大且在表层富集 ,而风力侵蚀具有巨大的卷挟起沙、搬移输运和空间再分配能力 ,对土壤有机碳库的演变具有重要影响。在风力侵蚀作用下 ,风蚀发生地、风蚀土壤输运途中以及风蚀土壤沉降地的土壤有机碳库有着不同的变化过程。基于质量平衡原理 ,可以建立土壤有机碳流失及各路径碳输移量估算的模型。依据第二次全国遥感侵蚀调查以及第二次全国土壤普查数据 ,在GIS支持下 ,分析了中国土壤有机碳库以及风力侵蚀的空间格局 ,并计算得到风力侵蚀作用下中国土壤有机碳库储量变化以及各路径碳输移量。研究表明 ,我国因风力侵蚀造成的土壤有机碳流失量约为 5 9 76× 10 6 tC/yr,风蚀所致CO2 排放约为 2 9 88× 10 6 tC/yr;风蚀所致的土壤有机碳流失主要发生在中国西北部的干旱半干旱的农区和牧区     

安徽省土壤有机碳空间差异及影响因素

区域土壤碳储量和碳固定潜力及影响因素分析是全球变化中碳循环研究的重要前沿问题。本文采用第二次土壤普查资料,研究了安徽省不同类型土壤的有机碳密度和碳库,分析了影响土壤有机碳分布的自然和人为因素。结果表明,安徽土壤有机碳库为0.71Pg,表层土壤有机碳库为0.28Pg;土壤平均有机碳密度达117.54 t/hm²,碳密度的空间分布为:皖南山区>皖西大别山区>沿长江平原>江淮丘陵区>淮北平原区;气候和植被控制着表层土壤有机碳的省域分布,降水与土壤有机碳含量呈正相关。地形和母质影响土壤亚类间有机碳的差异;土壤总氮与土壤有机碳呈极显著相关,平原区土壤粘粒含量与表层土壤有机碳固定有较大关系。     

基于高光谱遥感的新疆北疆地区土壤砂粒含量反演研究

 土壤砂粒含量是表征土壤质量的重要指标,探索建立基于高光谱遥感的区域土壤砂粒含量反演方法对区域土壤质量监测具有重要意义。通过野外采集的高光谱数据与MODIS影像相结合,遴选出土壤砂粒含量的敏感波段与反演方程,进行干旱区裸地土壤砂粒含量遥感反演研究。结果表明：430 nm为土壤砂粒含量的敏感波段,原始光谱经变换后的数值与土壤砂粒含量的相关系数在430 nm处达到最大值0.76;基于MODIS第3波段中心波长460 nm处的土壤原始光谱的反演精度最高,达到89.30%,与实际情况吻合较好,表明MODIS第3波段可以应用于干旱区裸地土壤砂粒含量的遥感反演。     

翅碱蓬高光谱植被指数对土壤化学性质的响应

植被覆盖区土壤化学性质遥感监测一直是一个难点,往往只能通过生物地球化学的方法,利用上覆植被信息间接地反映。该研究通过野外采样分析的17个翅碱蓬(Suaeda salsa)光谱数据和其下土壤样品的理化分析配对数据,探讨土壤化学性质与翅碱蓬高光谱植被指数间的关系。结果表明:上覆翅碱蓬高光谱植被指数与土壤有机质、全氮、速效钾之间均无显著相关,高光谱植被指数(NDNI)可用于初步反映土壤全磷的含量变化,NDVI705可用于初步反映土壤pH值的变化,而高光谱植被指数(MSI)可以很好地反映土壤盐分含量的变化。在此基础上,建立了土壤全盐量与19个高光谱植被指数的偏最小二乘回归模型,这为翅碱蓬覆盖区域土壤盐渍化遥感监测提供了一种方法。     

霍山县县域范围内不同空间尺度下农田土壤有机碳变异分析

基于安徽省霍山县第二次土壤普查数据,提取2005～2008年耕地监测数据资料建成土壤有机碳含量数据库,对耕地监测的有机碳数据按县域内不同空间尺度进行了统计分析。结果表明:20年来该县农田表土有机碳含量明显提高,显示农田土壤的有机碳库积累。县域范围内耕地土壤有机碳含量的不同尺度的变异系数介于4.53%～14.91%。村民组(自然村)单元内变异性最高,有机碳含量乡镇间变异性低于行政村间变异性。因此,从县级尺度的农田土壤碳计量来说,以乡镇尺度采样研究比村级尺度可靠性要高。影响县域内农田土壤有机碳含量与变异的动力因子主要是农业利用和农田基本建设,茶、桑和水稻利用下农田土壤有机碳含量明显较高。     

松辽平原黑土有机碳含量时空分异规律

松辽平原典型黑土分布区土壤有机碳的空间分异规律及不同开垦年限土壤有机碳含量变化的研究结果表明:随着纬度的增加,黑土总有机碳平均含量由11.43g/kg增加至20.83g/kg,有机碳组分含量和HA/FA比值均表现出增加的趋势。随着土壤剖面加深,黑土总有机碳及其组分含量均呈下降的趋势,土壤中的HA-C逐步被FA-C和HU-C所替代。土壤开垦前50年,黑土总有机碳及其组分含量下降迅速,以后下降趋于缓慢,至开垦130年后,有机碳含量水平基本处于相对稳定状态,变化不明显。     

开垦对高寒草甸土壤有机碳影响的初步研究

在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站地区,选择高寒草甸开垦后形成的一年生人工草地作为研究对象,开垦年限分别为0、1、11、16和20年,利用土壤有机碳密度分组法,进行了0~40cm土层土壤有机碳及不同组分（轻组有机碳,重组有机碳）含量及随开垦年限变化关系的研究。结果表明：高寒草甸开垦后其土壤有机碳的变化主要发生在0~10cm土层,土壤中SOC、LFOC和HFOC呈下降趋势,至20年时分别下降了10.5 %、26.7%、8.1 %,主要原因为当地较为强烈的风蚀作用、耕作侵蚀和开垦加剧了表层（0 ~10cm）土壤有机质的氧化分解,表层土壤中的粗有机物质在降水淋溶作用下,在土体下部重新淀积。而0 ~40 cm土体内,SOC、LFOC和HFOC略有增加,开垦20年,他们的累积速率分别为0.08 t C·hm-2·yr-1、0.07 t C·hm-2·yr-1、0.14 t C·hm-2·yr-1。人工草地长期种植虽然没有改变高寒草甸作为碳汇的基本功能,但却大大降低了其碳汇效应,植物-土壤系统年固定碳量由未开垦前的7.38t C·hm-2·yr-1下降至6.89 t C·hm-2·yr-1。     

川西高寒山地土壤有机碳与铁、铝矿物复合体分布特征

为了量化川西高寒山地土壤与铁、铝矿物相关的有机碳含量以及探讨川西高寒山地土壤铁、铝矿物对有机碳稳定性和累积方式的影响,采用选择性提取法研究了川西高寒山地的山地灰化土（MP)和高山草甸土（AM）中土壤有机碳与晶质金属氧化物（DH）提取、短程有序（HH）提取、矿物复合体以及有机—金属配合物（PP）提取中的有机碳和铁、铝的分布。结果表明,MP中DH,HH和PP提取的碳含量分别为(10.91±6.23) g/kg、(5.92±1.66) g/kg和(8.76±2.29) g/kg,分别占有机碳的20.92%,12.07%和19.93%;而AM中DH、HH和PP提取的碳含量分别为(9.05±1.33) g/kg、(5.52±1.02) g/kg和(9.12±3.21) g/kg,分别占有机碳的21.04%、12.47%和19.34%。3种提取剂提取的碳含量以及其占有机碳的百分比在MP和AW的A层土壤中均表现为PP > DH > HH,而在B层土壤中则表现为DH > PP ≈ HH。随着土壤深度的增加,深层土壤中次级矿物和晶体矿物丰度的显著增加,导致有机碳与铁、铝矿物复合体由有机—金属配合物主导转变为有机碳与晶质金属氧化物形成的复合体主导。PP提取的碳和其所占有机碳的百分比表现为A层高于B层,而DH和HH提取的碳含量和其所占有机碳的百分比大体表现为A层低于B层。由于MP特殊的土壤性质,这种差异在MP中更为明显。3种提取剂提取的金属（Al+Fe）含量在两种土壤中均表现为DH > HH > PP。而其提取的碳与金属的摩尔比表现为DH < HH < PP,说明随着铁、铝矿物的结晶度增加,其与有机质的作用从共沉淀、络合而向吸附作用转变。DH,HH和PP提取的碳与SOC的相关分析表明,MP中土壤有机碳的累积在一定程度上受晶质铁、铝矿物与有机质的相互作用而驱动;AM中土壤有机碳的累积在一定程度上受短程有序矿物与有机质的相互作用以及有机—金属配合物的驱动。本文研究表明,土壤中的铁、铝矿物与有机碳形成的复合体在一定程度上驱动着川西高寒山地土壤有机碳的积累,不同土壤类型中,与矿物相关的有机碳的分布不同,其有机碳的积累方式也不同。     

土壤碳循环研究进展及干旱区土壤碳循环研究展望

土壤碳库动态及其驱动机制是陆地生态系统碳循环与全球变化研究的热点问题之一。随着各国对《京都议定书》的重视,农业土壤碳库变化及其源汇效应研究不断加强,但以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳,较少考虑无机碳的作用和地位,干旱区土壤无机碳储量巨大,其在区域碳循环过程中的贡献日益显著,这使得干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。国内外关于农业土壤有机碳动态的研究主要围绕农业土壤有机碳储量、固碳潜力等问题展开,研究区多为湿润、半湿润地区;国际上对农业土壤无机碳动态的研究主要集中在干旱区土地管理措施对土壤发生性碳酸盐碳的形成与转化方面,研究方法以稳定同位素技术为主,但目前关于中国干旱区农业土壤无机碳动态的研究还较为薄弱。因此,应加强干旱区绿洲土壤碳循环研究,深入分析干旱区绿洲土壤碳的源/汇效应;探讨土壤无机碳动态变化的机理。     

Detecting the storage and change on topsoil organic carbon in grasslands of Inner Mongolia from 1980s to 2010s

Soil carbon sequestration and potential has been a focal issue in global carbon research. Under the background of global change, the estimation of the size as well as its change of soil organic carbon（SOC） storage is of great importance. Based on soil data from the second national soil survey and field survey during 2011–2012, by using the regression method between sampling soil data and remote sensing data, this paper aimed to investigate spatial distribution and changes of topsoil（0–20 cm） organic carbon storage in grasslands of Inner Mongolia between the 1980 s and 2010 s. The results showed that：（1） the SOC storage in grasslands of Inner Mongolia between the 1980 s and 2010 s was estimated to be 2.05 and 2.17 Pg C, with an average density of 3.48 and 3.69 kg C·m–2, respectively. The SOC storage was mainly distributed in the typical steppe and meadow steppe, which accounted for over 98% of the total SOC storage. The spatial distribution showed a decreased trend from the meadow steppe, typical steppe to the desert steppe, corresponding to the temperature and precipitation gradient.（2） SOC changes during 1982–2012 were estimated to be 0.12 Pg C, at 7.00 g C·m–2·yr–1, which didn＇t show a significant change, indicating that SOC storage in grasslands of Inner Mongolia remained relatively stable over this period. However, topsoil organic carbon showed different trends of carbon source/sink during the past three decades. Meadow steppe and typical steppe had sequestered 0.15 and 0.03 Pg C, respectively, served as a carbon sink; while desert steppe lost 0.06 Pg C, served as a carbon source. It appears that SOC storage in grassland ecosystem may respond differently to climate change, related to vegetation type, regional climate type and grazing intensity. These results might give advice to decision makers on adopting suitable countermeasures for sustainable grassland utilization and protection.     

开封市不同功能区城市土壤有机碳含量与密度分析

研究开封城市土壤有机碳,发现不同功能区类型间及城区与郊区间的有机碳特性存在差异:土壤表层有机碳含量为工业区>休闲区>交通区>文教区>行政/居民区;表层有机碳密度为休闲区>工业区>交通区>文教>行政/居民区;土壤剖面有机碳密度为文教区>交通区>工业区>休闲区>行政/居民区.城市土壤表层有机碳密度和剖面有机碳密度均沿城郊剖面线呈下降式梯度变化,城区分别是郊区的2.53和1.56倍.城市土壤有机碳积累主要在地表之下0～30 cm范围内.     

Effects of afforestation on soil carbon turnover in China’s subtropical region

Afforestation in China’s subtropics plays an important role in sequestering CO2 from the atmosphere and in storage of soil carbon (C). Compared with natural forests, plantation forests have lower soil organic carbon (SOC) content and great potential to store more C. To better evaluate the effects of afforestation on soil C turnover, we investigated SOC and its stable C isotope (δ13C) composition in three planted forests at Qianyanzhou Ecological Experimental Station in southern China. Litter and soil samples were collected and analyzed for total organic C, δ13C and total nitrogen. Similarly to the vertical distribution of SOC in natural forests, SOC concentrations decrease exponentially with depth. The land cover type (grassland) before plantation had a significant influence on the vertical distribution of SOC. The SOC δ13C composition of the upper soil layer of two plantation forests has been mainly affected by the grass biomass 13C composition. Soil profiles with a change in photosynthetic pathway had a more complex 13C isotope composition distribution. During the 20 years after plantation establishment, the soil organic matter sources influenced both the δ13C distribution with depth, and C replacement. The upper soil layer SOC turnover in masson pine (a mean 34% of replacement in the 10 cm after 20 years) was more than twice as fast as that of slash pine (16% of replacement) under subtropical conditions. The results demonstrate that masson pine and slash pine plantations cannot rapidly sequester SOC into long-term storage pools in subtropical China.     

腾格里沙漠南缘植被恢复过程中土壤理化性状的变化

土壤有机碳是土壤质量的关键指标,也是评估陆地生态系统碳库对大气CO2源、汇效应转变的基础。本文分析了腾格里沙漠南缘植被恢复过程中土壤物理性质、有机碳含量及其组分特征。结果表明:在围封后,土壤容重随着植被恢复年限的延长呈指数级减小,孔隙度、黏粒含量和田间持水量则表现出随年限延长而显著增大的趋势;土壤有机碳、微生物量碳、轻组有机碳和重组有机碳含量随着围封抚育年限的延长而显著增加,轻组有机碳占总有机碳的比例随植被恢复年限的延长而增大,而重组碳所占比例则随时间变化显著下降。土壤有机碳与容重呈显著负相关,而与其他参数呈显著正相关,说明其变化受多种因素影响,且对土壤物理性质的变化有重要意义。     

The impact of land use/cover change on storage and quality of soil organic carbon in midsubtropical mountainous area of southern China

Land use/cover change (LUCC) is widely recognized as one of the most important driving forces of global carbon cycles. The influence of converting native forest into plantations, secondary forest, orchard and arable land on stores and quality of soil organic carbon (SOC) was investigated in mid-subtropical mountainous area of southern China. The results showed that LUCC had led to great decreases in SOC stocks and quality. Considerable SOC and light-fraction organic carbon (LFOC) had been stored in the native forest (142.2 t hm?2 and 14.8 t hm?2 respectively). When the native forest was converted to plantations, secondary forest, orchard and arable land, the SOC stocks decreased by 25.6%, 28.7%, 38.0%, 31.8% and 51.2%, respectively. The LFOC stocks decreased by 52.2% to 57.2% when the native forest was converted to woodland plantations and secondary forest, and by 82.1% to 84.2% when converted to economic plantation, orchard and arable land. After the conversion, the ratios of LFOC to SOC (0–60 cm) decreased from 13.3% to about 3.0% to 10.7%. The SOC and LFOC stored at the upper 20 cm were more sensitive to LUCC when compared to the subsurface soil layer. Also, the decline in carbon storage induced by LUCC was greater than the global average level, it could be explained by the vulnerable natural environment and special human management practices. Thus, it is wise to enhance soil carbon sequestration, mitigate elevated atmospheric co2 and develop ecological services by protecting vulnerable environment, restoring vegetation coverage, and afforesting in mountainous area in mid-subtropics.