西藏土壤有机碳数字制图与环境影响因子多尺度研究

摘要

土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)是地球生态系统中最大的碳库，与全球气候变化、土壤质量息息相关，是环境生态学与农学的重要指标。土壤是大气与生物群落的物质交换的基质，是碳循环的重要场所和通道，既是温室气体的排放源又具有巨大的储碳潜力。青藏高原是地球上低纬度面积最大、海拔最高的冻土区，潜藏着大量的土壤有机碳。高原生态系统比较脆弱，对气候变化十分敏感。因而研究青藏高原的土壤有机碳空间分布及其环境影响因子对深入探究全球气候变化下的碳循环及动态变化具有重要的意义与作用。
　　本文以土壤发生学为理论基础，利用数据挖掘方法，结合第二次土壤普查的1148个历史样点数据和多个环境变量数据进行土壤有机碳-环境因子建模，预测了西藏地区表层30cm土壤有机碳的空间分布及其不确定性图，利用二维经验模态分解(2D EMD)法探讨了在不同尺度和不同位置下土壤有机碳与环境变量的相关关系及主控因子，并估算了西藏土壤有机碳的储量。论文主要研究内容和结果如下:
　　(1)针对青藏高原地形复杂、土壤有机碳空间变异与垂直变异共存的地理特征，基于Cubist数据挖掘方法，采用历史土壤数据并结合多种环境因子，预测了90m高分辨率的1980s末西藏地区土壤有机碳空间分布图及其不确定性。不确定性分析表明土壤有机碳制图结果的可靠性与样点分布密度密切相关。通过独立样本验证，制图精度（LCCC，林的一致性相关系数）和误差(RMSE，均方根误差)分别为0.66和0.19％，与其他类似的大尺度土壤有机碳数字制图研究的预测精度相当。通过与SoilGrids、Harmonized World Soil Database(HWSD)等国际上现有土壤有机碳数据比较发现本研究的预测结果大大提高了西藏地区土壤有机碳空间分布的数据精度，很好地揭示其空间变异及垂直变异。本研究的结果为今后青藏高原的研究提供了更好的基础数据。
　　(2)本研究采用二维经验模态分解方法，将西藏地区土壤有机碳空间分布分解成不同尺度下的内蕴模态函数(IMF)，IMF1、IMF2、IMF3的尺度从小到大，分别为SOC在约7km、95km、331km左右的变异，残差的变异在1277km左右。结果显示高程和植被指数(NDVI)等因子与土壤有机碳在小尺度的空间变异（IMF1）相关性高，而温度、降雨、日照辐射、蒸散量(ET)等与土壤有机碳在中大尺度上的空间变异(IMF2、IMF3)相关性高。通过方差分解分析，土壤/母质和气候因子中大尺度上对SOC的变异有更高的方差解释量，而在小尺度上，地形对SOC的解释量更多。高寒地带，环境因子与SOC的关系与其他地区不同，相关性的强弱随位置与尺度的变化而变化。同时相关关系（正相关或负相关）受西藏地区的地形分区、冻土分布、地貌类型等影响，表明西藏地区不同地区对土壤有机碳累积的限制因子不同。
　　(3)高寒山区地形起伏剧烈，通过网格数据计算土壤有机碳时由于网格的水平面积与实际地表面积的差异，会使土壤有机碳储量被低估。本文研究通过引入地形修正系数，基于预测的高精度土壤有机碳分布图，修正了西藏地区表层30cm土壤有机碳计算储量，原始土壤有机碳被低估了9.6％，经修正后储量为7.47Pg。通过结果分析，我们发现受气候、地形的影响，西藏地区森林、草原土壤有机碳与高纬度低温地区的有机碳密度类似，普遍高于同纬度其他地区的土壤有机碳密度。

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致谢

摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究进展

1．2．1 土壤数字制图研究进展

1．2．2 土壤有机碳预测与估算

1．2．3 多尺度土壤属性控制因子研究

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 研究区与数据

2．1 研究区

2．2 土壤数据获取

2．3 环境协变量

2．4 土壤有机碳剖面转换

第三章 土壤有机碳制图及不确定性研究

3．1 研究方法

3．1．1 土壤有机碳空间变异预测制图与不确定性分析

3．1．2 模型验证

3．2 结果

3．2．1 制图模型

3．2．2 建模结果

3．2．3 西藏土壤有机碳空间分布及不确定性

3．2．4 不同高程下土壤有机质空间分布

3．2．5 不同植被类型下土壤有机质空间发分布

3．3 讨论

3．3．1 模型精度与性能

3．3．2 与现有土壤SOC数据的比较

3．3．3 更精细的西藏地区土壤有机碳空间变异

3．4 小结

第四章 多尺度土壤有机碳的控制因子研究

4．1 研究方法

4．1．1 经验模态分解模型

4．1．2 半方差函数分析

4．1．3 方差分解

4．2 结果

4．2．1 模型参数选择

4．2．2 西藏土壤有机碳尺度因子

4．2．3 土壤有机碳空间主控环境因子

4．2．4 基于位置与尺度的SOC及环境因子相互关系

4．2．5 不同尺度下的SOC与环境因子的方差分解

4．3 讨论

4．4 小结

第五章 西藏地区土壤有机碳储量估算

5．1 研究方法

5．2 结果

5．2．1 不同空间分辨率的地形修正系数

5．2．2 西藏土壤有机碳密度空间分布特征

5．2．3 西藏表层土壤有机碳储量估算

5．3 讨论

5．3．1 西藏地区土壤有机碳分布

5．3．2 更精确的西藏地区土壤有机碳储量估算

5．4 小结

第六章 结论与创新

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

参考文献

附图

科研成果