基于湿度空间分布的土壤碳通量采样策略

摘要

进入新世纪以来，持续高温、海洋风暴、长期干旱等异常自然气候灾害现象的频繁发生，造成了大量人员伤亡和经济损失。学者们普遍认为当今全球环境气候问题与人类活动有直接的关系。如何应对全球气候变暖与频发自然灾害是全人类共同面对的问题。碳，作为自然界的最基本元素之一，其流动链是研究生态系统中物质循环与能量循环的关键线索。碳元素在地球各个圈层间的迁移转化以及随之发生的能量流动被称为全球碳循环，全球碳循环是全球气候变化研究的核心内容。全球碳循环包括大气、海洋、陆地生态系统等几个主要碳库，其中陆地生态系统受到人类活动的干扰最强烈。土壤碳库是陆地碳库的重要组成部分，因而研究土壤碳库与大气碳库之间的碳循环具有重要意义。　　土壤呼吸过程是土壤碳库向大气碳库排放 CO2的关键生态过程，它主要由土壤微生物呼吸、根系呼吸和异氧动物呼吸三部分组成。作为一个复杂的生态学过程，土壤呼吸不仅受到土壤温湿度、气温、降雨等环境因素影响，同时受到植被、微生物、土地利用方式等生物因素影响，人类活动的作用越来越大。土壤呼吸的空间异质性很强烈，传统的五点法、随机抽样等方法无法对区域土壤碳通量进行准确估算，而大范围的均匀多点采样则需要耗费大量的人力及设备成本,因此确定适当的采样点数量及分布对于区域土壤碳通量的测算非常重要。　　本文考虑了各子区域之间土壤碳通量空间分布的异质性，使得采样点的部署位置与土壤碳通量的分布具有较好的相关性，提出了一种基于湿度空间分布特征的土壤碳通量采样策略（Soil Carbon Flux Spatial Sampling Strategy Based On Moisture，SMTC）：利用无线传感网密集测量区域土壤湿度数据。基于土壤湿度的异质性，将待监测区域划分为若干子区域。通过Hammond McCullagh方程计算各子区域内的最优采样点部署数量，依据最大覆盖原则部署区域内的采样点，最终确定整个监测区域的空间采样点部署策略。试验结果证明本文提出的土壤碳通量部署策略能够获得比均匀部署、随机部署更高的区域土壤碳通量估算准确度。

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1绪论

1.1研究背景与意义

1.2研究内容

1.3研究方法与技术路线

1.4论文的结构安排

2国内外研究现状

2.1单点采样

2.2特征点采样

2.3随机多点采样

2.4均匀多点采样

2.5分层采样

2.6五点采样法

2.7本章小结

3土壤碳通量空间采样策略

3.1土壤湿度与碳通量的关系

3.2总体思路

3.3湿度空间分布特征的获取

3.4区域划分方法

3.5土壤碳通量空间采样策略

3.6本章小结

4实验与分析

4.1实验条件

4.2实验方法

4.3实验结果

4.4分析与讨论

4.5本章小结

5结论与展望

参考文献

附录

1均匀采样法的算法实现

2随机采样法的算法实现

3土壤碳通量测定仪的实现代码

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致谢