華東地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳時(shí)空格局動(dòng)態(tài)模擬研究

1、收稿日期:2006-05-09;修訂日期:2006-09-29華東地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳時(shí)空格局動(dòng)態(tài)模擬研究于永強(qiáng)1,2,黃耀1,張穩(wěn)1,孫文娟1(1.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所邊界層物理和大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100049摘要:基于已建成的農(nóng)田土壤有機(jī)碳模型與GIS 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的耦合,對(duì)華東6省(市19802000年農(nóng)田土壤有機(jī)碳時(shí)空變化進(jìn)行模擬。結(jié)果表明:20年來(lái)該區(qū)土壤有機(jī)碳總體呈增加趨勢(shì),其中增加、持平和減少的面積分別占8913%、915%和112%。19801985年土壤有機(jī)碳增加迅速,19851991年增加速率最快,其后趨緩。20年來(lái)農(nóng)田土

2、壤有機(jī)碳儲(chǔ)量累計(jì)增加166Tg ,范圍為140193Tg 。其中安徽和江蘇SOC 儲(chǔ)量增加量約占總增量的5913%,上海、福建、江西和浙江占4017%。關(guān)鍵詞:土壤有機(jī)碳;空間格局;華東;模擬;碳循環(huán)中圖分類(lèi)號(hào):S15316+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-0504(200701-0097-040引言全球土壤中儲(chǔ)存著1500Pg 的有機(jī)碳,是大氣碳庫(kù)的3倍、約為陸地生物量的215倍,土壤呼吸釋放到大氣中的CO 2量是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的重要因素1。土壤能否增加碳儲(chǔ)存和發(fā)揮陸地生態(tài)系統(tǒng)的CO 2匯效應(yīng),已成為全球變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。華東地區(qū)(江蘇、安徽、浙江、上海、江西、福建是我國(guó)經(jīng)濟(jì)

3、最發(fā)達(dá)的地區(qū)和重要的商品糧基地,維持和提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳(SOC 水平有利于提高糧食產(chǎn)量和固定更多的大氣CO 2,也是該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。研究表明,20年來(lái)華東地區(qū)SOC 水平有一定程度的提高2-6,但由于土壤區(qū)域變化的復(fù)雜性,無(wú)法判斷上述數(shù)據(jù)在多大程度上代表了華東地區(qū)的SOC 變化。由于對(duì)土壤肥力進(jìn)行區(qū)域性連續(xù)監(jiān)測(cè)的成本較高,因此難以獲得SOC 長(zhǎng)期變化數(shù)據(jù)。不同研究對(duì)于樣本選擇、樣本數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度、土壤樣本采集、實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析技術(shù)和方法的選擇等存在較大差異,很難用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)區(qū)域尺度上SOC 的長(zhǎng)期變化做出準(zhǔn)確判斷7。劉紀(jì)遠(yuǎn)等8利用土壤剖面數(shù)據(jù)和TM 影像分析資料,分別結(jié)合IPCC

4、 方法和土地利用轉(zhuǎn)換方法分析了19902000年中國(guó)不同地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的變化;許信旺等9利用第二次土壤普查資料計(jì)算了安徽水稻土表層SOC 的儲(chǔ)量;姜小三等10計(jì)算了江蘇表層SOC 儲(chǔ)量。但上述研究未探討SOC 儲(chǔ)量在完整時(shí)間序列上的動(dòng)態(tài)變化。目前華東地區(qū)SOC 時(shí)空格局的研究?jī)H局限于利用有限的土壤普查數(shù)據(jù)結(jié)合土壤分類(lèi)圖外推,但是影響SOC 變化的環(huán)境因子眾多,該方法的可靠性和準(zhǔn)確性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。模型方法可以較準(zhǔn)確地模擬區(qū)域和全球尺度SOC 的時(shí)空格局。國(guó)際上比較著名的SOC 模型包括RothC 、Century 和DNDC 等,這些模型本身的局限性使其很難適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況,模擬結(jié)果會(huì)出

5、現(xiàn)較大的偏差11。本文利用基于我國(guó)農(nóng)業(yè)實(shí)踐建立的SOC 動(dòng)態(tài)模型12和空間化模型參數(shù),模擬華東地區(qū)19802000年SOC 的時(shí)空格局。1模型的運(yùn)行為使模型在區(qū)域尺度上運(yùn)行,首先需將所有輸入數(shù)據(jù)(包括環(huán)境變量和模型參數(shù)轉(zhuǎn)換為柵格形式。筆者把整個(gè)華東地區(qū)劃分為10km ×10km 的柵格,采取空間插值算法,把分布不均勻的點(diǎn)、線(xiàn)數(shù)據(jù)拓展到全國(guó)區(qū)域內(nèi),使得每個(gè)柵格含有且僅有一組模型所需的輸入?yún)?shù)。然后通過(guò)模型的初始化過(guò)程產(chǎn)生模型正式運(yùn)行時(shí)一些模型參數(shù)的初始值,將模型應(yīng)用于每個(gè)基本單元以獲得該單元的模型計(jì)算結(jié)果13。1.1輸入數(shù)據(jù)空間化在華東地區(qū)運(yùn)行模型需要提供模型參數(shù)及環(huán)境變量在該區(qū)域上的

6、空間化數(shù)據(jù),除逐日氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)外,還包括7種主要作物(水稻、小麥、玉米、大豆、土豆、棉花和油菜20年來(lái)在各縣的播種面積與產(chǎn)量(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院19802000年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地理緯度及高程、華東地區(qū)省(縣級(jí)行政區(qū)劃空間數(shù)據(jù)庫(kù)等。表1列出了原始數(shù)據(jù)集的內(nèi)容和類(lèi)第23卷第1期2007年1月地理與地理信息科學(xué)G eography and G eo -Information Science Vol.23No.1January 2007型,其中氣象、土壤、物候數(shù)據(jù)是模型運(yùn)行必需的環(huán)境變量和模型參數(shù),其他數(shù)據(jù)作為環(huán)境變量和模型參數(shù)空間化框架。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支模型的區(qū)域化應(yīng)用,必須將模型與GI

7、S耦合。而環(huán)境變量和模型參數(shù)空間化就是將收集到的帶有地理位置信息的環(huán)境變量和模型參數(shù)轉(zhuǎn)換為GIS的柵格格式。表1模型運(yùn)行所需的原始數(shù)據(jù)集T able1Original d atasets for model running數(shù)據(jù)類(lèi)型內(nèi)容數(shù)據(jù)格式氣象數(shù)據(jù)逐日最高及最低氣溫、降水、相對(duì)濕度點(diǎn)土壤數(shù)據(jù)有機(jī)碳、容重、粘粒和砂礫土壤類(lèi)型圖點(diǎn)多邊形物候數(shù)據(jù)作物播種(水稻為移栽、抽穗和收獲日等值線(xiàn)土地利用作物播種面積和產(chǎn)量縣域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)其他數(shù)據(jù)縣域行政區(qū)劃DEM多邊形柵格土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院南京土壤所建立的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù),包括1100萬(wàn)的土壤類(lèi)型(分為土壤亞類(lèi)、土壤類(lèi),最高級(jí)為綱、空間數(shù)據(jù)庫(kù)和典型土壤剖面數(shù)據(jù)庫(kù)

8、。利用GIS先進(jìn)行空間疊加,然后轉(zhuǎn)換得到柵格化的土壤屬性數(shù)據(jù)13。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局,包括19802000年中國(guó)663個(gè)氣象站逐日最高及最低氣溫、降水、相對(duì)濕度。利用插值方法14將逐日氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格格式,將氣溫、降水和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)帶入M TCL IM模型15計(jì)算得到氣象輻射數(shù)據(jù)。作物物候數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)物候圖集中作物物候圖16,將物候圖數(shù)字化后結(jié)合柵格化的氣象數(shù)據(jù)可以得到柵格化的作物積溫?cái)?shù)據(jù)集。在模型運(yùn)行時(shí)利用積溫?cái)?shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)反演得到作物的物候,根據(jù)物候信息確定外源有機(jī)碳進(jìn)入土壤的具體時(shí)間,如秸稈和根在作物收獲時(shí)進(jìn)入土壤,有機(jī)肥在作物播種時(shí)施入土壤。模型運(yùn)行需要華東地區(qū)20a逐年農(nóng)

9、田外源有機(jī)質(zhì)添加量的信息。利用中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的20a 縣域7種主要農(nóng)作物播種面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù),得到作物單位面積產(chǎn)量,將該數(shù)據(jù)與行政區(qū)劃圖鏈接,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為柵格格式,可由此計(jì)算進(jìn)入土壤的外源有機(jī)碳。統(tǒng)計(jì)資料中的作物單產(chǎn)為作物籽粒產(chǎn)量,通過(guò)式(1或式(3將作物單產(chǎn)轉(zhuǎn)換為外源有機(jī)質(zhì)的添加量。W straw=Y d×(1/HI-1(1W root=(W straw+Y d×RS(2 W add=(W root+W straw×ratio×CF×DMF(3式中:Y d是由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算出的作物單產(chǎn)(g/m2,RS 是根冠比,HI是收獲指數(shù),DMF為收獲時(shí)的

10、干物質(zhì)含量,CF是作物含碳百分率;W straw、W root、W add分別為秸稈生物量、根生物量和進(jìn)入土壤的外源有機(jī)碳,ratio 為秸稈還田率;HI來(lái)自張福春等17的研究,RS、DMF 和CF來(lái)自IPCC報(bào)告7。作物秸稈還田率和廄肥利用率決定了投入土壤有機(jī)碳的多少。20世紀(jì)80年代初華東地區(qū)秸稈主要作為燃料和動(dòng)物飼料,隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,秸稈還田率逐年提高。同時(shí)由于化肥施用量迅速增加,廄肥利用率隨之降低。假定1980年各省(市的秸稈還田率均為10%(相當(dāng)于自然留茬18,廄肥全部施入農(nóng)田,筆者以1994年和2000年19分省調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),線(xiàn)性?xún)?nèi)插得到各省逐年秸稈還田率和廄肥利用率作為

11、模型輸入。考慮到秸稈和廄肥施用的不確定性,本文取秸稈還田率和廄肥施用量的±10%作為模型輸入的不確定性范圍。1.2模型運(yùn)行初始化進(jìn)入土壤的外源有機(jī)碳難分解組分分解速率較慢,在新的外源有機(jī)碳進(jìn)入土壤時(shí),原有的難分解組分未完全轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)碳,土壤中存在一定數(shù)量半腐解有機(jī)碳。模型模擬時(shí)要求輸入土壤半腐解有機(jī)碳的值作為難分解組分的初值。為了產(chǎn)生初值,筆者假設(shè)開(kāi)始時(shí)難分解組分的值為零,利用預(yù)設(shè)的氣候、土壤和外源有機(jī)碳條件運(yùn)行模型,多年后難分解組分的輸出值即可基本穩(wěn)定,該值作為模型運(yùn)行時(shí)難分解組分的初值。模型初始化(即運(yùn)行模型產(chǎn)生難分解組分的平衡值的過(guò)程運(yùn)行時(shí)的氣候、土壤和外源有機(jī)碳條件為預(yù)設(shè)

12、的模型正式運(yùn)行前若干年的情況,一般用多年平均值代替,本文采用19801984年各參數(shù)的平均值。2農(nóng)田土壤有機(jī)碳時(shí)空變化由于缺乏華東地區(qū)歷年耕地面積變化的資料,本研究假定20年間該區(qū)域耕地面積保持不變(為1500萬(wàn)hm2。圖1為19802000年華東地區(qū)SOC 動(dòng)態(tài)變化的模擬結(jié)果?？梢钥闯?19801985年SOC增加迅速,年增加速率從313Tg上升為1114 Tg;19851991年SOC增加速率最快(在10Tg以上,其后增加速率趨緩。SOC儲(chǔ)量的變化與初始值及作物生產(chǎn)力有關(guān):20世紀(jì)80年代該區(qū)作物產(chǎn)量迅速增加,同時(shí)SOC初始值較小,因而年增量呈上升趨勢(shì)并維持較高的水平;至90年代產(chǎn)量趨于平

13、穩(wěn),但土壤有機(jī)碳庫(kù)的增加促進(jìn)了土壤的呼吸作用,因而SOC年增量呈下降趨勢(shì)。19802000年華東地區(qū)SOC儲(chǔ)量累積增加166Tg,范圍為140193Tg。頁(yè)89第地理與地理信息科學(xué)第23卷鄭循華,韓圣慧.1994年中國(guó)農(nóng)業(yè)活動(dòng)溫室氣體排放清單.2004. 圖1 華東地區(qū)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化Fig.1Ch anges of SOC in eastern China圖2是1980年和2000年不同SOC 含量的頻度(占農(nóng)田面積的百分?jǐn)?shù)分布?？梢钥闯?20年來(lái)該區(qū)SOC 含量發(fā)生了巨大變化,總趨勢(shì)是SOC 的頻度分布向高值區(qū)移動(dòng)。1980年73%的農(nóng)田面積土壤有機(jī)碳含量小于8g/kg (圖2a ,至2

14、000年下降到26%,SOC 含量小于6g/kg 的已極少(圖2b 。1980年6個(gè)頻度分布最高的SOC 含量為28g/kg ,共占總頻度的71%;2000年6個(gè)頻度分布最高的SOC 含量為612g/kg ,共占總頻度的81%(圖2。圖21980年(a 和2000年(b 土壤有機(jī)碳含量頻度分布 Fig.2Frequency distribution of SOC concentrationin 1980(aand 2000(b圖3是SOC 變化的空間格局。雖然福建和江西農(nóng)田面積較少,但SOC 含量增加最為明顯,20年來(lái)大部分地區(qū)增加3g/kg 以上。這主要?dú)w因于兩方面:120世紀(jì)80年代兩省的

15、SOC 含量較低,作物產(chǎn)量的增長(zhǎng)導(dǎo)致了外源有機(jī)碳的增長(zhǎng);2兩省土壤以紅壤居多,土壤p H 值較低,有利于SOC 的積累。浙江農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平較高,投入土壤的外源有機(jī)碳最多,SOC 含量增長(zhǎng)也十分明顯。江蘇和安徽原有SOC 含量較高,SOC 含量增長(zhǎng)不如其他省份明顯。上海市SOC 含量增加也不明顯。假定SOC 變化量大于1g/kg 為SOC 增加,小于1g/kg 為減少,在±1g/kg 范圍內(nèi)變化為持平。20年來(lái)華東地區(qū)SOC 增加、持平和減少的耕地面積分別占總耕地面積的8913%、915%和112%,農(nóng)田SOC 在空間上呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。黃耀等20對(duì)大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分析表明,華東地區(qū)SO

16、C 增加、持平和減少的樣本數(shù)分別占8118%、314%和1418%,本研究結(jié)果與其基本一致。圖319802000年華東地區(qū)SOC 含量空間分布Fig.3Sp atial distribution of SOC ch anges from1980to 2000in eastern China圖4顯示了華東地區(qū)20年來(lái)SOC 儲(chǔ)量的變化。可以看出,安徽省增加最多,為5615Tg ;上海市增加最少,為211Tg 。由于安徽和江蘇農(nóng)田面積最大,SOC 儲(chǔ)量增加最多,約占華東地區(qū)總增量的5913%,而SOC 含量增加最為明顯的福建、江西和浙江3省,其儲(chǔ)量的增加僅占3914%。圖4華東地區(qū)耕地面積及20年

17、來(lái)土壤有機(jī)碳庫(kù)增加量Fig.4Arable acreage and increase in SOC pool from1980to 2000in eastern China3討論華東地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū),20年來(lái)土地利用空間格局發(fā)生了很大變化,靠近城市的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)和商業(yè)用地,同時(shí)也有部分未利用地、林地和草地被開(kāi)墾為耕地。19902000年華東地區(qū)耕頁(yè)99第第1期于永強(qiáng)等:華東地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳時(shí)空格局動(dòng)態(tài)模擬研究地減少313萬(wàn)hm 2,占2000年耕地面積的212%8。模型在模擬過(guò)程中未考慮土地利用變化對(duì)SOC 儲(chǔ)量的影響,但是由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,未來(lái)華東地區(qū)土地利用方式將不斷變化,

18、需要考慮土地利用變化對(duì)SOC 儲(chǔ)量的影響。模型結(jié)果對(duì)有機(jī)碳輸入量十分敏感12。由于缺乏高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù),本研究對(duì)秸稈還田和廄肥利用僅以省為基本單元,未來(lái)的研究可嘗試將分辨率提高到縣域,這將提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型輸入數(shù)據(jù)的精度決定了輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性,在較大時(shí)空尺度上進(jìn)行模型運(yùn)算時(shí),輸入數(shù)據(jù)的種類(lèi)和精度將會(huì)受到限制,模型參數(shù)和環(huán)境變量只能通過(guò)空間插值方法獲得。連續(xù)變化的參數(shù)(如氣象數(shù)據(jù)空間插值結(jié)果有較高的準(zhǔn)確性;但空間變異較大的參數(shù)(如土壤和物候數(shù)據(jù)空間插值結(jié)果可能無(wú)法體現(xiàn)參數(shù)的空間變異性,今后的研究中可以通過(guò)加大試驗(yàn)觀測(cè)的密度來(lái)提高插值結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型運(yùn)行時(shí)必須進(jìn)行初始化過(guò)程,由于缺乏模型

19、模擬前的氣候、土壤和外源有機(jī)碳數(shù)據(jù),產(chǎn)生的難分解組分初值存在較大的不確定性,進(jìn)而對(duì)模型模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。為了提高初始化過(guò)程的準(zhǔn)確度,可以嘗試?yán)?980年前的氣象數(shù)據(jù)、作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)和有機(jī)肥數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化過(guò)程,以提高模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。參考文獻(xiàn):1IPCC.Climate Change 2001:The Scientific BasisR.Contributionof Working Group I to the Third Assessment Report of the Inter 2governmental Panel on Climate Change.USA :Cambridge U

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