区域土壤有机碳密度及碳储量计算方法探讨
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精确的计算方法是进行土壤碳储量计算的基础 。 总体来说 ,计算土壤碳储量所采取的主要方法为土壤 类型法和模型估算法 。
土壤类型法就是选择每种土壤类型的一些样点进 行有机碳的测定 ,由于同种土壤类型所处的气候等自 然条件以及土壤发生过程比较一致 ,可以由点及面进 行外推 ,进行区域或全球范围碳储量的计算 。与此法 类似的还有植被类型法或者生态类型法等 [ 7, 8, 9, 13, 14 ] 。
(3)
R2 = 0. 5408
据此 ,对实测数据和拟合数据进行配对样品 t检
验 ,结果表明二者在 95%的置信水平下 ,无显著性差
异 ,可以认为拟合数据对实测数据的模拟效果非常好 。
根据积分中值定理 ,得到
∫ ∫ 100
100
( - 116627 ln ( x) + 101137) dx = Cdx (4)
1 数据来源与研究方法
1. 1 研究区概况 本文的研究区选在河北省曲周县四疃乡 ,位于邯
郸市东北部 ,总面积 84. 2km2 ,属华北平原典型的半湿 润大陆性季风气候 ,土壤类型为潮土 ,土壤均发育在近 代河流冲积母质之上 ,土壤剖面的不同质地的层次分 异明显 。 1. 2 数据来源与研究方法
于 1999年 5 月进行样品采集 ,挖取土壤剖面 30 个 ,按发生层进行土层划分 ,共计采集到 119个土壤样 品 。土壤有机碳测定方法为重铬酸钾 —外热源法 。
本研究将 1m 土壤剖面等间距的划分为 5 层 ,每 层深度为 20cm。对于土壤剖面深度超过 1m 的部分 可以直接不予计算 ,不足 1m 的部分则需要进行拟合 。 对原有的土壤剖面层次的土壤有机碳含量按照深度进 行加权处理 。
Ca - b
=
∑C
i
×H i 20
(5)
式中 a - b的距离为 20cm , C i为剖面第 i层土壤有机
关 键 词 : 有机碳 ;密度 ;储量 ;模拟方法 ;计算方法
中图分类号 : S15316 文献标识码 : A 文章编号 : 056423945( 2005) 0620836204
全球碳循环目前已成为气候变化和区域可持续发 展研究的核心问题之一 。在计算全球碳素平衡中 ,令 科学家困惑的是大气中每年约有 1. 7 Pg的 CO2 无法 确定去处 ,碳汇 ( sink)与已知的碳源 ( source)不能达 到平衡 ,存在很大的未知汇 (m issing sink) [ 1 - 3 ] 。陆地 生态系统表面存在一个碳储量巨大的土壤圈 ,陆地土 壤有机碳储量约是大气碳库的 2 倍 ,其较小幅度的变 动都会引起全球气候较大的变化 [ 4 - 5 ] ,因此有可能成 为最大的“未知汇 ”,从而成为研究的重点 。许多研究 从不同尺度上估算了土壤碳库容量 [ 6 - 14 ] 。
剖面深度 ( cm )
Profile dep th
0～20 20 ～40 40 ～60 60 ～80 80～100
平均值 ( g kg - 1 )
A ve rage
插值统计
归一化处理
In te rpo la tion
Standa rd iza tion
有机碳的纵向变化情况 ,即式中的 C。首先对曲周县
四疃乡 30个剖面数据作出散点图 ,然后利用线性函
数 、对数函数 、幂函数 、指数函数 、二次多项式等多个函
数对其进行拟合 ;最后比较发现 ,对数函数拟合结果最
佳 (如图 2所示 ) 。拟合对数函数曲线方程如下 :
y = - 1. 6627 ln ( x) + 10. 137
(中国农业大学 土地资源与管理系 ,北京 100094)
摘 要 :土体中有机碳含量在纵向和横向上都具有空间相关性 。本文利用曲周县四疃乡 30个土壤剖面的有机碳含量 数据 ,采用常见的纵向拟合方法建立了基于 30个土壤剖面有机碳测定数据的对数函数拟合模型 ,计算得到研究区的土壤 有机碳密度和碳储量分别为 5. 60kg C m - 2和 4. 72 ×108 kgC;又根据研究区土壤剖面中有机碳含量分布的不规则性特点 ,通 过对土壤剖面层次的归一化处理 ,利用地统计横向插值方法 ,计算得到该区的土壤有机碳密度和碳储量分别为 3. 95kg C m - 2和 3. 33 ×108 kgC。由于两种算法对数据的组织方式不同 ,得到的土壤有机碳密度和碳储量存在较大差异 。两种方法适 用于土壤有机碳在剖面中分布形式不同的土壤类型 。
为土壤有机碳的平均含量 ( g kg- 1 ) , D 为土层厚度
( cm ) ,θ为土壤容重 ( g cm - 3 ) ,δ为直径 > 2mm 的砾石
含量 (体积百分数 ) 。
式 2可用来计算土壤有机碳储量 ( SOCstorage ) ,式 2 中的 S为研究区面积 。
事实上 ,土壤剖面的厚度不同 ,而且不同层次的有
土壤有机碳密度 ( SOC density) 通常是指单位面 积单位深度土体中土壤有机碳质量 ,国际上通常是以 1m 深度 、1 m2 ,即 1m3 的土壤的有机碳质量为参照标 准 ,单位为 kgC m - 2 。土壤碳储量是指区域范围内 1m 深度的土壤有机碳总质量 ,单位为 kgC 或 PgC ( 1Pg = 1015 g) 。本文也照此标准进行土壤碳密度和碳储量的 计算 。
数计算土壤有机碳的平均含量 ,最后再结合质地 、厚
度 、容重等土壤理化性质来计算土壤有机碳密度和碳
储量 。公式如下 :
SOCdensity = C ×θ×D ×( 1 - δ) /100
(1)
SO Cstorage = S ×SO Cdensity
(2)
式 1可用来计算土壤有机碳密度 ( SOCdensity ) ; 其中 , C
粉沙壤 土 ) 以 及 土 壤 质 地 和 土 壤 容 ] ,θ取 1. 36 g cm - 3 ;根据土壤石质度级别与 δ的
关系 [ 17 ] ,鉴于曲周土壤属于冲积物 ,几乎没有粒径 > 2mm 的砾石 ;取 δ值为 0. 5%。
利用 30个土壤剖面的有机碳测定数据拟合土壤
837
具有规律性的变化外 ,由于受沉积母质的影响 ,土壤有 机碳在剖面中的纵向分布也会出现不规则的变化 ,不 同质地层次的土壤有机碳含量在横向上延伸 ,具有一 致性 。图 1中的实线表示的土壤有机碳含量随剖面深 度纵向逐渐减少的情况 ;虚线则表示了土壤有机碳含 量随剖面深度纵向不规则变化而横向延伸的情况 。鉴 于此 ,本文除采用通常所采取的曲线纵向拟合的方法 以外 ,还分层次进行空间插值 ,按横向同层计算土壤有 机碳密度 。由得到的土壤有机碳密度 ,可以计算研究 区的土壤有机碳储量 。
处理后求得的平均值存在差异 ,插值统计得到的均值
小于归一化处理的均值 。因为地统计学的插值方法考
虑到了水平方向的空间变异 ,插值统计的均值反映的
是 30个土壤剖面点对其周围区域影响下的加权平均
的结果 ,而归一化处理的均值仅仅是 30个土壤剖面数
据算术平均的结果 。
表 1 研究区土壤有机碳含量分层统计表 Table 1 Descrip tive statistics of soil organic carbon content in different layer in research region
碳含量 , H i为 i层在等间距 20cm ,即 a - b范围内的深
度 ;这样就可以将不同厚度土层的有机碳数据都归一
化为五层等间距为 20cm 的土壤有机碳含量 。
还需要解决的一个问题就是数据的空间插值。本文
利用 A rcV iew GIS 3. 2软件的扩展模块 Kriging Interpolator
植物或作物的根系分布是随着土壤剖面中水分供 应状况的变化而变化的 ,但大部分根系集中在腐殖质 表层或耕层 [ 15 ] ; 并且施肥耕作等农业措施也都在表 层 ,所以大多数土壤类型存在土壤有机碳含量随着土 壤剖面深度的增加而递减的规律 。因此计算土壤碳密 度和碳储量 ,通常是利用各种线形或非线形曲线进行 土壤有机碳随深度变化情况的纵向拟合 ,再拓展到同 一类型的空间上去 。但是土壤有机碳的分布除了纵向
图 2 土壤有机碳含量随剖面深度变化的拟合曲线 Fig11 Simulated curve of SOC in p rofile
838
土 壤 通 报 36卷
2. 2 横向插值方法计算土壤有机碳密度及碳储量 横向插值方法是将剖面数据分配到同一深度的几
个平面上 ,利用地统计学方法进行空间插值 ,之后将不 同深度的土壤有机碳数据进行加和 ,得到整个剖面的 土壤有机碳密度 ,进而再求出研究区土壤碳储量 。
机碳含量 、质地 、容重等土壤理化性质也不同 ,在数据
允许的情况下 ,应该予以分别计算 ,但是在小区域范围
内 ,可以忽略容重和砾石 (粒径 > 2mm ) 含量之间的差
异 ,在此作为常量来对待 。根据土壤有机碳密度的定
义 , D 取 100cm ,即计算的是 1m 土体的有机碳密度 ;根
据研究区土壤质地实测数据 (研究区土壤质地大多为
第 36卷第 6期
土 壤 通 报
Vol. 36, No. 6
2005年 12月
Chinese Journal of Soil Science
Dec. , 2005
区域土壤有机碳密度及碳储量计算方法探讨
徐 艳 ,张凤荣 3 ,段增强 ,张 琳 ,孔祥斌 ,
收稿日期 : 2004209221 基金项目 :国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999011810) 作者简介 :徐 艳 (1977 - ) ,女 ,新疆乌鲁木齐人 ,博士研究生 ,主要研究方向为可持续土地利用管理及评价 。 通讯作者 : zhangfr@ cau. edu. cn
6期 徐 艳等 :区域土壤有机碳密度及碳储量计算方法探讨
图 1 土壤剖面有机碳分布示意图 Fig11 Sketch map of SOC distribution in p rofile
2 研究区土壤有机碳密度及碳储量计算
2. 1 纵向拟合方法计算土壤有机碳密度及碳储量
纵向拟合方法就是通过对所测数据进行拟合得到
土壤有机碳随深度变化的近似函数 ,然后通过这个函
此方法首先需要解决的问题就是数据的归一化处 理 。由于土壤剖面的层次都是按照土壤发生层次进行 划分 ,因此有些剖面深度超过或不足 1m ,而且剖面划 分的层次数目和每层的深度都不相同 (如图 3) ,因此 需要进行归一化处理 ,将剖面数据分配到规定深度的 平面上去 。
图 3 土壤剖面有机碳分布及数据的归一化处理示意图 Fig13 Sketch map of SOC distribution by data standardization
模型估算法是通过实测土壤碳含量数据 ,建立拟 合模型 ,再用模型来计算未测土壤的碳密度和碳储量 。 现在流行的主要为碳平衡模型 (通过净初级生产力 NPP来估算碳储量 )和生物地球化学模型 (较成熟的 CEN TURY、DNDC等 ) [ 10, 11, 12 ] 。
两种方法都是基于足够多的样本数量 。由于同种 土壤类型的土壤有机碳的分布也存在空间变异 ,因此 本文试图应用地统计学的有关理论方法针对土壤类型 法的计算进行一些探讨 。
将每一层空间点位的数据进行空间插值 ,再利用该软件
另外一个扩展模块 Grid Analyst中的 Calculates Statistics
of a grid theme命令对插值得到的栅格图进行统计得到研
究区土壤有机碳的平均值。见表 1。
从表 1中可以看到研究区土壤有机碳含量分布存
在空间相关性 ,插值得到的平均值和 30个样本归一化
0
0
可以算出深度为 1m 的土壤剖面有机碳含量均值
C为 4. 14g kg- 1 。
由此可以根据式 1 来计算土壤有机碳密度 ,即深
度为 1m 的 1m3 土体中土壤有机碳质量 ,得到曲周县
四疃乡土壤有机碳密度为 5. 60kgC m - 2 。
根据式 2 得到曲周县四疃乡土壤有机碳储量为
4. 72 ×108 kgC。
土壤类型法就是选择每种土壤类型的一些样点进 行有机碳的测定 ,由于同种土壤类型所处的气候等自 然条件以及土壤发生过程比较一致 ,可以由点及面进 行外推 ,进行区域或全球范围碳储量的计算 。与此法 类似的还有植被类型法或者生态类型法等 [ 7, 8, 9, 13, 14 ] 。
(3)
R2 = 0. 5408
据此 ,对实测数据和拟合数据进行配对样品 t检
验 ,结果表明二者在 95%的置信水平下 ,无显著性差
异 ,可以认为拟合数据对实测数据的模拟效果非常好 。
根据积分中值定理 ,得到
∫ ∫ 100
100
( - 116627 ln ( x) + 101137) dx = Cdx (4)
1 数据来源与研究方法
1. 1 研究区概况 本文的研究区选在河北省曲周县四疃乡 ,位于邯
郸市东北部 ,总面积 84. 2km2 ,属华北平原典型的半湿 润大陆性季风气候 ,土壤类型为潮土 ,土壤均发育在近 代河流冲积母质之上 ,土壤剖面的不同质地的层次分 异明显 。 1. 2 数据来源与研究方法
于 1999年 5 月进行样品采集 ,挖取土壤剖面 30 个 ,按发生层进行土层划分 ,共计采集到 119个土壤样 品 。土壤有机碳测定方法为重铬酸钾 —外热源法 。
本研究将 1m 土壤剖面等间距的划分为 5 层 ,每 层深度为 20cm。对于土壤剖面深度超过 1m 的部分 可以直接不予计算 ,不足 1m 的部分则需要进行拟合 。 对原有的土壤剖面层次的土壤有机碳含量按照深度进 行加权处理 。
Ca - b
=
∑C
i
×H i 20
(5)
式中 a - b的距离为 20cm , C i为剖面第 i层土壤有机
关 键 词 : 有机碳 ;密度 ;储量 ;模拟方法 ;计算方法
中图分类号 : S15316 文献标识码 : A 文章编号 : 056423945( 2005) 0620836204
全球碳循环目前已成为气候变化和区域可持续发 展研究的核心问题之一 。在计算全球碳素平衡中 ,令 科学家困惑的是大气中每年约有 1. 7 Pg的 CO2 无法 确定去处 ,碳汇 ( sink)与已知的碳源 ( source)不能达 到平衡 ,存在很大的未知汇 (m issing sink) [ 1 - 3 ] 。陆地 生态系统表面存在一个碳储量巨大的土壤圈 ,陆地土 壤有机碳储量约是大气碳库的 2 倍 ,其较小幅度的变 动都会引起全球气候较大的变化 [ 4 - 5 ] ,因此有可能成 为最大的“未知汇 ”,从而成为研究的重点 。许多研究 从不同尺度上估算了土壤碳库容量 [ 6 - 14 ] 。
剖面深度 ( cm )
Profile dep th
0～20 20 ～40 40 ～60 60 ～80 80～100
平均值 ( g kg - 1 )
A ve rage
插值统计
归一化处理
In te rpo la tion
Standa rd iza tion
有机碳的纵向变化情况 ,即式中的 C。首先对曲周县
四疃乡 30个剖面数据作出散点图 ,然后利用线性函
数 、对数函数 、幂函数 、指数函数 、二次多项式等多个函
数对其进行拟合 ;最后比较发现 ,对数函数拟合结果最
佳 (如图 2所示 ) 。拟合对数函数曲线方程如下 :
y = - 1. 6627 ln ( x) + 10. 137
(中国农业大学 土地资源与管理系 ,北京 100094)
摘 要 :土体中有机碳含量在纵向和横向上都具有空间相关性 。本文利用曲周县四疃乡 30个土壤剖面的有机碳含量 数据 ,采用常见的纵向拟合方法建立了基于 30个土壤剖面有机碳测定数据的对数函数拟合模型 ,计算得到研究区的土壤 有机碳密度和碳储量分别为 5. 60kg C m - 2和 4. 72 ×108 kgC;又根据研究区土壤剖面中有机碳含量分布的不规则性特点 ,通 过对土壤剖面层次的归一化处理 ,利用地统计横向插值方法 ,计算得到该区的土壤有机碳密度和碳储量分别为 3. 95kg C m - 2和 3. 33 ×108 kgC。由于两种算法对数据的组织方式不同 ,得到的土壤有机碳密度和碳储量存在较大差异 。两种方法适 用于土壤有机碳在剖面中分布形式不同的土壤类型 。
为土壤有机碳的平均含量 ( g kg- 1 ) , D 为土层厚度
( cm ) ,θ为土壤容重 ( g cm - 3 ) ,δ为直径 > 2mm 的砾石
含量 (体积百分数 ) 。
式 2可用来计算土壤有机碳储量 ( SOCstorage ) ,式 2 中的 S为研究区面积 。
事实上 ,土壤剖面的厚度不同 ,而且不同层次的有
土壤有机碳密度 ( SOC density) 通常是指单位面 积单位深度土体中土壤有机碳质量 ,国际上通常是以 1m 深度 、1 m2 ,即 1m3 的土壤的有机碳质量为参照标 准 ,单位为 kgC m - 2 。土壤碳储量是指区域范围内 1m 深度的土壤有机碳总质量 ,单位为 kgC 或 PgC ( 1Pg = 1015 g) 。本文也照此标准进行土壤碳密度和碳储量的 计算 。
数计算土壤有机碳的平均含量 ,最后再结合质地 、厚
度 、容重等土壤理化性质来计算土壤有机碳密度和碳
储量 。公式如下 :
SOCdensity = C ×θ×D ×( 1 - δ) /100
(1)
SO Cstorage = S ×SO Cdensity
(2)
式 1可用来计算土壤有机碳密度 ( SOCdensity ) ; 其中 , C
粉沙壤 土 ) 以 及 土 壤 质 地 和 土 壤 容 ] ,θ取 1. 36 g cm - 3 ;根据土壤石质度级别与 δ的
关系 [ 17 ] ,鉴于曲周土壤属于冲积物 ,几乎没有粒径 > 2mm 的砾石 ;取 δ值为 0. 5%。
利用 30个土壤剖面的有机碳测定数据拟合土壤
837
具有规律性的变化外 ,由于受沉积母质的影响 ,土壤有 机碳在剖面中的纵向分布也会出现不规则的变化 ,不 同质地层次的土壤有机碳含量在横向上延伸 ,具有一 致性 。图 1中的实线表示的土壤有机碳含量随剖面深 度纵向逐渐减少的情况 ;虚线则表示了土壤有机碳含 量随剖面深度纵向不规则变化而横向延伸的情况 。鉴 于此 ,本文除采用通常所采取的曲线纵向拟合的方法 以外 ,还分层次进行空间插值 ,按横向同层计算土壤有 机碳密度 。由得到的土壤有机碳密度 ,可以计算研究 区的土壤有机碳储量 。
处理后求得的平均值存在差异 ,插值统计得到的均值
小于归一化处理的均值 。因为地统计学的插值方法考
虑到了水平方向的空间变异 ,插值统计的均值反映的
是 30个土壤剖面点对其周围区域影响下的加权平均
的结果 ,而归一化处理的均值仅仅是 30个土壤剖面数
据算术平均的结果 。
表 1 研究区土壤有机碳含量分层统计表 Table 1 Descrip tive statistics of soil organic carbon content in different layer in research region
碳含量 , H i为 i层在等间距 20cm ,即 a - b范围内的深
度 ;这样就可以将不同厚度土层的有机碳数据都归一
化为五层等间距为 20cm 的土壤有机碳含量 。
还需要解决的一个问题就是数据的空间插值。本文
利用 A rcV iew GIS 3. 2软件的扩展模块 Kriging Interpolator
植物或作物的根系分布是随着土壤剖面中水分供 应状况的变化而变化的 ,但大部分根系集中在腐殖质 表层或耕层 [ 15 ] ; 并且施肥耕作等农业措施也都在表 层 ,所以大多数土壤类型存在土壤有机碳含量随着土 壤剖面深度的增加而递减的规律 。因此计算土壤碳密 度和碳储量 ,通常是利用各种线形或非线形曲线进行 土壤有机碳随深度变化情况的纵向拟合 ,再拓展到同 一类型的空间上去 。但是土壤有机碳的分布除了纵向
图 2 土壤有机碳含量随剖面深度变化的拟合曲线 Fig11 Simulated curve of SOC in p rofile
838
土 壤 通 报 36卷
2. 2 横向插值方法计算土壤有机碳密度及碳储量 横向插值方法是将剖面数据分配到同一深度的几
个平面上 ,利用地统计学方法进行空间插值 ,之后将不 同深度的土壤有机碳数据进行加和 ,得到整个剖面的 土壤有机碳密度 ,进而再求出研究区土壤碳储量 。
机碳含量 、质地 、容重等土壤理化性质也不同 ,在数据
允许的情况下 ,应该予以分别计算 ,但是在小区域范围
内 ,可以忽略容重和砾石 (粒径 > 2mm ) 含量之间的差
异 ,在此作为常量来对待 。根据土壤有机碳密度的定
义 , D 取 100cm ,即计算的是 1m 土体的有机碳密度 ;根
据研究区土壤质地实测数据 (研究区土壤质地大多为
第 36卷第 6期
土 壤 通 报
Vol. 36, No. 6
2005年 12月
Chinese Journal of Soil Science
Dec. , 2005
区域土壤有机碳密度及碳储量计算方法探讨
徐 艳 ,张凤荣 3 ,段增强 ,张 琳 ,孔祥斌 ,
收稿日期 : 2004209221 基金项目 :国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999011810) 作者简介 :徐 艳 (1977 - ) ,女 ,新疆乌鲁木齐人 ,博士研究生 ,主要研究方向为可持续土地利用管理及评价 。 通讯作者 : zhangfr@ cau. edu. cn
6期 徐 艳等 :区域土壤有机碳密度及碳储量计算方法探讨
图 1 土壤剖面有机碳分布示意图 Fig11 Sketch map of SOC distribution in p rofile
2 研究区土壤有机碳密度及碳储量计算
2. 1 纵向拟合方法计算土壤有机碳密度及碳储量
纵向拟合方法就是通过对所测数据进行拟合得到
土壤有机碳随深度变化的近似函数 ,然后通过这个函
此方法首先需要解决的问题就是数据的归一化处 理 。由于土壤剖面的层次都是按照土壤发生层次进行 划分 ,因此有些剖面深度超过或不足 1m ,而且剖面划 分的层次数目和每层的深度都不相同 (如图 3) ,因此 需要进行归一化处理 ,将剖面数据分配到规定深度的 平面上去 。
图 3 土壤剖面有机碳分布及数据的归一化处理示意图 Fig13 Sketch map of SOC distribution by data standardization
模型估算法是通过实测土壤碳含量数据 ,建立拟 合模型 ,再用模型来计算未测土壤的碳密度和碳储量 。 现在流行的主要为碳平衡模型 (通过净初级生产力 NPP来估算碳储量 )和生物地球化学模型 (较成熟的 CEN TURY、DNDC等 ) [ 10, 11, 12 ] 。
两种方法都是基于足够多的样本数量 。由于同种 土壤类型的土壤有机碳的分布也存在空间变异 ,因此 本文试图应用地统计学的有关理论方法针对土壤类型 法的计算进行一些探讨 。
将每一层空间点位的数据进行空间插值 ,再利用该软件
另外一个扩展模块 Grid Analyst中的 Calculates Statistics
of a grid theme命令对插值得到的栅格图进行统计得到研
究区土壤有机碳的平均值。见表 1。
从表 1中可以看到研究区土壤有机碳含量分布存
在空间相关性 ,插值得到的平均值和 30个样本归一化
0
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可以算出深度为 1m 的土壤剖面有机碳含量均值
C为 4. 14g kg- 1 。
由此可以根据式 1 来计算土壤有机碳密度 ,即深
度为 1m 的 1m3 土体中土壤有机碳质量 ,得到曲周县
四疃乡土壤有机碳密度为 5. 60kgC m - 2 。
根据式 2 得到曲周县四疃乡土壤有机碳储量为
4. 72 ×108 kgC。