色季拉山土壤表層有機碳空間分布特征及數(shù)字制圖研究.pdf

1、土壤有機碳是土壤肥力的重要因素，影響著水土保持和景觀恢復力，同時也有利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)。此外，土壤有機碳庫是陸地生態(tài)圈最大的有機碳庫，對于各生態(tài)圈之間的有機碳平衡起著至關(guān)重要的作用。青藏高原低溫、高海拔的特性使得該地區(qū)的土壤及植被對氣候變化極為敏感，因此該地區(qū)對全球碳儲量和平衡起著舉足輕重的作用。由于青藏高原土壤采樣艱難，目前青藏高原土壤碳庫的估測都是通過土壤類型GIS連接法，但該地區(qū)高度的空間變異性使得這種方法在土壤碳庫估測方面存在著

2、巨大的不確定性。
　　本文以藏東南的色季拉山為研究區(qū)域，采用土壤數(shù)字制圖方法中核心的Scorpan預測函數(shù)，在獲取土地覆蓋類型的基礎(chǔ)上，通過尺度轉(zhuǎn)換算法提取90米分辨率的土壤、氣候和地形等環(huán)境協(xié)變量數(shù)據(jù)，通過不同的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建土壤表層(0-20 cm)有機碳和環(huán)境協(xié)變量的最優(yōu)預測模型，估測研究區(qū)土壤表層有機碳含量，分析土壤表層有機碳空間分布特征，最終估測土壤表層有機碳密度及有機碳儲量。本文的主要研究內(nèi)容和研究成果主要分為以下幾

3、個內(nèi)容:
　　(1)基于高分數(shù)據(jù)的土地覆蓋類型分布圖
　　研究區(qū)域高分一號影像數(shù)據(jù)預處理后，以高分一號數(shù)據(jù)波段1、波段2、波段3、波段4、NDVI、ISODATA結(jié)果和DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對比最小距離法和決策樹算法對土地覆蓋類型分類的精度。結(jié)果表明決策樹算法優(yōu)于最小距離分類法，總精度為79.76％，Kappa系數(shù)為0.71。由于最佳高分一號影像數(shù)據(jù)獲取時間為11月份，積雪覆蓋較多，因此通過7月份的Landsat8數(shù)據(jù)修正積雪區(qū)

4、域后得到最終土地覆蓋類型圖。研究區(qū)域內(nèi)林地覆蓋面積最大，達57.75％，草灌次之(25.31％)，農(nóng)田的面積最小(6.50％)，有14.43％的區(qū)域常年被積雪覆蓋。
　　(2)基于中低分辨率影像的地形、年均降雨和年均地表溫度分布圖
　　從90米分辨率的DEM數(shù)據(jù)提取地形相關(guān)的高程、坡度、坡向、坡長、曲率、谷深、地形粗糙指數(shù)、地形濕度指數(shù)和多分辨率谷底平坦指數(shù)，同時通過地理加權(quán)回歸算法將0.25°分辨率的TRMM年均降雨數(shù)據(jù)和

5、0.05°分辨率的MODIS年均地表溫度數(shù)據(jù)降尺度到90米分辨率。結(jié)果表明地理加權(quán)回歸對年均降雨和年均地表溫度的降尺度效果較好，以經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)為回歸變量的林芝地區(qū)年均降雨和年均地表溫度的建模精度R2分別為0.91和0.99，色季拉山年均降雨的局部R2為0.63-0.72，年均地表溫度的局部R2為0.84-0.98。
　　(3)基于實地采樣的土壤表層可見-近紅外光譜主成分空間分布圖
　　實驗室化學分析測得實地樣本的土壤表層

6、有機碳含量，通過主成分分析得到土壤光譜前三個主成分，這三個主成分能解釋98.63％的總體方差，因此能夠代表土壤綜合信息。土壤光譜前兩個主成分能夠區(qū)分農(nóng)田和自然土地覆蓋（林地與草灌），而林地和草灌之間可分性較差。最后以高程數(shù)據(jù)為協(xié)變量采用協(xié)同克里格插值得到研究區(qū)土壤表層光譜前三主成分空間分布圖。
　　(4)基于Scorpan預測函數(shù)的最優(yōu)土壤表層有機碳預測模型及有機碳儲量預測
　　比較Cubist算法和隨機森林算法后對土壤有機

7、碳預測精度后發(fā)現(xiàn)隨機森林模型的預測能力強于Cubist，最佳的隨機森林模型RMSE為7.62 gkg-1。隨機森林模型能夠揭示土壤表層有機碳預測模型中環(huán)境協(xié)變量的重要程度，其中土壤光譜前三個主成分最為關(guān)鍵，能解釋土壤表層有機碳近70％的差異性。色季拉山估測的土壤表層平均有機碳為49.51 gkg-1，平均有機碳密度為11.43 kg m-2，遠高于西藏地區(qū)土壤表層的平均有機碳密度4.27 kg m-2。三個土地覆蓋類型中，林地平均有機碳

8、含量和密度最高，分別為51.71 gkg-1和12.10 kg m-2，草灌平均有機碳和密度居中，分別為51.25 g kg-1和10.45 kg m-2，農(nóng)田的平均有機碳和密度最低，分別為36.18 gkg-1和9.70 kg m-2。通過Scorpan預測函數(shù)估測色季拉山土壤表層有機碳儲量為2.79×109 g，遠高于土壤類型GIS連接法估測所得的1.89×109 g。由于高度的空間變異性，前期研究中藏東南地區(qū)的有機碳儲量被嚴重低估