CN111289725A - 一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法及系统 - Google Patents

一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法及系统，将目标区域进行分类划分，结合模型模拟得到未考虑土地利用方式变化下土壤有机碳储量，后通过时序采样，计算得到考虑土地利用方式变化后的实际土壤有机碳储量；本发明通过结合模型和时序采样两种方法，能够在土地利用方式变化较大地区更高效的估算土壤有机碳储量的动态变化。

Description

一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法及 系统
技术领域
本发明涉及一种农田土壤有机碳储量估算方法及系统，特别是涉及一种结合模型和时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法及系统。
背景技术
农业生态系统固存土壤有机碳，既有利于提高土壤肥力，又可以缓解温室气体排放带来的气候变化问题。准确估算区域尺度农用地的土壤有机碳储量能够为决策制定者提供有效的数据支撑。区域尺度上的许多因素，包括气候、土地利用方式、土壤性质和土地管理方式等，共同影响着土壤有机碳的变化。其中，农用地土地利用方式的变化对有机碳库的含量和分布的影响显著。在农用地土地利用变化剧烈的区域准确估算土壤有机碳储量的动态变化在应对气候变化和发展可持续性农业上具有重要意义。
目前，估算区域尺度土壤有机碳储量的常用方法主要有不同时间间隔上的区域土壤采样和基于过程的生态系统模型。其中，使用区域尺度上的土壤采样方法估算结果更为可靠。然而，只有具有足够数量土壤采样点的长期监测网络才能捕捉土壤有机碳在广阔时空尺度上的微小变化，由于区域尺度的土壤采样成本高、耗时长、劳动强度大、难以做到特定时间间隔的采样，因此，目前这样的长期监测网络数量非常有限。通常采用的做法是在两个时间点上进行区域土壤采样来估算土壤有机碳的变化，但是，这样无法估算该区域土壤有机碳在时间上的动态变化。基于过程的生态系统模型是估算和预测区域尺度土壤有机碳动态变化的有力工具。许多研究都已在土地利用方式变化不大的区域验证了模型估算结果的可靠性，但是，由于难以得到土地利用变化的空间数据集以及难以获取特殊作物的模型参数等诸多原因，在使用基于过程的生态系统模型估算区域尺度土壤有机碳储量及变化过程中，土地利用变化的影响通常被忽略。鉴于土地利用方式变化对土壤有机碳的显著影响，使模型应用于土地利用方式变化较大区域时模拟结果可能存在偏差。因此，在估算土地利用方式变化较大的区域，找到一种结合生态模型和时序采样的区域土壤有机碳估算方法以提高估算结果的可靠性是一个亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法，通过结合模型和时序采样两种方法，能够在土地利用方式变化较大地区更高效的估算土壤有机碳储量的动态变化；本发明的目的之二是提供一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算系统。
技术方案：本发明的结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法，包括如下步骤：
(1)将目标区域的农田进行土地利用方式变化区域划分，在时间段I1至In内，该农田分为土地利用方式未变化区域N和土地利用方式变化区域C；其中，可将农田依据农用地土地利用图、现场调查或者年鉴资料进行分类。
(2)结合模型进行模拟，结合模型进行模拟得到区域N和区域C在任意时间Ij(I1≤Ij≤In)上的土壤有机碳密度，将模拟单元面积与土壤有机碳密度相乘得到区域N及区域C的土壤有机碳储量；即为未考虑土地利用方式变化下的区域N及区域C的土壤有机碳储量，分别记为MSOCNj和MSOCCj；其中，可采用的模型为CENTURY模型、CENTURY模型，DayCent模型，DNDC模型，APSIM模型，RothC模型或现有技术中其他模型。
(3)根据土地利用变化情况，对区域C进行分类；将区域C的土地利用方式变化表示为区域Ci，其中，i＝1，2，3...m；对分类后的区域Ci分别通过时序采样，通过计算得到区域C的考虑土地利用方式后的实际土壤有机碳储量SOCCj；
区域Ci的土地利用变化年限为Ti，1≤Ti≤(In-I1)，在第Ij年份，该类土地利用变化面积为Sij；区域Ci的土地利用方式由ai变化为土地利用方式bi，对bi类土地利用方式下的耕作年限k的土壤及其邻近地区ai土地利用方式下的土壤进行采样，其中1≤k≤Ti。
后依次通过时序采样，分别得到bi土壤和ai土壤中土壤有机碳密度为SOCbik和SOCaik，bi类土地利用方式相对于ai土地利用方式土壤有机碳密度的变化速率为(SOCbik-SOCaik)/k，对所有年限k值的采样求平均，得到bi类土地利用方式相对于ai土地利用方式土壤有机碳密度的平均相对变化速率RCi；从而在每一年Ij上求得区域C的实际土壤有机碳储量为
Figure BDA0002414102160000021
(4)该待估算的农田土壤有机碳储量SOCj为区域N的土壤有机碳储量MSOCNj和区域C的实际土壤有机碳储量SOCCj之和。
发明原理：本发明是一种结合生态模型和时序采样的区域尺度农田土壤有机碳储量估算方法，在土地利用方式变化较大的地区估算土壤有机碳储量及变化时，充分利用基于过程的生态模型低成本，高效并且可以估算土壤有机碳动态变化的优点，以及土壤时序采样方法可以通过有限的采样数据获取土地利用方式变化引起的土壤有机碳变化速率的优点，通过结合模型和时序采样两种方法，克服目前区域尺度土壤有机碳估算中存在的区域尺度的土壤采样成本高、耗时长、劳动强度大，难以做到特定时间间隔的采样和模型应用于土地利用方式变化较大区域时模拟结果可能存在偏差的技术缺陷。
该估算方法包括如下步骤：
步骤001在目标地区估算农用地在时间点I1至In的土壤有机碳储量及动态变化，依据现有农用地土地利用图、现场调查或者年鉴资料将目标区域根据目标时间段内土地利用方式变化情况划分为土地利用方式未变化区域N，和土地利用方式变化区域C；
步骤002根据时间点I1的土地利用图，土壤类型图分别与区域N和区域C进行叠加，分别得到区域N和区域C的模拟单元；
步骤003进行模型参数设定及模型校准，模型验证；
步骤004根据每个模拟单元的具体土壤类型，位置，管理措施(化肥、有机肥施用量，秸秆还田比例及灌溉情况等)，明确每个模拟单元的输入，构建模型模拟的数据库；
步骤005使用模型进行模拟，得到区域N及区域C在任意时间Ij(I1≤j≤In)上的土壤有机碳密度，模拟单元面积乘以土壤有机碳密度即得到土壤有机碳储量MSOCNj和MSOCCj，这是未考虑土地利用方式变化的前提下，获得的土壤有机碳储量，由于土地利用方式造成的土壤有机碳的相对变化量可以通过时序采样并计算获得；
步骤006对土地利用方式变化区域C进行分析并分类，调查搜集整理土地利用变化的类别、对应年限和面积的资料，整合出土地利用变化情况分类，土地利用方式变化表示为Ci，i＝1，2，3...m，i代表不同分类，土地利用变化年限为Ti，在年份Ij(I1≤j≤In)该类土地利用变化面积为Sij；以C1为例，表示土地利用方式由a变化为土地利用方式b，时间为T1，(1≤T1≤In-I1)，在年份Ij(I1≤j≤In)该类土地利用变化面积为S1j；
该步骤中分类的原则主要是根据现有资料分出几类主要的土地利用变化，分类最优的方案是分的类别越多，分的越细，计算的准确性更高，但是时序采样的工作量会更大，因此实际应用时，可以根据实际情况平衡两者之间的关系。
步骤007针对土地利用变化的不同类别，进行土壤时序采样，以C1为例(土地利用方式由a变化为土地利用方式b)，对b类土地利用方式下某一耕作年限k(1≤k≤T1)的土壤及其邻近地区a土地利用方式下的土壤对进行采样，分别得到b土壤和a土壤中土壤有机碳密度为SOCbk和SOCak，b类土地利用方式相对于a土地利用方式土壤有机碳密度的变化速率为(SOCbk-SOCak)/k，对所有年限k值的采样对求平均，得到b类土地利用方式相对于a土地利用方式土壤有机碳密度的平均变化速率RC1；依次通过时序采样，得到所有土地利用方式变化类别土壤有机碳密度的平均相对变化速率RCi；
步骤008在每一年Ij(I1≤Ij≤In)上求得区域C上土壤有机碳储量的动态变化，
Figure BDA0002414102160000041
步骤009在每一年Ij(I1≤Ij≤In)求得整个区域农用地土壤有机碳储量的动态变化SOCj＝SOCCj年MSOCNj。
本发明还提供了一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算系统，包括第一模块、第二模块、第三模块和第四模块；
第一模块将目标区域的农田进行土地利用方式变化区域划分，在时间段I1至In内，该农田分为土地利用方式未变化区域N和土地利用方式变化区域C；
第二模块通过结合模型进行模拟，计算得到未考虑土地利用方式变化下的区域N及区域C的土壤有机碳储量，并将计算值发送至第四模块；
第三模块用于将时序采样得到的结果，计算区域C考虑其土地利用方式变化后的实际土壤有机碳储量，并将计算结果发送至第四模块；
第四模块接收第二模块和第三模块的土壤有机碳储量数值，输出每一年Ij，该目标区域待估算的农田土壤有机碳储量SOCj，即为区域N的土壤有机碳储量MSOCNj和区域C的实际土壤有机碳储量SOCCj之和。
有益效果：本发明能够在土地利用方式变化较大地区更高效的估算土壤有机碳储量的动态变化。通过结合模型和时序采样两种方法，克服目前区域尺度土壤有机碳估算中存在的区域尺度的土壤采样成本高、耗时长、劳动强度大、难以做到特定时间间隔的采样和模型应用于土地利用方式变化较大区域时由于缺乏土地利用变化的空间分布无法模拟，或因土地利用方式变化复杂难以设置模型参数，而使模拟结果可能存在偏差的缺陷。既提高了估算结果的准确性和科学性，又节约成本，便于实施。
附图说明
图1是估算方法的流程示意图；
图2是小麦-玉米轮作区域与蔬菜种植区域示意图；
图3是小麦-玉米轮作区域模型模拟流程示意图；
图4是蔬菜地时序采样与计算流程示意图；
图5是兰陵县1980～2008年土壤有机碳储量动态变化示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
实施例1：
本实施例以估算山东省兰陵县农用地在时间1980至2008年的土壤有机碳储量动态变化为例。
图1为该方法在实例中运用的流程示意图；该估算方法包括如下步骤：
步骤01土地利用方式变化区域划分
依据现有农用地土地利用图、现场调查或者年鉴资料，将兰陵县农用地根据1980-2008年内土地利用方式变化情况划分为土地利用方式未变化区域(小麦-玉米轮作区域)和土地利用方式变化区域(蔬菜种植区域)，图2显示了小麦-玉米轮作区域与蔬菜种植区域示意图，1980年之前，兰陵县以小麦-玉米轮作为最主要土地利用方式，1980年开始，蔬菜种植面积逐年迅速增长，面积见表1；
表1蔬菜种植面积
Figure BDA0002414102160000051
Figure BDA0002414102160000061
步骤02使用CENTURY模型模拟小麦-玉米轮作
图3显示了小麦-玉米轮作区域模型模拟流程示意图，根据1980年的土地利用图，土壤类型图分别与小麦玉米轮作区域和蔬菜种植区域进行叠加，分别得到小麦玉米轮作区域和蔬菜种植区域的模拟单元，共有227个模拟单元；
步骤021进行模型参数设定及模型校准，模型验证；
步骤022根据每个模拟单元的具体土壤类型，位置，管理措施(化肥、有机肥施用量，秸秆还田比例及灌溉情况等)，明确每个模拟单元的输入，构建模型模拟的数据库；
步骤023使用模型进行模拟，得到小麦玉米轮作区域及蔬菜种植区域在任意时间Ij(1980≤Ij≤2008)上的土壤有机碳密度，模拟单元面积乘以土壤有机碳密度即得到土壤有机碳储量MSOCNj和MSOCCj，这是未考虑土地利用方式变化的前提下，获得的土壤有机碳储量，由于土地利用方式造成的土壤有机碳的相对变化量可以通过时序采样并计算获得；
步骤03蔬菜种植方式时序采样
图4显示了蔬菜地时序采样与计算流程示意图，对蔬菜种植方式区域进行分析，调查搜集整理土地利用变化的类别，对应年限和面积的资料，土地利用方式由小麦-玉米轮作变为蔬菜种植，土地利用变化年限为28，在年份Ij(1980≤Ij≤2008)，土地利用变化面积为Sj；
步骤031对蔬菜种植方式下，种植年限为k(1≤k≤28)的土壤及其邻近地区小麦-玉米轮作土壤进行采样，分别得到土壤有机碳密度为SOCvk和SOCwk，蔬菜种植方式相对于小麦-玉米轮作方式土壤有机碳密度的变化速率为(SOCvk-SOCwk)/k，对所有年限k值的采样求平均，得到蔬菜种植方式相对于小麦-玉米轮作方式土壤有机碳密度的平均变化速率RCv＝0.4Mg ha-1yr-1，单位Mg ha-1yr-1，其中Mg＝106g，ha-1表示每公顷，yr-1表示每年。
步骤032在每一年Ij(1980≤Ij≤2008)上求得蔬菜种植区域土壤有机碳储量的动态变化
Figure BDA0002414102160000071
步骤033在每一年Ij(1980≤Ij≤2008)求得整个兰陵县农用地土壤有机碳储量的动态变化SOCj＝SOCCj+MSOCNj，图5显示了兰陵县农用地土壤有机碳储量的动态变化示意图，在2008年，与模型模拟结果(与实测值结果相差0.23Tg)相比，使用本发明得到的土壤有机碳储量值更接近于实测值，相差0.05Tg。
实施例2：
本实施例的结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算系统，包括第一模块、第二模块、第三模块和第四模块；以实施例1中的山东省兰陵县农用地在时间1980至2008年的土壤有机碳储量动态变化为例。
第一模块主要用于区域划分，将目标区域的农田进行土地利用方式变化区域划分，在时间段I1至In内，该农田分为土地利用方式未变化区域N和土地利用方式变化区域C；
第二模块通过结合模型进行模拟，计算得到未考虑土地利用方式变化下的区域N及区域C的土壤有机碳储量，并将计算值发送至第四模块；
第三模块用于将时序采样得到的结果，计算区域C考虑其土地利用方式变化后的实际土壤有机碳储量，并将计算结果发送至第四模块；
第四模块接收第二模块和第三模块的土壤有机碳储量数值，输出每一年Ij，该目标区域待估算的农田土壤有机碳储量SOCj，即为区域N的土壤有机碳储量MSOCNj和区域C的实际土壤有机碳储量SOCCj之和。本实施例的估算结果同实施例1。

Claims (6)

1.一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将目标区域的农田进行土地利用方式变化区域划分，在时间段I1至In内，该农田分为土地利用方式未变化区域N和土地利用方式变化区域C；
(2)结合模型进行模拟，得到在第Ij年份，未考虑土地利用方式变化下的区域N及区域C的土壤有机碳储量，分别记为MSOCNj和MSOCCj；其中，I1≤Ij≤In；
(3)根据土地利用变化情况对区域C进行分类，将区域C的不同土地利用方式变化表示为区域Ci，其中，i＝1，2，3，...m；对分类后的区域Ci分别通过时序采样，计算得到区域C的考虑土地利用方式变化后的实际土壤有机碳储量SOCCj；
(4)该待估算的农田土壤有机碳储量SOCj为区域N的土壤有机碳储量MSOCNj和区域C的实际土壤有机碳储量SOCCj之和。
2.根据权利要求1所述的结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法，其特征在于：步骤(3)中，区域Ci的土地利用变化年限为Ti，1≤Ti≤(In-I1)；在第Ij年份，该类土地利用变化面积为Sij；
区域Ci的土地利用方式由ai变化为土地利用方式bi，对bi类土地利用方式下的耕作年限k的土壤及其邻近地区ai土地利用方式下的土壤进行采样，其中1≤k≤Ti；
依次通过时序采样，分别得到bi土壤和ai土壤中土壤有机碳密度为SOCbik和SOCaik，bi类土地利用方式相对于ai土地利用方式土壤有机碳密度的变化速率为(SOCbik-SOCaik)/k，对所有年限k值的采样求平均，得到bi类土地利用方式相对于ai土地利用方式土壤有机碳密度的平均相对变化速率RCi；从而在每一年Ij上求得区域C的实际土壤有机碳储量
Figure FDA0002414102150000011
3.根据权利要求1所述的结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法，其特征在于：步骤(2)的模型为CENTURY模型，DayCent模型，DNDC模型，APSIM模型，RothC模型。
4.根据权利要求1所述的结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法，其特征在于：步骤(1)中，将农田依据农用地土地利用图、现场调查或者年鉴资料进行分类。
5.根据权利要求1所述的结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算方法，其特征在于：步骤(2)中，结合模型进行模拟得到区域N和区域C在任意时间Ij上的土壤有机碳密度，将模拟单元面积与土壤有机碳密度相乘得到区域N及区域C的土壤有机碳储量。
6.一种结合模型与时序采样的农田土壤有机碳储量估算系统，其特征在于：包括第一模块、第二模块、第三模块和第四模块，第一模块将目标区域的农田进行土地利用方式变化区域划分，在时间段I1至In内，该农田分为土地利用方式未变化区域N和土地利用方式变化区域C；第二模块通过结合模型进行模拟，计算得到未考虑土地利用方式变化下的区域N及区域C的土壤有机碳储量，并将计算值发送至第四模块；第三模块用于将时序采样得到的结果，计算区域C考虑其土地利用方式变化后的实际土壤有机碳储量，并将计算结果发送至第四模块；第四模块接收第二模块和第三模块的土壤有机碳储量数值，输出每一年Ij，该目标区域待估算的农田土壤有机碳储量SOCj，即为区域N的土壤有机碳储量MSOCNj和区域C的实际土壤有机碳储量SOCCj之和。
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