黄土高原淤地坝土壤有机碳埋藏效率及其环境控制因子研究

Check-dam, an important soil and water conservation measures, has been widely constructed to trap and store sediment on the Chinese loess plateau. Huge amount of soil organic carbon associated with the sediment deposited behind the Check-dam whose fate has significant effect on the regional and global carbon dynamic. The dynamic and fate of these carbon is one of the key factors and research hotspots determining the net contribution of erosion processes to terrestrial-atmosphere carbon cycle (carbon sink VS carbon sources) and assessing the environmental impact of Check-dam implementation. Carbon burial efficiency (CBE), the ratio of buried organic carbon to deposited organic carbon, is an important parameter to descript and evaluate the dynamic and fate of eroded carbon. Despite the significant amount of carbon have been deposited behind the check-dam system on the Chinese loess plateau, the carbon burial efficiency and its controlling factors have hitherto not been studied. In this project the CBE of check-dam on two catchments where have different landforms and land cover will be evaluated by the combination of field samples study and modeling simulation. The model descripting the relation between CBE and depositional year will be proposed based on measured data and regress analysis. The controlling factor of check-dam CBE will also be investigated, especially, the contribution of variation of geomorphology and land cover composition as well as the special deposition environment of check-dam to the variation of CEB will be investigated. The result of this project might probably improve our understanding and evaluation of the impact of soil erosion processes on global carbon cycle.

淤地坝作为重要的水土保持工程在黄土高原被广泛建设，目前大量土壤有机碳伴随泥沙沉积在黄土高原淤地坝系统中。该部分土壤有机碳的动态对区域乃至全球碳循环有着重要的影响，是评价土壤侵蚀过程对大气二氧化碳浓度贡献和评价淤堤坝建设区域生态环境效应的热点问题之一。土壤有机碳埋藏效率是研究这一问题的核心指标。目前尚缺乏对淤地坝土壤有机碳埋藏效率及其影响因子的相关研究。本项目拟在黄土高原地区选取典型小流域，通过野外环境调查、土壤剖面分析和室内模拟研究等实验手段，研究淤地坝土壤有机碳沉积环境和分布规律、估算淤地坝土壤有机碳埋藏效率以及建立土壤有机碳埋藏效率动态模型。针对黄土高原流域地貌结构、土地覆盖以及淤地坝沉积环境的差异性，探索影响土壤有机碳埋藏效率的流域和淤地坝沉积环境控制因子，建立对应的预测模型。预期成果将有助于进一步认识和准确评价淤地坝建设的生态环境效益和评估土壤侵蚀过程对全球碳循环的影响。

淤地坝是黄土高原地区重要水土保持工程之一，过去50年黄土高原大量建设的淤地坝拦截和存储了大量的泥沙和土壤有机碳，该部分的碳的动态对于区域碳循环以及黄土高原水土保持措施生态环境效应评价具有重要的意义。然而，目前缺乏对黄土高原淤地坝土壤有机碳埋藏效率研究。因此，本项目以黄土高原流域特征以及淤地坝土壤有机碳埋藏效率为研究对象，基于泥沙沉积旋回、机器学习模型以及高清影像开展黄土高原流域特殊地貌、淤地坝以及土壤有机碳空间分布特征研究，在此基础上估算淤地坝土壤有机碳埋藏效率以及建立相应的动态模型。在流域特殊地貌空间分布特征研究方面，分析了黄土高原沟壑地貌的空间分布特征以及相应的地貌控制因子，建立了基于机器学习的小流域高分辨率沟壑密度空间分布模型，识别了沟壑地貌空间分布的特征因子；建立了海量淤地坝以及淤地的像素层样本，结合集成学习和高分影像创建了黄土高原淤地及淤地坝识别技术流程，成功的提取的大尺度像素级淤地空间分布和淤地坝位置；在流域土壤有机碳空间分布方面，基于有限样本建立了基于随机森林模型和多元线性回归模型的土壤有机碳密度空间分布模型，确定了黄土高原典型流域土壤有机碳空间分布特征因子。在淤地坝土壤有机碳埋藏效率研究方面，基于已发表淤地坝沉积旋回样本，估算了黄土高原淤地坝土壤有机碳埋藏效率，分析了淤地坝埋藏效率与沉积时间以及建坝时间的控制关系，建立了淤地坝土壤有机碳埋藏效率的动态模型。最后，基于大量径流小区数据集，分析了我国土壤侵蚀控制的核心因子，揭示了土地利用、植被覆盖度、坡度、坡长以及年均降雨对土壤侵蚀率的控制规律；基于四期土地利用覆盖数据和土壤侵蚀率估算模型，评价了黄土高原过去40年土地利用变化以及土地利用变化与土壤侵蚀以及碳循环的耦合关系。研究成果为黄土高原淤地坝土壤有机碳埋藏、土壤侵蚀率估算以及建模提供重要的数据、方法和成果参考与支撑。