面向精细土壤碳制图的平原地区农田土壤有机碳空间分异机理研究

It has been of great difficulties to apply the state-of-art "soil-landscape" model in the accurate mapping of soil carbon in plains. Thus, we propose to view soil organic carbon to be of spatial stratified heterogeneity. With the help of geographical detectors, we take farmland soil from Jianghan Plain as an example, and integrate the landscape patterns and geographical processes to understand the impacts of soil properties, environmental factors, land use and farmland managements, and their interactions on the spatial patterns of soil organic carbon. From this basis, we would be able to decide the number and type of models we need, the explanatory variables and the kind of model parameters we will use. Such approach can provide theoretical and methological supports for accurate mapping of farmland soil carbon in plains, serving the regional soil and food security.

针对当前“土壤—景观”模型难以用于平原地区精细土壤碳制图的问题，项目从土壤有机碳具有空间分层异质性这一观点出发，耦合景观格局与地理过程，以江汉平原地区农田土壤为例，运用地理探测器深入研究土壤性质、环境因子、土地利用和农田管理方式及之间交互作用对土壤有机碳空间格局的影响，揭示土壤有机碳空间分层异质性产生的机理，并以此作为依据，选取精细土壤碳制图所需模型的数量、类型、解释变量及模型参数，为平原地区精细化农田土壤碳制图提供理论与方法支撑，服务区域土壤及粮食安全。

围绕项目拟解决的关键科学问题“江汉平原地区农田土壤有机碳空间分层异质性产生的机理”，从土壤有机碳具有空间分层异质性这一观点出发，假定土壤性质、环境因子、土地利用和农田经营管理方式等地理过程及要素与土壤有机碳的空间分异相关联，构建不同要素交互作用的分层，并进行统计检验。主要贡献包括 <1> 创新了传统回归克里格模型框架，通过引入土地利用类型作为虚拟变量（Dummy variable），突破了传统模型难以刻画土壤属性空间突变的瓶颈，提升了对土地利用引起的土壤碳空间分异的理解；<2> 发现了样点周边土地利用（如灌溉农渠）面积百分比对样点土壤有机碳含量变异具有良好的解释力，证实了部分成土因素的空间溢出效应以及农水工程对农田土壤碳储量提升具有积极意义；<3> 提出了地理探测器与分层回归克里格联用的策略，不但提升了制图精度，而且发现了土地利用对土壤有机碳的溢出效应具有分层依赖性，从而揭示了统计分层的科学内涵；<4>提出“景观格局指数—回归克里格模型”，将多尺度景观格局空间信息有机融入土壤有机碳密度的空间推理过程，丰富了土壤地理学经典概念模型Scorpan的景观生态学内涵。..项目成果论文29篇（25篇为唯一或第一标注），包括中文期刊论文9篇，SCI和SSCI论文19篇，国际会议论文1篇。项目成果包括中科院1区及2区TOP期刊论文13篇， ESI高被引论文2篇（入选全球前1%），中科院2区非TOP期刊论文5篇。这些成果大多发表在Geoderma、Catena、Soil & Tillage Research, Applied Geography以及Soil Science Society of America Journal等地学领域的知名期刊。此外，在项目的资助下获批专利成果1项：“一种顾及土壤有机碳密度空间异质性的克里格插值模型”。