区域土壤有机碳吸存对快速城市化的响应研究

Currently, worldwide urbanization is experiencing a unprecedented rate. With the rapid development of city, land use status and patterns were severely changed. Not only the ecosystem type and soil properties changed, will also the increase or decrease of the soil organic carbon (SOC) pools. However, the highly heterogeneous urban land cover landscape, and the randomness of the human disturbance making the study on the response of soil sequestration to urbanization difficult. Meanwhile, estimating regional scale SOC storage based on large sample of soil spatial data and high-resolution remote sensing image had been one of the key technologies of terrestrial ecosystem carbon cycle research. We chose Fuzhou Nantai island(Cangshan, Fuzhou) as our study area, based on the soil grid stratification random sampling and high-resolution remote sensing image , explore the causes of SOC storage changes and its affecting auxiliary variables of regression-kriging interpolation during the rapid urbanization, comparing and to identify the scaling methods of regional soil organic carbon storage estimates; then uncovering the mechanisms of rapid urbanization on the regional soil organic carbon sequestration with the multi-scale analysis. The study has an important scientific significance in understanding the impact of rapid urbanization on the regional changes in carbon stocks and soil carbon sequestration mechanism; also, it helps provide a scientific basis for the rational and sustainable development and management soil resources in the urban planning.

当前，城市化进程正在全球范围内以前所未有的速度进行。快速的城市发展，土地利用状态和格局发生了剧烈的变化，改变了生态系统类型与土壤的理化性质，引起土壤有机碳的消减或累积。然而高度异质性的城市土地覆盖景观，叠加人为干扰的随机性，成为研究城市化影响土壤碳吸存的难题。与此同时，基于大样本土壤取样空间数据与遥感技术估算区域尺度土壤有机碳储量，已成为陆地生态系统碳循环研究的关键技术之一。本研究选择福州市南台岛(仓山区)作为研究区，在对土壤格网分层随机采样和高分辨遥感影像的支持下，探寻城市化影响区域土壤有机碳储量变化成因和回归克里插值的区域化辅助变量，对比并确定区域土壤有机碳储量估算的尺度转换方法，并从多尺度揭示快速城市化对区域土壤有机碳吸存的影响机制。该研究对深入了解快速城市化对区域碳储量变化与土壤碳吸存机制的影响有重要的科学意义，也有助于为城镇规划中合理开发和持续经营土壤资源提供科学依据。

区域尺度土壤碳储量空间估算，多采用地统计学从点到面的插值外推。这种外推是在土壤资源空间连续分布的前提下，进而估算土壤碳密度。然而，在城市区域因土壤资源受到不透水面或人工水体的占据而消失，尤其表层土壤，进而导致土壤碳分布不连续，而不能用土壤碳密度来表征其空间分布特征。为此本研究在分析土地利用/覆盖，遥感指数，城市用地强度等辅助变量对土壤碳储量影响的基础上，采用回归克里格估算城市区域土壤碳储量空间分布。不同土地利用方式下土壤全碳(Total carbon，TC)含量均存在显著差异（p<0.05），城郊居民点和耕地的TC含量均显著高于其他用地类型，以裸地为最低；不同土壤类型间TC含量差异亦显著(p<0.05)，红土的平均碳含量最高，显著高于其它4种土类，潮土TC平均含量最低；3）城郊和建成区内不同植被覆盖类型间TC无显著差异(p>0.05)。经筛选，基于土地利用类型、土壤类型和不透水面盖度的回归克里格拟合的城市区域土壤碳储量空间分布图，在空间变化的过渡较为自然、平缓，体现了随城市区域要素变化而变化的特点，这点与研究区表层碳储量实际分布规律较为吻合。然而从逐步回归方程的决定系数仍低于0.5，模拟结果的平均预测误差和均方根误差仍分别达到-0.174和0.498，城市区域土壤性质的空间估算结果精度不高。其主要原因在于研究区多数土地利用类型表层土壤碳储量变异系数均高于50%，城市区域的土壤受人类活动的干扰，随机变异大，精确的空间分布规律有待更深入探索。从福州市南台岛土地利用变化的三条主线看，原先分布最广的耕地转变为建成区后，TC平均含量下降了40.22%；其中耕地转变为公园绿地，住宅商业用地，道路用地以及建设过程中的裸地后，土壤表层0～20 cm TC含量分别降低了41.92%、53.05%、57.72%和73.52%。城乡村镇等居民点转变为建成区后，表层土壤0～20 cm TC平均含量下降了50.13%。