近30年来长春市城市扩张对区域土壤有机碳储量的影响

With rapid urban sprawl, a large number of natural or cultivated soils have been conversed to urban soil. It is very important to study the impact of urbanization on the change of soil organic carbon density and storage. However, up to now, there has been no exact answer to the question whether such urbanization process decrease or increase the soil carbon density and storage at regional scale. Therefore, it is a big challenge for researchers with lacking of basic database of soil carbon. In this research, taking Changchun city as the typical study area, integrating field monitoring, remote sensing, GIS spatial analysis and geostatistics techniques, soil organic carbon (SOC)storage in 1985 and 2015 can be assessed exactly, spatial pattern and dynamics change of SOC density and storage can be explored, and the influence of urban expansion on SOC can be evaluated in recent 30 years. Furthermore, HILLS model system would be applied, coupled land use change and SOC cycling mechanism model, to simulate the impact of urbanization on SOC density and storage. Finally, we would discuss the correlation between the result and the methods, ecosystem types and the period of land use change. The study not only can boost the results concerning storage and dynamics change of SOC in China, decrease the uncertainty of estimation of SOC at country level,but also would provide scientific foundation for the urban planning and structure modification of land use in the important agricultural region at the background of global change.

城市扩张使自然或耕作土壤变为城市土壤，这一转变引起的区域土壤碳密度及储量的变化，是碳循环研究中值得关注的前沿问题。然而，评价城市化过程到底是增加还是减少了区域土壤碳库还没有统一的答案，且城市土壤碳基础数据也十分缺乏。因此，本项目以长春市为研究区，集成野外观测实验、遥感反演与地统计学等多种方法，准确估算长春市现状和历史时期土壤有机碳库，揭示其分布格局和动态变化规律，评估近30年来城市扩张过程对区域土壤有机碳库的影响；应用土地利用变化与碳循环机理模型耦合的HILLS模型，模拟城市扩张过程对区域土壤有机碳库的影响，探讨结果是否与研究方法、城市所在区域原生生态系统类型以及土地利用转化时间等因素相关。本研究能够丰富国内区域尺度土壤有机碳储量及其动态的研究成果，减小国家尺度土壤有机碳储量及其动态估算的不确定性；同时可以为全球变化背景下我国重要农业区城市规划与土地利用结构调整提供决策依据。

本项目基于大量土壤剖面采样数据，分析长春市土壤有机碳含量的水平和垂直分布特征：从老城区到新城区，表层土壤有机碳含量呈递减趋势；城市林地的土壤表层有机碳含量最高，其次是水田、林地和旱地，草地的土壤表层有机碳含量最低，城市林地明显高于郊区的自然林地；土壤有机碳含量随着土层深度递减，且有机碳含量降低速度也随着层深递减，其中，20-40cm层有机碳含量下降最剧烈，表明长春市土壤有机碳含量分布在表层最集中，20-100cm土层有机碳含量较为稳定。利用土壤样点数据、DEM数据和遥感影像，提取地形因子与遥感波段信息、植被指数等，分析土壤有机碳含量与环境变量的相关性，结果表明NDVI、EVI、海拔高度和坡向的余弦值与土壤有机碳含量呈显著的相关关系。比较了普通克里金、地理加权回归克里金、机器学习算法与克里金结合的方法等不同空间预测方法，选用最优模型——神经网络与克里金插值结合的方法，预测长春市表层和各个剖面层的土壤有机碳含量、密度及储量的空间分布，结果表明：区域土壤有机碳储量在空间上的分布差异不大，除了60-80 cm层外，各层的栅格像元值主要集中于600 Kg以下。基于随机森林的遥感反演算法和第二次土壤普查数据的土壤类型法估算了1980s的土壤有机碳储量，结果表明：近30年来长春市区域土壤有机碳库呈明显下降趋势。长春市1970s-2015年城市扩张的时空特征为：2000-2010年是城市土地面积扩张最快的时期，空间上各个时间段的扩张类型以填充和外延型交替出现为主要特点，新增城市用地面积主要来自郊区非城市用地，旱地转化面积占总的新增面积90%以上。应用土地利用变化模拟与碳储量估算模型耦合的系统，模拟2030年不同城市扩张情境下，区域土壤有机碳库的变化特征，无论是否考虑城市绿地等非零值区域土壤碳库，模拟结果都显示区域土壤碳库是呈增加趋势的。本研究结果表明，对于城市化区域土壤碳库的估算还存在很大的不确定性，研究结果与所采用的估算方法（空间预测还是模型模拟）、城市占用的原生生态系统类型等因素密切相关。