專利名稱：一種生態(tài)林土壤有機碳儲量估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公布了一種生態(tài)林土壤有機碳(SOC)儲量的估算方法，屬林業(yè)生態(tài)工程技 術(shù)、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及低碳經(jīng)濟技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從地球化學(xué)元素碳的賦存形式而言，地球具有大氣碳庫，海洋碳庫，巖石圈碳庫以 及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫4大碳庫，而陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫包含了植被碳庫和土壤碳庫。由于土 壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，而且存在著一系列的不確定性，因此，陸地土壤有機碳(SOC)儲 量的估算和土壤碳固定成為生態(tài)學(xué)和全球變化研究的重要內(nèi)容之一。森林生態(tài)系統(tǒng)是維護生態(tài)穩(wěn)定性，保障生態(tài)安全的重要資源，生態(tài)系統(tǒng)是由生物 與環(huán)境組成的功能單位，土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因子之一，是物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換與 信息傳遞的重要媒介。而土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，是全球碳循環(huán)的重要組 成部分，在全球碳收支中占主導(dǎo)地位。土壤碳分為有機碳和無機碳(SIC)。SIC相對穩(wěn)定， 與大氣碳交換量少，而SOC則與大氣進行著頻繁地C02交換。1990年，IPCC根據(jù)全球氣候 模型預(yù)測，到21世紀中葉，C02濃度倍增后，全球可能增溫1. 50C -4. 50C (IPCC, 1992)，而 幾乎所有全球氣候變化的模型都預(yù)測土壤碳的損失是全球氣候變暖的原因之一(Schimel D S, et al. 1994)。全球變暖的一個反應(yīng)就是加速土壤有機碳的分解，并增加對大氣的碳 釋放，這也將進一步加強全球變暖的趨勢(McGuire A D, et al.，1995)。土壤碳庫及其變 動是影響大氣C02濃度的關(guān)鍵生態(tài)過程，因此，土壤碳庫的精確估算是研究全球變化、土壤 碳循環(huán)的重要基礎(chǔ)。國外開展SOC儲量的研究較早，一般采用土壤類型法、森林類型法、生 命帶類型和模型法。SOC儲量與土壤理化性質(zhì)、氣候、土地利用方式等密切相關(guān)。土壤理化 性質(zhì)能影響SOC的穩(wěn)定性。一般情況下，SOC含量與黏土含量呈顯著的正相關(guān)(廖利平等， 2000)。S0C儲量的空間分布與氣候因子的空間差異密切相關(guān)(Posl W M, et al.，1982)， 在諸多氣候因子中，氣溫的影響意義重大(周濤等，2003)。人類活動對SOC儲量的影響 遠遠大于任何其它自然因素，土地利用方式的改變導(dǎo)致了土壤碳向大氣中的大量排放，加 劇了大氣C02濃度的增加。森林砍伐將造成凈碳排放，草地向耕地轉(zhuǎn)變可以形成土壤碳排 放也可能導(dǎo)致土壤碳積累，而草地向牧地轉(zhuǎn)變或草地退化則必然造成土壤碳排放。近年來，關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)的研究備受關(guān)注，特別是聯(lián)合國2000年以來實施的陸 地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測計劃，是人們對于各類生態(tài)系統(tǒng)的認識進一步深化。生態(tài)林作為維護和改 善生態(tài)環(huán)境，保持生態(tài)平衡，保護生物多樣性等滿足人類社會的生態(tài)、社會需求和可持續(xù) 發(fā)展為主體功能的森林、林木和林地，它主要包括了防護林和特種用途林，在緩解二氧化 碳積聚及舒緩溫室效應(yīng)等方面具有重要作用。生態(tài)林是以發(fā)揮生態(tài)效益為主的森林，主導(dǎo) 利用森林的生態(tài)功能。探索生態(tài)林背景下的土壤碳匯，進一步定量估算S0C，既是目前應(yīng)對 全球變化的需要，也是科學(xué)規(guī)劃生態(tài)林，發(fā)揮生態(tài)林綜合效益的重要基礎(chǔ)。SOC問題十分復(fù) 雜，為應(yīng)對全球氣候變化挑戰(zhàn)，中國所建立的一系列生態(tài)工程(如三北防護林生態(tài)工程、長 江防護林生態(tài)工程、三江源生態(tài)工程、防沙治沙工程、天然林保護工程、退耕還林工程等)，特別是建設(shè)的一系列生態(tài)林，為碳減排發(fā)揮著重要作用。在生態(tài)林中，土壤碳庫是趨于一種動態(tài)平衡的過程之中，這個動態(tài)平衡過程會受 到許多因素干擾，比如溫度、濕度、土地利用方式等，都會控制碳輸入和輸出的量，進而控制 碳源和碳匯的大小和方式。當(dāng)SOC含量逼近或到達飽和水平時，增加外源碳的投入將不再 增加土壤有機碳庫。因此，研究不同條件下生態(tài)林的土壤碳匯機制、分辨土壤碳匯區(qū)，不但 是生態(tài)林土壤碳增匯的重要理論基礎(chǔ)，也是國家制定生態(tài)林土壤固碳策略的重要基礎(chǔ)科學(xué) 依據(jù)。目前，國內(nèi)外關(guān)于碳儲量問題的研究十分活躍，這是應(yīng)對全球變化以及發(fā)展低碳 經(jīng)濟的迫切要求，也是實現(xiàn)資源環(huán)境及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要。圍繞不同目的，關(guān)于碳 問題的研究方法有土壤類型法、植被類型法和模型法等，并取得了一些積極的進展。由于土 壤類型復(fù)雜，變化多樣，不確定因素多，數(shù)據(jù)誤差較大，準(zhǔn)確估算SOC仍有諸多問題沒有解 決。有機碳含量與土壤類型、生態(tài)系統(tǒng)、土地利用方式等有關(guān)，還取決于凈生物輸入量、耕作 方式和有機碳穩(wěn)定性等眾多因素。因此，準(zhǔn)確測定土壤有機碳儲量和進行土壤碳循環(huán)研究 成為科學(xué)界關(guān)注的重要課題。我國SOC對于全球變化的持續(xù)影響，引起了世界各國的高度 關(guān)注，有關(guān)專家認為，土地利用變化導(dǎo)致陸地碳庫變化是溫室效應(yīng)的主要驅(qū)動因素之一。因 此，國際碳減排要求可報告、可測量和可證實；探索生態(tài)林SOC的估算問題，分析生態(tài)林碳 的賦存形式及轉(zhuǎn)化機制，對于科學(xué)認識碳減排，進一步制定減排標(biāo)準(zhǔn)，具有重大的理論價值 與現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種生態(tài)林土壤有機碳儲量 估算方法。本發(fā)明一種生態(tài)林SOC儲量的估算方法，其主要步驟如下
a)獲取遙感信息源，進行生態(tài)林土壤信息識別，獲得各土壤景觀類型的地理位置、地面 覆蓋狀況等屬性數(shù)據(jù)；
b)將步驟a)所述的各土壤景觀類型的屬性數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)方法進行分析，得到土壤景觀 格局信息；
c)基于步驟a)及b)信息支撐，從地理位置、地面植被覆蓋以及區(qū)域地下水埋深等空間 差異性，確定土壤采樣點，挖掘典型剖面；
d)對步驟c)剖面進行分層采集土壤樣品；
e)對步驟d)取得的土壤樣品進行預(yù)處理；
f )基于重鉻酸鉀容量法獲取步驟e)所述土壤樣品的SOC信息；
g)基于步驟f)獲得的土壤樣品的SOC信息，建立SOC估算模型；
h)基于步驟g)SOC估算模型定量估算SOC儲量；
i)獲取生態(tài)林多元數(shù)據(jù)，分析SOC時空特征及變化規(guī)律。所述SOC估算模型如下 ESOc=k1 · k2 · V · K3 · k4 · M
式中Esre為生態(tài)林的土壤有機碳儲量；
V為實際滴定所用滴定液(FeS04)與標(biāo)準(zhǔn)液(K2Cr2O7)比例關(guān)系；M為土壤樣品的烘干重；
Kl為標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，即0. 8000mol · Γ1 (IM2Cr2O7)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度； Κ2為量綱轉(zhuǎn)化系數(shù)； Κ3為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量； Κ4為氧化校正系數(shù)。本發(fā)明針對生態(tài)林SOC的定量化問題，開展方法探索，為生態(tài)林結(jié)構(gòu)合理配置、生 態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值發(fā)揮以及節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟等問題的解決，提供重要理論依據(jù)及方法支撐。關(guān)于SOC估算方法，首次實現(xiàn)對生態(tài)林碳儲量的估算，是生態(tài)林生態(tài)工程建設(shè)的 理論與技術(shù)進一步科學(xué)化；把實際調(diào)查土壤與遙感監(jiān)測方法相結(jié)合，并定量估算有機碳儲 量，是碳儲量估算方法的新進展；構(gòu)建了針對生態(tài)林的土壤有機碳估算的模式及途徑，對于 生態(tài)林建設(shè)以及植物碳吸收減排具有重要指導(dǎo)價值；比較方便地獲得生態(tài)林碳儲量時空特 征及動態(tài)變化，為生態(tài)建設(shè)、循環(huán)經(jīng)濟機低碳經(jīng)濟的發(fā)展提供了模式與途徑。


圖1 本發(fā)明生態(tài)林SOC儲量估算方法流程。
具體實施例方式發(fā)明要解決的技術(shù)問題是基于相關(guān)碳轉(zhuǎn)化的原理進行實驗室分析與定量估算，針 對生態(tài)林碳儲量評估進行技術(shù)研發(fā)。如圖1所示，本發(fā)明一種生態(tài)林SOC儲量的估算方法， 其主要步驟如下
a)獲取遙感信息源，進行生態(tài)林土壤信息識別，獲得各土壤景觀類型的地理位置、地面 覆蓋狀況等屬性數(shù)據(jù)；
b)將步驟a)所述的各土壤景觀類型的屬性數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)方法進行分析，得到土壤景觀 格局信息；
c)基于步驟a)及b)信息支撐，從地理位置、地面植被覆蓋以及區(qū)域地下水埋深等空間 差異性，確定土壤采樣點，挖掘典型剖面；
d)對步驟c)剖面進行分層采集土壤樣品；
e)對步驟d)取得的土壤樣品進行預(yù)處理；
f )基于重鉻酸鉀容量法獲取步驟e)所述土壤樣品的SOC信息；
g)基于步驟f)獲得的土壤樣品的SOC信息，建立SOC估算模型；
h)基于步驟g)SOC估算模型定量估算SOC儲量；
i)獲取生態(tài)林多元數(shù)據(jù)，分析SOC時空特征及變化規(guī)律。具體執(zhí)行方法如下 1) 土壤樣品獲取
基于遙感信息的識別與提取，在生態(tài)林的不同區(qū)域，結(jié)合地下水埋深、樹種類型、樹木 生長狀況等確定若干土壤采樣點；挖掘IOOcm深標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，并按照土壤地理學(xué)、土壤 分類學(xué)的原理進行分層；基于對各層土壤物理性狀的了解，采集各層土壤樣品，作為實驗室 土壤化學(xué)性質(zhì)分析的依據(jù)。
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2) 土樣化學(xué)分析
把土壤原始采集樣品在室內(nèi)經(jīng)風(fēng)干及烘干等預(yù)處理后，備作化學(xué)分析；按照化學(xué)分析 的原理制備土壤溶液，制備化學(xué)滴定。3) SOC信息獲取
SOC含量采用重鉻酸鉀容量法一外加熱法測定。在外加熱的條件下(油浴溫度為180°C，沸騰5分鐘)，用一定濃度的重鉻酸鉀一硫 酸溶液氧化土壤有機質(zhì)(碳)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量， 計算有機碳的含量。4) SOC儲量計算模式建立
基于物質(zhì)循環(huán)原理以及化學(xué)反映平衡原理，同時，考慮參數(shù)量綱及其標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建生態(tài) 林SOC的估算模式。Esoc=Ii1 · k2 · V · K3 · k4 · M
式中Esre為生態(tài)林的土壤有機碳儲量g · kg"1
V為實際滴定所用滴定液(FeS04)與標(biāo)準(zhǔn)液(K2Cr2O7)比例關(guān)系； M為土壤樣品的烘干重g
Kl為標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，即0. 8000mol · Γ1 (IM2Cr2O7)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度； Κ2為量綱轉(zhuǎn)化系數(shù)，將mL換算為L，即10_3 Κ3為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量，即3. 0，g · πιοΓ1 ； K4為氧化校正系數(shù)，S卩1. 1。5) SOC特征分析。利用生態(tài)林各個樣方SOC儲量數(shù)據(jù)，結(jié)合生態(tài)林植被特征，在GIS軟件ArcGIS9. 2 系統(tǒng)平臺支持下，可以進一步分析SOC時空分布的特征及規(guī)律。生態(tài)林的生長狀況直接受到氣候、地形、地貌、土壤、水文狀況的影響，特定自然地 理背景下生態(tài)林的土壤狀況又與碳的賦存形式及動態(tài)變化等密切相關(guān)。研發(fā)生態(tài)林SOC估 算模式，并進行定量化估算具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義。(1)構(gòu)建SOC估算模型
應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)耦合的原理與方法，基于碳在土壤中的存在方式及狀態(tài)，在其理化性狀 的指導(dǎo)下，構(gòu)建SOC的估算模式。(2)分析生態(tài)林SOC估算結(jié)果
按照前述生態(tài)林SOC儲量及垂直分布特征。由表1可見，克拉瑪依生態(tài)林Im深度土 壤有機碳總儲量為251934. 4MgC，約為0. 252Tg，平均碳密度為37. 79 Mg · hm_2。不同層次 土壤有機碳儲量差異較大，介于43757. 16MgC-58531.99MgC之間。在所有土壤層次中，a層 (0-20cm) 土壤有機碳儲量占土壤總有機碳儲的23. 23%，表明表層土壤有機碳儲量占有主 要地位，另外a、b、c、d四層(O-SOcm) 土壤有機碳儲量占總碳儲量81. 64%，土壤有機碳儲 量含量依次遞減，符合碳密度變化規(guī)律。衣
林土壤層有機碳儲:
土壤層;
(cm)
面積 (hi[i:)
各層認土壤
碳密度
權(quán)利要求
一種生態(tài)林土壤有機碳儲量估算方法，其特征在于包括如下步驟a)獲取遙感信息源，進行生態(tài)林土壤信息識別，獲得各土壤景觀類型的地理位置、地面覆蓋狀況等屬性數(shù)據(jù)；b)將步驟a)所述的各土壤景觀類型的屬性數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)方法進行分析，得到土壤景觀格局信息；c)基于步驟a)及b)信息支撐，從地理位置、地面植被覆蓋以及區(qū)域地下水埋深等空間差異性，確定土壤采樣點，挖掘典型剖面；d)對步驟c)剖面進行分層采集土壤樣品；e)對步驟d)取得的土壤樣品進行預(yù)處理；f)基于重鉻酸鉀容量法獲取步驟e)所述土壤樣品的SOC信息；g)基于步驟f)獲得的土壤樣品的SOC信息，建立SOC估算模型；h)基于步驟g)SOC估算模型定量估算SOC儲量；i)獲取生態(tài)林多元數(shù)據(jù)，分析SOC時空特征及變化規(guī)律。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種生態(tài)林土壤有機碳儲量估算方法，其特征在于所述SOC 估算模型如下ESOc=k1 · k2 · V · K3 · k4 · M式中Esre為生態(tài)林的土壤有機碳儲量；V為實際滴定所用滴定液(FeS04)與標(biāo)準(zhǔn)液(K2Cr2O7)比例關(guān)系； M為土壤樣品的烘干重；Kl為標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，即0. 8000mol · Γ1 (IM2Cr2O7)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度； Κ2為量綱轉(zhuǎn)化系數(shù)； Κ3為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量； Κ4為氧化校正系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種生態(tài)林土壤有機碳(SOC)儲量估算方法，屬于林業(yè)生態(tài)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及低碳經(jīng)濟技術(shù)等領(lǐng)域。本發(fā)明方法包括獲得各土壤景觀類型的屬性數(shù)據(jù)；將各土壤景觀類型的屬性數(shù)據(jù)經(jīng)過特征分析得到土壤景觀格局信息；挖掘典型剖面；對剖面進行分層采集土壤樣品；對取得的土壤樣品進行預(yù)處理；基于重鉻酸鉀容量法獲取所述土壤樣品的SOC信息；獲得的土壤樣品的SOC信息，建立SOC估算模型；定量估算SOC儲量；獲取生態(tài)林多元數(shù)據(jù)，分析SOC時空特征及變化規(guī)律。本發(fā)明反映了生態(tài)林以碳為核心的生態(tài)效應(yīng)的特征及規(guī)律，能夠全面系統(tǒng)地反映出生態(tài)林的客觀特征與變化規(guī)律，指導(dǎo)二氧化碳植被減排及生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展的客觀實踐。
文檔編號G01N31/16GK101984353SQ201010519418
公開日2011年3月9日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者盧筱莉, 呂妍, 寧虎森, 張慧芝, 徐德福, 李琪, 王讓會 申請人:南京信息工程大學(xué)