土地利用覆被變化對陸地碳循環(huán)的影響

土地利用覆被變化對陸地碳循環(huán)的影響

通過增加和全球變化，土壤利用模式及其變化對土壤生態(tài)碳循環(huán)的影響研究已成為當(dāng)前的熱點和難點。人類活動對土地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響遠遠超過了自然變化影響的速率和程度,如林地、草地的退化,及其向耕地的轉(zhuǎn)化都將增大土壤中碳的釋放,反之,退耕還林、退耕還草將有利于土壤碳儲量的增加,提高土壤中有機碳的穩(wěn)定性。國外在20世紀(jì)50年代便開始了土壤有機碳的研究,從最初的少數(shù)土壤剖面數(shù)據(jù),到90年代“3S”技術(shù)的引入,研究成果豐碩。但是,人類活動對土壤碳庫的影響仍然未被充分認(rèn)識,其中最大的不確定性就是植被類型轉(zhuǎn)變后土壤碳儲量可能發(fā)生的變化。如何深入認(rèn)識土地利用變化對土壤碳庫的影響仍然是當(dāng)前的重點研究內(nèi)容。東北是我國較大的土壤有機碳庫之一,雖然黑土面積僅占國土面積的0.67%,但有機碳儲量卻占全國的1.53%,尤其是松嫩平原土壤的有機碳,其含量高,碳密度大,然而,近50年來,由于自然因素和人為因素的影響,松嫩平原草地面積大量減少,草地退化、沙化和鹽堿化現(xiàn)象非常嚴(yán)重,土地三化造成土壤有機碳儲量的衰減,使土地生態(tài)系統(tǒng)由碳匯轉(zhuǎn)化為碳源。本研究選取松嫩平原草地生態(tài)環(huán)境的典型區(qū)域——吉林省通榆縣為例,基于多年衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù),探尋研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化對土壤有機碳儲量的影響。1土地沙化、鹽堿化、草地退化吉林省通榆縣位于松嫩平原西南部,科爾沁草原東陲,其西、南與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤。地理坐標(biāo)為東經(jīng)122°02′13″—123°30′57″,北緯44°13′57″—45°16′27″。屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降水量為407.6mm。地貌類型為湖積-沖積平原,土壤以淡黑鈣土、風(fēng)沙土和草甸土為主,另外包括堿土、沖積土、沼澤土和鹽土。植被屬于地帶性草甸草原,以羊草為建群的優(yōu)質(zhì)植物群落,兼有雜草類,草地生長繁茂。自然條件的過渡性和復(fù)雜性使其成為農(nóng)牧業(yè)的交錯帶及典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。生態(tài)環(huán)境敏感性強、穩(wěn)定性差、抗干擾能力和自然恢復(fù)能力弱,在全球氣候溫暖化的影響下,近50年來,通榆縣氣候向干旱化趨勢發(fā)展,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)失調(diào)、功能降低,水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生,水資源匱乏,土地沙化、鹽堿化和草地退化嚴(yán)重。曾經(jīng)水草豐美的大草原,如今已經(jīng)布滿堿斑,風(fēng)沙肆虐。通榆縣的土地利用類型包括水田、旱田、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、沙地、鹽堿地和濕地等11種。其草地覆蓋度在上個世紀(jì)50年代曾達85%以上,衛(wèi)星遙感影像解譯顯示,到在2004年,草地面積僅占全區(qū)土地面積的19%,逐年干旱的氣候?qū)е滤蛎娣e減少68%。鹽堿地和沙地面積增加,占全區(qū)土地面積的40%以上。多數(shù)耕地被鹽堿地和沙地包圍,其土地利用結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)的要求,嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。2數(shù)據(jù)來源與研究方法2.1數(shù)據(jù)來源2.1.1土地利用類型應(yīng)用ErdasImagine軟件對通榆縣1989、2004兩年8月的TM衛(wèi)星影像進行圖像增強、校正、配準(zhǔn)等處理,并對影像進行解譯,在ArcGIS系列軟件的支持下,對水田、旱田、林地、草地、鹽堿地等11種土地利用類型賦予相應(yīng)地類代碼,提取面積數(shù)據(jù),其中草地按其覆蓋度分為高、中、低覆蓋3種類型。2.1.2測定指標(biāo)及方法野外實地樣品采集分別設(shè)在2005年和2006年的8月下旬,應(yīng)用GPS定位,在不同土地利用類型上均勻布點。共采集土壤樣品43個,生物樣品23個。每個土壤點取0~1m的混合樣品,測試土壤容重、含水率等指標(biāo),生物樣品點取不同覆蓋度的草樣及當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機碳含量。利用歷年農(nóng)作物產(chǎn)量和草地產(chǎn)草量統(tǒng)計資料,參照全國土壤普查資料,去除異常值后,取相應(yīng)土類的有機碳密度平均值,估算不同地類地下0~1m和地表植被的有機碳密度。2.2總碳儲量與面積之積采用生態(tài)系統(tǒng)類型法確定土地生態(tài)系統(tǒng)的有機碳儲量。某一地類有機碳儲量等于該地類的平均有機碳密度(單位土地面積的碳儲量),與其面積之積,見公式(1):式(1)中,T為區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量;Ai為第i種地類面積;Vi為第i種地類植被平均碳密度;Si為第i種地類土壤平均碳密度;Di為第i種地類凋落物平均碳密度。2.2.1農(nóng)作物含碳量的測算植物作為自然界中的生產(chǎn)者,在生產(chǎn)和消費中將發(fā)生碳的轉(zhuǎn)移、存儲和消耗,除少量碳釋放外,更多的碳將合成碳水化合物供其生長和發(fā)育,從而將大氣中的碳固定。研究區(qū)植被類型主要包括農(nóng)作物、樹木和牧草,植被平均碳密度的估算主要根據(jù)野外實際采樣測試結(jié)果、歷年農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量統(tǒng)計資料和公開發(fā)表的文獻資料獲得。農(nóng)作物的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量之間存在一定關(guān)系,因此,可以根據(jù)經(jīng)濟產(chǎn)量計算出作物的干物重。進而推算出農(nóng)作物的含碳量,即農(nóng)作物從大氣中固定的CO2量。農(nóng)作物從大氣中固定CO2的具體估算步驟如下:已知經(jīng)濟產(chǎn)量WY(g·m-2)、生物產(chǎn)量(總干物重)DW(g·m-2)和經(jīng)濟系數(shù)Hi有如下關(guān)系:一般農(nóng)作物收獲中的碳儲量占其體重的40%,因此,Hi取0.4,當(dāng)作物光合作用合成lg有機質(zhì)(干重)所需要吸收的C為Cf時,則作物全生育期對C的吸收量,即第i種地類農(nóng)作物平均碳密度Vi為:根據(jù)農(nóng)作物的產(chǎn)量、種植面積可計算單位面積生物量,采用國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)Cf(取0.45),計算出農(nóng)作物單位面積有機碳密度,草地單位面積有機碳密度也可用該公式獲取。2.2.2不同土地利用類型的平均有機碳密度本文采用Batjes(1995)提出的估算方法,即測試每個土壤采樣點樣品的土壤深度、土壤容重、礫石含量及有機碳含量等數(shù)據(jù),計算不同土地利用類型的平均有機碳密度Si,見式(5):式中,i代表第i種土地利用類型,j代表土層單元,Si(g·m-2)為第i種土地利用類型平均有機碳密度,ρj(g·m-3)為第j層土壤容重,Pi(g·g-1)為第i層土壤有機碳平均含量,dj(m)為第j層土壤厚度,sj為大于2mm的平均礫石含量比例。2.2.3利用土地利用類型凋落物層凋落物平均有機碳密度的估算應(yīng)視不同土壤植被類型區(qū)別對待,對于水田、旱田、草地和濕地等土地利用類型,凋落物可以歸并到土壤碳庫中,作為土壤的凋落物層看待。林地的凋落物層是年凋落物量和自然分解量的差值,其凋落物有機碳密度Di(g·m-2)可通過現(xiàn)存凋落物生物量乘以0.5的比例系數(shù)得到,表1中林地凋落物有機碳密度歸結(jié)到地上部分。3結(jié)果分析3.1土地利用類型通榆縣不同土地利用類型的衛(wèi)星遙感解譯面積和有機碳密度估算數(shù)據(jù)見表1。如表1所示,不同土地利用類型中土壤有機碳密度有很大差異。其中濕地、水域、林地和草地的有機碳密度較高。濕地土壤中積累了大量的有機質(zhì),水生生物以茂盛的蘆葦為主,且泥炭層很厚,其植被和土壤的有機碳密度均為最高。研究區(qū)現(xiàn)存草地和水域的有機碳密度均很高,草地(尤其是高覆蓋草地)作為有機碳密度較高的地類,平均有機碳密度在70t·hm-2以上,其面積占全區(qū)面積的20%,沙地的有機碳密度僅為10.7t·hm-2,雖然其面積逐年在減少,但是仍占全區(qū)面積的15%;鹽堿地的有機碳密度為9t·hm-2,占全區(qū)總面積的25%。農(nóng)田包括水田和旱田,主要農(nóng)作物有玉米、高粱、大豆等,大部分耕地是近60多年由開墾草地而來,利用方式的轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致土壤有機碳儲量降低為原土壤的30%~50%,所以,其有機碳密度低于草地。幾乎占全區(qū)土地面積40%的沙地和鹽堿地有機質(zhì)含量低,其有機碳密度也為最低。通榆縣的主要土地利用類型是耕地、草地和鹽堿地。在1989—2004年間,土地利用變化總體上呈現(xiàn)“4增4減”的現(xiàn)象,即耕地(水田和旱田)、林地、居民用地、鹽堿地面積增加,草地、水域、沙地、濕地面積減少。面積增加的是林地,其次是鹽堿地。面積減少的是草地和沙地。從整體上看,鹽堿地面積比例大幅度上升,草地、水域和濕地面積比例大幅度下降,土地利用結(jié)構(gòu)日趨不合理。研究區(qū)1989年、2004年土地生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量分別為48.09TgC、44.91TgC,共損失3.18TgC,年均損失約為0.265TgC。林地的有機碳庫逐漸占據(jù)優(yōu)勢,草地退化和濕地萎縮致使土地生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量減少。3.2土地使用的變化對有機碳儲量的影響3.2.1不同地區(qū)的土壤有機碳密度及鹽堿化程度的變化利用ArcGIS軟件繪制1989和2004年土壤有機碳的空間變化圖,見圖1。從圖1中可見,1989—2004年,研究區(qū)土地利用類型的破碎程度降低,水域、濕地的斑塊數(shù)和面積均明顯減少,林地和草地的斑塊數(shù)雖然減少,但面積增加,鹽堿地和沙地斑塊擴大,并連片分布。西北和西南部主要分布林地和濕地,其土壤有機碳密度全區(qū)最高,在水庫截流的作用下,濕地面積增加,但是干旱氣候造成了水域的萎縮,另外林地和草地面積均增加。東北部的濕地完全干涸,鹽堿化程度加重。東部和中部地區(qū)鹽堿化和沙化趨勢均加重。整體趨勢是,西北和西南地區(qū)土壤有機碳儲量增加,中部和東部地區(qū)減少。退耕還林還草等生態(tài)建設(shè)有利于土壤有機碳的增加,這在西部地區(qū)有所體現(xiàn),但是東部地區(qū)氣候干旱、水資源匱乏等自然因素導(dǎo)致的土地鹽堿化使土壤有機碳不斷減少。3.2.2各地類轉(zhuǎn)化的面積利用ArcToolbox工具下的Overlay模塊,對通榆縣1989年和2004年的土地利用遙感解譯圖進行空間疊加,得到1989—2004年各地類間轉(zhuǎn)化關(guān)系圖,通過空間查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計,從圖中提取各地類在15年間相互轉(zhuǎn)化的面積,見表2。在1989—2004年期間,研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化復(fù)雜,往往呈現(xiàn)一種地類向多種其它地類轉(zhuǎn)化的特點。由于近年來防風(fēng)固沙林和水土保持林的營造,以及退耕還林的實施,林地和部分耕地轉(zhuǎn)化為林地。濕地主要向鹽堿地、草地和水田轉(zhuǎn)化,原因是連年的氣候干旱造成的濕地萎縮,以及水田的開墾。伴隨著鹽堿化和沙化,草地在不同覆蓋度間轉(zhuǎn)化。區(qū)內(nèi)水域面積萎縮,并向中低覆蓋草地、沙地和鹽堿地轉(zhuǎn)化。整體上看,退耕還林還草和草地恢復(fù)治理的速度趕不上土地退化的速度,一系列的生態(tài)建設(shè)使沙地面積減少,但是土地鹽堿化的趨勢依然十分嚴(yán)峻。3.2.3不同類型轉(zhuǎn)化土壤有機碳。依據(jù)第5條第1結(jié)合不同土地利用類型的有機碳密度,計算出土地利用類型變化導(dǎo)致的有機碳儲量變化,分別見表3。土地利用變化主要對0~20cm土層內(nèi)的土壤有機碳產(chǎn)生影響,且對第一層的影響比第二層大。其變化速率隨著時間會逐漸降低,最終達到一種平衡。土地利用變化后的土壤有機碳變化值,可根據(jù)實際土壤有機碳密度進行計算。在研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化中,僅有林地、水域和沙地的轉(zhuǎn)化使土壤有機碳儲量增加。濕地退化和土地鹽堿化后的土壤有機碳損失最大,主要表現(xiàn)為小區(qū)域濕地萎縮干涸,使其周邊的土地鹽堿化,促進土壤的碳釋放。沙地向林地轉(zhuǎn)化后土壤有機碳增加最大,而且林地的水土保持作用可以顯著提高生態(tài)環(huán)境的抗干擾和自我恢復(fù)能力。草地數(shù)量和質(zhì)量的提高使土壤有機碳儲量增長緩慢。4通榆縣土地生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量的自然狀況(1)衛(wèi)星遙感解譯數(shù)據(jù)和野外樣品實測數(shù)據(jù)可將土地生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量的估算精度提高。1989年和2004年的土地生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量估算結(jié)果以及土地利用/覆被變化對有機碳儲量的影響分析顯示,草地退化、沙化和鹽堿化以及水域、濕地的萎縮將導(dǎo)致土壤中碳的釋放,減少有機碳儲量,增加大氣中CO2的含量,而植樹治沙、草地植被的恢復(fù)與重建等生態(tài)建設(shè)則可以有效增加土地生態(tài)系統(tǒng)的有機碳儲量。(2)通榆縣近年來退耕還草、退耕還林的成效顯著,自1989年以來,沙地面積逐漸減少,林地的防風(fēng)固沙作用效果明顯。但是,一些自然和人為原因致使土壤鹽堿化形勢依然嚴(yán)峻,尤其是東部地區(qū)鹽堿地面積持續(xù)增加,土地生態(tài)系統(tǒng)仍然處在碳失匯狀態(tài)。(3)1989—2004年的15年間,研究區(qū)的土地利用類型既有正向演替,也出現(xiàn)了逆向演替的趨勢,說明在半干旱的氣候條件下,土地生態(tài)系統(tǒng)