[发明专利]一种平原区土壤有机碳三维空间分布模拟方法

说明书

本发明提供一种平原区土壤有机碳三维空间分布模拟方法，包括(1)土壤有机碳剖面变化最优深度函数的拟合及函数参数确定；(2)土壤有机碳剖面深度函数参数的影响因素分析；(3)三维空间分布模拟模型的构建与计算过程。本发明构建地形平缓区土壤性质空间分布模拟的环境辅助变量，利用土壤深度传递函数和回归克里格法，建立地形平缓区土壤有机碳三维空间分布模拟模型，开展该区域土壤有机碳的三维空间分布模拟方法研究，不仅可为准确掌握地形平缓区在高强度农业利用背景下土壤有机碳三维时空演变信息提供可靠的模拟方法，也可为准确估算区域有机碳储量和保障土壤安全及粮食安全提供方法参考。

技术领域

本发明属于土壤环境技术领域，具体涉及一种平原区土壤有机碳三维空间分布模拟方法。

背景技术

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳库。据估算，全球1m深土壤有机碳储量大约有1500Pg(1Pg＝10¹⁵g)，是大气碳库的2倍多(750Pg)，是陆地植被碳库的2～3倍。土壤有机碳较小幅度的变化都可能引起大气二氧化碳浓度较大幅度的改变，从而影响全球气候变化。同时，土壤有机碳也是植物矿质营养及有机营养的源泉。土壤中有机碳的储量和动态变化不仅直接影响着全球碳循环，还与土壤肥力、农业生产和环境保护等密切相关。受多种因素综合影响，土壤有机碳具有高度的空间异质性，包括在垂直和水平方向的空间变化。准确获取土壤有机碳三维空间分布信息是区域土壤资源利用、土壤有机碳储量估算及全球碳循环研究的基础，越来越受到国内外土壤学乃至其他地球科学研究领域科研人员的关注。土壤有机碳三维空间分布模拟正在成为土壤性质时空演变研究的重点和热点。

利用相关环境因素作为辅助变量进行土壤有机碳空间分布模拟的方法，能较好地揭示土壤有机碳的空间异质性，进而大幅度提高模拟结果精度。二维水平空间分布模拟中，可直接建立土壤有机碳与环境辅助变量的映射关系。但在三维空间分布模拟中，分层建立不同土层土壤有机碳与环境因子间的对应关系，会割裂土壤有机碳三维空间变化与环境因素关系间的整体性与系统性。直接建立环境因子与土壤剖面有机碳整体变化特征间的映射关系则更符合景观背景下土体的发生发育过程。土壤有机碳深度函数的参数能反映土壤有机碳表层含量及其在剖面上随深度增加的变化速率，这些参数同时也具有明显的空间分布特征，并与各种环境因素密切相关。直接建立环境因素与土壤性质深度函数参数间的映射关系可以有效解决分层二维模拟存在的问题。

平原区地势平坦，人口密度大，农业集约化程度较高。高强度农业利用背景下，平原区土壤有机碳等土壤性质相较其他区域变化更为剧烈，土壤环境问题也更加突出。仅模拟表层土壤有机碳的时空演变，难以全面地掌握高强度农业活动背景下土壤有机碳变化的整体状况。同时，地形等常用环境辅助因子在地形平缓区差别不大，很难用作土壤性质空间分布模拟预测中的辅助变量。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种平原区土壤有机碳三维空间分布模拟方法，准确估算区域有机碳储量和保障土壤安全及粮食安全提供方法参考。

具体的技术方案为：

一种平原区土壤有机碳三维空间分布模拟方法，具体包括以下步骤：

1、土壤有机碳剖面变化最优深度函数的拟合及函数参数确定

分别采用对数函数、幂函数和指数函数对分层剖面采样获得的土壤有机碳含量(kg m^-3)的剖面变化进行拟合。利用拟合方程的决定系数(R²)以及误差评价指数(平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)和均方根误差(RMSE))选择土壤有机碳剖面变化的最佳深度拟合函数，进行得到揭示土壤有碳含量剖面变化的最优深度函数类型及土壤有机碳深度函数参数。具体方法如下：

首先将土壤有机碳含量(g kg^-1)转换成有机碳密度(kg m^-3)，公式如下：

SOC_v＝SOC_m×B×(1-θ％) (1)