福建省水田土壤有机碳模拟的尺度效应及其影响因素研究

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利用结合土壤数据库的生态模型准确预测农田土壤有机碳演变是实施固碳减排措施的基础。但目前使用不同制图尺度土壤数据库对农田生态系统广泛应用的有机碳模型模拟精度影响程度及其内在作用机理尚不清楚,影响了我国合理制定土壤“碳中和”管理政策。福建省作为我国典型亚热带区域,其水田面积约占全省耕地总面积的80%以上,明确该地区土壤碳“源/汇”规律对于保障亚热带地区的粮食安全和固碳减排国家战略的达成具有重要意义。基于此,本研究以福建省84个县(市、区)水田土壤为研究对象,基于广泛使用的农田生态系统有机碳模型DNDC(Denitrification and Decomposition),分析目前我国“县级(1:5万)、地级市(1:20万)、省级(1:50万)和国家级(1:100万)”4个行政级别常用制图尺度土壤数据库对全省水田土壤有机碳模拟的影响,揭示其尺度效应与影响因素,进而从生物地球化学过程上阐明导致尺度效应差异的机理。本研究结果可为我国农田有机碳模拟中使用不同分辨率土壤数据库的不确定性定量评价提供理论依据。主要结论如下:(1)从2008年和2016年两期大样本区域水田实测样点验证结果来看,1:5万~1:100万制图尺度下的土壤有机碳实测数据与模拟值之间存在极显著相关关系,相关系数介于0.34~0.44之间;另外,平均绝对预测误差(MAE)和均方根预测误差(RMSE)也较小,说明DNDC模型可以适用于福建省水田土壤有机碳动态变化模拟。(2)1:5万~1:100万4个制图尺度下,福建省水田土壤在1980~2016年间均为“碳汇”效应,年均固碳速率分别为:150 kg C·hm-2、154 kg C·hm-2、154 kg C·hm-2和149 kg C·hm-2,固碳总量分别为:10.30 Tg C、11.35 Tg C、12.78 Tg C和12.10 Tg C。以目前区域尺度数据最详细的1:5万土壤数据库模拟结果为基准,1:20万~1:100万制图尺度下的年均固碳速率和固碳总量相对偏差分别介于:2.88%~5.60%和13.16%~27.36%之间。(3)从不同地貌类型区来看,1:5万制图尺度下年均固碳速率最高的是平原台地区,为215 kg C·hm-2;固碳总量最大的是丘陵山地区,达到4.86 Tg C,占全省水田土壤固碳总量的48.45%。谷地盆地和丘陵山地由于海拔较高,地形地貌复杂,受制图尺度影响较大。以1:5万制图尺度模拟值为基准,谷地盆地区在其它制图尺度下的年均固碳速率相对偏差介于10.57%~19.11%之间;而丘陵山地区在其它制图尺度下的固碳总量相对偏差介于32.85%~53.08%之间。(4)从不同水稻土亚类来看,盐渍水稻土和淹育水稻土在1:5万制图尺度的年均固碳速率最高,分别为227 kg C·hm-2和219 kg C·hm-2;固碳总量最大的是渗育水稻土和潴育水稻土,分别达到5.68Tg C和3.39 Tg C,合计占全省水田土壤固碳总量的90.43%。随着制图尺度的降低,各水稻土亚类模拟的年均固碳速率和固碳总量有很大的差异。其中,潜育水稻土受制图尺度的影响最大,该亚类在1:100万制图尺度中表现为“碳汇”,而在数据最详细的1:5万制图尺度下为“碳源”。其次,淹育水稻土受制图尺度的影响也较大,以1:5万制图尺度模拟的年均固碳速率为基准,不同制图尺度下的相对偏差介于14.72%~20.29%之间。其他水稻土亚类的相对偏差一般介于0.41%~13.66%之间。(5)从不同行政区来看,1:5万制图尺度下年均固碳速率最高的是泉州市和莆田市,分别为245 kg C·hm-2和208 kg C·hm-2;固碳总量最高的是泉州市和漳州市,分别为2.18 Tg C和2.09 Tg C,合计占全省水田土壤固碳总量的42.57%。随着制图尺度的降低,南平市的年均固碳速率和固碳总量受影响最大,以1:5万制图尺度模拟值为基准,其它制图尺度相对偏差分别介于9.82%~26.26%和25.76%~86.76%之间。(6)从整个福建省来看,1:5万和1:20万制图尺度下年均固碳速率的影响因素是土壤有机碳初始值和黏粒含量,而在1:50万和1:100万制图尺度下年均固碳速率的影响因素是土壤容重和黏粒含量。从不同地貌类型区来看,丘陵山地区随制图尺度降低,容重和坡度逐渐成为除有机肥施用量外影响年均固碳速率最重要的影响因素(第2和第3);谷底盆地区和平原台地区随制图尺度降低,影响因素无明显变化。从不同水稻土亚类来看,淹育水稻土随着制图尺度的降低,p H的对年均固碳速率的影响程度不断上升(第2);漂洗水稻土在1:100万制图尺度中黏粒含量对年均固碳速率的影响最大;潜育水稻土随着制图尺度的降低,土壤容重对年均固碳速率的影响程度不断上升(第3);潴育水稻土、渗育水稻土和盐渍水稻土随制图尺度降低,影响因素无明显变化。从不同行政区来看,宁德市、龙岩市、三明市和南平市等地形起伏大的地区,不同制图尺度中坡度对它们的年均固碳速率的影响较大,总体上随着制图尺度的降低,坡度对年均固碳速率的影响程度不断上升(第2~第4);厦门市随着制图尺度降低,氮肥对年均固碳速率的影响减弱(第8);而泉州市、莆田市、漳州市和福州市随制图尺度的降低,影响因素无明显变化。
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