基于地理加权回归的青藏高原季节冻土区土壤有机碳空间分布研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0076

冰川冻土 ›› 2020, Vol. 42 ›› Issue (3): 1036-1045.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0076

基于地理加权回归的青藏高原季节冻土区土壤有机碳空间分布研究

王栋¹^,²(), 吴晓东¹(), 魏献花³, 吴通华¹, 赵林⁴, 李韧¹, 胡国杰¹, 邹德富¹, 李旺平⁵

^1.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室, 甘肃兰州 730000
^2.中国科学院大学, 北京 100049
^3.西北师范大学地理与环境科学学院, 甘肃兰州 730070
^4.南京信息工程大学地理科学学院, 江苏南京 210000
^5.兰州理工大学土木工程学院, 甘肃兰州 730050

收稿日期:2019-09-06 修回日期:2020-05-28 出版日期:2020-10-31 发布日期:2020-12-08
通讯作者: 吴晓东 E-mail:wangdong@lzb.ac.cn;wuxd@lzb.ac.cn
作者简介:王栋（1994 - ），男，甘肃天水人， 2017年在西北师范大学获学士学位，现为中国科学院西北生态环境资源研究院在读硕士研究生，从事多年冻土区土壤有机碳研究. E-mail： wangdong@lzb.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(41871060)

Modelling soil organic carbon distribution in the seasonally frozen ground area on the Qinghai-Tibet Plateau using the geographically weighted regression

Dong WANG¹^,²(), Xiaodong WU¹(), Xianhua WEI³, Tonghua WU¹, Lin ZHAO⁴, Ren LI¹, Guojie HU¹, Defu ZOU¹, Wangping LI⁵

^1.State Key Laboratory of Cryospheric Science，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^2.University of Chinese Academy Sciences，Beijing 100049，China
^3.College of Geography and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China
^4.School of Geographical Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210000，China
^5.School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China

Received:2019-09-06 Revised:2020-05-28 Online:2020-10-31 Published:2020-12-08
Contact: Xiaodong WU E-mail:wangdong@lzb.ac.cn;wuxd@lzb.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

青藏高原土壤有机碳储量（soil organic carbon stocks， SOCS）对于区域生态环境演替具有重要作用，但是其空间分布数据还比较缺乏，特别是季节冻土区的数据较少。基于378个土壤剖面数据，结合与土壤有机碳（soil organic carbon， SOC）相关的地形、气候以及植被等环境因子，使用地理加权回归（geographically weighted regression， GWR）模型模拟了青藏高原季节冻土区0 ~ 30 cm、 0 ~ 50 cm、 0 ~ 100 cm和0 ~ 200 cm深度的SOC总量和空间分布。结果表明：青藏高原季节冻土区SOCS自东南向西北递减，表层0 ~ 200 cm的SOC总量约15.37 Pg；季节冻土区不同植被类型SOC从大到小依次为森林、灌丛、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠；各土壤类型中棕壤、黑钙土和泥炭土的SOC最大，而棕钙土、棕漠土、灰棕漠土、风沙土、石质土、盐土、冷钙土、寒漠土以及冷漠土的SOC最小。研究结果给出了青藏高原季节冻土区SOC的总量、空间分布及规律，可为相关地球模式的发展提供基础数据。

关键词: 土壤有机碳, 季节冻土区, 青藏高原, 地理加权回归

Abstract:

Soil organic carbon stocks （SOCS） in the Qinghai-Tibet Plateau have important implications for ecology succession， while the spatial distribution of SOC data are scarce， especially in seasonally frozen ground regions. Here， based on the multiple environmental variables and soil profile data （n=378）， we evaluated the soil organic carbon （SOC） pool and spatial distribution of seasonally frozen ground which down to 2 m depth on the Qinghai-Tibet Plateau using the geographically weighted regression （GWR） approach. Our results showed that SOCS exhibited a decreasing tread from south-eastern to the north-western， and the SOC pools were estimated to be 15.37 Pg in the top 2 m. The average SOC under different vegetation types showed a decreasing trend as follows： forest>shrub> alpine meadow> alpine grassland> alpine desert. Among all soil types， brown earths， chernozems， and peat soils had the largest SOC， while brown pedocals， brown desert soils， grey-brown desert soils， Aeolian soils， chisley soils， saline， frigid desert soils， cold desert soil， and cold desert soils had the smallest SOC. Our results provided the storage， pattern， and spatial distribution of SOC in the seasonally frozen ground area， providing a scientific basis for future studies pertain to the Earth System Models.

Key words: soil organic carbon, seasonally frozen ground, Qinghai-Tibet Plateau, geographically weighted regression

中图分类号:

P642.14

王栋, 吴晓东, 魏献花, 吴通华, 赵林, 李韧, 胡国杰, 邹德富, 李旺平. 基于地理加权回归的青藏高原季节冻土区土壤有机碳空间分布研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 1036-1045.

Dong WANG, Xiaodong WU, Xianhua WEI, Tonghua WU, Lin ZHAO, Ren LI, Guojie HU, Defu ZOU, Wangping LI. Modelling soil organic carbon distribution in the seasonally frozen ground area on the Qinghai-Tibet Plateau using the geographically weighted regression[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 1036-1045.

图/表 10

图1

表1

表2

图2

图3

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表4

表5

表6

表7

参考文献 42

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环境因子组合	R²	调整R²	AICc	环境因子组合	R²
MAP	0.751	0.741	459.334	MAP+Elevation	Failed
MAT	0.801	0.766	455.070	MAT+Elevation	Failed
NDVI	0.812	0.794	396.729	NDVI+Elevation	Failed
Slope	0.788	0.476	481.608	Slope+Elevation	Failed
MAP+MAT	0.739	0.728	476.239	MAP+MAT+Elevation	Failed
MAP+NDVI	0.799	0.791	392.665	MAT+NDVI+Elevation	Failed
MAP+Slope	0.748	0.735	470.639	NDVI+Slope+Elevation	Failed
MAT+NDVI	0.832	0.824	368.744	MAT+Slope+Elevation	Failed
MAT+Slope	0.815	0.766	478.439	MAP+Slope+Elevation	Failed
NDVI+Slope	0.816	0.797	395.967	MAP+NDVI+Elevation	Failed
MAP+MAT+NDVI	0.815	0.807	381.938	MAP+MAT+NDVI+Elevation	Failed
MAP+MAT+Slope	0.732	0.718	489.698	MAP+MAT+Slope+Elevation	Failed
MAT+NDVI+Slope	0.810	0.807	376.649	MAP+NDVI+Slope+Elevation	Failed
MAP+MAT+NDVI+Slope	0.818	0.808	371.194	MAT+NDVI+Slope+Elevation	Failed
Elevation	Failed			MAP+MAT+NDVI+Slope+Elevation	Failed

深度/cm	SOCS/（kg·m^-2）	SOC总量/Pg	百分比/%
0 ~ 30	5.65	8.17	53.16
0 ~ 50	6.71	9.70	63.12
0 ~ 100	8.25	11.93	77.61
0 ~ 200	10.63	15.37	100.00

植被类型	面积/（10³ km²）	SOCS/（kg·m^-2）				SOC总量/Pg
植被类型	面积/（10³ km²）	0 ~ 30 cm	0 ~ 50 cm	0 ~ 100 cm	0 ~ 200 cm	0 ~ 30 cm	0 ~ 50 cm	0 ~ 100 cm	0 ~ 200 cm
森林灌丛	153.81 220.30	9.90 9.59	11.18 11.03	13.44 13.55	17.81 17.95	1.52 2.11	1.72 2.43	2.07 2.98	2.74 3.95
高寒草甸	419.45	7.25	8.61	10.63	14.19	3.04	3.61	4.46	5.95
高寒草原	347.36	2.53	3.36	4.39	6.15	0.87	1.17	1.53	2.14
高寒荒漠	266.27	1.25	1.64	1.83	2.85	0.33	0.44	0.49	0.76

土壤类型	面积/（10³ km²）	SOCS/（kg·m^-2）				SOC总量/Pg
土壤类型	面积/（10³ km²）	0 ~ 30 cm	0 ~ 50 cm	0 ~ 100 cm	0 ~ 200 cm	0 ~ 30 cm	0 ~ 50 cm	0 ~ 100 cm	0 ~ 200 cm
棕色针叶林土	16.05	5.65	6.71	8.25	11.12	0.09	0.11	0.13	0.18
黄棕壤	14.81	8.27	9.10	11.55	15.37	0.12	0.13	0.17	0.23
棕壤	39.91	10.82	11.84	15.14	20.01	0.43	0.47	0.60	0.80
暗棕壤	70.48	10.86	12.07	14.56	19.25	0.77	0.85	1.03	1.36
褐土	22.21	7.28	8.53	11.21	14.93	0.16	0.19	0.25	0.33
灰褐土	23.59	8.25	10.28	12.60	16.72	0.19	0.24	0.30	0.39
黑钙土	7.22	9.04	12.68	15.67	20.68	0.07	0.09	0.11	0.15
栗钙土	27.10	4.87	6.96	9.37	12.56	0.13	0.19	0.25	0.34
棕钙土	49.46	2.20	2.70	2.80	4.10	0.11	0.13	0.14	0.20
灰棕漠土	41.39	0.47	0.74	1.33	2.20	0.02	0.03	0.06	0.09
棕漠土	39.46	2.19	2.37	2.74	4.02	0.09	0.09	0.11	0.16
新积土	2.87	2.46	3.18	3.91	5.53	0.01	0.01	0.01	0.02
风沙土	42.13	0.76	1.09	1.35	2.23	0.03	0.05	0.06	0.09
石质土	21.66	2.03	2.56	2.82	4.12	0.04	0.06	0.06	0.09
粗骨土	7.80	4.29	4.99	6.13	8.39	0.03	0.04	0.05	0.07
草甸土	34.22	5.12	6.33	7.86	10.62	0.18	0.22	0.27	0.36
沼泽土	17.83	8.44	10.19	12.67	16.82	0.15	0.18	0.23	0.30
泥炭土	2.12	12.55	14.94	18.23	23.98	0.03	0.03	0.04	0.05
盐土	32.58	0.75	1.11	1.51	2.44	0.02	0.04	0.05	0.08
灌淤土	1.75	5.63	9.45	10.08	13.48	0.01	0.02	0.02	0.02
草毡土	260.67	8.29	9.73	11.97	15.91	2.16	2.54	3.12	4.15
黑毡土	195.42	10.53	12.36	14.88	19.66	2.06	2.42	2.91	3.84
寒钙土	277.16	2.02	2.71	3.68	5.23	0.56	0.75	1.02	1.45
冷钙土	94.51	1.97	2.61	3.24	4.66	0.19	0.25	0.31	0.44
棕冷钙土	8.29	2.99	3.78	3.98	5.62	0.02	0.03	0.03	0.05
寒漠土	2.02	0.94	1.37	2.23	3.36	<0.01	<0.01	<0.01	0.01
冷漠土	2.79	1.26	1.70	2.30	3.45	<0.01	<0.01	0.01	0.01
寒冻土	36.55	4.86	5.49	7.04	9.56	0.18	0.2	0.26	0.35
砖红壤	2.73	3.67	3.95	4.22	5.93	0.01	0.01	0.01	0.02
赤红壤	3.70	3.62	3.91	4.42	6.18	0.01	0.01	0.02	0.02
红壤	2.17	6.76	7.01	13.56	17.96	0.01	0.02	0.03	0.04
黄壤	6.81	5.03	5.72	6.08	8.32	0.03	0.04	0.04	0.06

冻土类型	高寒草甸/（kg·m^-2）		高寒草原/（kg·m^-2）		高寒荒漠/（kg·m^-2）		文献来源
冻土类型	0 ~ 30 cm	0 ~ 200 cm	0 ~ 30 cm	0 ~ 200 cm	0 ~ 30 cm	0 ~ 200 cm	文献来源
多年冻土	7.25	17.49	2.85	7.66	1.27	7.40	Zhao等^［15］
季节冻土	7.25	14.19	2.53	6.15	1.25	2.85	本研究

基于地理加权回归的青藏高原季节冻土区土壤有机碳空间分布研究

Modelling soil organic carbon distribution in the seasonally frozen ground area on the Qinghai-Tibet Plateau using the geographically weighted regression

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方法	样点数量/个	RMSE/（kg·m^-2）	R²	文献来源
遥感反演	135	-	0.50	Yang等^［14］
面积加权平均	190	5.30	-	Mu等^［13］
克里金插值	378	5.15	0.45	本研究
GWR	378	4.48	0.56	本研究

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