基于遥感和GIS的上海土地利用变化与土壤碳库研究

1、基于遥感和GIS的上海土地利用变化与土壤碳库研究【摘要】：作为陆地生态系统碳库的重要组成部分，土壤碳库在控制 温室气体浓度增加和减缓全球变暖方面具有重要的作用。人类活动引 起的土地利用变化是影响和控制土壤碳库及其源汇效应的关键因子。 认识和掌握区域土壤碳库及动态变化，必须与土地利用利用变化的研 究相结合。随着城市化的发展，城市用地面积不断增加，城市土壤在 全球碳循环中的作用显得日益重要。由于人口的集中和经济活动的频 繁，城市是土地利用变化和土壤碳库变化最为典型的区域之一。加强城市区域的土壤碳库、分布特征，及其土地利用变化对城市土壤碳库 的影响的估算，不仅可以为城市制定合理的温室气体的减排和增汇

2、措 施提供科学依据，同时对于丰富全球土壤碳循环的研究内容和预测全 球变化趋势方面也具有十分重要的意义。本文以上海作为研究区域， 将城市土地利用变化和土壤碳库研究相结合，利用遥感和GIS手段,分析上海1994-2006年的土地利用变化；通过野外实地采样，结合土 地利用变化的研究结果，估算了不同时期上海土壤碳库，以及土地利 用变化引起的土壤碳库的动态变化，所得的主要结论如下： (1)1994-2006期间，上海土地利用变化显著。在各类用地中，农田面 积变化最大，从1994-2006年近12年间，农田面积共减少了94007. 72hm2，年平均减少面积为 7833. 98hm2，而城市绿地的 变化幅

3、度最大，12年间的平均动态度为18. 76%。工业用地和城镇 建设用地是农田流出的主要的转移方向，占农田面积总流出量的yiT论女為衣站家54. 47%。因此工业和城镇建设用地的快速扩张而占用大量农田，成 为本区土地利用变化的主要特征，同时城市绿地的大幅增加也成为上 海土地利用变化的一个重要特征。 从区域土地利用变化来看，各区的 综合土地利用动态度具有明显的差异，表现出由市区-近郊-远郊递减的趋势，其中浦东新区的综合土地利用动态度最大，而崇明最低。土 地利用变化程度的差异与各区的区位条件、经济发展状况以及政策等因素密切相关。(2)上海不同土地利用方式下的土壤碳氮含量和土壤 碳密度差异明显，水稻田

4、固碳能力最高，其SOC密度为3. 859kg/m2,滩涂固碳能力最低，其 SOC密度为1. 379kg/ m2,其他几 种土地利用方式的SOC密度的大小依次为旱地(3. 173kg/m2)林 地(3. 147kg/m2)撂荒地(2. 727kg/m2)城市草坪(2. 647kg / m2) 园地(2. 130kg/ m2)。通过对3种土地利用变化对土壤 碳库的影响研究表明：水田转化为旱地，土壤碳氮含量以及碳密度明 显降低；农田撂荒后，除表层0-5cm内的土壤碳氮含量和碳密度增加 外，在0-35cm的深度范围内，撂荒地的碳氮含量以及碳密度总体低 于农田，表明在水热条件良好的长三角平原地区，农田撂

5、荒对提高土壤碳氮含量以及碳密度效果不佳；水田转变为林地后，在4-5年内，会引起表层土壤碳氮的损失，从而表明，从较短的时期来看，相对于 人工林地，水田具有更好的固碳效果。(4)利用实测的各种土地利用类型的土壤碳密度，结合土地利用变化的研究结果，估算了 1994年、 2000年、2003年、2006年4个时期的上海0-20cm的表层的SOC储 量，结果表明：4个时期的0-20cm的表层土壤的SOC储量分别为C易发表用yiT论女第表匸冢1490. 47 万 t、1399. 12 万 t、1283. 56 万 t、1185. 80 万 t，呈逐年 递减的趋势；平均SOC密度分别为35. 41t/hm2

6、、35. 44t/hm2、 35. 06t/hm2、35. 15t/hm2，呈波动变化；从SOC储量的空间 分布来看，表现出明显的由市区-近郊-远郊递增的规律，这与上海土 地利用的空间分布格局以及人类活动干扰的程度的区域差异密切相 关。其中崇明的SOC储量最高，为305. 28万t（2006），市区最低， 仅有5. 31万t。从各区SOC储量的年际变化趋势来看，各区 SOC 储量均趋于减少，其中松江区的 SOC的损失量最大，为50. 90万t, 其次是青浦，为40. 97万t,市区SOC储量损失量最少，仅为4. 94 万t。从各类土地利用的SOC储量的变化来看，12年间，农田SOC 储量共减少

7、了 336. 92万t，城市绿地、林地和园地SOC储量分别增 加了 26. 91万t、4. 19万t、4. 22万t。总体来看，在此期间，由 于土地利用变化使得上海 SOC储量的损失量达到306. 99万t,相当 于2000年的化石燃料燃烧所产生的碳排放总量（3981万t）的7.71%。由此可见，人类活动所导致的土地利用变化正在成为影响上海土壤碳 库的重要原因。（5）采取合理的土地经营管理措施有利于提高土壤的 固碳潜力。研究表明，采用增施绿肥、提高秸秆还田比例、有机肥和 化肥的配合使用可使农田土壤的固定潜力显著提高；造林对增加城市森林的植被和土壤碳汇效果明显； 大力加强城市绿地建设，提高城市绿

8、地管理水平对增加城市土壤碳汇亦具有重要的作用；此外，随着上海滩涂的进一步淤积以及对滩涂的合理利用， 滩涂固碳潜力巨大。【关 键词】：土地利用土壤有机碳上海【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：F301;P208【目录】:摘要6-8Abstract8-15第一章绪论15-311.1引言151.2 土壤 碳库在全球变化中的作用和意义15-161.3 土壤有机碳的影响因素16-191.3.1自然因素对土壤有机碳储量的影响16-17132人类活动对于土壤有机碳储量的影响17-191.4 土壤碳库的研究方法19-211.4.1 土 壤类型法19-201.4

9、.2植被类型、生态系统类型和生命地带法201.4.3相关关系统计法201.4.4模型方法20-211.5土壤有机碳的国内外研究 进展21-261.5.1不同空间尺度的土壤碳库研究 21-241.5.2碳循环模型 在土壤有机碳研究中的运用24-251.5.3 土地利用方式及其变化对土壤 有机碳的影响25-261.6研究意义26-281.7研究目标、研究内容和研 究技术路线28-311.7.1研究目标281.7.2研究内容28-301.7.3研究的技 术路线30-31第二章研究区概况31-342.1地理位置和面积312.2气候 312.3地貌31-322.4 土壤322.5植被32-332.6水文

10、332.7社会经济概 况33-34第三章上海土地利用的时空变化特征分析34-693.1区域土地利用变化对碳循环研究的意义 343.2数据和方法34-373.2.1数据来源 34-353.2.2数据的处理 35-363.2.3 土地利用变化的分析方法 36-373.3上海不同时期土地利用动态变化分析37-443.3.11994-2000期间上海土地利用的动态变化38-40332上海2000-2003年间的土地利用变化40-41333上海 2003-2006年间的土地利用变化41-42334上海1994-2006年土地利用的动态变化42-443.4上海不同土地利用的转移矩阵分析 44-563.4.

11、1上海1994-2000年土地利用的转移矩阵分析45-483.4.2上海2000-2003年的土地利用的转移矩阵分析 48-503.4.3 上海2003-2006年土地利用的转移矩阵分析 50-533.4.4上海1994-2006 年土地利用的转移矩阵分析 53-563.5上海土地利用变化的区域特征56-593.5.1区域土地利用变化和动态度分析56-593.5.2区域综合土地利用动态度593.6基于马尔科夫模型的上海土地利用变化的预测研究59-673.6.1研究方法-Markov模型60-613.6.2研究过程及结果分析61-653.6.3模型的检验 65-663.6.4上海未来土地利用变化

12、的预测66-673.7小结67-69第四章上海土地利用变化的驱动力机制研究69-844.1 土地利用变化驱动力的定性分析 69-744.1.1人口分布及变化的驱动69-714.1.2经济增长驱动71-724.1.3人民生活水平提高的驱动72-734.1.4政策因素的影响73-744.1.5国际大型活动举办的驱动744.2LUCC驱动力的定量分析74-834.2.1耕地变化驱动力的定量分析74-764.2.2林地变化的驱动力的定量分析76-784.2.3城市绿地面积变化驱动因子的定量分析 78-804.2.4多元回归分析80-834.3小结83-84第五章上海不同土地利用方式下的土壤碳氮特征研究

13、84-995.1研究方法84-865.1.1野外采样84-855.1.2样品的处理和分析测试 85-865.2结果分析86-975.2.1不同土地利用方式下的土壤有机碳含量86-875.2.2不同土地利用方式下的全氮含量87-885.2.3不同土地利用方式下的土壤容重88-89524不同土地利用方式下的土壤碳密度89-90525 土地利用变化对土壤碳氮蓄积的影响90-975.3小结97-99第六章上海土地利用变化对土壤碳库的影响99-1136.1上海土壤碳库的估算99-1036.2 土地利用变化引起的土壤碳库的变化103-1056.3上海2010-2030年的土壤碳库的预测105-1066.4上海土壤固碳潜力分析 106-1116.4.1农田土壤固碳潜力分析106-1086.4.2造林的固碳潜力分 析108-1096.4.3城市绿地管理对固碳的影响109-1106