GCB文献快报丨欧洲农田和草地的土壤有机碳储量:过去十年我们损失了多少?

文摘   科学   2023-11-03 10:11   北京  
   

      
01 文章摘要

土壤是陆地上最大的碳库。鉴于陆地碳库的规模,土壤碳储量的变化可能会对大气二氧化碳浓度产生重大影响。在此背景下,欧盟委员会制定了欧盟2030土壤战略,以通过针对性、可持续性的土地管理增加农业用地中土壤有机碳(SOC)的储量。量化SOC的变化以及其变化的主要驱动因素对于欧盟农业政策制定至关重要。本文根据欧盟土地利用/土地覆被面积框架调查(LUCAS)在2009、2015和2018年开展的样点调查数据,使用分位数广义加性模型(qGAM)估算了2009年到2018年间欧盟和英国的SOC储量变化。

结果表明2009 年、2015 年和 2018 年 LUCAS 活动中观察到的土地利用和土地利用变化(即连续草地[GGG] 或农田 [CCC]、草地转变为农田(GGC 或GCC),反之亦然 [CGG 或 CCG])是 SOC 变化的主要驱动因素之一。其中, 连续的农田是导致 ΔSOC 最大负变化的因素,影响为 - 0.04 ± 0.01 g C kg-1 year-1;而连续的草地则贡献了最高的正变化,估计部分效应为 0.49 ± 0.02(图1)。这一结果证实了退耕还草的碳固存潜力。

图1 qGAM包含预测变量的偏相关图。P降水 P_CV降水变异系数 MAT年平均温度

此外,重要的是要考虑到当地的土壤和环境条件可能会减弱或增强草地对土壤碳储存的积极影响。在欧盟和英国,本文估计的当前(2018年)海拔1000 m以下的农田表土(0-20 cm)SOC储量为9.3 Gt,在2009-2018年期间Δ SOC为-0.75%。其中,估计的 SOC 损失最高集中在研究区中北部国家,而东南部国家则出现较小损失(图2)。此外,作者还设置了两种不同土地利用建模情景:将农田转变为草地 (C_to_G)和草地转变农田(G_to_C),并根据此估计了实行土地利用变化的土壤碳潜力(图3


图2 2009-2018年qGAM 对ΔSOC进行的空间预测



02 重点方法

LUCAS数据:LUCAS 计划是整个欧盟最大的综合性和统一的表土数据来源。每次调查均按照ISO 标准程序对跨越各种土地覆盖的约 22,000 个地点进行了采样并分析其物理和化学特性。作者从这些样点中通过质量控制流程确定了4482个观测点,计算了样点的ΔSOC(2018年和2009年的差异)作为模型的输入。同时针对于特定区域样点时间跨度不一致的问题根据年ΔSOC进行了映射。

qGAM建模和升尺度:不同于标准的GAM模型需要确定响应变量(本文为ΔSOC)的分布,qGAM 是非参数模型,能够拟合感兴趣的条件分位数,而无需做出任何参数假设。qGAM通过最小化带有惩罚项的分位数损失来拟合,这使它们对异常值的敏感性较小,使其更加适合于采样分析。本文中的qGAM模型是根据R包 mgcViz建立:

训练后的模型使用分辨率为 500 m 的空间显式协变量来进行整个欧盟 + 英国的 Δ SOC预测(图2)。


土地利用变化情景:研究了两种不同的土地利用变化情景:将农田转变为草地(C_to_G)和将草地转变为耕地(G_to_C)。对这两种情景得到的Δ SOC 估算值进行排名,范围从0到100,分别表示最低的负 Δ SOC 和最高的正 Δ SOC。对于每种情景(C_to_G 和 G_to_C),考虑了土地利用逐渐的变化,采用5%的增量计算了累积 Δ SOC。


   图3 不同土地利用变化情景下ΔSOC的排名和潜力


03 编者评述

土壤有机碳变化机制和动态在近些年受到了学界广泛的关注。因其无法通过遥感的手段直接观测得到,其空间模式一直都是依赖于样点或者样带结合机器学习升尺度得到。但又受限于样点数据的限制,少有大尺度的土壤有机碳长时间动态研究。在这项研究中,作者使用了统计模型通过样点尺度的训练再进行外推,并没有使用常用的机器学习的方法。在讨论部分作者使用研究的结果和其他模型进行了对比(补充文件中也有),证明了建模的可靠性。这也给我们对统计模型和机器学习模型的选择提供了一个参考。


 *第一&通讯作者:Daniele De Rosa

 *第一作者单位:欧盟委员会联合研究中心European Commission, Joint Research Centre (JRC), Ispra, Italy)


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撰稿丨Geoffrey

审核丨DoraGeomon, &GeoDuo

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