专利名称：一种生态林土壤有机碳储量估算方法
技术领域：
本发明公布了一种生态林土壤有机碳(SOC)储量的估算方法，属林业生态工程技 术、环境监测技术及低碳经济技术等领域。
背景技术：
从地球化学元素碳的赋存形式而言，地球具有大气碳库，海洋碳库，岩石圈碳库以 及陆地生态系统碳库4大碳库，而陆地生态系统碳库包含了植被碳库和土壤碳库。由于土 壤是陆地生态系统的主体，而且存在着一系列的不确定性，因此，陆地土壤有机碳(SOC)储 量的估算和土壤碳固定成为生态学和全球变化研究的重要内容之一。森林生态系统是维护生态稳定性，保障生态安全的重要资源，生态系统是由生物 与环境组成的功能单位，土壤作为生态系统的重要环境因子之一，是物质循环、能量转换与 信息传递的重要媒介。而土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳库，是全球碳循环的重要组 成部分，在全球碳收支中占主导地位。土壤碳分为有机碳和无机碳(SIC)。SIC相对稳定， 与大气碳交换量少，而SOC则与大气进行着频繁地C02交换。1990年，IPCC根据全球气候 模型预测，到21世纪中叶，C02浓度倍增后，全球可能增温1. 50C -4. 50C (IPCC, 1992)，而 几乎所有全球气候变化的模型都预测土壤碳的损失是全球气候变暖的原因之一(Schimel D S, et al. 1994)。全球变暖的一个反应就是加速土壤有机碳的分解，并增加对大气的碳 释放，这也将进一步加强全球变暖的趋势(McGuire A D, et al.，1995)。土壤碳库及其变 动是影响大气C02浓度的关键生态过程，因此，土壤碳库的精确估算是研究全球变化、土壤 碳循环的重要基础。国外开展SOC储量的研究较早，一般采用土壤类型法、森林类型法、生 命带类型和模型法。SOC储量与土壤理化性质、气候、土地利用方式等密切相关。土壤理化 性质能影响SOC的稳定性。一般情况下，SOC含量与黏土含量呈显著的正相关(廖利平等， 2000)。S0C储量的空间分布与气候因子的空间差异密切相关(Posl W M, et al.，1982)， 在诸多气候因子中，气温的影响意义重大(周涛等，2003)。人类活动对SOC储量的影响 远远大于任何其它自然因素，土地利用方式的改变导致了土壤碳向大气中的大量排放，加 剧了大气C02浓度的增加。森林砍伐将造成净碳排放，草地向耕地转变可以形成土壤碳排 放也可能导致土壤碳积累，而草地向牧地转变或草地退化则必然造成土壤碳排放。近年来，关于森林生态系统的研究备受关注，特别是联合国2000年以来实施的陆 地生态系统监测计划，是人们对于各类生态系统的认识进一步深化。生态林作为维护和改 善生态环境，保持生态平衡，保护生物多样性等满足人类社会的生态、社会需求和可持续 发展为主体功能的森林、林木和林地，它主要包括了防护林和特种用途林，在缓解二氧化 碳积聚及舒缓温室效应等方面具有重要作用。生态林是以发挥生态效益为主的森林，主导 利用森林的生态功能。探索生态林背景下的土壤碳汇，进一步定量估算S0C，既是目前应对 全球变化的需要，也是科学规划生态林，发挥生态林综合效益的重要基础。SOC问题十分复 杂，为应对全球气候变化挑战，中国所建立的一系列生态工程(如三北防护林生态工程、长 江防护林生态工程、三江源生态工程、防沙治沙工程、天然林保护工程、退耕还林工程等)，特别是建设的一系列生态林，为碳减排发挥着重要作用。在生态林中，土壤碳库是趋于一种动态平衡的过程之中，这个动态平衡过程会受 到许多因素干扰，比如温度、湿度、土地利用方式等，都会控制碳输入和输出的量，进而控制 碳源和碳汇的大小和方式。当SOC含量逼近或到达饱和水平时，增加外源碳的投入将不再 增加土壤有机碳库。因此，研究不同条件下生态林的土壤碳汇机制、分辨土壤碳汇区，不但 是生态林土壤碳增汇的重要理论基础，也是国家制定生态林土壤固碳策略的重要基础科学 依据。目前，国内外关于碳储量问题的研究十分活跃，这是应对全球变化以及发展低碳 经济的迫切要求，也是实现资源环境及社会经济可持续发展的需要。围绕不同目的，关于碳 问题的研究方法有土壤类型法、植被类型法和模型法等，并取得了一些积极的进展。由于土 壤类型复杂，变化多样，不确定因素多，数据误差较大，准确估算SOC仍有诸多问题没有解 决。有机碳含量与土壤类型、生态系统、土地利用方式等有关，还取决于净生物输入量、耕作 方式和有机碳稳定性等众多因素。因此，准确测定土壤有机碳储量和进行土壤碳循环研究 成为科学界关注的重要课题。我国SOC对于全球变化的持续影响，引起了世界各国的高度 关注，有关专家认为，土地利用变化导致陆地碳库变化是温室效应的主要驱动因素之一。因 此，国际碳减排要求可报告、可测量和可证实；探索生态林SOC的估算问题，分析生态林碳 的赋存形式及转化机制，对于科学认识碳减排，进一步制定减排标准，具有重大的理论价值 与现实意义。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种生态林土壤有机碳储量 估算方法。本发明一种生态林SOC储量的估算方法，其主要步骤如下
a)获取遥感信息源，进行生态林土壤信息识别，获得各土壤景观类型的地理位置、地面 覆盖状况等属性数据；
b)将步骤a)所述的各土壤景观类型的属性数据应用系统方法进行分析，得到土壤景观 格局信息；
c)基于步骤a)及b)信息支撑，从地理位置、地面植被覆盖以及区域地下水埋深等空间 差异性，确定土壤采样点，挖掘典型剖面；
d)对步骤c)剖面进行分层采集土壤样品；
e)对步骤d)取得的土壤样品进行预处理；
f )基于重铬酸钾容量法获取步骤e)所述土壤样品的SOC信息；
g)基于步骤f)获得的土壤样品的SOC信息，建立SOC估算模型；
h)基于步骤g)SOC估算模型定量估算SOC储量；
i)获取生态林多元数据，分析SOC时空特征及变化规律。所述SOC估算模型如下 ESOc=k1 · k2 · V · K3 · k4 · M
式中Esre为生态林的土壤有机碳储量；
V为实际滴定所用滴定液(FeS04)与标准液(K2Cr2O7)比例关系；M为土壤样品的烘干重；
Kl为标准溶液的浓度，即0. 8000mol · Γ1 (IM2Cr2O7)标准溶液的浓度； Κ2为量纲转化系数； Κ3为1/4碳原子的摩尔质量； Κ4为氧化校正系数。本发明针对生态林SOC的定量化问题，开展方法探索，为生态林结构合理配置、生 态系统服务价值发挥以及节能减排、低碳经济等问题的解决，提供重要理论依据及方法支撑。关于SOC估算方法，首次实现对生态林碳储量的估算，是生态林生态工程建设的 理论与技术进一步科学化；把实际调查土壤与遥感监测方法相结合，并定量估算有机碳储 量，是碳储量估算方法的新进展；构建了针对生态林的土壤有机碳估算的模式及途径，对于 生态林建设以及植物碳吸收减排具有重要指导价值；比较方便地获得生态林碳储量时空特 征及动态变化，为生态建设、循环经济机低碳经济的发展提供了模式与途径。


图1 本发明生态林SOC储量估算方法流程。
具体实施例方式发明要解决的技术问题是基于相关碳转化的原理进行实验室分析与定量估算，针 对生态林碳储量评估进行技术研发。如图1所示，本发明一种生态林SOC储量的估算方法， 其主要步骤如下
a)获取遥感信息源，进行生态林土壤信息识别，获得各土壤景观类型的地理位置、地面 覆盖状况等属性数据；
b)将步骤a)所述的各土壤景观类型的属性数据应用系统方法进行分析，得到土壤景观 格局信息；
c)基于步骤a)及b)信息支撑，从地理位置、地面植被覆盖以及区域地下水埋深等空间 差异性，确定土壤采样点，挖掘典型剖面；
d)对步骤c)剖面进行分层采集土壤样品；
e)对步骤d)取得的土壤样品进行预处理；
f )基于重铬酸钾容量法获取步骤e)所述土壤样品的SOC信息；
g)基于步骤f)获得的土壤样品的SOC信息，建立SOC估算模型；
h)基于步骤g)SOC估算模型定量估算SOC储量；
i)获取生态林多元数据，分析SOC时空特征及变化规律。具体执行方法如下 1) 土壤样品获取
基于遥感信息的识别与提取，在生态林的不同区域，结合地下水埋深、树种类型、树木 生长状况等确定若干土壤采样点；挖掘IOOcm深标准土壤剖面，并按照土壤地理学、土壤 分类学的原理进行分层；基于对各层土壤物理性状的了解，采集各层土壤样品，作为实验室 土壤化学性质分析的依据。
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2) 土样化学分析
把土壤原始采集样品在室内经风干及烘干等预处理后，备作化学分析；按照化学分析 的原理制备土壤溶液，制备化学滴定。3) SOC信息获取
SOC含量采用重铬酸钾容量法一外加热法测定。在外加热的条件下(油浴温度为180°C，沸腾5分钟)，用一定浓度的重铬酸钾一硫 酸溶液氧化土壤有机质(碳)，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定，从所消耗的重铬酸钾量， 计算有机碳的含量。4) SOC储量计算模式建立
基于物质循环原理以及化学反映平衡原理，同时，考虑参数量纲及其标准化，构建生态 林SOC的估算模式。Esoc=Ii1 · k2 · V · K3 · k4 · M
式中Esre为生态林的土壤有机碳储量g · kg"1
V为实际滴定所用滴定液(FeS04)与标准液(K2Cr2O7)比例关系； M为土壤样品的烘干重g
Kl为标准溶液的浓度，即0. 8000mol · Γ1 (IM2Cr2O7)标准溶液的浓度； Κ2为量纲转化系数，将mL换算为L，即10_3 Κ3为1/4碳原子的摩尔质量，即3. 0，g · πιοΓ1 ； K4为氧化校正系数，S卩1. 1。5) SOC特征分析。利用生态林各个样方SOC储量数据，结合生态林植被特征，在GIS软件ArcGIS9. 2 系统平台支持下，可以进一步分析SOC时空分布的特征及规律。生态林的生长状况直接受到气候、地形、地貌、土壤、水文状况的影响，特定自然地 理背景下生态林的土壤状况又与碳的赋存形式及动态变化等密切相关。研发生态林SOC估 算模式，并进行定量化估算具有重要的理论价值与现实意义。(1)构建SOC估算模型
应用生态系统耦合的原理与方法，基于碳在土壤中的存在方式及状态，在其理化性状 的指导下，构建SOC的估算模式。(2)分析生态林SOC估算结果
按照前述生态林SOC储量及垂直分布特征。由表1可见，克拉玛依生态林Im深度土 壤有机碳总储量为251934. 4MgC，约为0. 252Tg，平均碳密度为37. 79 Mg · hm_2。不同层次 土壤有机碳储量差异较大，介于43757. 16MgC-58531.99MgC之间。在所有土壤层次中，a层 (0-20cm) 土壤有机碳储量占土壤总有机碳储的23. 23%，表明表层土壤有机碳储量占有主 要地位，另外a、b、c、d四层(O-SOcm) 土壤有机碳储量占总碳储量81. 64%，土壤有机碳储 量含量依次递减，符合碳密度变化规律。衣
林土壤层有机碳储:
土壤层;
(cm)
面积 (hi[i:)
各层认土壤
碳密度
权利要求
一种生态林土壤有机碳储量估算方法，其特征在于包括如下步骤a)获取遥感信息源，进行生态林土壤信息识别，获得各土壤景观类型的地理位置、地面覆盖状况等属性数据；b)将步骤a)所述的各土壤景观类型的属性数据应用系统方法进行分析，得到土壤景观格局信息；c)基于步骤a)及b)信息支撑，从地理位置、地面植被覆盖以及区域地下水埋深等空间差异性，确定土壤采样点，挖掘典型剖面；d)对步骤c)剖面进行分层采集土壤样品；e)对步骤d)取得的土壤样品进行预处理；f)基于重铬酸钾容量法获取步骤e)所述土壤样品的SOC信息；g)基于步骤f)获得的土壤样品的SOC信息，建立SOC估算模型；h)基于步骤g)SOC估算模型定量估算SOC储量；i)获取生态林多元数据，分析SOC时空特征及变化规律。
2.根据权力要求1所述的一种生态林土壤有机碳储量估算方法，其特征在于所述SOC 估算模型如下ESOc=k1 · k2 · V · K3 · k4 · M式中Esre为生态林的土壤有机碳储量；V为实际滴定所用滴定液(FeS04)与标准液(K2Cr2O7)比例关系； M为土壤样品的烘干重；Kl为标准溶液的浓度，即0. 8000mol · Γ1 (IM2Cr2O7)标准溶液的浓度； Κ2为量纲转化系数； Κ3为1/4碳原子的摩尔质量； Κ4为氧化校正系数。
全文摘要
本发明公布了一种生态林土壤有机碳(SOC)储量估算方法，属于林业生态的环境监测技术及低碳经济技术等领域。本发明方法包括获得各土壤景观类型的属性数据；将各土壤景观类型的属性数据经过特征分析得到土壤景观格局信息；挖掘典型剖面；对剖面进行分层采集土壤样品；对取得的土壤样品进行预处理；基于重铬酸钾容量法获取所述土壤样品的SOC信息；获得的土壤样品的SOC信息，建立SOC估算模型；定量估算SOC储量；获取生态林多元数据，分析SOC时空特征及变化规律。本发明反映了生态林以碳为核心的生态效应的特征及规律，能够全面系统地反映出生态林的客观特征与变化规律，指导二氧化碳植被减排及生态经济发展的客观实践。
文档编号G01N31/16GK101984353SQ201010519418
公开日2011年3月9日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者卢筱莉, 吕妍, 宁虎森, 张慧芝, 徐德福, 李琪, 王让会 申请人:南京信息工程大学