空间监测全球土壤有机碳储量的变化

研究背景

面对当前增加的生物量的压力，全世界的土壤资源都受到了威胁。土壤有机碳是土壤资源最重要的组成部分之一，是所有陆地生态系统的重要组成部分，也是控制养分和水循环以及为生物多样性提供栖息地的关键。由于它对食物、土壤、水和能源安全的重要性，监测全球土壤碳的变化至关重要，这不仅是为了识别脆弱地区和阻止土壤退化，也是为了评估任何潜在土壤再生计划的有效性。评估全球有机碳储量已有许多方法。其中DSM框架已被证明对许多应用是有效的，然而，产生的产品是静态的，这是一个重要的缺点，特别是对于动态的土壤属性，如有机碳。这就需要将土地覆被变化动态纳入SOC评估。然而在全球范围内获取准确和最新的土地覆盖信息具有挑战性，许多研究依赖于使用卫星，这产生了不希望的结果，如当模型看到原始土地覆被的逆转时，有机碳含量的突然变化。为了解决上述建模挑战，作者在此引入一个带记忆的半机械模型，使用迄今为止最大的全球土壤信息汇编来评估全球范围内的有机碳。

主要内容

土壤在全球范围内受到威胁，许多地方的土壤生产力和土壤健康都在下降。作为土壤功能的关键指标，土壤有机碳对于确保粮食、土壤、水和能源安全以及保护生物多样性至关重要。虽然全球都在努力绘制有机碳储量和状况图，但有机碳是一种动态的土壤属性，可以随着土地管理和土地利用的变化而迅速变化。在这里，作者引入了一个半机械模型来监测全球范围内的有机碳储量，该模型由迄今为止最大的全球土壤数据库之一支持。该模型生成了2001年的有机碳储量基线，然后通过跟踪从遥感产品获得的年度土地覆被变化随时间传播，损失和增益动态取决于温度和降水，最终确定有机碳变化的幅度、速率和方向。作者估计，2001年至2020年，全球表层30厘米的有机碳储量约为793皮克，由于土地覆盖变化，每年损失1.9皮克有机碳。热带和亚热带地区的损失最大，几乎占全球总损失的50%。这是温室气体排放的一个相当大的因素，但它也对农业生产产生直接影响。拟议的建模框架很灵活，允许随着更多遥感和土壤数据的出现而更新，提供了一个前所未有的全球时空有机碳储量评估和监测系统。

方法步骤

1.作者使用卫星图像提取每个采样点的土地覆盖信息。由于数据集中的体积密度(BD)信息有限，使用一个土壤转移函数来预测BD

2. 作者进行了多阶段建模，混合了统计和机械推理。首先为2001年生成一个“基线”模型，其形式为：

作者从基线开始执行“土地覆盖追踪”程序，确定了土地覆盖变化发生的时间和地点、变化的性质以及新的土地覆盖持续的时间，产生了一个1年时间分辨率的地图系列。

3.土壤有机碳动态

当土地覆盖发生变化时，会引发一系列事件，导致受影响系统的属性发生变化，包括有机碳含量。这些变化通常会持续一段时间，直到系统达到新的平衡。这些平衡状态与每个土地覆被的平均有机碳含量有关。初始系统平衡状态和新系统平衡状态之间的转变发生在一段时间内，在这里变化的速率取决于温度和水

结合这等式(3)和(4)，可以获得归一化的速率修正因

子

为了说明SOC累积，作者使用逻辑函数生成了一个权重序列，其长度和形状取决于标准化的速率修正因子

为了模拟SOC损耗机制，作者使用指数衰减函数来生成权重序列

4.通过组合幅度、变化率和形状，可以评估SOC的差异。

重要图表

主要结论

1.从全球碳储量来看，在撒哈拉沙漠、阿拉伯沙漠、戈壁沙漠、澳大利亚沙漠和阿塔卡马沙漠等地区有机碳含量较低，而在两极地区有机碳含量较高。从2001年到2020年，表层土壤中的SOC 全球平均损失为1.9 Pg。最大的损失集中在热带地区和亚热带地区。

2.从对粮食安全的威胁来看，农业对有机碳储量有着重要的影响，管理措施可以使土壤成为碳汇或碳源。农业生产力与有机碳的数量直接相关，如果低于某些临界限度，土壤状况就会恶化，影响产量。对于热带土壤，当有机碳浓度低于1.1%的临界限值时，作物产量减少20%。同样，在温带地区，产量显著降低到临界有机碳限度2%以下。通过增加土壤中可以保留的碳量来发挥作用。土壤固碳对于保护土壤及其提供的多种功能和服务是必不可少的。

3.从建立全球预警系统来看，作者设计这个建模框架时考虑到了限制和潜在的改进。它足够灵活，随着新的或更好的数据(土壤观测、协变量和土地覆盖图)的出现，很容易更新。

小编说

该文题目为“Monitoring changes in global soil organic carbon stocks from space”，于2022年12月发表于《Remote Sensing of Environment》期刊（IF=13.85）。本研究提出了一个时空模型来监测全球范围内的土壤有机碳(SOC)储量。该模型使用数字土壤制图框架，根据大型全球土壤剖面数据库生成基线储量估计。然后，利用基于卫星观测的年度土地覆盖追踪程序对这些估计值进行监测。该模型解决了2019年修订《2006年IPCC国家温室气体清单指南》时发现的当前方法的许多缺点。

来源：知天象/生态遥感前沿

转自：“测绘学术资讯”微信公众号

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