基于遥感数据产品的亚热带地区土壤有机碳储量评估以长株潭绿心区为例

ssessent ofSoil Organic Carbon Storage in Subtropical Regins Based on Remote SensingData Products：A Case Studyof Chang sha-Zhuzhou-Xiangtan Green Heart Region

CHEN Zhu123，XIAOHai23，QUAN Si-xiang12etal（1.HunanSecond SurveyingandMaping Institute，Changsha，Hunan 41000；2.HunaEgineingReseachCnterfitgofturalEosteCarboSinks，anshaunan3Kbto ofNaturalResoucsoitogandSupervsinoutHlleasofteistryofaturalResoucs，Cangsha，Hun4

AbstractTakingthecoreareaofChangsha-Zhuzhou-XiangtanGren HeartCentralParkastheresearchobject，basedonon-sitecoleted dataincludingslnicarbodatultispetralotesigdataigialatioodels（E），eteorologicaldata（iiati andtemperatre），landaalchangesureydataandothruiliarydtautiplelinearegresionmodels，tepwseregressioodels andrandom forest models were selected to invert and evaluate the organic carbon density and storage in the cm surface and profile，respectivelyTecuacfecsofetiatioesulsofdfetodeletoseompredndepoceofchlue cingfactorwasanalyzed.Teresultshowedthatherandomforestmodeldemonstratedtheighestaccracyiestimatingteorganicarbon density of 0-20 cm surface soil （ ），with significant factors including surface reflectance in the blue light band，elevation，water flow intensityindexteiditydededulaestepsegodelowdestccacyiiatinghe file soil organic carbon density（ ），with significant factors including elevation，water flow intensity index，terrain undulation，greennessindex，oldgetatiodex，soladstedgeatiodedeagtmperature.eatialdistrtioaef 0- 20cm surfacesoiloganiarbonensityoincidewiththspatialdistribtionoftudulatidicatingsignificantiueneft topographyontedistrbutionofsurfacesoilrganicarboneseves.Teorderofufacesoilorganicarbondnsityfromhighesttolowestamong different land use types in the study area was forest land > paddy field > orchard land > grassland > dry land.

Key WordsRemote sensing data products；Soil organic carbon density；Soil organic carbon storage；Subtropical region

陆地生态系统中，土壤是最大的碳库，约 81.2% 的碳贮存在土壤中[1]，全球 1m 深度的土壤中储藏的有机碳量约1500Gt ，相当于大气二氧化碳中碳的2＼～3倍[2]，土壤对碳固持有很大的潜力。土壤碳库包含无机碳库和有机碳库2个部分，其中土壤有机碳库是陆地生态系统中变化快、体量大的碳库之一，受自然因素以及人类活动的影响程度高，在很大程度上影响了土地生产力及其稳定性[3]。加强对土壤有机碳储量的研究对于当前开展生态系统碳汇监测与核算、实施“碳达峰碳中和”战略具有十分重要的意义。

目前，土壤有机碳储量研究方法有土壤类型法、生命带法、模型估算法、GIS估算法等。以往核算土壤有机碳含量与空间分布往往通过大量的地面调查数据，根据土壤类型或土地利用类型，将土壤有机碳储量平均分配给每个土壤类型或土地利用类型图斑，这些方法受制于采样数量、频率以及时间，往往成本高、耗时长且数据更新不及时，无法准确反映每个图斑土壤有机碳的含量、空间异质性以及时间动态变化[4]。随着卫星遥感与测绘地理信息技术的飞速发展，各类自然资源大数据已成功应用于不同比例尺的土壤有机碳的估算研究中。模型估算法能够通过已有样点数据，将其类推至相似土壤类型中，可以较好地解决由样点数据向大尺度转换、碳库数据变化趋势的预测等难题。目前，模型估算法已被广泛使用在高寒地区[5]、高纬度沼泽湿地[、三江平原[7]辽河流域[8]、干旱盆地地区[9]等国内多个不同区域尺度、不同地理位置与环境条件区域的土壤有机碳估算。但由于没有统一的采样或分析方法或因为环境变量的分辨率不一，导致相同区域计算结果出现了较大的差异[10]。因此，寻找并优化准确评估土壤有机碳含量的方法具有重要的现实意义。

该研究选择亚热带地区的湖南省长株潭绿心中央公园核心区（以下简称长株潭绿心区）为研究对象，以该地区数字高程模型数据、多光谱遥感影像数据、国土年度变更调查数据、气象数据以及实地土壤采样数据等为基础数据源，生成水流强度指数、地形湿度指数、地形起伏度、绿度指数、归一化植被指数、土壤调节植被指数等遥感数据产品，选择多元线性回归、逐步回归和随机森林等不同的机器学习算法，对研究区范围内 0～20cm 表层土壤和剖面土壤有机碳密度进行反演估算，并根据部分实测数据检验不同方法的精度差异，分析各类影响因素，形成最优的基于多源遥感数据产品和机器学习算法土壤有机碳估算模型，估算研究区范围内0～20cm 表层和剖面土壤有机碳储量。

1材料与方法

1.1研究区概况长株潭绿心中央公园位于湖南省长沙、株洲和湘潭3市交界处，是长株潭城市群生态绿心的核心区域，全区域面积共计 ，其中核心区面积为 ，地处亚热带季风气候区，雨热同期，降水充沛，四季分明。区域内地形丰富，植被种类多元，总体海拔较低，是典型的低山-丘陵地貌。湘江、浏阳河等水系穿越长株潭绿心区，形成了丘岗、山塘、村落、耕地共存的景观空间格局。长株潭绿心区是“长株潭都市圈”的中心地区，是我国现有都市圈内少有的大型绿色空间。在“双碳”建设背景下，厘清碳储发展脉络与空间格局，对于实现绿心区生态与经济共同发展十分重要[]

1.2研究思路该研究根据长株潭绿心区土地利用和地形分布特点，结合土壤采样点空间分布的总体均衡性原则，布设土壤采样点450个，采样点空间分布如图1所示。详细调查长株潭绿心区450个采样点的环境信息，开展各个样点的土壤样品采集与有机碳含量检验；结合测绘地理信息技术，多途径整合区域环境变量，分析 0～20cm 表层和剖面土壤有机碳的空间分布数据，探索并建立土壤有机碳密度与环境变量之间的关系模型，同时进行精度验证，评价并选择评估结果较优的模型，计算土壤有机碳储量。

1.3 研究方法

1.3.1土壤样品采集。采样点的布设基于2022年度国土变更数据，选取数据中的林地、水田、旱地、园地和草地等不同土地利用方式图斑，按照空间分布总体均衡性原则布设土壤采样点450个（包括表层样品和剖面样品）。在采集表层容重样品时，在每块样地选取邻近的3个土壤样点，取过100自筛烘干后的土壤样品，采用碳氮元素分析仪分析测定每个样品的土壤有机碳含量；采用环刀法测定土壤容重；另取约1/3采样土壤置于 烘箱烘干 5h 后称土壤总重量，然后磨碎过 2mm 筛留取大颗粒于水中清洗掉泥土后再于

烘箱烘干 2h ，称取砾石重量。

土壤有机碳密度计算公式如下：

式中： 为第 i 个格点土壤有机碳密度（ ）； 为第i 个格点土壤有机碳含量（ g/kg） ： 为第 i 个格点土壤容重L ，土壤容重 （P）= 烘干土样质量/环刀容积； H 为土层厚度 τ（m） 。

土壤有机碳储量计算公式如下：

（2）式中：SOCS为土壤有机碳储量 为第 i 个格点的面积 为砾石含量 （%） ，砾石含量 砾石重量/土壤总重量 ×100%；n 为总格点数。