一種基于土壤發(fā)生層厚度預(yù)測的土壤有機碳儲量估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于土壤發(fā)生層厚度預(yù)測的土壤有機碳儲量估算方法，屬于計量 土壤技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤碳主要包括土壤有機碳和土壤無機碳，土壤無機碳庫(碳酸鹽碳)較為穩(wěn)定。 土壤有機碳主要分布在1米深度土體內(nèi)，對土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)有重要影響，并直接影響 著土壤質(zhì)量。作為土壤肥力評價的重要指標(biāo)之一，土壤有機碳的不斷降低會直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè) 耕作土壤的貧瘠問題。土壤有機碳儲量不僅是生態(tài)公益調(diào)查重點關(guān)注的社會問題之一，也 是全球性的基礎(chǔ)課題。國內(nèi)外已有眾多應(yīng)用生產(chǎn)、環(huán)境保護部門開始對人類生存發(fā)展面臨 的全球氣候增暖問題給予廣泛關(guān)注。相關(guān)國際條例也對國家級碳收支計算技術(shù)提出了不同 需求，土壤有機碳儲量估算已經(jīng)成為影響國家經(jīng)濟、外交的重大生態(tài)與環(huán)境生產(chǎn)技術(shù)問題。
[0003] 土壤有機碳密度指代一定面積固定土壤深度的碳儲量，單位是kg/m2, 一定區(qū)域的 土壤有機碳儲量是有機碳密度與區(qū)域面積的乘積，單位是kg。常規(guī)的碳儲量估算技術(shù)主要 包括土壤類型法、植被類型法、生命帶類型法、模型法、相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計方法、GIS(地理信息系 統(tǒng)）空間預(yù)測法。基于GIS的空間預(yù)測方法是現(xiàn)代數(shù)字土壤制圖廣泛采用的一種空間預(yù)測模 式。有別于傳統(tǒng)的土壤調(diào)查和制圖技術(shù)，該方法采用國內(nèi)外土壤科學(xué)家廣泛肯定的量化土 壤-景觀模型，能夠有效地集成遙感圖像處理技術(shù)、數(shù)字地形分析技術(shù)、GIS空間分析技術(shù)和 土壤調(diào)查技術(shù)，通過對景觀信息的分析來預(yù)測土壤有機碳密度的空間分布。GIS空間預(yù)測方 法的主要作業(yè)流程是通過不同地理位置的野外采樣、實驗室分析土壤理化屬性、基于環(huán)境 變量與已知樣點土壤屬性數(shù)據(jù)建立碳儲量估算模型，進而估算目標(biāo)區(qū)域的有機碳儲量。
[0004] 目前，常用的有機碳儲量估算技術(shù)主要基于以下兩種生產(chǎn)計算模式:先計算再預(yù) 測(CTM)、先預(yù)測再計算(MTC)，這里的"計算"是計算單個土體的土壤有機碳密度(基于土壤 有機碳含量、土壤容重、土壤礫石含量、土壤厚度），"預(yù)測"是空間插值預(yù)測目標(biāo)土壤屬性的 空間分布?，F(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用主要采用一種計算模式，對比應(yīng)用模式尚鮮有資料可參閱。
[0005] 近年來，隨著計算機、遙感、土壤調(diào)查、測繪技術(shù)的發(fā)展，特別是高分辨率遙感、數(shù) 字測繪技術(shù)的快速發(fā)展，區(qū)域級別的環(huán)境變量信息包含被測更多異質(zhì)性細節(jié)的數(shù)據(jù)獲取成 為可能，由空間離散的土壤樣點數(shù)據(jù)，定量、客觀、實時、準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜景觀區(qū)域土壤屬性 空間分布給土壤信息相關(guān)部門的具體生產(chǎn)提出了更高的要求，這也發(fā)展成為國際高精度土 壤有機碳儲量估算的重要發(fā)展方向。
[0006] 發(fā)生層是鑒別土壤類型的重要依據(jù)，并在性質(zhì)上有一系列的定量說明。作為碳儲 量估算的預(yù)測基礎(chǔ)，土壤-景觀模型假設(shè)土壤屬性的實際分布狀況(包括水平維與垂直維） 是與景觀屬性密切相關(guān)的。尤其是在土壤屬性的垂直維分布方面，發(fā)生層往往具有均質(zhì)的 土壤屬性特征。然而，現(xiàn)有土壤有機碳儲量估算模型均面向固定深度的土壤屬性預(yù)測。全球 土壤數(shù)字制圖計劃(GSM)聯(lián)合協(xié)議規(guī)定專題土壤圖的生產(chǎn)土壤層次厚度均采用0-5,5-15， 15-30，30-60，60-100，100-200cm 的固定方式。
[0007] 目前，土壤有機碳儲量估算在復(fù)雜景觀區(qū)域和生產(chǎn)技術(shù)上存在一定的局限性，具 體歸納起來有以下幾點：
[0008] (1)固定層次厚度的計算模式從某種程度忽略了土壤發(fā)生的理論模型，在生產(chǎn)加 工上具有一定的局限性。由于地形、氣候、人為干擾的原因土壤垂直維空間變異的復(fù)雜程度 遠遠超出了現(xiàn)有計算技術(shù)的模擬能力。如果土壤采樣點的屬性信息缺失，尤其是樣點總量 較少且樣點的空間代表性較差時，實際應(yīng)用中很難準(zhǔn)確估算區(qū)域的土壤有機碳儲量。事實 上，這也是造成現(xiàn)有數(shù)字土壤制圖表達存在嚴(yán)重區(qū)域性不確定現(xiàn)象的主要原因之一。中國 科學(xué)院南京土壤研究所與ISRIC-一世界土壤信息參比中心（荷蘭）均已指出，現(xiàn)代數(shù)字土 壤制圖技術(shù)的應(yīng)用框架不應(yīng)忽略發(fā)生層的土壤信息特征。
[0009] (2)在實際土壤信息生產(chǎn)應(yīng)用過程中，現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)很難綜合考慮土壤發(fā)生層厚 度?，F(xiàn)有土壤調(diào)查工程仍采用傳統(tǒng)的野外調(diào)查模式，不僅無法實時獲取大規(guī)模區(qū)域的土壤 理化屬性數(shù)據(jù)與描述性信息，也往往受限于調(diào)查經(jīng)費支持與人員的調(diào)查作業(yè)的技術(shù)能力。 土壤系統(tǒng)分類涉及諸多的土壤診斷特性，不同的診斷特性具有定量與定性的土壤發(fā)生模型 理論，給技術(shù)人員的實際生產(chǎn)帶來了很大困難。因此，現(xiàn)有基礎(chǔ)性土壤有機碳儲量估算工程 往往缺乏綜合考慮土壤發(fā)生層特征的歸并技術(shù)。
[0010] (3)現(xiàn)有技術(shù)多集中于一種固定計算模式，缺乏強化對比研究。國內(nèi)外大量應(yīng)用案 例已表明，不同的生產(chǎn)模式(CTM、MTC)往往在不同的模型假設(shè)、景觀突變區(qū)域表現(xiàn)出迥異的 區(qū)域性精度問題。因此，強化對比不同的計算模式對于具體的生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有重要的指導(dǎo)意 義。同時，土壤數(shù)據(jù)非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與發(fā)生層的計量土壤特征是導(dǎo)致現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)不 完善的重要原因。
[0011]以上所述現(xiàn)有土壤有機碳儲量估算技術(shù)的不足，在不同應(yīng)用部門生產(chǎn)加工土壤信 息產(chǎn)品和工程應(yīng)用中帶來較大困難，在諸如偏遠山區(qū)、人為影響較復(fù)雜區(qū)域、高度變異林區(qū) 等區(qū)域的碳儲量估算工程應(yīng)用上會帶來潛在的錯誤決策支持，進而給國家經(jīng)濟規(guī)劃直接造 成損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種采用全新架構(gòu)設(shè)計，能夠有效提高土壤有 機碳儲量估算精度與估算工作效率的基于土壤發(fā)生層厚度預(yù)測的土壤有機碳儲量估算方 法。
[0013] 本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:本發(fā)明設(shè)計了一種基于土壤發(fā) 生層厚度預(yù)測的土壤有機碳儲量估算方法，包括如下步驟：
[0014] 步驟001.針對目標(biāo)土壤區(qū)域，設(shè)置各個樣點位置，并統(tǒng)計樣點位置的數(shù)量為I，然 后進入步驟002;
[0015] 步驟002.在目標(biāo)土壤區(qū)域中，分別針對各個樣點位置，獲得樣點位置的環(huán)境信息， 同時若該樣點位置豎直向下土壤區(qū)域的深度大于等于預(yù)設(shè)深度L，則獲得該樣點位置豎直 向下預(yù)設(shè)深度L的剖面區(qū)域;若該樣點位置豎直向下土壤區(qū)域的深度小于預(yù)設(shè)深度L，則獲 得該樣點位置豎直向下土壤的剖面區(qū)域;并根據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類的作業(yè)要求，針對該剖 面區(qū)域劃分土壤發(fā)生層，獲得該樣點位置所對應(yīng)的各個土壤發(fā)生層;再分別獲得該樣點位 置所對應(yīng)各個土壤發(fā)生層的厚度信息和土壤形態(tài)信息;進而分別獲得目標(biāo)土壤區(qū)域中各個 樣點位置的環(huán)境信息，以及各個樣點位置分別所對應(yīng)各個土壤發(fā)生層的厚度信息和土壤形 態(tài)信息，接著進入步驟003;
[0016] 步驟003.分別針對目標(biāo)土壤區(qū)域中的各個樣點位置，在樣點位置所對應(yīng)的各個土 壤發(fā)生層中，分別采集預(yù)設(shè)質(zhì)量的土壤樣品，并分別測定獲得各個土壤發(fā)生層的土壤屬性 信息，進而獲得目標(biāo)土壤區(qū)域中各個樣點位置分別所對應(yīng)各個土壤發(fā)生層的土壤屬性信 息，然后進入步驟004;其中，土壤屬性信息包括土壤有機碳含量、大于預(yù)設(shè)直徑的礫石含量 和土壤容重；
[0017] 步驟004.分別針對目標(biāo)土壤區(qū)域中的各個樣點位置，根據(jù)樣點位置所對應(yīng)各個土 壤發(fā)生層的土壤屬性信息、厚度信息，獲得各個樣點位置的土壤有機碳密度實測值SOCDi，i ={1，…，I}，然后進入步驟005;
[0018]步驟005.分別針對目標(biāo)土壤區(qū)域中的各個樣點位置，針對樣點位置所對應(yīng)的各個 土壤發(fā)生層進行歸并處理，獲得該樣點位置所對應(yīng)的各個歸并層，然后根據(jù)該樣點位置各 個歸并層所分別對應(yīng)的各個土壤發(fā)生層，針對該樣點位置各個土壤發(fā)生層的土壤屬性信息 進行加權(quán)計算，獲得該樣點位置所對應(yīng)各個歸并層的土壤屬性信息，以及針對該樣點位置 各個土壤發(fā)生層的厚度信息進行求和計算，獲得該樣點位置所對應(yīng)各個歸并層的厚度;進 而分別獲得目標(biāo)土壤區(qū)域中各個樣點位置分別對應(yīng)的各個歸并層，以及各個歸并層的土壤 屬性息和厚度信息，再進入步驟006;
[0019] 步驟006.分別針對目標(biāo)土壤區(qū)域中的各個樣點位置，判斷樣點位置所對應(yīng)各個歸 并層的厚度之和是否小于預(yù)設(shè)深度L，是則在該樣點位置所對應(yīng)各個歸并層之下，以基巖層 設(shè)置歸并層，使得該樣點位置所對應(yīng)各個歸并層的厚度之和等于預(yù)設(shè)深度L，并進入步驟 007;否則直接進入步驟007;
[0020] 步驟007.獲取目標(biāo)土壤區(qū)域中所有樣點位置所對應(yīng)歸并層的種類，構(gòu)成目標(biāo)土壤 區(qū)域歸并層種類集合;根據(jù)目標(biāo)土壤區(qū)域歸并層種類集合，針對目標(biāo)土壤區(qū)域中各個樣點 位置所對應(yīng)的歸并層進行統(tǒng)一的操作，使得目標(biāo)土壤區(qū)域中各個樣點位置所對應(yīng)歸并層的 種類彼此相同，并進入步驟008;
[0021] 步驟008.采用線性同余算法，將目標(biāo)土壤區(qū)域中的樣點位置劃分為預(yù)測樣點位置 集合和驗證樣點位置集合，并根據(jù)目標(biāo)土壤區(qū)域中各個樣點位置的土壤有機碳密度實測值 SOCDi，獲得驗證樣點位置集合中各個驗證樣點位置的土壤有機碳密度實測值，構(gòu)成 驗證樣點位置集合中各個驗證樣點位置的土壤有機碳密度實測值集合V;并進入步驟009， 其中，i 2= {1，…，12}，其中，12為驗證樣點位置集合中驗證樣點位置的數(shù)量，預(yù)測樣點位置 集合中預(yù)測樣點位置的數(shù)量為
[0022] 步驟009.根據(jù)預(yù)測樣點位置集合中各個預(yù)測樣點位置的環(huán)境信息，以及各個預(yù)測 樣點位置分別所對應(yīng)各個歸并層的厚度信息，采用隨機森林方法，訓(xùn)練獲得分別以各個歸 并層厚度信息為目標(biāo)的各個預(yù)測模型，構(gòu)成第一預(yù)測模型集合；
[0023] 同時，根據(jù)預(yù)測樣點位置集合中各個預(yù)測樣點位置的環(huán)境信息，以及各個預(yù)測樣 點位置分別所對應(yīng)各個歸并層的土壤屬性信息，采用隨機森林方法，訓(xùn)練獲得分別以各個 歸并層土壤屬性信息為目標(biāo)的各個預(yù)測模型，構(gòu)成第二預(yù)測模型集合;然后進入步驟010; [0024]步驟010.分別針對驗證樣點位置集合中的各個驗證樣點位置，根據(jù)驗證樣點位置 的環(huán)境信息，通過第一預(yù)測模型集合中的各個預(yù)測模型，分別獲得該驗證樣點位置分別所 對應(yīng)各個歸并層的第一預(yù)測厚度信息；同時，分別針對驗證樣點位置集合中的各個驗證樣 點位置，根據(jù)驗證樣點位置的環(huán)境信息，通過第二預(yù)測模型集合中的各個預(yù)測模型，分別獲 得該驗證樣點位置所分別對應(yīng)各個歸并層的第一預(yù)測土壤屬性信息;進而獲得驗證樣點位 置集合中各個驗證樣點位置分別所對應(yīng)各個歸并層的第一預(yù)測厚度信息和第一預(yù)測土壤 屬性信息;然后進入步驟oil;其中，第一預(yù)測土壤屬性信息包括第一有機碳含量預(yù)測信息、 第一土壤容重預(yù)測信息和大于預(yù)設(shè)直徑的第一礫石預(yù)測含量；
[0025] 步驟011.分別針對驗證樣點位置集合中的各個驗證樣點位置，獲得L相對驗證樣 點位置所對應(yīng)各個歸并層第一預(yù)測厚度信息之和的拉伸系數(shù)Rc;然后根據(jù)驗證樣點位置集 合中各個驗證樣點位置分別所對應(yīng)各個歸并層的第一預(yù)測土壤屬性信息、第一預(yù)測厚度信 息，獲得驗證樣點位置集合中各個驗證樣點位置的第一土壤有機碳密度預(yù)測值，構(gòu) 成驗證樣點位置集合中各個