東北地理所在未來氣候與土地利用變化對東北黑土區(qū)碳庫影響方面取得新進(jìn)展
土壤有機(jī)碳（SOC）是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心碳庫，其微小波動即可顯著影響大氣CO?濃度。準(zhǔn)確預(yù)測未來氣候與土地利用變化對SOC的協(xié)同影響，對于保障糧食安全和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要。然而，由于土壤-環(huán)境關(guān)系的復(fù)雜性，未來情景下的SOC動態(tài)響應(yīng)仍存在巨大不確定性。
為破解這一難題，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)業(yè)遙感學(xué)科組研究人員首次綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)與多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，系統(tǒng)評估了1985-2100年東北黑土區(qū)SOC儲量的時空演變規(guī)律。該研究首先整合了2001-2020年間共3500個土壤樣本數(shù)據(jù)、多期Landsat遙感影像、高分辨率氣候及地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建了全面的環(huán)境協(xié)變量體系。然后，創(chuàng)新性地采用飽和訓(xùn)練策略，對隨機(jī)森林（RF）、直方圖梯度提升回歸（HGBR）等四種機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行性能比對，最終選定預(yù)測精度最高的RF模型（R2 = 0.76）作為時空預(yù)測工具。最后，運(yùn)用“空間替代時間”（STS）方法，將未來氣候情景（SSP119、SSP245、SSP585）數(shù)據(jù)輸入已校準(zhǔn)的模型，生成了直至2100年的高精度SOC動態(tài)圖。
圖1 東北地區(qū)歷史SOC的正負(fù)變化和密度變化
圖2 東北地區(qū)1985-2100 SOC儲量的變化
研究結(jié)果表明：（1）東北地區(qū)歷史碳損失明確，1985-2020年間，東北黑土區(qū)表層SOC密度平均下降5.51 Mg C/ha，整體呈現(xiàn)“碳源”效應(yīng)。（2）未來命運(yùn)取決于排放路徑， 到2100年，在高排放路徑（SSP585）下，SOC儲量將持續(xù)流失1.8 Pg；而在低排放路徑（SSP119）下，SOC儲量則有望小幅增加0.058 Pg，并出現(xiàn)多次碳匯/碳源轉(zhuǎn)換的動態(tài)波動。（3）耕地與林地是調(diào)控關(guān)鍵，未來SOC變化由耕地和林地主導(dǎo)。耕地擴(kuò)張與管理不善是導(dǎo)致碳損失（碳匯轉(zhuǎn)碳源）的主要因素，而林地的保護(hù)與恢復(fù)則是促進(jìn)碳回收（碳源轉(zhuǎn)碳匯）的關(guān)鍵。高碳儲量的生態(tài)系統(tǒng)（如林地、草地）對氣候變化更為敏感，面臨更高的碳損失風(fēng)險。這項研究不僅量化了不同發(fā)展路徑下黑土碳庫的響應(yīng)，更指明了生態(tài)恢復(fù)與土地管理在維持碳平衡中的決定性作用。
相關(guān)成果發(fā)表于地學(xué)領(lǐng)域一區(qū)TOP期刊Catena上。由中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生秦祝元（第一作者）、劉煥軍研究員、孟祥添特別研究助理（通訊作者）等共同完成。研究得到了黑土保護(hù)與利用國家重點實驗室青年科學(xué)家創(chuàng)新基金（2023HTDGZ-QN-01）、國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD1500100）、中國博士后基金博士后資助計劃項目（GZB20240737）共同資助。
文章詳情：Qing,Z.,Liu,H.,Meng,X.,Du,B.,Zhang,S.,& Yu,M. (2025). Assessment of the synergistic effects of future climate change and land use on soil organic carbon stock in Northeast China. CATENA,260,109456.
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0341816225007581
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