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印度喀拉拉邦基利尔河流域土地利用/土地覆盖变化及其对土壤有机碳储量的影响:地理空间方法

约瑟夫萨布*,拉胡尔苏坎亚

通讯作者:jsabu2000@gmail.com

DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.16.3.2

土地利用和土地覆盖格局的变化对生态系统功能和自然资源动态具有显著影响。本研究通过遥感和GIS方法,分析了印度喀拉拉邦Thiruvananthapuram地区卡拉马纳河主要支流Killiar River Basin (KRB)在64年(1957-2021年)期间LU/LC变化探测的空间格局。本研究的基本理论是利用1957年印度调查(SOI)地形图(1:5万)、2005年LISS-III影像、2021年Landsat 8 OLI影像和TIRS影像,对KRB的LU/LC变化进行识别和分类,并进一步详细研究LU/LC转换对研究区土壤有机碳储量的影响。利用现有数据对农田、建成区、森林、荒地和水体5类陆/陆类型进行了表征。在研究期间,建成区面积和荒地面积分别大幅增加了51.51%和15.67%。因此,总的趋势是建筑和荒地面积的增加,导致所有其他陆/陆类别的减少。基于IPCC指南,估算了不同土地利用类型土壤有机碳(SOC)总量,1957年为1292.72 Mt C, 2005年为562.65 Mt C, 2021年降至152.86 Mt C。这种减少主要是由于各种人为活动,主要是建筑活动。这种建筑的转换与人口的增长是同步的,对自然和农业资源的过度开发每年都在增加。

地理空间技术;喀拉拉邦;基利尔河流域;土地用途/土地覆盖;土壤有机碳

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刘志刚,刘志刚,刘志刚。喀拉拉邦基利利尔河流域土地利用/土地覆盖变化及其对土壤有机碳储量的影响。Curr World Environ 2021;16(3)。DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.16.3.2

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刘志刚,刘志刚,刘志刚。喀拉拉邦基利利尔河流域土地利用/土地覆盖变化及其对土壤有机碳储量的影响。Curr World Environ 2021;16(3)。可以从:https://bit.ly/3IcYV2k


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收到: 12-12-2020
接受: 29-12-2021
审核: OrcidOrcidRipudaman辛格
第二次检讨: OrcidOrcidMohammd拉菲克
最终批准: Umesh Chandra Kulshrestha博士


介绍

土地利用/土地覆盖(LU/LC)变化已被确定为对环境最有力的人为驱动影响之一。20的后半段th世纪见证了土地利用变化在世界各地成为一种普遍现象1。监测LU/LC变化是发展管理自然资源和监测环境变化战略的最重要组成部分之一2、3、4。在世界上许多地区,主要是在发展中国家,城市发展导致了LU/LC的变化5、6、7

有关生态环境变化的资料有助于了解环境的变化,并协助决策者规划适合可持续发展的项目8、9。Landsat数据提供了最长记录的大尺度中空间分辨率对地观测数据10、6、11。世界许多地区的城市扩张环境对生态、气候、水文系统、土地利用、能源流等广泛领域产生了重大影响,所有这些都可以通过LU/LC变化检测分析进行跟踪12、13、14

土地利用对土壤碳储量的影响主要体现在大气CO上2释放或移除15、16、17,最终导致全球碳循环的扰动12

由于自然生态系统的转换而导致的土地使用变化产生了净碳通量15、18、19。例如,由于森林拥有大量的碳储量,将森林转换为种植园会在土地使用转换过程中造成土壤有机碳(SOC)的不平衡20日,21日,22。土壤有机碳对人为干扰的敏感性使其成为陆地碳循环和气候变化的潜在决定因素16日22。因此,土壤有机碳评估可以帮助利益相关者更好地制定可持续发展的土地利用/土地利用计划。

利用遥感和GIS方法,分析了喀拉拉邦卡拉马纳河主要支流基利利尔河流域(KRB) 64年(1957-2021年)LU/LC变化探测的空间格局。此外,还对土地利用变化对土壤碳储量的影响进行了初步评价,这在研究区尚属首次。因此,该研究旨在为决策者提供基准数据,以制定可持续的土地管理战略,从而改善碳封存。

研究区域

这项研究是在Killiar河流域(KRB)进行的,KRB是喀拉拉邦(印度)Thiruvananthapuram地区Karamana河的主要支流之一。卡拉马纳河发源于西高止山脉的南端Chemmunji Mottai和athiramala(海拔1600米),向西流68公里,在Thiruvananthapuram以南的Panathura与阿拉伯海汇合。Karamana河最大的支流是Killiar,它发源于Thiruvananthapuram地区Nedumangad taluk的Panavur(8°38′30.7”N和76°59′19.4”E),全长24公里。流域面积102公里2是6thKilliar排干Nedumangad森林,其流域有丰富的鸟类。Killiar与Karamana河在Pallathukadavu (08â°27′23.4”N和76â°57′32”E)汇合。在最后一圈,这条河与大海平行,这里的河道被称为Edayar。

图一:研究区的位置图。

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方法

KRB 1957年、2005年和2021年的土地利用地图分别使用1957年的SOI地形图(1:5万)、2005年的IRS LISS-III数据(1:5万地理参考)和2021年的Landsat 8 OLI和TIRS图像(监督分类)绘制。土地利用数据采用ArcGIS v.10.0软件进行可视化解译(用于空间数据的处理、分析和集成),为方便研究区域的选择,进行分层叠加。进行监督分类,将图像划分为i级,再分为ii级和iii级。1957年、2005年和2021年的吕/LC专题地图就是在此基础上编制的。计算并分析每个类别的面积,采用比较变化分析法进行变化检测。

基于土地利用变化的土壤碳储量计算

根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的指导方针(2003年),计算了30厘米深的土壤有机碳(SOC)储量。23。所有土地利用类别的碳库(Mt C)的计算是通过每个单位面积(t/ha)的碳储量与特定土地利用覆盖的总面积相乘完成的。应用IPCC 2003年提供的方程评估了研究期间(1957年、2005年和2021年)的SOC存量23

Cˆ__CCsoil= [(SOC0- - - - - - SOC(0 - t)× a] / t (1)

SOC = SOC裁判× flu × FMG × fi (2)

Cˆ__CCsoil=矿物土壤中碳储量的年变化,吨C年-1

SOC0=库存年份土壤有机碳储量,吨C ha-1

SOC(0-T)=土壤有机碳储量T年前存量,吨C ha-1

T =库存时间周期,年

A =每个地块的土地面积,ha

SOC裁判=默认参考碳储量(t/ha)(表S1)

FLU =各土地利用模式的存量变化因子(无量纲),FMG =管理实践的存量变化因子(无量纲),FI =基于IPCC良好实践指南的有机物质投入的存量变化因子(无量纲)23

SOC存量变化因子(FLU、FMG和FI)采用IPCC23(表S1),视乎土地用途管理措施而定。SOC存量变化因子(FLU, FMG, FI)采用IPCC23除了喀拉拉邦遥感与环境中心(KSREC)提供的数据外,当地人在实地访问期间报告的土地使用管理策略也为基础。为了计算有机碳存量的变化(Mt C,即百万吨碳),面积(公顷)的变化与每次特定土地使用转换的有机碳存量变化(t/公顷)相乘。

结果与讨论

基于对比变化分析的LU/LC变化检测结果见表1、表2、表3。从研究区划分出不同类型的陆域/陆域,包括农业用地(农田和农业人工林)、建成地、森林(常绿/半常绿、人工林、森林空白、灌丛林)、水体和荒地(灌木林、荒石荒地、沙区)。

土地用途/土地覆盖- 1957年

表1和图2详细描述了1957年KRB的陆面面积/陆面面积。共有5个LU/LC类别被确定为I级分类。这些土地分别是农业用地(91.04%)、建成区(5.90%)、水体(1.18%)、荒地(1.2%)和林地(0.67%)。

其中,耕地面积753.92公里2占总面积的91%。其中包括双茬作物(2.01%),单茬作物(0.001%),种植作物包括腰果(0.001),椰子(1.75),橡胶(7.11)和其他混合种植作物(80.17%)。1957年的聚落总面积为48.53公里2(5.86%),落在建成区。由河流、小溪和池塘组成的水体共9.84公里2(1.18%)。大部分的自然植被/森林都在高5.58公里的高地上2(0.67%)。它包括常绿/半常绿林和人工林。常绿/半常绿林占森林面积的大部分,占地4.90 km2(0.59%),其余面积为人工林(0.69 km)2(0.08%)。

流域各类荒地总面积为10.06 km2(1.2%)。这包括占相当大面积(3.78公里)的荒芜/废石/薄板岩地区2(0.45%),沙地面积0.23 km2(0.02%)。荒地下以灌木林地为主,面积为6.05 km2(0.83%)。

表1:基利利尔河流域(KRB)-1957年土地利用/土地覆盖分类。

我水平

II级

第三级

区域
(公里2

总面积
(%)

农业

农田

双作物(雨季+拉比)

16.69

2.01

农田(雨季)

0.01

0.001

种植园

腰果

0.01

0.001

椰子

14.53

1.7

橡胶

58.89

7.11

混合

663.79

80.17

小计

753.92

91.04

组合

/城市/城镇村庄

48.53

5.86

小计

48.53

5.90

森林

常绿/ Semi-evergreen

4.90

0.59

森林种植园

0.68

0.08

小计

5.58

0.67

水体

河/流/池塘

9.84

1.18

小计

9.84

1.18

荒地

灌木丛

6.05

0.83

荒芜的/石质废物/石膏板

3.78

0.45

沙地区

0.23

0.02

小计

10.06

1.2

格兰特总

827.93

One hundred.

图2:1957年土地用途/土地覆盖类别(一级)分布。

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2005年土地用途/土地覆盖

表2、图3及图6详列九龙消防局2005年的土地使用面积/土地使用面积按地区划分的情况。总共确定了五个一级类别。其中:农田(82.87%)、人工高地(15.28%)、林地(0.36%)、水体(0.96%)和荒地(0.53%)。

图三:二零零五年土地用途/土地覆盖类别(一级- I)的分布。

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耕地面积685.44公里2占总面积的82.87%。它包括种植作物(5.79%)、园艺作物(47.65%)、农用园艺作物(27.73%)和双茬作物(1.60%)。建设用地为126.68公里2由15.28%。农村居民点占主导地位(7.20%),其次是城市居民点(3.93%)、混合建筑(3.36%)、住宅(0.59%)和交通(0.19%)。

表2:2005年基利利尔河流域土地利用/土地覆被分类。

我水平

II级

第三级

区域
(公里2

区域
(%)

农业

种植园

种植园

47.99

5.79

园艺

394.58

47.65

农业园艺

229.59

27.73

农田

二作物区

13.28

1.60

小计

685.44

82.87

组合

城镇/城市/村庄

农村

59.69

7.20

城市

32.58

3.93

住宅

4.89

0.59

混合组合

27.87

3.36

运输

1.65

0.19

小计

126.68

15.28

森林

灌丛森林

0.06

0.007

森林一片空白

0.15

0.01

森林种植园

0.74

0.08

天然半天然草地和放牧地

温带/亚热带

0.30

0.03

常绿/半常绿

密度/关闭

1.96

0.23

开放

0.04

0.004

小计

3.25

0.36

水体

河流/小溪/池塘

常年

7.94

0.95

0.11

0.01

小计

8.05

0.96

荒地

擦洗的土地

0.90

0.10

贫瘠的岩石/多石的荒地

0.75

0.09

沙地区

沿海

2.59

0.31

采矿/工业废物

我/采石场

0.27

0.03

小计

4.51

0.53

总计

827.93

One hundred.

在所有分类中,盆地林地总面积为3.25 km2(0.36%)。在该亚类下,划分了5类,即常绿/半常绿(0.24%)、人工林(0.08%)、天然/半天然草地和放牧地(0.03%)、林空白(0.01%)和灌丛林(0.007%)。由河流、溪流和池塘组成的水体加起来约8.05公里2(0.96%)。其中常年水体构成7.94 km2(0.95%)和干式(0.11公里)2(0.01%)。流域荒地总面积为4.51 km2(0.53%)。这包括占0.90公里的灌木丛2(0.10%),面积0.75 km的荒石荒地2(0.09%),矿区/工业区面积0.27公里2(0.03%)。荒地亚类以沙地为主,面积为2.59 km2沿海地区(0.31%)。

土地利用/土地覆盖——2021年

表3、图4和图7给出了2021年KRB陆面面积/陆面面积的详细区域描述。总共确定了五个一级类别。其中包括农地(24.81%)、人工高地(57.49%)、林地(0.34%)、水体(0.56%)和荒地(16.8%)。

图4:2021年中国土地利用/土地覆盖类别(一级)分布

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对2021年KRB的LU/LC状况进行分析发现,农用地面积为205.57 km2占总面积的24.82%。它包括种植作物(23.5%)和农田作物(1.31%)。建成用地面积从2005年到2021年增加了57.49% (474.98 km)2).到2021年,城市面积(24.25 km2)、住宅(84.68公里2)及交通(11.21公里2)的面积与往年相比有所增加。林地总面积2.89公里2)及水体(4.70公里)2)减少,荒地面积(139.79 km2)增加。

表3:基利利尔河流域(KRB) -2021年土地利用/土地覆被分类

我水平

II级

第三级

区域
(公里2

区域
(%)

农业

种植园

194.67

23.5

农田

二作物区

10.9

1.31

小计

205.57

24.81

组合

城镇/城市/村庄

农村

216.28

26.12

城市

124.25

15.13

住宅

84.68

10.23

混合组合

38.56

4.66

运输

11.21

1.35

小计

474.98

57.49

森林

灌丛森林

0.04

0.004

森林一片空白

0.12

0.014

森林种植园

0.78

0.091

天然半天然草地和放牧地

温带/亚热带

0.28

0.04

常绿/半常绿

密度/关闭

1.65

0.19

开放

0.02

0.002

小计

2.89

0.34

水体

河流/小溪/池塘

常年

4.61

0.55

0.09

0.01

小计

4.70

0.56

荒地

擦洗的土地

12.69

1.53

贫瘠的岩石/多石的荒地

62.58

7.55

沙地区

沿海

42.39

5.1

采矿/工业废物

我/采石场

22.13

2.67

小计

139.79

16.8

总计

827.93

One hundred.


1957-2021年中国土地利用/土地覆被变化对比分析

对比分析1957年、2005年和2021年KRB的土地利用格局(表4、图8),可以明显看出1957-2021年期间土地利用面积发生了显著变化。农业种植面积减少(-548.35公里2)和农田(-5.8公里2)在此期间发生了。

在此期间,建成区面积激增(426.45公里)2;+51.51%)可能是由于人口过剩和城市化。荒地面积增加129.73 km2(+15.697%)属于沙质地区。采矿/工业部门的荒地也增加了22.13公里2(+ 2.67%)。秃岩废石面积显著减少约58.8 km2(+ 7.10%)。

常绿、半常绿林地面积减少3.23 km2(-0.39%),人工林面积(0.1 km)略有增加2;+ 0.001%)。2005年其他森林种类的面积有边际增加,如下所示:森林空白距0.15公里2(+0.01%),天然/半天然草地和放牧面积减少0.30公里2(+0.03%)和灌丛森林增加0.06公里2(+ 0.007%)。这显示了被人工林取代的原生森林物种的退化。

图5:基利利尔盆地1957年土地利用/土地覆盖图。

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图6:基利利尔盆地2005年土地利用/土地覆盖图。

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水体面积减少,面积减少(-5.14 km2;-0.62%)。热带河流流域土地利用变化影响着热带河流的有机质动态24。陆域/陆域类别损失的面积百分比,特别是农业用地已转换为建成区,导致建成区面积增加。水体、林地面积也出现边际减少,导致整体建成区面积显著增加。

图7:基利尔盆地2021年土地利用/土地覆被图。

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表4:九龙南岸土地用途/土地覆盖变化- 1957-2021年。

我水平

II级

1957

2005

2021

面积变化(公里2
1957 - 2021

面积变化百分比(%)

农业

农田

16.70

13.28

10.9

-3.42

-0.70%

种植园

737.22

672.16

194.67

-542.55

-65.53%

小计

753.92

685.44

48.96

-548.35

-66.23%

组合

/城市/城镇村庄

48.53

126.68

474.98

+ 426.45

+ 51.51%

小计

48.53

126.68

474.98

+426.45

+ 51.51%

森林

常绿/ Semi-evergreen

4.90

2.00

1.67

-3.23

-0.39%,

森林种植园

0.68

0.74

0.78

+ 0.1

+ 0.001%

森林一片空白

0.00

0.15

0.12

+ 0.12

天然/半天然
草地和放牧地

0.00

0.30

0.28

+ 0.28

灌丛森林

0.00

0.06

0.04

+ 0.04

小计

5.58

3.25

2.89

-2.69

-0.32%

水体

河/流/湖泊

9.84

8.05

4.70

-5.14

-0.62%

小计

9.84

8.05

4.70

-5.14

-52.24%

荒地

擦洗的土地

6.05

0.90

12.69

+ 6.64

+ 0.80%

贫瘠的岩石/石质荒地

3.78

0.75

62.58

+ 58.8

+ 7.10%

沙地区

0.23

2.59

42.39

+ 42.16

+ 5.09%

采矿/工业废物

0.00

0.27

22.13

+ 22.13

+ 2.67%

小计

10.06

4.51

139.79

+ 129.73

+ 15.67%

总计

827.93

827.93

827.93

0.00

0.00%

图8:1957- 2021年KRB变化。

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1957年KRB土地面积/土地面积的区域描述显示,农业用地为主要类型,面积约753.92 km2总面积827.93公里,占总面积的91.04%2,其次是面积48.53公里的住宅区2(5.90%)。森林覆盖面积约5.58公里2(0.67%),水体覆盖面积9.84 km2(1.18%)和荒地,10.06公里2(1.2%)。

在1957-2005年期间,研究区建筑用地明显增加(+9.43%)。在48年的时间跨度内,农业面积显著下降,而建成区面积则增加了三倍。与2005年相比,建设用地在2021年进一步扩大了4倍(图7),相比之下,农业用地面积从685.44公里大幅下降2到48.96公里2(表4、图7)。2005 - 2021年,包括灌木林、荒石荒地、沙区、矿山和工业废弃地在内的荒地面积从4.51 km2到139.79公里2

这说明耕地经过垦荒改造,变成了聚落。在印度南部城市班加罗尔,由于城市扩张,农业用地减少了16.31%25。城市聚落的增加可能是由于水体面积的减少。在印度,在近40年的时间跨度内,斯利那加市观察到由于水平城市扩张而导致的水体极端转化(~-40%)26。荒地的减少也可能与将这些地表转化为建设用地有关。

土地利用变化对区域土壤碳储量的影响

对基利尔盆地1957-2021年土壤有机碳(SOC)库净变化进行了初步研究。建成区、水体、荒石区、沙区和采矿(荒地)未纳入存量估算。本研究估算了不同土地利用模式下不同类型管理措施下表层土壤(0 ~ 30 cm)有机碳含量。这一特殊的选择层是基于这样一个事实:与深层相比,表层土壤中的土壤碳储量更不稳定,对土地使用变化更敏感,并直接与大气相互作用27。基于IPCC (2003)23SOC估计方法(eqn。2) 1957年土壤碳储量最大的是森林(60.07 t/ha),其次是农田(51.16 t/ha),荒地(16.36 t/ha)。2005年,林地、耕地和荒地分别减少到31.13、43.86和13.96 t/ha。2021年,森林、农业和荒地的产量分别降至21.1吨/公顷、36.7吨/公顷和11.74吨/公顷。

从本研究的分析可以进一步推断,农业用地(农田和种植园)是有机碳存量时间变化最显著的类别。1957年(表S2)与2005年(常绿林=70.65,人工林=55.21,农田=196.14,农田=204.5,灌木林=36.15 Mt C)相比,面积依赖SOC存量(常绿林=176.66,人工林= 144.28,农田=394.74,农田=412.46,灌木林=164.58 Mt C)较高。

与前几年相比,2021年有机碳存量大幅下降(常绿林=14.87,人工林=9.52,农田=41.65,农业人工林=52.4,灌木丛=39.42 Mt C)CCsoil)是由于1957-2021年期间不可持续的城市发展导致的农业土地转换(农田= -198.6,种植园= - 3.53 Mt C)(表S2)。常绿森林转化为农业用地导致-161.8 Mt C土壤有机碳损失(表S2)。

1957年,所有土地利用类型的总有机碳为1292.72 Mt C, 2005年降至562.65 Mt C。2021年,总有机碳降至152.86 Mt C,与1957年相比净损失1139.86 Mt C。在半个多世纪的时间跨度内,土壤净碳的急剧减少意味着农业/森林/荒地显著转变为建成区。中国的类似研究表明,沿海地区城市化导致的农业用地转换导致了相当大的SOC损失(约52%)17

同样,先前的几项研究表明,快速城市化显著影响区域SOC库存分布15日,16日,17日,28。在荒地引入农林业实践可能是增加该地区碳储量的可行方法。大量研究证明,农林业通过根系生物量、凋落物、修剪等方式改善土地覆盖,并为土壤提供碳输入,特别是在热带地区29、30、31、32。世界各地的一些研究人员已经探讨了在不断变化的土地利用情景下植树造林的碳封存潜力33、34、35。然而,邓等人,36研究发现,与全球天然林相比,造林导致的原生森林土壤碳储量始终较低。布朗提出了一个更清晰的概念37强烈指出需要有针对性的空间土地用途的特定造林方法,而不是“一刀切”的传统植树计划。

结论

对喀拉拉邦基利利尔河流域(KRB)近半个世纪(1957-2021年)LU/LC变化探测空间格局的研究显示,这一时期LU/LC变化剧烈。1957年耕地类型依次为农地(91.04%)、建成区(5.90%)、水体(1.18%)、荒地(1.2%)和林地(0.67%)。这一时期的总体趋势是建成区(+51.51%)和荒地(+15.67%)的增加,导致其他所有类别的土地(-66.23%)、森林覆盖(-0.32%)和水体(-0.62%)的减少。随着人口的增长,自然资源和农业资源的过度开发每年都在增加,这种转换和土地用于建筑的情况很可能会随之而来。

根据IPCC指南,估算了1957 - 2021年研究区土壤有机碳(SOC)储量,1957年所有土地利用类型的土壤有机碳总量为1292.72 Mt C, 2005年降至562.65 Mt C, 2021年进一步降至152.86 Mt C。农业用地类别的有机碳损失最大。因此,该研究指出,有必要监测区域土地使用变化,并为该盆地的城镇实施碳中和计划。这可以通过可持续的土地利用管理实践和采用改进的碳农业来保护农业生产性土地来实现。

鸣谢

作者感谢Trivandrum喀拉拉邦遥感与环境中心(KSREC)主任为开展这项工作的研究提供数据。

资金来源

作者在这篇文章的研究、撰写和/或出版中没有得到任何财政支持。

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补充材料

表S1:默认参考土壤有机碳储量(SOC裁判)(以0-30厘米深的土壤类别为单位(吨/公顷)(资料来源:IPCC, 2003年)。

地区

HAC土壤

LAC土壤

砂质土壤

灰化土壤

火山土

湿地土壤

北方

68

NA

10

117

20.

146

寒温带,干燥

50

33

34

NA

20.

87

寒温带,潮湿

95

85

71

115

130

暖温带,干燥

38

24

19

NA

70

88

温暖温和,潮湿

88

63

34

NA

80

热带、干燥

38

35

31

NA

50

86

热带潮湿

65

47

39

NA

70

热带潮湿

44

60

66

NA

130



表S2:研究区1957 - 2005 - 2021年土壤有机碳(SOC)库净变化

土地使用

土地使用
子群

1957

2005

2021

Cˆ__CCsoil
(太C)
1957 - 2021

SOC(吨/公顷)

SOC (Mt C)

SOC(吨/公顷)

SOC (Mt C)

SOC(吨/公顷)

SOC (Mt C)

森林

常绿森林

31.66

176.66

14.77

70.65

8.91

14.87

-161.8

森林种植园

28.41

144.28

16.36

55.21

12.2

9.52

-134.76

农业

农业农田

23.22

394.74

21.74

196.14

17.5

41.65

-198.6

农业种植园

27.94

412.46

22.12

204.5

19.2

52.4

-353.09

荒地

灌木丛

16.36

164.58

13.96

36.15

11.74

39.42

-125.16

总计

1292.72

562.65

152.86

-1139.86

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