Mapování redistribuce organického uhlíku v erozně ovlivněných půdách metodami dálkového průzkumu země a digitálního mapování půd

Mgr. Daniel Žížala

Doctoral thesis

Mapping of soil organic carbon redistribution in eroded soils using remote sensing and digital soil maping methods

Abstract:

Půdní organický uhlík hraje klíčovou roli v mnoha produkčních i mimoprodukčních funkcích půdy a jeho úbytek je obecně chápán jako hlavní ohrožení pro trvalou udržitelnost obdělávání půdy. Půda představuje značnou zásobárnu uhlíku a je tak důležitým komponentem celého uhlíkového cyklu na Zemi, obzvláště v kontextu očekávaných změn klimatu a využití území. Znalosti o bilanci a redistribuci uhlíku vlivem erozně-akumulačních procesů jsou však zatím nedostatečné a je tak zapotřebí hledat způsoby podrobného mapování koncentrace a zásob uhlíku v půdách. Tato práce předložená formou souboru publikovaných článků analyzuje možnosti využití dat dálkového průzkumu Země a morfometrických dat z digitálního modelu terénu pro mapování redistribuce organického uhlíku pomocí metod digitálního mapování půd. Analýza probíhala v erozně ovlivněných územích, kde byla popsána vysoká lokální variabilita koncentrací a zásob uhlíku. S pomocí leteckých hyperspektrálních dat se podařilo prostorovou predikci v lokálních podmínkách provést s přesností modelů R2 = 0,80 – 0,91 a RMSE = 0,07 – 0,12 % uhlíku. Při testování satelitních multispektrálních dat pro stejné účely bylo dosažené menší přesnosti (R2 = 0,57 – 0,89 a RMSE 0,08 – 0,24). Bylo však prokázáno, že s jejich využitím lze mapovat stejné prostorové trendy, jako s využitím prostorově i spektrálně přesnějších dat. Dále bylo zjištěno, že s využitím morfometrických dat je možno mapovat jak koncentraci organického uhlíku ve svrchní vrstvě půdy, tak zásoby uhlíku v celém půdním profilu. Prostorové modely zásoby uhlíku v celém profilu dosahovaly přesnosti R2 = 0,62 – 0,99 a RMSE = 0,28 – 2,38 kg·m−2. Modely zásob uhlíku pouze v orničním horizontu dosahovaly méně přesných a více rozkolísaných výsledků (R2 = 0,23 – 0,91 a RMSE = 0,17 – 0,89 kg·m−2). Výsledky tak prokázaly, že použité metody jsou, přes popsaná omezení, kritické předpoklady a nejistoty spojené s aplikací použitých postupů, vhodné pro použití při mapování redistribuce organického uhlíku v zemědělských půdách.

Abstract:

Soil organic carbon plays a key role in many productive and non-productive functions of the soil and its depletion is generally understood to be a major threat to the sustainability of soil cultivation. Soil is a major carbon sink and is an important component of the entire carbon cycle on Earth, especially in the context of expected climate and land use changes. However, our knowledge about carbon balance and redistribution due to erosion-accumulation processes is still inadequate. It is necessary to look for ways of detailed mapping of carbon concentrations and stocks in soils. This thesis, presented in the form of a set of published articles, analyses the possibilities of using remote sensing data and morphometric data from the digital elevation model for mapping the redistribution of soil organic carbon using digital soil mapping methods. The analysis was conducted in areas affected by soil erosion. High local variability of carbon concentrations and stocks was described. Using airborne hyperspectral data, spatial prediction in local conditions was performed with the accuracy of models R2 = 0.80 - 0.91 and RMSE = 0.07 - 0.12% of carbon. When testing satellite multispectral data for the same purpose, less accuracy was achieved (R2 = 0.57 - 0.89 and RMSE 0.08 - 0.24). However, it has been shown that using them can map the same spatial trends as in case of the application of spatially and spectrally more accurate data. It was also found that using the morphometric data it is possible to map both the concentration of organic carbon in the upper layer of the soil and the carbon stocks throughout the soil profile. Spatial models of carbon stocks across the whole profile achieved the accuracy R2 = 0.62 - 0.99 and RMSE = 0.28 - 2.38 kg·m-2. Models of carbon stocks at the A horizon only were less accurate and more unstable (R2 = 0.23 - 0.91 and RMSE = 0.17 - 0.89 kg·m-2). The results have shown that the used methods are suitable for the use in the mapping of redistribution of organic carbon in agricultural soils in spite of the described limitations, critical assumptions and uncertainties associated with the application of the procedures used.

Keywords

půdní organický uhlík, dálkový průzkum Země, digitální mapování půd, digitální model terénu

Keywords

remote sensing, digital soil mapping, digital elevation model, soil organic carbon

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2018

Thesis defence

• Supervisor: prof. Dr. Ing. Luboš Borůvka
• Reader: Jitka Kumhálová, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Exploitation and Conservation of Natural Resources