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我国不同区域典型乡村景观土壤碳氮磷的分布特征

焦加国  
【摘要】:人口密集的乡村景观,是自然因素和人为因素共同作用的结果。土地异质化非常大,且多体现在细小的范围(≤30 m),同时也伴随着土壤养分的空间差异性。我国人口密集乡村景观面积非常巨大(2×106km2),在全球变化研究中占有重要地位。本研究首先根据土地利用和植被覆盖粗分类,地形和人口密度等多变量聚类分析,并结合遥感影像、历史航片及农业调查历史资料(1930s)来选取典型研究样区和景观样方。其次,基于高分辨率(1m)的IKONOS影像,根据E11is提出的以地形、植被覆盖、土地利用、景观分类单元共同组合构成的生态立地(ecotope)分层分类规则,并结合土壤采集(2004.5-2005.5完成5个区域的土壤采集),并根据蒙特卡罗不确定性模型(MRO)和样方聚类距离权重(CDW)2种方法,评价了区域范围的人口密集乡村景观土地利用、植被覆盖、生态立地对土壤表层(0-30 cm)有机碳、全氮和全磷的影响。研究结果表明: 在全国人口密集的乡村景观(2×106km2),土壤有机碳总储量为5.5±0.69 Pg(1Pg=1015g),相当于全球旱地有机碳储量3-4%。土壤有机碳水平要低于全国的平均水平,土壤有机碳密度变化从长江中下游平原的3.45±0.66kgm-2到四川盆地的2.12±0.57kgm-2,其它3个区域的有机碳密度均约为2.7kgm-2;土壤全氮总储量为0.54±0.07 Pg,土壤全氮密度和土壤有机碳密度变化基本一致,以长江中下游平原最高(0.33±0.06kgm-2),华南山地丘陵最低,其它3个区域基本相当;土壤全磷总储量为0.30±0.05 Pg,土壤全磷密度以长江中下游平原和黄河冲积平原最高,均为0.22kg m-2,华南山地丘陵最低(0.08±0.04kg m-2)。通过相关分析得出:在人口密集乡村景观,年均气温和年降雨量与土壤有机碳和全氮的密度没有很好的相关性。而土壤全磷与气候因子表现出很好的相关性,虽然没有达到显著程度。这说明人类活动在一定程度上改变的土壤有机碳和全氮在区域间的分布,削弱了气候因子的作用,尽管土壤有机碳和全氮的差异大多是因为农户自然选择肥沃土壤作为农田的结果,而并不是土地管理本身引起的差异。而由于土壤全磷的迁移率小,人为活动对其影响较小。 不论是小尺度的地形、土地利用还是植被覆盖,对土壤有机碳、全氮和全磷密度均有显著影响。土壤有机碳密度以肥沃多产的农田,尤其是水田最高,受人为干扰较小的人工林地居中等,低水平的土壤有机碳大多集中在无农业生产、贫瘠的的地区,如闲置地、采矿或填埋地。土壤全氮密度变化趋势和土壤有机碳基本一致。而土壤全磷密度以居民居住地附近的建设用地和杂乱用地最高,其次为农田,最低的为人工林地和闲置地。通过比较表层(0~15 cm)和底层(15~30 cm)的土壤有机碳、全氮和全磷密度,大多土壤表层要相应高于底层,并以水田最为明显,而建设用地、杂乱用地等有客土的地区的土壤表层和底层土壤养分变化不够统一,这些差异是由于不同土地利用方式所处的生态环境不同所造成的。 在华南山地丘陵,人工林地的土壤有机碳、全氮和全磷储量均最大,各自占了当地总储量的一半左右,而在其它4个区域,均以农田的土壤有机碳、全氮和全磷的储量最大。同时,在各宏观生态区域,居民居住地及其周围的杂乱用地的土壤有机碳、全氮和全磷的储量也占有一定的面积比例,储量百分数从黄河冲积平原的20%左右到华南山地丘陵的10%左右,且与人口密度有很好的相关性。这说明在人口密集乡村景观,除农田的土壤有机碳、全氮和全磷参与全球循环外,人类居住地及其周围的地区的土壤有机碳、全氮和全磷也不容忽视。在全国范围的人口密集乡村景观,以水浇地的面积最大,其土壤有机碳、全氮和全磷储量也最大,其次是水田和人工林地。 在各区域,生态立地间的土壤有机碳、全氮和全磷密度空间分布最为复杂。即使属同一地形、或土地利用、或植被覆盖,生态立地间的土壤养分仍然存在着差异。每个区域土壤有机碳、全氮和全磷储量最高的生态立地类型各不相同,分别为中等规模(30m)一年生大田作物(FPIAac05)黄河冲积平原)、两季水田(FPPAri01)(长江中下游平原)、小规模(30m)一年生大田作物(BPRAac04(四川盆地)、山脚,两季田(FSPAri01)(江南山地丘陵)和次生开放阔叶林(SLTPob02)(华南山地丘陵)。生态立地水平上的分析可以反映土壤有机碳、全氮和全磷在微观尺度的差异。 从研究的结果来看,小尺度景观的地形、土地利用、植被覆盖和生态立地对土壤有机碳、全氮和全磷密度有显著影响,而区域内土壤养分的高度空间变异性是导致区域土壤养分储量估算的不确定性的主要原因。基于高精度的生态制图,结合土壤采集,可以更好的了解人口密集乡村景观的土壤元素的分布情况,是对用传统方法评价区域性土壤元素储量的很好的补充。可为从细微尺度上估算全球或区域范围的土壤有机碳、全氮和全磷储量及变化提供借鉴。


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