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《湖南大学》 2016年
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侵蚀作用下南方红壤丘陵区土壤有机碳流失、更新及稳定性特征研究

马文明  
【摘要】:全球气候变暖是当前人类面临的最严峻的环境问题之一,而土壤碳库变化是影响大气CO_2浓度及全球气候变化的一个重要原因。地球表层土壤及其母质在降雨雨滴、地表径流和下渗水分作用下发生剥离、迁移及沉积的侵蚀是扰动土壤碳库的重要过程。然而,侵蚀对土壤碳库是“源效应”还是“汇效应”仍未达成一致意见。主要的分歧点在于侵蚀区是否存在大量的土壤有机碳(SOC)更新,沉积区埋藏的SOC是否稳定存在。而以往的研究主要聚焦于侵蚀作用下SOC的再分布、SOC的矿化、SOC侵蚀量、沉积区位置等方面,侵蚀驱动下的侵蚀原位区更新碳质量(稳定性及其组分)和异位沉积区SOC的稳定性研究有待进一步深入。基于以上科学问题,本研究以红壤丘陵区典型小流域作为研究对象,在径流小区尺度上分析了SOC和可溶性有机碳(DOC)的迁移流失规律,在小流域尺度上研究了侵蚀原位区SOC和DOC的更新及其稳定性,以及沉积区埋藏的有机碳的组分及其稳定性特征,得出以下结果和结论:1、通过野外径流小区人工模拟降雨试验,探讨了侵蚀影响下SOC和DOC的迁移流失和再分布规律。结果表明,有机碳流失量随降雨历时呈单峰型特征,最大流失峰值产生时间受雨强和坡面状况影响,而再分布主要受坡面耕作方式影响。有机碳流失规律的研究表明,不同雨强下,SOC和DOC流失量随雨强增大而增加,SOC最大流失峰值产生时间在大雨强下比小雨强提前48 min,DOC最大的流失峰则小雨强比大雨强提早6 min;不同耕作方式下,翻耕坡面SOC最大流失峰产生时间比免耕坡面早,DOC最大流失峰值则比免耕晚。有机碳再分布研究表明,不同雨强下,坡面有机碳再分布呈分带现象,免耕条件下再分布主要发生在坡中部位,而翻耕坡面再分布发生在坡肩部位。2、结合核素~(137)Cs示踪方法,研究了小流域侵蚀影响下有机碳的更新。研究结果表明,侵蚀原位区存在大量SOC和DOC的更新,并且主要发生在表层0-20 cm。流域内虽然有植被覆盖但仍然发生了侵蚀,侵蚀量大小表现为马尾松林区域杜英林区域樟林区域紫薇林区域光叶白兰区域;流域侵蚀区存在不同强度的SOC更新,更新量大小为紫薇林区域(9.1 Mg C ha~(-1))杜英林区域(8.1 Mg C ha~(-1))光叶白兰区域(6.0 Mg C ha~(-1))樟林区域(5.9 Mg C ha~(-1))马尾松林区域(0.3 Mg C ha~(-1))。DOC的更新量呈光叶白兰区域(0.2±0.03 g C kg)紫薇林区域(0.17±0.04g C kg)杜英林区域(0.15±0.02 g C kg)樟林区域(0.14±0.04 g C kg)马尾松林区域(0.09±0.02 g C kg)。3、采用热重和光谱分析技术,研究了流域内侵蚀区和沉积区SOC和DOC的稳定性特征。结果表明,侵蚀区和沉积区土壤有机碳(SOC和DOC)稳定性特征和影响机制存在显著差异。侵蚀区SOC和DOC稳定性高于沉积区,沉积区具有较强的碳固存潜力。SOC稳定性研究的结果表明,侵蚀区SOC稳定性随剖面深度增加而增加,沉积区有机碳稳定性随剖面深度变化差异不显著。剖面相应深度SOC的热稳定性侵蚀区比沉积区高,SOC活性组分含量沉积区比侵蚀区高。SOC固存因子的研究结果表明,侵蚀区深层土壤(30 cm)碳固存潜力高于表层(0-30 cm),沉积区表层碳固存潜力高于深层,且平均土壤颗粒比表面积(SSA)高于侵蚀区。DOC的分子稳定性研究结果表明,疏水性物质和分子聚合度较高的组分主要集中于侵蚀区,分子量和聚合度低的组分主要分布于沉积区;侵蚀区DOC主要由类腐殖质、色氨酸、类蛋白质构成,而沉积区DOC由类腐殖质和类蛋白质组成。表明侵蚀可能导致DOC组分在侵蚀区和沉积区产生分异,使DOC中的活性组分在沉积区累积。疏水性和腐殖质化程度相对较高的类腐殖质在侵蚀区沉积区都呈表聚分布;分子量较小,聚合度较低和活性较高的色氨酸和类蛋白组分含量随剖面深度增加而逐渐增多。通过以上研究结果,本研究认为:在小流域尺度上,侵蚀事件可增加该区域土壤有机碳库,可初步判定研究小流域侵蚀作用为碳汇效应。相关的研究结果将有助于进一步辨清侵蚀碳源汇效应,深入认识陆地生态系统碳循环过程和准确估算区域碳平衡有着重要意义。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S157.1

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