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《西南大学》 2008年
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喀斯特小流域土壤质量变化及其对水环境质量的影响

苏跃  
【摘要】: 中国南方喀斯特生态系统因其脆弱性,在人为干扰下森林普遍出现退化,植被覆盖率明显下降,土壤和水环境质量退化。土地的农业利用改变了自然土壤的植被类型、覆盖状况及土壤理化性质等,使得地表物质大量迁移进入水文循环系统,不仅造成自然植被退化与水土流失,还加剧了农业面源污染及地下水污染的发生。本研究从生态系统角度,把植被-土壤-水作为整体进行系统研究。探索喀斯特小流域植被变化中土壤质量变化及其对水环境质量的影响,探讨影响水环境质量的主要因素,为喀斯特地区水资源保护、生态环境恢复,生态环境安全的监控和和农业自然资源可持续利用提供科学依据。本研究以长江流域及珠江流域上游关岭、普定及荔波的小流域为样区,选取三类典型森林群落退化样地,以及具有代表性的三类农作区,通过对其土壤、地表径流水和浅层地下水的分析,获得了一些有价值的研究结果。 1.喀斯特小流域随着森林群落退化,土壤容重增大、孔隙度度减小,粘粒含量增加,有机质和腐殖酸含量急剧下降,植物可利用氮磷钾养分的数量减少,土壤CEC、交换性钙镁含量,土壤呼吸强度、脲酶等生物学活性均下降,土壤保水保肥及供肥能力下降,且阔叶林地与灌丛草地之间土壤质量差异显著,土壤质量明显退化。相关分析、通径分析和主成分分析表明,土壤脲酶和磷酸酶活性可以作为喀斯特小流域森林退化区石灰土的土壤肥力质量评价指标。以筛选土壤肥力指标,利用聚类分析将土壤质量变化分为2个等级:第一类土壤土壤容重平均1.132g.cm~(-3),有机质>100 g.kg~(-1),腐殖酸>40 g.kg~(-1),有效氮>400 mg.kg~(-1),有效磷>6 mg.kg~(-1),物理性粘粒<60%,土壤结构性好,供肥能力强,土壤酶活性较高,属于较好的土壤类型,其对应地表植被为阔叶林地。第二类土壤容重1.17~1.275g.cm~(-3),有机质50~86 g.kg~(-1),腐殖酸16.03~29.65 g.kg~(-1),有效氮212.5~371.5 mg.kg~(-1),有效磷3.7~4.8mg.kg~(-1),物理性粘粒>67%,土壤酶活性一般,土壤结构性、保肥保水性有待进一步改善,该类土壤理化性质差异较大,土壤质量退化,其对应地表植被为主要是灌木林地和灌丛草地。 2.喀斯特小流域三类农作生态区,从以玉米为主的低复种旱作区、玉米/油菜/烟草等为主的高复种旱作区、到玉米/油菜/烟草/水稻/蔬菜等作物高复种复合农作区,由于肥料投入、人工耕种等因素影响,土壤有全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等肥力因子含量和土壤生物学活性依次增大,且低复种旱作区与高复种旱作区、高复种复合农作区土壤之间存在显著差异。分析显示,土壤呼吸强度、蛋白酶和磷酸酶活性可以作为喀斯特小流域农作区石灰土的土壤肥力质量评价指标。这与同样小流域的非农用地不同。以筛选的土壤肥力质量变化的评价指标,利用聚类分析法初步将土壤质量变化分为3个等级:第一类主要为高复种复合农作区和部分高复种旱作区土壤,土壤氮磷养分水平高,供肥能力强,土壤生物活性较高。第二类主要是高复种旱作区和少部分低复种旱作区土壤。其氮磷养分含量较高,土壤质地偏粘,土壤生物活性一般。第三类主要是低复种旱作区和少部分高复种旱作区土壤,有机质含量较低,氮磷钾养分含量低,土壤结构性。由于土壤质地差,坡度大,易水土流失。 3.随着森林群落的退化,地表径流水中的化学组分发生了明显改变。地表径流水中NO_3~-、NH_4~+、PO_4~(3-)、SO_4~(2-)的含量和高锰酸钾指数依次增大,仅灌丛草地与阔叶林地、灌木林地的PO_4~(3-)含量和高锰酸钾指数差异呈显著或极显著水平。相关分析及通径分析表明:径流中NO_3~-、PO_4~(3-)、NH_4~+含量和径流中高锰酸钾指数一定程度上受植被和土壤质量变化的影响。随植物生长季节的变化,3类植被区径流中的氨态氮、硝态氮、磷和钾的含量不同,且随着季节的变化而各不相同变化。选用12个指标作为水质评价指标,采用聚类分析初步分阔叶林和部分灌木林类型地表径流水,以及灌草丛地和部分灌木林地类型的地表径流水。随着森林群落退化,浅层地下水化学组分发生了改变。浅层地下水NO_3~-、NH_4~+、PO_4~(3-)、高锰酸钾指数、SO_4~(2-)的含量依次增大,但各类土壤间差异不显著。相关分析及通径分析表明:浅层地下水中NO_3~-、PO_4~(3-)、NH_4~+含量和高锰酸钾指数受土壤质量影响。选用12个指标(除Cl~-)作为水质评价指标,聚类分析初步分为阔叶林类型地下水;灌木林,兼部分灌丛草地和阔叶林地类型地下水,以及灌草丛地和部分灌木林地类型地下水。各类型间水质有差异,但不显著。 4.三类农作生态区地表径流水中的化学组分有明显不同。从低复种指数的旱作区、高复种指数的旱作区到高复种指数的复合农作区,地表径流中的NO_3~-、NH_4~+、PO_4~(3-)、SO_4~(2-)的含量和高锰酸钾指数依次增大,均呈显著上升趋势。地表径流Ca~(2+)和K~+的含量也逐渐增大,且低复种旱作区与高复种旱作区、高复种复合农作区的差异达显著水平。耕地地表径流的NO_3~-、NH_4~+、PO_4~(3-)及SO_4~(2-)含量显著高于非农用地,也提高了对水环境质量影响的潜能。分析表明:农用地地表径流中N_3~-、PO_4~(3-)、NH_4~+含量和高锰酸钾指数一定程度上受土壤有机质、氮磷含量和植被变化的影响,而非农用地中地表径流中NO_3~-、PO_4~(3-)、NH_4~+含量和径流中高锰酸钾指数受土壤质量影响要复杂得多。随生长季节的变化,玉米地和花椒地的地表径流中氮磷钾含量均发生明显变化,花椒地与玉米地随生长时期径流中的氮磷钾含量也不同。选用12个指标作为水质评价指标,参照地表水质量标准对3类样地进行聚类分析,并进行评价:第1类型即低复种旱作区,指标达Ⅰ类水体的标准,这类地水质量良好;第2类型即以高复种旱作区为主,兼部分高复种复合农作区,NH_4~+、PO_4~(3-)含量部分达Ⅱ—Ⅲ类水体的标准,高锰酸钾指数达Ⅰ—Ⅱ类水体的标准,水体受到一定程度的影响;第3类型即高复种复合农作区为主,NH_4~+、NO_3~-部分超地表Ⅲ类水体标准,PO_4~(3-)含量部分达Ⅱ—Ⅲ类水体的标准,高锰酸钾指数达Ⅰ—Ⅱ类水体的标准,地表径流水质在Ⅱ~Ⅲ类水体标准,部分指标超Ⅲ类水体标准,水体受到了污染的影响。 5.不同农作区浅层地下水化学组分也有明显不同。从低复种指数的旱作区、高复种指数的旱作区到高复种指数的复合农作区,浅层地下水中的NO_3~-、NH_4~+、PO_4~(3-)、高锰酸钾指数和SO_4~(2-)的含量依次增大,呈显著上升趋势。与非农用地相比,耕地浅层地下水的NO_3~-、NH_4~+、PO_4~(3-)及SO_4~(2-)含量高,在高复种指数农作区浅层地下水中氮磷含量更高。分析表明:浅层地下水中NO_3~-、PO_4~(3-)、NH_4~+含量和高锰酸钾指数受土壤质量一定的影响。对13种水化学成分进行因子分析(主成分法)可知,第一主因子主要由pH、EC、SO_4~(2-)、NO_3~-、PO_4~(3-)、Ca~(2+)、Mg~(2+)、Na~+所决定,第二主因子主要由HCO_3~-、高锰酸钾指数、NH_4~+所决定,第三主因子主要由K~+所决定,仅Cl~-对浅层地下水影响不明显。对上述明显变化12个指标作为评价指标(除Cl~-),初步聚类将浅层地下水分为3个等级,参照地下水质量标准,并选取主要富营养化指标对3类样地进行评价:第1类型为以以低复种旱作区的地下水为主体构成,NO_3~-含量部分达Ⅱ~Ⅲ类地下水体的标准,高锰酸钾指数部分超Ⅱ类地下水体的标准定,NH_4~+部分超Ⅱ类地下水体的标准,浅层地下水受到一定程度的影响;第2类型以高复种旱作农业区的地下水为主体,NO_3~-含量达Ⅱ~Ⅲ类地下水体的标准,高锰酸钾指数部分超Ⅱ类地下水体的标准定,NH_4~+部分超Ⅱ类地下水体的标准类,这类浅层地下水受到了影响;第3类型以复合农业区的地下水为主体构成,NO_3~-含量部分超Ⅲ类地下水体的标准,高锰酸钾指数达Ⅱ—Ⅲ类地下水体的标准,NH_4~+部分超Ⅱ类地下水体的标准类,这类浅层地下水质量明显受到的污染。 6.喀斯特地区森林退化导致土壤质量退化,并影响了水环境质量。而在土壤农用后,施肥等农艺措施,直接导致了土壤质量变化。喀斯特特殊的双重水文结构,使水环境质量易受土壤质量等环境因素影响,特别是浅层地下水更易受到污染。因此,要积极探索有效的农业管理途径,控制喀斯特地区对水环境质量影响的农业面源污染。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:S154

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