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黄土高原小流域土壤有机碳、氮时空变异与动态模拟研究

李明明  
【摘要】:土壤是全球重要的碳库和氮库。在全球碳、氮循环中具有重要地位,直接影响着陆地生态系统的温室气体排放和全球气候变化。正确估算区域土壤有机碳、氮水平以及动态变化是全球气候变化研究的重要内容,也是近年来国际地学和生态学界的研究热点领域。黄土高原是我国主要生态区,随着退耕还林草政策的实施,其土壤有机碳和氮分布特征、储量估算以及未来的发展趋势研究是环境效应评价的重要内容之一。本文以黄土高原典型小流域纸坊沟流域为研究对象,借助GPS对全流域进行均匀布点,结合传统统计学、地统计学及GIS,探寻黄土高原纸坊沟流域不同土地利用类型下土壤有机碳、氮含量的空间变异性、分布特征及其影响因素,揭示了20年来该流域土壤碳、氮的时空变化特性,并利用有机碳动态模型进行流域尺度的土壤有机碳模拟和预测。得到以下主要研究成果: 1、0-100cm土壤有机碳、氮含量均值分别为3.08g·kg-1和0.32g·kg-1。土壤有机碳、氮含量随土壤深度的增加而减小,与土层深度的关系均可用幂函数表示。各层土壤有机碳、氮含量均属于中等变异强度,并符合对数正态分布,并且可用不同的半方差理论模型拟合。土壤有机碳含量在40cm以上具有中等空间相关性,受随机因素和结构性因素共同作用。40cm以下具有强烈的空间相关性,主要受结构性因素影响。土壤全氮含量在0-10cm、40-60cm具有强烈空间相关性,主要受结构性因素影响。其余四层具有中等空间相关性,受随机因素和结构性因素共同作用。流域空间分布上的差异与地形、土地利用和一些人类活动等因素有密切关系。普通Kriging插值能直观地反映出该流域土壤有机碳空间分布的情况。 2、0-100cm土壤有机碳、氮含量和密度均表现为:灌木林地草地农地;土壤容重依次为:农地草地林地灌木。农地的土壤容重在各层均明显高于其它土地利用方式,深度对土壤容重影响并不明显。土壤容重和有机碳含量之间可用幂函数关系来表示。不同土地利用类型下,土壤有机碳与全氮均存在极显著线性相关关系(p0.01),C/N从大到小依次为:林地灌木草地农地。草地、林地和农地的土壤C/N随土壤深度的增加而减小,灌木则不明显。坡度在8-15°之间土壤有机碳含量显著高于其他坡度(p0.05),而5°显著低于其他坡度,15-25°土壤全氮含量显著低于其他坡度范围,其他坡度范围差异不显著。土壤有机碳、氮含量在坡向上的差异表现为:阴坡阳坡半阳坡半阴坡。土壤有机碳、氮含量随海拔的变化呈现出相似的变化趋势:随着海拔的增加,呈先增加后降低趋势。在垂直方向上,土壤有机碳、氮含量的剖面分布在60cm以上较高,随深度增加而减少的趋势明显;60cm以下,土壤有机碳、氮平均含量较低且稳定。 3、纸坊沟流域0-100cm平均有机碳、氮密度分别为2.63kgC·m-2和0.267kgN·m-2,有机碳、氮储量分别为21.62×106kgC、2.20×106kgN。土壤有机碳密度具有强烈的空间相关性,受结构性因素影响。而土壤氮密度具有中等空间相关性,受随机因素和结构性因素共同作用。土壤有机碳、氮密度半方差函数的拟合曲线分别符合指数,球状模型的变化趋势,在空间分布上表现出阶梯状和环状的空间分布格局。土地利用类型、地形和土壤质地是土壤有机碳氮密度分布的主要影响因子。土层深度与土壤有机碳、氮储量之间的关系可用幂函数关系式表示。土壤有机碳、氮密度小于平均值的土壤面积约占总面积的65.58%和59.75%,说明流域大部分土壤的有机碳、氮含量较低,流域土壤总储量较小。 4、近二十年来,纸坊沟流域0-20cm土壤有机碳、氮含量分别增加2.37g·kg-1和0.12g·kg-1。储量较1992年分别增加了78%和30%。两期数据均属于中等变异性并符合对数正态分布。2010年土壤有机碳、氮的变异系数与空间相关程度均高于1992年。变程数据表明近20年来研究区域空间分布均一性减弱,小范围内变异增强,整体分布较复杂。空间分布表明,高值区从地势较高的流域外围转向地势较为平坦的低洼地区。退耕还林(草)引起的土地利用变化及一些人类活动是时空变化的主要原因。 5、Century模型可以模拟黄土高原小流域土壤有机碳的动态变化。在Century模型运行达到平衡状态时,研究区土壤总有机碳为1.792kgC·m-2,活性有机碳库、慢性有机碳库和惰性有机碳库分别占总有机碳库的3%,68%和29%。在研究区平衡状态被破坏后,土壤总有机碳经历了“增加—减少—增加”变化趋势,最终土壤总有机碳超过了原始自然平衡状态下的土壤有机碳水平。各组分土壤碳库的变化与土地利用方式和农业管理模式有密切关系。应用Century模型模拟2110年土壤有机碳(0-20cm)为1.86kgC/m2,有机碳储量为15.4×106kgC,不同土地利用方式下土壤有机碳均有不同程度的提高,显示出明显的土壤“碳汇”效应。土地利用和地形因素会在很长一段时间内影响研究区土壤有机碳的空间分布格局。


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