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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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黄土高原生物结皮土壤抗水蚀机理研究

高丽倩  
【摘要】:黄土高原退耕还林(草)工程实施后,以蓝绿藻类、苔藓类、地衣类等先锋物种为主的生物土壤结皮(简称生物结皮)广泛发育,其在改善土壤理化属性,防治土壤侵蚀,促进生态恢复等方面具有显著作用。其中,稳定土壤和防止土壤侵蚀是生物结皮最重要的生态功能。为了明确生物结皮增强土壤抗侵蚀性的作用机理,本文以黄土高原水蚀区不同类型(藻结皮和藓结皮)及发育阶段的生物结皮为研究对象,通过野外调查结合室内外分析测定,在明确研究区生物结皮形成分布特征及其对土壤理化属性影响的研究基础上,利用模型估算、模拟降雨、放水冲刷,研究生物结皮对土壤抗水蚀能力的影响,从内因(生物结皮对土壤理化属性的影响)和外因(覆盖作用)两方面解析了黄土高原水蚀区生物结皮土壤的抗水蚀机理,揭示了生物结皮增强土壤抗侵蚀性的方式及程度,确定了生物结皮对土壤抗蚀、抗冲性的作用阈值,明确了生物结皮土壤抗水蚀的主导影响因子,为建立考虑生物结皮的土壤侵蚀预报模型奠定了科学基础。所得主要结论如下:(1)黄土高原退耕地生物结皮总盖度可达55%-80%,演替规律由藻结皮直接发育至藓结皮,藓结皮可以表征研究区生物结皮的发育程度。生物结皮分布受降水、土壤质地、坡向、坡度、坡位及维管束植物影响显著。藓结皮盖度随降水量(550-250 mm)的降低增加了2倍,而藻结皮则降低了35%,地衣结皮盖度为10%左右。砂土上藓结皮的盖度约是壤土的2倍,壤土上藻结皮较砂土上高27%。不同坡向上,藓结皮在阴坡的分布较阳坡高59%,藻结皮则低22%,地衣结皮无显著差异。缓坡上藻结皮和藓结皮分布较多,地衣结皮则适宜在陡坡生长。不同坡位上藻结皮分布无显著差异,藓结皮则在坡顶和下坡位分布较多,为30%左右。藓结皮盖度随着维管束植物的增加显著下降,藻结皮和地衣结皮受维管束植物影响较小。随着退耕时间延长,藻结皮盖度呈对数函数下降,藓结皮盖度呈幂函数增加。生物结皮在退耕后5年左右即可发育至藓结皮为主的阶段,此时藓结皮与藻结皮盖度均为40%左右。(2)生物结皮发育显著增加了土壤有机质、全氮、土壤细颗粒含量及土壤粘结力,降低了土壤容重。生物结皮发育后期藓结皮(藓生物量为8.84±0.27 g/dm2)土壤有机质和全氮含量较初期藻结皮(生物量为3.67±1.10 mg/g,以叶绿素a含量表示,下同)分别增加了1.6倍和1.3倍。随着生物结皮的发育,土壤细颗粒(0.01 mm)含量增加,粗颗粒(0.05-0.25 mm)含量减少。生物结皮发育后期土壤容重较初期降低约14%。生物结皮发育过程中,土壤粘结力是去除生物结皮土壤的6-7倍。(3)生物结皮显著降低了土壤可蚀性,主要与土壤有机质含量的增加有关。随着生物结皮的发育土壤可蚀性显著降低,发育后期土壤可蚀性较初期降低了约21%。藓结皮的发育程度可用于表征生物结皮土壤可蚀性的变化。(4)生物结皮显著增强了土壤抗蚀性,程度与生物结皮类型和发育程度有关。生物结皮主要通过覆盖作用削减雨滴动能进而增强土壤抗溅蚀性。随着生物结皮发育,生物结皮承受的降雨动能显著增加,土壤流失量显著降低。当藓结皮盖度大于33%,藓生物量大于0.67 g/dm2,对应的藻结皮生物量为17.9 mg/g时,生物结皮能够抵抗研究区极端暴雨侵蚀。藻结皮和藓结皮共同作用抵抗降雨侵蚀,当藓结皮与藻结皮的盖度比大于0.6时,土壤流失量趋近于0。藓结皮盖度可用于表征生物结皮土壤抗蚀性的变化。(5)生物结皮显著增强了土壤抗冲性,程度与生物结皮类型和发育程度有关。生物结皮通过其覆盖的直接物理保护作用及改善土壤属性的间接作用提高土壤抗冲性。藓结皮盖度可用于表征生物结皮土壤抗冲性的变化。随着生物结皮发育,生物结皮抗冲能力增加。当藓结皮盖度大于36%,藓生物量大于1.32 g/dm2,相应的藻结皮生物量为24.8 mg/g时,生物结皮能够抵抗研究区极端暴雨条件下的径流冲刷作用。藻结皮和藓结皮共同作用抵抗径流冲刷,当藓结皮与藻结皮的盖度比大于0.6时,生物结皮可较好的保护土壤不被径流冲刷破坏。(6)生物结皮在不同水蚀阶段抵抗侵蚀的作用方式不同。生物结皮的生物组成及发育程度是其抗侵蚀性的关键影响因子,其中藓结皮覆盖度可用于表征生物结皮土壤抗侵蚀性。雨滴溅蚀阶段,生物结皮主要通过覆盖作用(C因子)抵抗降雨侵蚀,贡献率为60%;当径流产生时,主要通过覆盖作用及对土壤理化属性(K因子)的影响共同抵抗径流侵蚀,贡献率为50%。生物结皮发育早期阶段对土壤抗侵蚀性的影响主要是K因子起主导作用,贡献率为65.2%。藻结皮主要通过覆盖作用提高土壤抗侵蚀性,发育早期阶段的藓结皮则主要通过对土壤理化属性的改善提高土壤的抗侵蚀能力,发育后期阶段则是覆盖作用为主。
【关键词】:藓结皮 藻结皮 土壤可蚀性 土壤抗蚀性 土壤抗冲性
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S157
【目录】:
  • 致谢5-7
  • 摘要7-9
  • ABSTRACT9-17
  • 第一章 绪论17-34
  • 1.1 选题背景及意义17
  • 1.2 生物结皮的形成、发育及分布研究进展17-21
  • 1.2.1 生物结皮的形成演替17-18
  • 1.2.2 生物结皮分布及其影响因素18-21
  • 1.3 生物结皮对土壤理化属性的影响研究进展21-27
  • 1.3.1 生物结皮对土壤物理属性的影响21-24
  • 1.3.2 生物结皮对土壤化学属性的影响24-25
  • 1.3.3 生物结皮对土壤生物学属性的影响25-27
  • 1.4 土壤抗侵蚀性研究进展27-30
  • 1.4.1 土壤可蚀性评价27-28
  • 1.4.2 土壤抗蚀性及其影响因素28-30
  • 1.4.3 土壤抗冲性及其影响因素30
  • 1.5 生物结皮对土壤抗侵蚀性的影响研究进展30-32
  • 1.5.1 生物结皮抗风蚀作用30-31
  • 1.5.2 生物结皮抗水蚀作用31-32
  • 1.6 目前研究中存在的主要问题及不足32-34
  • 第二章 研究内容与技术路线34-38
  • 2.1 研究区概况34-35
  • 2.2 研究目标与内容35-36
  • 2.2.1 研究目标35-36
  • 2.2.2 研究内容36
  • 2.3 技术路线与拟解决的关键问题36-38
  • 2.3.1 技术路线36-37
  • 2.3.2 拟解决的关键问题37-38
  • 第三章 黄土高原生物结皮发育、分布特征及影响因素38-52
  • 3.1 引言38
  • 3.2 材料与方法38-40
  • 3.2.1 生物结皮发育状况野外调查及样品采集38-39
  • 3.2.2 生物结皮分布调查39-40
  • 3.2.3 数据处理40
  • 3.3 结果分析40-50
  • 3.3.1 生物结皮发育特征40-43
  • 3.3.2 生物结皮空间分布特征43-49
  • 3.3.3 生物结皮分布影响因素49-50
  • 3.4 小结50-52
  • 第四章 生物结皮对土壤理化属性的影响52-65
  • 4.1 引言52
  • 4.2 材料与方法52-54
  • 4.2.1 野外调查及样品采集52-53
  • 4.2.2 测定项目及方法53-54
  • 4.2.3 数据处理54
  • 4.3 结果分析54-63
  • 4.3.1 生物结皮对土壤有机质的影响54-57
  • 4.3.2 生物结皮对土壤全氮的影响57-59
  • 4.3.3 生物结皮对土壤颗粒组成的影响59-60
  • 4.3.4 生物结皮对土壤容重的影响60-61
  • 4.3.5 生物结皮对土壤粘结力的影响61-63
  • 4.4 讨论63-64
  • 4.5 小结64-65
  • 第五章 生物结皮对土壤可蚀性的影响65-75
  • 5.1 引言65-66
  • 5.2 材料与方法66-67
  • 5.2.1 生物结皮土壤可蚀性估算66
  • 5.2.2 模拟降雨条件下生物结皮土壤可蚀性66-67
  • 5.2.3 数据处理67
  • 5.3 结果分析67-71
  • 5.3.1 不同类型生物结皮对土壤可蚀性的影响67-68
  • 5.3.2 生物结皮发育对土壤可蚀性的影响68-69
  • 5.3.3 模拟降雨条件下生物结皮土壤流失量69
  • 5.3.4 生物结皮对土壤可蚀性的影响机理69-71
  • 5.4 讨论71-74
  • 5.4.1 生物结皮对土壤可蚀性的影响71-73
  • 5.4.2 生物结皮对土壤流失量的影响73-74
  • 5.5 小结74-75
  • 第六章 生物结皮对土壤抗侵蚀性的影响75-97
  • 6.1 引言75-76
  • 6.2 材料与方法76-82
  • 6.2.1 样品采集76-78
  • 6.2.2 模拟降雨实验78-80
  • 6.2.3 抗冲实验80-81
  • 6.2.4 数据处理81-82
  • 6.3 结果分析82-92
  • 6.3.1 不同类型生物结皮对土壤抗蚀抗冲性的影响82-84
  • 6.3.2 生物结皮发育对土壤抗蚀抗冲性的影响84-87
  • 6.3.3 生物结皮土壤抗蚀性影响因素87-89
  • 6.3.4 生物结皮土壤抗冲性影响因素89-92
  • 6.4 讨论92-95
  • 6.4.1 生物结皮对土壤抗蚀性的影响92-93
  • 6.4.2 生物结皮对土壤抗冲性的影响93-95
  • 6.5 小结95-97
  • 第七章 生物结皮土壤抗侵蚀调控机制97-104
  • 7.1 引言97
  • 7.2 不同水蚀阶段生物结皮土壤抗侵蚀调控机制97-98
  • 7.3 不同类型及发育阶段生物结皮对土壤抗侵蚀调控机制98-102
  • 7.4 生物结皮土壤侵蚀量与发育程度间数量关系102-103
  • 7.5 小结103-104
  • 第八章 主要结论及展望104-109
  • 8.1 主要结论104-106
  • 8.2 主要进展106-107
  • 8.3 主要创新点107
  • 8.4 研究展望107-109
  • 参考文献109-127
  • 作者简介127

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