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水蚀风蚀交错区土壤水、碳、氮、磷分布及有关过程对植被类型的响应

付晓莉  
【摘要】: 水蚀风蚀交错带是黄土高原植被退化最严重的地区。该区气候变化剧烈,全年水蚀、风蚀交替进行,土壤下垫面高度异质。水蚀风蚀交错区特殊的植被生境意味着植被恢复措施在减少水土流失、改善土壤肥力和提高碳固持等方面的生态环境服务功效将有别于黄土高原其它地区。本文以灌木、草地、荒地和农地四种植被类型为例,采用中子仪、土壤呼吸仪、植物光合仪以及土样室内分析等仪器与方法,于2007至2009年在中国科学院水利部水土保持研究所神木土壤侵蚀与环境试验站,对典型地形条件下水、碳、氮、磷4种生源要素时空动态分布、植被蒸散、土壤呼吸和植物光合固碳对植被类型的响应进行了系统的研究,取得以下5个方面结果: 1.植被类型改变了土壤水分的坡面分布特征与水量平衡。灌木和草地土壤储水量沿坡面分布均匀,而荒地和农地土壤储水量(0-4m)存在由地形驱动的土壤水分侧向运动趋势。四种植被类型蒸散量的大小顺序为:灌木草地农地荒地。雨季初期(六月)灌木和草地的蒸散量高于降雨量。坡长尺度对水量平衡的影响主要体现在径流量上。 2.不同植被类型改善土壤质量的能力不同。与农地相比,灌木能显著提高0-100cm土层土壤有机碳和全氮的含量及储量,而草地和荒地可通过减少侵蚀量来间接地增加土壤有机碳和全氮的含量。植被类型对土壤全磷含量影响不显著,但对土壤全磷的坡面分布特征有影响,表现为荒地和农地土壤全磷具有坡下累积现象。植被类型显著改变了坡面土壤速效磷和无机氮的时空动态分布特征。灌草和荒地土壤速效磷始终显著低于农地,而无机氮与农地的差异随季节变化而变化。灌草和荒地土壤速效磷在8月份较高,无坡下累积现象。生长季期间,灌木和草地土壤无机氮的主要形态转变频繁,荒地的主要形态为NH4+-N,农地在生长季前期以NO3--N为主。灌木和荒地土壤无机氮沿坡面随机分布,草地和农地某些月份存在无机氮在坡下部累积现象。研究区农田生态系统存在氮肥淋溶损失风险。 3.植被类型对土壤呼吸日变化和月变化的影响与植物生物气候学阶段有关。荒地和农地土壤呼吸日变化幅度在七月与灌木和草地相当,但在八月和十月显著高于灌木和草地。除八月份农地土壤呼吸月均值与灌木和草地一样高外,研究时段内荒地和农地土壤呼吸月均值相当,且显著低于灌木和草地。不同植被类型土壤呼吸月均值变化受不同因子影响,土壤温度对灌草和荒地的土壤呼吸月均值影响明显,而对农地影响不大。生物因素(根生物量、叶面积指数和光合速率)是导致不同植被类型间土壤呼吸差异的主要原因,但主导因子随月份变化。 4.碎石存在显著改变了土壤呼吸的降雨脉冲特征和雨季土壤呼吸水平。碎石隔层延迟了土壤呼吸的降雨脉冲峰值,延迟时间随雨强的增大而增长。降雨脉冲和根生物量差别导致生长季碎石隔层处理的土壤呼吸值显著小于无碎石处理。碎石覆盖不影响土壤呼吸的降雨脉冲节奏,但对降雨后土壤呼吸值影响明显。碎石含量对土壤呼吸降雨脉冲特征影响明显,雨后第二天无碎石处理土壤呼吸的增大幅度远高于含碎石处理。碎石覆盖和碎石含量对土壤呼吸生长季均值的影响不显著。碎石存在不改变土壤呼吸的生长季变化趋势。 5.植被恢复措施能够提高小流域碳汇能力及生态系统植物光合固碳量。灌木和草地的碳汇功能强于荒地。通过退耕还林还草措施,20hm2小流域的年植被光合固碳量增加25 Mg C,年碳汇量增加2.2 Mg C。 本研究表明水蚀风蚀交错区人工灌木在提高土壤养分含量方面的功效优于草地。人工灌草的植被光合固碳量可以抵消由其土壤呼吸导致的高碳排放量,使实施了植被恢复措施的小流域表现为碳汇功能。雨季初期土壤水分亏损加重了人工灌草的土壤干燥化问题,但这一问题可通过合理的植被类型空间布局得到缓解。研究区农田生态系统存在氮肥淋溶风险,故优化的施肥管理方法应取代原有的粗放模式。碎石存在显著地影响土壤呼吸的降雨脉冲特征和雨季土壤呼吸水平这一结果表明考虑土壤下垫面异质性在提高陆地生态系统碳排放估算精度方面不容忽视。该研究将为合理评价水蚀风蚀交错区植被恢复的生态环境效应和进行有效的生态环境建设提供理论依据。


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