湘北农林复合生态系统土壤重金属空间分异及动态变化研究

发布时间：2019-12-02 05:31

【摘要】：农林复合生态系统作为一种可持续的土地利用和经营模式,以能较好的解决农林用地矛盾、提高自然资源利用效率而为人们所重视。对农林复合生态系统中土壤重金属的空间异质性进行研究,是探讨土壤重金属时空变异规律的有效方法,对保障农林复合生态系统农产品生产安全和农村生态安全具有重要意义。本论文以汩罗市桃林林场湿地松—水稻(松—稻)复合生态系统和湿地松、樟树混交林—水稻(混—稻)复合生态系统为研究对象,通过传统统计学和地统计学以及GIS技术相结合的方法,研究了0-20cm层土壤重金属含量、空间分异特征、来源、短期变化趋势和变化原因,并以同期小平原稻田生态系统土壤重金属含量值为对照,从土壤重金属角度分析其环境效应,为降低低山丘陵区的水稻重金属污染风险提供理论支撑和方法指导。主要研究结果如下：(1)三种系统中土壤Cd元素均出现不同程度的累积,土壤Cd元素平均含量值以混—稻复合生态系统最大,分别超出湖南省和中国土壤背景值3.33和4.33倍,三种系统土壤Cd的平均含量值均已超出《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)中的二级限值。土壤Cd和Cu在短期内呈现出持续累积趋势。松—稻复合生态系统和小平原稻田生态系统中土壤Pb元素也出现一定程度累积,但远未超出《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)中的二级限值,其他重金属元素均未超出背景值,累积趋势亦不明显。(2)两种复合生态系统土壤重金属含量数据服从或经对数转换后服从正态分布。水稻移栽前期,松—稻复合生态系统中土壤Cu和Cd的半方差函数可用高斯模型拟合,Pb可用球状模型拟合,Zn和Mn可用指数模型拟合；混—稻复合生态系统中土壤Cu和Pb的半方差函数可用高斯模型拟合,Cd、Zn和Mn可用指数模型拟合。水稻分蘖盛期,松—稻复合生态系统中土壤Cu和Cd的半方差函数可用球状模型拟合,Pb和Zn可用高斯模型拟合,Mn可用指数模型拟合；混—稻复合生态系统中土壤Cu的半方差函数可用球状模型拟合,Cd、Pb和Zn可用高斯模型拟合,Mn可用指数模型拟合。水稻成熟期,松—稻复合生态系统中土壤Cu和Pb的半方差函数可用高斯模型拟合,Cd可用球状模型拟合,Zn和Mn可用指数模型拟合；混—稻复合生态系统中土壤Cu、Pb、Cd和Zn的半方差函数可用高斯模型拟合,Mn可用指数模型拟合。土壤Mn元素的空间自相关尺度最大,其次为Zn,再次为Pb,Cu和Cd的空间自相关尺度最小。三个时期松—稻和混—稻复合生态系统中土壤Mn的块基比((C0/(Co+C))均小于25%,具有强烈的空间相关性,Cu、Cd、Pb和Zn的块基比基本在25%-75%之间,具有中等程度的空间相关性。但在水稻分蘖盛期,受系统内林地施肥的影响,松—稻复合生态系统中土壤Cd以及混—稻复合生态系统中土壤Cu的块基比分别升高到79.2%和78.2%,空间相关性减弱。(3)采用普通Kriging插值,在松—稻复合生态系统中,土壤Cu元素呈现出斑块状分布格局,Cd呈现条带与斑块相结合的分布格局,两者的含量值均有山谷大于山脊的分布特征。混—稻复合生态系统中,土壤Cu和Cd元素呈现条带状分布格局,且含量值均在东南部最高。两种复合生态系统中,土壤Pb和Zn的含量值呈现出周边高中间低的分布特征。混—稻复合生态系统土壤Pb和Zn的空间分布格局比松—稻复合生态系统稳定。土壤Mn的含量值在空间上呈现条带与斑块相结合的分布格局,空间分布状态的稳定度最高。(4)经Pearson相关系数法和地统计分析法得出,两种复合生态系统中,土壤中的Cu和Cd主要来源于肥料施用,Pb和Zn主要来源于金属开采和冶炼、工业废气和汽车尾气排放,Mn来源于土壤母质。土壤Pb的含量值与高程呈显著负相关,松—稻复合生态系统中土壤Cu和Cd的含量值与高程呈极显著负相关,混—稻复合生态系统中土壤Cu和Cd的含量值与高程呈显著负相关,土壤中的Cu、Pb和Cd均有向低洼地势迁移富集的趋势。(5)松—稻和混—稻复合生态系统中稻田土壤Cd、Pb、Zn和Mn的平均含量均低于同期小平原稻田生态系统,可见这两种农林复合模式能对其中的稻田土壤重金属含量进行控制,有效降低土壤重金属污染风险。综合分析表明,对林地的经营管理以及土壤中Cu、Cd和Pb向低洼处迁移富集的特性可能会增加农林复合生态系统中稻田土壤的重金属污染风险,通过分析两种农林复合生态系统中重金属的来源和分布迁移规律,提出了以下三点防控措施：①合理施肥以减少重金属的外源输入；②通过调整林下植被和凋落物状况来减少地表径流产流量,以控制系统中林地土壤重金属向稻田区域的迁移；③在农林复合生态系统中稻田与林地的交界处开挖山塘或竹节沟,对随地表径流迁移而来的重金属进行拦截和沉淀。
【图文】：

气候,桃林,中亚热带,东南季风

２．１研究区概况逡逑本研究在湖南省泪罗市桃林林场（２８°５７＇４８＂Ｎ，１１３°０５＇０８＂Ｅ）及市郊Ｈ湖片逡逑村（２８°５１＇０４＂Ｎ，１１３°０４＇４３＂Ｅ）进行（图２N１）。研究区海拔５５－８０ｍ，，地势平缓，逡逑坡度基本在ｌ0°Ｗ下，王壤为第四纪红壤，ｐＨ值５．５－６．５，腐殖质含量较少，月己逡逑力中等。该地区属中亚热带东南季风气候，气候温和，降水充沛，四季分明，年逡逑平均温度１６．９Ｋ，年平均降雨量１３５３．６邋ｍｍ，年平均相对湿度８１％，无霜期２６３逡逑ｄ。逡逑若ＩＩ／Ｗ邋／Ｉ逡逑，Ｃｉ？？表：；‘；＾逦１．ｓ逡逑图２．邋Ｍ研巧地所处位置示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１．１邋Ａ邋ｓｋｅ化ｈ邋抗ｒ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ｓｈｅｓ逡逑１２逡逑

点分布,土壤采样,样地,农林复合生态系统

叶女贞、广玉兰、红花木莲等绿化苗木和油茶、李子树、桃树等果林苗木，部分逡逑苗木与农作物复合经营，沮成了多种农林复合生态系统。巧罗市Ｈ湖片村地处巧逡逑罗市北部市郊，紧邻泪罗江，为江河冲积平原，地势低平开阔，耕地Ｗ水稻为主，逡逑达到了全村怠面积的８５％左右。逡逑２．２研究方法逡逑２．２．１样地选择及采样点设置逡逑在样地选择上，本研究注重农林复合生态系统的完整性，不在系统内人为逡逑设置固定样方，而是将一个完整的农林复合系统作为样化进行研究。在桃林林场逡逑内分别选择了一块面积为６．３７８邋ｈａ的湿地松林一水稻（松一稻）复合系统和一块逡逑面积为４．４６７邋ｈａ的湿地松、憧树混交林一水稻（混一稻）复合系统作为样地，并逡逑在Ｈ湖片村选择了邋９块不相邻（每块间距均不小于１００ｍ）的水稻田作为对照样逡逑地（小平原稻田生态系统），所有样地内的水稻均为品种相同的单季稻。逡逑
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S153.6;S181

【参考文献】