华东沿海滩涂围垦区土壤有机碳动态及其模型预测
发布时间：2020-08-04 08:00
【摘要】：土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,其动态变化对全球气候变化和土壤肥力意义重大。深入了解土壤有机碳与其影响因素之间的关系并运用这些影响因素预测土壤有机碳含量,可为土壤质量评价和气候变化评估提供科学依据。滩涂围垦是我国华东沿海地区获得新生土地的重要手段之一,由围垦导致的土壤环境剧烈变化可显著影响有机碳循环过程。有别于其它土壤系统,围垦土壤有机碳动态不但受气候因子、土壤质地和人为活动等因素影响外,还受一些特殊因素控制,例如盐分、碱度和围垦后急剧变化的环境条件等。已有研究多集中于探索土壤有机碳和环境因子的关系,而围垦土壤有机碳影响因素的相对重要性则鲜有报道。本研究选择江苏大丰、如东和浙江慈溪三个围垦区为研究区,分别采集了 241、223和276个表层土壤/沉积物样品,测定其有机碳、盐分、pH、粒度及部分常量元素等属性参数及大丰围垦区样品活性和非活性有机碳含量。旨在揭示高强度围垦活动下土壤有机碳、活性和非活性有机碳、碳库管理指数及其它属性随围垦年限和土地利用的变化规律及主控因子;探索三个围垦区土壤有机碳动态与其影响因素之间的关系,并基于这些影响因素运用多元回归模型和随机森林模型预测土壤有机碳含量。本文的主要结论如下:(1)大丰、如东和慈溪三个围垦区土壤/沉积物pH、Cl、盐分、全磷、CaO含量和粒径等理化性质存在一定的差异。其中,三个围垦区间pH差异显著。大丰和如东围垦区C1和盐分含量均显著(p0.05)高于慈溪围垦区。大丰和慈溪围垦区全磷含量显著(p0.05)高于如东。大丰围垦区CaO含量显著(p0.05)高于如东和慈溪围垦区。慈溪围垦区粘粒和粉砂粒含量显著(p0.05)高于大丰和如东围垦区,而如东围垦区砂粒含量显著(p0.05)高于大丰和慈溪围垦区。(2)大丰、如东和慈溪围垦区不同土地利用土壤全氮和全磷含量均高于滩涂沉积物,而滩涂沉积物盐分、Cl、pH、CaO和Na2O含量则显著高于不同土地利用围垦土壤。三个围垦区土壤全氮、全磷和粉砂粒含量均随围垦年限的增长而增加,说明人为的养分输入对土壤养分积累具有显著影响。而pH、C1、盐分、CaO、Na2O和砂粒含量则整体随围垦年限的增长而下降,表明人为灌溉和自然降雨可加速围垦土壤的脱盐脱钙进程。(3)大丰、如东和慈溪围垦区土壤有机碳含量和密度总体差异不大,三个研究区土壤有机碳含量和密度均随围垦年限的增长而增加(除大丰地区围垦后期和慈溪地区围垦前期外),大丰围垦区土壤活性和非活性有机碳也整体随围垦年限的增长而增加,表明人为活动可加速围垦土壤有机碳积累。(4)围垦土壤有机碳含量和密度均显著高于滩涂沉积物,围垦年限较长的土地利用土壤有机碳含量和密度高于围垦年限较短的土地利用类型。就不同土地利用土壤而言,除慈溪地区围垦10年的土地外,其它围垦年限稻田土壤有机碳含量和密度均显著(p0.05)高于旱地土壤,表明淹水条件有助于土壤有机碳积累。(5)随机森林(Random forest,RF)模型结果显示不同研究区土壤有机碳含量影响因素的重要性不尽相同。土壤pH、盐分和CaO含量是大丰围垦区SOC最重要的影响因素;土壤CaO和盐分含量、土地利用和围垦年限是如东围垦区SOC变化的重要影响因素;而慈溪围垦区SOC的重要影响因素为pH、CaO和Al2O3含量。沉积环境、沉积物来源和土地管理措施的差异可能是造成三个围垦区土壤有机碳主控因素差异的主要原因。(6)大丰研究区围垦土壤养分(总氮和总磷)状况是活性有机碳最主要的影响因素;由围垦引起的各种土壤属性和环境变量的变化是影响土壤活性有机碳的次主要因素,包括Cl、围垦年限、pH值和土地利用。大丰地区围垦土壤的养分状况也是非活性有机碳的主要的影响因素,此外,pH也是影响该地区非活性有机碳的主要的影响因素之一。(7)运用多个预测变量构建的多元回归模型(Multiple linear regression,MLRAll)和随机森林模型(RFAll)的预测效果要优于只运用独立变量构建的多元回归模型(MLRInd)和随机森林模型(RFIndd);随机森林模型的预测精度要高于多元回归模型(除慈溪围垦区RFInd和MLRInd外)。(8)大丰围垦区不同围垦年限土壤土壤管理指数(Carbon pool management index,CPMI)为95.0～176.9,除围垦10年的CPMI低于滩涂沉积物外,其它年限的围垦土壤均高于滩涂沉积物,表明农耕活动可显著提升围垦土壤CPMI。就不同土地利用而言,其中稻田土壤CPMI显著(p0.05)高于同时期围垦的旱地,表明稻田土壤的增速高于旱地土壤。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S153.6;P748
【图文】：
以有机形态固定于土壤中是缓解全球变暖大趋势的重要措施之一（Ｓｐａｃｃｉｎｉ邋ｄ邋ａ／．，逡逑２００２；邋Ｌａｌ，２００５；邋Ｆｏｍａｒａ逦２０１１；邋Ｍｃｎａｌｌｙ邋ｅ＾ａ／．，２０１７）。土壤有机碳循环极其复逡逑杂（图１－２），有机物质进入土壤后，经过一系列的物理、化学和生物过程最终排逡逑出土壤。土壤有机碳含量实际是指土壤碳输入和碳输出动态平衡结果，因此，任逡逑何影响土壤有机碳输入和输出的因素都将直接影响土壤有机碳含量。逡逑／邋0？４逦８－９邋＼逡逑＾逦Ｉ邋Ｊ逦ｉ逡逑６０＿逦Ｗ逡逑ＭＯ逦’逦２３４４逦３８４０００逡逑＇广，々．：．、／／；＾邋－．Ｖ／７＾７、”．（ｔｏｐ邋ｍｅｔｒ？＞逦４逡逑Ｂｉｏｍａｓｓ逦Ｓｏｉｌ逦Ｏｃｅａｎ逡逑二＾＞逦＇。．４邋谦邋ｉｉ逡逑Ｒｏｃｋ邋ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ逦Ｌａｎｄｃｌｅａｒｉｎｇ邋Ｆｏｓｓｉｌ邋Ｃ逡逑：Ｍ逡逑Ｂｕｒｉａｌ邋ｉｎ邋ｓｅｄｉｍｅｎｔ逡逑图１－１全球碳循环主要碳库碳储量及不同碳库间碳通量（单位为十亿吨）（Ｓｔｏｃｋｍａｎｎ逡逑ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３）逡逑土壤有机碳影响因素分为两部分，一为自然因素，二为人为因素。其中，自逡逑然因素包括气候因素（温度和降水）、地表植被类型、地形因子（地形湿度指数、逡逑坡向、坡度和高程等）和土壤本身属性（例如土壤类型、土壤温度、土壤水分、逡逑３逡逑
以有机形态固定于土壤中是缓解全球变暖大趋势的重要措施之一（Ｓｐａｃｃｉｎｉ邋ｄ邋ａ／．，逡逑２００２；邋Ｌａｌ，２００５；邋Ｆｏｍａｒａ逦２０１１；邋Ｍｃｎａｌｌｙ邋ｅ＾ａ／．，２０１７）。土壤有机碳循环极其复逡逑杂（图１－２），有机物质进入土壤后，经过一系列的物理、化学和生物过程最终排逡逑出土壤。土壤有机碳含量实际是指土壤碳输入和碳输出动态平衡结果，因此，任逡逑何影响土壤有机碳输入和输出的因素都将直接影响土壤有机碳含量。逡逑／邋0？４逦８－９邋＼逡逑＾逦Ｉ邋Ｊ逦ｉ逡逑６０＿逦Ｗ逡逑ＭＯ逦’逦２３４４逦３８４０００逡逑＇广，々．：．、／／；＾邋－．Ｖ／７＾７、”．（ｔｏｐ邋ｍｅｔｒ？＞逦４逡逑Ｂｉｏｍａｓｓ逦Ｓｏｉｌ逦Ｏｃｅａｎ逡逑二＾＞逦＇。．４邋谦邋ｉｉ逡逑Ｒｏｃｋ邋ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ逦Ｌａｎｄｃｌｅａｒｉｎｇ邋Ｆｏｓｓｉｌ邋Ｃ逡逑：Ｍ逡逑Ｂｕｒｉａｌ邋ｉｎ邋ｓｅｄｉｍｅｎｔ逡逑图１－１全球碳循环主要碳库碳储量及不同碳库间碳通量（单位为十亿吨）（Ｓｔｏｃｋｍａｎｎ逡逑ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３）逡逑土壤有机碳影响因素分为两部分，一为自然因素，二为人为因素。其中，自逡逑然因素包括气候因素（温度和降水）、地表植被类型、地形因子（地形湿度指数、逡逑坡向、坡度和高程等）和土壤本身属性（例如土壤类型、土壤温度、土壤水分、逡逑３逡逑
物理和化学分类方法，提出了一套新的土壤有机碳分类方法，该方法包含了溶解逡逑态有机碳、颗粒态有机碳、砂粒和团聚体吸附态有机碳、粘粒和粉砂粒吸附态有逡逑机碳和惰性有机碳（图１－３）。在单次取样的情况下，Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎｅ／ａ／．邋（２００７）等逡逑人的方法可分离多种土壤有机碳组分，相比其它分类方法一次取样只能分离某一逡逑种土壤有机碳形态，Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎｅ／ａ／．邋（２００７）等人的分离方法具有一定的优越性。逡逑而鉴于该种土壤有机碳分离方法的优越性，越来越多的科研工作者应用该方法对逡逑不同土壤系统进行了分类和分析，获得了大量的研宄成果（ＷｉｅＳｍｅｉｅｒｄａ／．，２０１２ｂ；逡逑Ｗｉｅｓｍｅｉｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１４ｂ；邋Ｘｕ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１６）0逡逑１．２．３邋土壤有机碳模型逡逑运用模型模拟土壤有机碳动态是一种有效且可极大地减少人力、物力和财力逡逑消耗的手段。建立精准而简单的土壤有机碳模型是研宄不同生态系统碳循环的有逡逑效方法。目前，全球科研工作者基于不同的侧重点开发了多种陆地生态系统碳循逡逑环模型，后人也运用这些模型研究了不同尺度和生态系统土壤有机碳动态（Ｌｉ邋ｅｒ逡逑ａ／．
本文编号：2780270
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S153.6;P748
【图文】：
以有机形态固定于土壤中是缓解全球变暖大趋势的重要措施之一（Ｓｐａｃｃｉｎｉ邋ｄ邋ａ／．，逡逑２００２；邋Ｌａｌ，２００５；邋Ｆｏｍａｒａ逦２０１１；邋Ｍｃｎａｌｌｙ邋ｅ＾ａ／．，２０１７）。土壤有机碳循环极其复逡逑杂（图１－２），有机物质进入土壤后，经过一系列的物理、化学和生物过程最终排逡逑出土壤。土壤有机碳含量实际是指土壤碳输入和碳输出动态平衡结果，因此，任逡逑何影响土壤有机碳输入和输出的因素都将直接影响土壤有机碳含量。逡逑／邋0？４逦８－９邋＼逡逑＾逦Ｉ邋Ｊ逦ｉ逡逑６０＿逦Ｗ逡逑ＭＯ逦’逦２３４４逦３８４０００逡逑＇广，々．：．、／／；＾邋－．Ｖ／７＾７、”．（ｔｏｐ邋ｍｅｔｒ？＞逦４逡逑Ｂｉｏｍａｓｓ逦Ｓｏｉｌ逦Ｏｃｅａｎ逡逑二＾＞逦＇。．４邋谦邋ｉｉ逡逑Ｒｏｃｋ邋ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ逦Ｌａｎｄｃｌｅａｒｉｎｇ邋Ｆｏｓｓｉｌ邋Ｃ逡逑：Ｍ逡逑Ｂｕｒｉａｌ邋ｉｎ邋ｓｅｄｉｍｅｎｔ逡逑图１－１全球碳循环主要碳库碳储量及不同碳库间碳通量（单位为十亿吨）（Ｓｔｏｃｋｍａｎｎ逡逑ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３）逡逑土壤有机碳影响因素分为两部分，一为自然因素，二为人为因素。其中，自逡逑然因素包括气候因素（温度和降水）、地表植被类型、地形因子（地形湿度指数、逡逑坡向、坡度和高程等）和土壤本身属性（例如土壤类型、土壤温度、土壤水分、逡逑３逡逑
以有机形态固定于土壤中是缓解全球变暖大趋势的重要措施之一（Ｓｐａｃｃｉｎｉ邋ｄ邋ａ／．，逡逑２００２；邋Ｌａｌ，２００５；邋Ｆｏｍａｒａ逦２０１１；邋Ｍｃｎａｌｌｙ邋ｅ＾ａ／．，２０１７）。土壤有机碳循环极其复逡逑杂（图１－２），有机物质进入土壤后，经过一系列的物理、化学和生物过程最终排逡逑出土壤。土壤有机碳含量实际是指土壤碳输入和碳输出动态平衡结果，因此，任逡逑何影响土壤有机碳输入和输出的因素都将直接影响土壤有机碳含量。逡逑／邋0？４逦８－９邋＼逡逑＾逦Ｉ邋Ｊ逦ｉ逡逑６０＿逦Ｗ逡逑ＭＯ逦’逦２３４４逦３８４０００逡逑＇广，々．：．、／／；＾邋－．Ｖ／７＾７、”．（ｔｏｐ邋ｍｅｔｒ？＞逦４逡逑Ｂｉｏｍａｓｓ逦Ｓｏｉｌ逦Ｏｃｅａｎ逡逑二＾＞逦＇。．４邋谦邋ｉｉ逡逑Ｒｏｃｋ邋ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ逦Ｌａｎｄｃｌｅａｒｉｎｇ邋Ｆｏｓｓｉｌ邋Ｃ逡逑：Ｍ逡逑Ｂｕｒｉａｌ邋ｉｎ邋ｓｅｄｉｍｅｎｔ逡逑图１－１全球碳循环主要碳库碳储量及不同碳库间碳通量（单位为十亿吨）（Ｓｔｏｃｋｍａｎｎ逡逑ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３）逡逑土壤有机碳影响因素分为两部分，一为自然因素，二为人为因素。其中，自逡逑然因素包括气候因素（温度和降水）、地表植被类型、地形因子（地形湿度指数、逡逑坡向、坡度和高程等）和土壤本身属性（例如土壤类型、土壤温度、土壤水分、逡逑３逡逑
物理和化学分类方法，提出了一套新的土壤有机碳分类方法，该方法包含了溶解逡逑态有机碳、颗粒态有机碳、砂粒和团聚体吸附态有机碳、粘粒和粉砂粒吸附态有逡逑机碳和惰性有机碳（图１－３）。在单次取样的情况下，Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎｅ／ａ／．邋（２００７）等逡逑人的方法可分离多种土壤有机碳组分，相比其它分类方法一次取样只能分离某一逡逑种土壤有机碳形态，Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎｅ／ａ／．邋（２００７）等人的分离方法具有一定的优越性。逡逑而鉴于该种土壤有机碳分离方法的优越性，越来越多的科研工作者应用该方法对逡逑不同土壤系统进行了分类和分析，获得了大量的研宄成果（ＷｉｅＳｍｅｉｅｒｄａ／．，２０１２ｂ；逡逑Ｗｉｅｓｍｅｉｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１４ｂ；邋Ｘｕ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１６）0逡逑１．２．３邋土壤有机碳模型逡逑运用模型模拟土壤有机碳动态是一种有效且可极大地减少人力、物力和财力逡逑消耗的手段。建立精准而简单的土壤有机碳模型是研宄不同生态系统碳循环的有逡逑效方法。目前，全球科研工作者基于不同的侧重点开发了多种陆地生态系统碳循逡逑环模型，后人也运用这些模型研究了不同尺度和生态系统土壤有机碳动态（Ｌｉ邋ｅｒ逡逑ａ／．
本文编号：2780270
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