滇池小流域LUCC下土壤侵蚀与碳氮变化研究

发布时间：2020-07-23 20:45

【摘要】：土壤侵蚀导致了土壤质量的退化以及水体的富营养化等一系列生态危机,是全球陆地生态系统面临的重大环境问题。近年来,人类活动引起的土地利用/覆被变化(LUCC)对土壤侵蚀的影响引起了特别关注,尤其在小流域尺度上,不合理的土地利用方式会加剧土壤侵蚀导致土壤质量的严重下降,对区域水生生态系统产生深刻影响。137Cs示踪是较为成熟的土壤侵蚀研究手段,能有效反映出土地利用变化与土壤侵蚀和土壤养分之间的关系,同时结合沉积物分析,更能快速的认识流域土壤侵蚀发生与演变动态及时空分布规律,深入了解人类活动与环境变化的关系。在生态脆弱区,从区域可持续发展角度出发,准确评价小流域尺度下的土壤侵蚀程度以及由土壤侵蚀过程带来的生源要素变化对于防治水土流失、改善生态平衡具有非常重要的理论和实践意义。本研究选择滇池流域人类活动剧烈的西南及东北部为研究靶区,基于137Cs示踪和GIS技术,综合分析了研究区域LUCC下的土壤侵蚀状况及空间差异。通过比较不同土地利用方式下土壤的养分分布与元素化学计量特征,评价了小流域的土壤质量现状；结合210Pbex定年,对小流域沉积物的粒度组成、营养盐分布及稳定碳同位素等地球化学参数进行比较：分析了流域百年来的沉积速率变化状况,探讨了短时间尺度下流域土壤侵蚀的时空变化规律及水体的营养变化进程,同时对每一个小流域的碳(C)、氮(N)、磷(P)储存量和流失量进行了估算。主要研究结果如下：1、小流域不同土地利用方式下土壤侵蚀差异在小流域尺度上,不同土地利用方式下土壤137Cs剖面分布存在较大差异。土壤中大部分137Cs主要分布在0～20 cm土层内。耕地耕层内137Cs基本呈均匀分布状态,137C$在林、草地中则基本表现出随土壤深度增加呈指数下降趋势。东大河小流域耕地、撂荒地、草地、林地土壤中平均137Cs含量分别为391.00、173.17、908.41、601.93 Bq/m2,撂荒地和耕地侵蚀模数最大,草地最小；宝象河小流域耕地、草地、林地土壤中平均137Cs含量分别为847.41、746.27、660.29Bq/m2,耕地平均侵蚀模数大于其它2种土地利用方式；斗南设施农地土壤中137Cs平均含量及土壤侵蚀量与撂荒地无较大差别,但耕种与撂荒年限对侵蚀程度有重要影响。综合所有土地利用方式来看,耕地的侵蚀模数远远大于非耕地,表明植被在减缓土壤侵蚀方面具有显著作用。除土地利用方式外,地形和植被覆盖对土壤侵蚀也有影响。在GIS支持下,利用建立的空间多元线性回归模型,实现了全流域土壤侵蚀现状的空间模拟。东大河小流域平均侵蚀模数为2575.87tkm-2y-1,宝象河小流域平均侵蚀模数为2206.15 tkm-2y-1,斗南地区所处与料河小流域平均侵蚀模数为2104.89 tkm-2y-1。从土壤侵蚀程度来看,宝象河小流域、马料河小流域整体属于轻度侵蚀,东大河小流域属于中度侵蚀。2、小流域不同土地利用方式下土壤养分分布与化学计量特征研究区域每种土地利用方式下TOC、TN、TP含量的剖面变化均基本表现出从上至下逐渐减小的趋势。各小流域不同土地利用方式下土壤TOC、TN、TP平均含量差异显著,在东大河小流域,土壤TOC含量变化表现为：草地林地耕地撂荒地,土壤TN含量变化表现为：草地耕地林地撂荒地,土壤TP含量变化表现为：耕地草地林地撂荒地；宝象河小流域土壤TOC、TN含量变化均表现为：草地耕地林地,而TP则表现为：林地耕地草地；斗南地区受施肥影响其设施农地的土壤TOC、TN、TP平均含量均显著高于撂荒地。不同流域不同土地利用方式下稳定同位素(6δ13C)组成存在一定差异。东大河小流域4种土地利用方式下土壤δ13C介于-26.63‰～20.01‰之间,表明该区域土壤中有机质主要来源于陆生C3植物,宝象河小流域耕地、林草地的土壤δ13C的平均值分别为-20.35‰±0.15‰、-17.98‰±0.75‰,表明该区域土壤有机质主要来源于C4植物。不同土地利用方式下,土壤剖面δ13C的变幅不一,反映了土壤有机质分解程度的强弱。结合土壤TOC剖面特征,说明土壤有机质的分布具有明显区域特征并且变化比较复杂。不同土地利用方式下土壤中不同形态可转化态氮的含量也存在差异,但土壤中均以有机态氮为主,除斗南地区外,其他两个小流域各种土壤中的不同形态氮含量均基本表现为SOEF-NSAEF-NIEF-N WAEF-N。总体来看,草地、林地的TOC、TN及各形态氮含量均较高,对维持和改善区域土壤质量具有重要意义。研究区不同土地利用方式下土壤C/N、C/P、N/P比虽存在一定差异,但土壤的N、P有效性均较好。3、小流域不同土地利用方式下土壤养分储存量与流失量不同土地利用方式下土壤的C、N、P密度及储存量均存在差异。东大河小流域、宝象河小流域、斗南地区耕地中的C、N、P密度均较高,草地的C、N、P密度均高于林地。在小流域范围内,综合所有土地利用方式,在0～40 cm土壤深度内,东大河小流域的土壤C、N、P储存量分别为124.96×107kg、141.11× 106kg、52.61×106kg。宝象河小流域的土壤C、N、P储存量分别为114.07×107 kg、131.53×1006kg、35.07×106kg,斗南设施农地土壤平均C、N、P的储存量达87.26×106、11.62×106、8.53×106kg。三个研究区不同土地利用方式下土壤表层养分流失量也存在差异。东大河小流域、宝象河小流域耕地C、N、P表层流失量最大,草地各养分流失量最低,斗南设施农地C、N、P表层流失量高于撂荒地。土壤侵蚀模数越大,土壤中养分含量越低,土壤养分流失量就越高。三个研究区不同土地利用方式下的土壤养分流失量均以耕地为最大,P的流失问题应重视,草地和林地土壤养分流失量较小,更有利于土壤质量的改善和流域水环境的保护。在小流域尺度上,可建立土壤养分元素含量与土壤侵蚀量二者之间变化关系的相关的数学模型。4、小流域土壤侵蚀与水体营养状态变化的沉积物记录东大河小流域和宝象河小流域沉积物的各项地球化学参数的变化均较好的反映了百年来流域的土壤侵蚀和环境演变过程。东大河小流域平均沉积速率为0.51 cm/y,宝象河小流域平均沉积速率为0.58 cm/y。沉积速率的变化与人类活动和降水量有密切关系并能较好的反映出流域的土壤侵蚀状况。随沉积物埋藏深度变浅,两个小流域沉积物的TOC、TN、TP含量均表现出不同程度的增加趋势,不同时间阶段变化特征明显。根据对东大河小流域沉积物的δ13C的研究初步推断有机质主要来源于藻类和陆生C3植物,δ13C的波动反映了外源有机质在不同时间段的输入过程以及内源有机质的变化趋势。沉积物中氮的赋存形态决定了沉积物中能参与交换的生物可利用氮量,2个小流域的4种氮形态含量大小变化趋势一致,SOEF-N均为优势形态,对氮循环的贡献顺序均为SOEF-NSAEF-N WAEF-NIEF-N,无机形态的生物可转化氮中NH4+-N对水库上覆水体氮营养水平最具潜在威胁。两个小流域的沉积物记录变化均表明,近十年来,流域内土地利用变化、人口增加、污水排放量和化肥使用量增大以及流域养殖业的发展使滇池流域水体湖泊富营养化程度加剧。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S157

【参考文献】