黄土丘陵区典型流域土壤功能评估与权衡

发布时间：2020-06-11 18:34

【摘要】：在气候变化影响评估、景观管理和生物多样性保护中,生态系统服务的理念已成为一个新视角,土地利用变化作为全球变化研究的热点,其对土壤侵蚀和碳氮循环等生态系统服务功能有重要影响。黄土高原属半湿润向干旱荒漠气候过渡的交错地带,景观破碎、沟壑纵横、土层深厚且易于侵蚀,生态系统服务功能受到严重损害。因此,从典型流域的景观格局现状出发,精确评估其土壤保持和固碳等生态系统服务功能,定量分析生态系统服务功能之间的权衡关系,为流域的综合治理提供科学决策。本研究在退耕还林(草)和沟道土地整治工程实施的背景下,选择黄土丘壑区典型流域南沟为研究对象,通过对生态恢复过程中的气象资料、植物资料、土壤资料、地形资料、模型资料、空间图形资料等的网格采样、试验观测和收集整理,结合GIS技术,描述流域景观格局与土壤质量的关系,阐明团聚体稳定性、碳氮储量和土壤侵蚀等三种主要生态系统服务功能的分布及影响机制,揭示固碳释氧、土壤碳库、土壤团聚体稳定性和土壤侵蚀等生态服务功能的能值量和价值量及各服务功能之间的权衡关系,并进行可视化分析,从而为南沟流域植被建设和水土保持提供科学依据,并为未来流域生态安全及植被功能持续提升奠定基础。本研究取得的主要结论如下:(1)明确了流域景观土壤质量空间分布特征。南沟流域土地利用类型以草地和森林为主,坡度主要以15°-25°为主,果园和森林土壤质量高于草地;坡度对土壤质量无显著影响,海拔升高土壤质量降低;景观形状指数、散布与并列指数、分离度指数和聚集度指数对土壤质量有显著影响,其中景观形状指数、分离度指数和聚集度指数与土壤质量呈显著负相关关系。研究结果可为流域植被恢复和水土保持提供科学依据,从而保障流域土壤质量提升。(2)明确了流域土地利用变化下土壤团聚体稳定性的分布及影响因素。草地的土壤团聚体稳定性最大,其次为森林,果园和农田等土壤团聚体稳定性最小,土壤团聚体稳定性由于果园耕作受到破坏,然而果园退耕后土壤团聚体可以很快恢复稳定;土壤黏粒、容重、土壤有机碳、土壤氮和可溶性碳氮对土壤团聚体稳定性有显著影响,其中表层团聚体稳定性与土壤氮呈显著正相关关系,而深层团聚体对土壤氮有负作用。结果表明植被建设有利于提高土壤团聚体稳定性。(3)阐明了流域不同植被类型土壤碳氮的固定速率、潜力及影响因素。果园、草地和森林的固碳速率分别为0.1,0.4和0.4 Mg hm~(-2) yr~(-1),固碳潜力为1.9,86.8和164.6Mg yr~(-1),固氮速率分别为6.1×10~(-3),17.2×10~(-3)和6.9×10~(-3) Mg hm~(-2) yr~(-1),固氮潜力为0.2×10~(-3),5.1×10~(-3)和2.7×10~-33 Mg yr~(-1);农田和果园的土壤碳氮储量及碳氮固定潜力主要受土壤颗粒和容重的影响,而草地和森林主要受土壤团聚体稳定性和土壤碳氮比的影响。此研究结果表明南沟流域进行植被恢复时应以森林为主,以增加碳汇并防治土壤养分流失。(4)揭示了流域土壤侵蚀模数的空间分布,探讨了不同土地利用类型和地形因子下的流域土壤侵蚀特征。南沟流域水土保持效果显著,但是潜在土壤侵蚀可能性依旧很高。流域土壤可侵蚀因子的范围为0.108-0.118 t ha h MJ~(-1) ha~(-1) mm~(-1),其最大土壤侵蚀模数为5625 t km~(-2)a~(-1),平均为1008.4 t km~(-2)a~(-1),总量为7.31×10~6 t km~(-2)a~(-1);土壤侵蚀程度主要以微度和轻度为主,土壤侵蚀敏感性以不敏感和轻度敏感为主;草地和果园、坡度8°-25°的土壤侵蚀严重。此研究结果表明南沟流域水土保持效果显著,但是潜在土壤侵蚀可能性依旧较高,需要对8°-25°的坡度进行生态恢复和水土保持工程以增加流域的生态效益。(5)基于能值分析对流域生态系统服务功能进行物质量、能值和价值量的评估和可视化分析。南沟流域总能值为1.5×10~(22) sej,其中固碳能值为37.7×10~(10) sej,释氧能值为21.5×10~(15) sej,养分保持能值为17.0×10~(18) sej,土壤保持能值为36.7×10~(13) sej,土壤结构能值为1.3×10~(10) sej,土壤有机碳能值为37.5×10~(13) sej;总价值为20.4×10~6元,其中土壤保持服务价值占比16.2%,土壤固碳服务价值占比75.5%,草地生态系统服务价值占比23.4%;森林生态系统服务价值占比62.9%;农田、果园和草地土壤保持服务功能和养分保持服务功能较为突出,森林生态服务功能固碳释氧服务、土壤有机碳服务和土壤结构服务功能较为突出。(6)揭示了流域不同土地利用类型和不同坡度下生态系统服务功能之间的权衡关系。流域总体的土壤保持服务-土壤结构的权衡度土壤保持-NPP的权衡度土壤保持-土壤有机碳服务的权衡度,土壤结构服务-NPP和土壤结构服务-土壤有机碳服务接近零权衡;不同土地利用类型生态系统服务权衡度由大到小依次为果园农田草地森林;随着坡度的增加,生态系统服务权衡度也逐渐增大;森林和草地收益土壤结构服务和土壤碳库服务,而农田和果园则收益较多的土壤保持服务和养分保持服务。此研究表明增加土壤有机碳储量是改善南沟流域土壤功能的基础,而增加流域有机碳储量的首要前提是控制土壤及养分流失。
【图文】：

覆盖度,生态系统服务,系统服务功能,生态系统服务功能

图 1-1 1999-2013 年黄土高原植被覆盖度（Chen et al. 2015）及 NDVI 变化（Sun et al. 2015）Figure 1-1 The range of vegetation coverage (Chen et al. 2015) and NDVI change ( Sun et al. 2015) in theLoess Plateau from 1999 to 20131.2 国内外研究进展土地利用变化是全球变化研究的焦点和前沿问题，也是景观格局和生态系统类型剧烈转变的重要影响因素（van Jaarsveld et al. 2005），同时对生态系统服务功能也产生显著影响（Metzger et al. 2006）。在关于气候变化影响评估、景观管理和生物多样性保护的国际性讨论中，生态系统服务的概念已成为一个核心问题。尤其是退耕还林（草）工程实施以后，运用实验监测、模型模拟和“3S”技术等针对不同尺度对生态系统服务功能影响机制、生态系统服务评估方法、生态系统服务价值时空演变、生态系统服务权衡协同关系、生态系统服务预测等方面开展了大量研究，取得了诸多研究进展（Fu et al.2011; Su & Fu 2013; Lu et al. 2014; Feng et al. 2017），然而多数研究采用基于精度较低的遥感数据和已发表文献数据等对研究区域的供给、调节、文化和支持等生态系统服务功能进行评估（Millennium Ecosystem 2005），另外，景观格局与生态系统服务功能耦合关

反馈机制,团聚体,多重,主要因素

黄土丘陵区典型流域土壤功能评估与权衡Giani 2011; Sun et al. 2017），如农田转化为草地（Wang et al. 2017; Zhao et al. 2017b）；农田转化为人工林或自然林（Qiu et al. 2015; Deng & Shangguan 2017）等。然而，大多数研究集中在研究点上，，且土地利用变化以农田退耕为主，因此，探讨土壤团聚体稳定性在流域尺度的分布及果园退耕前后造成的土地利用变化对土壤团聚体稳定性的影响机制，这对于流域有针对性的改善各土地利用类型的土壤结构具有重要意义。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S15

【相似文献】