黄土高原小流域侵蚀区和沉积区土壤碳氮分布与矿化特征
姚毓菲
Subtype博士
Thesis Advisor邵明安 研究员,魏孝荣 研究员
2020-05-25
Degree Grantor中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
Place of Conferral中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
Degree Name农学博士
Keyword土壤侵蚀 土壤质地 团聚体碳氮 可溶性有机质 碳氮矿化
Abstract

土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库,其动态与全球气候变化密切相关。土壤侵蚀每年造成约1 Pg的碳排放或碳固定,是全球碳循环研究的重要环节。侵蚀驱动下碳源汇关系具有不确定性,这主要源于土粒侵蚀、搬运和沉积过程的碳氮再分布以及其引起的碳氮稳定性的变化。区域尺度上气候和土壤因素影响了土壤侵蚀强度和土壤碳氮矿化的速率,与侵蚀因素共同影响碳氮的分布及稳定性。本研究针对侵蚀-沉积连续地形的土壤碳氮分布及稳定性这一关键科学问题,选择了黄土高原由北至南5个小流域,即神木、绥德、安塞、固原和长武,其年均温和年降雨量逐渐增大,土壤侵蚀强度逐渐减小,土壤质地由粗至细。每个小流域坡面中上部定为侵蚀区,相邻淤地坝定为沉积区,土地利用类型均为草地。结合野外调查采样和室内分析的方法,测定了侵蚀区和沉积区0-200 cm土层土壤理化性质、不同组分土壤碳氮(包括土壤碳氮、可溶性有机碳氮和团聚体碳氮)分布特征以及不同水分和温度条件土壤碳氮矿化特征。利用冗余分析方法,分析土壤有机质化学性质、团聚体的物理保护作用、土壤颗粒的化学稳定作用和环境因素对碳氮矿化特征的影响。主要研究结果如下:

1. 土壤侵蚀强度较低的安塞、固原和长武小流域土壤粘粒含量在沉积区大于侵蚀区,侵蚀强度较高的神木和绥德没有发生沉积区粘粒富集的现象。与侵蚀区相比,神木、绥德和安塞沉积区表层20 cm土壤大团聚体比例较低,而粉粘粒比例较高;在侵蚀强度较低、粘粒含量较高的固原小流域,沉积区土壤颗粒发生再团聚,团聚体稳定性大于侵蚀区。绥德、安塞和长武沉积区土壤容重大于侵蚀区,而饱和导水率小于侵蚀区。粘粒的富集、团聚体破碎与形成以及土壤通气透水性能的改变进一步影响土壤碳氮稳定性。

2. 黄土高原5个小流域0-200 cm土层土壤无机碳储量占全碳储量88%,无机碳储量及其南高北低的地理分布趋势不受地形影响。小流域尺度土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)储量的空间分布需要考虑地形因素,在侵蚀区表现为南高北低的趋势,与粘粒含量分布趋势一致,在沉积区表现为固原小流域最大,与粘粒含量无关。神木、安塞和固原小流域,土壤SOC含量表现为沉积区(分别为1.952.682.91 g kg-1)大于侵蚀区(分别为0.801.372.21 g kg-1),TN含量也表现为沉积区(分别为0.160.290.54 g kg-1)大于侵蚀区(分别为0.090.140.16 g kg-1);这三个小流域中SOC含量地形间的差异在剧烈侵蚀的神木最为明显,特别是在其表层20 cm土壤,TN含量的差异在轻度侵蚀的固原最为明显,特别是在其深层土壤中;神木沉积区表层土壤碳的累积超过了氮的累积,而安塞和固原深层土壤氮的累积超过了碳的累积。绥德0-20 cm土层SOC含量在侵蚀区(2.26 g kg-1)大于沉积区(1.40 g kg-1),长武0-40 cm土层SOCTN含量表现为侵蚀区(3.910.73 g kg-1)大于沉积区(2.430.39 g kg-1),在其他土层侵蚀区和沉积区分布相似,植物有机质的输入补充了侵蚀损失的碳氮。研究结果表明小流域尺度土壤侵蚀对碳氮分布的作用受到地点和土层深度的影响。

3. 神木、安塞和固原小流域可溶性有机碳(DOC)含量在沉积区大于侵蚀区,安塞可溶性有机碳(DON)含量在沉积区大于侵蚀区,但是这三个小流域DOC/SOC表现为沉积区(分别为4.503.103.61%)小于侵蚀区(分别为10.474.904.62%),DON/TN同样表现为沉积区(分别为4.913.302.20%)小于侵蚀区(分别为11.354.422.12%),且DOC/SOCDON/TN在地形间差异均表现为神木大于安塞和固原。绥德和长武表层土壤(0-20 cm)可溶性有机质(DOM)中紫外线A波段(UVA)类腐殖质和紫外线C波段(UVC)类腐殖质含量大于沉积区,侵蚀区土壤DOM外源特征更明显。五个小流域沉积区深层(60-80120-140180-200 cm)土壤DOM芳香性、疏水性和分子量大于侵蚀区,含有更高的UVA类和UVC类腐殖质,更难分解。研究结果说明神木、安塞和固原小流域沉积区土壤碳氮中活性组分比例较低,DOM腐殖化程度程度较高,碳氮更稳定;绥德和长武表层土壤DOM主要来源于植物。

4. 神木和安塞小流域土壤微团聚体和粉粘粒结合态SOCTN含量表现为沉积区大于侵蚀区,但是大团聚体结合态SOCTN含量在不同地形间没有差异。固原沉积区各级别团聚体SOCTN含量均大于侵蚀区。神木、安塞和固原沉积区相比侵蚀区,其积累的SOCTN更多是存在于微团聚体和粉粘粒,而大团聚体贡献较低,说明其积累的碳氮较为稳定。绥德小流域侵蚀区比沉积区多的SOC主要存在于微团聚体,长武侵蚀区比沉积区多的SOCTN主要存在于大团聚体,这两个小流域不同地形间粉粘粒结合态SOCTN含量相似。研究结果说明神木、安塞和固原沉积区积累的碳氮较为稳定,而长武侵蚀区补偿的碳氮更容易随大团聚体的破碎而损失。

5. 黄土高原5个小流域,累积有机碳矿化量和累积净氮矿化量在侵蚀区和沉积区差异不大。神木、安塞和固原土壤有机碳的生物可降解性表现为侵蚀区(分别为32.9311.879.02 mg g-1 SOC)大于沉积区(分别为14.407.355.66 mg g-1 SOC),且这一差异在神木最大。土壤有机质的化学性质是影响碳氮矿化最主要的因素,能解释碳氮矿化变异的51%,其次是环境因素,能解释48%的变异。在表层土壤,DOC/SOC对碳氮矿化特征的解释率最高(29%),在深层土壤DON/TN的解释率最高(22%)。环境因素中水分是影响表层土壤碳氮矿化最主要的因素,能解释19%的变异,而非毛管孔隙度是深层土壤最主要的因素,能解释11%的变异。研究结果说明神木、固原和安塞有机碳的生物可降解性在沉积区低于侵蚀区,沉积区土壤有机质较难被微生物分解利用,碳氮中的活性组分比例是影响碳氮矿化特征最主要的因素。

本研究阐明了小流域尺度下侵蚀/沉积地形对土壤有机碳和全氮含量及储量的重要影响。研究揭示了小流域尺度下土壤碳氮分布和矿化特征对侵蚀的响应受到地点和土层深度的影响,对于土壤质地较粗、土壤侵蚀强度较大的神木、安塞和固原,相比侵蚀坡面沉积坝地土壤碳氮含量更高且较为稳定;对于长武和绥德,侵蚀区植物有机物质输入平衡或超过侵蚀导致的碳氮损失,且这一作用在表层土壤更大。研究明确了侵蚀-沉积连续地形中,活性碳氮组分对土壤碳氮矿化特征的重要指示作用。本研究扩展了小流域尺度深剖面土壤碳氮对侵蚀响应的机理研究,为土壤侵蚀和碳氮循环耦合模型的调控及土壤侵蚀与碳氮源汇关系的评价和管理提供科学依据。

MOST Discipline Catalogue农学::农业资源与环境
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/9174
Collection水保所2018--2020届毕业生论文(学位论文、期刊论文)
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GB/T 7714
姚毓菲. 黄土高原小流域侵蚀区和沉积区土壤碳氮分布与矿化特征[D]. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心,2020.
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