典型农业县土地利用变化与土壤碳库分析——以河北省曲周县为例

摘要

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分，人类大规模的农田开发利用活动直接影响到区域的碳平衡。土壤固碳行为对农业不同发展阶段和不同产业结构的影响程度不尽相同，发展低农业成本减排途径效果相对较好；目前看来，改善农田管理相比而言是比较有效的增汇和减排途径。本文基于我国粮食主产区黄淮海平原的典型农业县长期的研究和数据资料，分析了县域土地利用变化过程中土壤有机碳库及其通量的变化特征；并结合DNDC模型，进行了不同秸秆还田率、施肥和耕作方式的室内模拟，初步分析了20年来县域土壤有机碳库对区域土地利用变化的响应，得出了如下结论： 1、不同土壤类型之间，土壤有机碳密度存在一定的差异；就全县而言，1980年平均值为18662kg·hm<'-2>;与1980年相比，2002年土壤有机碳密度普遍提高，反映在土壤有机质含量的普遍提高，土壤容重也有一定程度的增加。秸秆、肥料等外源物质的投入是提高土壤有机碳密度的主要原因，也是县域土壤有机碳密度产生区位分布特征的主要原因。 2、基于统计资料和遥感影像的土地利用变化分析认为，在1980年．2002年之间，县域土地利用变化所引致的区域土壤碳库变化，需从两个角度考虑：土地利用类型转换和土地类型内部强度变化；与耕地变化所引致的土壤碳库变化而言，其它用地类型转换则相对较小。 3、通过统计计算，在1980年曲周县域土壤碳库是微碳源；而在2002年县域土壤碳库则处于微碳汇：造成两个不同年份之间土壤碳库差别大致可以判定是由于对作物秸秆及残余物的不同处理和施肥等农田管理措施；在1980年县域耕层土壤碳密度与土壤质地等有关，自然因素决定着土壤碳密度的分布；在2002年县域土壤有机碳密度是自然和人为因素共同作用的结果，呈现一定区位特征。土地利用变化之后土壤有机碳库的变化速率随时间会逐渐降低，这种特性一方面是由土壤有机碳分解的动态决定的，即土壤有机碳输入、积累和分解会最终达到平衡，另一方面由惰性碳库大小决定。这种平衡最终会使土壤有机碳库含量不会积累很高，也不会无限降低。 4、运用模型模拟土壤有机碳循环及其规律和实现预测正在逐渐成为区域农业生产及其政策制定的有力工具。DNDC(DeNitrification—DeCoposition)模型主要是针对农业生态系统土壤碳氮循环的机理模型。在运用基础资料进行曲周县域不同农作措施下土壤有机碳平衡模拟，结果表明：在进行20年的短期DNDC模拟中，不同的秸秆还田率下土壤有机碳库达到平衡所需时间有所差别；不同耕作方式之间有机碳密度影响也存在一定的差别，尤以砂壤上表现最为明显；有机无机配合施肥能有效增加耕层土壤有机碳密度，并在一定范围内相互替代以增加土壤有机碳密度；保持适当的秸秆还田率是达到土壤碳库平衡的必要条件，应该摒弃“秸秆还田量越多越好”的观点。通过对比不同时期农田表层土壤有机碳库空间分布，给予空间变异点位或区域更多的关注，以便为及时调整施肥、灌溉等农业管理措施提供指导作用。 5、县域土壤有机碳空间分布是农业产业结构调整主体一农户微观土地利用的结果；农户的微观土地利用是连接县域土壤碳循环和粮食生产的纽带：农户投入差异与自然条件相结合共同引导县域碳库的发展。只要通过合理布局，调整种植结构，土地能得到有效利用和改良，即可在增加固持大气C0<,2>潜力上发挥重要作用。

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论文说明：图表目录

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第一章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1现实意义

1.1.2科学意义

1.2国内外研究进展

1.2.1土壤普查、GIS和遥感在土壤碳循环研究中的作用

1.2.2陆地土壤碳库及其影响因素

1.3研究目标、研究内容

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3拟解决的关键问题

1.3.4研究方法及论文框架

第二章农田土壤有机碳变动及其机理分析

2.1农田生态系统碳循环对土地利用变化的响应机制

2.2农田生态系统碳库变化研究

2.2.1农田土壤碳循环机制

2.2.2农田尺度

2.2.3区域尺度

2.3县域水平下农田土壤有机碳变化影响

2.4县域水平下农田土壤有机碳变化影响因素

2.4.1气候因子

2.4.2人为因子

2.4.3土壤因子

2.5农田土壤有机碳库估算方法

2.5.1主要农作物CO2年吸收量和排放量计算方法

2.5.2土壤剖面有机碳蓄积量的计算方法

2.5.3基于IPCC方法的土地利用变化的区域碳库估算方法

2.5.4模型方法

2.6土壤有机碳储量估算误差分析

第三章县域土地利用变化过程及其分析

3.1研究区概况

3.1.1地质地貌

3.1.2气候

3.1.3土壤

3.1.4植被条件

3.2县域土地利用变化及其分析

3.2.1研究区域土地利用结构现状分析

3.2.2小结与分析

3.3农业土地利用方式变化及其分析

3.4县域农业土地利用变化驱动力分析

3.5不同土地利用强度对农田土壤有机碳的影响分析

3.5.1农业生产情况

3.5.2理论基础与研究方法

3.5.3种植业结构变动影响因素分析

3.5.4各主要影响因素贡献程度分析

3.5.5土地利用程度分析

3.5.6县域土地利用程度实证分析

3.6有机质变动及其分析

3.6.1数据来源和方法

3.6.2县域农田土壤有机质变动时空变异分析

3.6.3成因分析

3.7粮食生产行为及其对土壤有机质的影响分析

3.7.1县域尺度粮食生产行为分析

3.7.2农户水平粮食生产行为分析

3.7.3粮食生产行为对土壤有机质的影响分析

3.7.4 小结

第四章县域土壤碳库估算方法应用研究

4.1基于统计方法的县域碳库估算应用

4.1.1土壤有机碳库的存量

4.1.2土壤碳通量

4.1.3土壤碳的通量结构

4.1.4 小结

4.2基于IPCC方法的土地利用变化对区域碳库的影响分析

4.2.1数据来源和方法

4.2.2计算结果与分析

4.3.3 小结

第五章拟采用模型的简介及其模拟

5.1拟采用模型简介

5.1.1简介

5.1.2模型参数的确定

5.2模型的运行

5.2.1县域耕地土壤有机碳库及其平衡

5.2.2不同施肥水平、方式模拟

5.2.3免耕、不同翻耕深度模拟

5.3小结

第六章农业产业结构调整中土壤有机碳变动模拟、分析

6.1农业产业结构模拟

6.2模拟结果及其分析

6.2.1模拟结果与地理分布规律

6.2.2农田系统碳储量与空间格局

6.3结构调整对碳库的影响

6.4耕地土壤固碳潜力

6.5耕地土壤固碳思路

第七章结论与讨论

7.1结论

7.2讨论

参考文献

附表

致谢

个人简介