西南山地景观土地利用变化的特征及管理实践对土壤水、养分和有机碳动态的影响

摘要

本文研究的目的：在中国西南山区，识别土地利用变化的轨迹，决定不同土地管理实践对土壤水、养分和有机碳的影响，厘定合适的土地利用方案，推荐有效的管理实践。研究包括两个部分：不同功能间土地利用转换和同一功能内土地利用修改对土壤水、养分和有机碳的影响。前者涉及了遥感数据、统计数据和农户调查数据，而后者则主要使用了田间或实验监测数据。对于坡地土壤水，试验包括6个处理：①横坡耕作(Cross-slopingtillage(CST))、②横坡耕作+有机肥(Cross-slopingtillagewithorganicmanure(CST/OM))、③横坡耕作+秸秆覆盖(Cross-slopingtillagewithstrawmulch(CST/SM))、④等高垄作(Contourridgeculture(CRC))、⑤等高垄作+有机肥(Contourridgeculturewithorganicmanure(CRC/OM))、⑥等高垄作+秸秆覆盖(Contourridgeculturewithstrawmulch(CRC/SM))。对于稻田土壤养分和有机碳，实验涉及4个处理：①常规平作+水稻-休闲轮作(Conventionaltillage(rice-fallow)(CT/RF))、②常规平作+水稻-小麦轮作(Conventionaltillage(rice-wheat)(CT/RW))、③垄作免耕+水稻-休闲轮作(Notillageandridgeculture(rice-fallow)(NTR/RF))、④垄作免耕+水稻-小麦轮作(Notillageandridgeculture(rice-wheat)(NTR/RW))。结果表明： (1)研究区土地利用变化呈现显著的区域异质性，不管是土地转化的速度还是方向。对于两个时段，研究区土地利用变化呈现显著的不同的态势，分别拥有占研究区总面积18.37﹪和4.18﹪的斑块发生了利用方式的变化。在1986-1997年间，耕地被用为建设用地、草地和未利用地被开发为耕地和林地组成研究区三大土地利用格局。而在1997-2005年间，耕地被退为林地、耕地被用为建设用地、耕地转换为水域和未利用地开发为耕地和林地是研究区主要的土地转换类型。就土地利用转换方向看，在1986-1997年间，建设用地的扩张是以耕地为代价的，而同期大量的草地和未利用地也被开发成耕地。林地的快速增加主要源于不同空间位置上草地和未利用地的开发和建设用地的复垦。在1997-2005年间，大量耕地被退为林地。而对于这一时期，建设用地的扩张除了卷入大量未利用地外，而且还占用了大量耕地，但占用耕地的速度较1986-1997年的慢。同时，三峡工程的修建也使得沿江及其支流的部分耕地转换为水域。 (2)农户层面对解释村庄或田块层面土地利用方式选择具有不可或缺的重要性。农户土地利用方式选择行为受家庭目标驱动，同时这一行为还受资源的可得性、可能的生产活动及外部经济和自然生物因素的约束。对于水稻模型，农户层面的信息不能通过村庄层面信息的综合来代替，而村庄层面的信息综合也不能表达农户层面的任何信息。村庄层面的变量实际上能由田块和农户层面变量来解释。农户和村庄层面变量综合了稻田发生的信息，它们分别解释稻田发生的¨.3﹪和4.5﹪的变异程度。水稻主要分布在地势平缓、接近水源、接近居民点和农贸市场的地方。对于玉米模型，玉米发生的依靠变量并未展现任何显著的变异成分。农户和村庄层面变量对玉米的发生有很低的影响，但玉米耕作的选择与田块坡度间存在显著的相关性。农户层面的田块大小、投入产出比、交通花费、甚至家庭收入和村庄层面的路网密度和农产品市场发育，在很大程度上，受制于土地坡度。这也即是这些变量并没有显著影响玉米耕作发生的主要原因。 (3)土地流转中理应把握宏观经济环境变化背景下的农户心理及其对现有土地流转驱动因素的响应。土地流转总量具有明显的区域差异性，总体呈渝西经济走廊快于都市发达圈，更快于三峡库区生态经济圈。土地转包已逐渐被农民所接受和采用，而以现金兑换的出租和转让方式，也渐渐被部分农民所喜好，都市发达圈以脱离原承包关系的出租为主，渝西经济走廊和三峡库区生态经济圈则以转包为主。土地在利用格局和利用环境对土地流转响应明显，都市发达圈土地流转后土地利用主要向非农用转变，而渝西经济走廊和三峡库区生态经济圈大部分土地流转后提高了原有土地利用的集约度。土地权属在总量上制约着土地流转的规模，但这一作用的区域差异不明显。农村土地市场发育程度不仅影响区域土地流转的规模，而且是导致不同区域流转规模各异和流转方式演化差异的根本原因。社会保障的完善程度对农民是否愿意离土和采取何种方式离土具有决定性作用。土地流转管理包括权益保障管理和流转后土地用途管理，是规范土地流转主体行为，保障土地流转依法展开的基础性力量。 (4)作为一复杂、动态、灰色可控系统的土地利用，是区域人口、乡村经济和城镇经济共同作用的结果，而区域景观行为又对局地土地利用变化响应敏感。而土地利用规划实际正是协调这些人类活动与景观格局配置。山区大都市郊区开放空间日渐成为产业活动与景观行为的耦合镶嵌体。不同行为特征与不同类型景观间的相容和冲突使得景观对人类行为的相容程度各异。 (5)剖面(平均)土壤水含量对土地管理实践响应明显。结合牛粪和秸秆覆盖的施用，横坡耕作和等高垄作可显著改善剖面(平均)土壤水的某些特征。在湿润区，降雨量、蒸发损失和作物蒸腾间的耦合决定剖面(平均)土壤水的基本趋势，而土地管理实践，在某种程度上，仅对剖面(平均)土壤水的含量、分布及路径进行修改。但这些修改也主要集中在表土20cm深。当每一管理实践与对照比较时，较高的影响被记录。对同一管理实践，影响的季节变化是非常显著的，而对应时期它们间的年际变化并不显著。不同管理实践间更详细的比较表明，研究时段内等高垄作对剖面(平均)土壤水的影响比横坡耕作拥有更好的效果。在相同的耕作措施下，有机肥的结合较秸秆覆盖的施用对剖面(平均)土壤水的影响能够获得较好的结果。 (6)垄作免耕和作物轮作间的整合是稻作区一较好的土地管理实践，通过它土壤表层有机质和养分被显著增加，而且农业生态环境被显著改善。在0-10cm，土壤有机质含量在NTR/RW处理下分别较CT/RF、CT/RW和NTR/RF高36.43﹪、56.62﹪和47.76﹪。NTR/RW处理分别拥有高(10.03﹪和12.93﹪)、(26.81﹪和15.86﹪)和(23.17﹪和21.36﹪)的土壤全N和P较CT/RF、CT/RW和NTR/RF。土壤有效N和P与土壤全N和P呈现一致趋势。土壤全K在上述处理下拥有类似土壤全N和P的态势。但在0-40cm土深，土壤有效K的含量在CT/RF处理下分别较CT/RW、NTR/RF和NTR/RW高45.74﹪、24.82﹪和25.63﹪，这可能是作物收获带走大量K所致。 (7)中国西南地区的水稻土能被管理积存更多的活性土壤有机碳(SOC)。保护性管理实践的整合显著影响活性SOC含量和层次性。垄作免耕和作物轮作的整合对活性SOC组分的影响主要发生在0-20cm，尤其0-10cm。在0-10cm土深，土壤在NTR/RW处理下累计分别高(84.4﹪、86.7﹪和13.4﹪)、(50.0﹪、130.8﹪和42.9﹪)、(77.6﹪、97.7﹪和77.8﹪)和(100.0﹪、190.0﹪和114.8﹪)易氧化态有机碳、可溶性有机碳、颗粒态有机碳和微生物量碳较CT/RF、CT/RW和NTR/RF。对于常规平作，水稻-小麦轮作的施用对活性SOC的影响较少，而对于水稻-休闲轮作，垄作免耕的整合对活性SOC也没有显著的影响。在垄作免耕下，水稻-小麦轮作的联合与水稻-休闲轮作的运用对活性SOC的影响效果是显著不同的。对于水稻-小麦轮作，土壤在垄作免耕下较常规平作积存更多的活性SOC。 (8)陆地生态系统是稻田CH4的源，还是汇在很大程度上取决于生态系统类型和土地利用方式的变化。稻田CH4排放量在不同利用方式下差异明显。1996年、1998年水稻生长期，CT/RW、NTR/RF和NTR/RW稻田CH4排放通量分别是CT/RF的(61.53﹪和34.22﹪)、(71.48﹪和78.82﹪)和(65.93﹪和57.18﹪)。而非水稻生长期，NTR/RF的CH4排放量分别是CT/RF的76.23﹪和38.69﹪。1996年稻田CH4年累积排放量，CT/RW、NTR/RF和NTR/RW分别较CT/RF减少65.73﹪、33.53﹪和63.30﹪。而1998年年累积CH4排放量，CT/RF、CT/RW、NTR/RF和NTR/RW依次为116.96gm-2、11.80gm-2、68.44gm-2和19.70gm-2。不同利用方式引起的土壤理化性质、水热条件及水稻植株生长状况等的变化是导致稻田CH4排放通量及年累积排放量差异的主要原因。各影响因素对稻田CH4排放的作用程度在不同利用方式下差异显著不同，但总体趋势是水稻叶片叶绿素含量、气温、5cm处土温对稻田CH4排放通量的影响大，而田间光照度、相对湿度、稻田水层厚度及作物层CH4浓度等因素影响小。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：List of Tables、List of Figures

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Chapter 1: Introduction

Chapter 2: Land Use Change and Its Corresponding Ecological Responses: A Review

Chapter 3: Remote Sensing of Complex Land Use Change Trajectories

Chapter 4: Explanation Framework of Land Use Change: from Field to Village Level

Chapter 5: Farm Households' Responses to Land Transfer under Eco-Economic Conflicts

Chapter 6: Mountain Land Use Scenario in Metropolitan Suburbs

Chapter 7: Effects of Land Management Practices on Soil Water Dynamics

Chapter 8: Effects of Land Management Practices on Soil Organic Matter and Nutrient Dynamics

Chapter 9: Effects of Land Management Practices on Labile Soil Organic Carbon Dynamics

Chapter 10: Effects of Land Management Practices on Paddy CH4 Emission

Chapter 11: Conclusions and Contributions

Vita

Acknowledgments