侵蚀作用下南方红壤丘陵区土壤有机碳流失、更新及稳定性特征研究

摘要

全球气候变暖是当前人类面临的最严峻的环境问题之一，而土壤碳库变化是影响大气CO2浓度及全球气候变化的一个重要原因。地球表层土壤及其母质在降雨雨滴、地表径流和下渗水分作用下发生剥离、迁移及沉积的侵蚀是扰动土壤碳库的重要过程。然而，侵蚀对土壤碳库是“源效应”还是“汇效应”仍未达成一致意见。主要的分歧点在于侵蚀区是否存在大量的土壤有机碳(SOC)更新，沉积区埋藏的SOC是否稳定存在。而以往的研究主要聚焦于侵蚀作用下SOC的再分布、SOC的矿化、SOC侵蚀量、沉积区位置等方面，侵蚀驱动下的侵蚀原位区更新碳质量（稳定性及其组分）和异位沉积区SOC的稳定性研究有待进一步深入。
　　基于以上科学问题，本研究以红壤丘陵区典型小流域作为研究对象，在径流小区尺度上分析了SOC和可溶性有机碳(DOC)的迁移流失规律，在小流域尺度上研究了侵蚀原位区SOC和DOC的更新及其稳定性，以及沉积区埋藏的有机碳的组分及其稳定性特征，得出以下结果和结论:
　　1、通过野外径流小区人工模拟降雨试验，探讨了侵蚀影响下SOC和DOC的迁移流失和再分布规律。结果表明，有机碳流失量随降雨历时呈单峰型特征，最大流失峰值产生时间受雨强和坡面状况影响，而再分布主要受坡面耕作方式影响。有机碳流失规律的研究表明，不同雨强下，SOC和DOC流失量随雨强增大而增加，SOC最大流失峰值产生时间在大雨强下比小雨强提前48min，DOC最大的流失峰则小雨强比大雨强提早6min;不同耕作方式下，翻耕坡面SOC最大流失峰产生时间比免耕坡面早，DOC最大流失峰值则比免耕晚。有机碳再分布研究表明，不同雨强下，坡面有机碳再分布呈分带现象，免耕条件下再分布主要发生在坡中部位，而翻耕坡面再分布发生在坡肩部位。
　　2、结合核素137Cs示踪方法，研究了小流域侵蚀影响下有机碳的更新。研究结果表明，侵蚀原位区存在大量SOC和DOC的更新，并且主要发生在表层0-20cm。流域内虽然有植被覆盖但仍然发生了侵蚀，侵蚀量大小表现为马尾松林区域＞杜英林区域＞樟林区域＞紫薇林区域＞光叶白兰区域;流域侵蚀区存在不同强度的SOC更新，更新量大小为紫薇林区域(9.1MgC ha-1)＞杜英林区域(8.1Mg C ha-1)＞光叶白兰区域(6.0MgC ha-1)＞樟林区域(5.9MgC ha-1)＞马尾松林区域(0.3MgC ha-1)。DOC的更新量呈光叶白兰区域(0.2±0.03g Ckg)＞紫薇林区域(0.17±0.04g Ckg)＞杜英林区域(0.15±0.02g Ckg)＞樟林区域(0.14±0.04g Ckg)＞马尾松林区域(0.09±0.02g Ckg)。
　　3、采用热重和光谱分析技术，研究了流域内侵蚀区和沉积区SOC和DOC的稳定性特征。结果表明，侵蚀区和沉积区土壤有机碳（SOC和DOC）稳定性特征和影响机制存在显著差异。侵蚀区SOC和DOC稳定性高于沉积区，沉积区具有较强的碳固存潜力。SOC稳定性研究的结果表明，侵蚀区SOC稳定性随剖面深度增加而增加，沉积区有机碳稳定性随剖面深度变化差异不显著。剖面相应深度SOC的热稳定性侵蚀区比沉积区高，SOC活性组分含量沉积区比侵蚀区高。SOC固存因子的研究结果表明，侵蚀区深层土壤(＜30cm)碳固存潜力高于表层(0-30cm)，沉积区表层碳固存潜力高于深层，且平均土壤颗粒比表面积(SSA)高于侵蚀区。DOC的分子稳定性研究结果表明，疏水性物质和分子聚合度较高的组分主要集中于侵蚀区，分子量和聚合度低的组分主要分布于沉积区;侵蚀区DOC主要由类腐殖质、色氨酸、类蛋白质构成，而沉积区DOC由类腐殖质和类蛋白质组成。表明侵蚀可能导致DOC组分在侵蚀区和沉积区产生分异，使DOC中的活性组分在沉积区累积。疏水性和腐殖质化程度相对较高的类腐殖质在侵蚀区沉积区都呈表聚分布;分子量较小，聚合度较低和活性较高的色氨酸和类蛋白组分含量随剖面深度增加而逐渐增多。
　　通过以上研究结果，本研究认为:在小流域尺度上，侵蚀事件可增加该区域土壤有机碳库，可初步判定研究小流域侵蚀作用为碳汇效应。相关的研究结果将有助于进一步辨清侵蚀碳源汇效应，深入认识陆地生态系统碳循环过程和准确估算区域碳平衡有着重要意义。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 全球气候变暖对土壤碳库的影响

1．2．1 气候变暖与土壤碳库正负反馈

1．2．2 气候变暖影响侵蚀速率

1．3 侵蚀作用对土壤碳库的影响

1．3．1 侵蚀概念

1．3．2 侵蚀过程及其影晌因素

1．3．3 侵蚀对SOC源汇效应

1．3．4 侵蚀作用下有机碳的更新

1．3．5 侵蚀作用下有机碳的稳定性

1．4 当前研究存在的主要问题

1．4．1 侵蚀作用下DOC迁移流失和组分变化研究

1．4．2 侵蚀原位区有机碳更新及其稳定性研究

1．4．3 沉积区有机碳稳定性研究

1．5 本研究的目的、意义、内容、技术路线图及创新点

1．5．1 研究的目的与意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

1．5．4 创新点

第2章 材料与方法

2．1 试验区概况

2．2 试验设计

2．2．1 径流小区模拟降雨实验

2．2．2 流域试验设计

2．3 样品处理及分析

2．3．1 土壤理化参数测定

2．3．2 水溶性有机碳、氮测定

2．3．3 137Cs测定

2．3．4 土壤热稳定性测定

2．3．5 DOC三维荧光分析

2．3．6 DOC紫外可见光谱分析

2．4 数据处理

第3章 侵蚀作用下土壤有机碳流失规律研究

3．1 土壤有机碳横向迁移流失

3．1．1 径流与DOC流失特征

3．1．2 泥沙与SOC流失特征

3．2 土壤有机碳垂向迁移流失

3．2．1 DOC垂向迁移

3．2．2 SOC垂向迁移

3．3 讨论

3．3．1 径流坡面侵蚀过程

3．3．2 侵蚀对SOC的影响

3．3．3 侵蚀对DOC的影响

3．4 本章小结

第4章 侵蚀作用下红壤丘陵区土壤有机碳更新研究

4．1 流域内不同区域的侵蚀特征

4．2 不同植被类型土壤侵蚀速率与沉积速率

4．3 流域侵蚀区SOC垂向分布特征

4．4 流域侵蚀区SOC更新

4．5 流域侵蚀区DOC更新

4．6 讨论

4．6．1 流域内不同区域侵蚀强度

4．6．2 根系对侵蚀的影响

4．6．3 侵蚀区SOC更新

4．6．4 侵蚀区DOC更新

4．7 本章小结

第5章 侵蚀作用下土壤有机碳的稳定性研究

5．1 侵蚀区和沉积区土壤有机碳浓度

5．2 侵蚀区和沉积区SOC的稳定性特征

5．3 侵蚀区和沉积区有机碳固存因子特征

5．4 讨论

5．4．1 侵蚀影响下SOC固存因子变化

5．4．2 侵蚀影响下SOC密度分布

5．4．3 侵蚀影响下SOC的稳定性

5．5 本章小结

第6章 侵蚀作用下DOC组成及其稳定性分异特征

6．1 侵蚀区和沉积区DOC浓度

6．2 侵蚀区和沉积区DOC紫外光谱特征

6．3 侵蚀区和沉积区DOC荧光光谱特征

6．4 侵蚀和沉积区剖面DOC的组分变化

6．5 侵蚀区和沉积区土壤DOC组分解析

6．6 讨论

6．6．1 侵蚀区和沉积区DOC组分变化

6．6．2 侵蚀区和沉积区DOC的微生物属性

6．6．3 侵蚀区和沉积区DOC稳定性

6．7 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文目录

附录B 攻读学位期间主持或参与的研究课题