典型黄土区不同坡向地形序列土壤碳与水分垂直分布特征及其影响因素

摘要

黄土高原是世界上面积最大，土层最厚的黄土堆积区，植被恢复与生态重建改变了土壤中碳的封存、分解与释放速率，加快了土壤干燥化进程，对全球碳、水循环和气候变化具有重要影响。坡面是地貌的基本单元，研究黄土高原不同坡向地形序列土壤碳和水的垂直分布特征及其影响因素可为评估植被恢复的生态效益提供参考。本研究选取位于黄土高原六道沟小流域的典型土壤地形序列（东北坡NE序列，西坡W序列），分析了不同坡向间及同一坡向内随植被类型变化土壤碳和水的剖面分布特征及其影响因素，主要得到以下结果及结论： 1土壤不同理化性质在0-200 cm剖面内变异系数不同，pH和容重属于弱变异，变异系数 <10%。粉粒含量、毛管孔隙度、总孔隙度、饱和含水量和磁化率变异强度为弱变异到中等变异，变异系数为4%~29%。黏粒、砂粒含量、非毛管孔隙度和土壤质量含水量属于中等强度变异，变异系数为13%~60%。饱和导水率变异强度为中等变异到强变异程度，变异系数为48% ~ 168%。受不同植被类型和坡向的影响，土壤性质的剖面分布具有差异。土壤容重、非毛管孔隙度和黏粒含量均随着土壤深度的增加而增加，毛管孔隙度、总孔隙度、饱和含水量和饱和导水率均随着土壤深度的增加而降低，土壤pH值和质量含水量随着土壤深度的增加先增加后降低，粉粒和砂粒含量在剖面内呈波动变化，但变化趋势相反。土壤磁化率在表层呈减小趋势，而后在剖面内波动变化。土壤容重、孔隙度与大部分理化性质的相关性达到显著或极显著水平，因此，土壤容重和孔隙度可以作为表征土壤物理性质的主要指标。 2不同坡向地形序列土壤有机碳含量在0-50 cm土层内随土层深度增加而显著降低， 50 cm土层以下基本趋于稳定，且剖面上层（0-50 cm）有机碳含量显著高于剖面下层（50-200 cm），但在同一深度土层（0-50 cm，50-200 cm）不同坡向林地和草地土壤有机碳平均含量均无显著差异（p> 0.05）。与有机碳含量相比，不同坡向地形序列土壤无机碳的含量相对较高且剖面分布差异较大，主要在剖面下部（50 cm以下）不同深度土层富集，且W序列林草地0-50 cm土层无机碳平均含量均显著低于50-200 cm土层无机碳平均含量（p< 0.05）。同一坡向内，NE序列同一深度土层（0-50 cm，50-200 cm）不同植被土壤无机碳平均含量没有显著差异（p> 0.05），但W序列林地同一深度土层（0-50 cm， 50-200 cm）无机碳平均含量均显著高于草地（p< 0.05）。不同坡向间草地0-50 cm土层无机碳平均含量表现为NE序列高于W序列，而不同坡向林地同一深度土层（0-50 cm， 50-200 cm）无机碳平均含量表现为NE序列低于W序列（p< 0.05）。不同植被类型和坡向下，土壤有机碳含量均与土壤pH和容重呈负相关关系，而与饱和导水率呈正相关 关系（p< 0.05），土壤无机碳含量仅与黏粒含量呈正相关关系（p< 0.05）。NE序列和W序列土壤总碳密度接近，分别为15.2 ~ 47.4 kg m-2和18.3 ~ 51.3 kg m-2，其中无机碳密度占比为78% ~ 94%，100-200 cm土体总碳密度占0-200 cm土体总碳密度的35% ~ 74%。若只考虑土壤有机碳库或只考虑浅层1 m土壤碳库，六道沟小流域2 m土体总碳储量将被低估88%和51%。未来的研究应充分考虑黄土厚度、不同深度土层有机碳和无机碳对黄土高原碳储量的贡献，为进一步理解黄土高原土壤碳循环及陆地碳库精确预测提供科学依据。 3不同坡向地形序列土壤水分含量在0-500 cm剖面内可以划分为三个层次：活跃层（0-1 m），亚活跃层（1-2 m）和相对稳定层（2-5m）。土壤水分含量在活跃层随着土壤深度增加而增加，变异系数为20% ~ 37%，在亚活跃层随土壤深度增加有降低趋势，变异系数为9%~17%，此后趋于稳定，变异系数<12%。NE序列和W序列草地亚活跃层（1-2 m）土壤水分平均含量均分别显著高于活跃层（0-1 m）和相对稳定层（2-5 m） （p< 0.05），而NE序列和W序列林地活跃层和亚活跃层土壤水分平均含量均无显著差异（p> 0.05），但都分别显著高于相对稳定层土壤水分平均含量（p< 0.05）。同一坡向内，NE序列和W序列不同植被活跃层的土壤水分没有显著差异（p> 0.05），但是亚活跃层和相对稳定层的土壤水分表现为草地显著高于林地（p< 0.05）。不同坡向间，除草地的亚活跃层外，W序列各土层土壤水分平均含量均显著高于NE序列（p< 0.05）。不同坡向地形序列剖面上层（活跃层和亚活跃层）土壤水分具有明显的季节和年际变化，而剖面下部深层土壤水分含量时间变化较小，但是在强降雨条件下，深层土壤水分也会受到影响。不同植被类型和坡向下，土壤含水量均与容重呈负相关关系，与饱和导水率呈正相关关系（p< 0.05），而土壤水分变异系数与砂粒含量、容重、非毛管孔隙度和土壤磁化率相关关系显著（p< 0.05），说明土壤水分的变异不仅受降水和蒸散作用的影响，还与土壤本身的性质有关。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 小结

第二章 研究内容和方法

2.1 研究区概况

2.2 研究内容

2.3 研究方法

2.4 技术路线

2.5 数据处理与统计分析方法

第三章 不同坡向地形序列土壤理化性质的垂直分布特征

3.1 土壤颗粒组成与质地

3.2 土壤孔隙度

3.3 土壤pH和容重

3.4 饱和导水率和饱和含水量

3.5 土壤质量含水量

3.6 土壤磁化率

3.7 土壤理化性质间的相关关系

3.8 小结

第四章 不同坡向地形序列土壤碳垂直分布特征及其影响因素

4.1 土壤有机碳和无机碳含量剖面分布特征

4.2 土壤有机碳、无机碳和总碳密度剖面分布特征

4.3 土壤有机碳和无机碳含量的影响因素

4.4 小结

第五章 不同坡向地形序列土壤水分垂直分布特征及其影响因素

5.1 研究区气温和降水分布特征

5.2 土壤水分的垂直分布特征

5.3 土壤水分的时间动态分布特征

5.4 土壤水分变化的影响因素

5.5 小结

第六章 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

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