發(fā)布時(shí)間：2020-06-11 18:34

【摘要】：在氣候變化影響評(píng)估、景觀管理和生物多樣性保護(hù)中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理念已成為一個(gè)新視角,土地利用變化作為全球變化研究的熱點(diǎn),其對(duì)土壤侵蝕和碳氮循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有重要影響。黃土高原屬半濕潤(rùn)向干旱荒漠氣候過(guò)渡的交錯(cuò)地帶,景觀破碎、溝壑縱橫、土層深厚且易于侵蝕,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到嚴(yán)重?fù)p害。因此,從典型流域的景觀格局現(xiàn)狀出發(fā),精確評(píng)估其土壤保持和固碳等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系,為流域的綜合治理提供科學(xué)決策。本研究在退耕還林(草)和溝道土地整治工程實(shí)施的背景下,選擇黃土丘壑區(qū)典型流域南溝為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的氣象資料、植物資料、土壤資料、地形資料、模型資料、空間圖形資料等的網(wǎng)格采樣、試驗(yàn)觀測(cè)和收集整理,結(jié)合GIS技術(shù),描述流域景觀格局與土壤質(zhì)量的關(guān)系,闡明團(tuán)聚體穩(wěn)定性、碳氮儲(chǔ)量和土壤侵蝕等三種主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分布及影響機(jī)制,揭示固碳釋氧、土壤碳庫(kù)、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤侵蝕等生態(tài)服務(wù)功能的能值量和價(jià)值量及各服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系,并進(jìn)行可視化分析,從而為南溝流域植被建設(shè)和水土保持提供科學(xué)依據(jù),并為未來(lái)流域生態(tài)安全及植被功能持續(xù)提升奠定基礎(chǔ)。本研究取得的主要結(jié)論如下:(1)明確了流域景觀土壤質(zhì)量空間分布特征。南溝流域土地利用類(lèi)型以草地和森林為主,坡度主要以15°-25°為主,果園和森林土壤質(zhì)量高于草地;坡度對(duì)土壤質(zhì)量無(wú)顯著影響,海拔升高土壤質(zhì)量降低;景觀形狀指數(shù)、散布與并列指數(shù)、分離度指數(shù)和聚集度指數(shù)對(duì)土壤質(zhì)量有顯著影響,其中景觀形狀指數(shù)、分離度指數(shù)和聚集度指數(shù)與土壤質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果可為流域植被恢復(fù)和水土保持提供科學(xué)依據(jù),從而保障流域土壤質(zhì)量提升。(2)明確了流域土地利用變化下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的分布及影響因素。草地的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最大,其次為森林,果園和農(nóng)田等土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最小,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性由于果園耕作受到破壞,然而果園退耕后土壤團(tuán)聚體可以很快恢復(fù)穩(wěn)定;土壤黏粒、容重、土壤有機(jī)碳、土壤氮和可溶性碳氮對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著影響,其中表層團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而深層團(tuán)聚體對(duì)土壤氮有負(fù)作用。結(jié)果表明植被建設(shè)有利于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。(3)闡明了流域不同植被類(lèi)型土壤碳氮的固定速率、潛力及影響因素。果園、草地和森林的固碳速率分別為0.1,0.4和0.4 Mg hm~(-2) yr~(-1),固碳潛力為1.9,86.8和164.6Mg yr~(-1),固氮速率分別為6.1×10~(-3),17.2×10~(-3)和6.9×10~(-3) Mg hm~(-2) yr~(-1),固氮潛力為0.2×10~(-3),5.1×10~(-3)和2.7×10~-33 Mg yr~(-1);農(nóng)田和果園的土壤碳氮儲(chǔ)量及碳氮固定潛力主要受土壤顆粒和容重的影響,而草地和森林主要受土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤碳氮比的影響。此研究結(jié)果表明南溝流域進(jìn)行植被恢復(fù)時(shí)應(yīng)以森林為主,以增加碳匯并防治土壤養(yǎng)分流失。(4)揭示了流域土壤侵蝕模數(shù)的空間分布,探討了不同土地利用類(lèi)型和地形因子下的流域土壤侵蝕特征。南溝流域水土保持效果顯著,但是潛在土壤侵蝕可能性依舊很高。流域土壤可侵蝕因子的范圍為0.108-0.118 t ha h MJ~(-1) ha~(-1) mm~(-1),其最大土壤侵蝕模數(shù)為5625 t km~(-2)a~(-1),平均為1008.4 t km~(-2)a~(-1),總量為7.31×10~6 t km~(-2)a~(-1);土壤侵蝕程度主要以微度和輕度為主,土壤侵蝕敏感性以不敏感和輕度敏感為主;草地和果園、坡度8°-25°的土壤侵蝕嚴(yán)重。此研究結(jié)果表明南溝流域水土保持效果顯著,但是潛在土壤侵蝕可能性依舊較高,需要對(duì)8°-25°的坡度進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)和水土保持工程以增加流域的生態(tài)效益。(5)基于能值分析對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行物質(zhì)量、能值和價(jià)值量的評(píng)估和可視化分析。南溝流域總能值為1.5×10~(22) sej,其中固碳能值為37.7×10~(10) sej,釋氧能值為21.5×10~(15) sej,養(yǎng)分保持能值為17.0×10~(18) sej,土壤保持能值為36.7×10~(13) sej,土壤結(jié)構(gòu)能值為1.3×10~(10) sej,土壤有機(jī)碳能值為37.5×10~(13) sej;總價(jià)值為20.4×10~6元,其中土壤保持服務(wù)價(jià)值占比16.2%,土壤固碳服務(wù)價(jià)值占比75.5%,草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占比23.4%;森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占比62.9%;農(nóng)田、果園和草地土壤保持服務(wù)功能和養(yǎng)分保持服務(wù)功能較為突出,森林生態(tài)服務(wù)功能固碳釋氧服務(wù)、土壤有機(jī)碳服務(wù)和土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)功能較為突出。(6)揭示了流域不同土地利用類(lèi)型和不同坡度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系。流域總體的土壤保持服務(wù)-土壤結(jié)構(gòu)的權(quán)衡度土壤保持-NPP的權(quán)衡度土壤保持-土壤有機(jī)碳服務(wù)的權(quán)衡度,土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)-NPP和土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)-土壤有機(jī)碳服務(wù)接近零權(quán)衡;不同土地利用類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度由大到小依次為果園農(nóng)田草地森林;隨著坡度的增加,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度也逐漸增大;森林和草地收益土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)和土壤碳庫(kù)服務(wù),而農(nóng)田和果園則收益較多的土壤保持服務(wù)和養(yǎng)分保持服務(wù)。此研究表明增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量是改善南溝流域土壤功能的基礎(chǔ),而增加流域有機(jī)碳儲(chǔ)量的首要前提是控制土壤及養(yǎng)分流失。
【圖文】：

圖 1-1 1999-2013 年黃土高原植被覆蓋度（Chen et al. 2015）及 NDVI 變化（Sun et al. 2015）Figure 1-1 The range of vegetation coverage (Chen et al. 2015) and NDVI change ( Sun et al. 2015) in theLoess Plateau from 1999 to 20131.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展土地利用變化是全球變化研究的焦點(diǎn)和前沿問(wèn)題，也是景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型劇烈轉(zhuǎn)變的重要影響因素（van Jaarsveld et al. 2005），同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也產(chǎn)生顯著影響（Metzger et al. 2006）。在關(guān)于氣候變化影響評(píng)估、景觀管理和生物多樣性保護(hù)的國(guó)際性討論中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念已成為一個(gè)核心問(wèn)題。尤其是退耕還林（草）工程實(shí)施以后，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)、模型模擬和“3S”技術(shù)等針對(duì)不同尺度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響機(jī)制、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)預(yù)測(cè)等方面開(kāi)展了大量研究，取得了諸多研究進(jìn)展（Fu et al.2011; Su & Fu 2013; Lu et al. 2014; Feng et al. 2017），然而多數(shù)研究采用基于精度較低的遙感數(shù)據(jù)和已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)等對(duì)研究區(qū)域的供給、調(diào)節(jié)、文化和支持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估（Millennium Ecosystem 2005），另外，景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能耦合關(guān)

黃土丘陵區(qū)典型流域土壤功能評(píng)估與權(quán)衡Giani 2011; Sun et al. 2017），如農(nóng)田轉(zhuǎn)化為草地（Wang et al. 2017; Zhao et al. 2017b）；農(nóng)田轉(zhuǎn)化為人工林或自然林（Qiu et al. 2015; Deng & Shangguan 2017）等。然而，大多數(shù)研究集中在研究點(diǎn)上，，且土地利用變化以農(nóng)田退耕為主，因此，探討土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在流域尺度的分布及果園退耕前后造成的土地利用變化對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響機(jī)制，這對(duì)于流域有針對(duì)性的改善各土地利用類(lèi)型的土壤結(jié)構(gòu)具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S15

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本文編號(hào)：2708289