黄土高原坡耕地土壤侵蚀对土壤有机碳的影响.pdf

中国农业科学院 硕士学位论文 黄土高原坡耕地土壤侵蚀对土壤有机碳的影响 姓名 李嵘 申请学位级别 硕士 专业 土壤学 指导教师 李勇 20080601 摘要 我国黄土高原地区面积广大 土壤受侵蚀程度严重 土壤侵蚀不仅导致土壤质量的严重下降 而且还造成土壤碳库的大量损失 土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库 在全球碳循环中起着 极为重要的作用 研究黄土高原地区土壤侵蚀对土壤有机碳的影响可以为研究侵蚀条件下的土壤 碳的迁移 转化规律提供一定的理论依据 也对改善黄土高原土壤侵蚀状况具有重要意义 本文以黄土高原丘陵坡耕地为研究对象 利用1 C s 核素示踪技术测定不同侵蚀坡位 坡上 坡中 坡下部 土壤年侵蚀量 并分析不同土壤侵蚀程度地形部位的土壤总有机碳 全氮含量及 储量 以及土壤活性有机碳组分的含量与储量 得出如下结论 1 坡上部为土壤严重侵蚀区 坡中部为轻微侵蚀区 坡下部为堆积区 2 不同侵蚀坡位土壤总有机碳 全氮含量存在明显差异 均表现出坡下部 坡中部 坡上部的 规律 且均小于对照无侵蚀区土壤总有机碳 全氮含量 不同深度土层中有机碳含量由O l O o m 10 2 0 e m 2 0 3 0 c m 到3 0 4 5 c m 呈现递减规律 不同坡位土壤总有机碳储量 全氮储量亦存在明显差异 表现出坡下部堆积区储量显著大于 坡上 中部侵蚀区储量的趋势 3 坡耕地不同侵蚀坡位土壤活性碳储量均小于对照无侵蚀区土壤活性碳储量 除可溶性碳在 不同坡位间含量及储量无明显差异外 微生物生物量碳 易氧化碳均表现出与总有机碳一致的变 化趋势 不同深度土壤可溶性碳含量大致呈现出由表层到深层递减的规律 个别层次表现出深层土壤 中的含量大于表层土壤中的含量的现象 而微生物生物量碳 易氧化碳含量均随采样深度的加深 逐渐降低 4 土壤总有机碳含量与微生物生物量碳 易氧化碳均有显著线性相关性 而与可溶性碳含量 无显著相关性 微生物生物量碳与易氧化碳含量呈显著线性正相关关系 可溶性碳与微生物生物 量碳 易氧化碳含量均无显著相关性 关键词 黄土高原丘陵坡耕地 土壤侵蚀 土壤总有机碳 土壤活性有机碳 A b s t r a c t T h eC h i n e s eL o e s sP l a t e a us u f f e r ss e v e r es o i le r o s i o n S o i le r o s i o nr e s u l t si nt h ed e c r e a s eo fs o i l q u a l i t ya n dt h el o s so fs o i lo r g a n i cc a r b o ns t o r a g e S o i lo r g a n i cc a r b o ns t o r a g ei st h el a r g e s tc a r b o n s t o r a g ei nt e r r e s t r i a le c o s y s t e m a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ng l o b a lc a r b o nd y n a m i c T h i sr e s e a r c h c o u l dh e l pU Su n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s m so fs o i lo r g a n i cc a r b o nl o s ta n dr e m o v ei ne r o s i v e c o n d i t i o n s F u r t h e rm o r e i th a sa ni m p o r t a n ts e n s eo ni m p r o v i n gt h es o i le r o s i o ns t a t u s B a s e do nt h et y p i c a ls l o p ei nL o e s sP l a t e a ui nC h i n a W em e a s u r e dt h ec o n t e n ta n ds t o r a g eo fs o i l t o t a lo r g a n i cc a r b o n T O C t o t a ln i t r o g e n T O N a n ds o i ll a b i l eo r g a n i cc a r b o ni nd i f f e r e n ts l o p e p o s i t i o n s S o i ll a b i l eo r g a n i cc a r b o nc o n t a i n sM i c r o b i a lB i o m a s sC a r b o n M B C D i s s o l v e dO r g a n i c C a r b o n D O C a n dR e a d i l yO x i d a t i o nC a r b o n R O C i nt h i sr e s e a r c h S o i le r o s i o n d e p o s i t i o no nt h e s l o p ew a sd e t e r m i n e df r o mm e a s u r e m e n to f1 3 7 C si n v e n t o r y T h em a i nr e s u l t sa l es u m m a r i e da sf o l l o w s lT h eu p p e rs l o p ei st h es e v e r ee r o d e ds i t e t h em i d d l es l o p ei st h el i g h te r o d e ds i t ea n dt h eb o t t o m s l p o ei st h ed e p o s i t i o ns i t e 2T h e r ew e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e nT o ea n dT O Na m o n gd i f f e r e n te r o d e ds i t e sa n d d e p o s i t i o ns i t e T h eT O Ca n dT O Na tt h o s et h r e es l p o es i t e sw e r es m a l l e rt h a nr e f e r e n c es i t e T h ev e r t i c a l d i s t r i b u t i o no fs o i lo r g a n i cc a r b o na n dt o t a lo r g a n i cn i t r o g e nd e c l i n e dg r a d u a l l yi nt h es o i lp r o f i l ef r o m t o pt o4 5 c md e p t h F u n h e 彻0 r e t h eT O Ca n dT O Ns t o r a g eh a ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c e st o o 3S o i ll a b i l eo r g a n i cc a r b o nw e r es i g n i f i c a n t l yl o w e ra tt h et h r e es l o p es i t e st h a na tr e f e r e n c es i t e T h e c h a n g et r e n d so fM B Ca n dR O Cw e r es i m i l a rw i t hT O Ce x c e p tD o e w h o s e c o n t e n ta n ds t o r a g eh a dn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e ne r o d e ds i t e sa n dd e p o s i t i o ns i t e T h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fM B Ca n d R O Cd e c l i n e dg r a d u a l l yi nt h es o i lp r o f i l ef r o mt o pt o4 5 c md e p t h b u tt h eD O Ci nd e e pp r o f i l e sw e r e l a r g e rt h a nt o pp r o f i l e s 4T h e r ew e r es i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n s h i pa m o n gT O Ca n dM B C R O C b u tn os i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n s h i pw i t hD O C A d d i t i o n a l l y t h e r ew a sp o s i t i v es i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nM B C a n d R O C b u tt h e r ew e r e n ts i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n s h i pa m o n gD O Ca n dM B C R O C K e yw o r d T h eC h i n e s eL o e s sP l a t e a u S o i le r o s i o n T O C L a b i l eo r g a n i cc a r b o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意 研究生虢弓浑 帆游彩月 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留 使用学位论文的规定 即 中国农业科 学院有权保留送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 可以采用影印 缩 印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 论文作者签名 刁砖扛 导师签名 锯 V 时间 勋喀年 时间 沙汐孑年 月 日 厂月 钿 中囝农 科学院硕f j 学位论文第一章引青 1 1 研究意义 第一章引言 我国黄土高原地区面积约为6 3 1 0 5 k m 2 由于其士壤质地均一 颗粒细小 颗粒间粘结力弱 结构松散 稳定性差等性质 极易遭受水蚀以及风蚀 据统计 黄土高原水土流失面积达4 5 4 1 0 S k i n 2 年侵蚀模数大于1 5 1 0 4t k m2 的剧烈水蚀面积为3 6 7 X1 0 4 k m 2 占全国同等强度侵蚀面 积的8 9 杨勤科 2 0 0 0 每年进入黄河的泥沙约为1 6 1 7 t 其中约有1 3 亿t 来源于坡耕地 约占 土壤侵蚀总量的8 1 王维敏 1 9 9 4 黄土高原现有耕地1 9 1 1 07 h m 2 其中7 3 6 属于坡耕地 大量的水土流失导致土壤退化 肥 力降低 严重影响土地生产力的发展 其次 由于人类大量开垦坡地 使原有植被遭到破坏 生 产活动 犁地 引起耕作侵蚀与水蚀相互交织 共同作用 导致土壤质量衰退 肥力降低 侵蚀 已成为影响黄士高原地区农业生产的严重问题 更是一个全国乃至全球性的生态环境问题 侵蚀 从很大程度上影响着作物光合 土壤碳库容量 土壤呼吸以及全球碳循环速度 L a l 2 0 0 3 P o l y a k o v 2 0 0 4 土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库 约是大气碳库的3 倍 因此其较小幅度的 变化就对大气c 0 2 产生重要影响 影响全球气候变化 进而对陆地生态系统的分布 组成 结构 和功能产生深刻影响 据估计 全球每年因水蚀造成进入水体的碳素约有4 0 一 6 0 P g L a l 2 0 0 3 中国土壤冈风蚀造成的有机碳流失为5 9 7 6 X1 0 6 t C a 胡云锋等 2 0 0 4 土壤侵蚀成为重要的环 境问题 土壤侵蚀导致表层土壤流失 土壤质量恶化 由于土壤有机碳主要分布于上部表层土壤 最 容易因水蚀和耕作侵蚀而流失 在景观中发生再分布 而土壤有机碳在很大程度上影响土壤结构 的形成和稳定性 土壤的持水性和植物营养的生物有效性以及土壤的缓冲性能和土壤生物多样性 起着缓解和调节土壤退化和土壤生产力有关的一系列土壤过程 是反映土壤质量或土壤健康的一 个重要指标 直接影响土壤肥力和作物产量的高低 侵蚀区原位土壤团聚体被破坏后 引起有机 碳迅速矿化 加速原位土壤有机碳的分解损失 增加土壤C 0 2 的排放 A l v a r e z 2 0 0 0 土壤侵蚀 对土壤有机碳固定产生显著的负效应 H u n t i n g t o n 1 9 9 5 L a l 1 9 9 2 P a u l 使土壤固定和累积 有机碳的能力下降 因而研究黄土高原侵蚀坡耕地土壤有机碳的流失 迁移以及变化特征 对防 治水土流失 提高农田产量有重要作用 本文通过1 3 7 C s 示踪技术 计算研究区域内坡耕地不同坡位土壤年侵蚀速率 评价该区域土壤 侵蚀状况 另一方面通过测定土壤总有机碳 氮以及活性有机碳的含量变化 研究土壤侵蚀状况 与有机碳流失状况及其相互之间的量变关系 中园农业科学院硕f j 学位论文第一章引言 1 2 国内外研究概况 1 2 1 土壤侵蚀现状及研究意义 土壤侵蚀主要是指地球表面的土壤及其母质在水力 风力 冰融或重力以及人为营力的作用 下 发生的各种破坏 分散 搬运和沉积现象 它是全球最严重的生态环境问题之一 可以直接 导致土壤质量 生物质量或经济生产力的急剧下降 对人类生态和发展基础造成破坏 一般认为 引起土壤侵蚀的原冈有内因和外因两种 内冈包括地形 如坡度 坡长等 和土壤性质 如土壤 渗透性 抗侵蚀性等 外因包括降雨 主要有降雨强度 降雨量 降雨历时等 植被和耕种等 1 土壤侵蚀的分类 世界各国关于土壤侵蚀的定义和解释各不相同 但都包含了地表土壤物质的移动的共同特点 在引起土壤侵蚀作用力中都包含了内外营力及人为活动作用 根据侵蚀形式可分为面蚀 沟蚀 崩塌 泻溜和滑坡 泥石流等 根据侵蚀营力可分为水蚀 风蚀 重力侵蚀 冻融侵蚀等 根据 自然环境条件 社会经济状况和科技发展水平分析 各国所给的土壤侵蚀的定义集合设计的工作 范围带有明显的国家和地区特色 2 士壤侵蚀的危害 土壤侵蚀的产生早于人类 它对自然生态环境的影响具有两面性 水土流失造成的泥沙在河 口或入海口淤积 形成三角洲 洪水泛滥区形成土壤肥沃的冲积平原 但随着人类社会的发展和 社会文明的进步 壤侵蚀对人类生产生活产生具大约危害 周肘不适当的人类活动也加剧了 壤侵蚀的危害性 对森林的乱砍滥伐使植被大面积被破坏 自然生态环境恶化 导致旱 涝 洪 等自然灾害的频繁发生 加剧了水土流失 使土壤肥力流失 土壤贫瘠化 化肥的使用使水质恶 化 水体富营养化 从而改变水生态环境 土壤侵蚀影响了人类赖以于生存的环境质量 影响农 业生产和食物安全 甚至对全球气候交化产生影响 主要表现为以下凡个方面 1 造成生态恶化 土壤侵蚀导致土壤含蓄水源的能力下降 影响地表植被生长 使得自然灾害频繁发生 加剧 生态环境的恶化 土壤侵蚀使大量养分 重金属等污染水体 使水体富营养化 加之农民对贫瘠 土地的化肥旖用量的加大导致各类化学污染物质等进入水体对水环境造成不利影响 张学俭 2 0 0 2 2 水土流失淤积江河湖库 加剧洪涝灾害 黄土高原地区由于水土流失严重 大量泥沙淤积在下游河床 形成著名的 地上悬河 严重 威胁着黄淮海平原2 5 万平方公里1 亿多人口的生命财产安全 1 9 9 8 年长江发生全流域性的特大洪 水 其重要的原因之一就是中上游地区水土流失严重 生态环境恶化 目前 全国的大中小型蓄 水工程累计淤积泥沙已达2 0 0 亿吨以上 相当于损失库容1 亿立方米的大型水库2 0 0 座 严重削弱了 水利设施的调蓄功能 张学俭 2 0 0 2 3 表土遭受侵蚀 土层变薄 最终导致土壤退化 土壤侵蚀是导致土壤退化的最主要 最普遍的原因 水土流失带走大量土壤颗粒 矿物质和 2 中同农 l p 科学院硕十j 学位论文第 章引言 有机质 肥沃的表土遭受侵蚀 土层变薄 土壤质地粗化 含蓄水源能力降低 有机质氮 磷 钾等土壤养分显著减少 导致土壤肥力减退 农业生产能力 土地利用能力和环境调控能力的下 降 给农业生产和群众生活带来严重威胁 张桃林等 2 0 0 0 4 土壤侵蚀使草原荒漠化 中国草原面积约2 0 0 万平方公里 其中退化 沙化 碱化草地约1 0 0 万平方公里 占草地总面 积的5 0 碱化草场2 3 3 万平方公里 占草原总面积的1 1 7 草原退化使草原植被结构趋向简单 豆科 禾本科等优良牧草数量锐减 劣质杂草大量滋生 草场质量下降 草原的退化严重制约了 畜牧业的发展 给牧业生产和牧民生活造成重大的损失 G E O 2 0 0 0 5 滑坡 泥石流灾害严重 滑坡 泥石流及崩塌形成的泥沙物质给人类 社会和环境造成严重的地质灾害 长江上游是 中国滑坡 泥石流灾害集中分布地区 据1 9 9 0 年调查 在长江上游危险程度较高的滑坡有1 5 0 0 多 处 泥石流沟有3 0 0 0 多条 年侵蚀量在1 2 亿吨左右 国家科委全国重大自然灾害综合研究组 1 9 9 4 景可等 1 9 9 9 6 危及工矿企业交通等基础设施和城市现代化建设 水土流失不仅危害农村 还危及工矿企业交通等基础设施和城市现代化建设 每年汛期 由 于水土流失造成公路 铁路沿线山坡塌方 交通中断的事故 全国各地时有发生 一次较大的停 车事故 直接损失往往以数十万元计 张学俭 2 0 0 1 3 土壤侵蚀现状 从全球范围来看 随着人口的增长和生活水平的提高 粮食需求大大增加 土壤资源正遭受 越来越严重的破坏 世界上有1 3 的土壤受侵蚀和水土流失的威胁 我国是土壤侵蚀最为严重的国 家之一 如表l 所示 刘秉正等 1 9 9 7 土壤侵蚀造成生态恶化 土壤含蓄水源能力降低 水旱 灾害频繁 水土流失淤积江河湖库 加剧洪涝灾害 表土遭受侵蚀 土层变薄 最终导致土壤退 化 我国山丘面积占总面积2 3 坡耕地在我国耕地面积中占有很大比例 陡坡农耕地是重要的 农业资源 近年来 坡耕地水土流失受到越来越多学者的关注 大量资料表明 一方面坡耕地是 大量江河泥沙的主要来源 另一方面 坡耕地严重的水土流失使山区丘陵土层变薄 养分流失 保水能力变差 使大多数坡耕地生产力低下 严重阻碍山地丘陵区农业可持续发展 使广大山 区农民无法脱贫致富 更造成恶性循环 加速坡耕地的水土流失 在我国黄土高原 人为活动引 起的人为加速侵蚀居重要地位 唐克丽 1 9 8 8 1 9 9 3 人为活动对侵蚀的加速作用主要表现为 毁林毁草 破坏植被的垦耕活动 在短期内可引起土壤侵蚀的急剧增加和空间的不断扩大 加剧 土壤侵蚀的强度 改变土壤侵蚀演化方向 恶化生态环境 查轩 1 9 9 2 史衍玺 1 9 9 6 唐克丽 1 9 8 7 此外 水蚀也是黄土高原地区占主导地位的侵蚀方式 3 中罔农业科学院硕f j 学化论文第一章引言 表l 中国土壤侵蚀面积基本情况表 T a blS o i le r o s i o na r e ai nC h i n a 4 土壤侵蚀研究方法 目前国内外土壤侵蚀的研究方法主要包括 1 测量学方法 通过研究每平方公里土壤侵蚀的总重量来估算整个流域内的侵蚀量 根据测量手段的差异 可以细分为高程实测法 航空摄影测量法 直接丈量法等 张宗枯 1 9 9 6 2 遥感研究法 利用遥感数据光谱特征对地表植被覆盖 地形地貌 土壤 地球化学等异常信息进行提取 分析 处理 具有信息量大 覆盖面广 数据更新快的特征 但存在技术要求成分高 一次性投 入大的缺点 该方法只应用于局部地区 目前我国在这方面也开展了大量工作 张登荣等 1 9 9 6 3 地球化学方法 地球化学方法包括放射性核素法 稀土元素示踪法 矿物质分析法等 稀土元素示踪法是利用中子活化分析技术测量一定侵蚀时间后土壤中稀土元素的浓度来计算 侵蚀沉积量 该方法只适用于室内模拟与小范围野外研究 1 3 7 C s 作为示踪剂用于土壤侵蚀研究在理论和技术上都较为成熟 下文将对其做详细介绍 此 处不再赘述 此外 其它的放射性核素如7 B e 1 0 B e 2 1 0 p b 2 2 6 R a 2 2 8 R a 等也应用于对土壤侵蚀 的研究 4 土壤学方法 通过将土壤剖面各层的厚度与原始厚度进行比较和侵蚀强度的强弱分类 5 水文学研究方法 该方法是在长期水文观测的基础上 通过测量断面控制范围内的侵蚀量来研究土壤侵蚀现状 6 地貌研究法 该方法是通过野外观察 测量与土壤侵蚀有关的各种地貌现象 定性或半定量的确定土壤侵 蚀强度 陈永宗等 1 9 8 8 4 中国农 眦科学院硕l j 学位论文 第一 章引言 1 2 21 3 7 C s 示踪技术在土壤侵蚀中的应用 1 研究进展 核素示踪法在土壤侵蚀研究中的应用日益受到人们的重视 它在不改变原始地貌的条件下 通过示踪元素含量的分布差异来研究土壤侵蚀的发生和分布规律 其分析精度和量化程度较高 不需特殊的野外设施 能定量监测土壤侵蚀时空变化 L o u g h r a n 1 9 8 9 目前常用的示踪元素 包括1 3 7 C s 2 1 0P b 7B e 示踪 复合核素示踪 稳定性稀土元素示踪和中子活化分析等 本研究着 重讲述B 7C s 示踪技术的应用 1 3 7 C s 是环境中一种重要的放射性同位素 在环境地球化学研究 包括1 3 7 c s 的核辐射效应对 人体和其它生物的危害 1 3 7 C s 在湖泊沉积物计年计算沉积速率 1 3 7 C s 示踪土壤侵蚀过程和定量长 期侵蚀速率等方面 中有极为广泛的应用 郑永春等 2 0 0 2 M e n z e l 在上世纪六十年代研究了 土壤侵蚀和放射性核素沉降运移关系 R i t c h i e 1 9 7 4 和M c h o r u y 1 9 7 7 使用1 3 7 C s 法测算土壤侵 蚀量的研究并取得良好的效果 R o g o w s k j 和T a m u r a 应用 7 C s 研究土壤侵蚀 并测定径流量 土壤 侵蚀量和1 3 7 C s 流失量 发现了土壤侵蚀量与1 3 7 C s 流失量之间的指数关系 自此1 3 7 C s 被广泛应用于 土壤侵蚀研究领域中 国外许多学者针在不同区域进行了1 3 7 C s 的空间分布研究 即1 37 C s 在土壤中的水平 垂直分布 特征 M c C c l l a n 等测定澳大利哑草地的1 3 7 C 变化时 发现随着地形 侵蚀和沉积模式的变化 1 3 7 C s 具有水平和垂直再分布 M e C a U a n 1 9 8 0 B r o w n 1 9 8 1 等发现农地侵蚀时坡地和林地1 3 7 C s 含 量没有差异 而沉积剖面中的 7 C s 含量明显增加 研究表明由于土壤侵蚀造成土壤的侵蚀和堆积 使1 37 C s 发生空间上的再分布 其结果是侵蚀区1 3 7 c s 含量较低 沉积区含量较高 此外研究还涉及 到定量模型的建立与评价 以及对 7 C s 技术方法的改进与评价以及包括不同地貌类型 如坡耕地 草原 盆地 林地等的大量案例研究 近年来 乃7 C s 示踪技术在我国土壤侵蚀研究中的应用也日趋广泛 李仁英等 2 0 0 4 尤其 是在黄土高原地区研究土壤侵蚀强度 水力侵蚀及耕作侵蚀对土壤养分及土壤有机碳库的影响方 面更是发挥了重要作用 事实证明 7 C s 示踪技术在研究土壤侵蚀方面具有重要意义和长远的发 展前景 2 基本原理 1 3 7 C s 是一种非自然存在的人工核爆放射性核素 半衰期为3 0 2a 除核爆地附近外 全球分 布的 7 c s 主要来自长距离的运移 核爆产物1 3 7 c s 首先随放射性尘埃进入平流层 经长距离运送 混合后重新进入对流层 除小部分以干尘形式降落外 大部分随降雨重新落入地面 到地面后很 快被地表吸附 全球1 37 CS 沉降始于1 9 5 4 年 到1 9 6 3 年达到最大 1 9 6 3 年核禁条约生效后逐年下降 到19 8 0 年已基本可以忽略 7 c s 作为土壤侵蚀示踪剂的基本假设是 7 C s 的全球分布虽与纬度变化 及某地的降雨密切相关 I a I l C e 1 9 8 6 但在纬度变化不大 气象均一的区域上其沉降是均匀分 布的 所以土壤 7 C s 的初始含量 背景值 是确定的 其次 7 c s 被土壤尤其是土壤中的粘粒 和有机质强烈吸附于阳离子交换位置 难以被水淋溶 植物吸收少 化学和生物学运移极小 主 要随土壤颗粒的移动发生再分布 对于较小的土壤侵蚀小区 1 3 7 C s 在土壤中的再分配和侵蚀小区 5 中国农业科学院硕f j 学位论文第一章引言 量曼曼曼曼曼曼曼量置喜舅曼皇曼量曼曼量曼曼曼量旨 量罾 量 量皇皇置罾曼曼量舅罾舅罾1 曼量 罾 量 皇 皂 量曼曼量量曼鼍曼邑曼皇量量量鲁量量量 土壤的运移之间紧密相关 R o g o w s k i 1 9 6 5 因此 7 C s 是一种良好的土壤侵蚀示踪剂 示踪的 基本方法是通过测定取样点土壤1 3 7 C s 的含量与背景值的含量相比较 将这种变化与土壤的运移量 相联系 得到各样点 7 C s 含量减少或增加的百分比 减少的点发生土壤净流失 增加的点发生土 壤净沉积 再通过模型计算土壤侵蚀量 该方法可用于中长时间 大空间尺度上土壤侵蚀的研究 已在世界范围内多种生态环境条件下进行了成功的运用 7 C s 背景值可由当地的1 37 c s 沉降数据或 当地未扰动地块剖面1 37 c s 的测定值估算 也可由同一地块过去的测定值作为背景值 侵蚀发生的 历时由背景值确定时到观察取样时所经历的年数计算 3 常用模型 到目前为止 常用的定量模型有数种 将其总结为图1 魏彦昌等 2 0 0 6 所示的几种模型 分别为经验模型 R i t c h i e 1 9 7 4 比例模型 W a l l i n g 1 9 9 0 重量模型 B r o w n 1 9 8 1 质量平衡模型 W a l l i n g 1 9 9 9 简化的质量平衡模型 Z l a a n g 1 9 9 0 和基于剖面富集的质量 平衡模型 Y a n g 2 0 0 0 等 此外 也有学者在此基础上补充提出了用于耕地的模型 非耕地模 型 张燕等 2 0 0 3 我们可以根据实际研究的不同 选用不同的模型 使模型的结果更加接近 真实值 土壤迁移伴随着土壤有机碳的迁移 V a n d e nB y g a a r t 2 0 0 1 利用1 3 7 C s 作为分层示踪物研究 农田景观中土壤和有机碳的再分布历史和土壤再分布对有机碳的影响 结果表明 农田景观各地 貌部位土壤在1 3 7 C s 散落前后的土壤表面产生再分布 沉积区耕层下土壤含有大量的1 37 c s 和有机碳 这些结果说明有相当数量的碳被固定在沉积区 D e J o n g 的研究发现土壤有机碳含量明显和1 37 C s 活度正相关 T u m a g e 的研究结果表明 大部分 7 C s 吸附在土壤表面有机质层 被有机质紧密吸 附 表土层以下的1 3 1 7 C s 活度随着有机质含量的下降而下降 同样 李勇 2 0 0 7 等对黄土高原坡 耕的研究指出 1 3 7 C s 活度以及 7 C s 面积浓度都与土壤有机碳含量呈显著正相关关系 6 中囝农业科学院硕I j 学位论文第一章引言 I I III o o 皇量量量皇皇量暑量量量 量鼍 表l1 3 7 C s 法土壤侵蚀研究常用转换模型比较 T a b l e1 C o n v e r s i o nm o d e l sf o r1 C st e c h n i q u ei ns o i le r o s i o nr e s e a r c h 模型名称基本形式优缺点应用范围 经验模型y 羽 比例模型 Y 1 0 B d X 1 0 0T 形式简单 便于应用 但模型 推导只局限于特定的试验小 区 不能推广应用 是最为简单的理论模型 但假 设前提过十简单 只能在特定的研究小区应用 但町作为其它模型发展的基础 适用于在1 3 7 C s 最大沉降发生 后土地利用方式发生改变的地 区 重量模型 Y 1 0 Ar e f A C s T 没有考虑耕作稀释和表面富 用于估算特定土壤侵蚀地区平 集 以及1 3 7 C s 的年沉降差异均土壤侵蚀速率 质量平衡d A t d t 1 一考虑降雨 耕作 粒径等影响可在不同研究地区推广应用 模型 F I t 九 P x R凼素 但形式复杂但由于需确定参数多 需要完 D x A t 善的基础数据 简化的质量平Y 1 0d B P 1 I X 1 0 0 考虑因素较伞面 但较质量平可在不同研究地区推广 且易 衡模型v 1 9 6 3 7衡模型形式简单 于应用 基于表面富集 的质量平 衡模型 C s t 形式简单而且考虑冈素更多 但模型考虑函数类型较少 可在不同研究地区推广 考虑 了表面富集 误差更小 的1 3 7 C s 活度基准值 B q m 2 A 为采样点上壤中的 C s 活度 a q m 2 a 芦为待定系数 B 为上壤辑重 k m 3 d 为 耕作层深度 m T 为自1 3 7 c s 沉降开始以来经历的时间 a C s 为侵蚀区域上壤的当前 3 7 C s 平均活度 8 0 k g Af f 为单位面积土壤的1 c s 总量 B q m 2 ftJ 为年份f 的1 3 7 C s 年沉降量C B q m 2 a t 足时间 a j 黾新沉降的1 3 7 C s 在 混入耕作层之前的侵蚀损失率 P 为颗粒校正因子矗为1 可c s 的年衰减常数 a 1 d m 为耕作层土壤容重 k e m 3 詹为侵蚀速率 k g m 2 a 1 2 3 土壤有机碳循环 生态系统中土壤有机碳循环一直是生态学 土壤学及环境科学研究的重要领域 国内外研究 者对不同区域生态系统中土壤有机碳循环过程及其与全球变化的响应关系进行了广泛的研究 对 于阐明土壤有机碳环与温室气体排放的关系具有重要的作用 在自然植被条件下 植物通过光合 作用 同化大气中的二氧化碳 植物体中就储存了有机碳 植物的枯枝落叶 根系分泌物及死亡 根系输入到土壤中 这些有机物经过微生物的分解和转化后 残留的有机碳就成为土壤有机碳 吴 金水 1 9 9 4 潘根兴等 2 0 0 2 这就是C 0 2 通过植物进入土壤有机碳库的过程 图1 在农田 生态系统中 通过施用有机肥料及作物地上残体和根系归还到土壤中的方式 向土壤碳库中输入 有机碳 这些途径有利于土壤有机碳的含量提高 土壤碳库中的有机碳经过微生物分解 生成具 有不同分解特性的有机碳组分 并释放出二氧化碳 这个过程则引起土壤有机碳损失 另外 在 侵蚀环境中 土壤水蚀或风蚀也是土壤有机碳损失的途径 土壤有机碳的收支与土地利用方式 7 配一 卅M 中同农业科学院硕I j 学位论文第一帚引i 土壤生态条件及土壤管理措施等因素有密切的关系 潘根兴等 2 0 0 2 土壤有机碳库的变化取 决于有机碳收入和损失相对平衡的结果 所以 明确土壤有机碳收支的控制机制 定量地确定出 不同生态条件土壤有机碳输入与输出的数量 是土壤有机碳循环研究的主要内容 这对于评价土 壤侵蚀对土壤有机碳库的效应和土壤排放二氧化碳的影响 制定有效的水土保持措施具有重要意 义 图1 土壤有机碳循环图 F i g1C y c l eo f S O C 1 2 4 土壤侵蚀对土壤有机碳的影响 土壤侵蚀对土壤有机碳的影响主要有水蚀和风蚀两种形式 目前 全世界土壤的水蚀面积大 约有1 0 9 4 x 1 0 9h m 2 风蚀面积有5 4 9 x l O S h m 2 L a l 2 0 0 3 土壤侵蚀造成了土地生产力下降 土 壤养分随径流和泥沙流走 造成了水体的富营养化 给环境造成了极大的危害 若泥沙输移比为 1 0 泥沙中有机碳的质量分数为2 一3 那么全球每年将有4 肚6 0P gC 进入水体 碳在进入 水体的过程中 将会矿化 假设占质量2 0 的碳释放 那么将会导致0 8 一1 2P g 的碳进入大气 L a l 2 0 0 3 土壤中的有机碳以粗有机质 细颗粒状有机质和与土壤矿物质的结合态存在 潘根兴等 2 0 0 0 而且粗颗粒有机碳相对来说容易移动 土壤受到侵蚀时 粗颗粒易被破坏 导致土壤有 8 中罔农业科学院硕I j 学位论文第一章 j I 言 机碳的释放 J a c i n t h e 2 0 0 1 侵蚀造成士壤中有机碳的损失包括随径流移走的可溶性的和与粘 粒结合的有机碳以及有机残体的碎屑 李忠佩等 1 9 9 8 在中国科学院红壤生态实验站的定位观 测结果表明 该地区年流失的有机碳质量约占每年输入土壤有机碳质量的5 同时 土壤侵蚀过 程中 由于大量的有机质随着土壤一起被带走 导致河流沉积物中含有大量的有机碳 造成了水 体的富营养化 J a c i n t h e 等 2 0 0 1 对森林土地 耕地及河流沉积物中的有机碳 易矿化碳进行了 测定 结果表明 河流沉积物中的有机碳质量分数比森林土壤中的有机碳高5 0 左右 而易矿化 碳的含量差不多 这主要是因为在河流冲刷过程中 土壤中易矿化碳被矿化 转化为其它形式的 碳 或者是随着河流冲走 朱远达等 2 0 0 1 利用地理信息系统 建立了侵蚀条件下的土壤碳和 养分变化模型 模拟了侵蚀对土壤碳和养分影响的空间过程 预测了侵蚀影响下土壤碳和养分的 年变化及多年变化 得到了引起土壤碳和养分含量降低的最低侵蚀模数阀值 为流域侵蚀治理规 划提供了科学依据 土壤侵蚀对土壤有机碳的释放起着很大的作用 导致每年有大量的碳流向大 气中 但这部分碳中的大部分都可以通过水土保持措施来加以控制 根据我国土壤侵蚀遥感调查资料 我国水蚀面积1 7 9 x 1 0 6k m 2 风蚀面积1 8 8 x 1 0 6k m 2 两项 合计3 6 7 x 1 0 6 k m 2 占国土总面积的3 8 2 在黄土高原地区 土壤侵蚀就更加严重 总面积为6 3 x 1 0 5 k m 2 水土流失面积达到q 4 5 4 x 1 0 5k m 2 在这4 5 4 1 0 5k m 2 的水土流失区中 较为严重的水土流 失面积为2 5 x 1 0 5 k m 2 主要分布在黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区 而黄土中C 0 2 的浓度相当 高 一般为大气罔中C 0 2 浓度的几倍到几十倍 刘嘉麒等 1 9 9 6 刘强等 2 0 0 0 黄土高原地区 土壤侵蚀必然导致大量的C O 进入大气中 而且在黄土高原地区 年输入土壤的有机碳量很少 水土流失带走了大部分的土壤养分 导致土壤贫瘠 生产力下降 此外 土壤侵蚀过程中有机碳 的迁移还要受到其他诸多因素及人为扰动的影响 例如 植被覆盖度 土壤性质 当地的气候条 件以及人为扰动的影响 1 2 5 土壤活性有机碳研究进展 土壤有机碳包括活性有机碳和非活性有机碳 土壤活性有机碳是指活性较高的那部分有机碳 目前对土壤活性有机碳还没有一个严谨和确切的定义 沈宏等 1 9 9 9 把在一定的时空条件下 受植物 微生物影响强烈 具有一定溶解性 且在土壤中移动较快 不稳定 易氧化 易分解 易矿化 其形态和空间位置对植物和微生物有较高活性的那部分土壤碳素 称为土壤活性有机碳 张甲绅等 2 0 0 0 指出活性有机质就是土壤在室温和天然p H 条件下能溶于水相的那部分有机组 分 W h i t b r e a d L e f r o y 1 9 9 8 则认为土壤活性有机碳包括了众多游离度较高的有机质 如植物 残茬 根类物质 真菌苗丝 微生物量及其渗出物如多糖等 现在文献中常见的可溶性有机碳 水溶性有机碳 轻组有机碳 易氧化有机碳 潜在可矿化碳 有效碳 微生物生物量碳 热水提 取碳 生物可降解碳和活性碳等均属此范畴之列 因不周的提取方法命名也不同 总之 土壤活 性有机质并非 种单纯的化合物 它是土壤圈中十分括跃的重要化学组分 对土壤中化学物质的 溶解 吸附 解吸 迁移乃至生物毒性等行为均有显著影响 1 土壤微生物量碳 土壤微生物量指土壤中体积小于5 1 0 3l am 3 生物总量 是活的土壤有机质部分 何振立 9 中冈农 l p 科学院硕 j 学位论文第一章引言 1 9 9 4 是存在于土壤微生物体中的碳量 土壤微生物量碳对土壤管理方式及土壤生态环境条件具 有灵敏的响应 通过研究土壤微生物量碳的变化 可以表征土壤有机碳的变化趋势 微生物量碳 一直是土壤有机碳循环研究中的主要方面 J e n k i n s o n 1 9 8 1 1 9 7 6 也是土壤有机碳库中活跃的 有机碳组分 易于分解 是土壤养分的重要来源 土壤微生物量碳在总有机碳中的比例很小 但 变化非常明显 L u p w a y i 1 9 9 9 有研究结果显示 土壤微生物碳占总有机碳的2 5 B a l e s d e n t 1 9 9 6 土壤微生物碳占总有机碳的比例与生物气候条件 土地利用方式及土壤管理措施等因素有 关 土壤微生物碳的涨落可以灵敏地显示土壤有机碳变化的特征 许多研究者对不同区域土壤微 生物碳与有机碳的关系进行了大量研究 P o w l s o n 1 9 8 7 I n s a m 1 9 8 8 J e n k i n s o n 1 9 8 8 S p a d i n g 1 9 9 2 G r e g o r i c h 1 9 9 4 英国著名的土壤生物化学家J e n k i n s o n 1 9 8 8 指出微生物是土壤中具 有生命活动的部分 微生物量碳的测定主要用来揭示土壤有机碳变化的方向 评价土壤有机碳循 环 S p a r l i n g 1 9 9 2 根据土壤微生物碳与有机碳的比例关系 来表征土壤有机碳增加或退化的趋 势 P o w l s o n 1 9 8 7 研究结果表明 土壤微生物碳的变化比总有机碳的变化更明显地反映不同土 壤管理和作物轮作条件下土壤有机碳的变化趋势 免耕条件下土壤微生物量碳高于常规耕作下土 壤有机碳 作物轮作对土壤微生物碳的影响不明 农田 主要是早地 表层十壤微生物量碳含量一般为1 0 0 5 0 0m g k g 占土壤有机碳总量的 0 5 4 O 草地和林地土壤微生物量碳含量一般大大高于耕地土壤 长期休闲地的土壤微生物 量碳含量低于耕地 吴金水 1 9 9 4 土地利用变化会导致土壤有机质的变化 但短期内这种变化 由于大量相对稳定的有机质的存在是很难测定的 G r e g o r i c h 1 9 9 4 土壤微生物量碳的变化同有 机碳的变化方向一致 而且由于其周转速率较快 短时间内易于测定其准确变化量 因此土壤微 生物量碳可以作为预测土壤有机碳变化的重要指标 2 土壤可溶性有机碳 可溶性有机碳是土壤有机碳库中活跃的有机碳组分之一 可溶性有机碳量占总有机碳中的比 例小于2 是易于被微生物利用的有机碳源 土壤可溶性有机碳含量水平是消耗与补充综合平 衡的结果 土壤可溶性有机碳补充来源为土壤胶体中解吸的有机物 植物残体中释放的可溶性有 机物质 植物根系分泌的有机物 土壤中不溶性多聚有机物的水解产物 通过对可溶性有机碳的 动态变化的研究 可以明确地揭示可溶性有机碳来源及其在土壤碳循环中的作用 M c G i l l 1 9 8 6 不同生态系中土壤可溶性有机碳的数量和质量有明显的差别 根据微生物碳与可溶性有机碳的比 例评价可溶性有机碳的质量特性 比值高表明可溶性有机碳的质量高 对微生物具有较高的有效 性 土壤可溶性有机碳是指用水或稀盐溶液提取且可以通过0 4 51 1m 孔径滤膜的有机碳 包括从 简单有机酸 糖类到复杂腐殖物质等一系列分子量范围差异很大的分子 提取剂的p H 离子类型 及离子强度等不同 土壤中有机碳的溶解度也不同 目前尚无统一的测定方法 还难以对不同文 献中的土壤可溶性有机碳含量进行直接比较 李淑芬等 2 0 0 2 据j 6 z e f a c i u k 等 1 9 9 6 报道 采用蒸馏水或天然雨水为提取剂能够较好的反映陆地生态系统中活性有机碳的实际情况 以往国际上有关研究主要集中在土壤可溶性有机碳作为土壤有机质流失的主要途径和它所引 1 0 中同农业科学院硕I 学位论文第 帝引言 III 起的水体污染方面 而目前对土壤可溶性有机碳在土壤肥力中的作用研究开始成为研究热点 据 H a y n e s 2 0 0 0 的报道 土壤可溶性有机碳与土壤耕作指数的关系极为明显 可以将土壤可溶性 有机碳作为衡量土壤有机质变化方向的重要预测指标 土壤可溶性有机碳是有机体能量的主要来源 大约有1 0 的土壤可溶性有机碳是活性的 S o n e r g a a r d 1 9 9 5 当在紫外线下曝晒时 其他非活性的土壤可溶性有机碳部分也会迅速分解 成为微生物可利用的底物 W e t z e le t a l 1 9 9 5 因此土壤可溶性有机碳会显著影响温室气体的排 放 土壤可溶性有机碳的影响因素较多 如 凋落物数量 微生物数量 土壤金属离子含量和p H 值 耕作管理以及土地利用方式等 其中最主要的因素是土地的利用及管理方式 D e l p r a t 等 1 9 9 7 研究发现 草地初次耕作可使土壤中可溶性有机碳提高2 5 倍 而以后长期耕作会使土壤中可溶 性有机碳明显降低 王艳芬等 1 9 9 8 不同轮作方式下 土壤适时休闲可以提高土壤可溶性有 机碳的含量 F r a n z l u b e m r s 1 9 9 5 施用有机肥可以在短时间内提高土壤可溶性有机碳的含量 G r e g o r i c h 1 9 9 6 3 土壤易氧化碳 B l a i r 1 9 9 5