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土壤侵蚀与碳动态环境放射性核素示踪研究

文献类型： 学位论文

年份： 2016

导师姓名： 李勇

作者： 于寒青

出版单位： 中国农业科学院

关键词： FRN;土壤侵蚀;碳循环;土壤保持措施;采样技术

研究方向： 农业生态学

摘要： 人为加速的土壤侵蚀和泥沙再分布速率变化是全球变化的重要组成部分。了解土壤侵蚀变化及其引起的土壤碳动态变化,不仅有助于可持续的土地利用和管理,而且对解释陆地碳收支的不确定性具有重要意义。散落的环境放射性核素(FRNs)137Cs,210Pb和7Be被认为在定量研究不同时空尺度土壤和有机碳侵蚀再分布方面具有传统方法无可比拟的优点,但仍存在一些缺陷。本论文以我国典型水蚀(黄土高原、长江上游和东北黑土区坡耕地景观)和风蚀区(河北丰宁风蚀农田景观)为对象,从研究变时空尺度土壤FRN采样方法入手,评价了我国土壤保持措施减少土壤侵蚀的有效性,探讨了土壤侵蚀再分布在碳循环中的作用,为建立土壤侵蚀与碳循环的定量研究方法,开展区域水土保持与生态修复工程固碳效应的准确评价提供科学数据和技术支撑。本研究取得的主要结论如下:(1)提出了以设计和模型为基础的采样方法,即分层随机采样和混合样品可以大大减少FRN采样和测量成本,实现评价跨尺度的(小区、流域和区域)土壤再分布的空间变化;提出基于时空采样框架的FRN重复采样方法,评价FRN示踪的土壤再分布随时间尺度变化对土地利用和土壤管理措施历史变化的响应。(2)植被恢复、梯田工程及保护性耕作措施可以有效减少坡地景观的土壤侵蚀。FRN示踪结果发现:在我国西南山地,灌木比草地对减少土壤侵蚀更有效,而乔木下无枯落物不能有效控制土壤侵蚀。在延安,与坡耕地相比,梯田可使土壤侵蚀量减少了49%,林草坡地减少土壤侵蚀80%。在丰宁,3年免耕+留茬措施相比传统耕作可使土壤侵蚀速率下降33%-44%。在东北拜泉,与传统耕作措施相比,土壤净侵蚀速率在梯田上减少了14%,而等高耕作措施下土壤侵蚀减少了34%。(3)忽视土壤侵蚀速率的变化会过高估算土壤保持措施的固碳效应。基于7Be示踪与土壤碳密度测定,估算得到5年退耕还草(CG)和3年免耕留茬(CL)处理表层土壤(0-20mm)净的负固碳速率(源)分别是–0.42和–0.37 t C ha–1 year–1。与传统固碳方法(不考虑土壤侵蚀)相比,CG和CL处理分别被高估了126%和130%。而CG和CL耕层土壤(0-245mm)固碳速率分别为0.27±0.12和1.53±0.13 t C t C ha-1yr-1,与传统方法得到的固碳速率(CG,0.8±0.03 t C ha-1yr-1;CL,2.0±0.06 t C ha-1yr-1)相比,分别过高估计了196%和31%。(4)黄土高原坡耕地高强度土壤侵蚀过程显著减少了SOC矿化作用,是不可忽视碳汇。基于田间原位监测数据建立的土壤碳侵蚀再分布与土壤呼吸关系模型发现,坡地侵蚀区侵蚀导致原位土壤CO_2排放减少速率为0.43±0.15 t CO_2_C ha-1yr-1,全山坡原位土壤CO_2净排放减少速率为0.32±0.22 t C ha-1yr-1。

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