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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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黄土丘陵区不同恢复植被下土壤蓄持水分能力及其调控

张永旺  
【摘要】:黄土高原生态建设的主要任务是植被恢复,而土壤水分成为植被恢复的限制因子。本研究针对我国生态建设需求及生态与环境科学研究的前沿问题,以黄土高原不同恢复植被为研究对象,通过对样地土壤水分的长期监测,采用野外试验与室内分析相结合的方法,研究植被恢复过程中植被和土壤储水量动态变化,明确植被恢复过程中土壤水分空间分布特征及其影响因子,探明不同恢复植被下土壤水分的年际变化,阐明植被恢复过程中土壤水分与有机碳的相关性,评价不同恢复植被下的土壤水分蓄持能力及有效性,揭示不同恢复植被下的土壤储水量与化学计量学特征间的关系。本研究取得的主要结论如下:(1)从草地到林地,长期的植被恢复显著降低土壤储水量,而山杨与辽东栎混交林和辽东栎林的差异不显著,达到顶级群落时土壤储水量趋于稳定。0-500 cm土层的土壤储水量在早期的恢复阶段(草地和沙棘林地)显著下降,在后期的恢复阶段(山杨林地、山杨与辽东栎混交林地和辽东栎林地)缓慢下降。土壤含水量在不同的恢复阶段中上层土壤比下层土壤低,土壤储水量与土壤含水量相似,但是土壤储水量在整个恢复阶段中200-300 cm土层比其它土层都高。随着植被恢复,容重、孔隙度和土壤颗粒组成改善了。(2)从草地到林地的长期植被恢复降低了土壤水库的库容,却增加了土壤碳库的库容。0-200 cm的不同土层的土壤储水量随着植被恢复而下降,随着土层加深而增加。而土壤碳储量随着植被恢复而升高,随着土层加深而下降,在表层(0-20 cm)最高。另外,随着植被恢复,土壤储水量剧烈变化的土层和土壤碳储量趋于稳定的土层分别向上和向下移动。土壤储水量和土壤碳储量在植被恢复过程中的显著相关的,其相关性随着土层深度和演替年限逐渐减弱。粘粒、粉粒、砂粒、总孔隙度、无效孔隙、通气孔隙和毛管孔隙是影响低于50a的草地恢复阶段的土壤储水量和土壤碳储量相关性的重要因子,容重是影响恢复年限低于130a的灌木林地和早期乔木林地恢复阶段的土壤储水量和土壤碳储量的相关性的重要因子。土壤物理因子对土壤储水量和土壤碳储量的相关性的影响在植被恢复过程中逐渐减弱。(3)长期的植被恢复对从草地到林地的恢复阶段中的土壤储水量和化学计量学特征具有显著影响。土壤储水量随着植被恢复显著降低,而C:P、N:P、全氮和全磷则显著升高。只有草地阶段的土壤含水量在土层深度低于80 cm时趋于稳定。在各个恢复阶段,0-60 cm土层中,随着深度加大,土壤储水量逐渐上升,而土壤有机碳、C:P、N:P、全氮和全磷显著降低,土层深度低于60 cm时趋于稳定。土壤储水量与土壤含水量、土壤有机碳、全氮和全磷的相关性显著,因此,土壤有机碳、全氮和全磷是影响土壤储水量的重要的化学因子。(4)从草地到林地的不同恢复阶段的土壤持水性和水分有效性明显增强。由土壤水分特征曲线获得的土壤水分特征参数A所表示的土壤持水性在乔木林地阶段是最强的,灌木林地次之,在草地最弱。土壤水分有效性在不同的植被恢复阶段与土壤持水性的变化趋势一致。从草地到乔木林地,0-50 cm土层的土壤特性在一定程度上改善了。土壤质地、孔隙度和容重是影响土壤持水性和土壤水分有效性的关系因素。(5)从三种植被恢复阶段(草地、灌木林地和乔木林地)来看,植被类型对土壤储水量有显著的影响。在0-500 cm土层中,在草地和灌木林地阶段,10a后的土壤储水量高于10a前,对于乔木林阶段,情况却相反。同一年份,土壤储水量在草地阶段是最高的,灌木林次之,乔木林最低。在草地,土壤含水量在50 cm以上土层逐渐上升,在灌木林地,土壤含水量先升高后下降,其拐点在10a前、后分别是260 cm和200 cm。在乔木林地,土壤含水量在360 cm土层以上变化较强。此外,土壤储水量和土壤含水量在0-60 cm土层呈显著正相关关系(P0.01);土壤含水量和总孔隙度在0-20 cm土层呈显著正相关关系(P0.05);土壤储水量和容重在0-60 cm土层呈显著正相关关系;土壤储水量和全氮呈显著负相关,全氮和土壤含水量也呈显著负相关。
【关键词】:植被恢复 土壤储水量 土壤碳储量 土壤持水性 黄土高原
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S714
【目录】:
  • 致谢4-5
  • 摘要5-7
  • Abstract7-13
  • 第一章 绪论13-23
  • 1.1 研究目的与意义13-14
  • 1.2 国内外研究进展14-22
  • 1.2.1 植被恢复过程中的植被类型及其分布14-16
  • 1.2.2 植被恢复过程中的土壤水碳变异及其相关性16-19
  • 1.2.3 植被恢复过程中的土壤水分与土壤质地的关系19-20
  • 1.2.4 植被恢复过程中的土壤水分与土壤孔隙度的关系20-22
  • 1.3 研究工作中亟待解决的问题22-23
  • 第二章 研究内容与方法23-30
  • 2.1 研究内容23-24
  • 2.2 研究技术路线24
  • 2.3 材料与方法24-30
  • 2.3.1 研究区概况24-26
  • 2.3.2 样地设置26
  • 2.3.3 研究方法26-30
  • 第三章 植被恢复过程中的土壤储水量动态30-42
  • 3.1 引言30-31
  • 3.2 结果与分析31-38
  • 3.2.1 土壤容重、孔隙度和颗粒组成31-34
  • 3.2.2 土壤储水量时空动态34-36
  • 3.2.3 土壤储水量与土壤特性的相关性36-38
  • 3.3 讨论38-41
  • 3.4 小结41-42
  • 第四章 植被恢复过程中的土壤储水量与碳储量的关系42-53
  • 4.1 引言42-44
  • 4.2 结果与分析44-47
  • 4.2.1 土壤含水量与储水量44-45
  • 4.2.2 土壤有机碳含量与碳储量45-46
  • 4.2.3 土壤储水量与碳储量的关系46-47
  • 4.3 讨论47-51
  • 4.4 小结51-53
  • 第五章 植被恢复过程中的土壤储水量与化学计量学特征的关系53-60
  • 5.1 引言53-54
  • 5.2 结果与分析54-57
  • 5.2.1 土壤水分与化学计量学特征的空间动态54-55
  • 5.2.2 不同土层的土壤水分与化学计量学特征的时间动态55-56
  • 5.2.3 土壤储水量与化学计量学特征的关系56-57
  • 5.3 讨论57-59
  • 5.4 小结59-60
  • 第六章 不同植被类型的土壤水分有效性与持水性60-70
  • 6.1 引言60-61
  • 6.2 结果与分析61-68
  • 6.2.1 土壤水分有效性与持水性61-63
  • 6.2.2 土壤特性63-66
  • 6.2.3 土壤水分有效性、持水性与土壤特性间的关系66-68
  • 6.3 讨论68-69
  • 6.4 小结69-70
  • 第七章 植被恢复过程中的土壤储水量的时间变异70-82
  • 7.1 引言70-72
  • 7.2 结果与分析72-79
  • 7.2.1 降水量与土壤容重72-74
  • 7.2.2 土壤总氮与孔隙度74-76
  • 7.2.3 土壤含水量与储水量76-78
  • 7.2.4 土壤储水量与土壤特性的关系78-79
  • 7.3 讨论79-80
  • 7.4 小结80-82
  • 第八章 主要结论与展望82-85
  • 8.1 主要结论82-83
  • 8.2 研究展望83-85
  • 参考文献85-102
  • 作者简介102

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