晋西黄土区人工植被恢复细根与土壤水碳的耦合关系

论文摘要

人工植被恢复是黄土丘陵沟壑区减少水土流失、改善生态环境的重要举措,其对土壤水碳的影响是目前关注的重要问题。本研究选取山西省离石区典型人工植被苜蓿、刺槐、侧柏、核桃和农地（对照）为研究对象,研究各植被类型0-500 cm土壤剖面的水分状况分布及亏缺效应,分析土壤有机碳及其活性组分的分布及积累效应,阐明细根参数的分布规律,在此基础上揭示细根、土壤水分、有机碳三者的耦合关系,综合评价细根对土壤水碳的贡献,以期为区域人工植被建设的环境效应、评价与科学管理提供一定的科学依据。主要结论如下:（1）不同人工植被土壤水分分布具有差异性,且深层已产生水分亏缺效应5种人工植被的土壤水分分布可划分为浅层（0-70 cm）、降水入渗层（70-160 cm）、过渡层（160-280 cm）和相对稳定层（280-500 cm）。5种人工植被在深层（70-500 cm）的平均含水量为12.01%。与农地相比,其他4种人工植被已产生显著的土壤水分亏缺效应。苜蓿、刺槐、侧柏和核桃土壤储水量的总亏缺量分别为170.83、448.25、161.94和357.61 mm,且苜蓿和侧柏的土壤水分亏缺深度达到3 m以上,刺槐和核桃则达到5 m。基于隔室模型构建的剖面土壤水分分布模型能较好地反映农地、刺槐和核桃样地的变化规律（R2>0.60,p<0.05）,但对苜蓿和侧柏样地则不适用（R2<0.60,p>0.05）。（2）不同人工植被土壤有机碳及其活性组分分布及其积累效应具有差异性5种人工植被土壤浅层（0-70 cm）的有机碳含量为5.29-12.44 g·kg-1,占整个土层约23%-41%。有机碳密度为0.60-2.42 kg·m-2,占整个土层（0-500 cm）约14%-24%。总体来看,在整个土层,以农地为对照,4种人工植被中苜蓿、侧柏和核桃土壤有机碳积累效应表现为正向积累作用,刺槐为负向亏缺作用。表层（0-20 cm）土壤可溶性有机碳及占SOC比例均最高,且林地显著高于草地和农地,差异仅在0-20 cm显著;其紫外光谱特征及荧光光谱特征表明,各样地芳香化指数和腐殖化指数仅在部分土层有显著差异,因此人工植被恢复对土壤结构的影响是缓慢的。5种人工植被浅层易氧化有机碳为2.46-2.70 g·kg-1,占总有机碳的14.5%-40.2%,各样地间无显著差异（p>0.05）。（3）不同人工植被细根分布特征具有差异性5种人工植被细根主要集中分布在土壤浅层,其细根特征参数根长密度、根质量密度在垂直剖面呈指数分布,根表面积密度呈三次多项式分布,且分别占整个土层的25.9%-34.3%、34.2%-41.7%和18.2%-27.1%,细根表聚现象明显,且其他4种人工植被细根密度值显著高于农地。细根累计生物量（Y）分布符合指数模型Y=1-βh,且相关性较强。5种人工植被土壤浅层细根消弱系数（β）均高于深层。（4）不同层次各人工植被细根、土壤水分、有机碳的耦合关系具有差异性人工植被细根对土壤水碳的贡献在不同土层有所差异。在土壤浅层,细根与土壤水分和有机碳密度三者有显著相关关系。在深土层,细根与有机碳密度有显著相关性,与土壤水分的相关性仅在刺槐样地较显著。逐步回归分析进一步表明,刺槐和核桃细根与土壤水分的多元线性回归方程达到显著性水平（p<0.05）,耦合性较强;而5种植被细根与土壤有机碳的回归方程均达到显著性水平（p<0.05）,耦合性均较强。其中根质量密度与根表面积密度对土壤水分有显著贡献（p<0.05）,根长密度和根直径对土壤有机碳有显著贡献（p<0.05）;各人工植被细根特征参数对其土壤水分和有机碳的贡献且因植被类型有所差异。晋西黄土区不同人工植被深层细根分布有很大差异,且已对其深层土壤水分和有机碳的分布产生影响。综合来看,刺槐的细根分布已造成深层土壤水分亏缺,同时也不利于深层有机碳的积累。

论文目录

中文摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 人工植被土壤水分差异性的研究

1.2.2 人工植被土壤有机碳及组分的差异性研究

1.2.3 人工植被细根特征的研究

1.2.4 目前存在的问题

2 材料与方法

2.1 研究目的及意义

2.2 研究内容

2.3 研究区概况

2.4 样地选择及样品采集

2.5 测定方法

2.5.1 根样的获取及处理

2.5.2 土壤基本理化性质

2.5.3 土壤水分测定方法

2.5.4 土壤有机碳及其组分的测定方法

2.6 数据处理与分析

2.7 技术路线

3 人工植被对土壤水分分布的影响

3.1 人工植被深剖面土壤水分分布特征及评价

3.1.1 土壤水分分布层次划分

3.1.2 土壤含水量分布特征

3.1.3 土壤水分亏缺评价

3.2 人工植被土壤储水量分布特征

3.2.1 土壤容重模型的优化

3.2.2 土壤储水量分布特征

3.3 人工植被土壤水分模型验证

3.3.1 土壤水分模型验证

3.4 讨论

3.4.1 人工植被土壤水分的差异性

3.4.2 人工植被土壤水分模型评价

3.5 小结

4 不同类型人工植被土壤有机碳及其活性组分

4.1 人工植被深剖面土壤有机碳特征及评价

4.1.1 土壤有机碳分布特征

4.1.2 土壤有机碳亏缺评价

4.2 人工植被深剖面土壤可溶性有机碳分布及结构特征

4.2.1 土壤可溶性有机碳数量特征

4.2.2 土壤可溶性有机碳紫外光谱特征

4.2.3 土壤可溶性有机碳荧光特征

4.3 人工植被深剖面土壤易氧化有机碳特征

4.3.1 土壤易氧化有机碳分布特征

4.3.2 易氧化有机碳占总有机碳比例

4.4 讨论

4.4.1 人工植被土壤有机碳的差异性

4.4.2 人工植被土壤可溶性有机碳的差异性

4.4.3 人工植被土壤易氧化有机碳的差异性

4.5 小结

5 不同人工植被细根垂直分布特征

5.1 人工植被细根特征参数

5.1.1 细根特征参数基本统计分析

5.1.2 深剖面细根特征参数分布特征

5.1.3 根系消弱系数

5.2 人工植被细根垂直分布模型构建及评价

5.2.1 细根垂直分布模型构建

5.2.2 细根垂直分布模型的评价

5.3 讨论

5.3.1 人工植被细根特征参数差异性

5.3.2 人工植被细根垂直分布模型现实意义

5.4 小结

6 人工植被细根与土壤水碳的关系

6.1 人工植被细根特征参数与土壤水碳的相关性分析

6.2 人工植被细根特征参数与土壤水碳的多元线性回归分析

6.3 讨论

6.3.1 人工植被细根对土壤水分的影响

6.3.2 人工植被细根对土壤有机碳的影响

6.4 小结

7 主要结论及展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘新春

导师: 赵勇钢

关键词: 晋西黄土区,人工植被,土壤水分亏缺,有机碳积累效应,细根特征参数

来源: 山西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 山西师范大学

分类号: Q948

DOI: 10.27287/d.cnki.gsxsu.2019.000856

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