典型黄土区土壤水分布及其对草地生态系统碳过程的影响

【摘要】土壤水分是黄土高原植被恢复和生态建设的关键因子，对生态系统关键过程具有重要影响。土壤水分的分布特征是气候、土壤、植被和地形共同作用的结果和体现，研究多尺度下土壤水分的分布及其与环境因素的关系可以揭示土壤水分的时空演变规律与驱动机制，为土壤水资源科学管理和可持续利用提供依据。黄土高原草地是我国草地的重要组成部分，系统研究土壤水分对草地生态系统碳过程的影响可为回答生态系统水分—植被互动关系提供依据。本论文结合野外调查和室内分析，研究了典型黄土区区域、样带和坡面尺度土壤水分的时空分布特征，阐明了土壤水分分布与环境因素之间的关系，并分析了土壤水分对草地生态系统生产力、土壤呼吸、碳氮分布以及植物多样性的影响，所取得的主要结论如下：1.典型黄土区土壤剖面水分具有明显的空间分布规律，水平方向由东南向西北递减，垂直方向先减小后增加。土地利用对土壤水分的数量和剖面分布具有显著影响，3种土地利用土壤水分含量依次为农地>林地>草地。典型黄土区0~5m土壤储水量平均值为719mm。土壤水分随着土层深度的增加，其变程总体上呈减小趋势，表明土壤水分空间依赖性随土层深度的增加而增强。降水、土壤孔隙度和坡度是影响典型黄土区土壤水分分布的主要因素。黄土高原南北样带土壤水分从南向北递减，0~5m土壤储水量平均值为735mm。土壤水分随着土层深度的增加，其在空间上的变异性增强，而在时间上的变异性减弱。干燥度、粘粒含量、海拔和坡度是影响南北样带土壤水分分布的主要因素。2.典型黄土区土壤干层具有明显的空间分布规律，干层厚度在西部和西北部地区较厚，在东南部地区较薄，干层内平均含水量由东南至西北方向递减。土地利用对土壤干层有显著影响，土壤干化程度依次为草地>林地>农地。典型黄土区土壤干层的空间分布格局是区域大尺度因子与局部小尺度因子共同作用的结果。南北样带土壤干层具有良好的时间稳定性特征，干层内平均含水量愈低、起始形成深度愈浅的样点时间稳定性愈强；气候愈干旱、土壤持水性能愈差干层内平均含水量时间稳定性愈强，愈可能形成永久性土壤干层。3.小流域典型坡面土壤储水量随着土层深度的增加，其在时间上的变异性降低，而在空间上的变异性增强，表明土壤储水量时空变异性的强弱具有深度依赖性。坡面尺度土壤储水量具有良好的时间稳定性特征，时间稳定性样点的数量随着土层深度增加而增多，表明土壤储水量时间稳定性随着土层深度的增加而增强。代表稳定性样点可以较准确的估算坡面尺度平均土壤水分状况（R2≥95%）。土壤质地、有机碳、海拔和植被对土壤水分时间稳定性具有重要影响，但其影响程度因两个坡面不同而有所差异，表明土壤水分时间稳定性对土壤、植被和地形的依赖因坡面不同而异。4.降水是影响区域尺度黄土高原草地生态系统净初级生产力的主要因素。不同草地类型对降水变化的响应敏感性不同，响应敏感程度依次为草甸草原>典型草原>灌丛草原>荒漠草原。生长季降水的季节分布（5~9月）与草地净初级生产力显著负相关，表明生长季降水分布愈均匀，愈有利于草地生产力的提高，尤其是在340~440mm降水区域。土壤水分对草地净初级生产力也有显著影响，且随着土层深度的增加，影响程度逐渐减弱。5.小流域典型坡面表层土壤水分和草地净初级生产力具有较强的空间自相关结构，且与环境变量之间具有显著的空间交互相关结构。基于饱和导水率的单因素状态空间模型具有较好的模拟效果，可用于田间条件下表层土壤水分分布特征的预测。基于粘粒+速效磷含量或速效磷+硝态氮含量的双因素状态空间模型可以解释草地净初级生产力的全部变异，可用于坡面尺度草地生产力空间分布特征的预测。6.土壤水分变化对草地碳固定和碳排放过程具有显著影响。增水显著提高了长芒草、苜蓿、自然恢复和退化苜蓿群落地上部净初级生产力和细根生物量，表明在草地生长前期供水的重要性。增水显著促进了各草地群落土壤呼吸速率，但未改变其季节变化特征。除长芒草群落外，水分添加显著增加了其他3种草地群落土壤呼吸的温度敏感性。土壤中δ13C和δ15N在苜蓿群落演替阶段随年限的增加逐渐增加，而在长芒草群落演替阶段逐渐降低，表明δ13C和δ15N在植被不同演替阶段随年限变化趋势不同。土壤储水量与δ13C和δ15N显著负相关，表明旱区草地生态系统主要过程是由水分驱动的。7.不同群落植物物种多样性对环境因素的响应不同。土壤水分和饱和导水率是影响草地生态系统物种多样性分布的主要因素；灌木密度、坡度和海拔是影响灌木林地物种多样性分布的主要因素。在充分考虑土壤和地形因素的条件下，尤其是土壤水分状况，种植合适密度的灌木对维持黄土高原北部植物多样性具有重要作用。本研究表明，在典型黄土区，气候条件、土壤性质和地形因子是影响区域和样带尺度土壤水分分布的主要因素，土壤性质、地形和植被对坡面尺度土壤水分时空分布具有重要作用，通过分析多尺度下土壤水分的分布特征可以揭示土壤水分的演变规律和驱动机制，为土壤水分模拟与预测和水土环境质量演变提供依据。土壤水分对草地生态系统生产力形成、碳氮循环以及植物多样性分布具有重要影响，通过分析生态系统基本过程以及植物多样性对水分变化的响应可以揭示生态系统水分—植被互动关系，从而为脆弱生态系统植被恢复和生态建设提供依据。
【作者】贾小旭；
【导师】邵明安；
【作者基本信息】西北农林科技大学，环境科学，2014，博士
【关键词】典型黄土区；土壤水分；分布；生物地球化学过程；状态空间模型；

【参考文献】
[1]张统得.汶川地震断裂带科学钻探泥浆体系的研究及应用[D].成都理工大学,地质工程,2013,硕士.
[2]张明明.环境刺激响应有机小分子凝胶自组装行为及形貌研究[D].复旦大学,无机化学,2012,博士.
[3]罗传武.状态监测与故障诊断系统在大型化工机组上的应用[D].大连理工大学,控制工程（专业学位）,2013,硕士.
[4]赵晓欢.澳大利亚南澳洲碧玉的宝石矿物学研究[D].中国地质大学（北京）,宝石学,2014,硕士.
[5]陈艺丹.基于多层缓存池机制的SOA服务协作研究与应用[D].大连海事大学,工业工程,2014,硕士.
[6]许振丹.手术室护士分层次管理的研究[D].新乡医学院,护理学,2012,硕士.
[7]王婕.唐代雁门诗研究[D].内蒙古大学,中国古代文学,2014,硕士.
[8]张春艳.立磨行星减速器箱体结构优化设计[D].大连理工大学,机械工程（专业学位）,2013,硕士.
[9]于永基.基于预测技术的事件检测方法的研究与设计[D].山东大学,计算机系统结构,2013,硕士.
[10]何江梅.盐酸沃尼妙林制剂的制备及抗菌效果研究[D].西南大学,微生物与生化药学,2014,硕士.
[11]热娜古丽·克热木.加工中石榴汁营养成分及抗氧化活性的变化[D].新疆农业大学,食品科学,2012,硕士.
[12]李文杰.基于无线传感网络的火灾预报警系统研究与设计[D].安徽大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[13]傅俊.中西方写生观异同之比较研究[D].华东师范大学,美术学,2013,硕士.
[14]王鲁梅.血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子及细胞增殖性核抗原在尖锐湿疣中表达的研究[D].山西医科大学,皮肤性病学,2003,硕士.
[15]许骥骏.中小市值上市公司现金股利分配比例分析[D].南京农业大学,工商管理,2012,硕士.
[16]张蕾.《英爱条约》与爱尔兰问题研究[D].内蒙古大学,世界史,2014,硕士.
[17]张素响.Nrf2介导促红细胞生成素对神经元抗氧化应激损伤机制研究[D].华中科技大学,神经病学,2013,硕士.
[18]孙晶.改进的混合型蚁群算法及其应用[D].中北大学,应用数学,2014,硕士.
[19]刘林,王锡凡,丁晓莺,张钦.最优潮流内点割平面的鲁棒算法[J].电力系统自动化,2007,09:1-5+77.
[20]杨月英1,黄娇芳2,顾金杰2,史吉平2,王红英1*.L-肉碱的生理功能、生物学制备及检测方法[J].食品科学.
[21]苏祖训.直流电动机转子回路电感测定的新方法——其智能化测定的数学模型[J].电机技术.1988(03)
[22]张金赫.～（99）Tc～m直接法标记Angiostatin及其在荷瘤小鼠体内研究[D].第四军医大学,影像医学与核医学,2004,硕士.
[23]卢燕.卢氏宗祠：一个农村社区公共文化空间功能的变迁与重建[D].华中师范大学,政治社会学,2012,硕士.
[24]徐彪.羊膜上皮细胞和羊膜间充质干细胞构建组织工程皮肤的实验研究[D].苏州大学,免疫学,2013,硕士.
[25]韦彩妙,林植芳,孔国辉.提高CO_2浓度对两种亚热带树苗生物量及叶片特性的影响[J].植物生态学报,1996,06:510-516.
[26]金营.人体器官移植犯罪的刑法规制研究[D].中南民族大学,法律,2013,硕士.
[27]曾晶.GATT和WTO体制下补贴的定义问题研究[D].外交学院,国际法,2004,硕士.
[28]黄巧莉,刘胜,刘飞.网络化销售和定制个性化信息推荐系统研究及应用[J].现代制造工程,2005,08:31-35.
[29]罗蓉.牙冠延长术的临床应用及短期内牙龈龈缘位置变化的初步探讨[D].大连医科大学,口腔临床医学,2012,硕士.
[30]周晓君,阳春华,桂卫华,董天雪.带可变随机函数和变异算子的粒子群优化算法(英文)[J].自动化学报,2014,07:1339-1347.
[31]尹纪栋.我国养老服务业发展问题的多中心治理研究[D].山东财经大学,社会保障学,2014,硕士.
[32]白忠权.吸湿性仓储粮堆内热湿耦合传递规律的研究[D].山东建筑大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2013,硕士.
[33]狄阳.大吨位双回转铁路救援起重机转台系统研究[D].西南交通大学,机械工程,2014,硕士.
[34]洪辉,刘子敬,李石君,欧伟杰.智能WEB信息提取系统的研究和设计[J].微计算机信息,2005,23:76-79.
[35]孙永岗.新庄煤矿风立井冻结壁岩石在冻结过程中的水热力耦合研究[D].西安科技大学,岩土工程,2014,硕士.
[36]薛冰冰.高速公路危险路段交通安全预警系统研究[D].吉林大学,交通信息工程及控制,2013,硕士.
[37]张淇淳.网络化实时控制实验软件平台的设计与开发[D].东北大学,控制理论与控制工程,2010,硕士.
[38]喻新星.纳米电极电化学还原CO_2产醇的研究[D].华中师范大学,物理化学,2013,硕士.
[39]闫鹏飞.不锈钢钻削加工有限元仿真及试验研究[D].东北大学,机械制造及其自动化,2010,硕士.
[40]马燕峰,刘伟东,赵书强.基于包络线拟合的低频振荡性质在线判别[J].电力系统自动化,2014,23:46-53+95.
[41]刘男男.多重耐药鲍曼不动杆菌RecA介导的对亚抑制浓度替加环素适应性耐药机制研究[D].川北医学院,药理学,2014,硕士.
[42]孔子强.壳聚糖微球增强矿化胶原涂层药物/生长因子承载和释放能力研究及生物学评价[D].浙江大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[43]周果宏.心率变异的测量和分析[J].自动化学报,1988,06:473-474.
[44]孙成田,王建库,杨文辉,何恒,吴在中.GeoEast解释系统在玉门探区油气勘探中的应用效果[J].石油地球物理勘探,2014,S1:169-172+8.
[45]张丽.H~2-MAC-SHA-1的安全性研究[D].山东大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[46]胡雨雯.《留学生》杂志中的中国留学生媒介形象研究[D].湖南师范大学,新闻与传播（专业学位）,2014,硕士.
[47]张娇.一种支持Web服务查找的多维QoS模型的研究[D].东北大学,计算机科学与技术,2011,硕士.
[48]易粟,徐用懋,马竹梧.高炉异常炉况诊断专家系统[J].冶金自动化,2002,01:15-17+32.
[49]张雅慰.陈旧性心肌梗死fQRS波及其时限与室性心律失常的关系[D].福建医科大学,内科学,2014,硕士.
[50]初顺起.数据挖掘在银行业务中的应用[J].金融电子化,2005,08:25-26.