黑河中游荒漠景观土壤有机碳、水分变异性及植物多样性研究

【摘要】干旱荒漠区生态环境极其脆弱，土壤作为植物生长的基质，土壤质量的高低，直接影响着荒漠生态系统的稳定性。土壤有机碳影响着土壤的物理、化学和生物性质，其含量决定着地表植物的生长状况、分布格局和多样性，并在全球碳循环中具有十分重要的作用。土壤水分作为荒漠植物生长的最大限制因子，其空间分布及动态变化限制着生长的植物种类和数量，控制着植被的空间分布格局、多样性及演替，对荒漠生态系统的结构和功能起着非常重要的作用。本论文结合野外大量土壤样品的采集和室内测定，应用经典统计学和地统计学方法，研究了黑河中游戈壁荒漠区土壤有机碳的空间变异特征和分布规律，并对该地区土壤有机碳的储量现状进行了估算。通过在野外对表层土壤水分进行长期测定的基础上，分析了戈壁荒漠区表层土壤水分的时空变异规律、时间稳定性特征及其影响因素，并对土壤水分时间稳定性的尺度性进行了初步研究。此外，在分析戈壁荒漠植物多样性空间分布规律的基础上，应用相关分析探讨了各种土壤因子对植物多样性的影响，取得的主要结果有：（1）戈壁荒漠区土壤有机碳含量总体水平较低，土壤有机碳主要储存在0-30cm土层。0-20cm和0-40cm土层的有机碳储量分别为0.42和0.68kgCm-2。土壤有机碳含量的空间变异性随土层深度的增加而增加，随采样面积的增加呈幂函数增加，表层土壤有机碳含量的变异性更易受采样面积的影响。土壤中的粗颗粒物质，如砂粒，粉粒和石砾，是解释荒漠区土壤有机碳含量空间变异的主要因素。有机碳含量半方差函数比较符合指数模型。各层土壤有机碳含量都具有强烈的空间依赖性，表层土壤空间依赖性强于其它土层。成土物质的矿物组成以及导致成土物质形成的风化过程是影响戈壁荒漠区土壤有机碳含量空间变异性的主要因素。（2）荒漠区表层土壤含水量主要受降雨的影响。土壤水分的标准差随平均含水量的增加呈对数增加趋势，而变异系数则随平均含水量的增加呈先增加后降低的趋势。土壤质地越细，土壤水分的空间变异性对土壤湿度条件的变化越敏感。土壤水分的变异系数随着采样面积的增加也呈幂函数增加。不同时间下土壤含水量的半方差函数都可以用指数模型进行拟合，表现出中等或强的空间依赖性。土壤水分在高或低湿度条件下有较好的空间结构性而在中等湿度条件主要呈随机分布。在湿润条件下，影响表层土壤水分分布的主要是地形和土壤因素（容重，海拔和粘粒），而在干旱条件下，影响表层土壤水分分布的因素主要是土壤和植被因素（容重，粘粒和灌木盖度）。（3）荒漠区表层土壤水分在网格和样带尺度上都表现出很强的时间稳定性，可以找到单独的代表性测点，用其土壤含水量来代表整个区域或样带的土壤水分均值。采用最小相对差分标准差（SDRD）方法挑选代表性测点并对其引入恒定补偿量的方法是最好的估计荒漠区土壤水分均值的方法。相对于平均相对差分（MRD）最接近0，SDRD最小的原则在对荒漠区土壤水分均值估计方面的贡献更大。土壤特性，如土壤容重、总孔隙度、土壤颗粒组成和土壤有机碳含量，是影响荒漠区土壤水分时间稳定性的主要因素。砂粒含量较高的样点具有更强的时间稳定性。在各种土壤质地中，壤砂土的土壤水分时间稳定性最强，而砂质粘壤土的土壤水分时间稳定性最弱。土壤水分在干旱期比在湿润期具有更强的时间稳定性。在设计鉴定代表性测点的前期观测方案中，更应该注重湿润期土壤水分的变异性。对于粗质地土壤，可以适当地降低采样频率。（4）表层土壤水分的空间变异性和时间稳定性都存在尺度依赖性。随采样间距增加，土壤水分空间模式以及样点尺度土壤水分的时间稳定性都增强；随着采样幅度增加，土壤水分空间模式的时间稳定性增强，而样点尺度土壤水分的时间稳定性则降低。采样幅度对土壤水分变异性和时间稳定性的影响要大于采样间距。不同参数随采样尺度的变化表现出不同的变化规律。土壤水分标准差和变异系数都不受采样间距变化的影响（p>0.05），但是随着采样幅度的增加呈幂函数增加（p<0.01）。随着采样间距的增加和采样幅度的增加，平均Spearman秩相关系数都有增加趋势，但前者表现出接近显著的指数关系（p=0.06），而后者则表现出对数关系（p<0.01）。MRD的极差随采样间距的增加和采样幅度的降低都呈幂函数降低（p<0.01），而SDRD平均值随采样间距增加呈指数降低（p<0.05），随采样幅度降低呈幂函数降低（p<0.01）。（5）在荒漠区，根据已知区域（预报区域）时间稳定性点的土壤含水量能够很好的预测相邻区域或不同尺度区域（目标区域）的土壤水分均值。此方法可以忽略不同区域间地面特征的差异，预报区域和目标区域平均水分含量间微弱的非线性不会影响土壤水分在不同尺度间的推译。预测的平均绝对相对误差（MARE）随着前期目标区域土壤水分测定次数的增加呈幂函数降低。区域越大，预测效果越好。由大尺度区域预测小尺度区域的误差小于由小尺度区域预测大尺度区域的误差。当预报区域一致时，目标区域越大，预测误差越小。（6）该荒漠区共有植物16科39属42种，以菊科、藜科、蒺藜科、豆科和禾本科种最多。Patrick丰富度指数（R）、Shannon-Wiener多样性指数（H）、Simpson优势度指数（D）和Pielou均匀度指数（J）都具有很好的空间格局，R和H的半方差函数符合高斯模型，而D和J符合指数模型。在群落结构形成过程中，R，H和D的空间变异是由结构因素和随机因素共同引起的，而J的空间变异则主要受结构因素的影响。研究区物种的丰富度和多样性主要受土壤物理性质，如土壤含水量、容重、石砾含量、土壤颗粒组成、饱和导水率和总孔隙度的影响（p<0.05），而与土壤有机碳的关系不显著（p>0.05）。物种均匀度与土壤因子都没有表现出显著的相关性（p>0.05）。本研究通过实地大量采样和实验测定，对戈壁荒漠区土壤有机碳、水分的变异性以及植物多样性等科学问题进行研究。丰富了戈壁荒漠区土壤有机碳储量的空间数据库，为了解戈壁荒漠在全球碳循环中的作用提供了可靠的数据支持，深化了对戈壁荒漠土壤水分时空变异性和时间稳定性的科学认识，为水文过程模拟中土壤水分监测点的设置、采样方案的优化以及不同尺度间的推译提供一定科学依据，相关结果也将为戈壁荒漠区的植被保护与生态环境管理等方面提供指导意义。
【作者】张萍萍；
【导师】邵明安；
【作者基本信息】西北农林科技大学，土壤学，2014，博士
【关键词】土壤有机碳；土壤水分变异；时间稳定性；尺度；植物多样性；

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