【摘要】：在氣候變化影響評估、景觀管理和生物多樣性保護(hù)中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理念已成為一個新視角,土地利用變化作為全球變化研究的熱點,其對土壤侵蝕和碳氮循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有重要影響。黃土高原屬半濕潤向干旱荒漠氣候過渡的交錯地帶,景觀破碎、溝壑縱橫、土層深厚且易于侵蝕,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到嚴(yán)重?fù)p害。因此,從典型流域的景觀格局現(xiàn)狀出發(fā),精確評估其土壤保持和固碳等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系,為流域的綜合治理提供科學(xué)決策。本研究在退耕還林(草)和溝道土地整治工程實施的背景下,選擇黃土丘壑區(qū)典型流域南溝為研究對象,通過對生態(tài)恢復(fù)過程中的氣象資料、植物資料、土壤資料、地形資料、模型資料、空間圖形資料等的網(wǎng)格采樣、試驗觀測和收集整理,結(jié)合GIS技術(shù),描述流域景觀格局與土壤質(zhì)量的關(guān)系,闡明團(tuán)聚體穩(wěn)定性、碳氮儲量和土壤侵蝕等三種主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分布及影響機(jī)制,揭示固碳釋氧、土壤碳庫、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤侵蝕等生態(tài)服務(wù)功能的能值量和價值量及各服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系,并進(jìn)行可視化分析,從而為南溝流域植被建設(shè)和水土保持提供科學(xué)依據(jù),并為未來流域生態(tài)安全及植被功能持續(xù)提升奠定基礎(chǔ)。本研究取得的主要結(jié)論如下:(1)明確了流域景觀土壤質(zhì)量空間分布特征。南溝流域土地利用類型以草地和森林為主,坡度主要以15°-25°為主,果園和森林土壤質(zhì)量高于草地;坡度對土壤質(zhì)量無顯著影響,海拔升高土壤質(zhì)量降低;景觀形狀指數(shù)、散布與并列指數(shù)、分離度指數(shù)和聚集度指數(shù)對土壤質(zhì)量有顯著影響,其中景觀形狀指數(shù)、分離度指數(shù)和聚集度指數(shù)與土壤質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果可為流域植被恢復(fù)和水土保持提供科學(xué)依據(jù),從而保障流域土壤質(zhì)量提升。(2)明確了流域土地利用變化下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的分布及影響因素。草地的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最大,其次為森林,果園和農(nóng)田等土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最小,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性由于果園耕作受到破壞,然而果園退耕后土壤團(tuán)聚體可以很快恢復(fù)穩(wěn)定;土壤黏粒、容重、土壤有機(jī)碳、土壤氮和可溶性碳氮對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著影響,其中表層團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而深層團(tuán)聚體對土壤氮有負(fù)作用。結(jié)果表明植被建設(shè)有利于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。(3)闡明了流域不同植被類型土壤碳氮的固定速率、潛力及影響因素。果園、草地和森林的固碳速率分別為0.1,0.4和0.4 Mg hm~(-2) yr~(-1),固碳潛力為1.9,86.8和164.6Mg yr~(-1),固氮速率分別為6.1×10~(-3),17.2×10~(-3)和6.9×10~(-3) Mg hm~(-2) yr~(-1),固氮潛力為0.2×10~(-3),5.1×10~(-3)和2.7×10~-33 Mg yr~(-1);農(nóng)田和果園的土壤碳氮儲量及碳氮固定潛力主要受土壤顆粒和容重的影響,而草地和森林主要受土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤碳氮比的影響。此研究結(jié)果表明南溝流域進(jìn)行植被恢復(fù)時應(yīng)以森林為主,以增加碳匯并防治土壤養(yǎng)分流失。(4)揭示了流域土壤侵蝕模數(shù)的空間分布,探討了不同土地利用類型和地形因子下的流域土壤侵蝕特征。南溝流域水土保持效果顯著,但是潛在土壤侵蝕可能性依舊很高。流域土壤可侵蝕因子的范圍為0.108-0.118 t ha h MJ~(-1) ha~(-1) mm~(-1),其最大土壤侵蝕模數(shù)為5625 t km~(-2)a~(-1),平均為1008.4 t km~(-2)a~(-1),總量為7.31×10~6 t km~(-2)a~(-1);土壤侵蝕程度主要以微度和輕度為主,土壤侵蝕敏感性以不敏感和輕度敏感為主;草地和果園、坡度8°-25°的土壤侵蝕嚴(yán)重。此研究結(jié)果表明南溝流域水土保持效果顯著,但是潛在土壤侵蝕可能性依舊較高,需要對8°-25°的坡度進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)和水土保持工程以增加流域的生態(tài)效益。(5)基于能值分析對流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行物質(zhì)量、能值和價值量的評估和可視化分析。南溝流域總能值為1.5×10~(22) sej,其中固碳能值為37.7×10~(10) sej,釋氧能值為21.5×10~(15) sej,養(yǎng)分保持能值為17.0×10~(18) sej,土壤保持能值為36.7×10~(13) sej,土壤結(jié)構(gòu)能值為1.3×10~(10) sej,土壤有機(jī)碳能值為37.5×10~(13) sej;總價值為20.4×10~6元,其中土壤保持服務(wù)價值占比16.2%,土壤固碳服務(wù)價值占比75.5%,草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占比23.4%;森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占比62.9%;農(nóng)田、果園和草地土壤保持服務(wù)功能和養(yǎng)分保持服務(wù)功能較為突出,森林生態(tài)服務(wù)功能固碳釋氧服務(wù)、土壤有機(jī)碳服務(wù)和土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)功能較為突出。(6)揭示了流域不同土地利用類型和不同坡度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系。流域總體的土壤保持服務(wù)-土壤結(jié)構(gòu)的權(quán)衡度土壤保持-NPP的權(quán)衡度土壤保持-土壤有機(jī)碳服務(wù)的權(quán)衡度,土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)-NPP和土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)-土壤有機(jī)碳服務(wù)接近零權(quán)衡;不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度由大到小依次為果園農(nóng)田草地森林;隨著坡度的增加,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度也逐漸增大;森林和草地收益土壤結(jié)構(gòu)服務(wù)和土壤碳庫服務(wù),而農(nóng)田和果園則收益較多的土壤保持服務(wù)和養(yǎng)分保持服務(wù)。此研究表明增加土壤有機(jī)碳儲量是改善南溝流域土壤功能的基礎(chǔ),而增加流域有機(jī)碳儲量的首要前提是控制土壤及養(yǎng)分流失。
【圖文】：

圖 1-1 1999-2013 年黃土高原植被覆蓋度（Chen et al. 2015）及 NDVI 變化（Sun et al. 2015）Figure 1-1 The range of vegetation coverage (Chen et al. 2015) and NDVI change ( Sun et al. 2015) in theLoess Plateau from 1999 to 20131.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展土地利用變化是全球變化研究的焦點和前沿問題，也是景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)類型劇烈轉(zhuǎn)變的重要影響因素（van Jaarsveld et al. 2005），同時對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也產(chǎn)生顯著影響（Metzger et al. 2006）。在關(guān)于氣候變化影響評估、景觀管理和生物多樣性保護(hù)的國際性討論中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念已成為一個核心問題。尤其是退耕還林（草）工程實施以后，運用實驗監(jiān)測、模型模擬和“3S”技術(shù)等針對不同尺度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響機(jī)制、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)預(yù)測等方面開展了大量研究，取得了諸多研究進(jìn)展（Fu et al.2011; Su & Fu 2013; Lu et al. 2014; Feng et al. 2017），然而多數(shù)研究采用基于精度較低的遙感數(shù)據(jù)和已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)等對研究區(qū)域的供給、調(diào)節(jié)、文化和支持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評估（Millennium Ecosystem 2005），另外，景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能耦合關(guān)

黃土丘陵區(qū)典型流域土壤功能評估與權(quán)衡Giani 2011; Sun et al. 2017），如農(nóng)田轉(zhuǎn)化為草地（Wang et al. 2017; Zhao et al. 2017b）；農(nóng)田轉(zhuǎn)化為人工林或自然林（Qiu et al. 2015; Deng & Shangguan 2017）等。然而，大多數(shù)研究集中在研究點上，，且土地利用變化以農(nóng)田退耕為主，因此，探討土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性在流域尺度的分布及果園退耕前后造成的土地利用變化對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響機(jī)制，這對于流域有針對性的改善各土地利用類型的土壤結(jié)構(gòu)具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S15

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本文編號：2708289