土壤侵蚀的环境效应及其根系的修复机理

论文摘要

研究内容一：人为加速侵蚀过程是土壤质量退化的主要原因，是土壤碳空间再分布乃至向海洋输送的主要驱动之一，对全球碳收支和气候变化有重要影响。本研究分析了黄土丘陵坡耕地耕作与水力侵蚀互作导致有机碳的迁移和再分布过程及东北黑土区土豆和甜菜收获导致的土壤侵蚀情况及控制机理。研究表明：（1）环境放射性性核素(137Cs，210Pbex)与耕作及水力侵蚀驱动下的土壤有机碳空间再分布遵照同一物理运移机理，陡坡地强度耕作导致的土壤有机碳在坡上部流失，在坡下部暂时性堆积，而水力侵蚀导致整个坡面土壤有机碳的最终流失。（2）自1898年至1954年，耕作及水力侵蚀导致陡坡耕地土壤有机碳年均流失量为30.01kg C ha-1yr-1，在1954年至1998年期间，耕作及水力侵蚀导致陡坡耕地土壤有机碳年均流失量为236.72kg C ha-1yr-1。（3）东北黑土地区因收获甜菜导致的年均水土流失量为1.0Mg／ha／harvest，因收获土豆导致的年均水土流失量为1.2Mg／ha／harvest。土壤水分、作物平均重量和作物密度是导致甜菜收获侵蚀的主要因子。研究内容二：植物群落根系对土壤元素迁移和矿物的风化淋溶具有显著影响，黄土的风化主要为植物群落根系的物理作用及其所引起的生物化学作用。用原状土柱淋滤实验装置及大型挖掘剖面壁法，在陕北黄土丘陵沟壑区进行野外试验研究，定量分析了林、草和农地不同径级根系对黄土中9种元素迁移强度及对土壤化学风化剖面特征的影响及控制机理，得到如下主要结论：（1）植物根系对营养元素迁移能力的影响随着直径≤1mm细根密度和根量的增大显著增强。不同植物根系对元素迁移强度随土层深度增加呈递减规律，其大小顺序为：林地＞草地＞农地，林、草地土壤中元素迁移强度序列有明显变异的临界土层深度分别在30cm和10cm处。在林、草地和农地土层中常量元素迁移强度序列为Ca＞Na＞Mg＞K＞Si＞Al，微量元素基本为Cu＞Mn＞Fe。（2）黄土土层的化学风化具有明显的垂直剖面分异特征，即风化速率随土层深度增加而递减。植物根系对土壤风化作用的强化效应为油松林群落＞白草群落；油松林群落和白草群落根系显著提高矿物风化速率的稳定土层深度范围分别为0-45cm和0-30cm。（3）降水等气候条件所造成的植被的差异是黄土及其土壤环境形成差异的主要影响因素。在一次性降水量为240mm、雨强为2.0mm／min的特大暴雨条件下，油松林根系对土壤元素迁移的强化效应与≤1mm的须根根系在土壤中的分布状况一致，0-30cm土层中元素的输出通量，在油松林地随土层深度增加呈明显的递减规律，在农地土壤剖面中变异不明显。（4）植物根系对土壤环境的改善效应主要受细根密度和根量的控制，主成份分析结果表明植物根系对土壤渗透水通量、紧实度、容重、总空隙度、非毛管空隙度、＞2mm粒级的水溶性团粒含量等土壤理性质的改善效应大于对酸碱度（pH）、K2O、Na2O、CaO和MgO含量等土壤化学性质的改善效应。

论文目录

• 内容摘要
• Abstract
• 第一篇 应有环境放射性核素示踪技术评价土壤侵蚀的环境效应
• Chapter 1 Using 137Cs and 210Pbex for quantifying soil organic carbon redistribution affected by intensive tillage on steep slopes
• 1.1 Introduction
• 1.2 Materials and Methods
• 1.2.1 The study site
• 1.2.2 Experiment procedure
• 1.2.3 Analyses
• 1.3 Results
• 137Cs,²¹⁰Pb_ex and SOC on the control plot and treatment plot'>1.3.1 Depth distribution of ¹³⁷Cs,²¹⁰Pb_ex and SOC on the control plot and treatment plot
• 137Cs,²¹⁰Pb_ex and SOC down slope by intensive tillage'>1.3.2 Redistribution of ¹³⁷Cs,²¹⁰Pb_ex and SOC down slope by intensive tillage
• 137Cs,²¹⁰Pb_ex and SOC as affected by intensive tillage'>1.3.3 Profile variability of ¹³⁷Cs,²¹⁰Pb_ex and SOC as affected by intensive tillage
• 137Cs and ²¹⁰Pb_ex on the two study plots'>1.3.4 Relationships of SOC with ¹³⁷Cs and ²¹⁰Pb_ex on the two study plots
• 1.4 Discussion
• 1.5 Conclusions
• Chapter 2 Changes in soil organic carbon induced by tillage and water erosion on a steep cultivated hillslope in the Chinese Loess Plateau from 1898-1954 and 1954-1998
• 2.1 Introduction
• 2.2 Materials and Methods
• 2.2.1 Study area
• 2.2.2 Soil sampling
• 2.2.3 Laboratory analysis
• 2.2.4 Data analysis
• 2.3 Results
• 137Cs,²¹⁰Pb_ex inventories'>2.3.1 Spatial patterns of SOC and ¹³⁷Cs,²¹⁰Pb_exinventories
• 2.3.2 Changes of SOC stock by TSR between 1898-1954 and 1954-1998 periods
• 137Cs and ²¹⁰Pb_ex for assessing the fate of eroded SOC'>2.3.3 Implication of ¹³⁷Cs and ²¹⁰Pb_ex for assessing the fate of eroded SOC
• 2.4 Discussion
• 2.5 Conclusions
• Chapter 3 Soil losses due to potato and sugar beet harvesting in NE China
• 3.1 Introduction
• 3.2 Materials and methods
• 3.2.1 Study sites
• 3.2.2 Experimental set-up and measurements
• 3.2.3 Data analysis
• 3.3 Results and discussion
• 3.3.1 SLCH for sugar beet
• 3.3.2 SLCH for potato
• 3.3.3 Soil losses due to harvesting crops by hand in China compared with mechanized harvesting in Europe
• 3.3.4 Relative importance of SLCH for the total sediment budget in NE China
• 3.4 Conclusions
• References
• 第二篇 黄土区植物根系控制土壤元素迁移和矿物风化的效应与机制
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究方案
• 1.3.1 研究内容与目标
• 1.3.2 技术路线
• 1.3.3 研究创新点
• 1.3.4 材料与方法
• 第二章 黄土区植物根系对土壤元素迁移强度的影响
• 2.1 植物根系的剖面分布特征
• 2.1.1 油松人工林根系的分布特征
• 2.1.2 草类根系的分布特征
• 2.2 植物根系对土壤渗透水中元素垂直迁移强度的影响
• 2.2.1 不同植被下土壤元素水迁移强度的变异特征
• 2.2.2 植物根系对土壤中元素迁移能力的活化效应
• 2.2.3 植物根系对土壤中元素迁移能力的活化效应系数
• 2.3 根系参数与元素迁移度活化效应的关系
• 2.4 小结
• 第三章 植物根系对黄土土层化学风化速率的作用
• 3.1 不同植被类型土壤化学风化的垂直剖面特征
• 3.2 土壤主导风化矿物的确定
• 3.3 土壤化学风化的动力学特征
• 3.4 植物根系对土壤化学风化作用的影响
• 3.5 强化土壤风化作用有效根系参数的定量指标
• 3.6 小结
• 第四章 特大暴雨下油松林根系对土壤元素迁移的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.2 油松林根系和无根系土壤元素的输出通量的垂直剖面特征
• 4.3 特大暴雨下油松林根系对元素稳定输出通量的强化值
• 4.4 特大暴雨下油松林根系强化土壤风化速率的有效性模式
• 4.5 小结
• 第五章 植物根系控制黄土土层风化淋溶机制的综合数值分析
• 5.1 不同植被类型土壤环境场剖面分异的总体特征
• 5.2 根系改善土壤环境指标的效应与土壤风化淋溶速率强化值的相关性
• 5.3 根系改善土壤风化淋溶环境的主成份分析
• 5.4 植物根系强化土壤风化淋溶机制的数学模型及适用性评价
• 5.5 小结
• 参考文献
• 致谢
• 博士后期间发表的学术论文
• 个人简历