环境地球化学国家重点实验室知识库

本研究以景观生态学、地球化学及土壤学等为理论指导，通过历史资料收集、野外走访、室内实验，数据经过EXCEL统计分析，与先前研究进行比对等，进行土地利用格局变化特征、土壤沉积厚度和年龄、土壤侵蚀速率分析等研究工作。 本文以贵州省安顺市普定县的石人寨峰丛洼地为主要研究区域，应用景观生态学的“格局-过程-尺度”、“源、汇景观”原理，并结合稳定同位素和放射性核素示踪等方法，旨在揭示其从1979年至今土地利用格局演变特征及其土壤侵蚀特征，进一步将二者关系进行耦合分析；并为指导当地土地利用恢复工作，优化土地利用结构，改善流域的水土流失状况，为实现当地生态环境可持续发展提供基础资料和科学依据，对喀斯特石漠化的综合防治具有参考意义。同时为扩展该研究领域提供了新的视角和方法，并得到以下几点认识： 1. 十个样地表层土壤有机碳含量由大到小依次为：草坡>灌丛>次生林>坡耕地，表明研究区土壤有机质受土地利用类型和强度影响明显。植被类型为林地和草坡的土壤有机碳含量通常较高。 2. 十个样地表层土壤有机碳δ13C值，大致依次为：草坡、耕地>灌丛>次生林。这表明该值与具有不同碳同位素比的C3和C4植物覆被密切相关，即与土地利用强度及其耕作年限有关。 3. 洼地四周坡地土地利用格局：耕地分布在距离洼地较近的四周山坡中部和底部，为梯田式，坡度通常影响不大；次生林和草坡分别分布在东北面和东面、南面、西面山体的山坡中上部到顶部位置处；少数灌丛和石旮旯地分布在南面和西面山体的中坡处，其位置介于耕地和草坡中间。各类土地利用类型斑块较完整，未有破碎化倾向，目测发现斑块形状指数较小，即斑块边长与面积之比较小，其形状复杂程度较小，这些特征可能与现在人为改善和管理土地利用格局有关。 4. SR01采样剖面中土壤有机碳含量的深度分布特征：整个剖面在100cm处出现转折点，即100cm以上有机碳含量随着剖面深度增加而减少，100cm以下基本处于较小波动状态，推测原因可能是因为在某个历史时期之前洼地所受干扰恒定，仅受耕作影响，之后洼地接受大量土壤沉积，翻耕作用来不及将坡地侵蚀下来的土壤混匀，尤其是90-100cm处突变明显，侵蚀下来的土壤有机碳含量较高的原因是砍伐之前其上覆被的植被类型为林地和草坡。 5. SR01采样剖面中土壤有机碳/氮的深度分布特征与未受到干扰土层的分布特征不同，由100cm以下随深度的正相关关系转变为100cm以上随深度的负相关关系。分析其原因可能是：（1）100cm以下的土壤，C/N越来越高，可能是因为沉积年限较长导致其分解速率越来越低；（2）100cm以上的土壤，C/N在表土层升高的原因可能是耕作所带来的有机碳输入较高；还可能是因为洼地100cm以上土壤为近几十年以来沉积的外来土壤，而非在该处了停留了很多年的本地土壤。 6. 洼地SR01剖面中土壤有机质δ13C值的深度分布特征尽管整体上没有有机碳含量的深度分布特征明显，但比较相似。理论上该处轮种玉米和油菜，但其δ13C值却不似同样为C3和C4作物轮种的坡耕地，其δ13C值更低，推测洼地可能在某时期接受大量坡地土壤沉积，土壤具有C3植被同位素特征。0-100cm的单位深度变化特征较100cm以下的明显。 7. 坡地上典型梯田式坡耕地土壤有机质δ13C值的深度分布特征：坡地SR-8、SR-10中土壤有机碳的δ13C值随着深度增加而降低。这与洼地的分布特征恰好相反。推断峰丛洼地四周坡地上部分坡耕地经历了砍伐之前为C3植被覆盖，现在转变为轮种C3和C4作物这一土地利用类型变化趋势。 8. 将石人寨洼地四周坡地上典型梯田式坡耕地土壤有机质δ13C值的深度分布特征与石人寨洼地SR01剖面中土壤有机质δ13C值的深度分布特征作对比，二者是恰好相反的。坡耕地是随着深度加深而δ13C值减少，此处违背了正常情况下剖面的有机碳同位素分布特征；洼地却是随着深度加深而δ13C值增加，但是也在100cm处具有较为明显的分界，100cm以下变化较为缓和，100cm以上变化较为迅速。二者相反趋势表明：坡地很可能经历了土地利用类型的更替，而洼地也很可能经历了大量土壤沉积事件。 9. 洼地SR01（A钻孔）剖面210Pbex浓度分布特征反映了洼地沉积土壤的来源及其土地利用类型，同时泥沙粒径突变处（变细）可能记录了1979－1981年森林强烈砍伐导致其细粒土壤大量被侵蚀的事件(白晓永，2010)；上述特征与之前分析的土壤有机碳含量深度分布特征相似，皆在100cm附近处停止变化，其下都处于波动状态。此外，137Cs的比活度分布特征也表明：该值在100cm到110cm深度处为峰值，可能有大的侵蚀事件发生导致该处沉积了来源于坡地的含有高比活度137Cs的大量土壤(白晓永，2010)。这几方面的耦合有力地证明了该峰丛洼地的土地利用类型剧变所导致的土壤侵蚀事件。 由此可见，1979年以前四周坡地曾大部分为C3植被，如今虽然部分坡地为退耕还林还草，但是部分还是坡耕地，且洼地种植玉米等C4植物，发生了植被由C3转变C4再转变为混合植被类型的历史事件。由于土地利用格局变化和耕作制度引发土壤侵蚀，四周坡地植被的变化影响其表层有机碳同位素组成，因此洼地沉积的土壤正好记录了这一历史。