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我国黄土高原面积广阔,历史悠久,且有史以来环境破坏严重。建国以来一系列水土保持工程与农业发展项目对该地区的生态恢复具有重要作用。这种正面效益在多大程度上改善了黄土高原的生态环境,对减排固碳又有多大的价值,将来是否会成为我国乃至全球的重要碳库,这些都是值得研究的。
本文以黄土丘陵沟壑区小流域作为研究区域,开展以小流域为单元的生物量和土壤碳库的分布与储量的研究,以传统统计学方法为主要技术手段,结合地理信息系统的方法,对小流域的生物量和土壤碳储量的时空变异进行定量研究,尝试建立其估算模型,并对小流域的生物量和土壤碳储量进行了简单估算。为黄土高原乃至全国的土壤碳库定量估算提供了相对详实的数据和资料,也对黄土高原地区的可持续发展以及生态恢复工作提供了科学依据,主要结论如下:
(1)小流域生物量分布格局主要取决于植被类型,地形因子、土壤因子和人为因素也会在一定程度上影响其分布。其中地上生物量分布特征如下:不同土地利用类型的地上生物量以林地>果园>灌木地>农地>荒草地>幼林地,且数值越高,变异系数越大;从地形因子来看,海拔低、坡形凹等水分较充足的的地方地上生物量高；从土壤因子来看,地上生物量与土壤团稳性、全氮、速效氮、全碳、有机质、速效磷等表现出显著的正相关关系,与碳氮比呈负相关关系:此外,人为耕作也会影响地上生物量的分布。地下生物量随土壤深度的变化基本呈T字形:凹坡形、下坡位、南坡向的位置地下生物量高；土壤因子和植被因子对地下生物量的影响与地上生物量相似。
(2)草本层地上生物量的季节动态变化的主要影响因子为降雨。在降雨量的影响下小流域地上生物量的季节变化呈现出双峰特征。不同土地利用类型的草本层地上生物量的季节变化也表现出显著的差异性。地下生物量的季节变化呈单峰趋势,这种变化与生长季、降雨量以及地上生物量的变化整体吻合。
(3)地下生物量与地上生物量的比值按大小排序依次为农地>果园>幼林地>荒草地>灌木地>林地,人为因素有一定影响。植物根冠比与地形因子、土壤养分因子无显著相关性,而与表层土壤的粘结力、容重、饱和含水量及土壤含水量等土壤物理性质有显著正相关关系,与枯枝落叶有显著负相关关系。
(4)土壤有机碳的主要分布格局取决于植被类型,灌木地>林地>果园>荒草地>幼林地>农地；从地形因子看,有机碳含量以中等坡度最高,随着垂直坡形从凸至凹而逐渐升高；土壤有机碳与土壤饱和含水量、团稳性、全碳和磷元素含量呈正相关关系,而与土壤碳氮比和容重存在负相关关系；有机碳与植被因子有显著的正相关关系；土壤有机碳含量随退耕年限的增加呈现明显的上升趋势。人为因素会减小有机碳和土壤全碳的空间变异性。
(5)土壤全碳含量在地形、土壤、植被和退耕年限的综合影响下主要分布特征为:土壤全碳含量随着坡度增大、海拔升高而增大；与土壤本身的固有性质对土壤全碳含量影响较大；土壤全碳与全氮、速效氮和碳氮比的相关性同有机碳,但关系变弱,与有机质含量有较显著的正相关关系,土壤全碳与磷元素显示出与有机碳不同的负相关关系；土壤全碳含量与植被有显著的正相关关系,但相关性较有机碳含量有所减弱。土壤全碳含量随深度的变化规律与幂函数曲线高度吻合。
(6)土壤全碳含量季节变化不明显,随退耕年限的增加呈现微弱的上升趋势,但各种土地利用类型土壤全碳的含量在退耕30年以上都显示出下降的端倪。
(7)在生物量和土壤碳密度的各种线性回归模型中均以通用多元线性回归的时空预测模型效果最佳,但模型参数较多,部分参数的显著性水平较差。回归模型的精度地下生物量>地上生物量>土壤有机碳密度>土壤全碳密度。由于研究区的异质性较高,大多数回归模型的回归效果一般。其中土壤有机碳密度和全碳密度与土壤本身的固有性质有较大关系,而回归模型的参数中没有相关的参数,其预测结果较生物量差。
(8)大南沟的生物量和土壤有机碳分布主要取决于土地利用类型。退耕还林换草可以增加土壤碳储量。小流域的总生物量约为2.94×107kg,土壤总碳储量约为7.84×107kg。