侵蚀强度对土壤养分的影响——以淮北土石山区为例开题报告

1. 研究目的与意义

土壤是人类生存与发展的重要能源之一,同时也是地球表层最重要的组成要素，它的存在不仅有利于促进环境物质的输出，同时还能接受一定的环境物质，所以，土壤在整个地球表面的环境演变中起着十分重要的作用，同时也是人类生存与发展所必须的能源之一，土壤侵蚀是导致土壤质量退化及水体富营养化等一系列生态危机的主要原因，是全球陆生生态系统面临的重大环境问题^[1]。中国现在已经使土壤侵蚀最严重国家之一，其逐渐成为危害我国生态环境的首要杀手^[2]。土壤侵蚀正在严重地破坏我国土地资源，在一些侵蚀程度较高地区中，地表土壤层已经全部流失，其中，较为严重的侵蚀是直接导致土地沙漠化的原因，降低了土壤肥力，加剧了干旱的发生，严重破坏了农民的利益，土地退化的日益严重成为制约人类发展的重要因素，土壤侵蚀是其中一个重要原因。根据中科院统计，我国土壤侵蚀在轻度侵蚀以上的面积已经达到477.8万平方千米，占国家总面积的50.26%，有一半的土地面积存在不同程度的土壤侵蚀现象，其中西部地区的土壤侵蚀最严重，影响土壤侵蚀的自然因素有气候、地形、土壤、植被等，人为因素作为潜在因素，促进着土壤发生加速或减速侵蚀。

土地利用指的是人类进行土地利用的方式，如：林地，草地，耕地，园地等，土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反应，是影响土地养分和肥力变化最普遍，最直接、最深刻的因素^[3]。人类进行土地利用严重影响了坏境，所以它及其受到人们的关注^[4]。土地利用的变化将导致土壤中理化性质、土壤养分及人们利用的土地数量发生不同程度的变化，同样也会改变土壤渗透性、土壤养分流失以及土壤含水量的变化^[5]。合理利用土地资源是提升我国经济的重要前提，可以保障区域内的可持续发展，在一定程度上可以提高生态产量；不合理的土地利用是导致土壤结构性不稳定，土壤资源流失和生态坏境破坏的直接因素。利用土地类型不同会改变土壤内部属性，稳定土壤结构，增加土壤养分。总之，现如今土地利用正在慢慢的改变着对人类社会现有的公共功能和服务^[6]。

本文是通过研究淮北土石山区大吴山流域不同土地利用类型在各侵蚀强度下的土壤养分的变化，分析侵蚀强度的变化对土壤有机质和氮磷钾的影响，揭示了在不同土壤利用类型下植被对养分的需求和在不同侵蚀强度下流失的土壤养分。观察土壤养分含量的变化，有助于合理地利用土地资源，提高不同类型土壤的土壤肥力，为进行科学研究提供依据。

2. 国内外研究现状分析

（1）土地利用与土壤侵蚀关系

土地利用/土地覆盖变化(land use and land cover change, lucc)与土壤侵蚀的关系是国际地圈与生物计划(igbp )与全球环境变化的人文领域计划(ihdp )的核心研究计划之一,是全球环境研究的热点和前沿问题，土地利用/土地覆盖变化之所以受到人们的关注，是因为它对环境造成了巨大的影响^[7]。被称为美国水土保持之父的hugh hammond bennett,早在1938年就在《soil conservation》一书中,将水蚀和风蚀列为土壤侵蚀的两种主要类型进行了详细的分析。他的论断一直被美国作为立法的依据,他的著作被世界上许多国家作为水土保持的教材^[8]。在美国应用最广泛的是通用流失方程usle（universal soil loss equation）,表达式是：a=rklscp，式中：a年平均土壤侵蚀量（t/hm2），r降雨因子，k土壤可蚀性因子，l，s坡长和坡度因子，c植被覆盖因子，p水土保持措施因子。土地利用实质上是usle模型中的c值，所以土地利用的变化会影响土壤的理化性质，是的水土保持效具有明显的差异^[9]。1960年，有学者研究发现侵蚀小区⁹⁰sr的流失量与土壤流失量之间有相关性^[10]。1963年，有两个学者进行了类似的实验发现⁹⁰sr、⁸⁵sr和¹³¹i具有类似的运行模式^[11]。此后，rogowski和tamura通过运用¹³⁷cs法发现了¹³⁷cs流失量与土壤流失量之间呈对数关系^[12]。1974年，ritchie 等利用usle计算得出土壤流失量与¹³⁷cs流失量之间呈较好的对数关系,他们认为,土壤流失量可以根据¹³⁷cs流失的百分比来推算^[13]。1989年, knaus等人利用稳定稀土元素示踪和中子活化分析等技术,成功地测定了沼泽地的沉积速率。knaus 认为,作为示踪物质,必须满足以下几个条件：(1)元素必须与土壤紧密结合；(2)对动植物无害；(3)水迁移能力弱；(4)有较低的背景值。而ree正是符合上述条件的理想示踪剂^[14]。

随着科技技术的发展，3s技术和电子计算机技术已经普及到每个行业的应用和实践，在水保方面，尤其是土壤侵蚀机理和水土保持等方面引入了现在计算科学，能够快速有效的计算出土壤侵蚀的结果，提升了研究步伐，加大了研究道路上的深度，同时，在世界的前沿中，我国的某些科学技术研究成果达到领先的水平。我国已经把一些优势度指数、景观多样性指数，很多模型等方法应用于土壤利用变化的研究中，使得研究土地利用的方法变的多样化，在研究中处理更多的影响因素，从不同的角度可以进行研究，丰富了研究的领域，增加了结果的真实性^[15]。使用gis和rs是研究当前侵蚀模型的一种理想的方向，在土地利用的研究领域里主要是通过两个方面进行的，一个方面是gis与土壤侵蚀分布模型相结合在一起，使得计算结果与图形相结合，提高了成果的精准度；另一个方面是通过rs解译的图形与土壤侵蚀分布图结合在一起，得到两者之间的具体关系，rs可以将大范围的水土流失计算出来，再结合图形的分布，进行水土流失的动态监测，有目的的防治水土流失^[16]。近几年，¹³⁷cs示踪法应用较多，可以利用¹³⁷cs示踪法来分析土壤养分流失的情况，运用较广的是在沉积环境，有些研究是用¹³⁷cs调查河流沉积物的分布情况，和在沉积泥沙中137cs的分布进行结合，建立相关方程，计算在沉积泥沙中来自其他地方泥沙量，利用放射性同位素是当前研究土壤侵蚀的一个非常重要的手段。1989年，张信宝等在黄土高原地区利用137cs示踪法，计算出了该流域内的每个源头对泥沙的相对贡献率^[17]。土地利用的变化与土壤侵蚀的变化已经慢慢成为全球土壤侵蚀研究的重要课题。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

本文是以江苏省连云港市淮北土石山区大吴山流域为研究区，通过收集该流域内的侵蚀强度分级图，结合arcgis软件标出采样点的位置，分析林地、草地、耕地和园地四种不同土地利用方式下的土壤养分状况，揭示不同侵蚀强度下土壤养分和肥力的分布特征，具体研究内容为：

（1）不同土地利用方式在各侵蚀强度下的土壤养分情况

4. 研究创新点

为了能够明显的比较不同土地利用，侵蚀强度和土壤养分三者之间的关系，本文采用主成分分析（PCA），不同土地利用类型，侵蚀强度和各个土壤养分含量进行了PCA排序，分析他们之间的关系与影响。PCA1（75.42%）指的是各因子在第一轴排序上的贡献率是75.42%，PCA2（13.44%）指的是各因子在第二轴排序上的贡献率是13.44%，两轴总的贡献率是88.86%，能够很好的解释样方与相应变量之间的关系。箭头长度投影在排序轴上的长度越长，表示土壤养分因子在排序轴上的影响较大；箭头与排序轴之间的连线所形成的夹角越小，表明土壤养分因子对排序轴的贡献率越大；不同侵蚀强度下同一土地利用类型的样点在箭头上的投射点（投影不在箭头上的可以做延长线）与中心点到箭头方向的距离越近表示养分含量越高。