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土壤是地理环境诸要素综合、长期作用的产物,也是人类赖以生存的主要资源之一,在粮食增产和环境的可持续发展中发挥着重要的作用。随着人口、资源与环境之间矛盾的日趋尖锐,人为因素诱导的土壤退化已成为全球面临的突出生态与环境问题。其中,土地利用/土地覆被变化被认为是使土壤养分呈现动态特征的重要诱因。因此,探寻景观系统下土地利用方式及其变化对土壤环境的影响,能够促进土地退化的内在过程和退化机理的研究进展,同时,对于保障区域粮食安全、提高土壤生产力和改善生态环境质量也具有重要意义。
本文选取位于松嫩平原西部的吉林省通榆县为研究区,结合长时间序列的遥感影像数据、土壤普查与实地采样数据、社会经济数据,在3S技术支持下,综合运用景观生态学、土壤学和地统计学的理论与方法,采用多种分析模型,对通榆县近20年来的景观格局动态变化过程及其驱动因素进行分析,研究土壤要素的时空演变过程,剖析通榆县景观类型、格局、动态变化对土壤性质的影响,并探讨了自然环境与人类活动等因素在本县土壤环境演变过程中发挥的作用。主要的研究内容和结论如下:
(1)从景观类型的转移方向、转移贡献率、年变化率、变化类型的空间发生频次、重心迁移距离与方向,以及景观异质性、破碎度、多样性等景观格局特征入手,描述和分析了1986年~2006年不同时期通榆县景观动态变化规律,揭示了研究时段内景观类型转变的主要过程为农林牧用地之间的转化和沼泽地的退化过程,结合自然与社会经济统计资料,阐明自然环境背景是本区域景观格局形成的基础,而人类活动对自然生态系统的干扰作用则从主体上起到了对本县景观格局改变的控制作用。
(2)运用传统统计方法和地统计学方法,分析了1982年和2006年通榆县的土壤养分含量以及主要理化性质的时空分异特征。结果表明:本县表层土壤除全钾和速效钾含量属于较为丰富外,全氮、全磷、速效氮和速效磷含量均属于偏低和缺乏的范畴,而且土壤偏碱性,砂粒含量高;20年前后本县表层土壤有机质含量、速效氮、速效磷和速效钾含量不存在明显差异,但2006年土壤全氮、全磷和全钾含量与1982年相比有显著降低。
(3)采用配对比较和单因素方差分析法,探讨了景观类型、格局及其动态变化对土壤性质的影响,主要结论为:①1982年和2006年不同土地利用方式下的土壤养分含量均值差异都比较小。2006年耕地、草地与林地的全磷、速效钾、砂粒含量、粘粒含量存在显著差异,除此之外,农林牧用地之间的土壤理化性质不存在显著差异。②本县20多年来的景观优势转化过程对土壤养分的影响是以降低含量为主要趋势的。③随着耕种年限的增加,土壤的主要养分含量均降低,这主要是由于本区域土壤母质较为贫瘠、自然环境条件相对恶劣,人们对农业用地重利用轻养护造成的。耕作时间较长的土壤碱性降低、容重变大、砂粒增加、粘粒减少、电导率有所增大。④各种景观类型在土壤养分含量级别较低的区间分布面积均最大,这也是导致本县土壤养分含量整体水平偏低的重要原因之一。与景观生态过程相比,地理位置、地形等结构性因素对长期开垦的耕地、多年生草地的土壤有机质含量变化作用更大:而草地开垦为耕地的人为过程对土壤有机质含量变化的影响则相对比较明显。
(4)本县土壤是在半干旱大陆性季风气候、砂质成土母质、微起伏低平原地形以及地下水含盐量高、自然植被覆盖较少等自然环境条件控制下形成的,地势高低、土壤类型差异等都对土壤养分的时空分布格局有一定的影响。人为因素对土壤性质的影响则叠加在自然因素之上发挥作用,社会经济条件的改变间接地影响着人类的活动范围与方式,进而对人类赖以生存的自然资源——土壤产生重要的影响。