侵蝕條件下土壤有機(jī)碳流失研究進(jìn)展

裴會(huì)敏，許明祥，，李 強(qiáng)，脫登峰

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中科院 水利部水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

全球土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量豐富（約為1 550億t）且活躍，它的生物地球化學(xué)循環(huán)被認(rèn)為是調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能的一個(gè)重要過(guò)程［1］，其微小改變會(huì)引起大氣CO2濃度的很大變化［2－3］。土壤有機(jī)碳（SOC）主要以粗有機(jī)質(zhì)、細(xì)顆粒狀有機(jī)質(zhì)和與土壤礦物質(zhì)的結(jié)合態(tài)存在［4］。當(dāng)前人們常用表層土壤有機(jī)碳來(lái)表征土壤碳庫(kù)的變化，其研究指標(biāo)主要集中在總有機(jī)碳（TOC）、溶解性有機(jī)碳（DOC＜0.45μm）、顆粒有機(jī)物碳（POC＞0.45μm）和土壤呼吸（Rs）等方面。土壤侵蝕是指表層土壤在外營(yíng)力作用下發(fā)生破壞、剝蝕、遷移／再分布以及沉積過(guò)程，是受多種因素影響的地質(zhì)現(xiàn)象，其導(dǎo)致的碳流失量被廣泛關(guān)注。究其原因可概括為：（1）它是全球頭號(hào)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，每年可帶來(lái)數(shù)以億計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失；（2）它是陸地上唯一能使大量易礦化SOC遷移和再分布的驅(qū)動(dòng)力，引起的碳排放是全世界都關(guān)心的政治問(wèn)題；（3）氣候變化將可能改變區(qū)域水文循環(huán)，以持續(xù)干旱和單次降雨強(qiáng)度增大為特征的極端事件增多［5－6］將在一定程度上加劇土壤侵蝕。

近年來(lái)影響陸地土壤碳動(dòng)態(tài)的研究多集中在區(qū)域氣候條件、植被狀況、土地利用類型等方面，而基于侵蝕對(duì)陸地土壤有機(jī)碳流失的影響研究相對(duì)薄弱，特別是在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究少見(jiàn)報(bào)道［7］。在氣候變化的背景下，侵蝕引起的土壤有機(jī)碳遷移和分布強(qiáng)烈影響碳循環(huán)過(guò)程［8－9］，日益成為全球及區(qū)域碳循環(huán)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。為此，本文綜合分析國(guó)內(nèi)外土壤侵蝕與土壤有機(jī)碳流失相關(guān)研究進(jìn)展，并對(duì)SOC的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行較合理的梳理與評(píng)述。

1 侵蝕條件下土壤有機(jī)碳的流失過(guò)程

水蝕和風(fēng)蝕作為土壤侵蝕的兩種主要形式，因其外營(yíng)力不同，導(dǎo)致侵蝕泥沙的遷移和堆積方式也不相同，所以侵蝕條件下土壤有機(jī)碳的流失進(jìn)程是復(fù)雜多變的。本文著重分析近年來(lái)關(guān)于水蝕和風(fēng)蝕引起表層SOC“有形的”遷移和再分布及“無(wú)形的”碳礦化過(guò)程的主要成果。

1.1 侵蝕與土壤有機(jī)碳的遷移及分布

水蝕條件下坡面SOC的遷移及分布是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，受氣候、土壤性質(zhì)、地形、土地利用狀況等眾多因素的影響。（1）它加速土壤淋溶作用，使許多溶解性有機(jī)碳伴隨下滲的水分向深層遷移，縱向沉積一部分碳；（2）在降雨侵蝕力作用下，侵蝕區(qū)土壤中大團(tuán)聚體（＞0.25mm）將被溶解破壞［10］，土壤微團(tuán)聚體（＜0.25mm）開(kāi)始增加［11］。當(dāng)徑流沖刷力大于土壤內(nèi)聚力和滲透力時(shí)，表面匯流產(chǎn)生，首先是地表植物殘?bào)w和凋落物被搬運(yùn)，隨后將優(yōu)先遷移細(xì)顆粒物質(zhì)（黏粒和粉粒），導(dǎo)致大量溶解性有機(jī)碳、少量顆粒有機(jī)碳發(fā)生橫向遷移，SOC含量降低［12］。（3）大部分流失的SOC隨著泥沙搬運(yùn)被帶到沉積地區(qū)深埋而非氧化和流失到大洋中［13－14］。當(dāng)前對(duì)于沉積區(qū)有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)及去向存在著分歧：一些學(xué)者認(rèn)為侵蝕降低了SOC的分解速率［15］，這將有助于碳在化學(xué)和礦物學(xué)之間的轉(zhuǎn)換而使其穩(wěn)定下來(lái)［16－17］，引起一個(gè)長(zhǎng)期的碳儲(chǔ)存；相反的觀點(diǎn)［18－19］是因雨滴和搬運(yùn)的影響，在顆粒分離過(guò)程中，進(jìn)入沉積區(qū)的侵蝕SOC將大量分解，視沉積區(qū)的氧化環(huán)境而定。（4）其余部分有機(jī)碳隨徑流被沖刷至水生態(tài)系統(tǒng)［20］，部分可能被快速礦化［21－22］。Smith等［13］認(rèn)為全球陸地泥沙的沉積過(guò)程每年將產(chǎn)生約10Pg（1Pg＝1015g）的碳匯。在我國(guó)黃土丘陵區(qū)，土壤侵蝕造成了有機(jī)碳在泥沙中的富集，且富集比大于1，泥沙中有機(jī)碳含量與侵蝕強(qiáng)度呈遞減的對(duì)數(shù)關(guān)系［23］。

風(fēng)蝕主要發(fā)生在降雨量低于300mm或具有穩(wěn)定盛行風(fēng)的干旱地區(qū)，它極大地促進(jìn)了SOC的裸露和礦化。目前關(guān)于風(fēng)蝕與碳流失的研究報(bào)道較少，但風(fēng)蝕的發(fā)生面積較水蝕更廣，其對(duì)SOC的損減和在景觀內(nèi)重新分配作用不容忽視［24－25］。在風(fēng)蝕過(guò)程中大的土壤顆粒通過(guò)跳躍演化減少SOC，而細(xì)顆粒則主要通過(guò)礦化釋放CO2。在加拿大的一些區(qū)域，草地開(kāi)墾后耕作的最初幾年，SOC的損失以礦化為主，而耕作時(shí)間超過(guò)20a后，風(fēng)蝕引起SOC損失遠(yuǎn)大于礦化損失［26］。蘇永中等［27］在科爾沁沙地的研究發(fā)現(xiàn)：沙化草地開(kāi)墾3a后，由于加速的土壤風(fēng)蝕使表土層細(xì)顆粒被吹蝕，0—15cm耕層SOC含量下降了38%。趙哈林等［28］研究表明，農(nóng)田出現(xiàn)風(fēng)蝕和積沙后，在25m的空間間距上，風(fēng)蝕區(qū)的SOC含量?jī)H是積沙區(qū)SOC含量的55%，引起農(nóng)田土壤性狀及生產(chǎn)力出現(xiàn)高度的空間變異。延昊等［29］基于我國(guó)20世紀(jì)90年代土壤屬性和風(fēng)蝕強(qiáng)度的歷史數(shù)據(jù)得出：每年表層SOC因風(fēng)蝕流失約為0.075Pg，SOC的流失量隨著風(fēng)蝕強(qiáng)度的增加而顯著增加?，F(xiàn)在的一些研究通常在計(jì)算土體中SOC的損失時(shí)忽略了侵蝕和沉積作用產(chǎn)生的SOC在景觀中的再分布，因而高估了侵蝕對(duì)土壤碳流失的影響。

1.2 侵蝕與土壤CO2釋放通量

水蝕條件下，由于SOC吸附在團(tuán)聚體外部或被包裹在其內(nèi)部，而雨滴通過(guò)快速潤(rùn)濕而剝離整個(gè)團(tuán)聚體，使SOC暴露，這些過(guò)程提供有利的微生物活性條件，導(dǎo)致侵蝕泥沙中SOC快速礦化［30］，其礦化量決定于泥沙顆粒組成及固定周期［31］。此后，侵蝕區(qū)因缺少植被覆蓋而表土裸露，保水性降低，相比其他坡位，土壤碳通量在夏季時(shí)可能更高，而冬季表現(xiàn)得較低。在沉積區(qū)由于養(yǎng)分富集作用增加了SOC密度，其絕大多數(shù)與礦物質(zhì)或微團(tuán)聚體重新復(fù)合，通過(guò)深埋固定了一部分SOC，并且隨著沉積區(qū)陽(yáng)離子交換量和含水量增加將弱化其礦化過(guò)程［32－33］。Bajracharya等［18］通過(guò)對(duì)美國(guó)俄亥俄州中部多年農(nóng)地侵蝕小區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：在夏季嚴(yán)重侵蝕和中度侵蝕小區(qū)的CO2濃度因溫濕度不同顯著高于微侵蝕和沉積區(qū)。Hemelryck等［34－35］在比利時(shí)的室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，沉積泥沙對(duì)土壤呼吸的影響程度決定于侵蝕等級(jí)及侵蝕發(fā)生地的土壤質(zhì)量，沉積區(qū)出現(xiàn)一層厚厚的致密層覆蓋表土，將降低深層SOC礦化；在農(nóng)田試驗(yàn)中，隨著侵蝕土壤底物的自我調(diào)節(jié)，5個(gè)月的侵蝕與沉積效應(yīng)對(duì)碳流失影響甚微，與無(wú)侵蝕區(qū)相比僅有1.6%的侵蝕有機(jī)碳通過(guò)土壤呼吸流失。

從全球碳平衡角度考慮，人們更關(guān)注風(fēng)蝕遷移的SOC的礦化損失量。風(fēng)蝕破壞陸地表層植被，使地表反照率增強(qiáng)，地表土溫逐漸升高，濕度降低，這將加速有機(jī)碳的礦化速率。嚴(yán)重的風(fēng)蝕還將含有無(wú)機(jī)碳酸鹽巖的地層暴露到地表，在酸性環(huán)境下它們將更容易被氧化。另外當(dāng)劇烈的侵蝕使次表土和土壤母質(zhì)接近地面時(shí)，部分富含硅酸鹽的土壤母質(zhì)在水熱環(huán)境下又將吸收CO2，加速風(fēng)化為黏土。在沉積區(qū)，風(fēng)蝕沉降物將覆蓋表層富含有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽巖的土層，使它們與空氣相隔離，在短期內(nèi)降低了這些土層被氧化的速率。但是，這些搬運(yùn)過(guò)來(lái)的顆粒有機(jī)碳在重新結(jié)合成團(tuán)聚體之前，自身又很容易被氧化或被微生物分解。限于追蹤風(fēng)蝕土壤顆粒礦化的技術(shù)難度，人們只能相對(duì)粗略地估算風(fēng)蝕SOC的礦化速率。蘇永中等［27］在科爾沁沙地的研究表明：在風(fēng)蝕引起草地沙化的最初階段，表層土壤通透性增加，會(huì)加速SOC的礦化損失，但隨著沙漠化程度的發(fā)展，土壤微生物賴以生存的土壤基質(zhì)條件惡化，即使有外源碳的輸入，其礦化作用也十分微弱。朱孟郡等［36］估算在風(fēng)蝕作用下，青海共和盆地沙溝河流域農(nóng)田土壤碳每年損失約為2.47萬(wàn)t，占20cm深度內(nèi)土壤碳庫(kù)的1.77%。風(fēng)蝕作用成為沙溝河流域農(nóng)田表層土壤碳損失不可忽視的動(dòng)力之一。

未來(lái)大氣CO2濃度的變化在很大程度上取決于陸地生態(tài)系統(tǒng)的反饋，因此加強(qiáng)對(duì)典型流域土氣界面CO2交換過(guò)程的理解對(duì)國(guó)家和國(guó)際社會(huì)采取穩(wěn)定大氣CO2濃度的行動(dòng)至關(guān)重要［37］。當(dāng)前有關(guān)土壤侵蝕對(duì)陸地與大氣之間碳的交換量的短期貢獻(xiàn)存在以下兩種觀點(diǎn)［38］：多數(shù)學(xué)者認(rèn)為土壤侵蝕增加CO2釋放。侵蝕過(guò)程中土壤濕度顯著增加，結(jié)構(gòu)體破壞，使得受團(tuán)聚體保護(hù)的碳處于氧化環(huán)境中而易被生物分解。而后徑流流失使侵蝕區(qū)土壤變得更加干旱，降低土壤濕度的同時(shí)增加了土壤溫度，最終使礦化率自然增長(zhǎng)，這可能引起超過(guò)20%的TOC分解為CO2釋放［19］；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為土壤侵蝕減少土壤CO2釋放。遭受侵蝕的土壤生物生成量下降，改變了底物供應(yīng)機(jī)制，而且在沉積區(qū)土壤被深埋和重新團(tuán)聚，土溫明顯滯后于氣溫，導(dǎo)致礦化速率降低［39］。土壤侵蝕與土壤CO2釋放通量的增減關(guān)系可能視侵蝕區(qū)土壤類型、表層植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、生物學(xué)進(jìn)程和侵蝕等級(jí)等而定，明確這些因素的作用閾值是評(píng)價(jià)侵蝕對(duì)土壤碳流失影響的關(guān)鍵。

2 侵蝕條件下土壤碳的源匯關(guān)系

水蝕和風(fēng)蝕因其作用方式不同，對(duì)土壤碳收支的影響也將存在較大差異。限于當(dāng)前相關(guān)研究?jī)H涉及水蝕影響，本文將僅對(duì)水蝕條件下土壤的碳收支研究展開(kāi)重點(diǎn)評(píng)述。水蝕不僅造成富含有機(jī)碳的表層土壤遷移和沉積，而且在這個(gè)過(guò)程中土壤還將從地上部分的物質(zhì)中吸收一部分碳［40］。為此，只有對(duì)水蝕過(guò)程的3個(gè)階段（顆粒分離、搬運(yùn)和沉積）的碳平衡給出一個(gè)全面和詳細(xì)的估算，并把土地利用類型和管理措施考慮在內(nèi)［41］，才能從整體上正確理解侵蝕過(guò)程中土壤碳的“源匯”關(guān)系。關(guān)于侵蝕在碳平衡中的作用即它是否導(dǎo)致碳固定或土壤與大氣之間碳交換的凈釋放，在土壤學(xué)界爭(zhēng)論已久。近年來(lái)全球出現(xiàn)了兩種截然相反的論點(diǎn)，一些學(xué)者認(rèn)為它引起一個(gè)碳源，每年它導(dǎo)致土壤碳排向大氣中的凈釋放量可達(dá)0.37～1Pg［42－43］，而其他一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)每年可以產(chǎn)生0.56～1Pg的碳匯［44－46］。最近比利時(shí)學(xué)者 Van Oost等［39］通過(guò)用放射性同位素137Cs來(lái)追蹤農(nóng)業(yè)區(qū)域中土壤的運(yùn)動(dòng)，在全球尺度上整合研究了關(guān)于侵蝕同時(shí)導(dǎo)致的縱向碳流量和橫向碳流量，結(jié)果表明：在土壤顆粒的分離和搬運(yùn)過(guò)程中雖然增加了SOC的分解，但土壤可能從植物中吸收碳，使土壤從大氣中固存的碳比它釋放的碳多，每年在全球耕作農(nóng)田土壤中侵蝕可引起一個(gè)0.12Pg的碳匯。Berhe等［47］在4個(gè)不同坡位上通過(guò)對(duì)地表凈初級(jí)生產(chǎn)力速率、侵蝕碳的置換量和有機(jī)質(zhì)的沉積量的測(cè)定，得出由于在侵蝕區(qū)光合產(chǎn)物通過(guò)與侵蝕碳的部分置換，而沉積區(qū)因地表侵蝕泥沙的保護(hù)而降低了有機(jī)質(zhì)的分解，最終土壤侵蝕在其研究地構(gòu)成一個(gè)碳匯。在新西蘭每年因土壤侵蝕而引起大量泥沙和顆粒有機(jī)碳流入海洋，Dymond［48］通過(guò)侵蝕模型，假設(shè)輸出到海洋中80%的碳被深埋固定，每年也給新西蘭產(chǎn)生約310萬(wàn)t的碳匯。

總之，土壤侵蝕對(duì)碳源／匯的最終影響很大程度上取決于侵蝕和沉積過(guò)程中碳的吸收率和釋放率的平衡。目前侵蝕所引起的碳的“源匯”分歧主要存在兩方面信息的缺失：侵蝕過(guò)程中吸收植物體、凋落物中的碳，沉積區(qū)由泥沙搬運(yùn)來(lái)的碳在不同時(shí)間尺度上的轉(zhuǎn)換機(jī)制，所以未來(lái)應(yīng)注重加強(qiáng)這兩方面的研究。Schimel等［49］利用20世紀(jì)90年代數(shù)據(jù)，進(jìn)行了全球碳平衡的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)每年未知匯的量估計(jì)在2～4 PgC，許多學(xué)者認(rèn)為土壤和植物是可能的“匯”［50］，因此土壤可作為未來(lái)尋找“全球遺失碳匯”和減緩氣候暖化的首要考慮碳庫(kù)。

3 侵蝕條件下有機(jī)碳流失的環(huán)境效應(yīng)

侵蝕條件下有機(jī)碳流失的發(fā)生、發(fā)展會(huì)影響本地和異地生態(tài)系統(tǒng)，表現(xiàn)出來(lái)的環(huán)境問(wèn)題主要包括土地生產(chǎn)力降低和間接的非點(diǎn)源污染兩個(gè)方面。土壤侵蝕的原位效應(yīng)表現(xiàn)為富含有機(jī)碳的表土隨地表徑流流失，土層變?。?1］，使侵蝕區(qū)土壤的肥力［52］和保水性下降［53］，植物可利用的土壤養(yǎng)分缺失，從而威脅到糧食安全和生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期可持續(xù)性發(fā)展［54］。另外，遭受侵蝕的土壤將可能被搬運(yùn)相當(dāng)長(zhǎng)的距離，產(chǎn)生有機(jī)碳流失的異位效應(yīng)：（1）由于侵蝕土壤有機(jī)質(zhì)減少，出現(xiàn)了N、P等無(wú)機(jī)肥的過(guò)量使用，伴隨著泥沙和農(nóng)田污染物進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)，不僅造成水體富營(yíng)養(yǎng)化和堤壩淤積，而且人畜用水受到污染；（2）侵蝕土壤的保水性降低，可能造成大范圍洪澇災(zāi)害和沙塵暴，給社會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，并惡化生態(tài)環(huán)境；（3）因土壤侵蝕而流失的有機(jī)碳部分礦化，以CO2等溫室氣體的形式釋放到大氣中，加劇溫室效應(yīng)。在我國(guó)東北黑土區(qū)的典型侵蝕坡面上，近40a來(lái)侵蝕溝從1 682條增加到2 561條，平均每年侵吞耕地最高可達(dá)5.23hm2，開(kāi)墾20a的黑土土壤有機(jī)質(zhì)相對(duì)含量下降30%～40%［55］，而水土保持措施對(duì)土壤質(zhì)量的提高有積極的影響［56］。在南方紅壤丘陵區(qū)近30a來(lái)耕地面積減少232萬(wàn)hm2，每年因水土流失帶走氮、磷、鉀的總量約為128萬(wàn)t［57］。水土流失最嚴(yán)重的黃土高原上水蝕是占主導(dǎo)地位的侵蝕方式，但人為加速侵蝕也居重要地位［58］，土壤有機(jī)質(zhì)的缺失深刻影響植被恢復(fù)［59］，進(jìn)一步加大土壤可蝕性，造成惡性循環(huán)。

4 問(wèn)題和展望

侵蝕條件下土壤有機(jī)碳流失研究對(duì)理解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。雖然近10a來(lái)各國(guó)科學(xué)家在這方面已取得了較大進(jìn)展，但現(xiàn)階段對(duì)其過(guò)程和控制機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠統(tǒng)一，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳流失量的估算值仍存在較大的不確定性。其原因主要包括：（1）目前侵蝕條件下碳流失的監(jiān)測(cè)大多是建立在斑塊和坡面尺度上，缺乏在流域內(nèi)對(duì)土壤侵蝕及隨后的沉積過(guò)程中土壤碳收支的長(zhǎng)期定位研究；（2）測(cè)定對(duì)象較單一。土壤有機(jī)碳與地表植被、大氣是完整的統(tǒng)一體，碳在土壤－植物－大氣系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，為了充分摸清侵蝕碳的去向問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)從生態(tài)系統(tǒng)的角度開(kāi)展多目標(biāo)綜合觀測(cè)；（3）觀測(cè)方法、研究尺度以及侵蝕下墊面的差異，使得不同研究之間的可比性降低，難以形成共識(shí)性結(jié)論。

我國(guó)土壤具有侵蝕類型多樣、侵蝕過(guò)程復(fù)雜、人類活動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，針對(duì)侵蝕條件下土壤有機(jī)碳流失研究中存在的不足，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究：（1）在多個(gè)水蝕風(fēng)蝕區(qū)內(nèi)不同植被覆蓋結(jié)構(gòu)和密度、土壤水文條件下土壤有機(jī)碳流失的比較研究及水蝕和風(fēng)蝕物在運(yùn)移途中有機(jī)碳氧化的速率估算；（2）規(guī)范并完善土壤、植被相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用相似的方法和合理的尺度轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)來(lái)系統(tǒng)評(píng)價(jià)SOC流失的規(guī)律，并進(jìn)一步加強(qiáng)137Cs、210Pb、7Be、13C等同位素示蹤法及“3S”技術(shù)在侵蝕與有機(jī)碳流失研究中的綜合應(yīng)用，提高各種侵蝕與碳循環(huán)模型的預(yù)測(cè)能力。（3）加強(qiáng)侵蝕對(duì)SOC淋溶和遷移的影響研究及與POC遷移、吸附和分解的關(guān)系研究。有觀點(diǎn)認(rèn)為溶解性有機(jī)碳可能是深層土壤固碳的一個(gè)重要來(lái)源［60］，已在森林生態(tài)系統(tǒng)中得到證實(shí)［61］；（4）為適應(yīng)全球氣候變化而需做出更加靈活的區(qū)域土地利用政策，評(píng)估不同土地經(jīng)營(yíng)模式下侵蝕對(duì)SOC流失的影響及環(huán)境效應(yīng)也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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