土壤水蚀对土壤有机碳动态及全球碳循环平衡的影响

魏守才，张晓平，陈学文

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102;2.中国科学院大学，北京100049)

土壤水蚀对土壤有机碳动态及全球碳循环平衡的影响

魏守才1，2，张晓平1，陈学文1

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102;2.中国科学院大学，北京100049)

由降雨径流造成的土壤侵蚀是全球土壤退化的最重要原因之一，同时也促进了土壤有机碳(SOC)在陆地表面的再分布，改变了侵蚀沉积区SOC的矿化速率，从而影响全球碳循环和碳平衡。文章介绍了国内外相关的研究结果，综述了土壤水蚀对SOC动态及全球C循环平衡的影响。土壤水蚀造成侵蚀区SOC流失，增大侵蚀区SOC的矿化速率;而在沉积区，沉积作用造成SOC的埋藏富集，但对碳矿化速率的影响并没有一致的认识。大部分研究认为沉积作用抑制SOC的矿化，通常在进行土壤侵蚀地区SOC动态变化计算时，只是简单计算侵蚀和沉积部位某段时间内SOC的差值，并没有将沉积埋藏在低洼处的SOC考虑在内，埋藏的次序也没有涉及，由此高估了因水蚀而损失的SOC量，成为全球碳循环过程中“失汇”的一个重要原因。目前的研究倾向于土壤水蚀是“碳汇”，但由于SOC动态变化的多因素性及对土壤侵蚀大范围长时间测定的不确定性，所以对土壤侵蚀“碳源”“碳汇”的讨论仍存在很大的争议。图2，参55。

土壤水蚀;碳再分布;碳矿化;SOC动态

0 引言

因大气中CO2浓度升高而引起的全球气候变暖问题得到人们的极大关注，目前很多研究都聚焦在减少CO2排放和增加土壤中碳(C)的固定上。水土流失(水蚀)是土壤退化的一个最普遍的原因，全球约有80%的土地受到侵蚀［1］，同时土壤侵蚀也影响到全球C的循环平衡［2-3］，土壤侵蚀对土壤碳循环和碳平衡的影响是全球变化研究的前沿领域之一。

全球遭受水蚀的土地达到10.94亿hm2，其中严重侵蚀达7.51亿hm2［1］。Lal［2］指出，全球每年因侵蚀而发生移位的SOC为4.0 Pg C·年-1～6.0 Pg C·年-1，其中20%被氧化为CO2进入大气，2.8 Pg C·年-1～4.2 Pg C·年-1在陆地上进行再分布，而进入到海洋的C为0.4 Pg C·年-1～0.6 Pg C·年-1，其中大部分被氧化为，由土壤水蚀而引起的C的矿化量为0.8 Pg C·年-1～1.2 Pg C·年-1。由此可见，土壤水蚀对全球C循环具有重大的影响，在计算全球C循环平衡时，必须要考虑土壤水蚀对C的影响［5］。

土壤C库的主要来源是植物残体和根系的腐殖质化，水蚀过程造成土壤C在景观内的迁移搬运及在低洼部位的沉积，此外土壤C库中的可溶性部分会发生淋溶，进入到水体中，上述每个过程都伴随着C的矿化和温室气体的排放，见图1。Gregorich等［6］把水土流失影响SOC动态和储量的过程总结为两个方面:一是造成SOC在地表的再分布，二是在很大程度上改变了C矿化的生物环境。而Lal［2］则将土壤水蚀影响SOC动态的机理细分为六个方面:一是对土壤团聚体的崩解破坏，二是径流优先侵蚀搬运密度小的SOC，三是SOC的原位矿化，四是沉积部位及运输过程中SOC的矿化，五是沉积区团聚体的再形成过程，六是沉积区及海床的沉积深埋过程。其中前四个过程促进了SOC的矿化分解，减少侵蚀区土壤中SOC的含量，后两个过程利于SOC在陆地表面的埋藏积累。

图1 土壤水蚀影响下土壤C库的动态Fig.1Soil C dynamic under water-driven erosion

1 土壤水蚀条件影响下SOC在地表的再分布

土壤水蚀主要通过雨滴的击溅作用和径流的剥蚀作用引起侵蚀区SOC的流失。早期的研究认为，在坡耕地，因土壤水蚀而损失的SOC的数量是因矿化而损失的SOC的数量的几倍［7-9］。De Jong等［10］认为草地系统中50%的SOC损失由土壤侵蚀引起，Pennock等［11］也认为在农田系统中因水土流失而损失了大量的SOC，他研究加拿大坡耕地不同侵蚀部位的SOC含量情况，指出开垦80年后，坡肩部位的SOC含量较开垦前减少了55%，其中70%的减少是由土壤侵蚀引起的。随着研究的深入，Lal［2］认为，土壤水蚀虽然造成侵蚀区SOC减少，但在沉积区SOC富集。需要指出的是，下坡位在发生侵蚀现象的初期可能作为沉积区对SOC起富集埋藏的作用，但随着侵蚀的深入进行，下坡位有可能变为侵蚀区，SOC遭受损失［6］。方海燕等［12］用137Cs和210Pbex示踪法研究中国东北黑土区坡耕地土壤水蚀对土壤有机碳的影响，认为受流域土壤水蚀的影响，坡耕地SOC含量的空间变异性很大。且很多研究表明，土壤水蚀条件下土壤有机碳流失主要以泥沙为承载体被带走，溶于径流而流失的只是很少的一部分［8，13］。在侵蚀区，随径流迁移再分布的土壤物质主要为轻质细颗粒，富含有机质［6，14］。重新被固定而进入土壤碳库的SOC大部分为活性碳，它的数量要小于因侵蚀而损失掉的SOC，而损失掉的惰性碳库部分的恢复要经过非常长的时间，所以侵蚀区土壤SOC在逐渐减少［3，15］。Gregorich等［16］研究加拿大坡耕地不同侵蚀部位及未发生侵蚀的免耕土壤的总有机碳和活性碳的含量变化后认为，无论是总有机碳、易矿化碳，还是微生物量碳，发生侵蚀坡面的土壤比未发生侵蚀的土壤这三者的含量都要低。而在沉积区，SOC随泥沙沉积下来，由于埋藏作用和团聚体重新形成时的物理保护作用，减少了SOC的矿化分解，且沉积区土壤粘粒增加，有机质积累，可溶性养分富积，增加了土壤的阳离子代换量和土壤持水能力，所有这些也都减小了SOC的矿化，由此沉积区SOC含量不断增加［3，17］。所以，由降雨径流引起的土壤水蚀造成了侵蚀区SOC发生剥离迁移并在低洼的沉积部位沉积埋藏，使得SOC在坡地地表再分布。

2 土壤水蚀对SOC矿化的影响

土壤侵蚀主要通过三个方面影响土-气间的CO2交换［3］:一是影响侵蚀区SOC的分解矿化［18-19］;二是沉积区的埋藏作用抑制了SOC的分解［18，20-21］;三是在分离和搬运的过程中土壤颗粒被破坏，加速了SOC的分解矿化［2］。Van Oost等［15］指出，在分离和搬运过程中被分解进入到大气中的C量占总C量的比例并不大，这与McCarty等［22］的结论相同。水蚀条件下，由于SOC吸附在团聚体外部或被包裹在其内部，雨滴通过快速湿润而剥离整个团聚体，使SOC暴露，这些过程为微生物提供了有利的活性条件，导致侵蚀泥沙中SOC快速矿化［23］。其矿化量取决于泥沙颗粒组成及固定周期［24］。此后，侵蚀区因缺少植被覆盖而表土裸露，保水能力降低，相比其他坡位，土壤碳通量在夏季时可能更高，而冬季较低。在沉积区由于养分富集作用增加了SOC含量，其绝大多数与矿物质或微团聚体重新复合，通过埋藏固定了一部分SOC，并且随着沉积区阳离子交换量和含水量增加将逐渐弱化其矿化过程［25-27］。但也有的研究认为沉积区水分养分条件好，微生物活性条件好，有利于C的矿化［28］。还有的研究［29-30］也表明，在侵蚀过程发生后的一个短期时间内，沉积区SOC矿化速率保持在一个很高的水平，不过随着时间的推移会很快降下来。Polyakov等［24］认为在沉积区，侵蚀泥沙的体积大小和结构是影响泥沙中SOC矿化速率的两个重要因素，由于更高的SOC含量和更大的空气接触面积，导致粗团聚体SOC的矿化速率是微团聚体SOC矿化速率的8倍。

土壤水蚀不直接影响CO2通量，但却可以通过对土壤水分、土壤温度、残体输入量以及SOC含量的影响而对土壤呼吸产生间接的影响。各侵蚀部位土壤温度和水分在一天中的不同时间可能表现出一定的差异性。沉积区土壤含水量比其他部位高，土壤温度明显滞后于气温，而侵蚀区由于表面暴露和缺少植被覆盖，土壤温度高于沉积区，且具有更大的土壤极端温度［31］。Bajracharya等［32-33］研究美国俄亥俄州淋溶土水蚀对土壤中CO2浓度和CO2通量日变化及季变化的影响，以两周为间隔测定不同侵蚀部位两年内的土壤CO2浓度、CO2通量及相应的温度和水分，结论为土壤水蚀主要通过对土壤温度的影响来影响CO2释放，而且侵蚀区温度高于沉积区(5%～20%)，且在夏季温度高的时候重度侵蚀区和中度侵蚀区的土壤CO2释放速率比微度侵蚀区和沉积区要高。同时Bajracharya指出各侵蚀部位C通量与土壤含水量没有显著的关系。但有的研究却认为沉积区表层土壤富含有机质，土壤含水量高，抑制了碳的矿化［21，34］。

如上所述，关于土壤侵蚀对侵蚀区C矿化速率的增加作用，目前的研究有一致的结论，改变侵蚀区土壤物理化学性质，提高土壤温度，减少土壤水分，增加土壤C的矿化速率，导致了侵蚀区土壤C库的减少。但对于沉积区C矿化速率的影响还存在分歧，这可能是因为沉积区土壤物理化学及微生物条件更复杂，C矿化速率是多种因素综合作用的结果，而各研究之间的土壤植被条件的差异，测定时间、方法的不同都可能导致不同的结论。不过目前的大部分研究倾向于沉积部位减少C的矿化［3，5］。

3 土壤水蚀与“失汇”的关联

3.1 土壤水蚀区SOC变化量的计算

众所周知，目前对全球C循环平衡的研究中存在“失汇”的问题，也就是说，观测到的陆地和海洋向大气排放的CO2的数量超过同期陆地海洋从大气吸收的CO2及大气中CO2的增加量之和，这部分没有被测定到的“碳汇”的数量约为2 Pg C·年-1～4 Pg C·年-1［35］。土壤侵蚀被认为与全球C循环中的“未知汇”有关。通常土壤有机碳储量的变化计算公式为:

其中:C0—初始状态下的土壤有机碳含量(%);Ct—目前的土壤有机碳含量(%);Si、Hi、BDi—第i地貌部位的面积(m2)，土壤深度(m)和土壤容重(g·cm-3)。则:

在坡耕地，ΔSOCe—侵蚀区土壤有机碳损失量;ΔSOCe1—沉积区土壤表层有机碳损失量，见图2。侵蚀区表层SOC并不是侵蚀区原始的土壤有机碳，而是坡上部位表层被剥蚀后剩存的下层SOC;沉积区表层SOC含量也不是沉积区原始的SOC，而是坡上部位迁移堆积来的SOC，且侵蚀部位有机碳含量较高的表层土壤埋藏在沉积区的下端。因此，侵蚀部位土壤有机碳损失量的计算应该除去因搬运沉积于低洼部位的碳，而沉积部位需考虑埋藏的有机碳储量。所以水蚀区的ΔSOC应为:

式中:ΔSOCe—侵蚀区土壤有机碳损失量; ΔSOCe2—沉积区原始土壤层有机碳损失量;ΔSOCb—埋藏的土壤有机碳数量［31］。通常在进行土壤侵蚀地区SOC动态变化计算的时候，只是简单计算侵蚀和沉积部位随时间而变的SOC差异，并没有将沉积埋藏在低洼处的SOC考虑在内，埋藏的次序也没有涉及，这样就高估了因水蚀而损失的SOC量，成为全球C循环过程中“失汇”的一个重要原因［2，34］，见图2。

图2 坡耕地SOC迁移再分布示意图Fig.2SOC redistribution by erosion on sloping field

3.2 土壤水蚀与“失汇”

土壤水蚀影响土壤中碳的释放和固定，而土壤固碳是应对全球气候变化的重要途径［36］。目前科学家关于土壤水蚀对全球碳循环平衡的影响仍有很大的争议，主要有两方面的原因。一是因为SOC的动态变化是由多种相互作用的过程和因素控制的，而目前绝大多数研究只是研究其中的一个方面［3］，很少有人将多个方面的过程和因素综合考虑。实际上，土壤类型、耕作方式和作物管理等都会影响土壤侵蚀对SOC的作用。早期的研究［8-9，37］就表明土壤水蚀对SOC的影响在很大程度上取决于土壤的类型和土层的厚度。Ketcheson等［38］研究坡耕地不同耕作管理下的土壤水蚀程度时指出，秸秆移除和秋耕处理下的土壤流失量和SOC流失量最大，免耕的最小。此外，土壤质地也会影响土壤侵蚀对SOC的作用［39］。存在争议的另一个原因是在计算迁移搬运过程中的C及沉积区的C的动态时，必须要在很大的时间和空间尺度内来进行，但由于侵蚀在时间上的不确定性和空间上的不连续性，所以这种计算会比较困难［40］。对于碳汇碳源的研究，最主要的两个控制因素是SOC的损失率和沉积区SOC的固定率［3，41］。随水土流失而进行再分配的SOC主要是一些轻质不稳定的颗粒态有机碳［6，14］，易被氧化。土壤水蚀在很大程度上改变了土壤的物理化学性质，如容重、空隙度、土壤持水能力、阳离子代换量、有机质含量以及养分含量［6］。土壤水蚀使得侵蚀区土地变得干旱，土壤湿度降低，土壤温度增加，进而加速SOC的氧化过程，且侵蚀区养分和有机质减少，生物的植物量以及根系残体的还田量减少，SOC的生成速率也相应降低［2，14，42］。土壤发生侵蚀后，土层变薄，下层土壤进入到耕层内，更加恶化了土壤物理化学性质，如有机物质减少、土壤团聚体减少及入渗率减小。所有这些因素都增加了降雨时的径流量，反过来加速了土壤侵蚀的速度。而在沉积区土壤粘粒增加，有机质积累，可溶性养分富积，增加了土壤的阳离子代换量和土壤持水能力，抑制了SOC的矿化。

Smith等［21］用质量平衡分析方法研究美国密西西比河五大支流的土壤水蚀对SOC再分布和矿化的影响，认为土壤水蚀减少SOC的矿化，水土流失是全球C循环的“汇”，而不是“源”。他同时指出，10%的侵蚀泥沙最终流出密西西比河流域，但却有20%被侵蚀的SOC最终流出该流域。侵蚀泥沙、沉积泥沙及河流中输送到流域外的泥沙中的碳与泥沙量的比分别为0.015、0.015和0.030。随泥沙在低洼部位沉积的SOC分解速率降低，减少了矿化，沉积区SOC的矿化速率小于侵蚀区SOC矿化速率的5%，整个流域内SOC含量保持稳定，沉积区SOC矿化减小，侵蚀区损失的SOC被新形成的SOC补充。Fang等［43］利用137Cs和飞灰技术研究中国东北黑土区坡耕地土壤侵蚀及SOC再分布情况，认为自开垦以来，自上坡侵蚀掉的SOC有61.2%并没有随径流流出积水小流域，而是沉积在耕地的低洼部位。Van Oost等［3］研究10个微小流域的土壤SOC侵蚀沉积动态，表明由侵蚀区被侵蚀带走的SOC有53%～95%在沉积部位沉积埋藏，且综合考虑侵蚀区和沉积区土壤与大气碳库的碳交换，认为土壤侵蚀是一个碳“汇”，全球每年因土壤侵蚀而固定的C量约为0.12 Pg C·年-1，其中67%的固定量由农耕地完成。这与Trimble等［44］的结论相似。但也有研究认为全球每年因土壤侵蚀造成的C固定量高达1.2 Pg C·年-1［18，20］。而Lal等［2，45］却认为水蚀是全球大气CO2的一个重要碳“源”，随降雨径流迁移的SOC有20%会被矿化进入到大气中，总量达到1.0 Pg C·年-1。但Lal并没有将侵蚀区C的补充及沉积区C的埋藏和矿化减少考虑在内，这致使计算的土壤侵蚀对SOC矿化的贡献量偏大。

此外，研究水蚀对全球C循环平衡的影响，必须把淡水系统沉积区(冲积平原)SOC的动态考虑在内。在湖泊和其他淡水系统中，初级生产被认为是大气CO2的一个汇［46-47］。对沉积区碳源、碳汇的讨论要计算初级生产力与土壤碳净排放量之间的差值［21］。Cole［48］和St Louis等［49］认为淡水系统排出的CO2比吸收的多，其中St Louis等［49］研究美国威斯康辛州和加拿大不列颠哥伦比亚省这些温带地区的水体系统的碳排放情况，测得CO2的净排放量为140 t·km-2·yr-1。Smith等［21］测得美国密西西比河流域沉积区土壤CO2净排放量为250 t·km-2·yr-1。而热带地区淡水系统CO2的净排放量要高一些，约为350 t·km-2·yr-1。然而，只有把上述沉积区的CO2净排放量与泥沙来源处的侵蚀地带的CO2净排放量做比较，才能真正说明侵蚀沉积对全球C循环平衡的影响。全球陆地土壤平均CO2净释放量为650 t·km-2·yr-1［17，50］，与此相比，上述几个淡水系统沉积区CO2净排放量都要小很多，由此也可看出沉积作用对CO2排放有减少作用。

土壤水蚀促进了SOC在陆地表面的再分布，改变了侵蚀沉积区C的矿化速率，从而影响全球C的循环过程和全球C平衡的计算。土壤侵蚀被认为是一个未知的“碳汇”。目前科学家关于土壤侵蚀对全球碳循环平衡的影响仍有很大的争议，这主要是由于SOC动态变化的多因素性及对土壤侵蚀大范围长时间测定的不确定性，但目前的大部分研究倾向于土壤侵蚀是“碳汇”，测算的固定量从0.12 Pg C·年-1～1.2 Pg C·年-1。

4 研究中存在的问题及展望

目前的研究主要集中在对土壤侵蚀及沉积地区的静态研究方面，对侵蚀过程中SOC的剥离、运移及沉积的动态研究较少［24］。虽然也有此方面模拟试验和预报模型的报道［29-30，51-52］，但很难通过这些去了解侵蚀发生过程对SOC产生的实际影响，无法准确的评价侵蚀过程中SOC的趋向问题。所以非常有必要进行长期的野外定位试验，以获得具体地点的次降雨实时试验数据［30］，如不同侵蚀部位的SOC侵蚀、运移、沉积和矿化情况等。目前的研究表明，土壤侵蚀在一定程度上改变了坡耕地农田土壤在不同侵蚀部位的C矿化速率，并把主要原因归结于温度及水分的差异［33，53］。但影响C矿化是多种因素综合作用的结果，土壤侵蚀除了影响温度和水分外，也会通过对土壤质地、土壤团聚体、营养元素(氮)、植物根系等的影响对C矿化产生作用，在这些方面的研究应该加强。

土壤水蚀影响全球C的循环过程和全球C平衡的计算。土壤侵蚀被认为是一个未知的“碳汇”。但目前关于土壤侵蚀对全球碳循环平衡的影响仍有很大的争议，这主要是由于SOC动态变化的多因素性及对土壤侵蚀大范围长时间测定的不确定性。由于缺乏足够的观测区域和野外长期定位试验数据及测定方法的局限性，准确量化水蚀对SOC动态及碳循环平衡的影响还存在很大的难度，这就需要在以后的研究中坚持野外长期定位试验，并采用新的研究技术和方法。土壤侵蚀在全球分布广泛，且延续时间很长，在如此大的空间和时间尺度上测定评价土壤侵蚀对SOC及全球C循环的影响是一件很困难的事情。这就需要发展一些新的技术和手段来实现上述目的。WEPP模型是迄今为止较为成熟和先进的土壤侵蚀过程模型之一，其目的是解决USLE无法计算侵蚀量时空分布这一问题，在很大程度上解决了在大范围长时间内的土壤侵蚀模拟预测问题，其与遥感技术的结合在全球土壤侵蚀监测方面具有很大的应用前景［54-55］，可以更好的量化评价全球土壤侵蚀对SOC的动态及全球C循环平衡的影响。

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Effects of Water-driven Erosion on Soil Organic Carbon Dynamics and Global Carbon Balance

WEI Shou-cai1，2，ZHANG Xiao-ping1，CHEN Xue-wen1
(1.Northeast Institute of Geography and Agroecology，CAS，Changchun 130102，China; 2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China)

Water-driven soil erosion is one of the most important factors contributing to soil degradation，which affects global carbon (C)cycle by redistributing soil organic carbon(SOC)over the landscape and changing SOC mineralization rate at both eroded and depositional positions.This paper aims to summarize the current researches in the world and evaluate the effect of water-driven erosion on SOC dynamics and global C balance.Water-driven erosion moves sediment and SOC down slope and promotes C mineralization rate at eroded slope positions;SOC laden sediment deposited in depositional areas is continually buried by additional sediment protecting it from mineralization.The change in SOC in a landscape over a period is generally considered to be the amount of SOC lost by erosion，without taking SOC deposition into consideration.As a result，the amount of SOC lost by erosion may be over-estimated.Soil erosion is considered to be related with the lost C sink in global C cycle.However，it is difficult to make a clear statement on effect of water-driven erosion on SOC dynamics as there are many factors affecting SOC dynamics and it is difficult to measure long term SOC redistribution by erosion in field.

water-driven erosion;carbon redistribution;carbon mineralization;SOC dynamics

S157.1

A

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.04.003

2095-2961(2015)04-0156-07

2015-02-04;

2015-02-10.

国家自然科学基金项目(31170483，41201217);中国科学院东北地理与农业生态研究所“优秀青年人才”基金项目(DLSYQ12003).

魏守才(1985-)，男，山东滨州人，在读博士研究生，研究方向为水土流失与土壤有机碳.

张晓平(1957-)，男，吉林长春人，研究员，主要从事黑土有机碳与保护性耕作研究.