龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀对有机碳迁移的影响

苏正安，李　艳，熊东红，董一帆，张　素，张宝军（1.绵阳师范学院生态安全与保护四川省重点实验室，绵阳 61000；　.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041）



龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀对有机碳迁移的影响

苏正安1,2，李艳1※，熊东红2，董一帆2，张素2，张宝军2
（1.绵阳师范学院生态安全与保护四川省重点实验室，绵阳 621000；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041）

摘要：坡耕地土壤再分布对土壤有机碳（SOC，soil organic carbon）迁移的作用机制研究已成为土壤侵蚀学研究的热点，然而目前极少有研究关注地震后生态脆弱的龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀机理及其导致的土壤有机碳再分布规律。该研究选择龙门山地震带内（都江堰市）一块陡坡耕地和一个梯田系列，采用137Cs法和野外调查，对比分析强震导致田埂垮塌和未受损情况下坡耕地土壤侵蚀空间变化特征和有机碳运移变化机理。结果表明，该区黄棕壤有效137Cs背景值为1 473 Bq/m2；坡度较小的坡式梯田内部上坡表现为侵蚀，下坡表现为沉积，同时，上部梯田的侵蚀速率高于下部梯田，但整个梯田系列净侵蚀量非常小，这表明梯田之间由于缺乏田埂的保护，水力也起着侵蚀、搬运上坡梯田土壤的作用，但是整个坡式梯田系列可以起到较好的保土作用，同时，坡式梯田内部主要以耕作侵蚀为主，是造成梯田上部坡位土壤流失严重的主要原因；陡坡耕地的地形为复合坡，由于田埂垮塌导致其土壤侵蚀速率显著高于坡式梯田系列，在整个坡面上，除了坡顶土壤侵蚀速率高之外，下坡坡度变大（曲率较大）的部位土壤侵蚀速率也非常高，同时，土壤沉积也发生在2个坡位（中下坡坡度较缓的部位和坡脚部位）；在梯田系列和陡坡耕地上，SOC与土壤137Cs的空间变化规律较为一致。研究结果表明，在龙门山地震带，质量较好的石埂梯田仍然发挥着较好的土壤保持效果，同时，耕作侵蚀是该区坡耕地上一种重要的土壤侵蚀形式，在制定相应的土壤保持措施时，必须充分考虑耕作侵蚀的作用，才能有效地控制土壤侵蚀，此外，该研究结果还表明采用137Cs核素示踪技术可以比较科学地解释该区域的土壤侵蚀速率和SOC的空间变异规律。

关键词：土壤；有机碳；侵蚀；水；耕作；坡式梯田；137Cs；龙门山地震带

苏正安，李艳，熊东红，董一帆，张素，张宝军. 龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀对有机碳迁移的影响[J]. 农业工程学报，2016，32（3）：118－124.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.017http://www.tcsae.org

Su Zheng’an, Li Yan, Xiong Donghong, Dong Yifan, Zhang Su, Zhang Baojun. Effect of soil erosion in slope cultivated land of Longmenshan earthquake zone on lateral movement of soil organism carbon[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 118－124. (in Chinese with English abstract)

0　引　言

人为加速侵蚀及其产生的土壤退化和土壤碳库迁移是全球主要环境问题之一[1]。在坡耕地景观内，土壤侵蚀导致坡顶或凸形坡位土壤发生净侵蚀，土壤生产力逐渐下降，有机碳库不断被损耗，同时迁移的土壤物质在低洼的景观部位发生累积，并埋藏富含有机碳的原始土壤，形成土壤有机碳碳汇[2-4]。为了查明坡耕地SOC的损失量，首先需要探明SOC在景观中的时空分布特征[5]，但是土壤侵蚀及随后的迁移累积过程造成的SOC在景观中再分布难以被准确厘定[6-7]。因此，准确测定叠加了人为活动的土壤侵蚀速率，查明坡耕地土壤侵蚀空间分布特征和坡面有机碳变化规律始终是土壤侵蚀研究基础性和前沿性的科学问题，同时也是评价水保措施减沙效益、预测泥沙变化和土壤碳库变化趋势的基础[8-10]。

龙门山地震带长期受人类活动的扰动，并叠加气候变化以及全球性的频发地震活动影响，该区的生态脆弱性进一步暴露，水土流失非常严重[11-12]。龙门山地震带自东北向西南沿着四川盆地的边缘分布，这是一条绵延长约500 km，宽达70 km，规模巨大且地形起伏较大的断裂带[13]。该区域农业人口约占总人口的80%，人均耕地不足0.07 hm2，并以坡耕地为主[14]，农业基础设施条件较为薄弱。自2008年以来，龙门山断裂带先后经历了汶川大地震和雅安芦山地震，基于遥感和实地调查，汶川地震后龙门山地震带原有水土保持设施失去了控制水土流失的能力，此外，地震造成大量山体松动、裂缝、崩塌，出现了新的次生地质灾害隐患[11]，加之主汛期暴雨集中，新增水土流失面积大，土壤侵蚀趋于严重[12,15]。龙门山地震带水土相互作用长期处于失衡状态，导致粮食减产、人地矛盾更为突出、贫困加剧，直接威胁该区域生态环境安全和社会稳定，土壤侵蚀产生的泥沙对还对下游水电设施也造成巨大的威胁。

土壤侵蚀研究中的137Cs法具有快速、准确的优点，目前已广泛应用于土壤侵蚀和泥沙来源研究[2,16-19]。137Cs 是20世纪50～70年代大气层核试验产生的放射性同位素，半衰期30.1 a。当137Cs被雨和雪带到地球上后，在土壤表面几厘米与黏土颗粒结合，通过测定核素在地表水平断面和垂直剖面的赋存量和空间分布形态，就可以测定不同部位的土壤侵蚀（堆积）速率[18,20-21]。因此，137Cs成为土壤侵蚀研究中一种较好的示踪核素。

目前，针对龙门山地震带土壤侵蚀研究主要侧重于遥感解译和野外调查，采用其他定量方法开展坡耕地土壤侵蚀定量研究还比较少，亟需开展该方面的研究。本研究采用137Cs示踪法，结合野外调查和室内分析，查明该区域坡耕地上土壤侵蚀类型、速率和空间格局，探讨该区域坡耕地土壤侵蚀对土壤有机碳（SOC）的影响，从而为本研究区防治坡地水土流失和构建合理的水保措施奠定理论基础。

1　研究区域和研究方法

1.1研究区域

采样区（103°29'30"E，30°59'31"N）位于四川省都江堰市，属于岷江流域，毗邻紫平铺水库，图1。

图1　研究区位置图Fig.1　Location of study site

该区地貌为山地，海拔高度为800～2 300 m，相对高度约1 500 m。都江堰市属中亚热带季风湿润气候区，四季分明，年均降水量近1 200 mm，且80%以上的降雨量集中在6月到9月期间，年均无霜期280 d，年均气温15.2℃，最热的7、8月份平均气温为24℃左右，最冷的1月份平均气温为4.6℃，平均最低气温在1℃左右。该区土壤垂直带性分布明显，土壤主要以冲积土、水稻土、黄壤土、黄棕壤土、山地棕壤土和暗棕壤为主，本次采样坡耕地土壤主要为黄棕壤土。该区坡耕地主要以坡式梯田为主，梯田没有田埂，梯田坡度在5%～10%之间，该区大部分梯田年久失修，加上2008年汶川大地震和2013年四川雅安芦山大地震的影响，田埂垮塌，坡度变陡，逐渐失去水保作用，同时，也有部分石坎梯田仍然保存完好。由于该区梯田和坡耕地的地块小，当地农民主要采用传统锄耕方式，耕作方向是从坡脚向坡顶方向进行，土壤发生向下坡位移，种植结构以油菜—玉米为主。

1.2研究坡地

为了查明地震对龙门山地震带坡耕地的影响，本研究选择一个梯田系列（保存相对完好）和一块陡坡耕地（地震时田埂完全崩塌），从而探讨强震破坏田埂所导致的坡耕地土壤侵蚀和SOC迁移机理。梯田系列为坡度为3%～8%，坡长为5～15 m的7块农耕地，均为线性坡（图2a），耕作方式为顺坡，一年进行2次耕作；坡耕地的形成是由于地震时3块梯田的田埂完全垮塌，经过几年农民耕种，完全演变成一个连续的复合坡（图2b），坡长为40 m，上段部分较平缓（0～15 m，坡度30.7%），中段部分坡度变大（20～25 m，42.8%），下段部分最陡（30～40 m，80.3%）。

图2　坡耕地的纵断面图和采样点Fig.2　Transects of sloping farmland and sampling sites

1.3样点布设与样品采集

首先采集背景值土样，本研究的背景值点为研究坡耕地附近坡顶一块非常平坦、且没有侵蚀也没有沉积的草地。

坡耕地土壤样品采集采用双剖面线法。沿坡面纵断面线从坡顶至坡脚布设取样双剖面线，每隔5 m布设一个137Cs样品采集点（图2）。利用直径8 cm的取样器（荷兰Eijkelkamp）进行137Cs和土壤农化分析样品的采集，每个坡位取2个重复样并按照发生层进行分层，将取样筒垂直打入地面取剖面全样，取样深度依土壤发生层深度而定。

1.4试验观测与分析方法

土样经风干、研磨、过筛（孔径2.0 mm），剔除大颗粒及植物根系，称重后待测。137Cs样品测定利用美国堪培拉（CANBERRA）公司生产的高纯锗（HPGe）探头多道γ能谱仪，经前置放大和数字转换后，接多道分析仪测定。每个样品测试质量不小于350 g，测试时间为50 000 s，样品重复测试结果相对误差＜5%。

实验室常规分析方法分析土壤理化特性。有机质采用重铬酸钾法；容重采用环刀法[22]。

1.5定量分析

坡耕地土壤侵蚀速率根据本底值与采样值的大小选择137Cs平衡模型来计算总侵蚀量，当本底值大于采样值选用Zhang等提出的简化模型[18]

式中Re为土壤侵蚀速率，t/(hm2·a)；Dt为耕层深度，m；B为容重，kg/m3；P为土壤粒径校正系数；X为137Cs含量减少的百分比（X=(Ae−A)/Ae×100，A为土壤137Cs值，Bq/m2；Ae为土壤有效137Cs背景值，Ae=A0(1−R)，A0为土壤137Cs背景值，R为地表径流系数；t为采样时的年份。

2　结果与分析

2.1背景值

从图3可以看出，龙门山地震带（都江堰市）的土壤137Cs背景值含量为2 017 Bq/m2，基于该区的径流系数0.27[23]，该区的有效背景值为1 472 Bq/m2。在土壤剖面上，137Cs含量从表层向下层呈显著减小的趋势，呈指数递减趋势，在地表35～40 cm仍然能够被检出，但是含量已经衰减到较低含量。在表层（0～5 cm）土壤137Cs浓度为6.16 Bq/kg，然后随着土层深度增大，土壤137Cs浓度依次下降，在35～40 cm土壤137Cs浓度仅为2.91 Bq/kg，这表明该区域的土壤137Cs从表层向下层呈逐渐迁移的趋势。

图3　土壤137Cs背景值深度分布图Fig.3　Depth distribution of137Cs reference value

2.2土壤侵蚀速率

从图4a和图4b可以看出，梯田系列土壤137Cs面积浓度均从上部坡位向下部坡位方向呈逐渐增加的趋势，土壤侵蚀速率从上坡向下坡方向呈逐渐减少的趋势。从图4a和图4b可以看出，梯田系列从上部梯田到下部梯田的土壤137Cs面积浓度分别为1 218.20、1 719.59、2 177.79、2 168.86、2 104.86、1 931.17、2 236.74 Bq/m2，即土壤137Cs面积浓度整体上从上部梯田向下部梯田方向呈增加趋势，土壤侵蚀速率则相应地从上部梯田向下坡梯田方向逐渐减小，甚至表现为以沉积为主，整个梯田系列的土壤侵蚀速率接近零，即整个梯田系列基本上没有净土壤流失现象发生；在相邻2块梯田之间，所有上部梯田的下部坡位土壤137Cs面积浓度均显著高于下部梯田上部坡位的土壤137Cs面积浓度，即下部梯田上坡部位的土壤侵蚀速率显著高于上部梯田下坡部位，从而导致整个梯田系列的土壤137Cs面积浓度和土壤侵蚀速率在空间上具有很强的离散性，而不具备连续性；除了第6块梯田之外，在每一块坡式梯田的内部，从上坡部位向下坡部位土壤137Cs面积浓度均呈逐渐增加的趋势，即梯田上坡部位的土壤137Cs面积浓度较低，土壤侵蚀速率高，下部坡位的土壤137Cs面积浓度相对较高，往往表现为土壤沉积。

图4　梯田系列和陡坡耕地的土壤137Cs和土壤侵蚀速率的空间变化Fig.4　Spatial variation of137Cs inventories and soil erosion rates along transects of terraced fields and steep sloping farmland

从图4c～图4d可以看出，相比于梯田系列，坡耕地由于地形为复合坡，土壤137Cs面积浓度的空间分布与梯田系列具有显著的差异性，且坡耕地整体上土壤侵蚀速率显著大于梯田系列。坡耕地的上段部分（0～15 m），土壤137Cs面积浓度从上部坡位向下坡部位呈逐渐增加的趋势，土壤侵蚀速率呈逐渐降低的趋势，在15 m处表现为沉积；在坡耕地中段部分（20～25 m），相比上段部分坡度较大，但土壤侵蚀速率并不高，在20 m处主要表现为土壤传输为主，在25 m处土壤137Cs面积浓度急剧增加，即使在整个坡面上，该部位的土壤137Cs面积浓度也是最高，土壤沉积现象非常明显；在坡耕地的下段部分（30～40 m），由于坡度急剧增加，土壤137Cs面积浓度也急剧下降，土壤侵蚀速率显著增加，在整个坡面的坡脚位置土壤137Cs面积浓度再次出现急剧增加的趋势，且显著大于有效背景值，土壤沉积现象明显。

2.3土壤SOC的空间分布格局

从图5a可知，梯田系列的土壤有机碳的面积浓度空间变化与土壤137Cs面积浓度空间变化规律较为一致，呈波动增加的趋势，这表明该区域坡式梯田由于缺乏田埂的保护，降雨和地表径流导致SOC从上部梯田向下部梯田搬运，并在底部梯田沉积。值得注意的是两块梯田相邻坡位的SOC面积浓度并不连续，且往往下一阶梯田的上坡部位的SOC面积浓度显著低于上一阶梯田下坡部位，呈陡降的趋势，与此同时，在同一个梯田的内部，下坡部位的SOC含量往往显著高于上坡部位，这表明在梯田内部，耕作侵蚀导致SOC的顺坡迁移趋势非常显著，且耕作侵蚀的作用显著大于水力侵蚀。Zhang等[24]在川中丘陵区、三峡库区紫色土坡式梯田区域也提出了与本研究坡式梯田SOC空间分布相似的研究结论。

图5　顺坡梯田系列和陡坡耕地土壤有机碳的空间分布Fig.5　Spatial variation of SOC along transects of terraced fields and steep sloping farmland

陡坡耕地的纵断面顺坡各部位SOC空间分布见图5b。从整个纵断面分布看，SOC面积浓度呈先增加后减小再增加的趋势，这与土壤137Cs面积浓度的空间变化较为相似。在坡耕地上段部位，SOC面积浓度从上部坡位向下坡部位呈逐渐增加的趋势；在坡耕地中段部分（20～25 m），相比上段部分坡度较大，在20 m处SOC面积浓度与相邻上坡部位的SOC面积浓度相似，在25 m 处SOC面积浓度急剧增加，且该处SOC面积浓度达到最大值，这表明该部位的土壤沉积现象非常明显；在坡耕地的下段部分，由于该部位的坡度显著增加，SOC面积浓度也急剧下降，在整个坡面的坡脚位置SOC面积浓度再次出现急剧增加的趋势。尽管该复合坡的SOC空间分布格局不同于Su等[25]、Zhang等[24]在紫色土区线性坡坡耕地的SOC空间分布格局，也不同Li等[26]提出的紫色土区复合坡SOC空间分布格局，这主要是由于线性坡和复合坡的差异，以及三峡库区和龙门山断裂带的农民采取了不同耕作措施（三峡库区农民采用传统顺坡耕作为主，而龙门山断裂带坡耕地坡度大，尽管农民仍以顺坡耕作为主，但在地形变化剧烈部位常采用保护性耕作措施）所致。

2.4土壤侵蚀对SOC顺坡迁移的影响

从图6可见，梯田系列和坡耕地SOC面积浓度空间变化均与土壤137Cs面积浓度空间变化较为一致，二者具有显著的相关关系（P＜0.05），从而表明坡式梯田系列和坡耕地内土壤侵蚀过程均会显著影响SOC的顺坡迁移过程。在单块坡式梯田或坡耕地景观内，耕作侵蚀均会显著地改变其SOC空间分布，并造成坡顶土壤不断被侵蚀，SOC面积浓度也不断地下降，而梯田和坡耕地下坡部位的土壤不断堆积，SOC面积浓度不断增加。与此同时，在梯田系列中，由于坡式梯田之间缺乏必要的水土保持设施，水力侵蚀会导致上部梯田的土壤SOC向下部梯田迁移，但是由于该区域的梯田坡长较短，地表径流侵蚀、搬运能力有限，水力侵蚀对于上部梯田下坡部位的侵蚀作用并不能抵消耕作侵蚀在该部位的堆积作用，同时耕作侵蚀在坡顶部位的侵蚀作用也显著大于水力侵蚀从上一阶梯田的土壤搬运、沉积作用，最终表现为上一阶梯田下坡部位的SOC面积浓度仍显著高于紧邻的下一阶梯田上坡部位的SOC面积浓度。

3　讨　论

Zhang等在中国的长江上游测定的黄棕壤和川中丘陵区紫色土土壤有效137Cs背景值分别为2 019和1 730 Bq/m2[18]，基于土壤137Cs的衰减系数，换算至2014年应分别为1 568和1 343 Bq/m2，该研究中测定的黄棕壤土壤有效137Cs背景值为1 472 Bq/m2，与Zhang等[18]研究结果较为相似，从而表明该值比较可靠。

龙门山地震带顺坡梯田系列土壤137Cs含量和SOC的空间分布具有高度的相似性，二者在整个梯田系列中含量较高，均具有较高的离散性，在单个梯田内部表现为上坡部位面积浓度较低、下坡部位面积浓度较高，这表明：1）该区域坡式梯田的坡度较小，加上梯田起着截短坡长的作用，整个梯田系列的土壤净流失量比较小，梯田系列发挥着较好的水土保持作用；2）龙门山地震带坡式梯田内部土壤和SOC不断地被径流和耕种活动从梯田上部搬运到梯田下部，这说明该区域梯田由于没有整平，尽管坡改梯起到截断坡面，缩小坡长的作用，但是耕作导致的土壤侵蚀（即耕作侵蚀）强度并未减低，耕作侵蚀在单个坡式梯田内部的土壤侵蚀、搬运过程中和SOC的顺坡迁移过程中起着关键性的作用，该研究中梯田系列中单个梯田内土壤侵蚀、沉积规律以及SOC空间分布与苏正安等[27]、Li等[28]，Su等[25,29]，Zhang等[30]在川中丘陵区、三峡库区等紫色土坡耕地上的研究结果相似；3）相邻两块梯田之间的土壤137Cs面积浓度不具有连续性，而具有很强的离散性，且下部梯田上坡部位土壤137Cs面积浓度均显著低于上部梯田的下坡部位的土壤137Cs面积浓度，由于耕作侵蚀仅能够使土壤在坡耕地内部发生再分配，而不能够将土壤搬运出坡耕地，该结果同样表明耕作侵蚀在梯田内部的土壤再分布过程中起着决定性的作用，以上研究结果与Zhang等在川中丘陵区、三峡库区[2,24]的研究结果相似，这表明长江上游坡式梯田的土壤侵蚀机理具有很高的相似性；4）尽管梯田系列中水力侵蚀未能扮演主要角色，但由于坡式梯田之间没有植物篱和田埂的阻拦，坡式梯田之间具有较高而陡的边坡，起着加速径流的作用，导致梯田之间仍然存在一定的径流、泥沙输移现象[31]，野外调查中发现，第6块梯田上坡土壤137Cs面积浓度高的原因就是由于上部梯田土壤被侵蚀、搬运到该部位所致，该研究结果与Zhang等[32]在沂蒙山区梯田系列中的研究结果较为一致。因此，在解释该区域梯田系列的土壤侵蚀过程和SOC顺坡迁移规律时，不能够忽略耕作侵蚀的显著贡献，同时，在该区域开展坡面土壤侵蚀防治工作时，亟需采取针对性的土壤侵蚀防治对策，防治对策不仅需要考虑缩短坡长、减缓坡度、修建田埂、种植植物篱等措施削弱水力侵蚀[33-34]，而且需要考虑改变耕作方式，从而减弱耕作侵蚀的显著影响。

通过对比陡坡耕地（强震导致三块梯田田埂垮塌所形成复合坡）和顺坡梯田系列的土壤137Cs含量和SOC的空间分布差异可以发现：1）强震作用下梯田田坎垮塌不仅改变了原有的地形地貌，而且由于坡长和坡度增加会导致整个坡面的水力侵蚀加剧，总土壤侵蚀速率也会显著地增加；2）强震导致坡耕地地形地貌的变化也会显著改变坡耕地的土壤侵蚀空间变化规律和SOC的空间分布规律；3）在坡耕地的坡顶部位，该处缺乏地表集中径流冲刷作用，但土壤137Cs含量和SOC的含量均为最低，侵蚀速率最高，而在坡长为25 m处，理论上地表径流汇集较为明显的坡位，土壤137Cs含量和SOC的含量却较高，这是由于当地农民在该部位耕作时，由于坡耕地的下段坡度非常大而选择采用保护性耕作措施，尽量减少土壤向下搬运量所致，这表明在该坡耕地上，单纯采用水力侵蚀难以解释土壤的空间分布格局，相反，耕作侵蚀对该坡耕地的土壤再分布起着决定性的作用。该研究结果与Li等[26]，Zhang等[24]提出的紫色土坡耕地SOC顺坡迁移机制相似，从而表明强烈地震通过改变坡耕地原始地形地貌，进而影响了坡地耕作侵蚀和水力侵蚀过程，最终对SOC的顺坡迁移过程产生了影响。

综上可见，在龙门山地震带，坡耕地和坡式梯田SOC迁移过程受到水力侵蚀和耕作侵蚀的双重作用影响，而在坡耕地的上部以及坡长较短的坡耕地景观内，耕作侵蚀对SOC迁移的影响作用显著大于水力侵蚀，因此，耕作侵蚀是该区坡耕地上一种重要的土壤侵蚀形式，在制定相应的土壤保持措施时，必须充分考虑耕作侵蚀的作用，才能有效地控制土壤侵蚀，此外，该研究还表明采用137Cs核素示踪技术可以比较科学地解释该区域的SOC的空间分布格局。

4　结　论

本文通过对比分析一个梯田系列和一块陡坡耕地土壤侵蚀空间变化特征及其对SOC顺坡迁移的影响，结论如下：

1）龙门山地震带（都江堰）的黄棕壤有效137Cs背景值为1 473 Bq/m2。

2）从整体上看，坡度较小的石坎梯田系列经历强震之后仍能起到较好的土壤保持作用，而强震后田埂垮塌的坡耕地土壤侵蚀速率变大。

3）梯田系列与坡耕地的上坡部位土壤侵蚀均比较严重，主要是由于耕作侵蚀导致单个坡式梯田和坡耕地上坡部位土壤发生流失，而在下坡堆积所致。因此，该区域的坡耕地的水土流失防治还必须注重减弱耕作侵蚀的作用，采取科学的耕作措施（如等高耕作、免耕等）。

4）该区梯田系列和坡耕地SOC面积浓度空间变化均与土壤137Cs面积浓度空间变化较为一致，二者具有显著的相关关系，SOC顺坡迁移过程受到耕作侵蚀和水力侵蚀的双重作用影响，且采用137Cs核素示踪技术可以对该区域的土壤侵蚀速率和SOC空间分布格局进行比较科学地解释。

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Effect of soil erosion in slope cultivated land of Longmenshan earthquake zone on lateral movement of soil organism carbon

Su Zheng’an1,2, Li Yan1※, Xiong Donghong2, Dong Yifan2, Zhang Su2, Zhang Baojun2
(1. Ecological Security and Protection Key Laboratory of Sichuan Province, Mianyang Normal University, Mianyang 621000, China; 2. Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)

Abstract:Soil erosion in the sloping farmland has been recognized as a major contributor that affects soil organic carbon (SOC) stocks and dynamics. However, understanding of the influence of accelerated soil erosion (water erosion and tillage erosion) on carbon dynamics is limited. In particular, little is known on the influence of earth quake-induced erosion and deposition on SOC stocks and dynamics in terraced field systems and steep sloping farmland in Longmenshan earthquake zone, China. In this study, we assessed the spatial variation of soil erosion and lateral movement of soil organic carbon (SOC) in toposequence of stone dike terraces as well as a steep sloping farmland of Longmenshan earthquake zone, China using137Cs technique and field investigation. In this study area, effective137Cs reference value of the yellow brown soil was estimated at 1 473 Bq/m2. Soil loss appeared over the upper parts of the slopes and deposition occurred towards the downslope boundary on each terrace, as well as soil loss at upper terraced fields and soil accumulation at lower terraced fields.Those results indicated that water erosion could transport soil from upper terrace to lower terrace due to lacking banks between two adjacent terraces. It should be noted that net soil erosion rate in the toposequence of the terraced fields was very low. Meanwhile, tillage erosion played an important role in transporting soil from upper slope positions to lower positions within a terrace. Soil erosion rates in the steep slope were higher than those in the toposequence of terraced fields. Besides water erosion, collapse of terrace resulting from earthquake and tillage erosion were also important soil erosion processes on the complex slope. In the steep sloping farmland, soil erosion rates were high at the summit and the lower slope with a high slope curvature. Soil accumulation appeared at lower slope with a low slope curvature and toe slope position. Discrete patterns of SOC inventories (mass per unit area) appeared over the whole terraced toposequence, while SOC inventories were low over the upper parts of the slopes but increased towards the downslope boundary on each terrace. For the steep slope farmland, SOC inventories were lower at the top of slope and at lower slope position with a high slope curvature. Soil organic matter inventories in the terraced filed series and steep slope farmland showed a similar pattern as the137Cs inventories. Those patterns were consistent with redistribution of SOC with soil as coupling effect of tillage erosion, water erosion and collapse due to earthquake. Those results indicated that terraced fields played an important role in soil conservation and SOC sequestration in the Longmenshan earthquake zone, China. Although different soil erosion processes were observed between the terraced field series and steep sloping farmland, severe erosion due to anthropogenic activity after the Wenchuan Earthquake significantly changed spatial variations in SOC inventories. In other words, tillage erosion was also one of the important soil erosion processes within a sloping farmland. More attention should be paid to prevention of tillage erosion in this area. Our results demonstrated that terrace with stone dike can better conserve soil in this earthquake stricken area. Soil erosion caused by tillage was one of the major soil erosions in this region for the sloped land.Soil conservation practice must be taken into a consideration in agriculture production. Our results also showed that137Cs can be used to successfully trace soil erosion and SOC dynamics in sloping farmland in the Longmenshan earthquake zone, China.

Keywords:soils; organic carbon; erosion; water; tillage; slope terrace;137Cs; Longmenshan earthquake zone

作者简介：苏正安，男，四川江油人，副研究员，博士，2014年赴美国国家土壤侵蚀实验室访问，主要从事土壤侵蚀和水土保持研究。成都中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，610041。Email：suzhengan@imde.ac.cn。※通信作者：李艳女，四川乐山人，副教授，博士，2014年赴美国普渡大学访问，主要从事土壤和植物生态学研究。绵阳绵阳师范学院/生态安全与保护四川省重点实验室，621000。Email：leeleehi@163.com。

基金项目：生态安全与保护四川省重点实验室开放基金资助（ESP201303）；国家自然科学基金（41401313）；四川省应用基础研究计划项目（2014JY0067）

收稿日期：2015-07-21

修订日期：2015-12-04

中图分类号：S157.1；S155.2+4

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-03-0118-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.017 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.017http://www.tcsae.org