（环境科学与工程专业论文）红壤丘陵区坡地侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t w h i l et h eo v e r a l li m p a c to fs o i le r o s i o no nc a r b o nc y c l ei su n c e r t a i na n d r e m a i n sh i g h l yd e b a t e d ，e r o s i o ni s g e n e r a l l yr e g a r d e dt oe x e r ta ni m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h ea s s e s s m e n to f “u n k n o w nc a r b o n ”a l t h o u g hs o i le r o s i o ni s s e v e r ei nt h eh i l l yr e ds o i l r e g i o n ，r e s e a r c ho nt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo f e r o s i o ni m p a c t so ns o i lc a r b o ni sn o tr i c he n o u g h t h r o u g hp l o t - s c a l e df i e l d r a i n f a l ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，e f f e c t so fw a t e re r o s i o no nt r a n s p o r t a t i o no f s o i lo r g a n i cc a r b o no nas l o p ew e r ea n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a t ( 1 ) a f t e r30 m i n u t e so fr a i n f a l l ，t h et o t a ls e d i m e n t a s s o c i a t e dl o s so fo r g a n i cc a r b o nw a s 5 6 0 9ga n d3 18gr e s p e c t i v e l yf o rt h eh i g hi n t e n s i t y ( 1 6 4m mm i n 。1 ) a n dl o w i n t e n s i t yr a i n f a l l ( o 5 8 m mm i n 1 ) ，a n dt h et o t a lr u n o f f - a s s o c i a t e dl o s s o f o r g a n i c c a r b o nw a s13 55ga n d2 81 gr e s p e c t i v e l yf o rt h eh i g hi n t e n s i t y ( 1 6 4m mm i n u ) a n dl o wi n t e n s i t yr a i n f a l l ( o 5 8m mm i n u ) f r o map l o t2m x 5mi ns i z e i n t e n s i t ya n dd u r a t i o no fr a i n f a l l sh a ds i g n i f i c a n te f f e c t so nt h e p r o c e s so fs o i lo r g a n i cc a r b o nl o s s t h eh i g h e rt h er a i n f a l li n t e n s i t y ，t h e q u i c k e ra n dt h em o r eo r g a n i cc a r b o nw a sl o s tw i t hs e d i m e n ta n dr u n o f f ；i nt h e i n i t i a l18m i n u t e so fr u n o f ft r i g g e r e db yr a i n f a l lo fh i g hi n t e n s i t y ，t h eo r g a n i c c a r b o ne n r i c h m e n tr a t i o ( e r s o e ) o ft h es e d i m e n ti s h i g h e rt h a n1 ，a n d a f t e r w a r d si t d r o p p e db e l o w1 ，w h i l et h r o u g h o u tt h er a i n f a l le v e n tl o wi n i n t e n s i t y i tr e m a i n e db e l o w1 a l t h o u g hn o ts i g n i f i c a n t ，h o r i z o n t a lo n s i t e r e d i s t r i b u t i o no fs o co c c u r r e do nt h es l o p er e g a r d l e s so fr a i n f a l li n t e n s i t y ( 2 ) v e r t i c a lt r a n s p o r to fs o co c c u r sa f t e rb o t hr a i n f a l l si nt h ed i f f e r e n ts l o p e p o s i t i o n s s o cc o n t e n t sd e c l i n e ds i g n i f i c a n t l yi nt h e 0 - 10c ma n di n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l yi nt h e1o 一3 5c md e p t h s t h er e s u l t si n d i c a t et h a ts o ct r a n s p o r t e d v e r t i c a l l yf r o mt h es u r f a c e 1o c ms o i lt ot h ed e e p e rs o i l l a y e r sd u r i n gw a t e r e r o s i o n ( 3 ) d u r i n gt h e r a i n f a l le v e n th i g hi ni n t e n s i t y ，ac u b i cr e g r e s s i o n r e l a t i o n s h i p w a so b s e r v e db e t w e e nc o n c e n t r a t i o no fs o i l o r g a n i c c a r b o ni n r u n o f fa n dv o l u m eo ft h er u n o f f , a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cc a r b o ni n s e d i m e n tw a sr e l a t e dt ov o l u m eo ft h es e d i m e n t ，s h o r e l a t i o n s h i p f o r t h el o wi n t e n s i t yr a i n f a l l ，al i n e a r w i n g r e l a a no b v i o u sc u b i c t i o n s h i pa p p e a r e d d e m o n s t r a t i n gar i s i n gt r e n do fo r g a n i cc a r b o nl o s sw i t hv o l u m eo ft h er u n o f f r e s u l t si n d i c a t et h a t ：( i ) r a i n f a l li n t e n s i t ya n ds l o p ep o s i t i o ni n f l u e n c et h e s o cd e l i v e r yp r o c e s s ，a se v i d e n c e db yt h es i g n i f i c a n tc h a n g e si ns o cs p a t i a l i i i 红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究 t r e n d sw i t hi n c r e a s i n gr a i n f a l l i n t e n s i t y ，a n dt h ed i f f e r e n td y n a m i cp a t t e r n s o b s e r v e da td i f f e r e n t s l o p ep o s i t i o n s ；( i i ) s o i lp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l y s o i l t e x t u r ea n di n i t i a ls o cc o n t e n t ，a f f e c tt h ee n r i c h m e n tr a t i oo fe r o d e ds o ci n s e d i m e n t s ；a n d ( i i i ) s o ch o r i z o n t a lr e d i s t r i b u t i o n ，d e p o s i t i o no fv e r t i c a l t r a n s p o r t ，a n dp r e s e r v a t i o no fs o i lc o u l dr e d u c et h ea m o u n t so fs o cl o s ta n d i n f l u e n c eal a r g e rs c a l ec a r b o nc y c l e k e yw o r d s ：s o i le r o s i o n ；r a i n f a l ls i m u l a t i o n ；s o i lo r g a n i cc a r b o n ( s o c ) ；r e d s o i l 硕士学位论文 插图索引 图1 4 本研究技术路线图9 图2 1 研究区域1 0 图2 2 1 a 雨强率定试验器材布设平面图11 图2 2 1 b 率定试验现场图1 2 图2 2 2 径流小区布设示意图1 3 图2 2 3 模拟降雨实验现场图1 3 图2 2 4 土壤采样点布置图1 4 图3 1 a 不同雨强条件下产流产沙速率的过程曲线特征1 8 图3 1 b 不同雨强条件下累积径流泥沙量过程曲线特征1 9 图3 2 1 不同雨强条件下径流泥沙有机碳速率过程曲线特征2 0 图3 2 2 不同雨强条件下径流泥沙有机碳含量过程曲线特征2 1 图3 2 3 不同雨强条件下有机碳富集比过程曲线变化特征2 2 图3 3 不同雨强条件下o - 2 0 c m 土层有机碳水平再分布特征2 4 图4 1 不同雨强降雨前后土壤有机碳剖面分布格局变化特征2 7 图4 2 不同雨强条件下土壤有机碳剖面分布格局变化特征2 8 图4 3 水力侵蚀条件下土壤有机碳剖面分布格局的变化特征3 0 图5 1 1 大雨强条件下泥沙携带的有机碳流失量与泥沙量之间的定量关系3 0 图5 2 a 大雨强条件下径流中有机碳含量与径流量之间的定量关系( n - 1 1 ) 31 图5 2 b 小雨强条件下溶解于径流的有机碳流失量与径流量之间的定量关系( n - 1 0 ) 3 2 i 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着大气中温室气体浓度的不断升高，全球气候变暖的趋势越来越明显。 1 9 9 0 年，政府间气候变化委员会( i p c c ) 【1 】根据全球气候模型预测，到2 1 世 纪中叶，c 0 2 浓度倍增后，全球可能增温1 5 - - 4 5 。碳主要在通气状态下释 放出c 0 2 以温室效应的形式影响全球变化，近年来大气中c 0 2 含量以1 5 p p m v 年q 或o 4 年q 的速率增加【2 ；3 】。碳循环研究正是在全球气候变暖背景下应运 而生的科学热点。从全球碳循环的角度考虑，明确陆地和海洋亚循环中的各个碳 流通的路径以应对气候变化的影响是未来的研究重点，这需要定量测算不同途径 的碳通量来测定“源与汇”的本质和数量。由于土壤碳库的巨大储量，在陆地碳循 环研究中，定量客观地评价土壤侵蚀对碳动态的影响显得尤为重要。 1 9 7 3 年，r e i n e r s 4 1 第一次提出c 0 2 “失汇”问题。2 0 世纪9 0 年代，许多研 究人员开展了全球碳收支平衡的估算，提出了“丢失碳”的众多可能去向。19 9 8 年，s t a l l a r d1 5 将陆地碳循环与泥沙过程联系起来，发表了土壤侵蚀是全球“丢 失碳”的一个净碳汇的研究报告，土壤侵蚀( 尤其是水蚀) 对全球碳循环的影响 开始受到广泛关注。2 0 0 5 年，旨在全球温室气体减排的京都议定书正式生 效，第3 4 款提出可以通过增加生态系统碳库来补偿经济发展中的碳排放。在找 到有效的工业c 0 2 排放替代技术之前，寻求能源碳排放在农业中的截留成为国 际上的共识。近年来，土壤侵蚀对农田s o c 的影响尤其受到重视，大量研究集 中于新的管理措施带来的农耕地固碳作用【6 ；7 】。然而，由于对土壤侵蚀在全球 碳循环中的作用认识不足，目前对全球农业碳截留潜力的预测可能不准确【8 】。 用土壤类型法对全球1 m 深度的土壤有机碳( s o c ) 储量作估算，统计值约 为1 5 0 0 p g 【9 ；10 1 ，约为大气c 0 2 c 总量的2 3 倍【1 1 1 。由于s o c 储量巨大且主 要富集于表层，土壤侵蚀可以引起大规模的s o c 空间重分布和c 0 2 释放。当 前，多数学者认同加速侵蚀不仅可造成土壤退化，水体富营养化等一系列环境问 题，也通过影响土壤有机碳( s o c ) 强烈影响全球的碳循环【l 2 1 3j 。然而，土壤 侵蚀对大气碳库的效应仍不清楚，是全球碳平衡估算中一个未能定量确定的组分 1 2 1 ，存在关于“源”与“汇”的巨大争议，其数值大小也有不同估计。一些学者认为 侵蚀是大气c 0 2 碳库的一个“碳源，【1 2 ；1 4 ；”】，对c 0 2 排放量的估计值约为 1 1 p gcy r 1 【2 】；另一些学者认为土壤侵蚀对大气c 0 2 碳库是一个有效的“碳汇” 1 1 6 - 1 9 1 ，估计值高达1 5 p gcy r 1 【5 1 。而最新的一些研究表明，全球范围的“净碳 1 红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究 汇效应存在但数值较小，在1p gcy r 。1 以下 1 6 硼】。本研究围绕土壤侵蚀影响 s o c 的关键科学问题，回顾国内外近年来对侵蚀影响s o c 所涉及的基本理论问 题一侵蚀影响s o c 的主要机制、空间分布以及储量和通量的研究进展，讨论提 出进一步研究的展望，并通过实验，就红壤丘陵区侵蚀影响s o c 的物理运移机 制开展研究，期望丰富侵蚀影响s o c 的研究理论。 1 2 国内外相关研究进展 土壤作为生物非生物自然体是由矿物基质和土壤有机质两大部分组成，因 此土壤碳库也包括s o c 和无机碳两部分。由于土壤无机碳不能被生物直接利 用，因此多数研究集中于s o c 。s o c 是土壤有机质的重要组成部分【2 引，常被用 来作为土壤有机质评估的标准【2 1 1 。其是由不同周转周期的有机碳组分构成，根 据其平均驻留时间( m r t ) 大致可分为活性( a c t i v e ) 、缓性( s l o w ) 和惰性 ( p a s s i v e ) 碳组分【2 2 1 。活性有机碳是指在一定的时空条件下受植物，微生物影 响强烈，有一定溶解性，在土壤中移动比较快，不稳定，易氧化，易矿化，在形 态和空间位置上对微生物来说活性比较高的那部分。活性有机碳相对于总有机碳 来说，对土地利用方式和土壤管理措施的反应更为敏感，因此常被用来表征土壤 c 的变化，评价土壤c 的属性。 1 2 1 土壤侵蚀影响土壤有机碳的主要机制 一般说来，侵蚀影响s o c 的机制主要有物理，化学及生物三种机制。 1 ) 物理机制土壤侵蚀影响s o c 的物理因素众多，如土壤湿度、温度、土 壤质地、降雨量与降雨强度等。 快速湿润可以加速土壤流失【2 引，同时加速碳流失。有研究表明，与粘土相 比，壤土和砂粘土容易流失更多的土壤，尤其在土壤水份饱和的情况下【2 4 1 。 j o b b f i g y 等【25 j 认为s o c 含量随着降雨量和粘粒含量增加而增加，随着温度升高 而降低。s c h l e s i n g e r 【2 6 】研究表明，活性有机碳的矿化因为土温和湿度的改变而 加速。过度的径流使得地表变干，从而降低了土壤湿度，增加了土壤温度，矿化 速度随之增大。土壤c 0 2 浓度与土壤温度和c 0 2 c 通量有显著正相关，但与土 壤水分没有相关关系。严重侵蚀阶段，碳通量数据变化更大，碳通量冷季较低， 暖季则较高【2 】。这些研究从外界物理条件，尤其是水分和温度的角度考虑侵蚀影 响s o c 。 土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，是土壤碳动态研究中的一个关键物理 指标，在侵蚀影响s o c 的机理研究中得到了广泛重视 2 7 - 2 9 。团聚体形成于土 壤颗粒的重排列，絮凝和胶结作用【3 0 】，这个过程受到生物和离子的连接作用， 2 硕士学位论文 有机碳、粘粒和碳酸盐含量的综合控制。团聚体的强度和稳定性取决于涨缩过 程，生物活性，各种有机析出过程，湿润和干燥周期循环的强度、频率和持续时 问 3 u ，以及整个土壤层的结构状况【3 l ；3 2 】。土壤侵蚀和沉积过程伴随着团聚体的 迁移、崩解和重新形成，从而对团聚体内部包裹的s o c 有深刻影响。如方华军 等【28 j 指出侵蚀部位土壤碳含量减少的主要机制是水稳性大团聚体被破坏，从而 使其内部包裹的轻质、细颗粒物质随地表水迁移流失，而微团聚体碳可在沉积区 土壤中积累，形成一个局地惰性碳汇。s t a r t 等【2 9 】研究认为土壤团聚体随着雨滴 的击溅和剪切力作用分解，c 0 2 随之被排放进入大气。可以看出，通过土壤团聚 体这一关键指标研究侵蚀对s o c 动态和空间分布的影响具有重要意义。 2 ) 化学和生物机制土壤侵蚀对土壤有机质的组成和结构( 如颗粒、密度， 光谱特性等) 等也有影响。土壤有机质( s o m ) 是由可分辨的植物、动物以及 一些结构组织已经发生改变，甚至与其原始结构组织再不相同的物质所组成的混 合物【33 1 。s o c 在表土层的富集主要受到植被残落物输入量的影响。其在表土层 的富集使得表土层形成良好的土壤结构，透水性和养分有效性，进而又增强了植 被生长和残落物凋落，如此，形成了一种良性的反馈机制。土壤侵蚀过程往往会 使这种反馈机制发生改变【34 。，影响s o c 的输入量，组成和结构。 生物活性，尤其是微生物作用影响s o c 的矿化过程。s o c 由生物有效性不 同的各组分组成，其中，水溶性的有机碳较易为微生物利用，而固相中的有机碳 较难分解【35 1 。伴随着土壤侵蚀过程，部分s o c 发生矿化，释放c 0 2 ，土壤微生 物在其中扮演了十分重要的角色，因为表层土壤中微生物的异养呼吸可导致大量 的土壤有机碳归还到大气圈。有研究表明，在迁移和积累过程中，微生物容易利 用分解s o c 中的轻质活性碳组分【2 引。s o c 的可溶性特征可造成碳流失【36 。，而 坡上侵蚀迁移的水溶性有机碳( w s o c ) 迁移到沉积部位后，土壤粘粒及矿物吸 附的w s o c 数量减少，大部分被地表径流携带输移，或被微生物利用矿化分解 【37 1 。b a j r a c h a r y a 等【3 8 】认为侵蚀阶段间接的通过土壤温度、生物活性来影响土 壤c 0 2 浓度。土壤侵蚀也可改变s o c 的光谱特性。在o 4 2 5 p m 波段，随着 s o c 增加，土壤反射率减小【3 9 1 。土壤侵蚀发生后，s o c 的迁移流失影响其光谱 特征。因此一些学者根据连续光谱或其衍生物，使用模型模拟方法预测s o c 变 化【4 0 1 。但把预测模型结合航空或卫星遥感影像来研究的较少1 4 。 总的来说，在微观领域，侵蚀影响s o c 的机理研究历来是一个重要方面， 然而，也是有待深入探讨的方向。微观机理认识深刻影响宏观领域研究，例如， 对侵蚀的碳“源汇”争议有重要影响。因为造成这种相异观点的原因是多方面 的，如土壤侵蚀过程中复杂的生物作用【1 6 】以及伴随土壤侵蚀过程发生的一系列 复杂的物理化学过程 4 2 - 4 7 】。只有对侵蚀影响s o c 的物理、化学和生物机制有 3 红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究 了更加深刻的理解，才能更加准确地判断其宏观的“源汇”效应。今后的研究 中，土壤侵蚀对土壤微生物群落组成、多样性的影响等生物机制可能是需要关注 的方向。 1 2 2 土壤侵蚀对土壤有机碳空间分布格局的影响 侵蚀和土壤物质的迁移导致了s o c 的水平再分布【4 8 ；4 9 1 。s o c 的水平再分 布造成其在沉积区的积累和埋藏【1 3 】。探明陆地生态系统中碳的侧向迁移是全球 碳循环研究中的一个关键科学问题【5 ：47 1 ，同时，对于探明土壤碳库对大气c 0 2 c 库的作用并且实施减少大气碳含量的措施也非常重要。 土壤颗粒是土壤碳流失的主要载体【5 0 ；5 ，低密度、细颗粒物质的侧向迁移 和累积影响侵蚀和沉积部位的土壤剖面特征。朱远达等【5o 】指出侵蚀是坡面土壤 碳和养分再分布过程及分布差异的主要因素。一般认为，沉积区由于输入了侵蚀 土壤，土壤a 层更厚【52 1 ，或是存在深埋的a 层【5 3 1 ，使s o c 库高于土壤侵蚀区 【5 4 ；55 1 。从坡面尺度看，由于上坡部位是侵蚀区，下坡部位是沉积区【5 6 ；5 7 1 ， s o c 的坡面分布格局一般是下坡部含量高于上坡部【58 1 。侵蚀发生时，s o c 淋 滤( 主要指d o c ) 与沿坡迁移同时发生【59 | 。不同侵蚀程度地形部位的活性碳组 分研究表明，表层土壤水溶性有机碳向下淋溶很显著【2 引。这表明，研究s o c 的 空间重分布需要同时考虑土壤颗粒沿坡侧向迁移，沉积区埋藏，以及由表层向深 层土壤的淋滤过程。 从土壤和s o c 再分布及其空间分布格局的研究方法来看，除了传统的流域 观测和模型模拟( w e p p ，r u s l e ) 方法，新技术的使用也越来越普遍，如核 素示踪( 137 c s ，7 b e ，21o p b ，飞灰( f l ya s h ) 等) ，3 s 技术等。数字地形分 析技术已经被成功用于温带地区s o c 减少或积累的空间分布格局分析【6 0 1 。干旱 和半干旱区突发式的降雨方式，强变异的淋滤速率以及植被斑块分布格局造成了 非连续性的径流模式，使得s o c 的侵蚀和沉积特征独立于常见的地形因子，如 坡位【6 1 1 。s c h w a n g h a r t 等【6 2 】基于高光谱分辨率遥感，采用数字地形分析和地统 计学技术分析不同空间尺度表层2 e r a 有机碳的空间格局。研究发现，景观尺度 s o c 含量决定于地形位置，其最高值在山谷底部，与其利于水流流动以及细小 土粒富集的地形条件密切相关。陡坡土壤湿度指数( t w i ，t o p o g r a p h i cw e t n e s s i n d e x ) 与s o c 正相关；对于更小的山脉尺度，陡坡和谷底的空间变异性很大， 山麓平原则相对一致，控制s o c 分布的因素还有植被斑块的分布和耕作侵蚀 等。 总的来说，站点尺度侵蚀影响s o c 空间分布的研究比较多，而景观尺度， 甚至是全球和区域尺度s o c 在侵蚀影响下空间分布的研究虽有所开展【1 3 】，但还 有待进一步深入。小尺度研究中，传统的研究方法，如野外观测，模型模拟等等 4 硕士学位论文 已取得了较多的成果，而在大尺度的研究中，新技术和方法的使用可能更为迫切 和需要。另外，侵蚀影响下发生空间重分布以后s o c 的最终去向和可能的归宿 目前仍不确定。除了在陆地沉积中心的重分布，陆地河网的运移是宏观尺度碳平 衡估计中不可或缺的重要部分。因为河流输移的溶解态和颗粒状s o c 主要来源 于土壤侵蚀，它是陆地表面河网系统向海洋和陆地沉积区输送侵蚀碳的过程，在 特定的时间和地区是由陆地向海洋单向流通的，是全球碳循环中一个非常重要的 环节【63 。，对侵蚀搬运的s o c 的归宿有重要影响。 1 2 3 土壤侵蚀对土壤碳的储量和碳通量的影响研究 s o c 巨大的储量以及富集于表层的分布特点【6 4 “5 1 ，使得土壤比其他任何陆 地生态系统更容易影响大气碳库的变化。因此，侵蚀对s o c 的储量和通量，尤 其是c 0 2 通量的研究在目前全球变暖的背景下显得十分有意义。 从研究方法来看，定点采样分析是一种研究土壤碳储量的常用方法【6 6 ；6 7 】。 近年来，土壤剖面采样，g i s 技术与土壤模型的结合成为较大尺度s o c 储量定 量预测的一种更准确的方法【68 ；6 9 】。 s o c 储量与土壤理化性质，气候和土地利用方式密切相关。相对于自然因 素，人类活动对土壤碳储量的影响更为重大。m a r t i n e z m e n a 等【1 7 0 】认为随着森 林土地的农业使用，5c m 以内表层土壤中的s o c 含量下降了5 0 ，并且土壤遭 受侵蚀的风险也大大加大。土壤碳通量是陆地碳平衡和全球碳循环的一个重要组 成部分。土壤向大气释放的c 0 2 通量主要是通过土壤呼吸实现的。广义的土壤 呼吸是指从土壤排放c 0 2 的过程，主要来自于土壤微生物、植物的根系和土壤 动物的呼吸所排放的c 0 2 ，另外也包括无机矿化过程所释放的c 0 2 。侵蚀过程 中，伴随着侵蚀区s o c 储量的减少，部分s o c 矿化，土壤与大气之间的碳通量 发生改变。如p o l y a k o v 等【27 】研究表明，降雨后10 0d 内，约有4 4 的s o c 随 着径流流失，约1 5 的s o c 则矿化进入到了大气中，这与j a c i n t h e 等【_ 7 1 】的研 究结果相一致。土壤c 0 2 释放通量与土壤侵蚀的关系是复杂的。a n d e r s o n l 72 j 认 为侵蚀可能通过影响湿度、土壤温度、残体输入量和s o c 含量来影响土壤呼 吸。各侵蚀阶段，土壤水分含量和温度，在一天中的不同时期及不同采样时间， 不同的侵蚀阶段，可能表现出一定的差异。与其它侵蚀地段相比，沉积区总是保 持着较高的湿度，使地温明显滞后于气温。而侵蚀区因为表面暴露和缺少植被覆 盖，具有更大的土壤极端温度。s c h l e s i n g e r 2 6 】的研究表明，活性有机碳的矿化 会因为土温和湿度的改变而加速。这些学者基本在一个观点上达成了共识，即温 度与碳通量呈正相关，而湿度与碳通量呈负相关，侵蚀区和沉积区的碳通量会因 为二者的共同作用而不同。但b a j r a c h a r y a 等【3 8 】发现，由于土壤侵蚀阶段的影 响，土壤中c 0 2 浓度的季节格局体现一定的变异。土壤c 0 2 浓度与土壤温度和 s 红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究 c 0 2 c 通量有显著正相关，但与土壤水分没有相关关系。另有学者认为，在侵 蚀区，流失泥沙中团聚体的结构和大小是影响土壤呼吸的重要因素【2 。虽然侵 蚀对有机碳储量和通量的效应和影响机制还没有得到确认，但减少碳通量的必要 性已达成共识。由于土壤碳固存作用的存在，采取少耕或免耕可以减缓碳储量的 减少趋势并减少向大气释放的c 0 2 通量【73 1 。然而，要直接估计土壤侵蚀带来的 s o c 的减少量，包括s o c 的矿化量是十分复杂的，并且缺乏一个广泛认可的理 论方法，现有的研究大多都通过模拟来进行。 1 2 4 存在问题和研究展望 1 、存在问题 尽管在土壤侵蚀对s o c 的影响规律方面已经取得了一些重要的研究成果， 成为了全球碳循环研究领域的重要组成部分，但是在该领域还存在一些有待进一 步解决的问题。 ( 1 ) 侵蚀影响s o c 的“源汇”效应侵蚀影响下s o c 的动态变化对全球碳 循环的影响是一个颇具争议的研究领域。目前，许多学者对于“源汇”的估计存 在较大差异。如何对不同气候、地形、土壤类型、植被等条件下侵蚀对s o c 的 “源汇”效应做出较为准确的估计是一个生态、土壤等领域的研究热点，也是一 个研究的难点。所以，不同条件下土壤侵蚀“源汇”效应的小尺度研究对于全球 碳循环的估计有着重要的意义。 ( 2 ) 侵蚀对s o c 的物理运移规律的过程研究土壤侵蚀对s o c 的影响机 制包括物理、化学及微生物学等多方面。其中，s o c 随泥沙的物理迁移过程是 侵蚀影响碳循环的直接过程，是其重要的组成部分。目前，许多侵蚀影响s o c 的物理运移规律的研究往往通过两个时间点之间s o c 含量的差异建立，针对侵 蚀过程中s o c 输移规律的研究较少。而过程规律的研究对于深入认识s o c 的动 态变化十分重要。 ( 3 ) 侵蚀影响s o c 的定量化研究目前，侵蚀影响s o c 的规律研究已经 逐步从以往的定性分析迈入定量化阶段。通过建立模型，结合3 s 技术，对于较 大范围内s o c 的空间和时间变化规律进行定量模拟是一个重要的研究趋势。然 而，小尺度( 如坡面尺度) s o c 变化规律的定量研究还有待进一步深入。例 如，坡面侵蚀过程中s o c 在表层土壤中水平再分布，从表层土壤淋滤进入深层 土壤，以及输移离开坡面的部分各自所占的比重范围。 2 、研究展望 ( 1 ) 侵蚀影响s o c 的环境效应侵蚀对土壤有机碳的影响理论研究具有重 大的实践意义。土壤侵蚀造成了一系列的环境问题，有关保护土壤资源和土壤质 量恢复的重要性已经得到世界公认。近年来，土壤侵蚀的“源汇”效应越来越受 6 硕士学位论文 到关注，其本质上是土壤侵蚀影响s o c 对大气的一个环境效应。土壤向大气排 放c 0 2 是一个碳垂向流通过程，与碳的侧向流通过程密切相关，即有机碳的垂 向通量与侧向通量相互影响。对这些边际系统进行有效管理后其可能存在的巨大 潜力，对于减缓温室效应有重要作用。因此，侵蚀影响s o c 的环境效在将来仍 将是研究的热点领域。 ( 2 ) 侵蚀影响s o c 的机制土壤侵蚀影响s o c 的机制包括物理、化学、生 物等方面。然而，定量化和基于过程规律的研究是该领域的一个重要趋势。例 如，侵蚀区碳的矿化、迁移和损失机理；沉积区碳截留机理( 有机质组分的络合 和螯合作用，大团聚体的形成等) ；侵蚀区和沉积区之间s o c 的物理运移规律 和化学结构变化等。这些都是今后在侵蚀对s o c 的影响机理研究中应该深入探 讨的内容。 ( 3 ) 尺度效应在侵蚀影响s o c 的研究中，尺度效应体现在许多方面。例 如，站点尺度的监测反映出在离侵蚀点较短的距离范围内，有机碳主要是发生重 分布，埋藏的有机碳占主要部分，而迁移的作用较小；流域尺度，土壤与大气之 间的净交换是个汇，其量的大小主要由侵蚀区的碳周转速率决定；然而区域尺 度，沉积与河网中的s o c 部分则不容忽视【l3 。因此，土壤侵蚀影响s o c 的认 识应该注意从宏观到微观的多角度进行展开，包括土壤侵蚀对全球和区域尺度土 壤碳储量和碳平衡的影响、景观尺度碳迁移和再分布、站点尺度土壤侵蚀和沉积 作用对土壤有机碳损失和再固定的内在机理等。 1 3 研究内容与目的意义 1 3 1 研究内容 土壤有机碳( s o i lo r g a n i cc a r b o n ，s o c ) 是土壤有机质的重要组成部分 【20 1 ，而土壤有机碳通量，尤其是通过陆地系统的侧向碳通量是全球碳循环研究 的一个关键的不确定问题【4 7 】。碳通量( c a r b o nf l u x ) 是碳循环研究中的一个最 基本的概念，表述生态系统单位时间单位面积通过某一生态断面的碳元素的总 量。在土壤加速侵蚀的过程中，伴随着s o c 的迁移，土壤和大气之间的净碳通 量发生改变。为了减缓温室效应，部分抵偿工业碳排放量，许多学者提出免耕农 业可以减缓土壤侵蚀并截留碳，对大气碳库起明显的“碳汇”作用【l ”。另有学者 提出，若不能正确理解土壤侵蚀对碳循环的影响机理，可能导致过于乐观地评估 免耕农业土壤碳吸存的作用【8 】。对于土壤侵蚀的碳“源汇”效应的认识必然建立 在机理研究的基础上，而机理研究的定量化目前还不够。从国内已有的研究来 看，多数研究集中于黄土高原区和东北黑土区【_ 7 4 ；75 1 ，对于红壤丘陵区的侵蚀影 响s o c 研究，尤其是定量化的机理研究还比较少。本研究以中国南方典型红壤 7 红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究 丘陵区撂荒坡耕旱地为研究对象，利用不同雨强( 主要是大雨强和小雨强) 条件 下的野外人工模拟降雨试验，针对水蚀过程中有机碳物理迁移过程机制开展研 究，主要内容包括以下三个部分： 1 ) 雨强对土壤产流产沙及s o c 坡面再分布和迁移的影响规律研究； 2 ) 雨强对s o c 垂向淋滤过程，以及s o c 的剖面分布格局的影响规律研 究； 3 ) 不同雨强条件下s o c 流失量与坡面水蚀量的定量关系。 1 3 2 研究的目的与意义 本研究旨在讨论红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对s o c 物理运移过程的影响 ( 包括沿坡迁移，输出，以及垂向淋滤过程) ，以及侵蚀区s o c 空间分布格局 的改变( 包括表土层沿坡分布和剖面分层分布格局) ，探讨s o c 流失量与坡面 水蚀量的定量关系。本研究可以丰富侵蚀影响s o c 通量的基本理论，具有重要 的科学意义，同时为红壤丘陵区水土保持规划及生态环境保护提供科学依据，具 有重要的实践意义。 1 4 研究思路与技术路线 本研究以野外微型径流小区模拟降雨试验和实验室分析为主要试验方法，结 合s p s s 统计模型、o r i g i n 绘图软件、g i s 技术等方法开展相关研究。具体研究 思路是： 1 ) 野外微型径流小区模拟降雨试验。通过预实验，对模拟降雨机的降雨均 匀性和降雨强度等参数进行率定，得到实验所需雨强。然后在预先处理布置好的 两个1 5 。的径流小区上进行设定大雨强和小雨强的人工模拟降雨实验，并在降 雨过程中采集径流水沙样品。降雨前后，分别在两个径流小区不同样带内采集不 同土层的土壤样品。同一样带的采样点在降雨前后位于同一样方内； 2 ) 室内分析。对野外实验采集所得的径流样品和土壤样品分别进行预处 理。径流样品通过絮凝沉淀一周后进行水沙分离，对分离所得沙样进行烘干称 重，然后分别测定沙样和水样中有机碳的含量；土壤样品自然风干后，分别过 2 m m 、o 2 5 m m 筛，然后委托湖南省土壤肥料研究所检测测定其机械组成，s o c 等关键指标； 3 ) 统计分析。利用s p s s 统计模型、o r i g i n 绘图软件对试验数据进行统计 分析及作图，分析雨强对土壤产流产沙及s o c 坡面再分布和迁移的影响规律， 雨强对s o c 垂向淋滤以及s o c 的剖面分布格局的影响规律，不同雨强条件下 s o c 流失量与坡面水蚀量的定量关系，并建立定量关系模型； 8 硕士学位论文 4 ) 结果提炼，得出结论。 技术路线图如下： 图1 4 本研究技术路线图 9 红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究 2 1 研究区概况 第2 章实验材料与方法 研究区域位于湖南省邵阳市水土保持研究所( 2 7 。0 3 7 n ，1 11 。2 2 7 e ) ( 图2 1 ) ，属于中亚热带湿润季风气候区。该区域海拔高度2 31 2 2 7 6 6m ， 多年平均气温1 7 1 ，年平均降雨量1 2 1 8 1 4 7 3m m ；主要地貌类型为丘陵、 岗地；土壤以第四纪红色黏土发育而成的地带性红壤、黄壤及第四纪松散堆积物 为主，属于典型的红壤丘陵区。 2 2 人工模拟降雨实验 图2 1 研究区域 2 2 1 预研究：降雨强度的率定实验 本试验使用下喷式模拟降雨机，采用美国s p r a c o 锥形喷头，由一套 4 57 m 高的单独直立竖架、9 0 c m 长的延伸管、连接在延伸管末端的喷嘴向下， 以及使装置稳定的三脚架和几条拉线构成。水滴以一定的初速度向下喷，可在相 l o 硕士学位论文 对较低的降落高度下模拟出天然降雨。当降雨高度为4 5 7 米，供水压力为6 7 千 帕时，用面粉球法测定雨滴大小分布范围是o 3 5 5 3 5 毫米，中数直径为2 4 0 毫米。当雨滴初速度大于3 米秒，最初喷出方向与垂直方向的最大偏角为6 0 度 时，可计算得到大多数雨滴可以达到其末速度。在1 2 毫米分雨强情况下，试 验小区( 2 2 5 平方米) 内的总动能为0 5 7 焦耳( 平方米秒) ，约相当于等 量天然降雨能量的9 0 。降雨的均匀性用均匀系数c u = 1 ( s x ) 来度量，这里 x ，s 分别表示试验范围内2 0 个雨量计测量的平均雨强和标准差。试验测定结果 表明，当试验水压是6 7 千帕时，降雨均匀系数为o 8 9 7 。此时，单个降雨机可 产生0 7 毫米分的雨强，两个降雨机对喷的降雨强度为1 2 毫米分。如果改换 喷头和组合方式，可以得到不同的试验雨强。 雨量筒、降雨机按照图2 2 1a 所示布设。水平延伸管垂直于小区长边向 内，支架轴心点距小区边界2 0 c m 。研究降雨强度与供水压力的关系，预计降雨 强度大雨强约为1 5 1 7 m mm i n ，小雨强约为0 5 一o 6 m mm i n 一。 2 2 1a 雨强率定试验器材布设平面图 首先进行单个降雨机的率定。分别将各个降雨机的每个器件进行标号组合， 然后逐个率定。为了选择合适的压力值以达到所需的降雨强度，供水压力分别设 1 1 红壤丘陵区坡地水力侵蚀过程对土壤有机碳物理运移的影响规律研究 定为0 0 2 m p a ，0 0 4 m p a ，0 0 6 m p a ，0 0 8 m p a ，每次历时5 m i n ，每个压力重 复3 次。记录每次降雨量的方法是降雨结束以后，用量筒测量每一个位置水桶的 水量，并读出雨量筒读数，分析比较降雨的均匀性。若降雨的均匀性较差，可通 过调整四个降雨机和喷头的位置重新率定。最终得出每个降雨机压力值达到稳定 所需要的时间，有效面积的形状及大小。将已经过单个率定的4 个降雨机进行两 两相对的组合，然后调整降雨机离小区边界的距离，设定供水压力至 0 0 5 m p a ，0 0 6 m p a ，0 0 7 m p a ，进行历时5 m i n 的率定，每个压力重复3 次。 不断调整降雨机的配对组合和位置，以及喷头的方向，最终选取雨量筒和小水桶 中降水分布最均匀，并达到1 5 1 7 m m m i n 的组合作为正式降雨试验大雨强所 需的降雨机组合形式。将已经过单个率定的降雨机进行对角线的两两组合，然后 调整降雨机的位置和压力值，进行率定，率定方法同大雨强的率定试验类似。最 终选取雨量筒和小水桶中降水分布最均匀，并达到0 5 0 6 m m m i n 的组合作为 正式降雨试验小雨强所需的降雨机组合形式。率定试验的实际情况如图2 2 1b 所示。 图2 2 1b 雨强率定现场试验图 2 2 2 径流小区布设 选择一块面积约5 0m 5 0m 、平均坡度约为15 。的坡耕地作为本研究 的典型地块。该地块与研究区域的平均坡度( 10 。15 。) 较相符。该坡耕地实 验前曾种植尾参( p o l y g o n a t u mo d o r a t u m 似f ，) d r u c e ) ，采收以后处于地表 1 2 硕士学位论文 裸露状态，撂荒1 a 后，进行径流小区的布设。在选定地块上沿坡面最大坡降方 向设置两个彼此平行的2 0m x5 0m 临时微型径流小区，即小区长边垂直于等 高线( 图2 2 2 ) 。小区边界处用铁皮进行围合，铁皮插入地面约1 0c m 。人工 模拟降雨器采用s p r a c o 喷头( 美国s p r a c o 公司) ，喷头距离地面4 5 7m 。模 拟降雨器为下喷式，由高4 5 7m 的直立竖管，连接于直立竖管顶端的0 9m 长 的水平延伸管及连接于延伸管末端的下喷头、支架组成；水平延伸管垂直于小区 长边向内，支架