萨赫勒地区表面侵蚀机制对表层土壤有机碳损失的影响

1、萨赫勒地区表面侵蚀机制对表层土壤有机碳损失的影响摘要土壤表面结皮影响水渗透和径流，但其通过表面侵蚀对土壤有机碳(SOC)损失的影响在很大程度上是未知的，这是因为存在不同的表面侵蚀机制，有雨滴的分散作用，也有雨滴和水流相互作用造成的分散和运输（RIFT），这都需要在一个确定的斜坡长度下进行研究。这个研究调查了斜坡长度对土壤有机碳和营养物质的损失造成的影响，在非洲萨赫勒地区对表层土壤进行了现场试验。对该地区各种不同的结皮类型（结构型-STRU，干燥型-DES，砂砾型-GRAV，侵蚀型-ERO）都开辟了三块副本，微型试验地（1 m × 1 m）、一般试验地（长10 m × 宽5

2、m）和长型试验地（25 m × 6 m），并随访了2012年雨季的每次降雨事件。分析了径流中的沉积物、沉积物中包含的有机碳以及挑选出的营养盐（NO3-、PO43-），以评估因表面侵蚀所造成的有机碳年度损失。随坡长增加，有机碳损失明显减少，从微型试验地的0.24 gCm-1，一般试验地的0.04 gCm-1，到长型试验地的0.01gCm-1，NO3-和PO43-的损失也有相似的趋势。这表明，表面侵蚀与RIFT作用下颗粒物跳跃滚动运输的效率紧密相关，RIFT作用的效率随坡长增加而降低，从1m变化到10m平均减小6倍，其值在DES型结皮为1.8，STRU型为19。通过土壤保护技术的改良，这

3、些关于土壤结皮和表面侵蚀关系的成果应该被更深广地应用于减缓土壤有机碳的流失，此外，这些成果也能使水土流失和有机碳流失的模型趋于完善。一、介绍在西非的萨赫勒地区，有贫瘠的土壤、量少且不均匀的降水、高温的土壤和空气、土壤表面结皮、低下的持水能力和反复发生的干旱，这些综合起来就是限制作物产出的主要原因。这些因素也加剧了水的侵蚀作用，而那正是导致土壤养分从土壤基质中流失的主要原因。水力侵蚀，以其对土壤生态系统功能造成巨大后果，显著影响了土壤有机碳的储存，尤其是关于作物生产、水资源可利用量、生物多样性，以及温室气体排放的管理等方面。水力侵蚀的过程是复杂的，并可通过分散和运输机制的联合作用影响土壤有机碳量

4、。这些侵蚀作用与雨水和地表径流共同作用，要么是荷顿氏漫地流，要么是饱和过剩的地表径流。分散作用发生后，可能存在三种运输机制：(1)溅蚀(ST)；(2)雨滴和水流相互作用造成的分散和运输(RIFT)；(3)不受雨水冲击的水流运输(FT)。这些侵蚀机制都有可能在暴风雨时发生在山地斜坡之内，它们的效率都与坡长有密切联系。溅蚀将土壤颗粒从它们最初的位置呈放射状地分散开，这是一种效率相对较低的运输机制。比较而言，RIFT作用可以促进颗粒物翻滚跳跃，是一种比飞溅效率更高的颗粒物运输机制。飞溅运输是一个点过程，故其效率主要依赖于雨滴的能量，水流速增加时，RIFT作用使分散的土壤向坡下移动的能力增强。其分散效

5、率主要取决于流速，也在某种程度上取决于水流深度，即当地表径流的厚度得以保护土壤表面不受雨滴影响时。现场试验首先需按不同坡长绘制径流平面图，而后这成为调查侵蚀机制的重要工具。不仅是坡长，雨滴能量、土地覆盖和土壤性质都影响到水力侵蚀机制。土壤结皮则是另一个控制水力侵蚀的重要因素，尤其是在生态脆弱的非洲萨赫勒地区。然而，在山坡这个背景之下，环境因素对控制表面侵蚀影响，比如土地使用和管理、坡度、土壤结构、土壤质地、粘土矿物学和土壤有机碳含量等等，都已经被广泛研究过了，但是人们对土壤结皮的潜在影响却还知之甚少。土壤结皮主要是在雨滴的作用下使土壤溃散之后形成，它们是薄却坚实的一层，具有低孔性和低水分入渗能

6、力，加强了径流作用和水土流失。对于被淤泥覆盖的土地或北半球的壤质土，以及其他干旱地区的沙壤土，结皮是一公共特性。在非洲的萨赫勒地区，已有数个研究分析试图确定土壤结皮对水分入渗的影响。这些研究显示，入渗的降低与水土流失的加剧有关。最近，据观察-2y-1.研究中，侵蚀型结皮(ERO)之下水土流失加剧。侵蚀型结皮是由一层薄的、粘土质的微层和干燥的外壳组成的，而这外壳拥有附着在土壤表面的单层沙质层。相反的，土壤有机碳的流失在结构型结皮(STRU)之下减小，结构型结皮由被一沙质层和一组成，沙质层是一土壤细粒物质薄膜，砾石外壳是由微层砂砾覆盖在土壤表层形成的。微型试验地也获得了这样的结果，正如先前Chap

7、lot 和 Poesen (2012)和Oakes et al. (2012)所假定的一样，RIFT作用效率随坡长增加而降低。因此，虽然土壤结皮类型可能通过雨水影响土壤有机碳的分散，但它对于水土流失机制的影响仍旧不清楚。这项研究的主要目的是评估坡长和表面侵蚀机制的联系，以及一系列降水情况下土壤表层有机碳和营养盐的损失。研究在萨赫勒地区进行，那里以沙壤土和半干旱气候为特色，年降水量有500 mm y-1.二、材料与方法2.1研究地点的特点 研究在具有半干旱气候的tougou流域，布基纳法索进行。当地年平均气温为28°C，年平均降水量500mm，在研究进行的2012年7月到9月之间，年降

8、水量为638mm，分散于36场降水事件。有40%的暴风雨造成了径流和侵蚀，它们多发于8月。在雨季，降水量的最小值为1mm，最大值为98mm。Tougou流域的土壤是含铁的低活性淋溶土，存在着不同形式的土壤结皮。这个流域有三种代表性的地表状况：耕种土壤，退化土壤和自然植被下的土壤。不过，实验只在耕种土壤和退化土壤进行，因为自然植被土壤还被人们以原始习惯使用着。试验地区地形平缓，平均坡度3%，对研究地点更详尽的描述见Maïga-Yaleu et al. (2013)2.2实验的布局在该地区所遇到的四种土壤结皮地区，分别划分出1m2(1m×1m; 微型试验地) ，50m2 (10

9、m×5m;试验地)，150m2 (25m×6m; 长型试验地)各三块。即分别有：从耕种土壤找到的结构型结皮(STRU)，从退化土壤找到的侵蚀型结皮(ERO)、砂砾型结皮(GRAV)、干燥型结皮(DES)。在不同土壤结皮划分有不同微型试验地地、一般试验地、长型试验地，以评估坡长和RIFT作用效率之间的关系，及其对土壤结壳造成的影响。沿着平行于最陡的坡的方向划分区域，上面和侧面以插入地下0.1m深的钢板为边界，自由流动发生在侵蚀区域的底部。用一沟槽收集各个分区流出的水，沟槽用pvc管与水槽相连。2.3数据收集在2012年7月22日到9月19日间的自然降雨状况下采集数据。在每一次

10、降雨侵蚀事件的结尾，于每个分区的出口安装的水槽中测量水流的体积R。大约250毫升，会通过一根0.45m 的Whatman过滤器，并用便携式分光光度计分析其中的NO3-和 PO43-。收集水样中的悬浮沉积物到沉淀器中并在50 °C烘干，测量流过的水中沉积物浓度(SC)。用铬酸氧化法分析干燥的沉积物试样中有机碳的含量(OCcsed)。在分区之外0.5m距离之内区域采集表层0.1m的土样，用铬酸氧化法测其土壤有机碳含量(SOCc)。用液体比重计测量分散在土壤中的颗粒物粒径。为检测土壤颗粒密度，用一金属制1003 圆柱形芯插入土壤，取原状土样。这些方法都在Maïga-Yaleu e

11、t al. (2013)有详尽叙述。2.4 水流量、沉积物、有机碳和营养盐损失的评价根据公式（1）到（10）计算不同空间尺度内的水流量R、沉积物SL、有机碳损失SOCL和NO3-、PO43-的损失NO3-L、PO43-L。 (1) (2)其中R流过样本的水流，Lm-2y-1 Ri每次降水事件流过样本的水流，Lm-2y-1A 采样区表面积，m2n该年内降雨时间次数SLgm-2y-1SCi水样中的沉积物含量，gL-1 (3) (4) (5)为评价不同采样区发生的主要侵蚀过程，将计算每平米R, SL, SOC L, NO3-L and PO43-L 的含量转化为单位长度内的输送通量，公式如(6)-(

12、10): Rw=R×A/W (6) SLw=SL×A/W (7)SOCLw=SOCL×A/W (8)NO3-w=NO3-L×A/W (9) PO43-w=PO43-L×A/W (10)2.5 坡长对表面侵蚀机制的影响 计算不同采样区的边坡长度比例，以评估萨赫勒地区的研究中表面侵蚀机制对有机碳和营养盐损失的相对贡献。边坡长度比例（SR）计算：微型试验比试验地为10m比1m(SR10/1)，微型试验地比长型试验地为25m比1m(SR25/1)，试验地比长型试验地为25m比10m(SR25/10)。例如，一个尺度比超过10/1样本会比10m的长型采样

13、区反映出更强的流失，从而有更强的雨滴水流相互作用造成的分散和运输效率，也就是跳跃旋转地运输土壤颗粒物的能力。然而表面侵蚀是受运输作用限制的，当边坡长度比例小于1时，运输效率会比坡长更长的情况低。 对每种类型的土壤表层，都用年度每平米的R, SL, SOCL, NO3-L和 PO43-L计算边坡长度比例（SR）。2.6. 统计分析对不同坡长不同土壤结皮类型试验地的 R、SC、 SL、OCc sed、OCL、NO3-C、NO3-L、PO43-C 和PO43-L 进行单向方差分析。假设不同采样组在人口和处理方式上并无不同，不然根据图基测试，p< 0.05时它们就会显著影响实验结果。建立一相关矩

14、阵，以确定降水量、土壤性质、容积密度、斜坡长度等对R、SL、SOCL和营养盐流失的相关性。此外，用多元线性回归模型确定不同坡长下影响SL,SOC L和营养盐流失的主因子。三、结果3.1土壤特性 各个土壤结层类型的表层土（0-0.1m）的综合统计指标列于表1。侵蚀型结皮(ERO)之下的土壤结构中有54%的粘土，砂砾型结皮(GRAV)的沙土结构中有15%的粗颗粒(>2mm)。所有的土壤结皮都有相当高的容积密度，其中GRAV有最大值(BD=1.9gcm-3).土壤有机物中SOCs和SOCc含量在ERO型土壤结皮之下最大，STRU土壤结皮之下最小，而在DES和GRAV型没有差别。（表一）3.2不

15、同空间尺度下的径流和沉积损耗 图2描述了不同空间尺度（1m2，50m2和150m2）下平均的径流量(R)和沉积物损失量(SL)。在2012年的雨季，各种土壤表层类型、各种尺寸采样区的平均径流量为25.1Lm-2，最大值和最小值分别为0.4和252.9 Lm-2。在50m2试验地测得最大平均径流R(33.7 ± 7.1 L m -2 )，在150m2试验地测得最大平均径流R(11.5 ±1.2 L m-2 )。平均沉积物损失量SL随着实验地的尺寸的增加有显著的改变，1m2试验地为177.1 ± 18.4 g m-2，150m2为49.0 ± 8.7 g m

16、-2（图二A）。所有尺寸的试验地中，SL的范围为2.4 到900 g m-2。3.3空间尺度对土壤有机碳、氮和磷损失的影响 所有尺寸的试验地，沉积物中的有机碳含量(OCCsed)平均为1.42 g C kg-1 g C kg-1。OCCsed的最大平均值在1m2试验地取得，为1.65 ± 0.16 g C kg-1。土壤有机碳损失量的平均值随试验地尺寸的增加而减少，150m2试验地的土壤有机碳约比50m2试验地低三倍，但在1m2和50m2试验地(0.24 ± 0.03 g C kg-1和0.22 ± 0.04g C kg-1)则无显著差异（图二B）。与此相反，试验

17、地的尺寸对NO3-C、NO3-L、PO43-C 和PO43-L 并未造成显著影响，但观测结果表明，150m2试验地NO3-流失量少，约比1m2低2倍，比50m2低3倍（图二B）。对于PO43-也有相似的规律，在1m2和50m2试验地有更大的流失。3.4坡长对径流、沉积物、土壤有机碳、硝酸盐和磷酸盐损失的影响 1m2试验地径流量R至少比50m2试验地强4倍，比150m2试验地强14倍。当R随降水增强时，与坡长表现出与显著的负相关（表3）。同样的，SL在1m2试验地有最高值（177.1 ± 18.4 g m -1），在150m2试验地有最低值(8.2 ± 1.4 g m -1

18、)1m2试验地有最高的平均土壤有机碳流失量0.24 ± 0.03 g Cm -1，150m2试验地有最低的平均土壤有机碳流失量0.010 ±0.002 g C m -1（表2）。SOCL随坡长变化，皮尔逊相关系数表现出与土壤粘土和粉土含量的正相关，与土壤沙和粗颗粒的含量呈负相关，这表明，土壤含有的粘土越多，其有机碳含量也就越高。（表3）SOCL也表现出与降水量的正相关。所有试验地NO3-流失量的均值为0.15 ± 0.03 g m -1。1m2试验地NO3 -的流失量是50m2试验地流失量的两倍，但比150m2试验地低得多。PO43- 流失量的均值为0.0038

19、±0.0008 g m -1，150 m 2试验地PO43- 流失量在0.0005 ± 0.0001 g m -1，150 m 2试验地为0.0079 ± 0.0018 g m -1（表2）。PO43-的流失量与与坡长、降雨量和土壤特性均无关（表3）。3.5土壤结皮对径流、沉积物、土壤有机碳和营养盐流失的影响 除了NO3 L和PO43-L之外，土壤结皮还显著影响着SL和SOCL（表4）。在不考虑试验地尺寸的情况下，相比于其他土壤表层类型，R, SL, SOCL , NO3 L和PO43-L的最小值大都在STRU型土壤结皮取得（表二）。STRU型土壤结皮径流R的均值

20、为6.8 L m -1，DES型结皮径流R的均值为21.3 L m -1，在STRU型土壤结皮，1m2试验地径流R比50m2试验地高14倍，比50m2试验地高20倍。在ERO 和 GRAV结皮R也有相似的规律，流量从1m2到50m2再到150m2一直减少。而SL在STRU, GRAV和 ERO类型土壤各增长了5倍、3倍和2倍。（表2）ERO型结皮的土壤SOCL的平均值为0.19 g C m-1，约为GRAV、 DES和 STRU型的两倍。1m2试验地的土壤有机碳流失在ERO、GRAV和STRU均为最高，而在DES型1m2和50m2试验地并无差异。STRU型的1m2长形试验地的土壤有机碳流失比1

21、0m和25m的长形试验地高25倍。DES型结皮土壤的NO3 流失量至少比GRAV和ERO型结皮的土壤强2倍，比STRU型结皮的土壤强4倍。在1m2试验地，ERO、GRAV 和 STRU的NO3 流失量均有最大值，而对DES的NO3 流失量，1m2和50m2试验地并无差异。各种土壤结皮类型的PO43-的流失量都很低(<0.01 g m-1 )。3.6不同土壤结皮径流、沉积物、土壤有机碳、硝酸盐和磷酸盐损失的尺度比图3和图4显示了不同土壤结皮类型的边坡长度比率(SR)与径流、SL、SOC、营养盐流失量。总之，SR系数低于所有在各土壤结皮类型测出的研究变量，在不考虑土壤结皮类型的情况下，所有被

22、研究的损失量随坡长的增加而降低。一个值得注意的例外是，GRAV土壤有机碳和PO43-的损失在10m和25m的长型试验地地差异并不明显，p <0.05。对STRU型结皮的土壤，SR在SR 10/1 为0.1 , SR 25/1 为0.07，SR 25/10为0.7（图3A）。对STRU型的土壤结皮，SL、SR也是低于所有情况下的值（图3B）。对硝酸盐和磷酸盐的损失，计算出的SR 10/1 和SR 25/1也都小于1（图4）。相比于其他土壤结皮类型，SR 10/1的值在DES型结皮的土壤是最高的，土壤有机碳的平均值为0.7，硝酸盐的均值为3.1，硝酸盐的均值为0.9。计算得GRAV型结皮的土

23、壤SOC L 在SR 10/1 为0.2 , SR 25/1 为0.3，SR 25/10为1.1.对径流、硝酸盐和磷酸盐，计算得SR的值与土壤有机碳的损失遵循相同的趋势。对ERO型结皮的土壤，径流 R 和 沉积物SL的SR在所有情况下低于1（图3）。此外，1m的长型田地释放出了比10m长型田地多2倍、比25m长型田地多15倍的有机碳，不过10m试验地的硝酸盐损失比1m试验地要严重。*表一 在在不同实验的地点0 - 0.1米土层土壤的环境特征。SOC C：土壤有机碳含量；SOCCS：土壤有机碳储存；BD：容积密度,粘土:0-2m；淤泥：2-50m；砂：50-2000m；粗颗粒：2000-2000

24、m表二 在1 m,10 m和25 m的各种表面结皮类型土壤的径流(R),沉积物损失(SL),土壤有机碳损失(SOCL),硝酸盐损失(NO 3L )和磷酸盐损失(PO43L);STRU,结构型;DES,干燥型;GRAV,砂砾型和 ERO，侵蚀型。 表三 长度、容积密度(BD), 土壤质地和降水量(P)与径流(R), 土壤流失(SL), 土壤有机碳流失(SOC L ), 硝酸盐流失 (NO 3L) 和磷酸盐流失(PO43-L)之间的相关矩阵显著相关，p<0.05 表四 对土壤有机碳流失(SOCL), 硝酸盐流失 (NO 3L) 和磷酸盐流失(PO43-L)多元线性回归模型分析图二 (A)平均

25、径流量(R), 沉积物的损失(SL); (B) 1m2、50m2、150m2试验地平均土壤有机碳损失 (SOCL ), 硝酸盐流失 (NO 3L) 和磷酸盐流失(PO43-L) ，数据由14次降雨事件计算AB 图三 空间尺度比(A)径流(B)2012年雨季各个试验地各个表面结皮类型土壤;结构型(STRU),干燥型(DES),砂砾型(GRAV)和侵蚀型(ERO)的土壤流失图四 空间尺度比 2012年雨季各个试验地各个表面结皮类型土壤;结构型(STRU),干燥型(DES),砂砾型(GRAV)和侵蚀型(ERO)的(A) 土壤有机碳损失 (SOCL )；(B)硝酸盐流失 (NO 3L) 和(C) 磷酸

26、盐流失(PO43-L) 四、讨论4.1 被水侵蚀的萨赫勒地区的表面土壤包含的主要侵蚀机制 最终的结果指出，径流系数R随坡边长度的增加而减小，相似的结果在其他研究中也被发现，很大机会上长型田地的土壤特征，包括裂缝、大孔隙,凝灰岩或当地的土地退化造成了更大的下渗率。虽然实地观测支持这些假设，但不管怎样我们还需要更多的调查来量化不同的地表特征造成的影响。 SL和SOC L 显示了相似的模式，即随坡长的增加而降低。然而，SOC L 和SL受土壤结皮影响最大，随后是坡长和降水量，这三个因素解释平均数据方差的37%。这个结果证实, 在萨赫勒地区地貌，土壤结壳是控制土壤和碳的运动最关键的因素。 在试验地，土

27、壤和土壤有机碳损失随边坡长度增加而降低。这个结果与之前报道的热带和潮湿气候的老挝和温和条件下粘质土壤的南非类似。 坡长对土壤损失的影响是众所周知的，它归因于随着边坡长度增加的不同的分离和传输速率。较长的试验地有较低的土壤和土壤有机碳损失，这反映了由跳跃和滚动造成的颗粒运输效率较低,这必然造成了径流和联合径流速度的下降，有助于凹陷处的沉降和其他地方下沉。考虑到试验地的低坡度，雨水造成的分散和雨滴引导流动运输作用(RIFT)对矿物质的分散效率也可能由于增加流深而降低，一般的沉积物浓度下降与边坡长度似乎被证实。 在表层土壤退化的萨赫勒地区的热带草原，RIFT效率随边坡长度增加而降低RIFT效率在耕种

28、土壤增加。 结果可以解释为水的高渗透造成的机械破坏，产生例如土壤裂缝等或大孔隙，从而使径流随坡长的增加累积和加速。 营养盐的流失与边坡长度显著相关，而与土壤结壳和降雨量没有显著关联,这是一个令人惊讶的结果。这个结果与Smaling一致，他发现边坡长度的因素影响所有营养盐的流失。表面地壳和降雨量的养分的损失缺乏显著的影响，很可能由于少量的营养盐流失，一整块试验地小于0.5gm-2的NO3-和PO43-损失。这指出这些元素缺乏点源到流和快速稀释的结果。在降雨事件之初，营养物质的快速溶解,导致它们在径流发生之前快速渗透进土壤。此外,相比于微型田地，长型田地营养盐浓度较低，可能归因于长型试验地水压高且停留时间长，促进了营养盐的吸收或河道脱氮。此外，这似乎表明降水量不足以有效地从长型试验地冲刷带走硝酸盐。其他降雨特征，如降雨强度和风暴持续时间，倒可能与养分损失有关，如García Rodeja 和 Gil-Sotres所表示。4.2. 土壤结皮对雨滴引导流动运输作用(RIFT)效率的影响 土壤结皮的类型影响RIFT的效率。因为一般的RIFT作用效率随土壤颗