華南典型侵蝕區(qū)土壤有機(jī)碳流失機(jī)制模擬研究

郭太龍，謝金波，孔朝暉，廖義善，李俊杰，張思毅，李定強(qiáng),

1. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州 510650；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州分院、廣東省科學(xué)院，廣東 廣州 510650；3. 廣東省五華縣水土保持試驗(yàn)推廣站，廣東 梅州514471

華南典型侵蝕區(qū)土壤有機(jī)碳流失機(jī)制模擬研究

郭太龍1，謝金波3，孔朝暉3，廖義善1，李俊杰1，張思毅1，李定強(qiáng)1,2*

1. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州 510650；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州分院、廣東省科學(xué)院，廣東 廣州 510650；3. 廣東省五華縣水土保持試驗(yàn)推廣站，廣東 梅州514471

土壤侵蝕條件下的碳流失問題是目前全球碳循環(huán)研究中的新點(diǎn)，也是土壤侵蝕基礎(chǔ)性研究中的弱點(diǎn)。目前對(duì)于土壤侵蝕的研究多側(cè)重于侵蝕造成養(yǎng)分流失及土地退化方面，關(guān)于土壤侵蝕對(duì)碳循環(huán)的影響研究較少。針對(duì)華南紅壤侵蝕區(qū)的碳流失問題，采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法，探討了華南典型侵蝕區(qū)兩種土壤類型（林地、棄耕荒地）的有機(jī)碳流失過(guò)程，主要取得以下一些成果，（1）土壤有機(jī)碳的流失主要以侵蝕泥沙為載體，兩種土壤（林地、棄耕荒地）坡面的泥沙有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出隨降雨歷時(shí)逐漸減小的趨勢(shì)，但雨強(qiáng)和坡度對(duì)侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量的影響沒有明顯規(guī)律；林地土壤坡面的侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量明顯高于棄耕荒地土壤坡面的侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量。（2）林地土壤的泥沙有機(jī)碳富集比大于棄耕荒地的泥沙有機(jī)碳富集比，林地土壤有機(jī)碳富集比變化范圍為0.99～1.65，而棄耕荒地土壤有機(jī)碳富集比變化范圍為0.86～1.07；林地土壤的有機(jī)碳流失率大于棄耕荒地的有機(jī)碳流失率。林地土壤的有機(jī)碳流失率變化范圍為 1.6%～18.9%，棄耕荒地土壤的為2.2%～10.4%。土壤有機(jī)碳流失率隨降雨雨強(qiáng)的增加而增大，坡度對(duì)土壤有機(jī)碳流失率的影響不顯著。（3）土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)條件下（不同地類土壤、雨強(qiáng)、坡度）土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度間的函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為：y(SOC)=5.104x(Erosion)+0.036（r2=0.984）。

紅壤；土壤侵蝕；土壤有機(jī)碳；碳流失；模擬降雨

土壤侵蝕條件下的碳流失問題是目前全球碳循環(huán)研究中的新點(diǎn)，也是土壤侵蝕基礎(chǔ)性研究中的弱點(diǎn)。目前對(duì)于土壤侵蝕的研究多側(cè)重于侵蝕造成養(yǎng)分流失及土地退化方面，關(guān)于土壤侵蝕對(duì)碳循環(huán)的影響研究較少。關(guān)于全球有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算，沒有考慮土壤侵蝕對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，土壤侵蝕對(duì)全球碳循環(huán)的影響機(jī)理還不清楚（Noordwijk et al.，1997；Gregorich，1998；Stallard，1998）。同時(shí)，土壤流失及再分布對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳儲(chǔ)量的影響認(rèn)識(shí)還不統(tǒng)一，有人認(rèn)為侵蝕土壤更有利于碳的積累；也有人認(rèn)為土壤侵蝕會(huì)造成土壤有機(jī)碳的消耗，不利于碳的積累，土壤侵蝕對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯存產(chǎn)生負(fù)面影響（Anderson et al.，1986；Lai，2003）。可見深入探討侵蝕條件下的碳循環(huán)問題必不可少。

廣東地處華南紅壤區(qū)中心腹地，每年由土壤侵蝕引發(fā)的土壤有機(jī)碳流失，相當(dāng)于每年4.33百萬(wàn)噸的CO2排放量，土壤侵蝕引起的土壤有機(jī)碳流失問題嚴(yán)重。據(jù)廣東省土壤有機(jī)碳庫(kù)的統(tǒng)計(jì)研究資料（Zhang et al.，2008）表明，廣東省土壤（1 m）有機(jī)碳儲(chǔ)量為 1.25 Pg，其中表層土壤有機(jī)碳為 0.41 Pg。廣東省土壤侵蝕面積約14200 km2，年土壤侵蝕量約為1×1011 kg（萬(wàn)洪富，2005），珠江流域泥沙輸移比按0.39計(jì)算（李智廣等，2006），該區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量幾何平均值為 11.8 g·kg-1，以此計(jì)算，廣東省每年由土壤侵蝕引發(fā)的表層土壤有機(jī)碳流失量高達(dá)1.18×109 kg，相當(dāng)于4.33百萬(wàn)噸的CO2排放量，其中，約有0.46×109 kg進(jìn)入周邊水體，0.72×109 kg在侵蝕區(qū)周邊重新分配。可見研究華南紅壤侵蝕區(qū)的土壤碳流失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

華南紅壤侵蝕區(qū)特殊的區(qū)域土壤及地球化學(xué)交互過(guò)程使的研究侵蝕作用對(duì)該區(qū)土壤有機(jī)碳流失的影響更具現(xiàn)實(shí)針對(duì)性。首先，華南紅壤區(qū)是我國(guó)發(fā)生潛在水土流失危害的重點(diǎn)區(qū)域之一，紅壤坡地的水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重。華南紅壤地區(qū)的氣候溫暖，雨量豐沛，降雨特點(diǎn)通常表現(xiàn)為強(qiáng)度大、歷時(shí)長(zhǎng)，暴雨或大暴雨事件頻發(fā)，因此暴雨驅(qū)動(dòng)因子影響作用更為顯著（郭太龍等，2013）。其次，華南典型侵蝕區(qū)的紅壤性土壤，通常富含鐵氧化物等，這一性質(zhì)會(huì)深刻影響著侵蝕區(qū)土壤碳流失及轉(zhuǎn)化的物理、化學(xué)結(jié)合機(jī)制，由土壤侵蝕引發(fā)的土壤碳流失量越大，治理修復(fù)時(shí)的固碳潛力價(jià)值也更高（陸發(fā)熹，1988；劉安世，1993；Spaccini et al.，2001；Osher et al.，2003；周萍等，2009；賈松偉，2009）?？梢娧芯咳A南典型侵蝕區(qū)的碳循環(huán)問題更具緊迫性、針對(duì)性。本文針對(duì)華南紅壤侵蝕區(qū)的碳流失問題，利用人工裝填均質(zhì)土坡面，采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法研究了華南典型侵蝕區(qū)兩種土壤類型（林地、棄耕荒地）的有機(jī)碳流失過(guò)程，這既可以深刻地揭示侵蝕過(guò)程中土壤碳流失的本質(zhì)，也可在很大程度上反映實(shí)際情況，為華南地區(qū)的低碳環(huán)保措施的制定提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)背景

本研究選擇廣東省五華縣源坑水小流域?yàn)槿A南典型侵蝕區(qū)進(jìn)行研究。五華縣水土保持試驗(yàn)推廣站（E 115°37′26.5″，N 24°5′17.0″）卡口站所控制的源坑水小流域，源坑水屬于烏陂河的二級(jí)支流，烏陂河全長(zhǎng) 11.5 km，烏陂河流域總集雨面積 23.23 km2，水土流失面積13.14 km2；源坑水小流域面積4.3 km2，流域地處粵東花崗巖紅壤丘陵風(fēng)化區(qū)，水土流失以水蝕為主，主要有面蝕、溝蝕、崩崗侵蝕等類型，其中以崩崗侵蝕最為嚴(yán)重。至上世紀(jì) 80年代以來(lái)，五華縣水土保持試驗(yàn)推廣站在烏陂河流域內(nèi)建立有1000 hm2的水?？蒲谢?，3個(gè)典型示范點(diǎn)，5種不同治理模式樣板，24個(gè)徑流泥沙觀測(cè)小區(qū)，7個(gè)雨量點(diǎn)，4個(gè)小型氣象觀測(cè)站，2個(gè)主河斷面控制站。華南典型侵蝕區(qū)源坑水小流域的具體地理位置見圖1。

圖1 華南典型侵蝕區(qū)源坑水小流域地理位置及地形圖Fig. 1 The geographic characteristics of Yu-Keng small watershed in erosion area of South China

1.2 供試土壤的理化性質(zhì)

土壤采自廣東省梅州市五華縣五華水土保持綜合示范區(qū)內(nèi)，分為兩種不同類型的土壤：林地（馬尾松，次生林）和棄耕荒地（旱作，休閑2年）。采土深度50 cm，所采土壤經(jīng)自然風(fēng)干后，過(guò)10 mm孔篩以供室內(nèi)模擬試驗(yàn)，測(cè)定其基本理化性質(zhì)及土壤有機(jī)碳含量，詳見表1。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)及有機(jī)碳含量Table 1 Physical and chemical properties and soil organic carbon content of tested soil

結(jié)合土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果，進(jìn)一步分析兩種供試土壤的組分性質(zhì)，兩種土壤各級(jí)粒徑組分對(duì)比情況詳見圖2。從表1和圖2可知，試驗(yàn)所用的兩種土壤性質(zhì)有較大的差異，林地土壤為砂質(zhì)黏壤土，砂粒含量較大，其中砂粒以 1～2、0.5～1、0.05～0.25 mm為主體，分別占各級(jí)土壤顆粒的比例為13%、18%、12%，為砂質(zhì)黏壤土；棄耕荒地土壤的粉粒含量較高，其中粉粒以0.002～0.02 mm顆粒為主，占各級(jí)土壤顆粒的比例為42%，為黏壤土。所采林地土壤的有機(jī)碳含量明顯高于棄耕荒地，但是二者的pH值及可溶性有機(jī)碳的含量較為接近，差異不大。土壤有機(jī)碳主要隨侵蝕泥沙遷移，林地土壤的有機(jī)碳含量明顯高于棄耕荒地，表明兩種土壤侵蝕模擬的土壤有機(jī)碳本底含量水平，林地大于棄耕荒地；兩種土壤的可溶性有機(jī)碳含量相近，表明了侵蝕過(guò)程中隨徑流遷移的有機(jī)碳本底含量水平差異不大。

圖2 兩種供試土壤（林地、棄耕地）的顆粒組成對(duì)比分析Fig. 2 Soil particle physical character of two tested soils (forest land and abandoned land)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤有機(jī)碳流失模擬試驗(yàn)是在廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所紅壤侵蝕動(dòng)力學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。試驗(yàn)配套可動(dòng)式移動(dòng)鋼槽2臺(tái)（自行研制，尺寸：長(zhǎng)×寬×高＝2 m×0.5 m×0.5 m），土槽裝土深度為0.5 m，集流桶若干（容積20 L，數(shù)量200個(gè)左右），電子天平等。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)水平的模擬雨強(qiáng)：90、180、270 mm·h-1；2個(gè)水平的坡度：10°、25°；共計(jì)模擬降雨 12場(chǎng)。主要測(cè)定的指標(biāo)：徑流量、泥沙量、徑流中可溶性有機(jī)碳（DOC）、泥沙中有機(jī)碳、試驗(yàn)前、后剖面土壤水分及有機(jī)碳分布。徑流量采用體積法量測(cè)，泥沙量采用烘干稱重法測(cè)定，徑流中有機(jī)碳含量采用碳自動(dòng)分析儀測(cè)定，泥沙及剖面土壤中的有機(jī)碳含量采用 K2Cr2O7-H2SO4外加熱氧化法測(cè)定。

模擬降雨操作如下，（1）初始含水狀況：土壤初始含水量為 8%（質(zhì)量含水量），其目的是為保證試驗(yàn)土壤水分含量均勻一致。用于試驗(yàn)的風(fēng)干土壤的質(zhì)量含水量約為5.2%，試驗(yàn)前一天噴撒一定量蒸餾水（水量根據(jù)控制的含水量 8%和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含水量的差值進(jìn)行計(jì)算）于土壤表面，然后在土壤表面覆蓋一層塑料薄膜以防止水分蒸發(fā)，約 24 h后，均勻攪拌土壤，然后用于試驗(yàn)裝土。（2）填土：首先槽底部鋪設(shè)一層5 cm厚的細(xì)砂子，其上以 10 cm為間隔分層裝土(土與砂子用一層粗棉紗布隔開)，為了便于分層（5層）裝土，試驗(yàn)土槽側(cè)壁先畫出以10 cm為間隔的刻度線，裝土容重控制在1.30 g·cm-3，再根據(jù)每層土槽的體積和控制的裝土容重計(jì)算出每層所需裝的土壤質(zhì)量，將稱好的土壤松散均勻的鋪撒在試驗(yàn)土槽之內(nèi)，用特制的底板留有微型透氣孔的擊實(shí)器輕輕的進(jìn)行夯實(shí)，直到土壤擊實(shí)面達(dá)到控制的間隔刻度線為止，然后用鋼毛刷輕輕爪毛該層的擊實(shí)面，以保證土層與土層之間良好接觸而不產(chǎn)生分層效應(yīng)，其后每層裝土重復(fù)前述操作進(jìn)行，值得注意的是最上面一層裝好后不需要進(jìn)行鋼毛刷爪毛的步驟。（3）預(yù)處理：裝土完畢后，將土槽調(diào)整到試驗(yàn)所需的坡度，放置約14 h后（制備好的土槽坡面用薄膜覆蓋，防止水分蒸發(fā)或外來(lái)干擾）用于第二天的試驗(yàn)。每場(chǎng)試驗(yàn)前坡面進(jìn)行30 mm·h-1的模擬降雨2 min，以保證各試驗(yàn)處理間坡面表層的水分狀況基本一致。（4）模擬降雨：模擬降雨X型下噴式模擬降雨系統(tǒng)，有效降雨高度約為13.4 m，降雨方向?yàn)橹亓Ψ较?，降雨雨?qiáng)分布均勻>90%，雨強(qiáng)利用雨量桶采用梅花布點(diǎn)法結(jié)合秒表進(jìn)行量測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種土壤不同坡度雨強(qiáng)下的土壤侵蝕及有機(jī)碳流失特征分析

坡度和雨強(qiáng)是影響坡面土壤侵蝕的兩個(gè)重要因子，尤其是雨強(qiáng)更是影響坡面侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的動(dòng)力因子之一。圖3所示，兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度不同雨強(qiáng)下的徑流量變化過(guò)程。本文中（圖3、圖4、圖5、圖6）圖例說(shuō)明，其中90、180、270代表雨強(qiáng)值。在同一坡度條件下，不論是林地亦或是棄耕荒地，徑流量隨降雨強(qiáng)度的增加而增大，棄耕荒地坡面的徑流量大于林地坡面的徑流量。圖中徑流量隨降雨歷時(shí)變化曲線的斜率值表征了降雨產(chǎn)流過(guò)程中的徑流強(qiáng)度大小，徑流強(qiáng)度變化規(guī)律類似于徑流量，徑流強(qiáng)度隨降雨強(qiáng)度的增加而增大，棄耕荒地坡面的徑流強(qiáng)度大于林地坡面的徑流強(qiáng)度。這一現(xiàn)象也說(shuō)明了荒地土壤比林地土壤更易產(chǎn)生地表徑流，主要是由于荒地土壤的質(zhì)地黏性更重，土壤的滲透性能較差，土壤結(jié)構(gòu)較差最終所致。

2.1.1 徑流特征分析

從坡度方面來(lái)看，在同一雨強(qiáng)條件下，林地或是棄耕荒地的徑流量均表現(xiàn)出 25°坡面的徑流量小于 10°坡面的徑流量，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，隨著坡度增加，坡面接受降雨的垂直投影面積減小，有效降雨面積相應(yīng)減少，坡面小區(qū)單位面積有效降雨量也相應(yīng)減小所致，這一結(jié)果與相關(guān)研究（賈松偉，2009）類似。

圖3 徑流量變化過(guò)程Fig. 3 The runoff amount changes with simulated rainfall time

圖4 侵蝕產(chǎn)沙量變化過(guò)程Fig. 4 The sediment load changes with simulated rainfall time

2.1.2 侵蝕產(chǎn)沙特征分析

兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度不同雨強(qiáng)下的侵蝕產(chǎn)沙量變化過(guò)程如圖4所示。坡面侵蝕過(guò)程中，侵蝕產(chǎn)沙的強(qiáng)度也是波動(dòng)變化的，侵蝕發(fā)生的前期（0～10 min）波動(dòng)過(guò)程比較劇烈，隨著侵蝕的發(fā)生，曲線變化逐漸趨于穩(wěn)定，侵蝕產(chǎn)沙量值逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值（10～60 min）（圖4）。兩種土壤類型坡面，模擬降雨強(qiáng)度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙量的影響較為顯著，侵蝕產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定值隨雨強(qiáng)的增加而增大；但是坡度改變對(duì)侵蝕產(chǎn)沙量的影響關(guān)系不明顯。從兩種土壤類型坡面對(duì)比來(lái)看，林地的侵蝕產(chǎn)沙量大于棄耕荒地的侵蝕產(chǎn)沙量，尤其是在陡坡25°、大雨強(qiáng) 270 mm·h-1條件下表現(xiàn)更為明顯，60 min降雨過(guò)程中，林地坡面的侵蝕產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定的值為0.153 kg·min-1，而荒地坡面的侵蝕產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定的值僅為0.055 kg·min-1，這一現(xiàn)象表明，林地土壤比荒地土壤更容易侵蝕產(chǎn)沙，主要是由于林地土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤的團(tuán)聚體或微團(tuán)聚體含量較多，在坡面降雨的影響下，土壤的團(tuán)聚體極易吸水分散破壞，也就容易被降雨擊濺或徑流沖刷攜帶所致。

2.1.3 土壤有機(jī)碳流失特征分析

土壤有機(jī)碳的流失會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量的下降，進(jìn)而影響土地的生產(chǎn)能力。侵蝕條件下土壤有機(jī)碳的流失主要有兩種遷移途徑：一是土壤中的可溶性有機(jī)碳（DOC）以溶解態(tài)的形式隨侵蝕徑流流失；另一種是土壤有機(jī)碳隨侵蝕泥沙遷移流失。

（1）土壤有機(jī)碳隨徑流的遷移流失

圖5 徑流中可溶性有機(jī)碳（DOC）含量變化Fig. 5 The content of dissolved organic carbon in runoff changes with simulated rainfall time

圖5所示，兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度不同雨強(qiáng)下的徑流中可溶性有機(jī)碳（DOC）含量的變化過(guò)程。徑流中有機(jī)碳濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程有別于通常的N、P養(yǎng)分濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程，徑流中N、P養(yǎng)分濃度的變化曲線通常為濃度衰減曲線（Ahjua，1982；Sharpley，1982），降雨產(chǎn)流初期N、P養(yǎng)分濃度驟然下降，濃度值相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)，降雨中后期濃度趨于穩(wěn)定值。兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度不同雨強(qiáng)下的徑流中可溶性有機(jī)碳（DOC）含量濃度的衰減規(guī)律表現(xiàn)為：降雨初期（0～5 min）徑流中的DOC含量逐漸減小，但其量值區(qū)間變化范圍不大，降雨中后期（5 min以后）徑流中的DOC含量略有逐漸增加的趨勢(shì)，且量值區(qū)間變化范圍也不大。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是：坡地遷移物質(zhì)自身的化學(xué)性質(zhì)所決定的，養(yǎng)分元素N主要以溶解態(tài)形式存在于徑流中，養(yǎng)分元素P主要以吸附態(tài)形式存在于侵蝕泥沙中，而土壤有機(jī)碳主要以固態(tài)顆?；蛭綉B(tài)存在于侵蝕泥沙之中，不同的存在形態(tài)最終導(dǎo)致其徑流濃度衰減曲線有較大差異。不同地類土壤（林地、棄耕荒地）間徑流中的DOC含量變化差異不大；雨強(qiáng)和坡度因子對(duì)徑流中的DOC含量影響規(guī)律也不明顯。

（2）土壤有機(jī)碳隨侵蝕泥沙的遷移流失

土壤有機(jī)碳的流失主要以侵蝕泥沙為載體（李光錄等，1995；劉秉正等，1995；賈松偉等，2004），圖6所示，兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度不同雨強(qiáng)下的泥沙有機(jī)碳（SOC）含量的變化過(guò)程。兩種土壤（林地、棄耕荒地）坡面的泥沙有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出隨降雨歷時(shí)逐漸減小的趨勢(shì)，但雨強(qiáng)和坡度對(duì)侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量的影響規(guī)律不明顯；林地土壤坡面的侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量明顯高于棄耕荒地土壤坡面的侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量，這是由于林地土壤本底中有機(jī)碳含量就明顯高于棄耕荒地，林地土壤本底中有機(jī)碳含量為6.03 g·kg-1，而荒地土壤本底中的有機(jī)碳含量?jī)H為4.95 g·kg-1，坡面土壤本底有機(jī)碳含量水平差異所致。

圖6 侵蝕泥沙中有機(jī)碳（SOC）含量變化Fig. 6 The content of soil organic carbon in sediment changes with simulated rainfall time

表2 泥沙有機(jī)碳的富集比及土壤有機(jī)碳流失率Table 2 The enrichment ratio and loss rate of soil organic carbon in sediment

2.2 侵蝕泥沙中土壤有機(jī)碳的富集及流失程度分析

2.2.1 泥沙中土壤有機(jī)碳的富集

由表2可知，林地土壤的泥沙有機(jī)碳富集比明顯大于棄耕荒地的泥沙有機(jī)碳富集比，富集比大于1表明侵蝕泥沙中的有機(jī)碳產(chǎn)生了富集現(xiàn)象，林地土壤坡面的泥沙有機(jī)碳富集比變化范圍為0.99～1.65，說(shuō)明林地土壤降雨侵蝕后，泥沙中有機(jī)碳富集現(xiàn)象顯著；棄耕荒地土壤坡面的泥沙有機(jī)碳富集比變化范圍為0.86～1.07，說(shuō)明林地土壤降雨侵蝕后，泥沙中有機(jī)碳接近富集或富集現(xiàn)象不是十分明顯；雨強(qiáng)和坡度對(duì)泥沙有機(jī)碳的富集比影響規(guī)律不明顯。土壤有機(jī)碳的流失雖然包含兩種主要途徑：隨徑流和泥沙，但是兩種途徑所占的作用比例卻不同，由表2可知，各處理侵蝕過(guò)程中隨泥沙流失的有機(jī)碳量約占總流失量的95%左右，僅有約5%左右的有機(jī)碳量隨徑流流失，表明侵蝕條件下土壤有機(jī)碳流失主要以侵蝕泥沙為載體，侵蝕泥沙的物理遷移特性會(huì)顯著影響土壤有機(jī)碳的流失過(guò)程。林地土壤的有機(jī)碳流失率明顯大于棄耕荒地的有機(jī)碳流失率，林地土壤的有機(jī)碳流失率變化范圍為1.6%～18.9%，棄耕荒地土壤的有機(jī)碳流失率變化范圍為2.2%～10.4%。土壤有機(jī)碳流失率隨降雨雨強(qiáng)的增加而增大，坡度對(duì)土壤有機(jī)碳流失率的影響不顯著。

2.2.2 土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度分析

土壤有機(jī)碳是陸地碳庫(kù)的重要組成部分，侵蝕條件下土壤有機(jī)碳的流失會(huì)造成土壤質(zhì)量下降，土地的生產(chǎn)能力下降，同時(shí)也會(huì)在一定程度上加劇全球變暖的趨勢(shì)。全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為1555 Pg，大約為大氣中碳儲(chǔ)量的2倍，并且主要分布于1 m以內(nèi)的上層土體中（潘根興等，2002）。我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳總量約為92.42 Pg（王紹強(qiáng)等，2000）。據(jù)國(guó)際碳循環(huán)計(jì)劃組織（IPPC）的估計(jì)，土壤有機(jī)碳損失對(duì)全球大氣CO2濃度升高的貢獻(xiàn)率約為 30%～50%。損失的土壤有機(jī)碳約有50%～70%是由土壤侵蝕造成的。由此可見土壤侵蝕中的有機(jī)碳流失對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣間的碳循環(huán)交換有著重要影響，在平衡全球CO2濃度、氣候變暖等方面起著重大作用。

土壤有機(jī)碳的流失主要以侵蝕泥沙為載體，流失的土壤有機(jī)碳質(zhì)量有近 95%左右是隨侵蝕泥沙攜帶遷移（表 2），為此土壤有機(jī)碳的流失強(qiáng)度與土壤侵蝕強(qiáng)度間的關(guān)系也最為密切。圖7所示，兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度不同雨強(qiáng)下的土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度間的關(guān)系曲線。土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系達(dá)0.98以上，試驗(yàn)條件下（不同地類土壤、雨強(qiáng)、坡度）土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度間的函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為：y(SOC)=5.104x(Erosion)+0.036（r2=0.984）（圖7）。由此也說(shuō)明了土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度二者間的關(guān)系不受下墊面土壤類型、降雨、坡度等的影響，是由侵蝕強(qiáng)度主要決定的。侵蝕強(qiáng)度越大，則侵蝕區(qū)土壤的有機(jī)碳流失強(qiáng)度也越大。可見，保持水土、減少水土流失的措施或手段同樣也會(huì)有效的降低土壤有機(jī)碳的流失，水土保持與固碳節(jié)能環(huán)保是辯證統(tǒng)一的。

圖7 土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 7 The relationship between soil organic carbon loss rate and erosion rate

3 結(jié)論

本文通過(guò)不同雨強(qiáng)、坡度下紅壤典型侵蝕區(qū)兩種土壤的有機(jī)碳流失模擬試驗(yàn)，探討了有機(jī)碳的流失機(jī)制，主要取得如下一些研究結(jié)果：

（1）徑流中有機(jī)碳濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程有別于通常的N、P養(yǎng)分的濃度衰減過(guò)程，兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度不同雨強(qiáng)下的徑流中可溶性有機(jī)碳（DOC）含量濃度的衰減規(guī)律表現(xiàn)為：降雨初期（0～5 min）徑流中的DOC含量逐漸減小，但其量值區(qū)間變化范圍不大，降雨中后期（5 min以后）徑流中的DOC含量略有逐漸增加的趨勢(shì)，且量值區(qū)間變化范圍也不大。

（2）土壤有機(jī)碳的流失主要以侵蝕泥沙為載體，兩種土壤（林地、棄耕荒地）坡面的泥沙有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出隨降雨歷時(shí)逐漸減小的趨勢(shì)，但雨強(qiáng)和坡度對(duì)侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量的影響規(guī)律不明顯；林地土壤坡面的侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量明顯高于棄耕荒地土壤坡面的侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量。

（3）林地土壤的泥沙有機(jī)碳富集比明顯大于棄耕荒地的泥沙有機(jī)碳富集比。林地土壤降雨侵蝕后，泥沙中有機(jī)碳富集現(xiàn)象顯著，有機(jī)碳富集比變化范圍為0.99～1.65；棄耕荒地土壤降雨侵蝕后，泥沙中有機(jī)碳接近富集或富集現(xiàn)象不是十分明顯，泥沙有機(jī)碳富集比變化范圍為0.86～1.07。

（4）土壤有機(jī)碳的流失雖然包含兩種主要途徑：隨徑流和泥沙，但是兩種途徑所占的作用比例卻不同。各處理侵蝕過(guò)程中隨泥沙流失的有機(jī)碳量約占總流失量的95%左右，僅有約5%左右的有機(jī)碳量隨徑流流失。林地土壤的有機(jī)碳流失率明顯大于棄耕荒地的有機(jī)碳流失率，林地土壤的有機(jī)碳流失率變化范圍為 1.6%～18.9%，棄耕荒地土壤的有機(jī)碳流失率變化范圍為 2.2%～10.4%。土壤有機(jī)碳流失率隨降雨雨強(qiáng)的增加而增大，坡度對(duì)土壤有機(jī)碳流失率的影響不顯著。

（5）土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系。兩種土壤（林地、棄耕荒地）不同坡度、雨強(qiáng)下土壤有機(jī)碳流失強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度間的函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為：y(SOC)=5.104x(Erosion)+0.036（r2=0.984）。

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Experimental Study on Soil Organic Carbon Loss in Red Soil Erosion under Different Simulated Rainfall Intensity and Slope Gradient

GUO Tailong1, XIE Jinbo3, KONG Chaohui3, LIAO Yishan1, LI Junjie1, ZHANG Siyi1, LI Dingqiang1,2*
1. Guangdong Institute of Eco-environment and Soil Science，Guangdong Key Laboratory of Comprehensive Control of Agro-environment, Guangzhou 510650, China; 2. Guangzhou branch of Chinese Academy of Sciences, and Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 3. Wuhua Soil and Water Conservation expanding Station of Guangdong Province, Meizhou 514471, China

Soil carbon loss in erosion is not only the one of new topics in global carbon cycle research, but also the key problem in soil physical study. Most previous studies focused on nutrient loss in soil erosion and land degeneration, but few attentions have been paid to soil carbon loss complaining with soil erosion. This study used simulated rainfall method to investigate the influences of soil type, rainfall intensity and slope gradient on soil organic carbon loss. The results showed that: (1) Soil organic carbon loss is major in losing with sediment and the content of soil organic carbon in sediment decrease with rainfall duration. There are no obvious relation between rainfall intensity and the content of soil organic carbon in sediment. The content of soil organic carbon in sediment from forest land treatment is greater than that from abandoned land treatment. (2) The enrichment ratio of soil organic carbon in sediment for forest land treatment is also higher than it for abandoned land treatment. For forest land treatment, the enrichment ratio of soil organic carbon in sediment ranges from 0.99 to 1.65. But for abandoned land treatment, it ranges from 0.86 to 1.07. The soil organic carbon loss rate of forest land treatment is greater than that abandoned land treatment. For forest land treatment it ranges from 1.6% to 18.9%, and 2.2% to 10.4% for abandoned land treatment. The soil organic carbon loss rate increases with rainfall intensity, but no obvious tendency can be found with increased slope gradient. And (3) there are lineally relationship between the soil organic carbon loss rate and soil erosion rate. The function of them under different soil type, rainfall intensity, and soil slope can be expressed as: y(SOC)=5.104x(Erosion)+0.036 (r2=0.984).

red soil; soil erosion; soil organic carbon; carbon loss; simulated rainfall

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.002

X144；S157

A

1674-5906（2015）08-1266-08

郭太龍，謝金波，孔朝暉，廖義善，李俊杰，張思毅，李定強(qiáng). 華南典型侵蝕區(qū)土壤有機(jī)碳流失機(jī)制模擬研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(8): 1266-1273.

GUO Tailong, XIE Jinbo, KONG Chaohui, LIAO Yishan, LI Junjie, ZHANG Siyi, LI Dingqiang. Experimental Study on Soil Organic Carbon Loss in Red Soil Erosion under Different Simulated Rainfall Intensity and Slope Gradient [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1266-1273.

廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目（S2012030006144）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41171221）

郭太龍（1979年生），男，副研究員，博士，主要從事土壤侵蝕與非點(diǎn)源污染研究。E-mail: tlguo@soil.gd.cn *通信作者：李定強(qiáng)（1963年生），男，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)樗帘３峙c非點(diǎn)源污染。E-mail: dqli@soil.gd.cn

2014-12-15