黃土丘陵區(qū)水蝕坡面土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)模擬

張亞鋒，許明祥，陳蓋，王超華

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,712100,陜西楊凌；2.中國科學(xué)院大學(xué),100049,北京；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,712100,陜西楊凌)

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黃土丘陵區(qū)水蝕坡面土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)模擬

張亞鋒1,2，許明祥1,3?，陳蓋3，王超華3

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,712100,陜西楊凌；2.中國科學(xué)院大學(xué),100049,北京；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,712100,陜西楊凌)

為了深入理解侵蝕影響下的碳排放機(jī)制，本文以黃土丘陵區(qū)不同有機(jī)碳背景的水蝕坡面土壤為研究對象，采用3因素(土壤有機(jī)碳水平、溫度和土壤含水量)4水平的正交試驗設(shè)計，通過對坡面不同部位土壤的室內(nèi)礦化培養(yǎng)實(shí)驗，分析水蝕坡面土壤有機(jī)碳礦化特征，并模擬土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)。結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響水蝕坡面有機(jī)碳礦化的主要因素，不同有機(jī)碳背景下，水蝕坡面表現(xiàn)出不同有機(jī)碳礦化特征。當(dāng)土壤有機(jī)碳水平較低時，坡面侵蝕促進(jìn)了沉積區(qū)土壤有機(jī)碳礦化；當(dāng)土壤有機(jī)碳水平較高時，沉積區(qū)土壤有機(jī)碳礦化受到抑制。一級動力學(xué)方程較好的描述土壤有機(jī)碳礦化累積動態(tài)(R>0.98)，有機(jī)碳礦化潛力(Cp值)能綜合反映土壤有機(jī)碳水平、溫度和含水量對有機(jī)碳礦化的影響。通過Cp值修正，得到的土壤有機(jī)碳礦化多因素方程擬合度較高(R2>0.95)，能夠很好地擬合不同有機(jī)碳水平下土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)。

土壤有機(jī)碳； 水蝕坡面； 礦化動態(tài)； 影響因素； 模擬

土壤有機(jī)碳的礦化是聯(lián)系土壤內(nèi)部與外部碳循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)。在碳循環(huán)過程中，土壤呼吸占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的60%～90%，是陸地上僅次于光合作用的第2大碳流通途徑[1]。土壤呼吸的變化與全球氣候變化密切相關(guān)，因此，土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化，成為近年來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球變化研究中的熱點(diǎn)問題[2]。土壤侵蝕是陸地上唯一能使大量易礦化土壤有機(jī)碳遷移和再分布的驅(qū)動力[3]，是引起土壤有機(jī)碳庫變化的主要因素之一[4]。

目前，侵蝕碳的“源與匯”問題存在著較大爭議。不同背景的土壤有機(jī)碳，對侵蝕碳的源匯功能轉(zhuǎn)換，尤其是對沉積區(qū)泥沙搬運(yùn)來的碳的轉(zhuǎn)換機(jī)制有很大影響，對侵蝕影響下的土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)和土壤碳排放機(jī)制的研究，在不同有機(jī)碳背景下都具有重要意義。

本研究在黃土丘陵區(qū)水蝕坡面上，以侵蝕沉積過程中，不同部位土壤為研究對象，通過對其礦化特征的分析及礦化動態(tài)的模擬，揭示土壤有機(jī)碳背景、溫濕度對水蝕坡面土壤有機(jī)碳礦化的影響，為深入理解水蝕坡面碳排放影響機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，為坡面尺度碳收支計算提供參考。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安塞縣(E 108°51′～109°26′，N 36°31′～37°19′)，試驗在安塞水土保持綜合試驗站山地試驗場坡面小區(qū)進(jìn)行。研究區(qū)屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候。平均海拔1 200 m，相對高差100～300 m，年均氣溫8.8 ℃，多年平均降水量505 mm。年日照2 300～2 400 h，≥10 ℃的積溫為3 282 ℃，干燥度指數(shù)K=1.48，無霜期157 d。降水年度分配不均，7—9月降水量占年降水量的60%左右，且多暴雨。地帶性土壤為黑壚土，由于嚴(yán)重的水土流失，黑壚土損失殆盡，土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育來的黃綿土(鈣質(zhì)干潤雛形土)為主。

2　材料與方法

2.1試驗設(shè)計

為了在坡面尺度上能夠呈現(xiàn)土壤侵蝕過程的主要階段(侵蝕—沉積)，坡面小區(qū)設(shè)計為“S”型坡(圖1)。小區(qū)設(shè)計為裸地，無植被覆蓋。小區(qū)面積4 m×17 m，坡向朝東，坡度19°。小區(qū)設(shè)3個土壤有

機(jī)碳水平：高碳(H)、中碳(M)、低碳(L)。2013年10月，對樣地進(jìn)行整修和施肥。在高碳和中碳小區(qū)施有機(jī)肥，肥料為腐熟的羊糞，有機(jī)肥撒施在地表，翻地15 cm，與表土混勻。施肥量分別為2.04和1.36 kg/m2，低碳小區(qū)不施肥。

圖1　S型坡面侵蝕- 沉積分區(qū)示意圖Fig.1　Schematic diagram of erosion-deposition division on the S type slope

選擇正交表頭L16(45)，為滿足正交設(shè)計要求，采用擬水平法，通過高碳水平得到擬高碳水平(QH)，擬高碳水平結(jié)果不參與計算分析?；谠囼瀰^(qū)土壤溫濕度在雨季(6—10月)的變化范圍，同時考慮實(shí)驗的可操作性，設(shè)置試驗所需溫度和土壤含水量水平梯度。正交試驗設(shè)計如表1所示，對水蝕坡面3個部位均按照正交表進(jìn)行實(shí)驗。

表1　正交試驗設(shè)計

Note:H:High carbon; M:Middle carbon; L:Low carbon; QH:Quasi High carbon.

2.2樣品采集

2014年8月上旬，在小區(qū)各部位(侵蝕區(qū)、沉積區(qū)和對照區(qū))采集0～20 cm土層的土壤，采樣方法為隨機(jī)布點(diǎn)法，即在采集部位隨機(jī)選取3個樣點(diǎn)，采集土樣、混合，風(fēng)干過篩后，對土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測定(表2)。2014年9月下旬，為避免下層土壤的干擾，充分反映坡面侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的土壤屬性及其礦化特征差異，按上述采樣方法，采集0～5 cm土層的土壤，重復(fù)4次，共36個混合土樣。將采集好的土樣裝入保溫袋低溫運(yùn)回實(shí)驗室，放入4 ℃的冰箱中保存。土樣過2 mm篩，用于測定有機(jī)碳礦化及微生物量碳(表2)。

表2　試驗小區(qū)土壤基本性質(zhì) (平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.3試驗方法

土壤微生物量碳的測定，采用氯仿熏蒸法[18-19]；土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮用凱氏法消解，K2300型全自動定氮儀測定。

土壤有機(jī)碳礦化量采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測定。實(shí)驗所需相當(dāng)于50 g風(fēng)干土的新鮮供試土壤質(zhì)量m，先用烘干法測定36個混合土樣含水量w，再通過公式m=50/(1-w)計算獲得。稱取相當(dāng)于50 g風(fēng)干土的新鮮供試土壤，置于500 mL塑料培養(yǎng)瓶中，加蒸餾水調(diào)至設(shè)定的土壤含水量水平，同時，設(shè)不加土樣的空白處理。培養(yǎng)期間用稱量法補(bǔ)充水分，以保持恒定的土壤濕度。將10 mL濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液置于50 mL小燒杯，用以吸收有機(jī)碳分解釋放出的CO2，然后密封培養(yǎng)瓶，將培養(yǎng)瓶置于已設(shè)定溫度的恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)。在培養(yǎng)的第2、4、7、11和16天更換NaOH溶液，同時，將取出的NaOH溶液完全吸入三角瓶中，然后加入1 mol/L BaCl2溶液1 mL及酚酞指示劑，用0.1 mol/L HCl滴定至紅色變?yōu)榉奂t色，根據(jù)CO2的釋放量，計算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳的礦化量[12]。

2.4數(shù)據(jù)計算與分析

用CurveExpert 1.3模擬有機(jī)碳礦化動態(tài)，用SPSS 18.0軟件對正交設(shè)計實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行方差分析。在一級動力學(xué)方程基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤溫度和土壤含水量數(shù)據(jù)，建立方程，用SPSS 18.0軟件進(jìn)行非線性回歸分析。各部位各有機(jī)碳水平下的礦化特征，用其所包括試驗號結(jié)果的算術(shù)平均值表示。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤有機(jī)碳礦化特征及其影響因素

培養(yǎng)期(16 d)高碳水平下，侵蝕區(qū)、沉積區(qū)和對照區(qū)的平均礦化速率分別為0.093 1、0.055 3和0.067 0 g/(kg·d)，中碳水平下分別為0.060 9、0.037 9和0.045 4 g/(kg·d)，低碳水平分別為0.029 9、0.028 5和0.025 5 g/(kg·d)。隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤有機(jī)碳礦化速率先迅速下降，而后緩慢降低，并逐漸趨于穩(wěn)定，土壤有機(jī)碳進(jìn)入緩慢礦化分解階段，坡面各部位礦化速率的差異，隨土壤有機(jī)碳水平的降低而減小(圖2)。

坡面各部位土壤有機(jī)碳累積礦化量的差異，隨有機(jī)碳水平的降低而減小(圖3)。侵蝕區(qū)與對照區(qū)相比，累積礦化量顯著增加，高碳、中碳和低碳水平下分別增長39.0%、34.3%和17.3%；沉積區(qū)與對照區(qū)相比，高碳和中碳水平下分別降低17.5%和16.5%，而低碳水平下增加11.9%。

水蝕坡面在不同有機(jī)碳水平下的礦化特征表現(xiàn)形式不同。高碳和中碳水平下，坡面有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率表現(xiàn)為侵蝕區(qū)>對照區(qū)>沉積區(qū)；低碳水平下，坡面有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率表現(xiàn)為：侵蝕區(qū)>沉積區(qū)>對照區(qū)。

圖2　有機(jī)碳礦化速率Fig.2　Soil organic carbon mineralization rate

圖3　有機(jī)碳累積礦化量Fig.3　Accumulated mineralization amount of soil organic carbon

方差分析結(jié)果表明，水蝕坡面侵蝕區(qū)與對照區(qū)，土壤有機(jī)碳水平和溫度均對土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率有顯著影響(P<0.05)，而土壤含水量對其影響較小(P<0.10)；沉積區(qū)土壤有機(jī)碳水平、溫度和土壤含水量，均對土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率有顯著影響(P<0.05)。III 型平方和的大小，通常用來比較影響因素的主次關(guān)系，比較III 型平方和可知，三者對水蝕坡面土壤有機(jī)碳礦化影響的主次關(guān)系為：土壤有機(jī)碳水平>溫度>土壤含水量(表3)。

表3　坡面不同部位土壤有機(jī)碳礦化影響因素的III 型平方和

3.2土壤有機(jī)碳礦化一級動力學(xué)方程

土壤培養(yǎng)期較短，土壤有機(jī)碳礦化主要是活性有機(jī)碳分解[21]，用一級動力學(xué)方程定量描述土壤有機(jī)碳礦化累積動態(tài)：

y = Cp×(1-e-kx)。

式中：Cp為土壤有機(jī)碳礦化潛力，g/kg；k為有機(jī)碳礦化速率常數(shù)，d-1；x為時間，d；y為土壤培養(yǎng)時間x時的有機(jī)碳礦化量。

不同處理下，土壤有機(jī)碳礦化累積動態(tài)和培養(yǎng)時間的關(guān)系，擬合得Cp和k值(表4)，一級動力學(xué)方程擬合土壤有機(jī)碳礦化累積動態(tài)，均達(dá)到較好效果(R>0.98)。

土壤有機(jī)碳水平、溫度和含水量對Cp值有明顯影響，土壤溫濕度的影響，隨有機(jī)碳水平的降低而減小(圖4)。水蝕坡面各部位土壤礦化潛力(Cp值)有明顯差異，高碳和中碳水平下，侵蝕區(qū)>對照區(qū)>沉積區(qū)，低碳水平下，侵蝕區(qū)>沉積區(qū)>對照區(qū)。

3.3土壤有機(jī)碳礦化多因素方程

在一級動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，引入溫度、含水量、微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個變量，對Cp值進(jìn)行了修正，得到以下方程：

Y=a(blnw+c)eαθe(βW2+γW)(1-e-kX)。

式中：w為微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(本研究用微生物量碳來表征土壤活性有機(jī)碳)，mg/kg；θ為溫度，℃；W為質(zhì)量含水量，%；X為時間，d；Y為土壤培養(yǎng)時間X時的有機(jī)碳礦化量。a、b、c、α、β、γ、k為方程的待定參數(shù)。a為方程系數(shù)，與其他因素條件的影響有關(guān)；b為土壤微生物量碳的易礦化程度，c為微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)系數(shù)；通過對方程blnw+c=0換算得到e-c/b，可以用來判斷適用本方程的臨界土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；α值為土壤有機(jī)碳礦化對溫度的敏感程度；γ和β為土壤含水量系數(shù)，由方程y=βW2+γW推算得到的-γ/2β，表示土壤有機(jī)碳礦化最適含水量；k表示有機(jī)碳礦化速率常數(shù)，d-1。

表4　土壤有機(jī)碳礦化潛力Cp值和礦化速率常數(shù)k

注：R是相關(guān)系數(shù)。 Note:R is the correlation coefficient.

圖4　土壤有機(jī)碳礦化潛力Cp值Fig.4　Mineralization potential Cp value of soil organic carbon

利用該方程，分別對侵蝕區(qū)、沉積區(qū)和對照區(qū)相關(guān)變量，進(jìn)行非線性回歸擬合，得出相關(guān)參數(shù)值(表5)，方程擬合度較高(R2>0.95)，方程的適用性和應(yīng)用性有待檢驗。

表5　坡面各部位土壤有機(jī)碳礦化擬合方程參數(shù)

注：a、b、c、α、β、γ為方程參數(shù)；k是速率常數(shù)； R2為決定系數(shù)。 Note:a,b,c,α,β,γ is the equation parameter respectively； k is the mineralization rate constant； R2is the coefficient of determination.

比較各部位土壤有機(jī)碳礦化多因素方程可得：比較參數(shù)b可知，侵蝕區(qū)與沉積區(qū)土壤微生物量碳易礦化程度與對照區(qū)相比較高，沉積區(qū)易礦化程度最高。由計算各部位的e-c/b可知，侵蝕區(qū)、沉積區(qū)和對照區(qū)分別為97.38、83.55和84.12 mg/kg，當(dāng)相應(yīng)部位微生物量碳低于該數(shù)值時，該方程不適用。由比較α值可知，與對照區(qū)相比，侵蝕區(qū)對溫度的變化較為敏感，沉積區(qū)與對照區(qū)溫度敏感度基本相同。對不同部位的-γ/2β值計算可得，侵蝕區(qū)、沉積區(qū)和對照區(qū)的礦化最適含水量分別為20.0%、14.9%和25.6%。說明水蝕坡面各部位之間，土壤有機(jī)碳礦化對其影響因素的響應(yīng)機(jī)制存在較大差異。

4　討論

一般來說，土壤侵蝕會導(dǎo)致團(tuán)聚體的破壞和土壤顆粒的分散，暴露出保存在其中的有機(jī)物質(zhì)，被微生物利用[25]，引起有機(jī)碳迅速礦化，加速原位土壤有機(jī)碳的分解損失[26]。本研究中，試驗小區(qū)主要以面蝕為主，不同有機(jī)碳水平下，侵蝕區(qū)土壤有機(jī)碳礦化特征表現(xiàn)為礦化加劇(與對照區(qū)相比)，與上述結(jié)論一致。

土壤侵蝕所剝蝕、搬運(yùn)的泥沙中，細(xì)小顆粒物質(zhì)高于原位土壤[27]，而泥沙沉積過程中，所攜帶的大量黏粉粒是有機(jī)碳搬運(yùn)的主要載體[28]，最終導(dǎo)致碳素在坡面泥沙中富集[29]。目前，對沉積泥沙碳源碳匯功能的認(rèn)識存在較大爭議。有些學(xué)者認(rèn)為，在沉積區(qū)土壤有機(jī)碳被微團(tuán)聚體包裹而難以釋放[30]，例如方華軍等[31]在對黑土坡耕地的研究中認(rèn)為，沉積區(qū)表層土壤中，耐分解的有機(jī)碳所占比例較大，形成一個惰性碳庫。有些學(xué)者認(rèn)為，沉積泥沙中所攜帶的土壤有機(jī)碳更容易礦化分解，這是因為土壤侵蝕造成了土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的富集，且活性有機(jī)碳的富集比高于有機(jī)碳的富集比[20]，沉積泥沙中的有機(jī)碳更易消耗。本研究從礦化特征的角度分析得出：高碳和中碳水平下，沉積區(qū)土壤有機(jī)碳礦化特征與對照區(qū)相比明顯降低，沉積土壤表現(xiàn)出碳匯效應(yīng)；而低碳水平下，沉積區(qū)土壤則表現(xiàn)出碳源效應(yīng)。這說明沉積泥沙碳源碳匯功能轉(zhuǎn)換與土壤有機(jī)碳背景有關(guān)，對不同有機(jī)碳水平下，沉積泥沙中有機(jī)碳組分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析是需要進(jìn)一步開展的工作。

一般認(rèn)為，Cp值與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，例如李順姬等[23]在對黃土高原土壤礦化的研究中發(fā)現(xiàn)，Cp值與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)(R=0.742，P<0.01)。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫濕度也對Cp值大小有明顯影響，其影響隨有機(jī)碳水平的降低而減小。這可以用來解釋部分研究結(jié)果中，Cp值與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不相關(guān)的問題，例如馬昕昕等在對黃土丘陵區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)，Cp值與土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不相關(guān)[12]，這可能與試驗設(shè)置的土壤溫濕度較低有關(guān)。Cp值能綜合反映土壤有機(jī)碳水平、溫度和含水量對有機(jī)碳礦化的影響，可以用來解釋土壤有機(jī)碳礦化影響因素的作用機(jī)理。在土壤有機(jī)碳礦化過程中，當(dāng)土壤有機(jī)碳水平較高時，營養(yǎng)供應(yīng)充足，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是限制微生物活動的主要因素，土壤水熱環(huán)境是影響土壤微生物活動的主要因素。隨著土壤有機(jī)碳水平的降低，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸成為土壤微生物活動的限制因素，土壤水熱環(huán)境的變化，對土壤有機(jī)碳分解的影響逐漸減小(圖3)。

國外學(xué)者在土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)模擬研究上，建立了很多經(jīng)典模型，而涉及土壤侵蝕對土壤有機(jī)碳動態(tài)影響的模型較少。其中，CENTURY 模型5.0版本增加了土壤侵蝕和沉積效應(yīng)，已被國內(nèi)外學(xué)者驗證[15,24]；但是，這些模型具有分室復(fù)雜、輸入?yún)?shù)多、變量參數(shù)難以獲取等局限性[8]，在坡面尺度上難以適用。用一級動力學(xué)方程擬合，是研究土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)的常用方法，相關(guān)研究認(rèn)為，土壤溫濕度是影響速率常數(shù)k的因素[8,22]，通常用土壤環(huán)境影響函數(shù)，對速率常數(shù)k進(jìn)行修正[17,22]。本研究結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳和水熱環(huán)境因素對Cp值有明顯影響，通過Cp值修正，得到的土壤有機(jī)碳礦化多因素方程，擬合度較高(R2>0.95)。區(qū)分不同部位的礦化動態(tài)模擬，可以直接對各部位土壤有機(jī)碳礦化的影響因素進(jìn)行分析，這對深入理解侵蝕影響下的坡面土壤有機(jī)碳礦化機(jī)制，有很大幫助。通過比較不同部位的土壤有機(jī)碳礦化多因素方程結(jié)果說明，水蝕坡面各部位之間，土壤有機(jī)碳礦化對其影響因素的響應(yīng)機(jī)制存在較大差異。盡管方程的適用性和應(yīng)用性有待檢驗，但研究結(jié)果對土壤有機(jī)碳礦化模擬，具有一定的參考價值。

本研究在不同有機(jī)碳水平下，從水蝕坡面不同部位有機(jī)碳礦化特征的角度，探討侵蝕坡面土壤礦化動態(tài)及其影響因素。該研究以坡面發(fā)生明顯的侵蝕沉積現(xiàn)象作為開展工作的前提。由于中碳和高碳水平試驗小區(qū)，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，所以，盡管有明顯的坡面侵蝕沉積發(fā)生，對照區(qū)、侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然較為接近，造成高碳和中碳水平下，土壤有機(jī)碳礦化特征和影響因素的差異較小。而低碳小區(qū)，不同部位土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)則有明顯差異，將低碳水平與中、高碳水平的結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究結(jié)果和結(jié)論可以得到支持。

本研究模擬侵蝕對坡面耕作土壤有機(jī)碳礦化的影響，參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)田耕作管理習(xí)慣，通過施有機(jī)肥，調(diào)節(jié)各個小區(qū)土壤有機(jī)碳水平。由于施肥坡面與自然坡面的有機(jī)碳組分可能不同，其礦化特征可能存在差異，研究結(jié)果不一定適用于自然坡面；同時，土壤惰性碳與易變碳的礦化影響因素可能有很大不同。實(shí)驗中礦化培養(yǎng)時間較短，有機(jī)碳礦化以易變碳為主，因此，土壤有機(jī)碳礦化多因素方程適用范圍，應(yīng)該限定在土壤有機(jī)碳礦化的前期階段。

5　結(jié)論

1)不同有機(jī)碳背景下的水蝕坡面，表現(xiàn)出不同的有機(jī)碳礦化特征。在侵蝕區(qū)，坡面侵蝕加速了土壤有機(jī)碳礦化；在沉積區(qū)，低碳水平下，坡面侵蝕促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化，高碳和中碳水平下，土壤有機(jī)碳礦化受到抑制。

2)土壤有機(jī)碳水平、溫度和含水量對土壤有機(jī)碳礦化潛力(Cp值)有明顯影響，土壤溫濕度的影響，隨有機(jī)碳水平的降低而減小。Cp值能綜合反映土壤有機(jī)碳水平、溫度和含水量對有機(jī)碳礦化的影響，可以用來解釋土壤有機(jī)碳礦化影響因素的作用機(jī)理。

3)在一級動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，通過Cp值修正，得到土壤有機(jī)碳礦化多因素方程，可以很好地擬合不同有機(jī)碳水平下土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)。

[1]Raich J W,Schlesinger W H.The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J].Tellus,1992,44(2):81.

[2]Trumbore S.Carbon respired by terrestrial ecosystems-recent progress and challenges[J].Global Change Biology,2006,12(2):141.

[3]裴會敏,許明祥,李強(qiáng),等.侵蝕條件下土壤有機(jī)碳流失研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2012,19(6):269.

Pei Huimin,Xu Mingxiang,Li Qiang,et al.Advances in soil organic carbon losses under erosion[J].Research of Soil and Water Conservation,2012,19(6):269.(in Chinese)

[4]Kemmitt S J,Lanyon C V,Waite I S,et al.Mineralization of native soil organic matter is not regulated by the size,activity or composition of the soil microbial biomass—a new perspective[J].Soil Biology & Biochemistry,2008,40(1):61.

[5]Post W M,Izaurralde R C,Mann L K,et al.Monitoring and verifying changes of organic carbon in soil[J].Climatic Change,2001,51(1):73.

[6]Fang C,Moncrieff J B.The dependence of soil CO2efflux on temperature[J].Soil Biology & Biochemistry,2001,33(2):155.

[7]張東秋,石培禮,張憲洲.土壤呼吸主要影響因素的研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(7):778.

Zhang Dongqiu,Shi Peili,Zhang Xianzhou.Some advance in the main factors controlling soil respiration[J].Advances in Earth Science,2005,20(7):778.(in Chinese)

[8]汪張懿,宗良綱,褚慧,等.有機(jī)肥分解及其對土壤有機(jī)碳礦化影響的模擬研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(1):36.

Wang Zhangyi,Zong Lianggang,Chu Hui,et al.A simulation study on decomposition of organic fertilizers and its effects on soil organic carbon mineralization[J].Journal of Agro-environment Science,2013,32(1):36.(in Chinese)

[9]Huang Yao,Sass R L,Fisher F M.A semi-empirical model of methane emission from flooded rice paddy soils[J].Global Change Biology,1998,4(3):247.

[10]陳全勝,李凌浩,韓興國,等.水熱條件對錫林河流域典型草原退化群落土壤呼吸的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報,2003,27(2):202.

Chen Quansheng,Li Linghao,Han Xingguo,et al.Influence of temperature and soil moisture on soil respiration of a degraded steppe community in the Xilin River Basin of Inner Mongolia[J].Chinese Journal of Plant Ecology,2003,27(2):202.(in Chinese)

[11]Wang Xianwei,Li Xiuzhen,Hu Yuanman,et al.Effect of temperature and moisture on soil organic carbon mineralization of predominantly permafrost peatland in the Great Hing'an Mountains,Northeastern China[J].Journal of Environmental Sciences,2010,22(7):1057.

[12]馬昕昕,許明祥,楊凱.黃土丘陵區(qū)刺槐林深層土壤有機(jī)碳礦化特征初探[J].環(huán)境科學(xué),2012,33(11):3893.

Ma Xinxin,Xu Mingxiang,Yang Kai.Soil organic carbon mineralization of black locust forest in the deep soil layer of the hilly region of the loess plateau,China[J].Environmental Science,2012,33(11):3893.(in Chinese)

[13]賈紅麗.黃河三角洲典型濕地表觀土壤呼吸通量及有機(jī)碳礦化動態(tài)模擬[D].青島:中國海洋大學(xué),2014:7-8.

Jia Hongli.The apparent soil respiration flux and organic carbon mineralization simulation in typical wetlands in Yellow River Delta[D].Qingdao:Ocean University of China,2014:7-8.(in Chinese)

[14]Parton W J,Scurlock J M O,Ojima D S,et al.Observations and modeling of biomass and soil organic matter dynamics for the grassland biome worldwide[J].Global Biogeochemical Cycles,1993,7(4):785.

[15]方華軍,楊學(xué)明,張曉平,等.耕作及水蝕影響下坡耕地土壤有機(jī)碳動態(tài)模擬[J].土壤學(xué)報,2006,43(5):730.

Fang Huajun,Yang Xueming,Zhang Xiaoping,et al.Simulation on dynamics of soil organic carbon under the effect of tillage and water erosion[J].Acta Pedologica Sinica,2006,43(5):730.(in Chinese)

[16]朱凌宇,潘劍君,張威.祁連山不同海拔土壤有機(jī)碳庫及分解特征研究[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(2):668.

Zhu Lingyu,Pan Jianjun,Zhang Wei.Study on soil organic carbon pools and turnover characteristics along an elevation gradient in Qilian Mountains[J].Environmental Science,2013,34(2):668.(in Chinese)

[17]劉世梁,黃耀,沈其榮,等.農(nóng)田土壤有機(jī)碳動態(tài)模擬模型的檢驗與應(yīng)用[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2001,34(6):644.

Liu Shiliang,Huang Yao,Shen Qirong,et al.Validation and application of a soil organic carbon model[J].Scientia Agricultura Sinica,2001,34(6):644.(in Chinese)

[18]林啟美,吳玉光,劉煥龍.熏蒸法測定土壤微生物量碳的改進(jìn)[J].生態(tài)學(xué)雜志,1999,18(2):63.

Lin Qimei,Wu Yuguang,Liu Huanlong.Modification of fumigation extraction method for measuring soil microbial biomass carbon[J].Chinese Journal of Ecology,1999,18(2):63.(in Chinese)

[19]Vance E D,Brookes P C,Jenkinson D S.An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J].Soil Biology & Biochemistry,1987,19(87):703.

[20]賈松偉,賀秀斌,陳云明,等.黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕對土壤有機(jī)碳流失的影響研究[J].水土保持研究,2004,11(4):88.

Jia Songwei,He Xiubin,Chen Yunming,et al.Effect of soil erosion on soil organic carbon loss on the Loess Hilly Areas[J].Research of soil and water conservation,2004,11(4):88.(in Chinese)

[21]吳建國,艾麗,朱高,等.祁連山北坡云杉林和草甸土壤有機(jī)碳礦化及其影響因素[J].草地學(xué)報,2007,15(1):20.

Wu Jianguo,Ai Li,Zhu Gao,et al.Mineralization of soil organic carbon and its motivating factors to the dragon spruce forest and alpine meadows of the Qilian Mountains[J].Acta Agrestia Sinica,2007,15(1):20.(in Chinese)

[22]黃耀,劉世梁,沈其榮,等.農(nóng)田土壤有機(jī)碳動態(tài)模擬模型的建立[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2001,34(5):532.

Huang Yao,Liu Shiliang,Shen Qirong,et al.Model establishment for simulating soil organic carbon dynamics[J].Scientia Agricultura Sinica,2001,34(5):532.(in Chinese)

[23]李順姬,邱莉萍,張興昌.黃土高原土壤有機(jī)碳礦化及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報,2010,30(5):1217.

Li Shunji,Qiu Liping,Zhang Xingchang.Mineralization of soil organic carbon and its relations with soil physical and chemical properties on the Loess Plateau[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(5):1217.(in Chinese)

[24]Polyakov V,Lal R.Modeling soil organic matter dynamics as affected by soil water erosion[J].Environment International,2004,30(4):547.

[25]Lal R.Soil erosion and carbon dynamics[J].Soil Evosion & Carbon Dynamics,2005,81(2):137.

[26]Alvarez R,Alvarez C R.Soil organic matter pools and their associations with carbon mineralization kinetics[J].Soil Science Society of America Journal,2000,64(1):184.

[27]李光錄,姚軍,龐小明.黃土丘陵區(qū)土壤和泥沙不同粒徑有機(jī)碳分布及其侵蝕過程[J].土壤學(xué)報,2008,45(4):740.

Li Guanglu,Yao Jun,Pang Xiaoming.Distribution and erosion process of organic carbon in the different particle size fractions in Loess Hills Region[J].Acta Pedologica Sinica,2008,45(4):740.(in Chinese)

[28]李光錄,張勝利.黃土高原南部侵蝕對不同土壤顆粒級碳氮分布的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,35(8):146.

Li Guanglu,Zhang Shengli.Effect of soil erosion on distribution of C and N in different particle size fractions of soil on the southern Loess Plateau[J].Journal of Northwest A&F University (Natural Science Edition),2007,35(8):146.(in Chinese)

[29]Kuhn N J,Hoffmann T,Schwanghart W,et al.Agricultural soil erosion and global carbon cycle:controversy over? [J].Earth Surface Processes & Landforms,2009,34(7):1033.

[30]肖勝生,鄭海金,楊潔,等.土壤侵蝕/水土保持與氣候變化的耦合關(guān)系[J].中國水土保持科學(xué),2011,9(6):106.

Xiao Shengsheng,Zheng Haijin,Yang Jie,et al.Coupling relationships of soil erosion/soil and water conservation and climate change[J].Science of Soil and Water Conservation,2011,09(6):106.(in Chinese)

[31]方華軍,楊學(xué)明,張曉平,等.黑土坡耕地侵蝕和沉積對物理性組分有機(jī)碳積累與損耗的影響[J].土壤學(xué)報,2007,44(3):467.

Fang Huajun,Yang Xueming,Zhang Xiaoping,et al.Effects of soil erosion and deposition on loss and accumulation of soil organic carbon in physical fractions[J].Acta Pedologica Sinica,2007,44:467.(in Chinese)

Modelling the dynamics of soil organic carbon mineralization on water-eroded sloping land in the Loess Hilly Region

Zhang Yafeng1,2,Xu Mingxiang1,3,Chen Gai3,Wang Chaohua3

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,712100,Yangling,Shaanxi,China; 2.University of Chinese Academy of Science,100049, Beijing,China; 3.Forestry College,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China)

[Background] In order to understand the mechanism of soil carbon emission under soil erosion,we chose the study area located in Ansai County of Shaanxi Province.It is a typical loess hilly and gully region where annual precipitation distribution is not even,precipitation on July-September accounts for about 60% of annual rainfall,and most are heavy rainstorms.The zonal soil is dark loessial one that lost completely due to serious soil erosion,thus soil is mainly loessial one (calcareous ustic cambisols) developed from parent-soil loess.As one of the most serious water erosion area all over the world,the selected area is suitable for exploring erosion induced carbon emission.[Methods] Based on the orthogonal experiment design with three factors (soil organic carbon (SOC) level,soil temperature,and water content) and four levels of the factors,incubation experiment for soil mineralization was conducted with soil sampled at different slope positions of a water-eroded sloping land under different soil organic carbon background in the Loess Hilly Region.Random sampling method was used to collect samples in the positions of water-eroded sloping land (control area,eroded area and deposition area).The dynamic characteristics of SOC mineralization were analyzed and modelled.[Results] 1) SOC level,soil temperature and soil water content affected significantly the mineralization rate and accumulated mineralization amount of SOC (P<0.05).The primary and secondary relation of the three variables was:SOC level > soil temperature > soil water content.2) Based on the first-order kinetic equation,which could well describe the accumulation dynamics of soil organic carbon mineralization,a multi-factor equation with high fitting degree was obtained by modifying the Cpvalue (R2> 0.95).[Conclusions] 1) Soil organic carbon content was one of the main factors affecting the soil organic carbon mineralization at different slope positions.The response of soil organic carbon mineralization to soil erosion on the eroded slope varied with the soil organic carbon background of the sloping land.The mineralization of soil organic carbon was stimulated at sediment area of the slope with a lower content of soil organic carbon,whereas it was depressed with higher organic carbon content.2) The first-order kinetic equation well described the accumulation dynamics of soil organic carbon mineralization (r>0.98),its Cpvalue (organic carbon mineralization potential) reflected the influence of soil organic carbon,soil temperature,and water content on organic carbon mineralization.3) Through modifying the Cpvalue,a multi-factor equation for describing the dynamics of soil organic carbon mineralization was obtained.This equation presented a solid fitting effect on predicting the dynamics of soil organic carbon mineralization under different soil organic carbon levels.

soil organic carbon; water-eroded sloping land; mineralization dynamics; influencing factors; modelling

2015-09-30

2016-04-17

項目名稱：國家自然科學(xué)基金“黃土高原深層土壤有機(jī)碳固存及對土地利用/覆被變化的響應(yīng)”(41171422)，“黃土區(qū)生物結(jié)皮坡面產(chǎn)匯流過程研究”(40971174)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“西北農(nóng)田土壤固碳潛力與速率研究”(XDA05050504)

張亞鋒(1988—)，男，碩士研究生。主要研究方向：土壤侵蝕與碳排放。E-mail：yaphone123@126.com

簡介：許明祥(1972—)，男，博士，副研究員。主要研究方向：侵蝕環(huán)境土壤質(zhì)量演變及調(diào)控。E-mail：xumx@nwsuaf.edu.cn

S153.621

A

1672-3007(2016)04-0009-09

10.16843/j.sswc.2016.04.002