裴會敏，許明祥，，李 強，脫登峰

（1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌712100；2.中科院 水利部水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

全球土壤有機碳庫儲量豐富（約為1 550億t）且活躍，它的生物地球化學循環(huán)被認為是調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能的一個重要過程［1］，其微小改變會引起大氣CO2濃度的很大變化［2－3］。土壤有機碳（SOC）主要以粗有機質、細顆粒狀有機質和與土壤礦物質的結合態(tài)存在［4］。當前人們常用表層土壤有機碳來表征土壤碳庫的變化，其研究指標主要集中在總有機碳（TOC）、溶解性有機碳（DOC＜0.45μm）、顆粒有機物碳（POC＞0.45μm）和土壤呼吸（Rs）等方面。土壤侵蝕是指表層土壤在外營力作用下發(fā)生破壞、剝蝕、遷移／再分布以及沉積過程，是受多種因素影響的地質現(xiàn)象，其導致的碳流失量被廣泛關注。究其原因可概括為：（1）它是全球頭號生態(tài)環(huán)境問題，每年可帶來數(shù)以億計的經濟損失；（2）它是陸地上唯一能使大量易礦化SOC遷移和再分布的驅動力，引起的碳排放是全世界都關心的政治問題；（3）氣候變化將可能改變區(qū)域水文循環(huán)，以持續(xù)干旱和單次降雨強度增大為特征的極端事件增多［5－6］將在一定程度上加劇土壤侵蝕。

近年來影響陸地土壤碳動態(tài)的研究多集中在區(qū)域氣候條件、植被狀況、土地利用類型等方面，而基于侵蝕對陸地土壤有機碳流失的影響研究相對薄弱，特別是在國內相關研究少見報道［7］。在氣候變化的背景下，侵蝕引起的土壤有機碳遷移和分布強烈影響碳循環(huán)過程［8－9］，日益成為全球及區(qū)域碳循環(huán)研究的一個熱點問題。為此，本文綜合分析國內外土壤侵蝕與土壤有機碳流失相關研究進展，并對SOC的輸入輸出關系進行較合理的梳理與評述。

1 侵蝕條件下土壤有機碳的流失過程

水蝕和風蝕作為土壤侵蝕的兩種主要形式，因其外營力不同，導致侵蝕泥沙的遷移和堆積方式也不相同，所以侵蝕條件下土壤有機碳的流失進程是復雜多變的。本文著重分析近年來關于水蝕和風蝕引起表層SOC“有形的”遷移和再分布及“無形的”碳礦化過程的主要成果。

1.1 侵蝕與土壤有機碳的遷移及分布

水蝕條件下坡面SOC的遷移及分布是一個非常復雜的物理化學過程，受氣候、土壤性質、地形、土地利用狀況等眾多因素的影響。（1）它加速土壤淋溶作用，使許多溶解性有機碳伴隨下滲的水分向深層遷移，縱向沉積一部分碳；（2）在降雨侵蝕力作用下，侵蝕區(qū)土壤中大團聚體（＞0.25mm）將被溶解破壞［10］，土壤微團聚體（＜0.25mm）開始增加［11］。當徑流沖刷力大于土壤內聚力和滲透力時，表面匯流產生，首先是地表植物殘體和凋落物被搬運，隨后將優(yōu)先遷移細顆粒物質（黏粒和粉粒），導致大量溶解性有機碳、少量顆粒有機碳發(fā)生橫向遷移，SOC含量降低［12］。（3）大部分流失的SOC隨著泥沙搬運被帶到沉積地區(qū)深埋而非氧化和流失到大洋中［13－14］。當前對于沉積區(qū)有機碳的動態(tài)及去向存在著分歧：一些學者認為侵蝕降低了SOC的分解速率［15］，這將有助于碳在化學和礦物學之間的轉換而使其穩(wěn)定下來［16－17］，引起一個長期的碳儲存；相反的觀點［18－19］是因雨滴和搬運的影響，在顆粒分離過程中，進入沉積區(qū)的侵蝕SOC將大量分解，視沉積區(qū)的氧化環(huán)境而定。（4）其余部分有機碳隨徑流被沖刷至水生態(tài)系統(tǒng)［20］，部分可能被快速礦化［21－22］。Smith等［13］認為全球陸地泥沙的沉積過程每年將產生約10Pg（1Pg＝1015g）的碳匯。在我國黃土丘陵區(qū)，土壤侵蝕造成了有機碳在泥沙中的富集，且富集比大于1，泥沙中有機碳含量與侵蝕強度呈遞減的對數(shù)關系［23］。

風蝕主要發(fā)生在降雨量低于300mm或具有穩(wěn)定盛行風的干旱地區(qū)，它極大地促進了SOC的裸露和礦化。目前關于風蝕與碳流失的研究報道較少，但風蝕的發(fā)生面積較水蝕更廣，其對SOC的損減和在景觀內重新分配作用不容忽視［24－25］。在風蝕過程中大的土壤顆粒通過跳躍演化減少SOC，而細顆粒則主要通過礦化釋放CO2。在加拿大的一些區(qū)域，草地開墾后耕作的最初幾年，SOC的損失以礦化為主，而耕作時間超過20a后，風蝕引起SOC損失遠大于礦化損失［26］。蘇永中等［27］在科爾沁沙地的研究發(fā)現(xiàn)：沙化草地開墾3a后，由于加速的土壤風蝕使表土層細顆粒被吹蝕，0—15cm耕層SOC含量下降了38%。趙哈林等［28］研究表明，農田出現(xiàn)風蝕和積沙后，在25m的空間間距上，風蝕區(qū)的SOC含量僅是積沙區(qū)SOC含量的55%，引起農田土壤性狀及生產力出現(xiàn)高度的空間變異。延昊等［29］基于我國20世紀90年代土壤屬性和風蝕強度的歷史數(shù)據(jù)得出：每年表層SOC因風蝕流失約為0.075Pg，SOC的流失量隨著風蝕強度的增加而顯著增加。現(xiàn)在的一些研究通常在計算土體中SOC的損失時忽略了侵蝕和沉積作用產生的SOC在景觀中的再分布，因而高估了侵蝕對土壤碳流失的影響。

1.2 侵蝕與土壤CO2釋放通量

水蝕條件下，由于SOC吸附在團聚體外部或被包裹在其內部，而雨滴通過快速潤濕而剝離整個團聚體，使SOC暴露，這些過程提供有利的微生物活性條件，導致侵蝕泥沙中SOC快速礦化［30］，其礦化量決定于泥沙顆粒組成及固定周期［31］。此后，侵蝕區(qū)因缺少植被覆蓋而表土裸露，保水性降低，相比其他坡位，土壤碳通量在夏季時可能更高，而冬季表現(xiàn)得較低。在沉積區(qū)由于養(yǎng)分富集作用增加了SOC密度，其絕大多數(shù)與礦物質或微團聚體重新復合，通過深埋固定了一部分SOC，并且隨著沉積區(qū)陽離子交換量和含水量增加將弱化其礦化過程［32－33］。Bajracharya等［18］通過對美國俄亥俄州中部多年農地侵蝕小區(qū)進行連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)：在夏季嚴重侵蝕和中度侵蝕小區(qū)的CO2濃度因溫濕度不同顯著高于微侵蝕和沉積區(qū)。Hemelryck等［34－35］在比利時的室內模擬試驗表明，沉積泥沙對土壤呼吸的影響程度決定于侵蝕等級及侵蝕發(fā)生地的土壤質量，沉積區(qū)出現(xiàn)一層厚厚的致密層覆蓋表土，將降低深層SOC礦化；在農田試驗中，隨著侵蝕土壤底物的自我調節(jié)，5個月的侵蝕與沉積效應對碳流失影響甚微，與無侵蝕區(qū)相比僅有1.6%的侵蝕有機碳通過土壤呼吸流失。

從全球碳平衡角度考慮，人們更關注風蝕遷移的SOC的礦化損失量。風蝕破壞陸地表層植被，使地表反照率增強，地表土溫逐漸升高，濕度降低，這將加速有機碳的礦化速率。嚴重的風蝕還將含有無機碳酸鹽巖的地層暴露到地表，在酸性環(huán)境下它們將更容易被氧化。另外當劇烈的侵蝕使次表土和土壤母質接近地面時，部分富含硅酸鹽的土壤母質在水熱環(huán)境下又將吸收CO2，加速風化為黏土。在沉積區(qū)，風蝕沉降物將覆蓋表層富含有機質和碳酸鹽巖的土層，使它們與空氣相隔離，在短期內降低了這些土層被氧化的速率。但是，這些搬運過來的顆粒有機碳在重新結合成團聚體之前，自身又很容易被氧化或被微生物分解。限于追蹤風蝕土壤顆粒礦化的技術難度，人們只能相對粗略地估算風蝕SOC的礦化速率。蘇永中等［27］在科爾沁沙地的研究表明：在風蝕引起草地沙化的最初階段，表層土壤通透性增加，會加速SOC的礦化損失，但隨著沙漠化程度的發(fā)展，土壤微生物賴以生存的土壤基質條件惡化，即使有外源碳的輸入，其礦化作用也十分微弱。朱孟郡等［36］估算在風蝕作用下，青海共和盆地沙溝河流域農田土壤碳每年損失約為2.47萬t，占20cm深度內土壤碳庫的1.77%。風蝕作用成為沙溝河流域農田表層土壤碳損失不可忽視的動力之一。

未來大氣CO2濃度的變化在很大程度上取決于陸地生態(tài)系統(tǒng)的反饋，因此加強對典型流域土氣界面CO2交換過程的理解對國家和國際社會采取穩(wěn)定大氣CO2濃度的行動至關重要［37］。當前有關土壤侵蝕對陸地與大氣之間碳的交換量的短期貢獻存在以下兩種觀點［38］：多數(shù)學者認為土壤侵蝕增加CO2釋放。侵蝕過程中土壤濕度顯著增加，結構體破壞，使得受團聚體保護的碳處于氧化環(huán)境中而易被生物分解。而后徑流流失使侵蝕區(qū)土壤變得更加干旱，降低土壤濕度的同時增加了土壤溫度，最終使礦化率自然增長，這可能引起超過20%的TOC分解為CO2釋放［19］；另一種觀點認為土壤侵蝕減少土壤CO2釋放。遭受侵蝕的土壤生物生成量下降，改變了底物供應機制，而且在沉積區(qū)土壤被深埋和重新團聚，土溫明顯滯后于氣溫，導致礦化速率降低［39］。土壤侵蝕與土壤CO2釋放通量的增減關系可能視侵蝕區(qū)土壤類型、表層植被凈初級生產力、生物學進程和侵蝕等級等而定，明確這些因素的作用閾值是評價侵蝕對土壤碳流失影響的關鍵。

2 侵蝕條件下土壤碳的源匯關系

水蝕和風蝕因其作用方式不同，對土壤碳收支的影響也將存在較大差異。限于當前相關研究僅涉及水蝕影響，本文將僅對水蝕條件下土壤的碳收支研究展開重點評述。水蝕不僅造成富含有機碳的表層土壤遷移和沉積，而且在這個過程中土壤還將從地上部分的物質中吸收一部分碳［40］。為此，只有對水蝕過程的3個階段（顆粒分離、搬運和沉積）的碳平衡給出一個全面和詳細的估算，并把土地利用類型和管理措施考慮在內［41］，才能從整體上正確理解侵蝕過程中土壤碳的“源匯”關系。關于侵蝕在碳平衡中的作用即它是否導致碳固定或土壤與大氣之間碳交換的凈釋放，在土壤學界爭論已久。近年來全球出現(xiàn)了兩種截然相反的論點，一些學者認為它引起一個碳源，每年它導致土壤碳排向大氣中的凈釋放量可達0.37～1Pg［42－43］，而其他一些學者發(fā)現(xiàn)它是一個每年可以產生0.56～1Pg的碳匯［44－46］。最近比利時學者 Van Oost等［39］通過用放射性同位素137Cs來追蹤農業(yè)區(qū)域中土壤的運動，在全球尺度上整合研究了關于侵蝕同時導致的縱向碳流量和橫向碳流量，結果表明：在土壤顆粒的分離和搬運過程中雖然增加了SOC的分解，但土壤可能從植物中吸收碳，使土壤從大氣中固存的碳比它釋放的碳多，每年在全球耕作農田土壤中侵蝕可引起一個0.12Pg的碳匯。Berhe等［47］在4個不同坡位上通過對地表凈初級生產力速率、侵蝕碳的置換量和有機質的沉積量的測定，得出由于在侵蝕區(qū)光合產物通過與侵蝕碳的部分置換，而沉積區(qū)因地表侵蝕泥沙的保護而降低了有機質的分解，最終土壤侵蝕在其研究地構成一個碳匯。在新西蘭每年因土壤侵蝕而引起大量泥沙和顆粒有機碳流入海洋，Dymond［48］通過侵蝕模型，假設輸出到海洋中80%的碳被深埋固定，每年也給新西蘭產生約310萬t的碳匯。

總之，土壤侵蝕對碳源／匯的最終影響很大程度上取決于侵蝕和沉積過程中碳的吸收率和釋放率的平衡。目前侵蝕所引起的碳的“源匯”分歧主要存在兩方面信息的缺失：侵蝕過程中吸收植物體、凋落物中的碳，沉積區(qū)由泥沙搬運來的碳在不同時間尺度上的轉換機制，所以未來應注重加強這兩方面的研究。Schimel等［49］利用20世紀90年代數(shù)據(jù)，進行了全球碳平衡的計算，發(fā)現(xiàn)每年未知匯的量估計在2～4 PgC，許多學者認為土壤和植物是可能的“匯”［50］，因此土壤可作為未來尋找“全球遺失碳匯”和減緩氣候暖化的首要考慮碳庫。

3 侵蝕條件下有機碳流失的環(huán)境效應

侵蝕條件下有機碳流失的發(fā)生、發(fā)展會影響本地和異地生態(tài)系統(tǒng)，表現(xiàn)出來的環(huán)境問題主要包括土地生產力降低和間接的非點源污染兩個方面。土壤侵蝕的原位效應表現(xiàn)為富含有機碳的表土隨地表徑流流失，土層變?。?1］，使侵蝕區(qū)土壤的肥力［52］和保水性下降［53］，植物可利用的土壤養(yǎng)分缺失，從而威脅到糧食安全和生態(tài)環(huán)境的長期可持續(xù)性發(fā)展［54］。另外，遭受侵蝕的土壤將可能被搬運相當長的距離，產生有機碳流失的異位效應：（1）由于侵蝕土壤有機質減少，出現(xiàn)了N、P等無機肥的過量使用，伴隨著泥沙和農田污染物進入水生態(tài)系統(tǒng)，不僅造成水體富營養(yǎng)化和堤壩淤積，而且人畜用水受到污染；（2）侵蝕土壤的保水性降低，可能造成大范圍洪澇災害和沙塵暴，給社會造成重大經濟損失，并惡化生態(tài)環(huán)境；（3）因土壤侵蝕而流失的有機碳部分礦化，以CO2等溫室氣體的形式釋放到大氣中，加劇溫室效應。在我國東北黑土區(qū)的典型侵蝕坡面上，近40a來侵蝕溝從1 682條增加到2 561條，平均每年侵吞耕地最高可達5.23hm2，開墾20a的黑土土壤有機質相對含量下降30%～40%［55］，而水土保持措施對土壤質量的提高有積極的影響［56］。在南方紅壤丘陵區(qū)近30a來耕地面積減少232萬hm2，每年因水土流失帶走氮、磷、鉀的總量約為128萬t［57］。水土流失最嚴重的黃土高原上水蝕是占主導地位的侵蝕方式，但人為加速侵蝕也居重要地位［58］，土壤有機質的缺失深刻影響植被恢復［59］，進一步加大土壤可蝕性，造成惡性循環(huán)。

4 問題和展望

侵蝕條件下土壤有機碳流失研究對理解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。雖然近10a來各國科學家在這方面已取得了較大進展，但現(xiàn)階段對其過程和控制機理的認識還不夠統(tǒng)一，對陸地生態(tài)系統(tǒng)有機碳流失量的估算值仍存在較大的不確定性。其原因主要包括：（1）目前侵蝕條件下碳流失的監(jiān)測大多是建立在斑塊和坡面尺度上，缺乏在流域內對土壤侵蝕及隨后的沉積過程中土壤碳收支的長期定位研究；（2）測定對象較單一。土壤有機碳與地表植被、大氣是完整的統(tǒng)一體，碳在土壤－植物－大氣系統(tǒng)中循環(huán)流動，為了充分摸清侵蝕碳的去向問題，應當從生態(tài)系統(tǒng)的角度開展多目標綜合觀測；（3）觀測方法、研究尺度以及侵蝕下墊面的差異，使得不同研究之間的可比性降低，難以形成共識性結論。

我國土壤具有侵蝕類型多樣、侵蝕過程復雜、人類活動強度大等特點，針對侵蝕條件下土壤有機碳流失研究中存在的不足，未來應加強以下幾方面的研究：（1）在多個水蝕風蝕區(qū)內不同植被覆蓋結構和密度、土壤水文條件下土壤有機碳流失的比較研究及水蝕和風蝕物在運移途中有機碳氧化的速率估算；（2）規(guī)范并完善土壤、植被相關數(shù)據(jù)庫，采用相似的方法和合理的尺度轉換標準來系統(tǒng)評價SOC流失的規(guī)律，并進一步加強137Cs、210Pb、7Be、13C等同位素示蹤法及“3S”技術在侵蝕與有機碳流失研究中的綜合應用，提高各種侵蝕與碳循環(huán)模型的預測能力。（3）加強侵蝕對SOC淋溶和遷移的影響研究及與POC遷移、吸附和分解的關系研究。有觀點認為溶解性有機碳可能是深層土壤固碳的一個重要來源［60］，已在森林生態(tài)系統(tǒng)中得到證實［61］；（4）為適應全球氣候變化而需做出更加靈活的區(qū)域土地利用政策，評估不同土地經營模式下侵蝕對SOC流失的影響及環(huán)境效應也是未來研究的重點。

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