蘇正安，李　艷，熊東紅，董一帆，張　素，張寶軍（1.綿陽師范學院生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室，綿陽 61000；　.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，成都 610041）

?

龍門山地震帶坡耕地土壤侵蝕對有機碳遷移的影響

蘇正安1,2，李艷1※，熊東紅2，董一帆2，張素2，張寶軍2
（1.綿陽師范學院生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室，綿陽 621000；2.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，成都 610041）

摘要：坡耕地土壤再分布對土壤有機碳（SOC，soil organic carbon）遷移的作用機制研究已成為土壤侵蝕學研究的熱點，然而目前極少有研究關注地震后生態(tài)脆弱的龍門山地震帶坡耕地土壤侵蝕機理及其導致的土壤有機碳再分布規(guī)律。該研究選擇龍門山地震帶內（都江堰市）一塊陡坡耕地和一個梯田系列，采用137Cs法和野外調查，對比分析強震導致田埂垮塌和未受損情況下坡耕地土壤侵蝕空間變化特征和有機碳運移變化機理。結果表明，該區(qū)黃棕壤有效137Cs背景值為1 473 Bq/m2；坡度較小的坡式梯田內部上坡表現(xiàn)為侵蝕，下坡表現(xiàn)為沉積，同時，上部梯田的侵蝕速率高于下部梯田，但整個梯田系列凈侵蝕量非常小，這表明梯田之間由于缺乏田埂的保護，水力也起著侵蝕、搬運上坡梯田土壤的作用，但是整個坡式梯田系列可以起到較好的保土作用，同時，坡式梯田內部主要以耕作侵蝕為主，是造成梯田上部坡位土壤流失嚴重的主要原因；陡坡耕地的地形為復合坡，由于田埂垮塌導致其土壤侵蝕速率顯著高于坡式梯田系列，在整個坡面上，除了坡頂土壤侵蝕速率高之外，下坡坡度變大（曲率較大）的部位土壤侵蝕速率也非常高，同時，土壤沉積也發(fā)生在2個坡位（中下坡坡度較緩的部位和坡腳部位）；在梯田系列和陡坡耕地上，SOC與土壤137Cs的空間變化規(guī)律較為一致。研究結果表明，在龍門山地震帶，質量較好的石埂梯田仍然發(fā)揮著較好的土壤保持效果，同時，耕作侵蝕是該區(qū)坡耕地上一種重要的土壤侵蝕形式，在制定相應的土壤保持措施時，必須充分考慮耕作侵蝕的作用，才能有效地控制土壤侵蝕，此外，該研究結果還表明采用137Cs核素示蹤技術可以比較科學地解釋該區(qū)域的土壤侵蝕速率和SOC的空間變異規(guī)律。

關鍵詞：土壤；有機碳；侵蝕；水；耕作；坡式梯田；137Cs；龍門山地震帶

蘇正安，李艷，熊東紅，董一帆，張素，張寶軍. 龍門山地震帶坡耕地土壤侵蝕對有機碳遷移的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32（3）：118－124.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.017http://www.tcsae.org

Su Zheng’an, Li Yan, Xiong Donghong, Dong Yifan, Zhang Su, Zhang Baojun. Effect of soil erosion in slope cultivated land of Longmenshan earthquake zone on lateral movement of soil organism carbon[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 118－124. (in Chinese with English abstract)

0　引　言

人為加速侵蝕及其產生的土壤退化和土壤碳庫遷移是全球主要環(huán)境問題之一[1]。在坡耕地景觀內，土壤侵蝕導致坡頂或凸形坡位土壤發(fā)生凈侵蝕，土壤生產力逐漸下降，有機碳庫不斷被損耗，同時遷移的土壤物質在低洼的景觀部位發(fā)生累積，并埋藏富含有機碳的原始土壤，形成土壤有機碳碳匯[2-4]。為了查明坡耕地SOC的損失量，首先需要探明SOC在景觀中的時空分布特征[5]，但是土壤侵蝕及隨后的遷移累積過程造成的SOC在景觀中再分布難以被準確厘定[6-7]。因此，準確測定疊加了人為活動的土壤侵蝕速率，查明坡耕地土壤侵蝕空間分布特征和坡面有機碳變化規(guī)律始終是土壤侵蝕研究基礎性和前沿性的科學問題，同時也是評價水保措施減沙效益、預測泥沙變化和土壤碳庫變化趨勢的基礎[8-10]。

龍門山地震帶長期受人類活動的擾動，并疊加氣候變化以及全球性的頻發(fā)地震活動影響，該區(qū)的生態(tài)脆弱性進一步暴露，水土流失非常嚴重[11-12]。龍門山地震帶自東北向西南沿著四川盆地的邊緣分布，這是一條綿延長約500 km，寬達70 km，規(guī)模巨大且地形起伏較大的斷裂帶[13]。該區(qū)域農業(yè)人口約占總人口的80%，人均耕地不足0.07 hm2，并以坡耕地為主[14]，農業(yè)基礎設施條件較為薄弱。自2008年以來，龍門山斷裂帶先后經歷了汶川大地震和雅安蘆山地震，基于遙感和實地調查，汶川地震后龍門山地震帶原有水土保持設施失去了控制水土流失的能力，此外，地震造成大量山體松動、裂縫、崩塌，出現(xiàn)了新的次生地質災害隱患[11]，加之主汛期暴雨集中，新增水土流失面積大，土壤侵蝕趨于嚴重[12,15]。龍門山地震帶水土相互作用長期處于失衡狀態(tài)，導致糧食減產、人地矛盾更為突出、貧困加劇，直接威脅該區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全和社會穩(wěn)定，土壤侵蝕產生的泥沙對還對下游水電設施也造成巨大的威脅。

土壤侵蝕研究中的137Cs法具有快速、準確的優(yōu)點，目前已廣泛應用于土壤侵蝕和泥沙來源研究[2,16-19]。137Cs 是20世紀50～70年代大氣層核試驗產生的放射性同位素，半衰期30.1 a。當137Cs被雨和雪帶到地球上后，在土壤表面幾厘米與黏土顆粒結合，通過測定核素在地表水平斷面和垂直剖面的賦存量和空間分布形態(tài)，就可以測定不同部位的土壤侵蝕（堆積）速率[18,20-21]。因此，137Cs成為土壤侵蝕研究中一種較好的示蹤核素。

目前，針對龍門山地震帶土壤侵蝕研究主要側重于遙感解譯和野外調查，采用其他定量方法開展坡耕地土壤侵蝕定量研究還比較少，亟需開展該方面的研究。本研究采用137Cs示蹤法，結合野外調查和室內分析，查明該區(qū)域坡耕地上土壤侵蝕類型、速率和空間格局，探討該區(qū)域坡耕地土壤侵蝕對土壤有機碳（SOC）的影響，從而為本研究區(qū)防治坡地水土流失和構建合理的水保措施奠定理論基礎。

1　研究區(qū)域和研究方法

1.1研究區(qū)域

采樣區(qū)（103°29'30"E，30°59'31"N）位于四川省都江堰市，屬于岷江流域，毗鄰紫平鋪水庫，圖1。

圖1　研究區(qū)位置圖Fig.1　Location of study site

該區(qū)地貌為山地，海拔高度為800～2 300 m，相對高度約1 500 m。都江堰市屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，四季分明，年均降水量近1 200 mm，且80%以上的降雨量集中在6月到9月期間，年均無霜期280 d，年均氣溫15.2℃，最熱的7、8月份平均氣溫為24℃左右，最冷的1月份平均氣溫為4.6℃，平均最低氣溫在1℃左右。該區(qū)土壤垂直帶性分布明顯，土壤主要以沖積土、水稻土、黃壤土、黃棕壤土、山地棕壤土和暗棕壤為主，本次采樣坡耕地土壤主要為黃棕壤土。該區(qū)坡耕地主要以坡式梯田為主，梯田沒有田埂，梯田坡度在5%～10%之間，該區(qū)大部分梯田年久失修，加上2008年汶川大地震和2013年四川雅安蘆山大地震的影響，田埂垮塌，坡度變陡，逐漸失去水保作用，同時，也有部分石坎梯田仍然保存完好。由于該區(qū)梯田和坡耕地的地塊小，當地農民主要采用傳統(tǒng)鋤耕方式，耕作方向是從坡腳向坡頂方向進行，土壤發(fā)生向下坡位移，種植結構以油菜—玉米為主。

1.2研究坡地

為了查明地震對龍門山地震帶坡耕地的影響，本研究選擇一個梯田系列（保存相對完好）和一塊陡坡耕地（地震時田埂完全崩塌），從而探討強震破壞田埂所導致的坡耕地土壤侵蝕和SOC遷移機理。梯田系列為坡度為3%～8%，坡長為5～15 m的7塊農耕地，均為線性坡（圖2a），耕作方式為順坡，一年進行2次耕作；坡耕地的形成是由于地震時3塊梯田的田埂完全垮塌，經過幾年農民耕種，完全演變成一個連續(xù)的復合坡（圖2b），坡長為40 m，上段部分較平緩（0～15 m，坡度30.7%），中段部分坡度變大（20～25 m，42.8%），下段部分最陡（30～40 m，80.3%）。

圖2　坡耕地的縱斷面圖和采樣點Fig.2　Transects of sloping farmland and sampling sites

1.3樣點布設與樣品采集

首先采集背景值土樣，本研究的背景值點為研究坡耕地附近坡頂一塊非常平坦、且沒有侵蝕也沒有沉積的草地。

坡耕地土壤樣品采集采用雙剖面線法。沿坡面縱斷面線從坡頂至坡腳布設取樣雙剖面線，每隔5 m布設一個137Cs樣品采集點（圖2）。利用直徑8 cm的取樣器（荷蘭Eijkelkamp）進行137Cs和土壤農化分析樣品的采集，每個坡位取2個重復樣并按照發(fā)生層進行分層，將取樣筒垂直打入地面取剖面全樣，取樣深度依土壤發(fā)生層深度而定。

1.4試驗觀測與分析方法

土樣經風干、研磨、過篩（孔徑2.0 mm），剔除大顆粒及植物根系，稱重后待測。137Cs樣品測定利用美國堪培拉（CANBERRA）公司生產的高純鍺（HPGe）探頭多道γ能譜儀，經前置放大和數字轉換后，接多道分析儀測定。每個樣品測試質量不小于350 g，測試時間為50 000 s，樣品重復測試結果相對誤差＜5%。

實驗室常規(guī)分析方法分析土壤理化特性。有機質采用重鉻酸鉀法；容重采用環(huán)刀法[22]。

1.5定量分析

坡耕地土壤侵蝕速率根據本底值與采樣值的大小選擇137Cs平衡模型來計算總侵蝕量，當本底值大于采樣值選用Zhang等提出的簡化模型[18]

式中Re為土壤侵蝕速率，t/(hm2·a)；Dt為耕層深度，m；B為容重，kg/m3；P為土壤粒徑校正系數；X為137Cs含量減少的百分比（X=(Ae?A)/Ae×100，A為土壤137Cs值，Bq/m2；Ae為土壤有效137Cs背景值，Ae=A0(1?R)，A0為土壤137Cs背景值，R為地表徑流系數；t為采樣時的年份。

2　結果與分析

2.1背景值

從圖3可以看出，龍門山地震帶（都江堰市）的土壤137Cs背景值含量為2 017 Bq/m2，基于該區(qū)的徑流系數0.27[23]，該區(qū)的有效背景值為1 472 Bq/m2。在土壤剖面上，137Cs含量從表層向下層呈顯著減小的趨勢，呈指數遞減趨勢，在地表35～40 cm仍然能夠被檢出，但是含量已經衰減到較低含量。在表層（0～5 cm）土壤137Cs濃度為6.16 Bq/kg，然后隨著土層深度增大，土壤137Cs濃度依次下降，在35～40 cm土壤137Cs濃度僅為2.91 Bq/kg，這表明該區(qū)域的土壤137Cs從表層向下層呈逐漸遷移的趨勢。

圖3　土壤137Cs背景值深度分布圖Fig.3　Depth distribution of137Cs reference value

2.2土壤侵蝕速率

從圖4a和圖4b可以看出，梯田系列土壤137Cs面積濃度均從上部坡位向下部坡位方向呈逐漸增加的趨勢，土壤侵蝕速率從上坡向下坡方向呈逐漸減少的趨勢。從圖4a和圖4b可以看出，梯田系列從上部梯田到下部梯田的土壤137Cs面積濃度分別為1 218.20、1 719.59、2 177.79、2 168.86、2 104.86、1 931.17、2 236.74 Bq/m2，即土壤137Cs面積濃度整體上從上部梯田向下部梯田方向呈增加趨勢，土壤侵蝕速率則相應地從上部梯田向下坡梯田方向逐漸減小，甚至表現(xiàn)為以沉積為主，整個梯田系列的土壤侵蝕速率接近零，即整個梯田系列基本上沒有凈土壤流失現(xiàn)象發(fā)生；在相鄰2塊梯田之間，所有上部梯田的下部坡位土壤137Cs面積濃度均顯著高于下部梯田上部坡位的土壤137Cs面積濃度，即下部梯田上坡部位的土壤侵蝕速率顯著高于上部梯田下坡部位，從而導致整個梯田系列的土壤137Cs面積濃度和土壤侵蝕速率在空間上具有很強的離散性，而不具備連續(xù)性；除了第6塊梯田之外，在每一塊坡式梯田的內部，從上坡部位向下坡部位土壤137Cs面積濃度均呈逐漸增加的趨勢，即梯田上坡部位的土壤137Cs面積濃度較低，土壤侵蝕速率高，下部坡位的土壤137Cs面積濃度相對較高，往往表現(xiàn)為土壤沉積。

圖4　梯田系列和陡坡耕地的土壤137Cs和土壤侵蝕速率的空間變化Fig.4　Spatial variation of137Cs inventories and soil erosion rates along transects of terraced fields and steep sloping farmland

從圖4c～圖4d可以看出，相比于梯田系列，坡耕地由于地形為復合坡，土壤137Cs面積濃度的空間分布與梯田系列具有顯著的差異性，且坡耕地整體上土壤侵蝕速率顯著大于梯田系列。坡耕地的上段部分（0～15 m），土壤137Cs面積濃度從上部坡位向下坡部位呈逐漸增加的趨勢，土壤侵蝕速率呈逐漸降低的趨勢，在15 m處表現(xiàn)為沉積；在坡耕地中段部分（20～25 m），相比上段部分坡度較大，但土壤侵蝕速率并不高，在20 m處主要表現(xiàn)為土壤傳輸為主，在25 m處土壤137Cs面積濃度急劇增加，即使在整個坡面上，該部位的土壤137Cs面積濃度也是最高，土壤沉積現(xiàn)象非常明顯；在坡耕地的下段部分（30～40 m），由于坡度急劇增加，土壤137Cs面積濃度也急劇下降，土壤侵蝕速率顯著增加，在整個坡面的坡腳位置土壤137Cs面積濃度再次出現(xiàn)急劇增加的趨勢，且顯著大于有效背景值，土壤沉積現(xiàn)象明顯。

2.3土壤SOC的空間分布格局

從圖5a可知，梯田系列的土壤有機碳的面積濃度空間變化與土壤137Cs面積濃度空間變化規(guī)律較為一致，呈波動增加的趨勢，這表明該區(qū)域坡式梯田由于缺乏田埂的保護，降雨和地表徑流導致SOC從上部梯田向下部梯田搬運，并在底部梯田沉積。值得注意的是兩塊梯田相鄰坡位的SOC面積濃度并不連續(xù)，且往往下一階梯田的上坡部位的SOC面積濃度顯著低于上一階梯田下坡部位，呈陡降的趨勢，與此同時，在同一個梯田的內部，下坡部位的SOC含量往往顯著高于上坡部位，這表明在梯田內部，耕作侵蝕導致SOC的順坡遷移趨勢非常顯著，且耕作侵蝕的作用顯著大于水力侵蝕。Zhang等[24]在川中丘陵區(qū)、三峽庫區(qū)紫色土坡式梯田區(qū)域也提出了與本研究坡式梯田SOC空間分布相似的研究結論。

圖5　順坡梯田系列和陡坡耕地土壤有機碳的空間分布Fig.5　Spatial variation of SOC along transects of terraced fields and steep sloping farmland

陡坡耕地的縱斷面順坡各部位SOC空間分布見圖5b。從整個縱斷面分布看，SOC面積濃度呈先增加后減小再增加的趨勢，這與土壤137Cs面積濃度的空間變化較為相似。在坡耕地上段部位，SOC面積濃度從上部坡位向下坡部位呈逐漸增加的趨勢；在坡耕地中段部分（20～25 m），相比上段部分坡度較大，在20 m處SOC面積濃度與相鄰上坡部位的SOC面積濃度相似，在25 m 處SOC面積濃度急劇增加，且該處SOC面積濃度達到最大值，這表明該部位的土壤沉積現(xiàn)象非常明顯；在坡耕地的下段部分，由于該部位的坡度顯著增加，SOC面積濃度也急劇下降，在整個坡面的坡腳位置SOC面積濃度再次出現(xiàn)急劇增加的趨勢。盡管該復合坡的SOC空間分布格局不同于Su等[25]、Zhang等[24]在紫色土區(qū)線性坡坡耕地的SOC空間分布格局，也不同Li等[26]提出的紫色土區(qū)復合坡SOC空間分布格局，這主要是由于線性坡和復合坡的差異，以及三峽庫區(qū)和龍門山斷裂帶的農民采取了不同耕作措施（三峽庫區(qū)農民采用傳統(tǒng)順坡耕作為主，而龍門山斷裂帶坡耕地坡度大，盡管農民仍以順坡耕作為主，但在地形變化劇烈部位常采用保護性耕作措施）所致。

2.4土壤侵蝕對SOC順坡遷移的影響

從圖6可見，梯田系列和坡耕地SOC面積濃度空間變化均與土壤137Cs面積濃度空間變化較為一致，二者具有顯著的相關關系（P＜0.05），從而表明坡式梯田系列和坡耕地內土壤侵蝕過程均會顯著影響SOC的順坡遷移過程。在單塊坡式梯田或坡耕地景觀內，耕作侵蝕均會顯著地改變其SOC空間分布，并造成坡頂土壤不斷被侵蝕，SOC面積濃度也不斷地下降，而梯田和坡耕地下坡部位的土壤不斷堆積，SOC面積濃度不斷增加。與此同時，在梯田系列中，由于坡式梯田之間缺乏必要的水土保持設施，水力侵蝕會導致上部梯田的土壤SOC向下部梯田遷移，但是由于該區(qū)域的梯田坡長較短，地表徑流侵蝕、搬運能力有限，水力侵蝕對于上部梯田下坡部位的侵蝕作用并不能抵消耕作侵蝕在該部位的堆積作用，同時耕作侵蝕在坡頂部位的侵蝕作用也顯著大于水力侵蝕從上一階梯田的土壤搬運、沉積作用，最終表現(xiàn)為上一階梯田下坡部位的SOC面積濃度仍顯著高于緊鄰的下一階梯田上坡部位的SOC面積濃度。

3　討　論

Zhang等在中國的長江上游測定的黃棕壤和川中丘陵區(qū)紫色土土壤有效137Cs背景值分別為2 019和1 730 Bq/m2[18]，基于土壤137Cs的衰減系數，換算至2014年應分別為1 568和1 343 Bq/m2，該研究中測定的黃棕壤土壤有效137Cs背景值為1 472 Bq/m2，與Zhang等[18]研究結果較為相似，從而表明該值比較可靠。

龍門山地震帶順坡梯田系列土壤137Cs含量和SOC的空間分布具有高度的相似性，二者在整個梯田系列中含量較高，均具有較高的離散性，在單個梯田內部表現(xiàn)為上坡部位面積濃度較低、下坡部位面積濃度較高，這表明：1）該區(qū)域坡式梯田的坡度較小，加上梯田起著截短坡長的作用，整個梯田系列的土壤凈流失量比較小，梯田系列發(fā)揮著較好的水土保持作用；2）龍門山地震帶坡式梯田內部土壤和SOC不斷地被徑流和耕種活動從梯田上部搬運到梯田下部，這說明該區(qū)域梯田由于沒有整平，盡管坡改梯起到截斷坡面，縮小坡長的作用，但是耕作導致的土壤侵蝕（即耕作侵蝕）強度并未減低，耕作侵蝕在單個坡式梯田內部的土壤侵蝕、搬運過程中和SOC的順坡遷移過程中起著關鍵性的作用，該研究中梯田系列中單個梯田內土壤侵蝕、沉積規(guī)律以及SOC空間分布與蘇正安等[27]、Li等[28]，Su等[25,29]，Zhang等[30]在川中丘陵區(qū)、三峽庫區(qū)等紫色土坡耕地上的研究結果相似；3）相鄰兩塊梯田之間的土壤137Cs面積濃度不具有連續(xù)性，而具有很強的離散性，且下部梯田上坡部位土壤137Cs面積濃度均顯著低于上部梯田的下坡部位的土壤137Cs面積濃度，由于耕作侵蝕僅能夠使土壤在坡耕地內部發(fā)生再分配，而不能夠將土壤搬運出坡耕地，該結果同樣表明耕作侵蝕在梯田內部的土壤再分布過程中起著決定性的作用，以上研究結果與Zhang等在川中丘陵區(qū)、三峽庫區(qū)[2,24]的研究結果相似，這表明長江上游坡式梯田的土壤侵蝕機理具有很高的相似性；4）盡管梯田系列中水力侵蝕未能扮演主要角色，但由于坡式梯田之間沒有植物籬和田埂的阻攔，坡式梯田之間具有較高而陡的邊坡，起著加速徑流的作用，導致梯田之間仍然存在一定的徑流、泥沙輸移現(xiàn)象[31]，野外調查中發(fā)現(xiàn)，第6塊梯田上坡土壤137Cs面積濃度高的原因就是由于上部梯田土壤被侵蝕、搬運到該部位所致，該研究結果與Zhang等[32]在沂蒙山區(qū)梯田系列中的研究結果較為一致。因此，在解釋該區(qū)域梯田系列的土壤侵蝕過程和SOC順坡遷移規(guī)律時，不能夠忽略耕作侵蝕的顯著貢獻，同時，在該區(qū)域開展坡面土壤侵蝕防治工作時，亟需采取針對性的土壤侵蝕防治對策，防治對策不僅需要考慮縮短坡長、減緩坡度、修建田埂、種植植物籬等措施削弱水力侵蝕[33-34]，而且需要考慮改變耕作方式，從而減弱耕作侵蝕的顯著影響。

通過對比陡坡耕地（強震導致三塊梯田田埂垮塌所形成復合坡）和順坡梯田系列的土壤137Cs含量和SOC的空間分布差異可以發(fā)現(xiàn)：1）強震作用下梯田田坎垮塌不僅改變了原有的地形地貌，而且由于坡長和坡度增加會導致整個坡面的水力侵蝕加劇，總土壤侵蝕速率也會顯著地增加；2）強震導致坡耕地地形地貌的變化也會顯著改變坡耕地的土壤侵蝕空間變化規(guī)律和SOC的空間分布規(guī)律；3）在坡耕地的坡頂部位，該處缺乏地表集中徑流沖刷作用，但土壤137Cs含量和SOC的含量均為最低，侵蝕速率最高，而在坡長為25 m處，理論上地表徑流匯集較為明顯的坡位，土壤137Cs含量和SOC的含量卻較高，這是由于當地農民在該部位耕作時，由于坡耕地的下段坡度非常大而選擇采用保護性耕作措施，盡量減少土壤向下搬運量所致，這表明在該坡耕地上，單純采用水力侵蝕難以解釋土壤的空間分布格局，相反，耕作侵蝕對該坡耕地的土壤再分布起著決定性的作用。該研究結果與Li等[26]，Zhang等[24]提出的紫色土坡耕地SOC順坡遷移機制相似，從而表明強烈地震通過改變坡耕地原始地形地貌，進而影響了坡地耕作侵蝕和水力侵蝕過程，最終對SOC的順坡遷移過程產生了影響。

綜上可見，在龍門山地震帶，坡耕地和坡式梯田SOC遷移過程受到水力侵蝕和耕作侵蝕的雙重作用影響，而在坡耕地的上部以及坡長較短的坡耕地景觀內，耕作侵蝕對SOC遷移的影響作用顯著大于水力侵蝕，因此，耕作侵蝕是該區(qū)坡耕地上一種重要的土壤侵蝕形式，在制定相應的土壤保持措施時，必須充分考慮耕作侵蝕的作用，才能有效地控制土壤侵蝕，此外，該研究還表明采用137Cs核素示蹤技術可以比較科學地解釋該區(qū)域的SOC的空間分布格局。

4　結　論

本文通過對比分析一個梯田系列和一塊陡坡耕地土壤侵蝕空間變化特征及其對SOC順坡遷移的影響，結論如下：

1）龍門山地震帶（都江堰）的黃棕壤有效137Cs背景值為1 473 Bq/m2。

2）從整體上看，坡度較小的石坎梯田系列經歷強震之后仍能起到較好的土壤保持作用，而強震后田埂垮塌的坡耕地土壤侵蝕速率變大。

3）梯田系列與坡耕地的上坡部位土壤侵蝕均比較嚴重，主要是由于耕作侵蝕導致單個坡式梯田和坡耕地上坡部位土壤發(fā)生流失，而在下坡堆積所致。因此，該區(qū)域的坡耕地的水土流失防治還必須注重減弱耕作侵蝕的作用，采取科學的耕作措施（如等高耕作、免耕等）。

4）該區(qū)梯田系列和坡耕地SOC面積濃度空間變化均與土壤137Cs面積濃度空間變化較為一致，二者具有顯著的相關關系，SOC順坡遷移過程受到耕作侵蝕和水力侵蝕的雙重作用影響，且采用137Cs核素示蹤技術可以對該區(qū)域的土壤侵蝕速率和SOC空間分布格局進行比較科學地解釋。

[參考文獻]

[1] Lal R. Soil degradation by erosion[J]. Land Degradation and Development, 2001, 12(6): 519－539.

[2] Zhang J H, Quine T A, Ni S J, et al. Stocks and dynamics of SOC in relation to soil redistribution by water and tillage erosion[J]. Global Change Biology, 2006, 12(10): 1834－1841.

[3] VandenBygaart A J. Erosion and deposition history derived by depth-stratigraphy of Cs-137 and soil organic carbon[J]. Soil and Tillage Research, 2001, 61(3/4): 187－192.

[4] Stavi I, Lal R. Variability of soil physical quality in uneroded, eroded, and depositional cropland sites[J]. Geomorphology, 2011, 125(1): 85－91.

[5] 方華軍，楊學明，張曉平，等. 坡耕地土壤有機碳再分布特征及其遷移累積平衡[J]. 核農學報，2005，19(3)：202－207. Fang Huajun, Yang Xueming, Zhang Xiaoping, et al. Soil organic carbon redistribution and budget of erosion and deposition in a sloping field[J]. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 2005, 19(3): 202－207. (in Chinese with English abstract)

[6] Lal R. Soil erosion and the global carbon budget[J]. Environment International, 2003, 29(4): 437－450.

[7] 方華軍，楊學明，張曉平，等. 土壤侵蝕對農田中土壤有機碳的影響[J]. 地理科學進展，2004，23(2)：77－87. Fang Huajun, Yang Xueming, Zhang Xiaoping, et al. Effects of soil erosion on soil organic carbon in cropland landscape[J]. Progress in Geography, 2004, 23(2): 77－87. (in Chinese with English abstract)

[8] Walling D E. Tracing suspended sediment sources in catchments and river systems[J]. Science of the Total Environment, 2005, 344(1/2/3): 159－184.

[9] Van Oost K, Cerdan O, Quine T A. Accelerated sediment fluxes by water and tillage erosion on European agricultural land[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2009, 34(12): 1625－1634.

[10] 李銳，上官周平，劉寶元，等. 近60年我國土壤侵蝕科學研究進展[J]. 中國水土保持科學，2009，7(5)：1－6. Li Rui, Shangguan Zhouping, Liu Baoyuan, et al. Advances of soil erosion research during the past 60 years in China [J]. Science of Soil and Water Conservation, 2009, 7(5): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[11] 崔鵬，韋方強，何思明，等. 5·12汶川地震誘發(fā)的山地災害及減災措施[J]. 山地學報，2008，26(3)：280－282. Cui Peng, Wei Fangqiang, He Siming, et al. Mountain disasters induced by the Earthquake of May 12 in Wenchuan and the disasters mitigation[J]. Journal of Mountain Science, 2008, 26(3): 280－282. (in Chinese with English abstract)

[12] 趙芹，羅茂盛，曹叔尤，等. 汶川地震四川災區(qū)水土流失經濟損失評估及恢復對策[J]. 四川大學學報：工程科學版，2009，41(3)：289－293. Zhao Qin, Luo Maosheng, Cao Shuyou, et al. Research on the recovering measures and economic loss evaluation of soil erosion and water loss in Wenchuan-Earthquake-hit areas of Sichuan Province[J]. Journal of Sichuan University: Engineering Science Edition, 2009, 41(3): 289－293. (in Chinese with English abstract)

[13] 李勇，黃潤秋，周榮軍，等. 龍門山地震帶的地質背景與汶川地震的地表破裂[J]. 工程地質學報，2009，17(1)：3－18. Li Yong, Huang Runqiu, Zhou Rongjun, et al. Geological background of Longmen Shan seismic belt and surface ruptures in Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 2009, 17(1): 3－18. (in Chinese with English abstract)

[14] 胡波，熊明彪，趙健，等. 汶川地震前后重災區(qū)水土流失變化特征初步分析[J]. 長江科學院院報，2010，27(11)：62－66. Hu Bo, Xiong Mingbiao, Zhao Jian, et al. Preliminary analysis of soil and water loss change before and after Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(11): 62－66. (in Chinese with English abstract)

[15] 陳曉清，李智廣，崔鵬，等. 5·12汶川地震重災區(qū)水土流失初步估算[J]. 山地學報，2009，27(1)：122－127. Chen Xiaoqing, Li Zhiguang, Cui Peng, et al. Estimation of soil erosion caused by the 5·12 Wenchuan Earthquake[J]. Journal of Mountain Science, 2009, 27(1): 122－127. (in Chinese with English abstract)

[16] Rogowski A S, Tamura T. Movement of Caesium-137 by runoff, erosion and infiltration on the alluvial Captina silt loam[J]. Health Physics, 1965(11): 1333－1340.

[17] Van Oost K, Govers G, Van Muysen W. A process-based conversion model for caesium-137 derived erosion rates on agricultural land: An integrated spatial approach[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2003, 28(2): 187－207.

[18] Zhang Xinbao, Zhang Yiyun, Wen Anbang, et al. Assessment of soil losses on cultivated land by using the Cs-137 technique in the Upper Yangtze River Basin of China[J]. Soil and Tillage Research, 2003, 69(1/2): 99－106.

[19] Zheng Jinjun, He Xiubin, Walling D. Assessing soil erosion rates on manually-tilled hillslopes in the Sichuan Hilly Basin using137Cs and210Pbex measurements [J]. Pedosphere, 2007, 17(3): 273－283.

[20] 文安邦，劉淑珍，范建容，等. 雅魯藏布江中游地區(qū)土壤侵蝕的137Cs示蹤法研究[J]. 水土保持學報，2000，14(4)：47－50. Wen Anbang, Liu Shuzheng, Fan Jianrong, et al. Soil erosion rate using137Cs technique in the Middle Yalungtsangpo[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2000, 14(4): 47－50. (in Chinese with English abstract)

[21] 張信寶，賀秀斌，文安邦，等. 不同尺度域的侵蝕模數[J].水土保持通報，2006，26(2)：69－71. Zhang Xinbao, He Xiubin, Wen Anbang, et al. Soil erosion rates under different land scale conditions[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2006, 26(2): 69－71. (in Chinese with English abstract)

[22] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2000.

[23] 宋國虎. 汶川地震區(qū)土體降雨入滲及流域產匯流研究：以都江堰龍溪河流域為例[D]. 北京：中國科學院大學，2013. Song Guohu. Study the Rainfall Infiltration and Runoff in Wenchuan Earthquake Zone[D]. Beijing: Graduate University of Chinese Academy Science, 2013. (in Chinese with English abstract)

[24] Zhang Jianhui, Ni Sijun, Su Zheng'an. Dual roles of tillage erosion in lateral SOC movement in the landscape[J]. European Journal of Soil Science, 2012, 63(2): 165－176.

[25] Su Zheng'an, Zhang Jianhui, Nie Xiaojun. Effect of soil erosion on soil properties and crop yields on slopes in the Sichuan Basin, China[J]. Pedosphere, 2010, 20(6): 736－746.

[26] Li Fucheng, Zhang Jianhui, Su Zheng'an. Changes in SOC and nutrients under intensive tillage in two types of slope landscapes[J]. Journal of Mountain Science, 2012, 9(1): 67－76.

[27] 蘇正安，張建輝，聶小軍. 紫色土坡耕地土壤物理性質空間變異對土壤侵蝕的響應[J]. 農業(yè)工程學報，2009，25(5)：54－60. Su Zheng'an, Zhang Jianhui, Nie Xiaojun. Response of spatial variability of soil physical properties to soil erosion in purple soil slope farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2009, 25(5): 54－60. (in Chinese with English abstract)

[28] Li Fucheng, Zhang Jianhui, Su Zheng'an, et al. Simulation and137Cs tracer show tillage erosion translocating soil organic carbon, phosphorus, and potassium[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2013, 176(5): 647－654.

[29] Su Zheng'an, Zhang Jianhui, Xiong Donghong, et al. Assessment of soil erosion by compensatory hoeing tillage in a purple soil[J]. Journal of Mountain Science, 2012, 9(1): 59－66.

[30] Zhang J H, Nie X J, Su Z A. Soil profile properties in relation to soil redistribution by intense tillage on a steep hillslope[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(6): 1767－1773.

[31] Lenka N K, Dass A, Sudhishri S, et al. Soil carbon sequestration and erosion control potential of hedgerows and grass filter strips in sloping agricultural lands of eastern India[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2012, 158: 31－40.

[32] Zhang Yunqi, Long Yi, An Juan, et al. Spatial patterns of Cs-137 inventories and soil erosion from earth-banked terraces in the Yimeng Mountains, China[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2014, 136: 1－9.

[33] Beniston J W, Shipitalo M J, Lal R, et al. Carbon and macronutrient losses during accelerated erosion under different tillage and residue management[J]. European Journal of Soil Science, 2015, 66(1): 218－225.

[34] Williams J D, Wuest S B, Long D S. Soil and water conservation in the Pacific Northwest through no-tillage and intensified crop rotations[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 69(6): 495－504.

Effect of soil erosion in slope cultivated land of Longmenshan earthquake zone on lateral movement of soil organism carbon

Su Zheng’an1,2, Li Yan1※, Xiong Donghong2, Dong Yifan2, Zhang Su2, Zhang Baojun2
(1. Ecological Security and Protection Key Laboratory of Sichuan Province, Mianyang Normal University, Mianyang 621000, China; 2. Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China)

Abstract:Soil erosion in the sloping farmland has been recognized as a major contributor that affects soil organic carbon (SOC) stocks and dynamics. However, understanding of the influence of accelerated soil erosion (water erosion and tillage erosion) on carbon dynamics is limited. In particular, little is known on the influence of earth quake-induced erosion and deposition on SOC stocks and dynamics in terraced field systems and steep sloping farmland in Longmenshan earthquake zone, China. In this study, we assessed the spatial variation of soil erosion and lateral movement of soil organic carbon (SOC) in toposequence of stone dike terraces as well as a steep sloping farmland of Longmenshan earthquake zone, China using137Cs technique and field investigation. In this study area, effective137Cs reference value of the yellow brown soil was estimated at 1 473 Bq/m2. Soil loss appeared over the upper parts of the slopes and deposition occurred towards the downslope boundary on each terrace, as well as soil loss at upper terraced fields and soil accumulation at lower terraced fields.Those results indicated that water erosion could transport soil from upper terrace to lower terrace due to lacking banks between two adjacent terraces. It should be noted that net soil erosion rate in the toposequence of the terraced fields was very low. Meanwhile, tillage erosion played an important role in transporting soil from upper slope positions to lower positions within a terrace. Soil erosion rates in the steep slope were higher than those in the toposequence of terraced fields. Besides water erosion, collapse of terrace resulting from earthquake and tillage erosion were also important soil erosion processes on the complex slope. In the steep sloping farmland, soil erosion rates were high at the summit and the lower slope with a high slope curvature. Soil accumulation appeared at lower slope with a low slope curvature and toe slope position. Discrete patterns of SOC inventories (mass per unit area) appeared over the whole terraced toposequence, while SOC inventories were low over the upper parts of the slopes but increased towards the downslope boundary on each terrace. For the steep slope farmland, SOC inventories were lower at the top of slope and at lower slope position with a high slope curvature. Soil organic matter inventories in the terraced filed series and steep slope farmland showed a similar pattern as the137Cs inventories. Those patterns were consistent with redistribution of SOC with soil as coupling effect of tillage erosion, water erosion and collapse due to earthquake. Those results indicated that terraced fields played an important role in soil conservation and SOC sequestration in the Longmenshan earthquake zone, China. Although different soil erosion processes were observed between the terraced field series and steep sloping farmland, severe erosion due to anthropogenic activity after the Wenchuan Earthquake significantly changed spatial variations in SOC inventories. In other words, tillage erosion was also one of the important soil erosion processes within a sloping farmland. More attention should be paid to prevention of tillage erosion in this area. Our results demonstrated that terrace with stone dike can better conserve soil in this earthquake stricken area. Soil erosion caused by tillage was one of the major soil erosions in this region for the sloped land.Soil conservation practice must be taken into a consideration in agriculture production. Our results also showed that137Cs can be used to successfully trace soil erosion and SOC dynamics in sloping farmland in the Longmenshan earthquake zone, China.

Keywords:soils; organic carbon; erosion; water; tillage; slope terrace;137Cs; Longmenshan earthquake zone

作者簡介：蘇正安，男，四川江油人，副研究員，博士，2014年赴美國國家土壤侵蝕實驗室訪問，主要從事土壤侵蝕和水土保持研究。成都中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，610041。Email：suzhengan@imde.ac.cn?！ㄐ抛髡撸豪钇G女，四川樂山人，副教授，博士，2014年赴美國普渡大學訪問，主要從事土壤和植物生態(tài)學研究。綿陽綿陽師范學院/生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室，621000。Email：leeleehi@163.com。

基金項目：生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室開放基金資助（ESP201303）；國家自然科學基金（41401313）；四川省應用基礎研究計劃項目（2014JY0067）

收稿日期：2015-07-21

修訂日期：2015-12-04

中圖分類號：S157.1；S155.2+4

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0118-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.017 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.017http://www.tcsae.org