黃金權(quán),程冬兵,王志剛,劉紀(jì)根,張冠華,孫 蓓,張平倉(cāng)

(長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水土保持研究所；b. 水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

水力侵蝕作用下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)研究進(jìn)展

黃金權(quán)a,b,程冬兵a,b,王志剛a,b,劉紀(jì)根a,b,張冠華a,b,孫 蓓a,b,張平倉(cāng)a,b

(長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水土保持研究所；b. 水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

水蝕作用下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估土壤侵蝕的碳“源/匯”角色具有重要意義。論述了侵蝕作用對(duì)全球碳循環(huán)格局產(chǎn)生的影響，闡明了水蝕作用下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)機(jī)制研究的重要意義，并從水蝕作用下土壤碳循環(huán)格局以及有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)過程機(jī)制等方面介紹了國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，進(jìn)而深入分析了當(dāng)前研究存在的系列問題及今后的發(fā)展趨勢(shì)。分析認(rèn)為，以微生物為切入點(diǎn)進(jìn)行侵蝕作用下的碳礦化研究將有助于從機(jī)理層面解決侵蝕在土壤碳循環(huán)中的不確定性問題。此外，運(yùn)用模型模擬的方法全面考察水力侵蝕作用下土壤有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)機(jī)制，將是今后侵蝕作用下土壤碳循環(huán)研究中亟待開展的工作。

水力侵蝕；土壤有機(jī)碳；碳循環(huán)；動(dòng)態(tài)機(jī)制；全球氣候變化

1 研究背景

全球氣候變化作為影響人類生存與可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題之一，已經(jīng)得到了全世界范圍內(nèi)的密切關(guān)注[1]。隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的發(fā)展，人類活動(dòng)向環(huán)境排放的溫室氣體已經(jīng)導(dǎo)致全球氣候的顯著變化，全球氣候變暖作為其最為直接的后果之一，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類生存與整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡及可持續(xù)發(fā)展。全球碳循環(huán)的格局與全球氣候變暖有著直接的關(guān)系，尤其是工業(yè)革命以來，人類燃燒了大量的化石燃料，加上日益頻繁的生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致森林大面積砍伐與破壞、土壤大面積侵蝕與退化等原因[2]，造成大氣CO2濃度持續(xù)攀升，從而成為全球氣候變暖的主要誘因。在全球碳循環(huán)的系統(tǒng)格局中，土壤碳庫(kù)由于其巨大的儲(chǔ)量以及容易受到地表過程及人為擾動(dòng)的影響而成為全球碳循環(huán)研究和關(guān)注的重要課題[3]。

土壤侵蝕是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的自然地質(zhì)現(xiàn)象與普遍存在的土壤退化形式[4]，作為土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)的重要驅(qū)動(dòng)因素，其對(duì)土壤碳庫(kù)的封存與流失有著顯著的作用與影響[5]。早在20世紀(jì)70年代，相關(guān)學(xué)者[6]在進(jìn)行全球碳收支平衡估算研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，全球碳循環(huán)的“源與匯”體系中存在嚴(yán)重的CO2“失匯”問題，即在定量測(cè)算不同途徑的碳通量后發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)的影響導(dǎo)致生物圈釋放到大氣中的一部分CO2去向不明[7]。從此，全球碳循環(huán)體系中“丟失的那部分碳”的去向問題成為碳循環(huán)研究領(lǐng)域關(guān)注的重大科學(xué)問題。1998年，著名泥沙學(xué)家Stallard[8]通過將陸地碳循環(huán)機(jī)制與泥沙運(yùn)移過程耦合起來研究指出：土壤侵蝕乃是全球碳循環(huán)體系中一個(gè)潛在的凈“碳匯”，其在長(zhǎng)期存在的“碳失匯”之謎中扮演不可忽視的重要角色。該項(xiàng)研究成果最終將全球碳循環(huán)研究的視角引入到土壤侵蝕對(duì)碳循環(huán)的作用機(jī)制上來，從此土壤侵蝕對(duì)全球碳循環(huán)的影響開始受到廣泛關(guān)注。

然而，長(zhǎng)期以來的相關(guān)研究并沒有最終有效地詮釋土壤侵蝕對(duì)全球碳循環(huán)的系統(tǒng)作用機(jī)制問題。相反，當(dāng)前在土壤侵蝕與碳循環(huán)研究領(lǐng)域仍然存在著廣泛的爭(zhēng)議，即土壤侵蝕究竟是作為一個(gè)“碳源”還是“碳匯”，其角色定性問題仍然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)及系統(tǒng)的理論解釋[9-10]。這一問題嚴(yán)重阻礙了全球碳循環(huán)研究的進(jìn)程以及全球碳收支的精準(zhǔn)估算，從而不利于人們采取有效措施應(yīng)對(duì)全球氣候變暖這一日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題。

2 侵蝕作用下土壤碳循環(huán)研究現(xiàn)狀

2.1 侵蝕影響下土壤碳循環(huán)格局與定量評(píng)估研究

土壤侵蝕對(duì)碳循環(huán)格局的影響集中體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是對(duì)土壤與大氣間碳通量產(chǎn)生影響；二是在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部改變土壤有機(jī)碳的分布格局。侵蝕影響下，盡管一部分因侵蝕流失的有機(jī)碳會(huì)被埋藏或再分布，但是剩下的部分將會(huì)被礦化成CO2或厭氧發(fā)酵成甲烷而進(jìn)入大氣。據(jù)估算[11]，每年有近0.8～1.2 Gt因侵蝕而流失的有機(jī)碳被轉(zhuǎn)化成氣體物質(zhì)釋放進(jìn)入大氣，而隨泥沙沉積過程被埋藏的量?jī)H有0.4～0.6 Gt，二者相差近一倍。Polyakov 等[12]通過小區(qū)模擬降雨實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕導(dǎo)致近44%的土壤有機(jī)碳伴隨徑流和泥沙而流失，而在侵蝕發(fā)生后的100 d內(nèi)有近15%的土壤有機(jī)碳被礦化而釋放進(jìn)入大氣。關(guān)于土壤侵蝕與土壤CO2釋放通量之間的關(guān)系，Anderson[13]認(rèn)為土壤侵蝕可能會(huì)通過改變土壤理化性質(zhì)及碳源輸入來改變土壤呼吸格局，進(jìn)而徹底改變土壤與大氣之間的碳通量格局。沉積區(qū)由于接納從侵蝕區(qū)流失的有機(jī)碳而使得碳庫(kù)儲(chǔ)量較侵蝕區(qū)更加豐富，盡管2個(gè)區(qū)域的碳庫(kù)由于侵蝕的影響均處于不斷的更新之中[14]。事實(shí)上，考察土壤水力侵蝕對(duì)土壤有機(jī)碳再分布的影響必須綜合考慮水平遷移、垂向淋濾、過程礦化以及沉積封存等多個(gè)過程。

截至目前，土壤侵蝕究竟是作為碳源還是碳匯，科學(xué)上仍然不能給出一個(gè)確定的結(jié)論。多數(shù)沉積生態(tài)學(xué)家認(rèn)為土壤侵蝕作為碳匯對(duì)碳的封存具有直接貢獻(xiàn)[8, 15-16]，而土壤學(xué)家們則持相反的觀點(diǎn)[5, 11]，這種爭(zhēng)議與不確定性一直持續(xù)至今[10, 17]。Lal[18]研究認(rèn)為，侵蝕發(fā)生過程中由于團(tuán)聚體破壞釋放的土壤有機(jī)碳的礦化將造成大氣CO2含量的額外增加，同時(shí)侵蝕導(dǎo)致土壤質(zhì)量的下降從而影響生物量的生產(chǎn)與積累。從這一系列層面上講，土壤侵蝕對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳封存的影響總體說來是消極的[19]。Jacinthe等[2]通過模擬降雨研究，首次給出了由于侵蝕的作用從土壤中釋放出的土壤有機(jī)碳相當(dāng)一部分被礦化的定量證據(jù)，因此成為大氣CO2的重要來源。然而，針對(duì)這一問題，存在相反的觀點(diǎn)。有學(xué)者研究認(rèn)為[8, 20]，由于大部分因侵蝕作用而遷移的土壤有機(jī)碳在低洼地帶停留，這一地帶由于缺氧而使得生物分解作用受到限制，因而最終導(dǎo)致碳的封存。此外，由于侵蝕的發(fā)生及其隨后的沉積作用，造成生態(tài)系統(tǒng)在侵蝕點(diǎn)上碳循環(huán)動(dòng)態(tài)的不平衡，進(jìn)而促進(jìn)生物圈對(duì)碳的封存，最終獲得生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2的凈碳匯作用[20- 21]。深入總結(jié)以往研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕在碳循環(huán)中扮演的角色問題之所以存在長(zhǎng)期的爭(zhēng)議，主觀上在于多數(shù)研究在進(jìn)行相關(guān)工作時(shí)大多只孤立地關(guān)注這一過程中的某一環(huán)節(jié)，研究缺乏系統(tǒng)性，而客觀上在于定量評(píng)估由復(fù)雜交互過程控制的凈碳通量本身存在相當(dāng)難度。

2.2 侵蝕作用下土壤碳循環(huán)動(dòng)態(tài)過程機(jī)制研究

土壤侵蝕是造成土壤中有機(jī)碳遷移、流失的主要原因，也是陸地碳循環(huán)的重要?jiǎng)恿^程之一[22]。土壤水力侵蝕作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的物理過程，其對(duì)于土壤有機(jī)碳庫(kù)最直接的作用機(jī)制即是驅(qū)動(dòng)其發(fā)生遷移與富集，從而改變其在生態(tài)系統(tǒng)中的分布格局。然而，土壤水力侵蝕對(duì)于土壤有機(jī)碳庫(kù)的間接作用機(jī)制被認(rèn)為是促進(jìn)土壤與大氣進(jìn)行碳交換的重要驅(qū)動(dòng)。如圖1所示，根據(jù)侵蝕影響下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)過程分析，水力侵蝕對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的作用機(jī)制主要包括物理機(jī)制及生物機(jī)制2個(gè)方面[4]。

圖1 水力侵蝕作用下土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)作用過程Fig.1 Dynamics of organic carbon in soil affected by water erosion

2.2.1 物理機(jī)制研究

土壤水力侵蝕對(duì)有機(jī)碳庫(kù)作用的物理機(jī)制是指土壤有機(jī)碳在侵蝕力、泥沙裹挾以及徑流攜帶等作用下發(fā)生物理位移的過程。研究發(fā)現(xiàn)[23]，泥沙及徑流的遷移與土壤有機(jī)碳的物理運(yùn)移在機(jī)制上存在耦合特性。土壤水力侵蝕影響下有機(jī)碳發(fā)生物理位移的通道主要包括側(cè)向通道與垂向通道，即側(cè)向上跟隨泥沙及徑流在地表發(fā)生遷移再分布，垂向上以溶解態(tài)或游離態(tài)的形式隨下滲徑流淋溶到深層土壤。從存在形態(tài)上考察，土壤中的有機(jī)碳通常以粗顆粒有機(jī)質(zhì)、細(xì)顆粒狀有機(jī)質(zhì)以及土壤礦物質(zhì)的結(jié)合態(tài)存在[24]，而且粗顆粒有機(jī)質(zhì)由于大多聚集在土壤表層相對(duì)來說容易被徑流帶走[25]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其形成于土壤顆粒的聚集、絮凝和膠結(jié)作用，在這一系列團(tuán)聚體形成機(jī)制中，豐富的土壤有機(jī)碳被土壤團(tuán)聚體包裹或黏結(jié)在其表面而受到保護(hù)[26]，因此水力侵蝕對(duì)土壤有機(jī)碳的物理作用通常是從破壞土壤團(tuán)聚體開始的。

土壤侵蝕的整個(gè)階段包含著土壤團(tuán)聚體的遷移、破碎以及重新形成過程，包裹在團(tuán)聚體內(nèi)部的有機(jī)碳因此而受到很大影響。土壤水力侵蝕發(fā)生之前通常伴隨一個(gè)必須的土壤潤(rùn)濕過程，這一過程被證明能夠加速土壤團(tuán)聚體破裂，在造成土壤流失的同時(shí)對(duì)土壤有機(jī)碳的流失形成激發(fā)機(jī)制[27]。研究指出[28]，土壤團(tuán)聚體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性與其自身漲縮過程、內(nèi)部生物活性、內(nèi)含有機(jī)物質(zhì)析出、干燥/潤(rùn)濕壓力以及整個(gè)土壤剖面的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。當(dāng)徑流形成后，有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為隨徑流和泥沙而遷移，除一部分水溶性有機(jī)碳與徑流關(guān)系密切外，大部分流失有機(jī)碳的遷移特征與泥沙動(dòng)態(tài)有關(guān)[29]。水力侵蝕對(duì)土壤顆粒的搬運(yùn)具有選擇性特征，徑流將優(yōu)先運(yùn)移細(xì)顆粒土壤，因此侵蝕泥沙中細(xì)顆粒含量將占據(jù)相當(dāng)份額[8,30]。然而，研究發(fā)現(xiàn)[31-33]土壤細(xì)顆粒(包括微團(tuán)聚體和黏粒等)中土壤有機(jī)碳含量明顯增加，因此可以判斷細(xì)顆粒土壤是土壤有機(jī)碳因水力侵蝕而發(fā)生流失的主要載體，從而導(dǎo)致在侵蝕末段的沉積泥沙中土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)明顯的富集特征[23,34]。

因侵蝕而流失的碳，一部分在低洼地帶由于重力作用而沉積，進(jìn)而被后來的沉積泥沙埋藏封存或在后續(xù)的侵蝕過程中被帶走而進(jìn)入新一輪的物理遷移，另外一部分則隨徑流和泥沙而遷移到更遠(yuǎn)的環(huán)境，有的甚至最終進(jìn)入海洋。侵蝕過程中沉積的發(fā)生，不僅與徑流的攜帶能力以及泥沙顆粒大小有關(guān)，而且還與地形、地貌、土地利用方式以及途經(jīng)局地土壤性質(zhì)等因素有關(guān)。侵蝕過程中土壤有機(jī)碳的垂向物理遷移又叫有機(jī)碳的淋溶過程，是水力侵蝕影響下土壤有機(jī)碳又一重要?jiǎng)討B(tài)機(jī)制。土壤有機(jī)碳的垂向遷移伴隨水力侵蝕發(fā)生的整個(gè)過程，除了與土壤有機(jī)碳本身的溶解性及顆粒大小有關(guān)外，還與降雨強(qiáng)度、徑流水深以及土壤理化性質(zhì)(包括孔隙度、含水率以及離子含量等)等因素有關(guān)[35]。從碳庫(kù)封存的角度考察，土壤水力侵蝕造成的有機(jī)碳垂向遷移在碳循環(huán)過程起到促進(jìn)碳匯形成的積極作用。張雪等[23]通過小區(qū)人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水力侵蝕過程土壤有機(jī)碳發(fā)生了明顯的垂向遷移，從而顯著改變了土壤剖面有機(jī)碳分布格局，且降雨強(qiáng)度越大，土壤有機(jī)碳垂向遷移越顯著。

2.2.2 生物機(jī)制研究

土壤水力侵蝕對(duì)于有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的生物機(jī)制從某種程度上講屬于土壤水力侵蝕的次生或間接作用機(jī)制，即水力侵蝕通過改變土壤或生態(tài)環(huán)境來改變植物、土壤動(dòng)物以及微生物的生長(zhǎng)、分布格局或活動(dòng)特征，進(jìn)而對(duì)土壤碳庫(kù)的輸入、周轉(zhuǎn)以及流失造成影響。水力侵蝕對(duì)植物的影響主要作用于土壤有機(jī)碳庫(kù)的凈輸入機(jī)制。植物通過光合作用將無(wú)機(jī)碳變成有機(jī)碳，進(jìn)而其殘?bào)w或凋落物進(jìn)入土壤圈，成為土壤有機(jī)碳庫(kù)的初始來源，且植物殘?bào)w與凋落物在土壤表層富集，有利于土壤結(jié)構(gòu)和肥力條件的改善，進(jìn)而又反過來促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，由此形成一種良性的循環(huán)作用機(jī)制[28]。然而，土壤水力侵蝕的發(fā)生通常會(huì)造成這種良性機(jī)制的改變，由此影響土壤有機(jī)碳的輸入與補(bǔ)給。水力侵蝕首先會(huì)沖刷覆蓋在地表的植物殘?bào)w，進(jìn)而破壞土壤結(jié)構(gòu)，改變土壤水熱條件，降低土壤肥力，從而嚴(yán)重影響植被的正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降，土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)輸入隨之受阻[36-37]。

土壤水力侵蝕影響有機(jī)碳的微生物學(xué)機(jī)制主要體現(xiàn)為2個(gè)方面，一方面通過土壤水力侵蝕改變微生物群落分布與活動(dòng)特征來影響土壤呼吸和微生物礦化特征，進(jìn)而影響土壤向大氣釋放CO2的通量；另一方面通過改變微生物活動(dòng)以及酶的活性來影響微生物在團(tuán)聚體形成及土壤結(jié)構(gòu)改良上的作用，進(jìn)而作用于有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)封存。研究證實(shí)[38]，由于土壤團(tuán)聚體優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，大量微生物及豐富有機(jī)質(zhì)均被包裹在土壤團(tuán)聚體中，形成相對(duì)穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)體。土壤水力侵蝕對(duì)團(tuán)聚體的破壞，不僅釋放出大量處于休眠狀態(tài)的微生物，而且釋放出大量原本被保護(hù)起來的土壤有機(jī)碳，導(dǎo)致這部分有機(jī)碳被暴露給微生物利用，從而加速土壤有機(jī)碳被礦化成CO2而釋放進(jìn)入大氣[39]。

研究表明，在水力侵蝕引起的遷移與富集過程中，土壤有機(jī)碳庫(kù)中的輕質(zhì)活性組分容易被微生物利用分解[40]。據(jù)Jacinthe等[41]估算，有近20%～30%的土壤有機(jī)碳在侵蝕過程中被微生物礦化釋放進(jìn)入大氣中。侵蝕發(fā)生后，由于水力侵蝕導(dǎo)致侵蝕區(qū)土壤質(zhì)地、溫度、濕度以及通氣性的改變，進(jìn)而改變?cè)搮^(qū)域微生物利用碳源的效率，侵蝕區(qū)原位有機(jī)碳礦化特征也發(fā)生了實(shí)質(zhì)改變；而在沉積區(qū)或沼澤地帶，通常因具有過量的水分及高度富集的有機(jī)碳含量，容易形成厭氧發(fā)酵環(huán)境，從而有利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)活動(dòng)，相當(dāng)量的土壤有機(jī)碳因此被轉(zhuǎn)化成甲烷而釋放進(jìn)入大氣[11]。土壤團(tuán)聚體的形成缺少不了植物根系及微生物的作用，經(jīng)過水力侵蝕影響的土壤，微生物正常的生存環(huán)境被破壞，無(wú)論是在群落多樣性還是在個(gè)體數(shù)量上都發(fā)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致其對(duì)土壤團(tuán)聚作用的貢獻(xiàn)減弱，嚴(yán)重阻礙土壤對(duì)于有機(jī)碳的封存。

3 當(dāng)前研究存在的問題

土壤侵蝕在全球碳循環(huán)系統(tǒng)中究竟是扮演“碳源”的角色還是“碳匯”的角色，這一長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議的科學(xué)問題反映的即是土壤子系統(tǒng)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)的不確定性問題。著名土壤學(xué)家Van Oost等[42]認(rèn)為這一爭(zhēng)議存在的根本原因之一是在于過往研究在探索這一復(fù)雜過程時(shí)缺乏系統(tǒng)性。通過總結(jié)以往研究發(fā)現(xiàn)，爭(zhēng)議的存在還與研究缺乏全面性以及研究方法具有不確定性等因素有關(guān)。

3.1 基于“黑箱”理論的碳收支估算存在不確定性

綜合分析以往有關(guān)碳收支定量評(píng)估的研究發(fā)現(xiàn)，不論在何種尺度(包括全球尺度、區(qū)域尺度、小流域尺度及小區(qū)尺度等)上，多數(shù)研究采用的均是基于“黑箱”理論的估算方法。全球碳循環(huán)的任何一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)開放的自然系統(tǒng)，且無(wú)時(shí)無(wú)刻不處于一個(gè)動(dòng)態(tài)更新與演替的狀態(tài)之中，輸入和輸出的途徑極其復(fù)雜。通常研究在某一尺度上進(jìn)行侵蝕影響下的碳庫(kù)收支評(píng)估時(shí)往往只關(guān)注側(cè)向輸入與輸出，垂向上的深層淋溶以及礦化釋放卻因?yàn)槟壳半y以定量而被忽略。從這個(gè)意義上考察，以往研究基于“黑箱”理論的碳收支估算方法本身存在紕漏和不確定性，這正是導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果“碳源”與“碳匯”不能平衡的重要原因之一。理論上講，全球碳庫(kù)收支估算必須在充分考慮各個(gè)過程的情況下，借助強(qiáng)大的系統(tǒng)模型平臺(tái)，既融入定量估算模型又融入過程機(jī)理模型，將涉及碳循環(huán)的各環(huán)境要素充分考慮進(jìn)去，才能最終精準(zhǔn)、有效地評(píng)估各個(gè)尺度上的碳庫(kù)收支及其在環(huán)境作用下的動(dòng)態(tài)變化。

3.2 侵蝕-碳礦化過程機(jī)制及其定量化有待研究

侵蝕在土壤碳循環(huán)中扮演角色的不確定性原因之一是侵蝕作用下的碳礦化流失機(jī)制尚沒有被完全地認(rèn)識(shí)，從而導(dǎo)致侵蝕作用下的碳礦化流失量無(wú)法全面而精準(zhǔn)的估算。這其中主要包括幾個(gè)方面，一是侵蝕發(fā)生過程有多少碳因礦化流失；二是侵蝕發(fā)生后原位土壤碳礦化表現(xiàn)出何種機(jī)制；三是因侵蝕而遷移的有機(jī)碳在坡面停留和在沉積區(qū)富集后的礦化或甲烷化程度有多大。這些過程都是土壤碳庫(kù)輸出的重要通道，尤其在通過定量評(píng)估侵蝕影響下土壤碳庫(kù)收支而確定其在碳循環(huán)中扮演角色時(shí)是不可忽略的過程。然而，由于這一系列過程的動(dòng)態(tài)性及復(fù)雜性，長(zhǎng)期的探索未能找到一種很好的辦法來對(duì)其進(jìn)行定量的評(píng)估。綜合考察發(fā)現(xiàn)，若要準(zhǔn)確把握這一過程單靠研究有機(jī)碳庫(kù)本身動(dòng)態(tài)將會(huì)導(dǎo)致片面、不可靠的結(jié)果，只有將其與作為有機(jī)碳礦化推動(dòng)者的微生物動(dòng)態(tài)聯(lián)系起來，才有可能客觀地解釋侵蝕作用下各個(gè)碳礦化過程的機(jī)理，為最終開發(fā)相關(guān)模型進(jìn)行準(zhǔn)確的定量評(píng)估奠定理論基礎(chǔ)。

3.3 土壤有機(jī)碳礦化主導(dǎo)者對(duì)侵蝕的響應(yīng)機(jī)制尚不明確

作為土壤碳循環(huán)尤其是土壤有機(jī)碳礦化流失的主要參與者，微生物對(duì)土壤侵蝕這一普遍存在的自然擾動(dòng)過程的響應(yīng)機(jī)制目前尚不明確。土壤侵蝕作為一個(gè)動(dòng)態(tài)搬運(yùn)的過程，不僅能夠促進(jìn)土壤微生物的釋放和遷移，使得微生物數(shù)量和種類在土壤圈動(dòng)態(tài)分配，而且能夠通過改變土壤質(zhì)地、水熱狀況甚至碳氮源利用通道等微生物生存條件來作用于微生物在土壤圈中的分布格局。以往僅有少量研究關(guān)注在長(zhǎng)期侵蝕作用形成的典型侵蝕區(qū)與沉積區(qū)內(nèi)微生物區(qū)系、種類以及生物量上的演替及差異性特征，而對(duì)于次降雨侵蝕過程中及降雨侵蝕發(fā)生后短期內(nèi)的微生物動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制卻很少關(guān)注。事實(shí)上，自然界降雨侵蝕的發(fā)生通常是間斷性的，因此次降雨侵蝕帶來的微生物動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)土壤物質(zhì)循環(huán)具有更為現(xiàn)實(shí)的影響。土壤微生物對(duì)土壤侵蝕的響應(yīng)機(jī)制是研究土壤侵蝕作用下碳礦化規(guī)律的基礎(chǔ)，但目前這一系列機(jī)制尚不明確，有待全面深入探索。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，土壤水力侵蝕對(duì)碳循環(huán)格局的影響研究在整體框架上已獲得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，尤其在水力侵蝕作用下土壤有機(jī)碳的側(cè)向物理運(yùn)移機(jī)制方面已經(jīng)獲得了較為深入全面的認(rèn)識(shí)。然而，從整個(gè)全球碳庫(kù)收支的定量評(píng)估考察，土壤侵蝕究竟是碳源還是碳匯，目前科學(xué)上仍然不能給出一個(gè)確定的結(jié)論。水力侵蝕對(duì)土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)與礦化的影響主要包括前期干燥/潤(rùn)濕激發(fā)、過程破碎激發(fā)以及選擇性遷移與富集引起的后期誘導(dǎo)3個(gè)主要過程，微生物在其中扮演著主導(dǎo)與協(xié)調(diào)的重要角色。因此，以微生物為切入點(diǎn)進(jìn)行侵蝕作用下的碳礦化研究將有助于從機(jī)理層面解決侵蝕在土壤碳循環(huán)中的不確定性問題。此外，綜合考慮垂向淋溶、側(cè)向運(yùn)移、沉積封存以及礦化流失等過程機(jī)制，運(yùn)用模型模擬的方法全面考察水力侵蝕作用下土壤有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)機(jī)制，將是今后侵蝕作用下土壤碳循環(huán)研究的重要工作和主要趨勢(shì)。

[1] 丁永建, 周成虎, 邵明安,等. 地表過程研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2013, 28(4): 407-419.

[2] JACINTHE P A, LAL R, KIMBLE J. Carbon Dioxide Evolution in Runoff from Simulated Rainfall on Long-term No-till and Plowed Soils in Southwestern Ohio[J]. Soil and Tillage Research, 2002, 66(1): 23-33.

[3] 朱永官, 李 剛, 張甘霖,等. 土壤安全: 從地球關(guān)鍵帶到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[J]. 地理學(xué)報(bào), 2016, 70(12): 1859-1869.

[4] 劉紀(jì)根, 趙 健, 張平倉(cāng), 等. 基于 RS 和 GIS 的烏東德水電站壩址區(qū)土壤侵蝕預(yù)測(cè)研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2007, 24(4): 10-13.

[5] LAL R. Soil Erosion and Carbon Dynamics[J]. Soil and Tillage Research, 2005, 81(2): 137-142.

[6] REINERS W A. A Summary of the World Carbon Cycle and Recommendations for Critical Research[J]. Brookhaven Symposia in Biology, 1973,(30): 368.

[7] 方精云, 郭兆迪．尋找失去的陸地碳匯[J]．自然雜志, 2007，29(1): 1-6.

[8] STALLARD R F. Terrestrial Sedimentation and the Carbon Cycle: Coupling Weathering and Erosion to Carbon Burial[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1998, 12(2): 231-257.

[9] LAL R, PIMENTEL D. Soil Erosion: A Carbon Sink or Source? [J]. Science, 2008, 319(5866): 1040.

[10]DOETTERL S, BERHE A A, NADEU E,etal. Erosion, Deposition and Soil Carbon: A Review of Process-level Controls, Experimental Tools and Models to Address C Cycling in Dynamic Landscapes[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 154: 102-122.

[11]LAL R. Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food Security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623.

[12]POLYAKOV V, LAL R. Soil Organic Matter and CO2Emission as Affected by Water Erosion on Field Runoff Plots[J]. Geoderma, 2008, 143(1/2): 216-222.

[13]ANDERSON D W. Decomposition of Organic Matter and Carbon Emissions from Soils[M]. Boca Raton：CRC Lewis Publishers, 1995:165-175.

[14]PAPIERNIK S, LINDSTROM M, SCHUMACHER T,etal. Characterization of Soil Profiles in a Landscape Affected by Long-term Tillage[J]. Soil and Tillage Research, 2007, 93(2): 335-345.

[15]KIRKELS F, CAMMERAAT L H, KUHN N J. The Fate of Soil Organic Carbon upon Erosion, Transport and Deposition in Agricultural Landscapes—A Review of Different Concepts[J]. Geomorphology, 2014, 226: 94-105.

[16]RENWICK W, SMITH S, SLEEZER R,etal. Comment on “Managing Soil Carbon” (II)[J]. Science, 2004, 305(5690): 1567.

[17]WANG Z, GOVERS G, STEEGEN A,etal. Catchment-scale Carbon Redistribution and Delivery by Water Erosion in an Intensively Cultivated Area[J]. Geomorphology, 2010, 124(1): 65-74.

[18]LAL R. Global Soil Erosion by Water and Carbon Dynamics[J]. Soils and Global Change, 1995: 131-142.

[19]KIMBLE J M, Follett R F, Cole C V. The Potential of US Cropland to Sequester Carbon and Mitigate the Greenhouse Effect[M]. Boca Raton: CRC Press, 1998.

[20]MCCARTY G, RITCHIE J. Impact of Soil Movement on Carbon Sequestration in Agricultural Ecosystems[J]. Environmental Pollution, 2002, 116(3): 423-430.

[21]RITCHIE J C, MCCARTY G W. 137Cesium and Soil Carbon in a Small Agricultural Watershed[J]. Soil and Tillage Research, 2003, 69(1/2): 45-51.

[22]方海燕. 137Cs 和210 Pbex示蹤黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕對(duì)有機(jī)碳的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(7): 1856-1862.

[23]張 雪, 李忠武, 申衛(wèi)平,等. 紅壤有機(jī)碳流失特征及其與泥沙徑流流失量的定量關(guān)系[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(3): 465-473.

[24]潘根興, 曹建華, 周運(yùn)超. 土壤碳及其在地球表層系統(tǒng)碳循環(huán)中的意義[J]. 第四紀(jì)研究, 2000, 20(4): 325-334.

[25]賈松偉, 賀秀斌, 陳云明. 侵蝕逆境下土壤有機(jī)碳的遷移[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2004,13(1): 78-80.

[26]GORDON H, HAYGARTH P M, BARDGETT R D. Drying and Rewetting Effects on Soil Microbial Community Composition and Nutrient Leaching[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(2): 302-311.

[27]RIMAL B K, LAL R. Soil and Carbon Losses from Five Different Land Management Areas under Simulated Rainfall[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 106(1): 62-70.

[28]張 雪. 紅壤丘陵區(qū)坡地侵蝕過程對(duì)土壤有機(jī)碳物理運(yùn)移的影響規(guī)律研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué), 2012:1-7,11.

[29]溫麗燕, 王連峰. 侵蝕及土地利用管理方式改變對(duì)土壤有機(jī)碳的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2007, 23(7): 362-365.

[30]CAUSARANO H J, DORAISWAMY P C, MCCARTY G W,etal. EPIC Modeling of Soil Organic Carbon Sequestration in Croplands of Iowa[J]. Journal of Environmental Quality, 2008, 37(4): 1345-1353.

[31]袁穎紅, 李輝信, 黃欠如,等. 不同施肥處理對(duì)紅壤性水稻土微團(tuán)聚體有機(jī)碳匯的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(12): 2961-2966.

[32]于君寶, 劉景雙, 劉淑霞,等. 不同開墾年限黑土耕層有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體變化及有機(jī)碳組分分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究, 2004, 20(3): 224-228.

[33]LAL R. Soil Carbon Sequestration to Mitigate Climate Change[J]. Geoderma, 2004, 123(1/2): 1-22.

[34]聶小東, 李忠武, 王曉燕,等. 雨強(qiáng)對(duì)紅壤坡耕地泥沙流失及有機(jī)碳富集的影響規(guī)律研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(5): 900-908.

[35]MA W, LI Z, DING K,etal. Effect of Soil Erosion on Dissolved Organic Carbon Redistribution in Subtropical Red Soil under Rainfall Simulation[J]. Geomorphology, 2014, 226:217-225.

[36]王志強(qiáng), 劉寶元, 王旭艷,等. 東北黑土區(qū)土壤侵蝕對(duì)土地生產(chǎn)力影響試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)科學(xué): D 輯, 2009, (10): 1397-1412.

[37]楊艷生, 鄭振源. 中國(guó)土壤侵蝕及生產(chǎn)力研究[M]. 南京：東南大學(xué)出版社, 1994: 13-15.

[38]SIX J F, THIET S, BATTEN R. Bacterial and Fungal Contributions to Carbon Sequestration in Agroecosystems[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(2): 555.

[39]HUANG J, LI Z, NIE X,etal. Microbial Responses to Soil Rewetting in Erosional and Depositional Environments in Relation to the Organic Carbon Dynamics[J]. Geomorphology, 2014, 204(1): 256-264.

[40]余 健, 房 莉, 卞正富,等. 土壤碳庫(kù)構(gòu)成研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(17): 4829-4838.

[41]JACINTHE P, LAL R. A Mass Balance Approach to Assess Carbon Dioxide Evolution During Erosional Events[J]. Land Degradation & Development, 2001, 12(4): 329-339.

[42]VAN OOST K, QUINE T, GOVERS G,etal. The Impact of Agricultural Soil Erosion on the Global Carbon Cycle[J]. Science, 2007, 318(5850): 626.

(編輯：占學(xué)軍)

Advances in Dynamics of Soil Organic Carbon Affectedby Water Erosion

HUANG Jin-quan1,2,CHENG Dong-bing1,2,WANG Zhi-gang1,2,LIU Ji-gen1,2,ZHANG Guan-hua1,2,SUN Bei1,2,ZHANG Ping-cang1,2

(1.Soil and Water Conservation Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China; 2.Research Center on Mountain Torrent and Geological Disaster Prevention of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China)

Dynamics of soil organic carbon(SOC) affected by water erosion plays an important role in accurate assessment of soil erosion role in carbon cycle.In this paper, we discuss the influence of erosion on the pattern of global carbon cycle, and clarify the significance of research on dynamic mechanism of SOC affected by water erosion. On this basis, we introduce the latest domestic and foreign progresses of SOC pattern and dynamic mechanism of SOC pool, and analyze problems in the current research and the development tendency in the future. Through the research, we conclude that soil microorganisms should be taken as the research objects for SOC mineralization affected by water erosion, which will help us to verify erosion role in soil carbon cycle at mechanism level. Furthermore, in order to fully investigate the dynamic mechanism of SOC affected by water erosion, we can employ model simulation method, and it is an urgent research direction for the research in future.

water erosion; soil organic carbon; global carbon cycle; dynamic mechanism; global climate change

2016-04-11;

2016-08-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501298)；長(zhǎng)江科學(xué)院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2016012/TB)

黃金權(quán)(1983-)，男，河南信陽(yáng)人，工程師，博士，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g及其環(huán)境效應(yīng)，(電話)15102785049(電子信箱)jinquan_cky@163.com。

10.11988/ckyyb.20160337

2016,33(12):27-32

Q142.3

A

1001-5485(2016)12-0027-06