土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系

肖胜生，郑海金，杨洁†，董云社，陈晓安，宋月军

(1.江西省水土保持科学研究所，330029，南昌;2.中国科学院地理科学与资源研究所，100101，北京)

土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系

肖胜生1，郑海金1，杨洁1†，董云社2，陈晓安1，宋月军1

(1.江西省水土保持科学研究所，330029，南昌;2.中国科学院地理科学与资源研究所，100101，北京)

通过综述土壤侵蚀对碳循环的影响、全球气候变化对土壤侵蚀的影响以及水土保持植被恢复对碳循环与土壤碳素积累的影响，研究土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系。结果表明:因侵蚀造成的土壤碳素损失是巨大的，但土壤侵蚀是碳源还是碳汇过程依然存在争议，焦点集中于因侵蚀造成土壤团聚体解体，暴露在空气中的土壤有机碳的矿化速率的大小;随着全球气温升高以及降雨格局的变化，全球土壤侵蚀强度和范围都在不断增加，但土壤侵蚀对全球气候变化的响应程度依然值得深入研究;水土保持生态恢复主要通过改变下垫面性质来改变土壤有机碳含量、影响土壤CO2释放并促进土壤碳素积累，对抑制大气CO2浓度升高能产生积极影响。尽管土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系方面的研究已取得重大进展，但仍有待于在土壤侵蚀过程中碳素变化模型、土壤侵蚀过程中氮素迁移转化特征以及侵蚀劣地生态恢复过程中土壤碳素积累机制等方面加强研究。

土壤侵蚀;水土保持;气候变化;碳循环;耦合关系

土壤侵蚀是全球性的主要环境问题之一。全球范围内遭受水蚀和风蚀的土地面积分别为10.94亿和5.49亿hm2，其中严重水蚀和风蚀面积则分别达到7.51亿和2.96亿hm2［1］。土壤侵蚀不但导致土壤退化、土地生产力降低、影响农业生产和粮食安全，而且还会造成面源污染等问题，影响生态环境和经济社会发展。

以全球变暖为主要特征的全球变化正改变着陆地生态系统的结构和功能，威胁着人类的生存与健康，受到世界各国政府和公众的普遍关注，而全球变暖主要是由于全球碳循环改变和大气CO2浓度升高引起的。在土壤侵蚀和泥沙搬运过程中，土壤有机C、N的组分和含量发生较大变化，会影响到全球生源要素，尤其是C、N、S、P的循环，最终影响到全球气候变化。适应和预防全球变化带来的各种影响，争取环境外交主动权等，对土壤侵蚀与水土保持科学研究提出了新的要求。研究揭示区域性土壤侵蚀、水土保持与全球变化之间的关系，是土壤侵蚀与水土保持学科的重要前沿领域之一。

目前，国际社会对土壤侵蚀给予了高度的关注，如全球变化研究正在执行的4大国际科学计划:世界气候研究计划(WCRP)、国际地圈生物圈计划(IGBP)、全球环境变化人文因素计划(IHDP)和生物多样性计划(DIVERSITAS)，都把土壤侵蚀、水土保持及其环境效应作为重要研究内容［2］。2008年，在匈牙利布达佩斯召开的第15届国际土壤保持大会也将“水土保持、气候变化和环境敏感性”作为主要议题，会议尤其强调了全球气候变化背景下和环境敏感地区的水土保持与管理。

笔者主要从3个方面综述目前国际上土壤侵蚀、水土保持与全球气候变化相互关系方面的研究结果，以期对相关领域的研究起到一定程度的推动作用。

1 土壤侵蚀对碳循环的影响

1.1 土壤侵蚀过程中有机碳的迁移

土壤侵蚀一般包括4个阶段:土壤颗粒分散、土壤团聚体被破坏、泥沙运移和再分布以及泥沙沉积。在这4个阶段中，土壤侵蚀主要是通过以下6个途径来影响土壤有机碳动态的［1］:使土壤团聚体崩解和破坏，土壤表层有机碳随径流(或沙尘)被迁移，加速土壤有机质原地矿化(因为土壤水分和温度都发生了改变)，在泥沙搬运与再分布过程中土壤有机碳的矿化，在沉积区域和植物保护区有机-无机复合体重新形成中发生团聚化固碳，泥沙沉积区域如冲积平原、水库和海底等对碳的沉积深埋作用。其中，前4个阶段会导致有机碳损失，部分释放到大气中，后2个阶段则有利于有机碳的积累。

研究表明，土壤侵蚀尤其是面蚀会优先运移有机碳，导致碳素在坡面泥沙中富集，其富集比最高能达到50%［3］。在黄土高原的研究结果表明，土壤流失所携带的大量黏粉粒是有机碳搬运的主要载体，最高可以超过95%［4-5］;同时，侵蚀强度与泥沙中有机碳含量呈递减的对数关系，而与土壤有机碳流失程度呈明显线性关系［4］。

土壤侵蚀主要将土壤有机碳从一个景观部位迁移到另一个景观部位，在这个过程中，微生物会分解部分土壤有机碳。R.Lal［1，6］认为，假如受土壤侵蚀影响而流失的有机碳中有20%被氧化，那么每年将有8亿～12亿 t的碳素受侵蚀诱导而进入大气，土壤侵蚀的加剧是造成退化土地土壤碳向大气释放的主要因素。R.Lal［7］在研究中发现，中国因侵蚀而损失的土壤每年约55亿t，约1 600万t的土壤有机碳随之流失，并导致土壤每年向大气排放约3 200万～6 400万t的碳。

不仅泥沙搬运过程中碳素的矿化受到关注，部分学者对受侵蚀后原位土壤的土壤呼吸也进行了研究。冯宏等［8］在华南赤红壤丘陵坡地的研究表明，随着土壤侵蚀程度的加剧和植被的破坏，土壤微生物总数逐渐减少，土壤基础呼吸和土壤诱导呼吸都显著下降。

另外，有研究表明，土壤活性有机碳更易受到侵蚀影响。方华军等［9］在我国东北黑土区典型漫岗坡耕地的研究发现:土壤可溶性有机碳(DOC)在沿坡迁移的同时，向下淋溶也很显著;土壤侵蚀显著降低了侵蚀部位表层土壤易矿化碳(Min-C)、DOC和土壤微生物量碳(MBC)的含量，沉积区 MBC和Min-C含量均较高;进一步研究表明，尽管侵蚀物质的输入在一定程度上增加了沉积区表层土壤的微生物活性和土壤碳的矿化潜力，但上坡侵蚀下来的有机碳的归宿取决于沉积区的环境条件，常年处于氧化环境中的侵蚀碳可能被矿化而难以累积。J.Mertens等［10］也指出，水分运移状况是决定DOC在土体中空间流动变异性的主要因子。水蚀过程中，表层土壤DOC易被水分携带迁移，所以下渗和入沟(或进入河流)的比例较大，而当水分及所溶解的物质(或处于流动状态的水蚀产物)部分地蒸发时，或者下渗的速度和土壤再沉积、团聚的速度比蒸发的速度慢时，其中的DOC就被氧化而释放。同时，DOC的氧化受到地形地貌、水流速度等因素的综合影响。一般来讲，水分流速快、坡度较陡、沉积区土壤大粒径级团聚体较多(砂土较多)、裸露地段受阳光照射较少等情况下，水蚀后土壤DOC以CO2的形式向上转移是较少的。

1.2 土壤侵蚀过程中碳素输送总量的变化

有研究指出，世界河流每年迁移到海洋中的泥沙量在150亿～200亿t，若以10%的泥沙输移比来计算，估计陆地土壤侵蚀速率在7～11 t/(hm2·a)［11］。在此基础上，许多学者提供了陆地向河流输运的碳通量的数据。W.H.Schlesinger等［12］指出，若按泥沙中有机碳含量为2% ～3%来计算，全世界河流每年向海洋输运的总碳量约为3.7亿t。T.P.Christensen等［13］也指出，全球陆地生态系统每年有50亿～70亿t的土壤有机碳因水蚀作用而流失。R.Lal［1］则认为全球每年有40亿 ～60亿 t的碳素进入水体。

方精云等［14］根据碳输运的区段模型，计算出我国河流每年碳输运总量为1.10亿t，占全球总量的22%，其中在中国境内再分布的碳量为3 000万t，向境外输运的碳量为1 100万t，输运到海洋中的碳量为7 200万t。尽管由于不同学者根据不同的方法得到的数据不尽相同，但都表明每年因土壤侵蚀所损失的碳素是巨大的，从而对温室气体排放以及全球气候变化产生了较大的影响。

1.3 土壤侵蚀过程中碳源、碳汇功能的争议

土壤侵蚀是加速还是减缓全球气候温暖化，不同的学者立足不同尺度，研究结果差异显著，甚至得出了相反的结论。以W.H.Renwick等为代表的沉积学家认为，自然界的土壤侵蚀过程有利于碳素吸存，并认为在全球尺度上，这种碳汇功能达到了6亿～15 亿 t/a［15-17］;而以 R.Lal等为代表的土壤学家却坚持相反的观点，他们认为，土壤侵蚀是一种碳源过程，并预计全球尺度上这种碳源作用将达到10亿t/a［1］，同时还伴随着甲烷和氧化亚氮的释放［18］。

沉积学家的观点主要基于2个方面的原因。第一，不同等级的土壤团聚体有不同的团聚机制，大团聚体(＞0.25 mm)一般由植物根系和微生物菌丝连接起来，而微团聚体(≤0.25 mm)一般由腐殖质、结晶氧化物和无定形铝硅酸盐等粘结剂结合而成，相对来说，大团聚体包裹的有机碳就更容易被矿化，从而以CO2等形式释放到大气中，而微团聚体则很难转移其中所存储的碳。土壤侵蚀破坏了大团聚体，使其剥蚀、冲刷而粒径变小，从而使表层土壤大团聚体减少，微团聚体增加，使土壤表层的碳在低洼地带沉积下来或积淀到海底，或者被微团聚体包裹而难以释放，在一定程度上起着碳汇的作用。沉积区在进行重新分配和团聚作用时又吸附或胶结其他库中的碳素，而且对原来地区的土壤碳也具有一定的深埋效应。第二，在土壤侵蚀过程中，土壤表层有机质被首先移除，造成原位土壤有机碳库的枯竭和土地退化，但在一定时间之后，由于侵蚀区植被的恢复，地上地下生物量固存大量的有机碳，进而使得土壤碳库也逐渐得到恢复，从整个生态系统的角度出发，这种侵蚀后土壤碳库的重新恢复也是一种碳汇作用。

R.H.Meade等［19］指出，美国 90%的侵蚀沉积物被陆地捕获并埋藏起来。在此基础上，R.F.Stallard［15］假设沉积物中含碳率为1.5%，那么整个美国由于侵蚀沉积而形成的碳汇每年会达到4.5亿t，因全球土壤沉积与埋藏而形成的碳汇每年将达到10亿t，并指出这也许是对全球碳失汇(Carbon missing sink)问题一个合理的解释。J.R.Dymond［20］通过模拟分析也发现，土壤侵蚀作用每年可为整个新西兰岛屿增加320万t的碳汇。

土壤学家的依据主要是土壤侵蚀会加速土壤有机碳的矿化速率(包括土壤原位矿化和异地矿化)，具体则体现在以下3个方面。第一，土壤被侵蚀会造成土壤质量下降和土地生产力降低，从而降低水分和营养元素的可利用性，破坏土壤水分和营养平衡，加速有机碳的矿化。第二，侵蚀作用使得土壤颗粒分散，破坏了大团聚体，使得包裹在其中的有机质暴露给微生物，使得随径流而下的有机碳(尤其是轻组有机碳)更容易被矿化分解，如 P.Jacinthe等［21］估计的约有20% ～30%的土壤有机碳在侵蚀过程中被矿化而分解释放到大气中。第三，当那些被埋藏在土壤20 cm以下的土壤有机质被保护起来时，那些存在于耕作层的有机碳就更容易在气候变化因素以及人为活动因素的影响下被矿化。

实际上，因侵蚀而产生的碳素既不会完全沉积下来，也不会在沉积之前完全被矿化，真正的情况是介于2种极端情况之间，在碳素运输和重新分布过程中，有一部分比例的土壤有机碳在沉积之前就已经被氧化，只是在具体的情况中，这种比例的大小不同而已。S.V.Smith等［16］认为，向上转移的有机碳的量甚微(侵蚀后土壤有机碳总量被氧化或矿化而以CO2形式释放到大气)，几乎可以忽略不计，而横向迁移至海洋的有机碳占28.6%，异地沉积、再分配(或向下迁移)的有机碳量占 71.4%;R.Lal［6］认为，向上转移的有机碳量占侵蚀损失量的20.0%，流向海洋的有机碳量为10.0%，异地沉积的有机碳量占70.0%。研究结论的悬殊，很可能是研究角度的不同和土壤有机碳组分的地域性差异等原因造成的。V.Yadav等［22］采取模型的方法对美国伊利诺伊州南部大溪盆地不同土地利用方式下土壤侵蚀与沉积以及土壤有机碳的矿化速率进行了分析，结果表明:在土壤侵蚀过程中，有11% ～31%的侵蚀土壤在盆地中沉积下来，具体的比例取决于土地类型，而剩下的侵蚀土壤被转移至下游;同时，有10% ～50%的土壤有机碳在侵蚀过程中被氧化，具体的比例也取决于土地利用类型。因此，土壤侵蚀和沉积过程中有关土壤有机碳命运的争议主要集中于在土壤侵蚀产沙沉积过程中，由于土壤团聚体的解体，使得其中的有机碳暴露，这部分暴露的有机碳的矿化速率到底有多大［22-23］。

J.C.Ritchie等［24］应用137Cs失踪技术估计了侵蚀速率并研究了美国俄勒冈州长期土壤碳失汇，结果发现，随着空间的变动，137Cs含量没有发生显著变化，从而不能证明该地区长期的土壤碳流失是由土壤侵蚀引起的。O.K.Van等［23］也利用137Cs失踪技术研究了欧美国家10个小流域的土壤侵蚀与碳素运动，结果表明，农业活动引起的土壤侵蚀过程既不是重要的碳源，也不是重要的碳汇，它每年所影响的碳素只有6 000万～2亿7 000万t。

2 全球气候变化对土壤侵蚀的影响

土壤侵蚀与气候变化的影响是相互的。相对于土壤侵蚀影响下土壤碳素的迁移转化而言，目前关于全球气候变化对土壤侵蚀影响的研究还相对片面和薄弱，主要集中在气候变化形势驱动下土壤侵蚀演变特性及其恢复技术等方面。

2.1 升温的影响

目前气候变化背景下土壤侵蚀的响应研究主要体现为全球气温升高对土壤侵蚀的推动作用。由于近地表温度的升高，近地表的风速也得到加快，从而降低了近地表的大气湿度，导致了地表径流和潜在蒸散的增加，导致土壤侵蚀严重化。

F.A.Eybergen等［25］在1989年就研究了对于气候状况敏感的关键过程，认为侵蚀过程如水、碳酸钙和有机质的输入与输出受到了气候变化的影响。D.T.Favis-Mortlock等［26］研究表明，湿润的年份因气温升高和二氧化碳浓度等气候变化原因使得英国土壤侵蚀加重。有模型预测，如果全球温度上升2～3℃，则会引起土地覆被的变化，从而在一些地方引发严重的水土流失问题［27］。

2.2 水分变化的影响

20世纪，全球气候变化引起了降雨量和降雨特征的显著变化，这种变化在21世纪还将继续。这些变化对土壤侵蚀、径流产生以及水土保持规划等都具有显著的影响。

在小尺度上，全球变化对土壤侵蚀的影响主要是通过土壤颗粒、土壤团聚体等形态实现的，土壤团聚体受土壤含水量、有机质含量等的影响有可能随着气候变化而变化。如有研究表明，由于全球变暖所导致的有机质分解的增加有助于在半干旱区形成地表结皮，从而对该地区的土壤侵蚀产生影响［28］。

在较大尺度上，全球气候变化带来的水分分配及频率异常波动，使原始土壤景观异质性格局被破坏，高山林线下降，林线以上以水蚀为主逐渐过度到以水蚀和风蚀为主，土地退化，生态恢复愈加困难。气候变化会影响泥沙输移过程、水分入渗及地表径流，从而对水文过程产生影响，影响到土壤蒸发、土壤湿度和地下水的蓄存以及地表径流［29］。

D.T.Favis-Monlock 等［26］采用水蚀预报模型(WEPP)研究了大气中CO2含量对蒸发率、水平衡以及作物生物量的影响，并指出气候变化很可能导致侵蚀显著变化，但不同的地域由于温度和降雨变率的差异而对侵蚀的影响方向和影响程度不尽相同。F.F.Pruski等［30］则通过 WEPP模型模拟了未来降雨量和降雨特征改变下地表径流和土壤侵蚀量的变化情况，结果显示，每年降雨时间改变结合日降雨量或降雨强度的改变条件下，年降雨量改变10%或20%的情况最符合实际情况。

未来气候变化背景下，黄土高原的侵蚀量变化一直受到研究者的密切关注。景可等［31］研究指出，黄河中游的侵蚀环境具有分带性、旋回性和周期性等特点，并预测在全球气候变暖的情况下，21世纪中叶处于相对湿润期，综合考虑人类活动各种影响，黄河中游地区的侵蚀总量将趋于减少。

随着气候的变化，全球土壤侵蚀的强度和范围都在不断增加，这一过程也会对土壤碳循环产生重要的影响，从而反过来又作用于全球气候。目前，有关全球温暖化对土壤侵蚀的影响性研究大多数都是促进性的，但关于土壤侵蚀对全球气候变化的敏感性、脆弱性和适应性等方面的研究在国内外都相对薄弱。

3 水土保持植被恢复对碳循环与土壤碳素积累的影响

水土保持的出发点不是减缓全球气候变化，但是它的发展和过程却深刻地改变着地表覆被和结构、土地利用方式和陆地生态系统的经营措施等，从而对碳素或温室气体在不同库间的循环产生干扰，进而影响全球气候的变化。相对于植被生物量作为碳的临时库，土壤中累积形成的是一种更理想的稳定碳库［32］，水土保持植被恢复对土壤有机碳蓄积的影响比对植被生物量碳库的影响更受到关注［33］。

3.1 水土保持措施下土壤有机碳的变化

水土保持措施(工程措施、植物措施和耕作措施)及其合理有效配置能使退化土壤重新吸存有机碳，同时减少CO2向大气中的释放，成为缓和大气CO2浓度上升的有效手段之一。

淤地坝是我国黄土高原地区广泛分布的以防洪拦沙、淤地造田为主要目的的水土保持工程措施。李勇等［34］研究指出，淤地坝工程可能在增加陆地碳贮存方面起一定作用，1957—2000年碾庄沟流域淤地坝共储存有机碳17.3万t，流域碳储存强度提高了0.13～5.03 t/(hm2·a)，到 2002年底，黄土高原地区淤地坝工程共增加有机碳贮量1.2亿 t，占1994—1998年全国人工造林工程增加碳贮量的17.1%，是美国年沉积泥沙有机碳储量(4 000万t/a)的3倍。与之类似的是，有研究指出，人工水库中大量的沉积泥沙可能是一个重要的碳吸收汇［15］。

“坡改梯”是水土保持工程措施的一种重要类型。戴全厚等［35］的研究表明，坡耕地改造为梯田后，土壤碳库总有机碳与活性有机碳含量都随改造年限的增加而显著增加，碳库管理指数总体呈现逐渐增加的趋势;“坡改梯”后不仅能够减少土壤有机碳随坡面径流的损失，而且梯田上快速恢复的植被也有利于向土壤返还碳素。

在水土保持耕作措施中，免耕(或深翻等保护性耕作措施)也是一种重要的有利于土壤碳素积累的形式。C.W.Wood等［36］研究发现，与翻耕耕作相比，保护性耕作10年后土壤碳储量增加2.8 g/(kg·a)。逄蕾等［37］、张洁等［38］在黄土高原旱地以及李琳等［39］对北方土石山区的研究都表明，免耕可以增加土壤有机碳含量。分析原因，主要是因为地表保存残茬覆盖，可以降低雨滴溅蚀和土壤流失，从而减少碳素随坡面径流损失的机会;地表秸秆覆盖增加了有机质向土壤返还的机会，有利于土壤有机质的产生和积累;免耕等保护性耕作措施可以减少对土壤结构的破坏，抑制土壤呼吸。

3.2 植被恢复对土壤碳的影响

退化土壤和生态系统的恢复具有很大的碳吸存潜力，是增加碳吸存的一种重要策略［18］。R.Lal［40］认为，生态恢复能使侵蚀退化土壤吸收60% ～75%从土壤损失的碳，并认为全球范围内退化土壤的碳吸存潜力可达到3.0亿～8.0亿t/a。2009年，在澳大利亚召开的第19届国际恢复生态学大会也重点关注了地球逐渐降低的生物多样性和退化生态系统的问题，强调通过生态恢复来降低全球变化的不利影响，甚至改变全球变化。

3.2.1 对土壤有机碳含量的影响 在植被恢复过程中，不仅可以通过植物凋落物分解和根系分泌物直接向土壤输入有机碳，同时还可以通过促进土壤团聚体的形成来固存有机碳，因为有机碳对土壤黏粒的分散—絮凝和大团聚体的稳定性有显著影响［41-42］。

谢锦升等［43］、周国模等［44］和陆树华等［45］在我国南方红壤区的研究都表明，侵蚀型红壤植被恢复后，土壤理化性质得到了改善，有机碳总量与不同类型有机碳含量都有所增加。黄荣珍等［46］的研究也表明，人工生态修复显著增加了植被碳库和土壤碳库的碳储量，同时采用竹节沟措施的人工林也对土壤碳积累具有促进作用。

植被恢复不仅影响土壤有机碳含量，也影响到有机碳在土壤剖面中的分布和质量。植被恢复后，表层土壤中轻组有机碳的含量和比例升高［47］，植被恢复对土壤有机碳的影响同时存在着有较强的表聚效应，其中对0～20 cm土层影响最大，对40 cm以下土层影响较小［48］。

3.2.2 对土壤呼吸的影响 一般情况下，土壤呼吸是土壤有机碳输出的主要形式。植被恢复过程中，土壤呼吸速率一般会有所增加［49-52］。土壤有机碳是土壤呼吸的重要基质，植被变化调控土壤呼吸速率的主要机制是通过调控供给土壤微生物所需的有机物质实现的［53］。最近，在我国中亚热带山区进行的研究认为，区域尺度内植被恢复过程中植被生产力的增加是导致土壤呼吸速率升高的主导因素，突破了土壤呼吸“温度决定论”的传统观点［52］;其次，土壤有机碳库组成的差异也会影响有机碳与土壤呼吸的关系，因为轻组有机碳、可溶性有机碳等活性有机碳更容易被微生物利用［54］，而植被恢复一般会导致土壤活性有机碳含量增加［44，47］。另一方面，植被恢复也能通过改善土壤微生物群落的组成和结构、最强微生物活性来促进土壤呼吸作用，加强土壤碳素释放［43］。

3.2.3 对侵蚀劣地土壤碳素积累的影响 一般来说，土壤有机碳库的最终含量是进入土壤的植物残体量及其在土壤微生物作用下分解损失量二者之间平衡的结果;但是，对于存在水土流失的侵蚀型土壤来说，土壤碳素动态与土壤碳积累就必须考虑因坡面径流而损失的碳素，因此，在存在水土流失的情况下，植被恢复对土壤碳素积累的贡献会因土壤侵蚀而减弱，国际上相关研究也证明了这一点。如R.B.Jackson等［55］基于对全球2 700多个土壤剖面的分析，得出在较为湿润的地区，乔、灌木入侵引起的地上生物量增加有可能被土壤有机碳的流失所抵消的结论;黄荣珍等［46］在我国南方红壤区的研究表明，由于侵蚀严重，修复为马尾松(Pinus massoniana Lamb)林和湿地松(Pinus elliotii)林后，0～80 cm土层的有机碳储量分别为49和83 t/hm2，比处于相同纬度的地带性植物群落的土壤有机碳储量(95～124 t/hm2［56］)都低，也低于一些学者估算的我国森林土壤的平均碳储量(116 t/hm2［56］)以及世界土壤的平均碳储量(189 t/hm2［57］)。杨玉盛等［58］研究也表明，我国中亚热带山区退化土地进行植被恢复时，土壤碳吸存潜力比同纬度其他地区要低，这主要与本区的降水和地貌条件有关，即本区山多坡陡，自然生态环境具有潜在的脆弱性，随坡面径流损失的碳素占有较大比例;同理，当森林转变为其他土地利用方式后，由于土壤侵蚀造成碳素损失以及经营措施对表层土壤的扰动引起土壤有机质的加速分解，土壤有机碳(尤其是表层土壤有机碳)损失的幅度会更大。

4 研究展望

从以上的分析中可以看出，目前国外关于土壤侵蚀或水土保持过程与全球气候变化相互关系方面的研究取得了很大进展，国内部分学者也得到了一些有益的结论，但由于土壤侵蚀过程的复杂性以及影响气候变化因子的多样性，相关研究还存在诸多薄弱环节。综合起来，今后应该加强以下几个科学问题的研究。

1)加强土壤侵蚀过程中碳素变化模型研究。目前关于土壤侵蚀过程碳素变化方面的研究已经取得了丰硕的成果，但主要还是侧重于水分及泥沙运移带来的土壤碳素运移转化等过程方面的研究，而关于侵蚀影响下土壤碳素变化模型方面的研究工作还非常薄弱。建立土壤侵蚀影响下土壤碳素的时空分布变化模型，得到引起土壤碳素降低的最低侵蚀模数阈值，就可以解决由侵蚀造成的土壤团聚体解体过程中有机碳的矿化速率问题，为明确区域土壤侵蚀到底是碳源还是碳汇过程提供基本依据，也可以为流域侵蚀治理规划提供必要的科学依据，同时还可以为研究气候变化背景下土壤碳素变化的敏感性与适应性提供必要的支撑。

2)加强土壤侵蚀过程中氮素迁移转化特征研究。土壤侵蚀与气候变化的相互影响主要是通过碳素联系起来的，前面已经阐述了土壤侵蚀过程中土壤碳素的迁移转化问题，但实际上，土壤中氮素的周转与碳素是密不可分的，土壤侵蚀过程中氮素循环也会发生明显变化，并通过含氮温室气体(主要是N2O)与气候变化联系起来。径流是土壤氮素流失的载体，由于氮素在水体和土壤的富集，为反硝化作用提供了较为充足的能源以及相对理想的环境条件。目前国内外对土壤侵蚀带来的含氮温室气体释放问题的认识相对不足，加强相关科学问题的研究可以更全面地认识土壤侵蚀与全球气候变化的关系。

3)加强侵蚀劣地生态恢复过程中土壤碳素积累机制研究。在生态恢复过程中，随着植被覆盖的提高，向土壤输入的碳素增加，但同时也增大了土壤呼吸排放所释放的碳素。由于植被改善带来土壤中所含碳素增加，尽管水土流失程度得到改善，但是因侵蚀所损失的碳素有可能增加，也有可能不变或减少。因为在侵蚀严重的地区，不能认为水土流失量越大，有机碳等一些不是由母质决定含量的元素流失量就越大，土壤侵蚀严重的地区一般都缺少植被覆盖，而缺乏植被覆盖的情况下土壤中碳素的基础含量也较低。同理，侵蚀劣地植被恢复后，向土壤中输入的碳素增多了，就相应地增大了碳素因侵蚀损失的可能性。因此，在侵蚀退化土壤植被恢复过程中，具体几种关键过程(凋落物分解释放、细根分解返还、土壤呼吸与坡面侵蚀)对土壤有机碳含量的影响程度怎样还不得而知，而目前大多数研究还是把侵蚀这一重要因素剥离开来，使得对存在水土流失的情况下生态恢复过程中碳素动态及土壤碳库的吸存机制不能进行很好的解释，生态恢复对侵蚀型土壤有机碳储量的影响机制仍还有待进一步研究。

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

［2］Kirkby M J.From Plotto Continent:Reconciling Fine and Coarse Scale Erosion Models［C］∥Stott D E，Mohtar R H，Steinhardt G C.Sustainingthe Global Farm-Selected papers from the 10th International Soil Conservation Organization Meeting.West Lafayette，Indiana，America，2001:860-870

［3］Kuhn N J，Hoffmann T，Schwanghart W，et al.Agricultural soil erosion and global carbon cycle:controversy over?［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2009，34:1033-1038

［4］贾松伟，贺秀斌，陈云明，等.黄土丘陵区土壤侵蚀对土壤有机碳流失的影响研究［J］.水土保持研究，2004，11(4):88-90

［5］李光录，张胜利.黄土高原南部侵蚀对不同土壤颗粒级碳氮分布的影响［J］.西北农林科技大学学报:自然科学版，2008，35(8):146-150

［6］Lal R.Global soil erosion by water and carbon dynamics［C］∥Lal R，Kimble J M，Leevine E，et al.Soils and global change.Boca Raton，FL:Lewis Publishers，1995

［7］Lal R.Soil carbon sequestration in China through agricultural intensification，and restoration of degraded and desertified ecosystems ［J］.Land Degraded Development，2002，13:469-478

［8］冯宏，郭彦彪，韦翔华，等.赤红壤丘陵坡地不同侵蚀部位土壤养分和微生物特征变异性研究［J］.水土保持学报，2008，22(6):149-153

［9］方华军，杨学明，张晓平，等.坡耕地黑土活性有机碳空间分布及生物有效性［J］.水土保持学报，2006，20(2):59-63

［10］Mertens J，Vanderborght J，Kasteel R，et al.Vadose Zone processes and chemical transport-dissolved organic carbon fluxes under bare soil［J］.Journal of Environmental Quality，2007，36:597-606

［11］Waling D E，Webb B W.Erosion and sediment yield:global and regional perspectives［M］.Exeter:IAHS Publication，1996:3-19

［12］Schlesinger W H，Melack J M.Transport of organic carbon in the world rivers［J］.Tellus，1981，33(2):172-187

［13］Christensen T P，Jonasson S，Callaghan T V，et al.Onthe potential CO2release from tundra soils in a changing climate［J］.Applied Soil Ecology，1999，11:127-134

［14］方精云，刘国华，徐嵩龄.中国陆地生态系统的碳循环及其全球意义［C］∥王庚辰，温玉璞.温室气体浓度和排放监测及相关过程.北京:中国环境科学出版社，1996:129-139

［15］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

［16］Smith S V，Renwick W H，Buddemeier R E，et al.Budgets of soil erosion and deposition for sediments and sedimentary organic carbon across the conterminous United States ［J］.Global Biogeochemistry Cycles，2001，15:697-707

［17］Renwick W H，Smith S V，Sleezer R O，et al.Comments on managing soil carbon ［J］.Science，2004，305:1567

［18］Lal R.Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security［J］.Science，2004，34:1623-1627

［19］Meade R H，Yuzyk T R，Day T J.Movement and storage of sediment in rivers of the United States and Canada［C］∥Wolman M G，Riggs H C.Surface water hydrology，Geology of North America.Boulder，Colorado，Geological Society of America，1990:255-280

［20］Dymond J R.Soil erosion in New Zealand is a net sink of CO2［J］.Earth Surface Process and Landforms，2010，35(6):1763-1772

［21］Jacinthe P，Lal R.A mass balance approach to assess carbon dioxide evolution during erosional events［J］.Land Degradation Development，2001，12:329-339

［22］Yadav V，Malanson G P.Modeling impacts of erosion and deposition on soil organic carbon in the Big Creek Basin of southern Illinois［J］.Geomorphology，2009，106:304-314

［23］Van O K，Quine T A，Govers G，et al.The impact of agricultural soil erosion on the global carbon cycle［J］.Science，2007，318:626-629

［24］Ritchie J C，Rasmussen P E.Application of137Cesium to estimate erosion rates for understanding soil carbon loss on long-term experiments at Pendleton，Oregon ［J］.Land Degradation Development，2000，11:75-81

［25］Eybergen F A，Imeson A C.Geomorphologic processes and climate change［J］.Catena，1989，16:306-319

［26］Favis-Mortlock D T，Savabi M R.Shifts in rates and spatial distributions of soil erosion and deposition under climate change［C］∥Anderson，Brooks M G.Advances in hill slope processes.Chichester:Wiley，1996:529-560

［27］Kirkby M J.A model to estimate the impact of climatic change on hill slope and regolith form ［J］.Catena，1989，16:321-341

［28］Pieri C.Fertile des terres de savanes.Bilan trente ans de recherche et de development agricoles au sud du sahara［J］.Ministre de la cooperation/CIRAD，Paris，France，1989:444

［29］Lavee H，Imeson A C，Pariente S，et al.The response of soilsto simulated rainfall along a chimatological gradient in an arid and semi-arid region［J］.Catena，1991，19:19-37

［30］Pruski F F，Nearing M A.Runoff and soil-loss responses to changes in precipitation:A computer simulation study［J］.Journal of Soil and Water Conservation January，2002，57(1):7-16

［31］景可，梁季阳，卢金发，等.黄河中游侵蚀环境特征和变化趋势［M］.郑州:黄河水利出版社，1996

［32］Larionova A A，rozanova L N，yevdokimov L V，et al.Land-use change and management effects on carbon sequestration in soils of Russia's South Taiga zone［J］.Tellus，2003，55B:331-337

［33］Cerli C，Celi L，Kaiser K，et al.Changes in humic substances along an age sequence of Norway spruce stands planted on former agricultural land ［J］.Organic Geochemistry，2008，39:1269-1280

［34］李勇，白玲玉.黄土高原淤地坝对陆地碳贮存的贡献［J］.水土保持学报，2003，17(2):1-5

［35］戴全厚，刘国彬，薛萐，等.侵蚀环境坡耕地改造对土壤活性有机碳与碳库管理指数的影响［J］.水土保持通报，2008，28(4):17-21

［36］Wood C W，Edwards J H.Agro-ecosystem management effects on soil carbon and nitrogen［J］.Agricultural Ecosystem and Environment，1992，39:123-138

［37］逄蕾，黄高宝.不同耕作措施对旱地土壤有机碳转化的影响［J］.水土保持学报，2006，20(3):110-113

［38］张洁，姚宇卿，金轲，等.保护性耕作对坡耕地土壤微生物量碳、氮的影响［J］.水土保持学报，2007，21(4):126-129

［39］李琳，李素娟，张海林，等.保护性耕作下土壤碳库管理指数的研究［J］.水土保持学报，2006，20(3):106-109

［40］Lal R.Soil management and restoration for C sequestration to mitigate the accelerated greenhouse effect［J］.Progress in Environmental Science，1999，1(4):307-326

［41］Albrecht A，Kandji S T.Carbon sequestration in tropical agro-forestry systems［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2003，99:15-27

［42］彭新华，张斌，赵其国.红壤侵蚀裸地植被恢复及有机碳含量对土壤团聚体稳定性的影响［J］.生态学报，2003，23(10):2176-2182

［43］谢锦升，杨玉盛，陈光水，等.严重侵蚀红壤封禁管理后土壤性质的变化［J］.福建林学院学报，2002，22(3):236-239

［44］周国模，姜培坤.不同植被恢复对侵蚀型红壤活性碳库的影响［J］.水土保持学报，2004，18(6):68-70

［45］陆树华，李先琨，吕仕洪，等.桂林红壤侵蚀区植被恢复过程的土壤理化性质变化［J］.广西科学，2006，13(1):52-57

［46］黄荣珍，樊后保，李凤，等.人工修复措施对严重退化红壤固碳效益的影响［J］.水土保持通报，2010，30(2):60-64

［47］谢锦升，杨玉盛，解明曙，等.植被恢复对退化红壤轻组有机质的影响［J］.土壤学报，2008，45(1):170-175

［48］许明祥，刘国彬.黄土丘陵区刺槐人工林土壤养分特征及演变［J］.植物营养与肥料学报，2004，10(1):40-46

［49］Thuille A，Buehmann N，Sehulze E.Carbon stocks and soil respi ration rates during deforestation grassland use and subsequent Norways Pruce afforestation in the Southern AIPs，Italy ［J］.Tree Physiology，2000，20:849-857

［50］Raieh J W，Tufekeioglu A.Vegetation and soil respirations:Correlations and controls ［J］.Biogeochemistry，2000，48:71-90

［51］谢锦升，杨智杰，曾宏达，等.侵蚀红壤植被恢复过程中土壤呼吸与土壤性质的关系［J］.福建林学院学报，2009，29(4):320-325

［52］Sheng H，Yang Y，Yang Z，et al.The dynamic response of soil respiration to land-use changes in subtropical China［J］.Global Change Biology，2010，16(3):1107-1121

［53］Rodeghiero M，Cescatti A.Main determinants of forest soil respiration along an elevation temperature gradient in the Italian Alps［J］.Global Change Biology，2005，11:1024-1041

［54］Six J，Conant R T，Paul E A，et al.Stabilization mechanisms of soil organic matter:Implications for C-saturation of soils［J］.Plant and Soil，2002，241:155-176

［55］Jackson R B，Jay L B，Esteban G J，et al.Ecosystem carbon loss with woody plant invasion of grasslands［J］.Nature，2002，418:623-626

［56］周玉荣，于振良，赵士洞.我国主要森林生态系统碳贮量和碳平衡［J］.植物生态学报，2000，24(5):518-522

［57］Dixon R K，Brown S，Houghton R A，et al.Carbon pools and flux of global forest ecosystems［J］.Science，1994，263:185-190

［58］杨玉盛，谢锦升，盛浩，等.中亚热带山区土地利用变化对土壤有机碳储量和质量的影响［J］.地理学报，2007，62(11):1123-1131

Coupling relationships of soil erosion/soil and water conservation and climate change

Xiao Shengsheng1，Zheng Haijin1，Yang Jie1，Dong Yunshe2，Chen Xiao'an1，Song Yuejun1

(1.Jiangxi Provincial Research Institute for Soil and Water Conservation，330029，Nanchang;2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，100101，Beijing:China)

The impact of soil erosion on carbon cycle，the global climate change on soil erosion and the vegetation restoration on soil carbon accumulation were reviewed.The results showed that soil carbon loss is enormous due to soil erosion，however，whether the soil erosion will be carbon source or carbon sink is still in argument.The discussion focused on the carbon mineralization rate of soil organic carbon exposed to the air because of the breakdown of soil aggregates by soil erosion.However the intensity and area of soil erosion are increasing as the rise of global temperature and the change of rainfall patterns，the response of soil erosion to global climate change needs further study.By changing the underlying surface characteristics，soil and water conservation could change the soil organic carbon content and the soil CO2emission，and promote soil carbon accumulation，and thus to change the carbon cycle in some extent and inhibit the atmospheric CO2concentration.The main research directions in this field in the future were also suggested，such as the carbon cycle modeling in soil erosion processes，the nitrogen transport and transformation process in soil erosion and the soil carbon accumulation mechanism in the process of ecological restoration of erosion badlands.

soil erosion;soil and water conservation;climate change;carbon cycle;coupling relationship

2011-07-06

2011-10-30

项目名称:水利部公益性行业专项“红壤侵蚀区坡面水土综合整治技术集成与示范”(200901049)

肖胜生(1981—)，男，博士，工程师。主要研究方向:水土保持生态恢复以及水土保持与气候变化的耦合关系。E-mail:xss19811213@163.com

†责任作者简介:杨洁(1960—)，女，博士，教授级高级工程师。主要研究方向:水土保持。E-mail:zljyj@126.com

(责任编辑:宋如华)