水力侵蚀作用下土壤有机碳动态研究进展

黄金权,程冬兵,王志刚,刘纪根,张冠华,孙 蓓,张平仓

(长江科学院 a.水土保持研究所；b. 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

水力侵蚀作用下土壤有机碳动态研究进展

黄金权a,b,程冬兵a,b,王志刚a,b,刘纪根a,b,张冠华a,b,孙 蓓a,b,张平仓a,b

(长江科学院 a.水土保持研究所；b. 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

水蚀作用下土壤有机碳动态对于准确评估土壤侵蚀的碳“源/汇”角色具有重要意义。论述了侵蚀作用对全球碳循环格局产生的影响，阐明了水蚀作用下土壤有机碳动态机制研究的重要意义，并从水蚀作用下土壤碳循环格局以及有机碳库动态过程机制等方面介绍了国内外最新研究进展，进而深入分析了当前研究存在的系列问题及今后的发展趋势。分析认为，以微生物为切入点进行侵蚀作用下的碳矿化研究将有助于从机理层面解决侵蚀在土壤碳循环中的不确定性问题。此外，运用模型模拟的方法全面考察水力侵蚀作用下土壤有机碳库动态机制，将是今后侵蚀作用下土壤碳循环研究中亟待开展的工作。

水力侵蚀；土壤有机碳；碳循环；动态机制；全球气候变化

1 研究背景

全球气候变化作为影响人类生存与可持续发展的重大环境问题之一，已经得到了全世界范围内的密切关注[1]。随着社会化大生产的发展，人类活动向环境排放的温室气体已经导致全球气候的显著变化，全球气候变暖作为其最为直接的后果之一，已经严重威胁到人类生存与整个地球生态系统的平衡及可持续发展。全球碳循环的格局与全球气候变暖有着直接的关系，尤其是工业革命以来，人类燃烧了大量的化石燃料，加上日益频繁的生产活动导致森林大面积砍伐与破坏、土壤大面积侵蚀与退化等原因[2]，造成大气CO2浓度持续攀升，从而成为全球气候变暖的主要诱因。在全球碳循环的系统格局中，土壤碳库由于其巨大的储量以及容易受到地表过程及人为扰动的影响而成为全球碳循环研究和关注的重要课题[3]。

土壤侵蚀是陆地生态系统中重要的自然地质现象与普遍存在的土壤退化形式[4]，作为土壤碳库动态的重要驱动因素，其对土壤碳库的封存与流失有着显著的作用与影响[5]。早在20世纪70年代，相关学者[6]在进行全球碳收支平衡估算研究时发现，全球碳循环的“源与汇”体系中存在严重的CO2“失汇”问题，即在定量测算不同途径的碳通量后发现人类活动的影响导致生物圈释放到大气中的一部分CO2去向不明[7]。从此，全球碳循环体系中“丢失的那部分碳”的去向问题成为碳循环研究领域关注的重大科学问题。1998年，著名泥沙学家Stallard[8]通过将陆地碳循环机制与泥沙运移过程耦合起来研究指出：土壤侵蚀乃是全球碳循环体系中一个潜在的净“碳汇”，其在长期存在的“碳失汇”之谜中扮演不可忽视的重要角色。该项研究成果最终将全球碳循环研究的视角引入到土壤侵蚀对碳循环的作用机制上来，从此土壤侵蚀对全球碳循环的影响开始受到广泛关注。

然而，长期以来的相关研究并没有最终有效地诠释土壤侵蚀对全球碳循环的系统作用机制问题。相反，当前在土壤侵蚀与碳循环研究领域仍然存在着广泛的争议，即土壤侵蚀究竟是作为一个“碳源”还是“碳汇”，其角色定性问题仍然缺乏统一的认识及系统的理论解释[9-10]。这一问题严重阻碍了全球碳循环研究的进程以及全球碳收支的精准估算，从而不利于人们采取有效措施应对全球气候变暖这一日益严峻的环境问题。

2 侵蚀作用下土壤碳循环研究现状

2.1 侵蚀影响下土壤碳循环格局与定量评估研究

土壤侵蚀对碳循环格局的影响集中体现在2个方面：一是对土壤与大气间碳通量产生影响；二是在生态系统内部改变土壤有机碳的分布格局。侵蚀影响下，尽管一部分因侵蚀流失的有机碳会被埋藏或再分布，但是剩下的部分将会被矿化成CO2或厌氧发酵成甲烷而进入大气。据估算[11]，每年有近0.8～1.2 Gt因侵蚀而流失的有机碳被转化成气体物质释放进入大气，而随泥沙沉积过程被埋藏的量仅有0.4～0.6 Gt，二者相差近一倍。Polyakov 等[12]通过小区模拟降雨实验研究发现，土壤侵蚀导致近44%的土壤有机碳伴随径流和泥沙而流失，而在侵蚀发生后的100 d内有近15%的土壤有机碳被矿化而释放进入大气。关于土壤侵蚀与土壤CO2释放通量之间的关系，Anderson[13]认为土壤侵蚀可能会通过改变土壤理化性质及碳源输入来改变土壤呼吸格局，进而彻底改变土壤与大气之间的碳通量格局。沉积区由于接纳从侵蚀区流失的有机碳而使得碳库储量较侵蚀区更加丰富，尽管2个区域的碳库由于侵蚀的影响均处于不断的更新之中[14]。事实上，考察土壤水力侵蚀对土壤有机碳再分布的影响必须综合考虑水平迁移、垂向淋滤、过程矿化以及沉积封存等多个过程。

截至目前，土壤侵蚀究竟是作为碳源还是碳汇，科学上仍然不能给出一个确定的结论。多数沉积生态学家认为土壤侵蚀作为碳汇对碳的封存具有直接贡献[8, 15-16]，而土壤学家们则持相反的观点[5, 11]，这种争议与不确定性一直持续至今[10, 17]。Lal[18]研究认为，侵蚀发生过程中由于团聚体破坏释放的土壤有机碳的矿化将造成大气CO2含量的额外增加，同时侵蚀导致土壤质量的下降从而影响生物量的生产与积累。从这一系列层面上讲，土壤侵蚀对陆地生态系统碳封存的影响总体说来是消极的[19]。Jacinthe等[2]通过模拟降雨研究，首次给出了由于侵蚀的作用从土壤中释放出的土壤有机碳相当一部分被矿化的定量证据，因此成为大气CO2的重要来源。然而，针对这一问题，存在相反的观点。有学者研究认为[8, 20]，由于大部分因侵蚀作用而迁移的土壤有机碳在低洼地带停留，这一地带由于缺氧而使得生物分解作用受到限制，因而最终导致碳的封存。此外，由于侵蚀的发生及其随后的沉积作用，造成生态系统在侵蚀点上碳循环动态的不平衡，进而促进生物圈对碳的封存，最终获得生态系统对大气CO2的净碳汇作用[20- 21]。深入总结以往研究发现，侵蚀在碳循环中扮演的角色问题之所以存在长期的争议，主观上在于多数研究在进行相关工作时大多只孤立地关注这一过程中的某一环节，研究缺乏系统性，而客观上在于定量评估由复杂交互过程控制的净碳通量本身存在相当难度。

2.2 侵蚀作用下土壤碳循环动态过程机制研究

土壤侵蚀是造成土壤中有机碳迁移、流失的主要原因，也是陆地碳循环的重要动力过程之一[22]。土壤水力侵蚀作为一个动态的物理过程，其对于土壤有机碳库最直接的作用机制即是驱动其发生迁移与富集，从而改变其在生态系统中的分布格局。然而，土壤水力侵蚀对于土壤有机碳库的间接作用机制被认为是促进土壤与大气进行碳交换的重要驱动。如图1所示，根据侵蚀影响下土壤有机碳动态过程分析，水力侵蚀对土壤有机碳库的作用机制主要包括物理机制及生物机制2个方面[4]。

图1 水力侵蚀作用下土壤有机碳动态作用过程Fig.1 Dynamics of organic carbon in soil affected by water erosion

2.2.1 物理机制研究

土壤水力侵蚀对有机碳库作用的物理机制是指土壤有机碳在侵蚀力、泥沙裹挟以及径流携带等作用下发生物理位移的过程。研究发现[23]，泥沙及径流的迁移与土壤有机碳的物理运移在机制上存在耦合特性。土壤水力侵蚀影响下有机碳发生物理位移的通道主要包括侧向通道与垂向通道，即侧向上跟随泥沙及径流在地表发生迁移再分布，垂向上以溶解态或游离态的形式随下渗径流淋溶到深层土壤。从存在形态上考察，土壤中的有机碳通常以粗颗粒有机质、细颗粒状有机质以及土壤矿物质的结合态存在[24]，而且粗颗粒有机质由于大多聚集在土壤表层相对来说容易被径流带走[25]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其形成于土壤颗粒的聚集、絮凝和胶结作用，在这一系列团聚体形成机制中，丰富的土壤有机碳被土壤团聚体包裹或黏结在其表面而受到保护[26]，因此水力侵蚀对土壤有机碳的物理作用通常是从破坏土壤团聚体开始的。

土壤侵蚀的整个阶段包含着土壤团聚体的迁移、破碎以及重新形成过程，包裹在团聚体内部的有机碳因此而受到很大影响。土壤水力侵蚀发生之前通常伴随一个必须的土壤润湿过程，这一过程被证明能够加速土壤团聚体破裂，在造成土壤流失的同时对土壤有机碳的流失形成激发机制[27]。研究指出[28]，土壤团聚体的强度及稳定性与其自身涨缩过程、内部生物活性、内含有机物质析出、干燥/润湿压力以及整个土壤剖面的结构特征有关。当径流形成后，有机碳的动态表现为随径流和泥沙而迁移，除一部分水溶性有机碳与径流关系密切外，大部分流失有机碳的迁移特征与泥沙动态有关[29]。水力侵蚀对土壤颗粒的搬运具有选择性特征，径流将优先运移细颗粒土壤，因此侵蚀泥沙中细颗粒含量将占据相当份额[8,30]。然而，研究发现[31-33]土壤细颗粒(包括微团聚体和黏粒等)中土壤有机碳含量明显增加，因此可以判断细颗粒土壤是土壤有机碳因水力侵蚀而发生流失的主要载体，从而导致在侵蚀末段的沉积泥沙中土壤有机碳呈现明显的富集特征[23,34]。

因侵蚀而流失的碳，一部分在低洼地带由于重力作用而沉积，进而被后来的沉积泥沙埋藏封存或在后续的侵蚀过程中被带走而进入新一轮的物理迁移，另外一部分则随径流和泥沙而迁移到更远的环境，有的甚至最终进入海洋。侵蚀过程中沉积的发生，不仅与径流的携带能力以及泥沙颗粒大小有关，而且还与地形、地貌、土地利用方式以及途经局地土壤性质等因素有关。侵蚀过程中土壤有机碳的垂向物理迁移又叫有机碳的淋溶过程，是水力侵蚀影响下土壤有机碳又一重要动态机制。土壤有机碳的垂向迁移伴随水力侵蚀发生的整个过程，除了与土壤有机碳本身的溶解性及颗粒大小有关外，还与降雨强度、径流水深以及土壤理化性质(包括孔隙度、含水率以及离子含量等)等因素有关[35]。从碳库封存的角度考察，土壤水力侵蚀造成的有机碳垂向迁移在碳循环过程起到促进碳汇形成的积极作用。张雪等[23]通过小区人工模拟降雨实验研究发现，水力侵蚀过程土壤有机碳发生了明显的垂向迁移，从而显著改变了土壤剖面有机碳分布格局，且降雨强度越大，土壤有机碳垂向迁移越显著。

2.2.2 生物机制研究

土壤水力侵蚀对于有机碳动态的生物机制从某种程度上讲属于土壤水力侵蚀的次生或间接作用机制，即水力侵蚀通过改变土壤或生态环境来改变植物、土壤动物以及微生物的生长、分布格局或活动特征，进而对土壤碳库的输入、周转以及流失造成影响。水力侵蚀对植物的影响主要作用于土壤有机碳库的净输入机制。植物通过光合作用将无机碳变成有机碳，进而其残体或凋落物进入土壤圈，成为土壤有机碳库的初始来源，且植物残体与凋落物在土壤表层富集，有利于土壤结构和肥力条件的改善，进而又反过来促进植物的生长，由此形成一种良性的循环作用机制[28]。然而，土壤水力侵蚀的发生通常会造成这种良性机制的改变，由此影响土壤有机碳的输入与补给。水力侵蚀首先会冲刷覆盖在地表的植物残体，进而破坏土壤结构，改变土壤水热条件，降低土壤肥力，从而严重影响植被的正常生长，导致土地生产力下降，土壤碳库的动态输入随之受阻[36-37]。

土壤水力侵蚀影响有机碳的微生物学机制主要体现为2个方面，一方面通过土壤水力侵蚀改变微生物群落分布与活动特征来影响土壤呼吸和微生物矿化特征，进而影响土壤向大气释放CO2的通量；另一方面通过改变微生物活动以及酶的活性来影响微生物在团聚体形成及土壤结构改良上的作用，进而作用于有机碳的周转封存。研究证实[38]，由于土壤团聚体优良的结构，大量微生物及丰富有机质均被包裹在土壤团聚体中，形成相对稳定的土壤结构体。土壤水力侵蚀对团聚体的破坏，不仅释放出大量处于休眠状态的微生物，而且释放出大量原本被保护起来的土壤有机碳，导致这部分有机碳被暴露给微生物利用，从而加速土壤有机碳被矿化成CO2而释放进入大气[39]。

研究表明，在水力侵蚀引起的迁移与富集过程中，土壤有机碳库中的轻质活性组分容易被微生物利用分解[40]。据Jacinthe等[41]估算，有近20%～30%的土壤有机碳在侵蚀过程中被微生物矿化释放进入大气中。侵蚀发生后，由于水力侵蚀导致侵蚀区土壤质地、温度、湿度以及通气性的改变，进而改变该区域微生物利用碳源的效率，侵蚀区原位有机碳矿化特征也发生了实质改变；而在沉积区或沼泽地带，通常因具有过量的水分及高度富集的有机碳含量，容易形成厌氧发酵环境，从而有利于产甲烷菌的生长活动，相当量的土壤有机碳因此被转化成甲烷而释放进入大气[11]。土壤团聚体的形成缺少不了植物根系及微生物的作用，经过水力侵蚀影响的土壤，微生物正常的生存环境被破坏，无论是在群落多样性还是在个体数量上都发生波动，从而导致其对土壤团聚作用的贡献减弱，严重阻碍土壤对于有机碳的封存。

3 当前研究存在的问题

土壤侵蚀在全球碳循环系统中究竟是扮演“碳源”的角色还是“碳汇”的角色，这一长期存在争议的科学问题反映的即是土壤子系统碳库动态的不确定性问题。著名土壤学家Van Oost等[42]认为这一争议存在的根本原因之一是在于过往研究在探索这一复杂过程时缺乏系统性。通过总结以往研究发现，争议的存在还与研究缺乏全面性以及研究方法具有不确定性等因素有关。

3.1 基于“黑箱”理论的碳收支估算存在不确定性

综合分析以往有关碳收支定量评估的研究发现，不论在何种尺度(包括全球尺度、区域尺度、小流域尺度及小区尺度等)上，多数研究采用的均是基于“黑箱”理论的估算方法。全球碳循环的任何一个子系统都是一个开放的自然系统，且无时无刻不处于一个动态更新与演替的状态之中，输入和输出的途径极其复杂。通常研究在某一尺度上进行侵蚀影响下的碳库收支评估时往往只关注侧向输入与输出，垂向上的深层淋溶以及矿化释放却因为目前难以定量而被忽略。从这个意义上考察，以往研究基于“黑箱”理论的碳收支估算方法本身存在纰漏和不确定性，这正是导致评估结果“碳源”与“碳汇”不能平衡的重要原因之一。理论上讲，全球碳库收支估算必须在充分考虑各个过程的情况下，借助强大的系统模型平台，既融入定量估算模型又融入过程机理模型，将涉及碳循环的各环境要素充分考虑进去，才能最终精准、有效地评估各个尺度上的碳库收支及其在环境作用下的动态变化。

3.2 侵蚀-碳矿化过程机制及其定量化有待研究

侵蚀在土壤碳循环中扮演角色的不确定性原因之一是侵蚀作用下的碳矿化流失机制尚没有被完全地认识，从而导致侵蚀作用下的碳矿化流失量无法全面而精准的估算。这其中主要包括几个方面，一是侵蚀发生过程有多少碳因矿化流失；二是侵蚀发生后原位土壤碳矿化表现出何种机制；三是因侵蚀而迁移的有机碳在坡面停留和在沉积区富集后的矿化或甲烷化程度有多大。这些过程都是土壤碳库输出的重要通道，尤其在通过定量评估侵蚀影响下土壤碳库收支而确定其在碳循环中扮演角色时是不可忽略的过程。然而，由于这一系列过程的动态性及复杂性，长期的探索未能找到一种很好的办法来对其进行定量的评估。综合考察发现，若要准确把握这一过程单靠研究有机碳库本身动态将会导致片面、不可靠的结果，只有将其与作为有机碳矿化推动者的微生物动态联系起来，才有可能客观地解释侵蚀作用下各个碳矿化过程的机理，为最终开发相关模型进行准确的定量评估奠定理论基础。

3.3 土壤有机碳矿化主导者对侵蚀的响应机制尚不明确

作为土壤碳循环尤其是土壤有机碳矿化流失的主要参与者，微生物对土壤侵蚀这一普遍存在的自然扰动过程的响应机制目前尚不明确。土壤侵蚀作为一个动态搬运的过程，不仅能够促进土壤微生物的释放和迁移，使得微生物数量和种类在土壤圈动态分配，而且能够通过改变土壤质地、水热状况甚至碳氮源利用通道等微生物生存条件来作用于微生物在土壤圈中的分布格局。以往仅有少量研究关注在长期侵蚀作用形成的典型侵蚀区与沉积区内微生物区系、种类以及生物量上的演替及差异性特征，而对于次降雨侵蚀过程中及降雨侵蚀发生后短期内的微生物动态响应机制却很少关注。事实上，自然界降雨侵蚀的发生通常是间断性的，因此次降雨侵蚀带来的微生物动态响应对土壤物质循环具有更为现实的影响。土壤微生物对土壤侵蚀的响应机制是研究土壤侵蚀作用下碳矿化规律的基础，但目前这一系列机制尚不明确，有待全面深入探索。

4 结 语

综上所述，土壤水力侵蚀对碳循环格局的影响研究在整体框架上已获得了实质性进展，尤其在水力侵蚀作用下土壤有机碳的侧向物理运移机制方面已经获得了较为深入全面的认识。然而，从整个全球碳库收支的定量评估考察，土壤侵蚀究竟是碳源还是碳汇，目前科学上仍然不能给出一个确定的结论。水力侵蚀对土壤碳库周转与矿化的影响主要包括前期干燥/润湿激发、过程破碎激发以及选择性迁移与富集引起的后期诱导3个主要过程，微生物在其中扮演着主导与协调的重要角色。因此，以微生物为切入点进行侵蚀作用下的碳矿化研究将有助于从机理层面解决侵蚀在土壤碳循环中的不确定性问题。此外，综合考虑垂向淋溶、侧向运移、沉积封存以及矿化流失等过程机制，运用模型模拟的方法全面考察水力侵蚀作用下土壤有机碳库动态机制，将是今后侵蚀作用下土壤碳循环研究的重要工作和主要趋势。

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(编辑：占学军)

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

国家自然科学基金项目(41501298)；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2016012/TB)

黄金权(1983-)，男，河南信阳人，工程师，博士，主要研究方向为土壤侵蚀及其环境效应，(电话)15102785049(电子信箱)jinquan_cky@163.com。

10.11988/ckyyb.20160337

2016,33(12):27-32

Q142.3

A

1001-5485(2016)12-0027-06