肖勝生，鄭海金，楊潔?，董云社，陳曉安，宋月軍

(1.江西省水土保持科學(xué)研究所，330029，南昌;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，100101，北京)

土壤侵蝕/水土保持與氣候變化的耦合關(guān)系

肖勝生1，鄭海金1，楊潔1?，董云社2，陳曉安1，宋月軍1

(1.江西省水土保持科學(xué)研究所，330029，南昌;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，100101，北京)

通過綜述土壤侵蝕對碳循環(huán)的影響、全球氣候變化對土壤侵蝕的影響以及水土保持植被恢復(fù)對碳循環(huán)與土壤碳素積累的影響，研究土壤侵蝕/水土保持與氣候變化的耦合關(guān)系。結(jié)果表明:因侵蝕造成的土壤碳素?fù)p失是巨大的，但土壤侵蝕是碳源還是碳匯過程依然存在爭議，焦點(diǎn)集中于因侵蝕造成土壤團(tuán)聚體解體，暴露在空氣中的土壤有機(jī)碳的礦化速率的大小;隨著全球氣溫升高以及降雨格局的變化，全球土壤侵蝕強(qiáng)度和范圍都在不斷增加，但土壤侵蝕對全球氣候變化的響應(yīng)程度依然值得深入研究;水土保持生態(tài)恢復(fù)主要通過改變下墊面性質(zhì)來改變土壤有機(jī)碳含量、影響土壤CO2釋放并促進(jìn)土壤碳素積累，對抑制大氣CO2濃度升高能產(chǎn)生積極影響。盡管土壤侵蝕/水土保持與氣候變化的耦合關(guān)系方面的研究已取得重大進(jìn)展，但仍有待于在土壤侵蝕過程中碳素變化模型、土壤侵蝕過程中氮素遷移轉(zhuǎn)化特征以及侵蝕劣地生態(tài)恢復(fù)過程中土壤碳素積累機(jī)制等方面加強(qiáng)研究。

土壤侵蝕;水土保持;氣候變化;碳循環(huán);耦合關(guān)系

土壤侵蝕是全球性的主要環(huán)境問題之一。全球范圍內(nèi)遭受水蝕和風(fēng)蝕的土地面積分別為10.94億和5.49億hm2，其中嚴(yán)重水蝕和風(fēng)蝕面積則分別達(dá)到7.51億和2.96億hm2［1］。土壤侵蝕不但導(dǎo)致土壤退化、土地生產(chǎn)力降低、影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全，而且還會造成面源污染等問題，影響生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

以全球變暖為主要特征的全球變化正改變著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，威脅著人類的生存與健康，受到世界各國政府和公眾的普遍關(guān)注，而全球變暖主要是由于全球碳循環(huán)改變和大氣CO2濃度升高引起的。在土壤侵蝕和泥沙搬運(yùn)過程中，土壤有機(jī)C、N的組分和含量發(fā)生較大變化，會影響到全球生源要素，尤其是C、N、S、P的循環(huán)，最終影響到全球氣候變化。適應(yīng)和預(yù)防全球變化帶來的各種影響，爭取環(huán)境外交主動權(quán)等，對土壤侵蝕與水土保持科學(xué)研究提出了新的要求。研究揭示區(qū)域性土壤侵蝕、水土保持與全球變化之間的關(guān)系，是土壤侵蝕與水土保持學(xué)科的重要前沿領(lǐng)域之一。

目前，國際社會對土壤侵蝕給予了高度的關(guān)注，如全球變化研究正在執(zhí)行的4大國際科學(xué)計劃:世界氣候研究計劃(WCRP)、國際地圈生物圈計劃(IGBP)、全球環(huán)境變化人文因素計劃(IHDP)和生物多樣性計劃(DIVERSITAS)，都把土壤侵蝕、水土保持及其環(huán)境效應(yīng)作為重要研究內(nèi)容［2］。2008年，在匈牙利布達(dá)佩斯召開的第15屆國際土壤保持大會也將“水土保持、氣候變化和環(huán)境敏感性”作為主要議題，會議尤其強(qiáng)調(diào)了全球氣候變化背景下和環(huán)境敏感地區(qū)的水土保持與管理。

筆者主要從3個方面綜述目前國際上土壤侵蝕、水土保持與全球氣候變化相互關(guān)系方面的研究結(jié)果，以期對相關(guān)領(lǐng)域的研究起到一定程度的推動作用。

1 土壤侵蝕對碳循環(huán)的影響

1.1 土壤侵蝕過程中有機(jī)碳的遷移

土壤侵蝕一般包括4個階段:土壤顆粒分散、土壤團(tuán)聚體被破壞、泥沙運(yùn)移和再分布以及泥沙沉積。在這4個階段中，土壤侵蝕主要是通過以下6個途徑來影響土壤有機(jī)碳動態(tài)的［1］:使土壤團(tuán)聚體崩解和破壞，土壤表層有機(jī)碳隨徑流(或沙塵)被遷移，加速土壤有機(jī)質(zhì)原地礦化(因?yàn)橥寥浪趾蜏囟榷及l(fā)生了改變)，在泥沙搬運(yùn)與再分布過程中土壤有機(jī)碳的礦化，在沉積區(qū)域和植物保護(hù)區(qū)有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體重新形成中發(fā)生團(tuán)聚化固碳，泥沙沉積區(qū)域如沖積平原、水庫和海底等對碳的沉積深埋作用。其中，前4個階段會導(dǎo)致有機(jī)碳損失，部分釋放到大氣中，后2個階段則有利于有機(jī)碳的積累。

研究表明，土壤侵蝕尤其是面蝕會優(yōu)先運(yùn)移有機(jī)碳，導(dǎo)致碳素在坡面泥沙中富集，其富集比最高能達(dá)到50%［3］。在黃土高原的研究結(jié)果表明，土壤流失所攜帶的大量黏粉粒是有機(jī)碳搬運(yùn)的主要載體，最高可以超過95%［4-5］;同時，侵蝕強(qiáng)度與泥沙中有機(jī)碳含量呈遞減的對數(shù)關(guān)系，而與土壤有機(jī)碳流失程度呈明顯線性關(guān)系［4］。

土壤侵蝕主要將土壤有機(jī)碳從一個景觀部位遷移到另一個景觀部位，在這個過程中，微生物會分解部分土壤有機(jī)碳。R.Lal［1，6］認(rèn)為，假如受土壤侵蝕影響而流失的有機(jī)碳中有20%被氧化，那么每年將有8億～12億 t的碳素受侵蝕誘導(dǎo)而進(jìn)入大氣，土壤侵蝕的加劇是造成退化土地土壤碳向大氣釋放的主要因素。R.Lal［7］在研究中發(fā)現(xiàn)，中國因侵蝕而損失的土壤每年約55億t，約1 600萬t的土壤有機(jī)碳隨之流失，并導(dǎo)致土壤每年向大氣排放約3 200萬～6 400萬t的碳。

不僅泥沙搬運(yùn)過程中碳素的礦化受到關(guān)注，部分學(xué)者對受侵蝕后原位土壤的土壤呼吸也進(jìn)行了研究。馮宏等［8］在華南赤紅壤丘陵坡地的研究表明，隨著土壤侵蝕程度的加劇和植被的破壞，土壤微生物總數(shù)逐漸減少，土壤基礎(chǔ)呼吸和土壤誘導(dǎo)呼吸都顯著下降。

另外，有研究表明，土壤活性有機(jī)碳更易受到侵蝕影響。方華軍等［9］在我國東北黑土區(qū)典型漫崗坡耕地的研究發(fā)現(xiàn):土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)在沿坡遷移的同時，向下淋溶也很顯著;土壤侵蝕顯著降低了侵蝕部位表層土壤易礦化碳(Min-C)、DOC和土壤微生物量碳(MBC)的含量，沉積區(qū) MBC和Min-C含量均較高;進(jìn)一步研究表明，盡管侵蝕物質(zhì)的輸入在一定程度上增加了沉積區(qū)表層土壤的微生物活性和土壤碳的礦化潛力，但上坡侵蝕下來的有機(jī)碳的歸宿取決于沉積區(qū)的環(huán)境條件，常年處于氧化環(huán)境中的侵蝕碳可能被礦化而難以累積。J.Mertens等［10］也指出，水分運(yùn)移狀況是決定DOC在土體中空間流動變異性的主要因子。水蝕過程中，表層土壤DOC易被水分?jǐn)y帶遷移，所以下滲和入溝(或進(jìn)入河流)的比例較大，而當(dāng)水分及所溶解的物質(zhì)(或處于流動狀態(tài)的水蝕產(chǎn)物)部分地蒸發(fā)時，或者下滲的速度和土壤再沉積、團(tuán)聚的速度比蒸發(fā)的速度慢時，其中的DOC就被氧化而釋放。同時，DOC的氧化受到地形地貌、水流速度等因素的綜合影響。一般來講，水分流速快、坡度較陡、沉積區(qū)土壤大粒徑級團(tuán)聚體較多(砂土較多)、裸露地段受陽光照射較少等情況下，水蝕后土壤DOC以CO2的形式向上轉(zhuǎn)移是較少的。

1.2 土壤侵蝕過程中碳素輸送總量的變化

有研究指出，世界河流每年遷移到海洋中的泥沙量在150億～200億t，若以10%的泥沙輸移比來計算，估計陸地土壤侵蝕速率在7～11 t/(hm2·a)［11］。在此基礎(chǔ)上，許多學(xué)者提供了陸地向河流輸運(yùn)的碳通量的數(shù)據(jù)。W.H.Schlesinger等［12］指出，若按泥沙中有機(jī)碳含量為2% ～3%來計算，全世界河流每年向海洋輸運(yùn)的總碳量約為3.7億t。T.P.Christensen等［13］也指出，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)每年有50億～70億t的土壤有機(jī)碳因水蝕作用而流失。R.Lal［1］則認(rèn)為全球每年有40億 ～60億 t的碳素進(jìn)入水體。

方精云等［14］根據(jù)碳輸運(yùn)的區(qū)段模型，計算出我國河流每年碳輸運(yùn)總量為1.10億t，占全球總量的22%，其中在中國境內(nèi)再分布的碳量為3 000萬t，向境外輸運(yùn)的碳量為1 100萬t，輸運(yùn)到海洋中的碳量為7 200萬t。盡管由于不同學(xué)者根據(jù)不同的方法得到的數(shù)據(jù)不盡相同，但都表明每年因土壤侵蝕所損失的碳素是巨大的，從而對溫室氣體排放以及全球氣候變化產(chǎn)生了較大的影響。

1.3 土壤侵蝕過程中碳源、碳匯功能的爭議

土壤侵蝕是加速還是減緩全球氣候溫暖化，不同的學(xué)者立足不同尺度，研究結(jié)果差異顯著，甚至得出了相反的結(jié)論。以W.H.Renwick等為代表的沉積學(xué)家認(rèn)為，自然界的土壤侵蝕過程有利于碳素吸存，并認(rèn)為在全球尺度上，這種碳匯功能達(dá)到了6億～15 億 t/a［15-17］;而以 R.Lal等為代表的土壤學(xué)家卻堅持相反的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，土壤侵蝕是一種碳源過程，并預(yù)計全球尺度上這種碳源作用將達(dá)到10億t/a［1］，同時還伴隨著甲烷和氧化亞氮的釋放［18］。

沉積學(xué)家的觀點(diǎn)主要基于2個方面的原因。第一，不同等級的土壤團(tuán)聚體有不同的團(tuán)聚機(jī)制，大團(tuán)聚體(＞0.25 mm)一般由植物根系和微生物菌絲連接起來，而微團(tuán)聚體(≤0.25 mm)一般由腐殖質(zhì)、結(jié)晶氧化物和無定形鋁硅酸鹽等粘結(jié)劑結(jié)合而成，相對來說，大團(tuán)聚體包裹的有機(jī)碳就更容易被礦化，從而以CO2等形式釋放到大氣中，而微團(tuán)聚體則很難轉(zhuǎn)移其中所存儲的碳。土壤侵蝕破壞了大團(tuán)聚體，使其剝蝕、沖刷而粒徑變小，從而使表層土壤大團(tuán)聚體減少，微團(tuán)聚體增加，使土壤表層的碳在低洼地帶沉積下來或積淀到海底，或者被微團(tuán)聚體包裹而難以釋放，在一定程度上起著碳匯的作用。沉積區(qū)在進(jìn)行重新分配和團(tuán)聚作用時又吸附或膠結(jié)其他庫中的碳素，而且對原來地區(qū)的土壤碳也具有一定的深埋效應(yīng)。第二，在土壤侵蝕過程中，土壤表層有機(jī)質(zhì)被首先移除，造成原位土壤有機(jī)碳庫的枯竭和土地退化，但在一定時間之后，由于侵蝕區(qū)植被的恢復(fù)，地上地下生物量固存大量的有機(jī)碳，進(jìn)而使得土壤碳庫也逐漸得到恢復(fù)，從整個生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)，這種侵蝕后土壤碳庫的重新恢復(fù)也是一種碳匯作用。

R.H.Meade等［19］指出，美國 90%的侵蝕沉積物被陸地捕獲并埋藏起來。在此基礎(chǔ)上，R.F.Stallard［15］假設(shè)沉積物中含碳率為1.5%，那么整個美國由于侵蝕沉積而形成的碳匯每年會達(dá)到4.5億t，因全球土壤沉積與埋藏而形成的碳匯每年將達(dá)到10億t，并指出這也許是對全球碳失匯(Carbon missing sink)問題一個合理的解釋。J.R.Dymond［20］通過模擬分析也發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕作用每年可為整個新西蘭島嶼增加320萬t的碳匯。

土壤學(xué)家的依據(jù)主要是土壤侵蝕會加速土壤有機(jī)碳的礦化速率(包括土壤原位礦化和異地礦化)，具體則體現(xiàn)在以下3個方面。第一，土壤被侵蝕會造成土壤質(zhì)量下降和土地生產(chǎn)力降低，從而降低水分和營養(yǎng)元素的可利用性，破壞土壤水分和營養(yǎng)平衡，加速有機(jī)碳的礦化。第二，侵蝕作用使得土壤顆粒分散，破壞了大團(tuán)聚體，使得包裹在其中的有機(jī)質(zhì)暴露給微生物，使得隨徑流而下的有機(jī)碳(尤其是輕組有機(jī)碳)更容易被礦化分解，如 P.Jacinthe等［21］估計的約有20% ～30%的土壤有機(jī)碳在侵蝕過程中被礦化而分解釋放到大氣中。第三，當(dāng)那些被埋藏在土壤20 cm以下的土壤有機(jī)質(zhì)被保護(hù)起來時，那些存在于耕作層的有機(jī)碳就更容易在氣候變化因素以及人為活動因素的影響下被礦化。

實(shí)際上，因侵蝕而產(chǎn)生的碳素既不會完全沉積下來，也不會在沉積之前完全被礦化，真正的情況是介于2種極端情況之間，在碳素運(yùn)輸和重新分布過程中，有一部分比例的土壤有機(jī)碳在沉積之前就已經(jīng)被氧化，只是在具體的情況中，這種比例的大小不同而已。S.V.Smith等［16］認(rèn)為，向上轉(zhuǎn)移的有機(jī)碳的量甚微(侵蝕后土壤有機(jī)碳總量被氧化或礦化而以CO2形式釋放到大氣)，幾乎可以忽略不計，而橫向遷移至海洋的有機(jī)碳占28.6%，異地沉積、再分配(或向下遷移)的有機(jī)碳量占 71.4%;R.Lal［6］認(rèn)為，向上轉(zhuǎn)移的有機(jī)碳量占侵蝕損失量的20.0%，流向海洋的有機(jī)碳量為10.0%，異地沉積的有機(jī)碳量占70.0%。研究結(jié)論的懸殊，很可能是研究角度的不同和土壤有機(jī)碳組分的地域性差異等原因造成的。V.Yadav等［22］采取模型的方法對美國伊利諾伊州南部大溪盆地不同土地利用方式下土壤侵蝕與沉積以及土壤有機(jī)碳的礦化速率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:在土壤侵蝕過程中，有11% ～31%的侵蝕土壤在盆地中沉積下來，具體的比例取決于土地類型，而剩下的侵蝕土壤被轉(zhuǎn)移至下游;同時，有10% ～50%的土壤有機(jī)碳在侵蝕過程中被氧化，具體的比例也取決于土地利用類型。因此，土壤侵蝕和沉積過程中有關(guān)土壤有機(jī)碳命運(yùn)的爭議主要集中于在土壤侵蝕產(chǎn)沙沉積過程中，由于土壤團(tuán)聚體的解體，使得其中的有機(jī)碳暴露，這部分暴露的有機(jī)碳的礦化速率到底有多大［22-23］。

J.C.Ritchie等［24］應(yīng)用137Cs失蹤技術(shù)估計了侵蝕速率并研究了美國俄勒岡州長期土壤碳失匯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著空間的變動，137Cs含量沒有發(fā)生顯著變化，從而不能證明該地區(qū)長期的土壤碳流失是由土壤侵蝕引起的。O.K.Van等［23］也利用137Cs失蹤技術(shù)研究了歐美國家10個小流域的土壤侵蝕與碳素運(yùn)動，結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)活動引起的土壤侵蝕過程既不是重要的碳源，也不是重要的碳匯，它每年所影響的碳素只有6 000萬～2億7 000萬t。

2 全球氣候變化對土壤侵蝕的影響

土壤侵蝕與氣候變化的影響是相互的。相對于土壤侵蝕影響下土壤碳素的遷移轉(zhuǎn)化而言，目前關(guān)于全球氣候變化對土壤侵蝕影響的研究還相對片面和薄弱，主要集中在氣候變化形勢驅(qū)動下土壤侵蝕演變特性及其恢復(fù)技術(shù)等方面。

2.1 升溫的影響

目前氣候變化背景下土壤侵蝕的響應(yīng)研究主要體現(xiàn)為全球氣溫升高對土壤侵蝕的推動作用。由于近地表溫度的升高，近地表的風(fēng)速也得到加快，從而降低了近地表的大氣濕度，導(dǎo)致了地表徑流和潛在蒸散的增加，導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重化。

F.A.Eybergen等［25］在1989年就研究了對于氣候狀況敏感的關(guān)鍵過程，認(rèn)為侵蝕過程如水、碳酸鈣和有機(jī)質(zhì)的輸入與輸出受到了氣候變化的影響。D.T.Favis-Mortlock等［26］研究表明，濕潤的年份因氣溫升高和二氧化碳濃度等氣候變化原因使得英國土壤侵蝕加重。有模型預(yù)測，如果全球溫度上升2～3℃，則會引起土地覆被的變化，從而在一些地方引發(fā)嚴(yán)重的水土流失問題［27］。

2.2 水分變化的影響

20世紀(jì)，全球氣候變化引起了降雨量和降雨特征的顯著變化，這種變化在21世紀(jì)還將繼續(xù)。這些變化對土壤侵蝕、徑流產(chǎn)生以及水土保持規(guī)劃等都具有顯著的影響。

在小尺度上，全球變化對土壤侵蝕的影響主要是通過土壤顆粒、土壤團(tuán)聚體等形態(tài)實(shí)現(xiàn)的，土壤團(tuán)聚體受土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量等的影響有可能隨著氣候變化而變化。如有研究表明，由于全球變暖所導(dǎo)致的有機(jī)質(zhì)分解的增加有助于在半干旱區(qū)形成地表結(jié)皮，從而對該地區(qū)的土壤侵蝕產(chǎn)生影響［28］。

在較大尺度上，全球氣候變化帶來的水分分配及頻率異常波動，使原始土壤景觀異質(zhì)性格局被破壞，高山林線下降，林線以上以水蝕為主逐漸過度到以水蝕和風(fēng)蝕為主，土地退化，生態(tài)恢復(fù)愈加困難。氣候變化會影響泥沙輸移過程、水分入滲及地表徑流，從而對水文過程產(chǎn)生影響，影響到土壤蒸發(fā)、土壤濕度和地下水的蓄存以及地表徑流［29］。

D.T.Favis-Monlock 等［26］采用水蝕預(yù)報模型(WEPP)研究了大氣中CO2含量對蒸發(fā)率、水平衡以及作物生物量的影響，并指出氣候變化很可能導(dǎo)致侵蝕顯著變化，但不同的地域由于溫度和降雨變率的差異而對侵蝕的影響方向和影響程度不盡相同。F.F.Pruski等［30］則通過 WEPP模型模擬了未來降雨量和降雨特征改變下地表徑流和土壤侵蝕量的變化情況，結(jié)果顯示，每年降雨時間改變結(jié)合日降雨量或降雨強(qiáng)度的改變條件下，年降雨量改變10%或20%的情況最符合實(shí)際情況。

未來氣候變化背景下，黃土高原的侵蝕量變化一直受到研究者的密切關(guān)注。景可等［31］研究指出，黃河中游的侵蝕環(huán)境具有分帶性、旋回性和周期性等特點(diǎn)，并預(yù)測在全球氣候變暖的情況下，21世紀(jì)中葉處于相對濕潤期，綜合考慮人類活動各種影響，黃河中游地區(qū)的侵蝕總量將趨于減少。

隨著氣候的變化，全球土壤侵蝕的強(qiáng)度和范圍都在不斷增加，這一過程也會對土壤碳循環(huán)產(chǎn)生重要的影響，從而反過來又作用于全球氣候。目前，有關(guān)全球溫暖化對土壤侵蝕的影響性研究大多數(shù)都是促進(jìn)性的，但關(guān)于土壤侵蝕對全球氣候變化的敏感性、脆弱性和適應(yīng)性等方面的研究在國內(nèi)外都相對薄弱。

3 水土保持植被恢復(fù)對碳循環(huán)與土壤碳素積累的影響

水土保持的出發(fā)點(diǎn)不是減緩全球氣候變化，但是它的發(fā)展和過程卻深刻地改變著地表覆被和結(jié)構(gòu)、土地利用方式和陸地生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營措施等，從而對碳素或溫室氣體在不同庫間的循環(huán)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響全球氣候的變化。相對于植被生物量作為碳的臨時庫，土壤中累積形成的是一種更理想的穩(wěn)定碳庫［32］，水土保持植被恢復(fù)對土壤有機(jī)碳蓄積的影響比對植被生物量碳庫的影響更受到關(guān)注［33］。

3.1 水土保持措施下土壤有機(jī)碳的變化

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機(jī)碳，同時減少CO2向大氣中的釋放，成為緩和大氣CO2濃度上升的有效手段之一。

淤地壩是我國黃土高原地區(qū)廣泛分布的以防洪攔沙、淤地造田為主要目的的水土保持工程措施。李勇等［34］研究指出，淤地壩工程可能在增加陸地碳貯存方面起一定作用，1957—2000年碾莊溝流域淤地壩共儲存有機(jī)碳17.3萬t，流域碳儲存強(qiáng)度提高了0.13～5.03 t/(hm2·a)，到 2002年底，黃土高原地區(qū)淤地壩工程共增加有機(jī)碳貯量1.2億 t，占1994—1998年全國人工造林工程增加碳貯量的17.1%，是美國年沉積泥沙有機(jī)碳儲量(4 000萬t/a)的3倍。與之類似的是，有研究指出，人工水庫中大量的沉積泥沙可能是一個重要的碳吸收匯［15］。

“坡改梯”是水土保持工程措施的一種重要類型。戴全厚等［35］的研究表明，坡耕地改造為梯田后，土壤碳庫總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳含量都隨改造年限的增加而顯著增加，碳庫管理指數(shù)總體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢;“坡改梯”后不僅能夠減少土壤有機(jī)碳隨坡面徑流的損失，而且梯田上快速恢復(fù)的植被也有利于向土壤返還碳素。

在水土保持耕作措施中，免耕(或深翻等保護(hù)性耕作措施)也是一種重要的有利于土壤碳素積累的形式。C.W.Wood等［36］研究發(fā)現(xiàn)，與翻耕耕作相比，保護(hù)性耕作10年后土壤碳儲量增加2.8 g/(kg·a)。逄蕾等［37］、張潔等［38］在黃土高原旱地以及李琳等［39］對北方土石山區(qū)的研究都表明，免耕可以增加土壤有機(jī)碳含量。分析原因，主要是因?yàn)榈乇肀４鏆埐绺采w，可以降低雨滴濺蝕和土壤流失，從而減少碳素隨坡面徑流損失的機(jī)會;地表秸稈覆蓋增加了有機(jī)質(zhì)向土壤返還的機(jī)會，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生和積累;免耕等保護(hù)性耕作措施可以減少對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，抑制土壤呼吸。

3.2 植被恢復(fù)對土壤碳的影響

退化土壤和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)具有很大的碳吸存潛力，是增加碳吸存的一種重要策略［18］。R.Lal［40］認(rèn)為，生態(tài)恢復(fù)能使侵蝕退化土壤吸收60% ～75%從土壤損失的碳，并認(rèn)為全球范圍內(nèi)退化土壤的碳吸存潛力可達(dá)到3.0億～8.0億t/a。2009年，在澳大利亞召開的第19屆國際恢復(fù)生態(tài)學(xué)大會也重點(diǎn)關(guān)注了地球逐漸降低的生物多樣性和退化生態(tài)系統(tǒng)的問題，強(qiáng)調(diào)通過生態(tài)恢復(fù)來降低全球變化的不利影響，甚至改變?nèi)蜃兓?/p>

3.2.1 對土壤有機(jī)碳含量的影響 在植被恢復(fù)過程中，不僅可以通過植物凋落物分解和根系分泌物直接向土壤輸入有機(jī)碳，同時還可以通過促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成來固存有機(jī)碳，因?yàn)橛袡C(jī)碳對土壤黏粒的分散—絮凝和大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有顯著影響［41-42］。

謝錦升等［43］、周國模等［44］和陸樹華等［45］在我國南方紅壤區(qū)的研究都表明，侵蝕型紅壤植被恢復(fù)后，土壤理化性質(zhì)得到了改善，有機(jī)碳總量與不同類型有機(jī)碳含量都有所增加。黃榮珍等［46］的研究也表明，人工生態(tài)修復(fù)顯著增加了植被碳庫和土壤碳庫的碳儲量，同時采用竹節(jié)溝措施的人工林也對土壤碳積累具有促進(jìn)作用。

植被恢復(fù)不僅影響土壤有機(jī)碳含量，也影響到有機(jī)碳在土壤剖面中的分布和質(zhì)量。植被恢復(fù)后，表層土壤中輕組有機(jī)碳的含量和比例升高［47］，植被恢復(fù)對土壤有機(jī)碳的影響同時存在著有較強(qiáng)的表聚效應(yīng)，其中對0～20 cm土層影響最大，對40 cm以下土層影響較小［48］。

3.2.2 對土壤呼吸的影響 一般情況下，土壤呼吸是土壤有機(jī)碳輸出的主要形式。植被恢復(fù)過程中，土壤呼吸速率一般會有所增加［49-52］。土壤有機(jī)碳是土壤呼吸的重要基質(zhì)，植被變化調(diào)控土壤呼吸速率的主要機(jī)制是通過調(diào)控供給土壤微生物所需的有機(jī)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)的［53］。最近，在我國中亞熱帶山區(qū)進(jìn)行的研究認(rèn)為，區(qū)域尺度內(nèi)植被恢復(fù)過程中植被生產(chǎn)力的增加是導(dǎo)致土壤呼吸速率升高的主導(dǎo)因素，突破了土壤呼吸“溫度決定論”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)［52］;其次，土壤有機(jī)碳庫組成的差異也會影響有機(jī)碳與土壤呼吸的關(guān)系，因?yàn)檩p組有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳等活性有機(jī)碳更容易被微生物利用［54］，而植被恢復(fù)一般會導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳含量增加［44，47］。另一方面，植被恢復(fù)也能通過改善土壤微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)、最強(qiáng)微生物活性來促進(jìn)土壤呼吸作用，加強(qiáng)土壤碳素釋放［43］。

3.2.3 對侵蝕劣地土壤碳素積累的影響 一般來說，土壤有機(jī)碳庫的最終含量是進(jìn)入土壤的植物殘體量及其在土壤微生物作用下分解損失量二者之間平衡的結(jié)果;但是，對于存在水土流失的侵蝕型土壤來說，土壤碳素動態(tài)與土壤碳積累就必須考慮因坡面徑流而損失的碳素，因此，在存在水土流失的情況下，植被恢復(fù)對土壤碳素積累的貢獻(xiàn)會因土壤侵蝕而減弱，國際上相關(guān)研究也證明了這一點(diǎn)。如R.B.Jackson等［55］基于對全球2 700多個土壤剖面的分析，得出在較為濕潤的地區(qū)，喬、灌木入侵引起的地上生物量增加有可能被土壤有機(jī)碳的流失所抵消的結(jié)論;黃榮珍等［46］在我國南方紅壤區(qū)的研究表明，由于侵蝕嚴(yán)重，修復(fù)為馬尾松(Pinus massoniana Lamb)林和濕地松(Pinus elliotii)林后，0～80 cm土層的有機(jī)碳儲量分別為49和83 t/hm2，比處于相同緯度的地帶性植物群落的土壤有機(jī)碳儲量(95～124 t/hm2［56］)都低，也低于一些學(xué)者估算的我國森林土壤的平均碳儲量(116 t/hm2［56］)以及世界土壤的平均碳儲量(189 t/hm2［57］)。楊玉盛等［58］研究也表明，我國中亞熱帶山區(qū)退化土地進(jìn)行植被恢復(fù)時，土壤碳吸存潛力比同緯度其他地區(qū)要低，這主要與本區(qū)的降水和地貌條件有關(guān)，即本區(qū)山多坡陡，自然生態(tài)環(huán)境具有潛在的脆弱性，隨坡面徑流損失的碳素占有較大比例;同理，當(dāng)森林轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩梅绞胶?，由于土壤侵蝕造成碳素?fù)p失以及經(jīng)營措施對表層土壤的擾動引起土壤有機(jī)質(zhì)的加速分解，土壤有機(jī)碳(尤其是表層土壤有機(jī)碳)損失的幅度會更大。

4 研究展望

從以上的分析中可以看出，目前國外關(guān)于土壤侵蝕或水土保持過程與全球氣候變化相互關(guān)系方面的研究取得了很大進(jìn)展，國內(nèi)部分學(xué)者也得到了一些有益的結(jié)論，但由于土壤侵蝕過程的復(fù)雜性以及影響氣候變化因子的多樣性，相關(guān)研究還存在諸多薄弱環(huán)節(jié)。綜合起來，今后應(yīng)該加強(qiáng)以下幾個科學(xué)問題的研究。

1)加強(qiáng)土壤侵蝕過程中碳素變化模型研究。目前關(guān)于土壤侵蝕過程碳素變化方面的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但主要還是側(cè)重于水分及泥沙運(yùn)移帶來的土壤碳素運(yùn)移轉(zhuǎn)化等過程方面的研究，而關(guān)于侵蝕影響下土壤碳素變化模型方面的研究工作還非常薄弱。建立土壤侵蝕影響下土壤碳素的時空分布變化模型，得到引起土壤碳素降低的最低侵蝕模數(shù)閾值，就可以解決由侵蝕造成的土壤團(tuán)聚體解體過程中有機(jī)碳的礦化速率問題，為明確區(qū)域土壤侵蝕到底是碳源還是碳匯過程提供基本依據(jù)，也可以為流域侵蝕治理規(guī)劃提供必要的科學(xué)依據(jù)，同時還可以為研究氣候變化背景下土壤碳素變化的敏感性與適應(yīng)性提供必要的支撐。

2)加強(qiáng)土壤侵蝕過程中氮素遷移轉(zhuǎn)化特征研究。土壤侵蝕與氣候變化的相互影響主要是通過碳素聯(lián)系起來的，前面已經(jīng)闡述了土壤侵蝕過程中土壤碳素的遷移轉(zhuǎn)化問題，但實(shí)際上，土壤中氮素的周轉(zhuǎn)與碳素是密不可分的，土壤侵蝕過程中氮素循環(huán)也會發(fā)生明顯變化，并通過含氮溫室氣體(主要是N2O)與氣候變化聯(lián)系起來。徑流是土壤氮素流失的載體，由于氮素在水體和土壤的富集，為反硝化作用提供了較為充足的能源以及相對理想的環(huán)境條件。目前國內(nèi)外對土壤侵蝕帶來的含氮溫室氣體釋放問題的認(rèn)識相對不足，加強(qiáng)相關(guān)科學(xué)問題的研究可以更全面地認(rèn)識土壤侵蝕與全球氣候變化的關(guān)系。

3)加強(qiáng)侵蝕劣地生態(tài)恢復(fù)過程中土壤碳素積累機(jī)制研究。在生態(tài)恢復(fù)過程中，隨著植被覆蓋的提高，向土壤輸入的碳素增加，但同時也增大了土壤呼吸排放所釋放的碳素。由于植被改善帶來土壤中所含碳素增加，盡管水土流失程度得到改善，但是因侵蝕所損失的碳素有可能增加，也有可能不變或減少。因?yàn)樵谇治g嚴(yán)重的地區(qū)，不能認(rèn)為水土流失量越大，有機(jī)碳等一些不是由母質(zhì)決定含量的元素流失量就越大，土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)一般都缺少植被覆蓋，而缺乏植被覆蓋的情況下土壤中碳素的基礎(chǔ)含量也較低。同理，侵蝕劣地植被恢復(fù)后，向土壤中輸入的碳素增多了，就相應(yīng)地增大了碳素因侵蝕損失的可能性。因此，在侵蝕退化土壤植被恢復(fù)過程中，具體幾種關(guān)鍵過程(凋落物分解釋放、細(xì)根分解返還、土壤呼吸與坡面侵蝕)對土壤有機(jī)碳含量的影響程度怎樣還不得而知，而目前大多數(shù)研究還是把侵蝕這一重要因素剝離開來，使得對存在水土流失的情況下生態(tài)恢復(fù)過程中碳素動態(tài)及土壤碳庫的吸存機(jī)制不能進(jìn)行很好的解釋，生態(tài)恢復(fù)對侵蝕型土壤有機(jī)碳儲量的影響機(jī)制仍還有待進(jìn)一步研究。

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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

項(xiàng)目名稱:水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)“紅壤侵蝕區(qū)坡面水土綜合整治技術(shù)集成與示范”(200901049)

肖勝生(1981—)，男，博士，工程師。主要研究方向:水土保持生態(tài)恢復(fù)以及水土保持與氣候變化的耦合關(guān)系。E-mail:xss19811213@163.com

?責(zé)任作者簡介:楊潔(1960—)，女，博士，教授級高級工程師。主要研究方向:水土保持。E-mail:zljyj@126.com

(責(zé)任編輯:宋如華)