中国黄土高原在侵蚀和沉积条件下深层土壤剖面中的二氧化碳动态

《CATENA》：Soil carbon dioxide dynamics in deep profiles under erosional and depositional conditions on the Chinese Loess Plateau

土壤侵蚀与沉积对黄土高原检查坝系统0-200cm土壤剖面中CO2通量及碳库的影响研究。通过2022年6-10月每月监测发现，沉积地总CO2通量（11.77-146.58 μmol m?2 s?1）显著高于侵蚀地（1.25-34.58 μmol m?2 s?1），深层土壤（140-200cm）贡献率达33.4%。δ13C分析表明侵蚀地以SOC矿化为源，沉积地以碳酸盐分解为主，揭示地貌过程通过改变土壤结构、碳库垂直分布和矿物溶解影响CO2通量。

　　土壤侵蚀与沉积是影响土壤结构、水文特征和碳循环的重要自然过程。特别是在中国黄土高原这一土壤侵蚀极为严重的地区，这些过程对土壤中二氧化碳（CO?）的排放具有深远的影响。尽管土壤有机碳（SOC）和无机碳（SIC）的总量在侵蚀和沉积区域可能相似，但它们在垂直方向上的分布却存在显著差异。这些差异不仅影响土壤碳的储存形式，还决定了不同深度土壤层中CO?的排放模式。因此，深入理解侵蚀与沉积对土壤碳动态的影响，有助于更有效地管理土壤碳储量，减少碳排放对全球气候变化的潜在贡献。

土壤侵蚀通常是指由于自然力量或人为活动导致土壤颗粒的剥离和搬运。这一过程不仅改变了土壤的水平分布，还可能对碳的垂直迁移产生重要影响。在侵蚀区域，土壤有机质可能被剥离到表层，或随着水流被输送到其他区域，从而影响碳的分解速率和储存状态。而在沉积区域，土壤颗粒和有机质可能被埋藏在更深的土层中，这可能导致碳的长期封存。然而，这种埋藏也可能影响土壤中碳的分解过程，因为深层土壤通常具有较低的氧气含量和更稳定的环境条件，从而减缓有机质的分解速度。同时，无机碳的溶解速率也可能受到土壤深度和化学条件的影响，如pH值和溶解度的变化。

土壤碳是陆地生态系统中最大的碳库，其储量远超大气和生物圈的总和。根据研究，全球土壤中的碳储量估计为约1500 Pg C，其中大部分集中在表层土壤中。尽管表层土壤的碳密度较高，但深层土壤虽然碳密度较低，却在整体碳储量中占据重要地位。特别是在干旱地区，土壤中30至100厘米深度的碳储量占整个表层土壤的约一半。相比之下，湿地和热带泥炭地虽然碳密度较高，但其面积较小，总体碳储量远不及表层土壤。因此，理解土壤碳在不同深度的分布及其对CO?排放的影响，对于评估全球碳循环具有重要意义。

CO?的排放主要来源于土壤中有机质的分解以及无机碳的溶解。在表层土壤中，由于有机质输入较多，微生物活动活跃，因此CO?的排放通常较为显著。而在深层土壤中，由于氧气供应有限，温度较低，CO?的排放速率相对较慢。然而，研究发现，在某些沉积区域，深层土壤中的无机碳溶解可能成为CO?排放的主要来源。这种差异表明，不同深度土壤层中的碳源和碳汇机制可能截然不同，因此需要分别研究表层和深层土壤的碳动态。

在中国黄土高原，土壤侵蚀问题尤为突出。该地区超过70%的面积经历了严重的土壤和水体流失，侵蚀速率平均在5000至20000吨每平方公里每年之间。为应对这一问题，当地已修建了超过58000座小型拦沙坝，这些拦沙坝不仅有助于控制沟壑侵蚀，还能拦截大量沉积物，形成新的坝地。这些坝地的土壤层可能达到数米之深，为研究不同深度土壤层对CO?排放的影响提供了理想条件。通过在典型黄土高原丘陵沟壑区的三个拦沙坝系统中，对不同深度的土壤进行研究，可以更全面地了解侵蚀和沉积过程对土壤碳动态的影响。

本研究的主要目标包括：（1）描述侵蚀和沉积区域不同深度土壤中的CO?浓度分布及其时空变化；（2）量化浅层和深层土壤对CO?通量的贡献；（3）识别侵蚀和沉积条件下CO?通量变化的主要驱动因素。研究期间，研究人员在6月至10月间，每月测量了CO?通量、土壤温度、湿度、理化性质以及碳同位素（δ13C）特征。这些数据的收集有助于揭示不同土壤深度中碳循环的机制，并进一步探讨侵蚀和沉积对碳排放的调控作用。

在侵蚀区域，土壤有机碳的积累主要集中在深层土壤中，而沉积区域则表现出表层土壤有机碳的富集。这种垂直分布的差异可能与土壤颗粒的搬运和沉积过程有关。侵蚀区域的深层土壤由于长期受到侵蚀作用的影响，可能积累了更多的有机碳，而沉积区域的表层土壤则因沉积物的堆积而富含有机质。此外，沉积区域的深层土壤中无机碳的储量也显著高于侵蚀区域，这可能是由于碳酸盐的积累所致。这些发现表明，土壤的垂直结构和碳的分布模式在侵蚀和沉积过程中可能发生变化，从而影响整个土壤系统的碳排放特征。

CO?通量在沉积区域明显高于侵蚀区域，沉积区域的通量范围为11.77至146.58 μmol m?2 s?1，而侵蚀区域的通量则为1.25至34.58 μmol m?2 s?1。这一差异可能与土壤中有机碳和无机碳的分布有关。在表层土壤中，CO?的通量主要受到温度、土壤有机碳含量和pH值的影响，而在深层土壤中，通量则可能受到温度、湿度、土壤有机碳以及无机碳含量的共同调控。此外，碳同位素（δ13C）的分析结果表明，侵蚀区域的CO?主要来源于土壤有机质的矿化，而沉积区域的深层土壤中CO?的来源则更多地与碳酸盐的溶解有关。这些发现揭示了不同土壤深度中碳源的差异，也说明了侵蚀和沉积过程对土壤碳动态的深远影响。

土壤侵蚀不仅改变了碳的垂直分布，还可能影响土壤的理化性质，如黏粒含量、砂粒含量等。研究结果显示，在侵蚀区域，黏粒含量显著高于沉积区域，而砂粒含量则相对较低。这种差异可能与土壤颗粒的搬运和沉积过程有关，黏粒颗粒由于质量较大，更容易在侵蚀过程中被保留，而砂粒则更容易被水流带走。因此，侵蚀区域的土壤可能具有更高的黏粒含量，这不仅影响土壤的结构稳定性，还可能对碳的储存和释放产生重要影响。同时，土壤中的碳同位素特征也显示，侵蚀区域的土壤有机碳矿化速率较高，而沉积区域的深层土壤则可能因碳酸盐的溶解而产生更多的CO?排放。

在黄土高原的典型拦沙坝系统中，研究团队发现不同深度土壤层的碳动态存在显著的空间异质性。表层土壤的碳通量主要受到温度、湿度和有机碳含量的影响，而深层土壤的碳通量则可能受到更多的环境因素调控，如pH值和无机碳含量。这种差异表明，不同深度土壤层中的碳循环机制可能有所不同，因此需要分别分析表层和深层土壤的碳动态。此外，研究还发现，尽管总SOC储量在侵蚀和沉积区域相似，但其垂直分布模式却存在显著差异。这种差异可能与土壤颗粒的搬运和沉积过程有关，也可能受到土壤微生物活动和环境条件的影响。

总体而言，本研究揭示了土壤侵蚀与沉积过程对土壤碳动态的复杂影响。通过分析不同深度土壤层的碳储量和CO?通量，研究团队发现，侵蚀和沉积不仅改变了土壤的结构和理化性质，还可能影响土壤中碳的储存和释放方式。这些发现为理解土壤碳循环提供了新的视角，并为制定有效的土壤碳管理策略提供了科学依据。特别是在侵蚀严重的地区，通过合理调控土壤侵蚀和沉积过程，可以有效减少碳排放，提高土壤碳储量，从而对全球气候变化产生积极影响。