黄土高原不同坡度管理方式下，通过径流和沉积物实现碳损失的流体动力学机制

《CATENA》：Hydrodynamic mechanisms of carbon loss via runoff and sediment under different slope management practices on the Loess Plateau

土壤侵蚀碳损失机制及管理措施影响

　　土壤侵蚀对全球碳循环的影响日益显著，特别是在生态脆弱地区，如中国的黄土高原。该地区由于其松散的土壤结构和较低的抗冲刷能力，成为水土流失的高发区。近年来，土壤侵蚀不仅导致表层土壤的流失和土地生产力的下降，还通过碳的重新分布对区域碳循环产生深远影响。因此，研究不同坡面管理措施对土壤碳损失的调控机制，对于制定有效的生态恢复策略和优化区域碳管理具有重要意义。

### 一、土壤侵蚀与碳损失的关系

土壤侵蚀通常伴随着碳的流失，其形式包括溶解有机碳（DOC）、溶解无机碳（DIC）、土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC）。这些碳形式的流失路径和机制因不同的管理措施而异。例如，DOC和DIC主要通过地表径流迁移，而SOC和SIC则多与侵蚀的沉积物一同流失。DOC因其高移动性和反应性，在暴雨事件中可能占总碳损失的22%，而DIC则占约2%。相比之下，SOC和SIC的流失更多依赖于地表覆盖和地形因素。在土壤侵蚀过程中，当剪切应力超过土壤团聚体的粘聚力时，富含碳的颗粒会被地表水流携带，从而导致碳的损失。

### 二、研究背景与意义

黄土高原的土壤碳储量相对较高，尤其是SIC的储量，通常为SOC的2到10倍。然而，由于SIC在生物地球化学循环中的周转率较低，其在以往的研究中往往被忽视。这种忽视可能导致对碳通量的评估不够准确，进而影响对土壤侵蚀和碳封存策略的制定。因此，本研究旨在通过实地降雨模拟实验，系统分析不同坡面管理措施对土壤碳损失的影响，特别是对DOC、DIC、SOC和SIC的迁移机制。

### 三、研究方法与实验设计

本研究在黄土高原的李道沟流域进行，该流域面积为6.89平方公里，位于黄土高原与毛乌素沙漠的过渡带。研究区域具有典型的农牧交错带特征，结合风蚀和水蚀，是研究土壤侵蚀与碳损失的理想地点。实验设计包括四种典型坡面管理措施：梯田（TP）、草地（GP）、保留根系的剪枝（RP）和裸地（CK）。实验过程中，使用便携式降雨模拟器进行降雨模拟，通过调整喷嘴组合和水压，实现18至200毫米/小时的降雨强度。

实验前，各处理区域的土壤经过一个月的稳定期，以确保土壤水分条件一致。在正式实验中，每种处理区域均进行60分钟的降雨模拟，以捕捉稳定状态下的径流和沉积物动态。实验期间，通过计时器记录径流生成的初始时间，并在每4分钟收集一次径流和沉积物样品，直到径流停止。同时，测量径流速度、雷诺数、弗劳德数、阻力系数、剪切应力和水流功率等关键水力参数，以分析其对碳损失的影响。

### 四、实验结果与分析

实验结果显示，与CK相比，TP、GP和RP处理显著减少了DOC、DIC、SOC和SIC的流失。具体而言，DOC的流失量减少了38.4–68.7%，DIC减少了1.2–47.9%，SOC减少了85.8–98.5%，SIC减少了89.3–98.3%。其中，CK和RP处理主要通过沉积物迁移流失碳（分别占89.7%和57.3%），而TP和GP处理则主要通过径流迁移流失碳（分别为50.1%和76.2%）。此外，侵蚀的碳主要以无机碳形式（SIC和DIC）流失，表明无机碳在土壤侵蚀过程中的重要性。

水力参数对碳损失的影响是间接的，主要通过改变径流速率和沉积物排放速率。在裸露坡面条件下，径流和沉积物相关的碳通量主要受沉积物运输动态的控制。而在实施地表干预后，径流相关的碳通量则主要受径流再分配的调控，而沉积物相关的碳通量仍与沉积物排放紧密相关。这些结果揭示了地表条件对碳损失路径的显著影响。

### 五、讨论与结论

研究结果支持了以下两个假设：首先，地表干预措施在减少径流和沉积物相关的碳通量方面起着关键作用，其影响机制主要通过改变径流速率和沉积物排放速率；其次，黄土高原的土壤碳损失主要由无机碳形式（SIC和DIC）驱动。这些发现不仅加深了对土壤侵蚀过程中碳动态的理解，还为制定综合的土壤侵蚀控制和碳封存策略提供了科学依据。

此外，本研究也指出了其局限性。实验时间较短，无法完全模拟自然降雨事件的时空变化和累积效应；降雨强度的选择可能过高，导致碳损失的估计偏高；实验规模较小，难以反映整个田间或流域尺度的复杂性；在结构方程模型中，水力参数被归为潜在变量，以减少多重共线性，但这也限制了对单个参数贡献的评估。因此，未来的研究应考虑更广泛的降雨强度，扩大实验规模，并结合碳输入和转化过程，以更全面地评估坡面管理措施对土壤碳库和区域碳预算的影响。

综上所述，本研究通过实地实验，揭示了不同坡面管理措施对土壤碳损失的调控机制，强调了无机碳在土壤侵蚀过程中的主导作用，并为黄土高原的土壤侵蚀控制和碳管理提供了重要的科学依据。这些发现不仅有助于理解土壤侵蚀与碳循环之间的复杂关系，也为可持续的农业发展和气候变化缓解提供了理论支持。