137Cs与210Pbex双示踪技术揭示桂北低山丘陵区森林转换对土壤侵蚀及有机碳的影响机制

《Frontiers in Environmental Science》：Evaluation of forest conversion effects on soil erosion and soil organic carbon using 137Cs and 210Pbex tracers in the low mountain–hill region of Southwest China

本文通过137Cs与210Pbex双示踪技术，系统评估了混合阔叶林（MBF）、马尾松人工林（MPP）和桉树人工林（EUP）的土壤侵蚀动态及其对土壤有机碳（SOC）的影响。研究发现，森林转为经济林后侵蚀加剧，尤以EUP最为显著，且侵蚀强度随坡度上升而增强。研究为南方红壤丘陵区森林可持续管理提供了关键科学依据。

　　

引言

土壤侵蚀是全球性环境问题，在植被覆盖度高的中国南方红壤丘陵区，因地形破碎、降雨集中等因素，侵蚀问题依然严峻。土壤侵蚀驱动土壤及其关联的有机碳重新分布，对生物地球化学循环和陆地碳汇产生深远影响。为控制侵蚀，大规模人工林如马尾松和桉树被广泛种植，但其单一栽培模式可能引发新的生态问题。目前，关于不同用材林土壤侵蚀特征及其对SOC含量影响的比较研究仍较缺乏。137Cs和210Pb_ex作为物理化学性质相似的核素，通过降雨沉积后强烈吸附于土壤颗粒，其空间再分布主要受侵蚀和沉积等物理过程控制。双示踪技术已广泛应用于量化土壤侵蚀速率，但在中国南方红壤丘陵区主要用材林中，营林措施变化对土壤侵蚀的影响尚未明确。

材料与方法

研究区位于广西黄冕林场，属典型的低山丘陵地貌，亚热带季风气候，土壤以山地红壤和山地黄壤为主。研究选取混合阔叶林（MBF）、马尾松人工林（MPP）和桉树人工林（EUP）三种森林类型，沿地形断面系统划分上、中、下三个坡位。共采集189个土壤样品，测定137Cs、210Pb_ex活度、SOC含量及颗粒组成。通过非耕作土壤侵蚀模型计算137Cs和210Pb_ex侵蚀速率，并分析其与SOC、土壤质地的关系。

结果

137Cs和210Pb_ex在参考点的库存量与深度分布

参考点137Cs和210Pb_ex背景库存量分别为1565.90 Bq·m^–2和15153.06 Bq·m^–2。两种核素活性均呈表聚性，在0-10 cm层最高，随深度增加呈指数下降，25 cm以下活性可忽略，证实土壤未受显著扰动。

137Cs、210Pb_ex和SOC的深度分布

各森林类型中，137Cs和210Pb_ex活性均随深度增加而指数下降，并随坡位下降而增加。MBF在上坡位137Cs和210Pb_ex活性最高，MPP在中、下坡位占优，EUP在所有坡位活性均最低。SOC含量表现为MBF > MPP > EUP，且随坡位下降而增加，随深度增加而减少。EUP的SOC含量显著低于MPP和MBF。

颗粒组成特征

黏粒含量随深度增加而减少，砂粒含量随深度增加而增加，粉粒含量在不同坡位变化不显著。EUP黏粒含量最低，砂粒含量最高，MBF黏粒含量最高。不同坡位间，黏粒含量从上坡位到下坡位显著减少。

土壤侵蚀速率特征

137Cs和210Pb_ex库存量均表现为MBF > MPP > EUP，且随坡位下降而增加。侵蚀速率表现为EUP > MPP > MBF，且随坡位上升而增加。EUP上坡位侵蚀最严重，210Pb_ex侵蚀速率达1474.84 t km^-2·a^?1，属中度侵蚀。

土壤侵蚀与SOC储量（S_SOC）的关系

S_SOC与137Cs、210Pb_ex活性呈显著正相关（p < 0.01），表明较高的S_SOC含量通常与较高的核素活性一致。137Cs与S_SOC的相关性强于210Pb_ex。

土壤侵蚀与颗粒组成的关系

137Cs和210Pb_ex含量与黏粒含量呈显著正相关（p < 0.01），与砂粒含量呈显著负相关（p < 0.01），与粉粒含量关系不显著或负相关仅见于MBF。

137Cs和210Pb_ex侵蚀速率的关系

137Cs和210Pb_ex库存量呈显著正相关（p < 0.01），表明两种示踪剂能独立捕捉不同时间尺度的侵蚀和沉积过程。

137Cs、210Pb_ex与土壤理化性质的相关性分析

137Cs、210Pb_ex和SOC三者间呈显著正相关（p < 0.01）。侵蚀速率（M_c, M_p）与核素活性、SOC、黏粒含量呈显著负相关。容重与各指标无显著相关性。

坡位、森林类型和土壤深度对137Cs和210Pb_ex的影响

多因素方差分析表明，坡位、森林类型、土壤深度及其交互作用对137Cs和210Pb_ex库存量有显著影响（p < 0.01），可解释超过90%的核素分布变异。

讨论

混合林转为人工林后的土壤侵蚀

参考点核素分布模式与全球研究一致。本研究中，侵蚀速率范围为-466.90 至 3023.27 t km^-2·a^?1，强度排序为EUP > MPP > MBF。EUP的集约经营措施（如清除林下植被、松土等）破坏了根系网络，削弱了土壤结构，加剧了侵蚀。而MBF通过提高土壤团聚体稳定性有效增强了土壤抗蚀性。为平衡生态与经济目标，人工林应采纳高凋落物产量的树种，维持根系密度，并延长采伐周期以减少土壤扰动。

土壤侵蚀、SOC和颗粒组成的关系

SOC含量排序为MBF > MPP > EUP，反映了植被组成、凋落物积累和土壤性质的差异。EUP林分结构简单，林下凋落物积累有限，地表有机质流失增加了径流，加速了SOC流失。MBF结构复杂，凋落物丰富，增强了入渗，保护SOC免于流失。黏粒流失导致EUP土壤结构松散，侵蚀脆弱性增加，砂粒含量升高加速了土壤粗化。林冠空隙和覆盖不连续加剧了这一过程。137Cs、210Pb_ex和SOC的显著正相关反映了它们在侵蚀过程中的共同迁移动态。黏粒和砂粒含量与核素活性的强相关性证实了土壤质地是核素分布的主要调控因子。SOC耗竭加速土壤结构退化、养分流失和持水性降低，从而加剧侵蚀。坡度、坡位和土地利用是侵蚀的关键驱动因子，上坡位和脊部位置侵蚀速率最高。

本文的不足

本研究未能定量分离森林转换对土壤碳库储量变化和通过侵蚀造成的碳损失的具体贡献。尽管137Cs（中期）和210Pb_ex（长期）侵蚀估算值高度一致，但未结合短寿命核素示踪剂（如⁷Be），限制了识别数天至数月尺度侵蚀事件的能力。未来研究需结合¹³C稳定同位素等技术，区分SOC耗竭的物理迁移和生物矿化途径。

结论

1. 1.
   原生MBF转为EUP显著加剧了区域土壤侵蚀，侵蚀强度为EUP > MPP > MBF。EUP的平均210Pb_ex侵蚀速率达1474.84 t km^-2·a^?1，且为选择性侵蚀，优先流失黏粒和与之结合的SOC，导致土壤粗化和肥力基础耗竭。
2. 2.
   土壤侵蚀强度随地形变化显著，从上坡位到下坡位逐渐减弱。EUP的上坡位是侵蚀最敏感区域，土壤退化与林下覆盖不足共同导致其极不稳定性。
3. 3.
   137Cs和210Pb_ex侵蚀估算值高度一致，证实双示踪法是量化桂北红壤丘陵非耕作地土壤再分布的有效手段，也表明EUP的严重侵蚀与集约经营导致的土壤流失加速相关。
4. 4.
   本研究为集约经营人工林的长期生态成本提供了定量证据，揭示了EUP加剧选择性土壤侵蚀是驱动土壤结构退化的关键机制。亟需采取减少机械干扰、促进林下植被和凋落物保留等管理措施。验证的双核素框架为制定中国南方可持续人工林经营策略奠定了坚实基础。