紅壤坡耕地侵蝕過程中土壤有機碳的選擇性遷移

1、紅壤坡耕地侵蝕過程中土壤有機碳的選擇性遷移*土壤侵蝕作為一個重要的地表過程,可引起陸地碳的遷移,對土壤碳素平衡和陸地碳素循環(huán)產(chǎn)生很大的影響。土壤中有機碳的遷移及變化與土壤侵蝕及土壤礦化等生物學過程有關(guān)。研究表明,土壤有機碳的損失與水土流失之間存在密切的關(guān)系1。然而,土壤有機碳的遷移行為因研究尺度不同可有很大的差異;而不同有機碳穩(wěn)定性的差異使有機碳在地表的遷移過程變得錯綜復雜。目前對侵蝕過程中碳的動態(tài)變化還了解不多2,特別是有關(guān)對土壤有機碳的侵蝕流失方式和被侵蝕有機碳作為大氣CO2的源或匯等方面知之甚少。Beyer等(1993)報道3,在侵蝕遷移和沉積過程中,侵蝕土壤中有70%80%的有機質(zhì)將被

2、礦化,而Jacinthe和Lal(2001)研究認為,僅20%左右的運移有機質(zhì)被礦化4。侵蝕物質(zhì)中有機碳遭受分解或遷移取決于相關(guān)有機碳的類型和化學形態(tài)及相應的保護機制1,在熱帶地區(qū),與礦物形成復合體對有機碳的穩(wěn)定性尤為重要5。土壤有機碳是由不同化學特性的有機物質(zhì)組成的連續(xù)體,其不僅包括易發(fā)生生物降解的顆粒態(tài)有機碳(POC),也包括了對微生物有強抗性的黑碳6,還包括了經(jīng)一定腐殖化過程形成的腐殖質(zhì)。為了了解不同類型有機碳在水土流失過程中的變化和流失差異性,本文采用微徑流小區(qū)(基本上可反映降雨過程中土壤物質(zhì)脫離原地的狀況)和集水小區(qū)(涉及土壤脫離、遷移、沉積等過程)等2種觀察尺度,研究了侵蝕物中顆粒

3、態(tài)有機碳、黑碳和腐殖質(zhì)碳在水土流失過程中的變化。1材料與方法研究區(qū)位于浙江省紹興縣西部低丘區(qū),區(qū)內(nèi)年均溫度16.7,年降雨量約為1 450 mm,降水主要分布在4-10月,對土壤具有較強的侵蝕力。研究選擇的泥頁巖低丘坡地的坡度在1634之間,海拔高度在2778m之間,為農(nóng)業(yè)用地,農(nóng)用時間在30 a以上,總面積為9.67 hm2。試驗前該坡地利用方式主要為旱地(約占30%)、35年齡果園(約占45%)和拋荒地(約占25%)。該區(qū)有長期施用農(nóng)家肥(包括炭灰和草灰)的習慣,土壤中具有較高水平的黑碳。研究在區(qū)內(nèi)選擇了8個集水小區(qū)(表1),每個集水區(qū)自成一個相對獨立的水分單元,并且土地利用方式一致,每一

4、集水區(qū)都具有單一的出水口(排水口),可供收集地表徑流。在每一集水區(qū)內(nèi)選擇代表性地段布設3個長1.2 m(順坡)寬1.2 m的微型徑流小區(qū),每個徑流小區(qū)四周用鐵皮圈圍,鐵皮插入土中20 cm,出露地表15 cm。每一徑流小區(qū)坡下方布設一導水口與直徑為15 cm的PVC管相連,把小區(qū)內(nèi)地表徑流引入放置在徑流小區(qū)下方的一個容積為10 L、口徑為20 cm的塑料桶內(nèi)。在每一集水小區(qū)出口處放置一蓄水器(塑料桶),收集各集水小區(qū)地表徑流。研究于2006年4-7月同時在每一微徑流小區(qū)和集水小區(qū)分別收集降雨量為23,18,27 mm的3次地表徑流。收集的地表徑流經(jīng)沉降過濾后獲得侵蝕的固相物(微徑流小區(qū)收集的稱

5、之為土壤剝離物,集水小區(qū)收集的稱之為沉積物),在40下烘干。由于每次收集的微徑流小區(qū)土壤剝離物數(shù)量較少,最后在分析前把每個集水小區(qū)內(nèi)的3個微徑流小區(qū)收集的土壤剝離物進行合并。在每次降雨徑流過程中,各集水小區(qū)出口采用每間隔1030 min采集一次(每次約3 L),最后獲得每次徑流的混合樣。試驗前,在每個微徑流小區(qū)中采集混合土樣,由10個點樣混合而成,采樣深度0-5 cm。采集的土樣和收集的土壤剝離物及沉積物經(jīng)室內(nèi)風干后,過2 mm土篩、混勻,部分樣品進一步研磨過0.125 mm土篩,供總有機碳和黑碳的測定。土壤顆粒組成、pH、有機碳和腐殖質(zhì)碳用常規(guī)方法測定7;顆粒態(tài)有機碳指粒徑大于53m的土壤有

6、機碳,用5 g/L焦磷酸鈉溶液振蕩分散樣品過53m土篩分離獲得8,其含量用重鉻酸鉀外加熱法測定。黑碳指樣品用0.1 mol/L重鉻酸鉀+2 mol/L H2SO4在55下氧化60 h后殘余的碳9,用總碳與以上可氧化的碳量差值計算。數(shù)據(jù)統(tǒng)計在SPSS(version 11.5)統(tǒng)計軟件上進行。各形態(tài)有機碳的變化用富集系數(shù)表示,其是指沉積物、土壤剝離物與土壤之間有關(guān)測定值的相對比值。2結(jié)果與分析2.1土壤性質(zhì)表1可知,研究區(qū)內(nèi)土壤基本性質(zhì)雖有一定的變化,但差別較小。pH值在5.76.4之間,砂粒、粉粒和粘粒含量分別在22.5%32.6%,42.7%48.3%和24.7%29.2%之間。土壤有機碳(

7、C)總量在11.418.3 g/kg之間,全氮(N)在1.021.45 g/kg之間,C/N比在11.2313.03之間。顆粒態(tài)有機碳及氮分別在3.25.7 g/kg和0.190.33 g/kg之間,其C/N比在15.4317.24之間,明顯高于土壤有機碳與全氮的比值。顆粒態(tài)有機碳占土壤有機碳總量的比例為25%36%,平均為30%。土壤黑碳含量在2.23.6 g/kg之間,占土壤有機總碳的16%24%,平均為20%。土壤腐殖質(zhì)碳含量在5.19.2 g/kg之間,占土壤有機總碳的41%53%,平均為47%。供試土壤無碳酸鹽檢出。2.2徑流小區(qū)收集的土壤剝離物中有機碳的數(shù)量和形態(tài)本研究設置的微徑流

8、小區(qū)范圍很小(1.2 m1.2 m),因此從微徑流小區(qū)獲得的固相物質(zhì)基本上可反映剛從土壤中剝離的物質(zhì),由于搬運距離很短,受運移影響極小。從表2可知,降雨引起的從土壤中剝離的物質(zhì)中有機碳含量在20.0541.24 g/kg之間,全氮在1.632.90 g/kg之間,均明顯高于相應的土壤。土壤剝離物中有機碳的富集系數(shù)(指剝離物中有機總碳與土壤有機總碳的比值)在1.632.53之間,說明從土壤中剝離的物質(zhì)中有機碳明顯富集,高出土壤的63%153%;同樣,土壤剝離物中全氮也呈明顯富集,富集系數(shù)(指剝離物中全氮與土壤全氮的比值)在1.392.23之間,剝離物中全氮高出相應土壤的39%123%。剝離物有機

9、碳與全氮的比值在12.8714.68之間,也高于相應的土壤,說明在微徑流小區(qū)內(nèi)有機碳比氮優(yōu)先脫離。微徑流小區(qū)土壤剝離物中黑碳含量在3.57.0 g/kg之間,其與相應土壤黑碳的比值(即黑C富集系數(shù))在1.462.32之間,接近或略低于有機C的富集系數(shù),說明從土壤中剛剝離時,黑碳并沒有比有機總碳優(yōu)先富集。顆粒態(tài)有機碳(POC)含量在8.114.7 g/kg之間,其含量也明顯高于相應土壤中顆粒態(tài)有機碳含量,二者的比值(即POC的富集系數(shù))在2.083.12之間,明顯高于相應小區(qū)有機總碳的富集系數(shù),表明從土壤中剛脫離的物質(zhì)中,顆粒態(tài)有機碳比有機總碳更易發(fā)生脫離。2.3集水小區(qū)產(chǎn)生的沉積物中碳的形態(tài)和

10、數(shù)量集水小區(qū)收集的沉積物與以上徑流小區(qū)收集的土壤剝離物已有較大的差異,前者因涉及范圍較大,因此形成的沉積物質(zhì)已涉及了多個方面的過程,在這些過程中,從土壤中剝離的物質(zhì)已經(jīng)歷了較長距離的搬運。在搬運過程中,其中的有機物質(zhì)可發(fā)生重新分配,部分有機物質(zhì)還可能發(fā)生分解損失。因此,集水小區(qū)收集的沉積物與微徑流小區(qū)得到的土壤剝離物在有機碳組成方面有所差異。從表4可知,集水小區(qū)收集的沉積物有機碳含量在16.5737.94 g/kg之間,其數(shù)值均低于以上微徑流小區(qū)收集的土壤剝離物中有機碳的含量。集水小區(qū)產(chǎn)生的沉積物與微徑流小區(qū)產(chǎn)生的土壤剝離物的有機碳比值(即表4中有機碳富集系數(shù)沉積物-剝離物)均小于1,說明從土

11、壤中剝離的物質(zhì)經(jīng)遷移后部分有機碳已發(fā)生了損失。而集水小區(qū)產(chǎn)生的沉積物與對應土壤有機碳的比值(即表4中有機碳富集系數(shù)沉積物-土壤)仍遠高于1。同樣,集水小區(qū)產(chǎn)生的沉積物全氮也低于相應微徑流注:F(富集系數(shù))是指沉積物與對應土壤剝離物(或土壤)測定值的比值。圖1土壤、土壤剝離物和沉積物中腐殖質(zhì)碳的含量比較集水小區(qū)產(chǎn)生的沉積物中黑碳含量在4.89.5 g/kg之間,明顯高于微徑流小區(qū)產(chǎn)生的土壤剝離物中黑碳含量,二者的黑C比值(即表4中黑碳富集系數(shù)沉積物-剝離物)在1.251.42之間。集水小區(qū)產(chǎn)生的沉積物與微徑流小區(qū)產(chǎn)生的土壤剝離物中的顆粒態(tài)碳比值均小于1,在0.730.87之間,但前者與對應土壤中

12、的顆粒態(tài)有機碳的比值仍高于1(在1.682.46之間),這表明,從土壤剝離的物質(zhì)(即微徑流小區(qū)產(chǎn)生的土壤剝離物)經(jīng)遷移離開集水小區(qū)的過程中,有機質(zhì)的組分發(fā)生了明顯變化,其中的顆粒態(tài)有機碳可能發(fā)生了降解損失,而黑碳由于抗微生物降解能力較強,而且比重較小,容易發(fā)生懸浮,其含量有進一步的增加富集。圖1為土壤、微徑流小區(qū)產(chǎn)生的土壤剝離物和集水小區(qū)收集的沉積物中腐殖質(zhì)的含量比較。從圖中可知,腐殖質(zhì)含量以土壤剝離物最高,其次為沉積物,土壤最低。這一結(jié)果表明,在降雨的作用下從土壤中剝離的物質(zhì)中,腐殖質(zhì)有明顯的富集(富集系數(shù)在1.292.27之間),但經(jīng)過隨徑流遷出集水小區(qū)的過程中,部分腐殖質(zhì)碳發(fā)生了損失,損

13、失的比例在19%48%之間。腐殖質(zhì)碳的損失可能與其分解有關(guān),也可能是其在運移過程中在集水小區(qū)內(nèi)發(fā)生沉積(因為腐殖質(zhì)主要與土壤礦物質(zhì)結(jié)合在一起,比重較大)。3討論土壤在水力作用下發(fā)生侵蝕,從土壤顆粒分離到最后在低洼的景觀部位沉積,經(jīng)歷了(1)土壤顆粒的分離;(2)團聚體破壞;(3)泥沙的遷移和再分布;(4)泥沙在洼地沉積等過程。由于在1.2 m1.2 m微型徑流小區(qū)涉及范圍很小,不可能形成侵蝕溝和明顯的片蝕,因此,其涉及的土壤侵蝕過程很少,觀測到的侵蝕只能反映雨滴侵蝕和不連續(xù)徑流的搬運10。而集水小區(qū)的范圍相對較大,基本上涉及以上4個方面的水土流失過程。因此,本研究試驗中設置的微徑流小區(qū)(當?shù)?

14、和集水小區(qū)等2個空間尺度可分別代表土壤顆粒脫離土壤主體和土壤顆粒發(fā)生遷移和再分布后發(fā)生沉積的情況。研究表明11,土壤侵蝕過程可導致土壤有機質(zhì)損失,坡耕地的侵蝕過程包括雨滴引起的土壤剝離和土壤顆粒的遷移。從1.2 m1.2 m試驗小區(qū)中剝離的土壤物質(zhì)中有機碳和全氮的富集可知,在雨水沖擊土壤并把土壤物質(zhì)從原地推移至附近區(qū)域的過程中,土壤有機物質(zhì)(包括顆粒態(tài)有機碳、黑碳和腐殖質(zhì))相對土壤礦物質(zhì)被優(yōu)先從土壤中剝離,這與其它文獻報道一致12。據(jù)報道,從1 m2左右大小的范圍中剝離的有機碳可以在被剝離區(qū)附近移動,但它們不一定會發(fā)生遠距離的移動或流出集水區(qū)13。因此,從微徑流小區(qū)中剝離的土壤物質(zhì)在地表徑流的

15、作用下,向低洼處移動過程中,其物質(zhì)組成可發(fā)生變化。在剝離和遷移過程中,由于團聚體的破壞使某些土壤有機物組分穩(wěn)定性發(fā)生變化而被氧化分解,因而促進了土壤有機碳的持續(xù)損失。由于固體物質(zhì)主要是通過懸浮方式運移,因此,在許多情況下比重較輕的物質(zhì)將可能被優(yōu)先移動2,而比重較大的組分只經(jīng)過短距離的搬運就可能會發(fā)生沉積。以上研究的3種有機碳組分中,顆粒態(tài)有機碳是植物殘體半分解的產(chǎn)物,其主要呈游離態(tài)形態(tài)存在,是土壤中主要的輕有機質(zhì)組分,其易被微生物降解;黑碳是化石燃料或生物有機體不完全燃燒形成的一種含有芳香環(huán)的高聚物,其比重較輕且具有較高的生物和化學穩(wěn)定性。腐殖質(zhì)碳是土壤有機物質(zhì)腐殖化作用的產(chǎn)物,其主要與土壤礦

16、物質(zhì)結(jié)合在一起。因此,顆粒態(tài)有機碳和黑碳將比腐殖質(zhì)碳更容易發(fā)生遠距離遷移。Rodriguez-Rodriguez (2004)的研究也認為14,非礦質(zhì)結(jié)合態(tài)碳可被優(yōu)先侵蝕。本研究的結(jié)果表明,集水小區(qū)收集的沉積物與土壤有機總碳的比值(富集系數(shù))為1.302.33,低于土壤剝離物與土壤有機總碳的比值,說明在侵蝕徑流過程中部分侵蝕的有機碳發(fā)生了損失。微徑流小區(qū)試驗收集的土壤剝離物中黑碳的富集系數(shù)為1.462.32,而集水區(qū)收集的沉積物中黑碳的富集系數(shù)為1.912.74,高于小區(qū)試驗,而集水區(qū)產(chǎn)生的沉積物與徑流小區(qū)產(chǎn)生的沉積物的顆粒態(tài)碳比值均小于1,在0.730.87之間,說明黑碳在整個侵蝕遷移過程中

17、發(fā)生了連續(xù)富集,這可能與黑碳比重較輕、對微生物降解抗性較強有關(guān),在遷移過程中可存在較長的時間。而顆粒態(tài)有機碳雖然也較易發(fā)生遷移,但由于其是較易礦化的有機碳,在遷移過程中發(fā)生了降解,其數(shù)量有所降低。因此黑碳更易被水優(yōu)先帶走。這一結(jié)果也表明控制黑碳遷移的主要過程是剝離過程,由于黑碳主要以低密度單顆粒形式遷移,在地表徑流中容易發(fā)生遷移且遷移的效率特別高,因此,黑碳一旦從土壤中剝離,其很容易被侵蝕遷移。黑碳在土壤中起著十分重要的功能15,因此,黑碳在土壤中的選擇性流失對土壤肥力是不利的。過去認為黑碳是高度穩(wěn)定的,但近年來已有人對此提出懷疑16。因為,若根據(jù)陸地上黑碳形成的速率估算,在100 000年的時間內(nèi)產(chǎn)生的黑碳足夠可覆蓋整個