肖勝生湯崇軍王凌云段 劍楊 潔?
(1 江西省水土保持科學(xué)研究院,南昌 330029)
(2 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330029)
自然降雨條件下紅壤坡面有機(jī)碳的選擇性遷移*
肖勝生1,2湯崇軍1,2王凌云1段 劍1,2楊 潔1,2?
(1 江西省水土保持科學(xué)研究院,南昌 330029)
(2 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330029)
依托江西水土保持生態(tài)科技園,2015年3月―8月期間,對(duì)裸地、草地、果園和濕地松人工林四種類(lèi)型徑流小區(qū)自然降雨條件下侵蝕過(guò)程中徑流泥沙和土壤有機(jī)碳的流失特征進(jìn)行了原位監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明,監(jiān)測(cè)期間24場(chǎng)降雨下,徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)基本上均隨雨型的增大而增加。隨著土地利用類(lèi)型由裸地向果園、草地和林地的轉(zhuǎn)換,減流效益和減沙效益依次增大。徑流量和泥沙流失量最主要的影響因素分別是降雨量和徑流量。裸地、草地、果園和林地四種類(lèi)型坡面上,自然降雨下土壤有機(jī)碳隨泥沙遷移的比例分別為64.67%、47.38%、53.94%和36.03%,碳流失強(qiáng)度分別達(dá)到560.3、1.98、122.5和2.66 mg m-2。徑流有機(jī)碳含量與徑流量之間、泥沙含碳量與泥沙量之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。裸地、果園、草地和林地四種徑流小區(qū)泥沙有機(jī)碳富集比分別為1.27、1.10、0.80和0.58,即隨著土壤侵蝕模數(shù)的降低,有機(jī)碳富集比也減小。泥沙有機(jī)碳富集比均隨雨強(qiáng)的增大而減小,有機(jī)碳的選擇性遷移在低強(qiáng)度降雨條件下表現(xiàn)更為明顯。
自然降雨;水力侵蝕;土壤有機(jī)碳;紅壤坡面;富集比
在坡面或流域尺度上,土壤碳庫(kù)均受到水力侵蝕的重要調(diào)控[1]。鑒于土壤有機(jī)碳在維持全球碳素平衡[2]和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[3]上的重要地位,土壤有機(jī)碳的侵蝕損失受到普遍關(guān)注。
諸多研究結(jié)果表明,地表徑流驅(qū)動(dòng)下碳素遷移規(guī)律主要受降雨特征、地形條件、土壤性質(zhì)、肥料用量、耕作方式、地表覆蓋、土地類(lèi)型及利用方式等多種因素影響,其中雨強(qiáng)、徑流量和侵蝕泥沙量是主要影響因素[4-6],如Ma等[6]模擬降雨試驗(yàn)得到降雨強(qiáng)度是土壤有機(jī)碳(SOC)及可溶性有機(jī)碳(DOC)橫向遷移的主導(dǎo)因子,在耕作方式與雨強(qiáng)的綜合影響下DOC和SOC輸出濃度表現(xiàn)為免耕強(qiáng)降雨>免耕小降雨>翻耕小降雨。坡地有機(jī)碳的選擇性遷移(指隨著泥沙遷移或隨著徑流遷移)呈現(xiàn)為泥沙結(jié)合態(tài)有機(jī)碳或徑流溶解態(tài)有機(jī)碳,在不同降雨、地形和土地利用方式條件下有所不同[7-8]。摸清有機(jī)碳遷移的選擇性是針對(duì)性防治有機(jī)碳侵蝕損失的前提。
侵蝕泥沙具有碳素富集的特性,但泥沙富集比受到諸多因素的影響,如Jacinthe 等[9]認(rèn)為坡長(zhǎng)和降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)泥沙有機(jī)碳富集比有重要影響;Wang等[10]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳富集比隨著季節(jié)和降雨強(qiáng)度的變化而變化;同時(shí),土地管理方式和植被條件[11]以及土壤類(lèi)型等[12]也被認(rèn)為與有機(jī)碳富集比密切相關(guān)。
南方紅壤丘陵區(qū)是全國(guó)土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)之一。充沛的降雨產(chǎn)生的較大坡面徑流是侵蝕發(fā)生和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?,由其?dǎo)致的土壤和有機(jī)碳的流失已引起了較多關(guān)注[6,12-15]。但總體上,相關(guān)學(xué)者對(duì)坡地徑流碳素運(yùn)移的研究多以短歷時(shí)的模擬降雨試驗(yàn)為主,缺少自然降雨條件下的野外原位定量監(jiān)測(cè),而自然降雨下的原位監(jiān)測(cè)由于觀測(cè)場(chǎng)次較多、涉及不同雨型的變化以及野外小區(qū)面積較大等原因,研究結(jié)果更能說(shuō)明有機(jī)碳侵蝕損失的真實(shí)性。此外,目前相關(guān)研究主要關(guān)注坡耕地的碳素侵蝕損失,缺乏不同土地利用方式的對(duì)比研究,這不利于評(píng)估水土保持生態(tài)建設(shè)對(duì)碳循環(huán)的影響及其在應(yīng)對(duì)氣候變化方面的地位和貢獻(xiàn)。因此,本研究通過(guò)對(duì)不同土地利用方式下的徑流小區(qū)進(jìn)行自然降雨條件下的原位監(jiān)測(cè),研究徑流量、泥沙流失量及其攜帶有機(jī)碳之間的相互關(guān)系,闡明有機(jī)碳遷移損失對(duì)降雨特征、水土流失和土地利用變化的響應(yīng)特征,深化土壤侵蝕與碳循環(huán)相互關(guān)系的科學(xué)認(rèn)知,并為調(diào)控紅壤區(qū)有機(jī)碳損失、增強(qiáng)土壤固碳能力和維持土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于江西省德安縣江西水土保持生態(tài)科技園(115°42′38″~115°43′06″E、29°16′37″~29°17′40″N)。科技園屬于國(guó)家級(jí)水土保持示范園區(qū),海拔30~90 m,坡度5°~12°,典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均氣溫16.7℃,多年平均降雨1 469 mm。降雨年內(nèi)分配不均,4~7月降雨量占總降雨量的50%~60%。土壤主要為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤,土層厚度平均達(dá)到1.5 m??萍紙@位于我國(guó)紅壤的中心區(qū)域,屬全國(guó)土壤侵蝕二級(jí)類(lèi)型區(qū)的南方紅壤區(qū),在南方紅壤區(qū)具有典型性。原有地表土壤遭受?chē)?yán)重侵蝕,土壤肥力急劇減退,具有酸、黏、板、瘦等特點(diǎn)。經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)期水土保持生態(tài)建設(shè)后,科技園整體生態(tài)景觀發(fā)生顯著變化,除保留部分裸露坡面之外,土地利用類(lèi)型主要有人工草地、灌叢、柑橘(Citrus reticulateBlanco)果園以及濕地松(Pinus elliottii)人工林和杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林等。
1.2 徑流小區(qū)設(shè)置
在侵蝕退化裸地以及在裸地上逐步治理恢復(fù)的百喜草(Paspalumnotatum notatumFlugge)地、柑橘園和濕地松人工林4種植被類(lèi)型上建立徑流小區(qū),每種植被類(lèi)型各設(shè)立3個(gè)小區(qū),坡度均為10°。其中裸地、果園和林地小區(qū)寬5 m(與等高線(xiàn)平行),長(zhǎng)20 m(水平投影);草地小區(qū)寬5 m(與等高線(xiàn)平行),長(zhǎng)15 m(水平投影)。為阻止地表徑流進(jìn)出,在每個(gè)小區(qū)的周邊設(shè)置圍埂。小區(qū)下面修筑集水槽承接小區(qū)徑流泥沙,并通過(guò)聚氯乙烯(PVC)管引入徑流池(其中濕地松小區(qū)是徑流桶)。
侵蝕裸地為植被恢復(fù)前的對(duì)照,屬?gòu)?qiáng)度土壤侵蝕,土壤B層出露,地表偶見(jiàn)結(jié)皮。百喜草地和柑橘果園在治理前均為A層土壤流失殆盡,B層出露,本底條件相似,治理起始時(shí)間均在2000年。其中,百喜草園均勻撒播形成,現(xiàn)蓋度達(dá)到95%,草皮平均高度約為40 cm;果園按照1 335株 hm-2的初始密度栽植,每個(gè)徑流小區(qū)現(xiàn)有12株柑橘,胸徑、樹(shù)高和冠幅平均值分別為7.6 cm、2.8 m和1.2 m,覆蓋度為30%;濕地松林栽植至今已有30 a的時(shí)間,胸徑和樹(shù)高分別達(dá)到20 cm和15 m,林下植被蓋度達(dá)85%,林間偶見(jiàn)木荷(Schima superba)、黃端木(Adinandra millettii)和鐵芒萁(Dicranopteris dichotoma)等植物。徑流小區(qū)表層(0~20 cm)土壤基本性質(zhì)見(jiàn)表1。
1.3 研究方法
徑流小區(qū)旁建有固定雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用虹吸式自計(jì)雨量計(jì)記錄大氣降水過(guò)程,以此量算降雨量、降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度等。
在裸地、草地和果園三種小區(qū)下建有徑流池,濕地松人工林徑流小區(qū)安裝有鍍鋅鐵皮制徑流桶。徑流池:根據(jù)當(dāng)?shù)乜赡馨l(fā)生的次降雨最大徑流量設(shè)計(jì)成A、B 和C三個(gè)徑流池(1.0 m×1.0 m×1.2 m),并通過(guò)五分法薄壁三角分流。徑流池裝有QYSW-301型自記水位計(jì)(清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司,西安),并通過(guò)搪瓷水尺校正。根據(jù)自記水位計(jì)記錄、水池面積和三角堰出水高度,以一次降雨過(guò)程為單位,測(cè)定逐次降雨的徑流歷時(shí)和徑流量。徑流桶:根據(jù)次降雨最大徑流量,采用分流桶+集流桶一級(jí)分流的方式收集徑流量。分流桶和集流桶均采用鍍鋅鐵皮制成,桶頂部加設(shè)蓋板,底部設(shè)排水閥。內(nèi)部有效直徑設(shè)置為60 cm,高度為70 cm,其中分流孔孔底高度0.5 m,集流桶進(jìn)水孔孔底高度0.5 m。為減小分流誤差,分流孔的數(shù)量設(shè)置為5個(gè),孔徑大小均為4 cm。為保證分流均勻,分流孔為圓形,間距均為10 cm;孔均勻排列,沿坡向在同一水平線(xiàn)。選擇中間一孔將分流水量引入集流桶中。
表1 徑流小區(qū)表層(0~20 cm)土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the surface soils(0~20 cm)in the plots
每次產(chǎn)流后,將徑流池或徑流桶中泥水充分?jǐn)嚢?,分上、中、?層取樣混合,再?gòu)闹腥〕? 000 ml渾水樣,室內(nèi)烘干求得泥沙含量,將其乘以徑流量即可得出此次降雨的土壤侵蝕量。因四種類(lèi)型徑流小區(qū)中,裸地具有最大的徑流量和泥沙流失量。因此在本文中將裸地的徑流量減去其他三種類(lèi)型小區(qū)的徑流量,差值與裸地徑流量的比值即為減流效益;同理,其他三種類(lèi)型小區(qū)泥沙流失量與裸地泥沙流失量的差值與裸地泥沙流失量的比值為減沙率。
土壤有機(jī)碳(SOC)測(cè)定:采用油浴重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;徑流液中可溶性有機(jī)碳(DOC)測(cè)定:測(cè)量完徑流量后,取徑流液100 ml存放于4℃冰箱中靜置,將上清液倒出,4 000 r min-1離心10 min,之后浸提液用玻璃纖維濾膜(0.45 μm)與真空泵抽濾后,使用總有機(jī)碳分析儀(Elementar元素分析系統(tǒng),德國(guó))直接測(cè)定濾液中的有機(jī)碳含量;泥沙中有機(jī)碳測(cè)定:每次降雨結(jié)束后,過(guò)濾流失泥沙,所得泥沙風(fēng)干、稱(chēng)重后,過(guò) 20目和100目篩后采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行有機(jī)碳的測(cè)定。
1.4 數(shù)據(jù)分析
泥沙中有機(jī)碳富集比:3月—8月監(jiān)測(cè)期間,每個(gè)月測(cè)定一次坡面表層土壤(0~20 cm)中有機(jī)碳含量作為該月份土壤有機(jī)碳含量背景值。將每次降雨后侵蝕泥沙中有機(jī)碳濃度除以有機(jī)碳含量背景值得到泥沙有機(jī)碳富集比。
碳流失模數(shù):考慮到不同土地利用類(lèi)型徑流小區(qū)面積不一致(裸地、果園和林地均為100 m2,草地僅有75 m2),本研究中以小區(qū)范圍內(nèi)有機(jī)碳流失總量(徑流中有機(jī)碳+泥沙中有機(jī)碳)除以小區(qū)面積轉(zhuǎn)換為單位面積有機(jī)碳流失量,定義為碳流失模數(shù),單位為g m-2。
采用Microsoft Excel 2007和SPSS 14.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
2.1 研究區(qū)自然降雨特征
降雨是坡面水力侵蝕的源動(dòng)力,與坡面產(chǎn)匯流、產(chǎn)輸沙以及有機(jī)碳輸出存在密切關(guān)系。參考?xì)庀蟛块T(mén)24小時(shí)降雨量標(biāo)準(zhǔn)判別降雨等級(jí),研究區(qū)2015年3月4日—8月27日24場(chǎng)次降雨的雨型為小雨1場(chǎng),中雨和大雨均為9場(chǎng),暴雨有4場(chǎng),大暴雨1場(chǎng)。降雨量和降雨強(qiáng)度變化曲線(xiàn)圖(圖1)表明,降雨量變化較大,雨強(qiáng)的變化無(wú)明顯規(guī)律,既有短歷時(shí)強(qiáng)降雨事件(如7月24日那場(chǎng)降雨,降雨量達(dá)到146.5 mm,降雨歷時(shí)僅有725 min,因此雨強(qiáng)達(dá)到11.96 mm h-1,屬于大暴雨事件),更多的是長(zhǎng)歷時(shí)弱降雨事件。
圖1 各場(chǎng)次降雨量和降雨強(qiáng)度Fig. 1 Rainfall and rainfall intensity of the 24 rainfall events
2.2 自然降雨不同土地利用下徑流泥沙流失特征
研究期間不同類(lèi)型徑流小區(qū)地表徑流量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,除少數(shù)幾場(chǎng)降雨草地徑流量很低不能進(jìn)行測(cè)量之外,多數(shù)情況下不同類(lèi)型小區(qū)產(chǎn)流差異非常明顯。為了消除徑流小區(qū)面積不同的影響,本研究不比較徑流量,而以徑流深和徑流系數(shù)來(lái)比較不同類(lèi)型小區(qū)的產(chǎn)流差異。監(jiān)測(cè)期間,裸地的徑流深遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另三種類(lèi)型小區(qū),草地與林地之間無(wú)明顯差異(圖2)。與裸地相比,林地、草地和果園的減流效益分別達(dá)到98.98%、98.85%和68.56%,說(shuō)明植樹(shù)種草和果業(yè)開(kāi)發(fā)等水土保持生態(tài)建設(shè)活動(dòng)的保水作用明顯。柑橘果園小區(qū)減流效益不明顯,主要是因?yàn)閷?shí)行了清耕處理,缺乏地被層,同時(shí)還存在大量的株間空隙和株內(nèi)空隙(植被覆蓋度只有30%),其減流效益主要得益于柑橘樹(shù)的冠層截留作用[16]。此外,研究結(jié)果還顯示,隨著雨型從小到大的變化,徑流系數(shù)也依次在增大,這種變化規(guī)律在四種土地利用類(lèi)型下均得到體現(xiàn)(表2)。
圖2 不同類(lèi)型徑流小區(qū)徑流深Fig. 2 Runoff depth relative to plot
表2 不同類(lèi)型徑流小區(qū)徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)對(duì)雨型的響應(yīng)Table 2 Response of runoff coefficient and erosion modulus to rainfall types in different plots
研究結(jié)果表明,監(jiān)測(cè)期間不同類(lèi)型徑流小區(qū)的產(chǎn)沙特征存在明顯差異。24場(chǎng)降雨對(duì)裸地而言均是侵蝕性降雨,侵蝕模數(shù)平均73.15 t km-2。果園下僅有3場(chǎng)降雨無(wú)泥沙流失,侵蝕模數(shù)均值為14.90 t km-2。草地和林地徑流小區(qū)較難產(chǎn)生泥沙流失,即使是7月24日大暴雨事件草地和林地小區(qū)也僅有0.05 kg和0.03 kg的產(chǎn)沙量(而裸地和果園小區(qū)分別達(dá)到64.00 kg和15.00 kg),并且9場(chǎng)中雨草地小區(qū)均無(wú)泥沙流失,監(jiān)測(cè)期內(nèi)侵蝕模數(shù)平均僅有0.20和0.12 t km-2。與裸地相比,草地、果園和林地的減沙率分別為99.73%、79.63%和99.84%,植被的覆蓋和水土保持措施能較大程度地抑制土壤侵蝕活動(dòng),對(duì)地表土壤資源起到了良好的保護(hù)作用。此外,研究結(jié)果還顯示,隨著雨型從小到大的變化,四種類(lèi)型徑流小區(qū)的侵蝕模數(shù)依次在增大(表2)。
單因素方差分析表明,影響徑流量的主要因素為降雨量。各試驗(yàn)區(qū)徑流量和降雨量的相關(guān)關(guān)系均為正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.89~0.92,達(dá)到極顯著水平(p<0.001)。影響泥沙流失量的主要因素為降雨量和徑流量。泥沙流失量與降雨量和徑流量之間均達(dá)到顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。泥沙流失量和降雨量的相關(guān)系數(shù)為0.81~0.88,泥沙流失量與徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.95~0.98。徑流量與土壤流失量之間的關(guān)系較降雨量與土壤流失量之間關(guān)系更為密切,說(shuō)明徑流是泥沙流失的最主要載體,徑流的多少對(duì)泥沙流失量起著最終決定作用。此外,草地、果園和林地三種情況下其產(chǎn)流、產(chǎn)沙與降雨強(qiáng)度之間均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系,但是裸地的產(chǎn)流、產(chǎn)沙與降雨強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到顯著水平,而且其相關(guān)性均大于降雨量因素。
2.3 有機(jī)碳隨地表徑流的損失
由于徑流量偏低無(wú)法取樣等原因,裸地和果園下有24場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),而草地和林地則分別僅有20場(chǎng)和19場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)。裸地、草地、果園和林地四種類(lèi)型下徑流中有機(jī)碳濃度的變化范圍(括號(hào)內(nèi)為均值)分別為:3.26~8.56 mg L-1(5.00 mg L-1)、5.00~12.64 mg L-1(7.68 mg L-1)、3.16~10.48 mg L-1(6.11 mg L-1)、6.36~15.56 mg L-1(10.02 mg L-1)。不同徑流小區(qū)有機(jī)碳徑流損失的差異主要是土壤中可溶性有機(jī)碳(DOC)含量的差異引起的,如表1所示,草地、柑橘園和濕地松林表層0~20 cm土壤中DOC含量分別是裸地的2.49倍、1.06倍和1.91倍。
方差分析進(jìn)一步表明(表3),除了裸地之外,草地、果園和林地三種類(lèi)型小區(qū)徑流有機(jī)碳濃度與雨強(qiáng)均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但四種類(lèi)型小區(qū)徑流攜帶有機(jī)碳濃度與徑流量之間均表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)。這可能是由于徑流量逐漸增大時(shí),細(xì)顆粒土壤大部分已流失,粗顆粒沉積于土表,可供溶解的有機(jī)碳明顯減少,導(dǎo)致徑流量增大而徑流有機(jī)碳濃度反而減小。
2.4 有機(jī)碳隨泥沙遷移的損失
由于泥沙量偏低無(wú)法取樣等原因,裸地下有24場(chǎng)降雨數(shù)據(jù),而草地、果園和林地則分別僅有9場(chǎng)、21場(chǎng)和17場(chǎng)。裸地、草地、果園和林地小區(qū)泥沙中有機(jī)碳濃度變化范圍(括號(hào)內(nèi)為均值)分別為:5.47~8.72 g kg-1(7.69 g kg-1)、7.26~9.89 g kg-1(8.58 g kg-1)、6.59~9.32 g kg-1(8.08 g kg-1)、7.64~10.64 g kg-1(8.93 g kg-1)。表明,隨著侵蝕裸地向草地、果園和林地的轉(zhuǎn)變,不僅表層土壤中有機(jī)碳含量增加明顯(表1),侵蝕泥沙帶走的有機(jī)碳濃度也有所增加。
表3 不同類(lèi)型徑流小區(qū)下雨強(qiáng)和徑流量對(duì)有機(jī)碳流失濃度的影響(方差分析結(jié)果)Table 3 Effects of rain intensity and runoff volume on loss of organic carbon relative to plot(Result of variance analysis)
相關(guān)性分析表明,雨強(qiáng)和泥沙流失量對(duì)泥沙中有機(jī)碳含量存在明顯影響,這在四種類(lèi)型小區(qū)中均得到體現(xiàn)(表4)。隨著雨強(qiáng)的增大,四種小區(qū)流失泥沙中有機(jī)碳濃度也顯著降低。此外,泥沙含碳量與泥沙流失量之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但因?yàn)槁愕睾凸麍@侵蝕強(qiáng)度大,泥沙碳含量與泥沙流失量存在顯著相關(guān)(p<0.05),而草地和林地侵蝕模數(shù)很小,造成泥沙中有機(jī)碳濃度與泥沙流失量的負(fù)相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平(p>0.05)。低強(qiáng)度降雨對(duì)有機(jī)碳的選擇性分解遷移更加明顯,雨強(qiáng)增大降低了侵蝕過(guò)程中有機(jī)碳遷移的選擇性。
表4 不同類(lèi)型徑流小區(qū)下雨強(qiáng)和泥沙量對(duì)侵蝕泥沙含碳量的影響(方差分析結(jié)果)Table 4 Effects of rainfall intensity and sediment yield on loss of organic carbon with sediment relative to plot(Result of variance analysis)
侵蝕過(guò)程中,有機(jī)碳在泥沙中會(huì)呈現(xiàn)富集現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,裸地、草地、果園和林地泥沙有機(jī)碳富集比(均值±標(biāo)準(zhǔn)差,n為監(jiān)測(cè)場(chǎng)數(shù))分別為1.27±0.15(n=24)、0.80±0.09(n=9)、1.10±0.11(n=21)和0.58±0.05(n=17)。有機(jī)碳富集比排序?yàn)槁愕兀竟麍@>草地>林地,這也就意味著隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的降低(即土地利用方式從裸地到草地、果園和林地的轉(zhuǎn)換),泥沙有機(jī)碳富集比減小,二者變化方向是一致的。各處理間泥沙有機(jī)碳富集比的差異,是不同土地利用方式之間質(zhì)量較輕、有機(jī)碳含量較高的土壤顆粒優(yōu)先運(yùn)移變化所致。方差分析進(jìn)一步表明,坡面尺度的水蝕過(guò)程中,泥沙有機(jī)碳富集比均隨著雨強(qiáng)的增大而減?。ū?),并且除果園之外另外三種類(lèi)型還呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05),降雨強(qiáng)度成為影響泥沙有機(jī)碳富集比的重要因素。
監(jiān)測(cè)期間,裸地、草地、果園和林地通過(guò)泥沙遷移而損失的有機(jī)碳占比平均值分別為:64.67%、47.38%、53.94%和36.03%。裸地和果園這兩種侵蝕強(qiáng)度較大的小區(qū),大雨強(qiáng)情況下,泥沙結(jié)合態(tài)碳損失占比也大,即隨著雨強(qiáng)變大,有機(jī)碳就更有可能隨著泥沙遷移。而對(duì)草地和林地兩種類(lèi)型而言,有機(jī)碳隨徑流遷移還是隨泥沙遷移的幾率與雨強(qiáng)變化無(wú)明顯關(guān)系。這表明當(dāng)雨強(qiáng)不足以大量搬運(yùn)土壤顆粒時(shí),DOC的徑流遷移可能是土壤有機(jī)碳損失的非常重要途徑。
2.5 不同土地利用方式間有機(jī)碳損失的差異
圖3 不同類(lèi)型徑流小區(qū)各雨強(qiáng)下泥沙有機(jī)碳富集比Fig. 3 Organic carbon enrichment ratio of sediment relative to rainfall intensity and plot
表5 不同類(lèi)型徑流小區(qū)下雨強(qiáng)對(duì)泥沙中有機(jī)碳富集比的影響(方差分析結(jié)果)Table 5 Effect of rain intensity on organic carbon enrichment ratio of sediment relative to plot(Result of variance analysis)
圖4 不同類(lèi)型徑流小區(qū)有機(jī)碳損失總量的差異Fig. 4 Differences between the plots in total loss of organic carbon
監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,隨著雨強(qiáng)的變化,四種類(lèi)型徑流小區(qū)之間碳損失模數(shù)(有機(jī)碳損失總量)存在差異(圖4)。24場(chǎng)降雨下裸地均存在一定的有機(jī)碳損失,而草地、果園和林地則分別有22場(chǎng)、21場(chǎng)和18場(chǎng)降雨下存在碳的流失。隨雨強(qiáng)的增大,不同類(lèi)型小區(qū)碳流失模數(shù)的差異也越來(lái)越大。裸地、草地、果園和林地碳損失模數(shù)分別為560.3、1.98、122.5和2.66 mg m-2。裸地有機(jī)碳流失強(qiáng)度明顯高于其他三種類(lèi)型小區(qū),果園由于缺乏林下植被層保護(hù)也存在較強(qiáng)的碳損失,草地和林地碳損失強(qiáng)度均很弱,兩者之間也不存在顯著差異。總體而言,隨降雨強(qiáng)度的增大,不同類(lèi)型小區(qū)有機(jī)碳的流失總量也在增大,但是二者之間的這種正相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平。
3.1 侵蝕背景下有機(jī)碳的選擇性遷移
土壤侵蝕傾向于破壞水穩(wěn)性大團(tuán)聚體,使包裹在大團(tuán)聚體內(nèi)的輕質(zhì)活性碳以及細(xì)顆粒結(jié)合的惰性碳隨地表水流沿坡遷移[17]。在降雨激發(fā)和侵蝕過(guò)程中,土壤中累積的溶解性有機(jī)碳產(chǎn)生吸附和解吸并隨徑流遷移損失[18],而礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(Mineral-bonded organic carbon,MOC)以及顆粒有機(jī)碳(Particulate organic carbon,POC)相對(duì)穩(wěn)定但易以泥沙作為載體被地表水流優(yōu)先搬運(yùn)[19]。
基于野外標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的自然降雨條件下的監(jiān)測(cè)結(jié)果,紅壤坡面侵蝕作用下土壤有機(jī)碳以泥沙結(jié)合態(tài)和徑流溶解態(tài)兩種形式流失。本研究中裸地、草地、果園和林地四種利用類(lèi)型通過(guò)泥沙損失的有機(jī)碳占比分別為64.67%、47.38%、53.94%和36.03%,平均為50.51%,這與袁東海等[20]在第四紀(jì)紅黏土發(fā)育紅壤上的監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致。但聶小東等[14]在紅壤區(qū)坡耕地的模擬降雨試驗(yàn)卻表明,泥沙結(jié)合態(tài)有機(jī)碳流失量占有機(jī)碳總流失量的84%以上,最高達(dá)97.6%,相關(guān)研究結(jié)果差別較大。同樣在黃土高原的研究也存在差異。許明祥和劉國(guó)彬[7]以及賈松偉等[21]均指出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,最高可以達(dá)到95%以上;但馬祥華和焦菊英[8]卻發(fā)現(xiàn)通過(guò)泥沙流失的有機(jī)碳含量與通過(guò)徑流流失的有機(jī)碳含量相當(dāng),這種差異可能與不同的研究對(duì)象或研究方法等有關(guān)。
因此,坡地有機(jī)碳流失的主要途徑既有以泥沙結(jié)合態(tài)為主的也有以徑流溶解態(tài)為主的,這可能與土壤類(lèi)型、有機(jī)碳含量、耕作措施、降雨時(shí)間及降雨強(qiáng)度等特性相關(guān)。特別是降雨特性、土壤類(lèi)型及其有機(jī)碳含量對(duì)泥沙和徑流中的有機(jī)碳起著決定性作用。對(duì)于裸地等侵蝕程度較大的小區(qū)(相當(dāng)于前人研究中模擬降雨下的坡耕地小區(qū)),有機(jī)碳的選擇性遷移途徑與降雨特性密切相關(guān),隨著雨強(qiáng)增大有機(jī)碳就更有可能隨著泥沙遷移。
3.2 侵蝕泥沙有機(jī)碳富集比的變化及影響因素
侵蝕過(guò)程中泥沙有機(jī)碳的富集是土壤有機(jī)碳選擇性遷移的表現(xiàn)形式,是質(zhì)量較輕、有機(jī)碳含量較高的土壤顆粒在徑流運(yùn)移作用下優(yōu)先遷移的結(jié)果,早在1952年就得到相關(guān)結(jié)論[22]。本研究坡面尺度的水蝕過(guò)程中,泥沙有機(jī)碳富集比均隨著雨強(qiáng)的增大而減小,降雨強(qiáng)度成為影響泥沙有機(jī)碳富集比的重要因素;不同土地利用類(lèi)型間隨著侵蝕強(qiáng)度的增大,泥沙有機(jī)碳富集比也增大。這與國(guó)內(nèi)外眾多研究結(jié)果是一致的[13,23-26]。如在紅壤坡耕地的模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[14],在整個(gè)降雨過(guò)程中,小雨強(qiáng)(0.64 mm min-1)泥沙有機(jī)碳富集比均大于1,大雨強(qiáng)(1.69 mm min-1)均小于1,有機(jī)碳的選擇性遷移在低強(qiáng)度降雨條件下表現(xiàn)更為明顯。Jacinthe等[9]也認(rèn)為與高強(qiáng)度降雨相比,土壤碳在低強(qiáng)度降雨中泥沙富集比更高,顯示出更高的選擇性。
分析雨強(qiáng)對(duì)有機(jī)碳遷移影響的原因,主要是因?yàn)槠旅娴乇韽搅鳟a(chǎn)生后,小降雨時(shí)徑流首先搬運(yùn)土壤中的細(xì)小顆粒物質(zhì),形成泥沙中黏粒的富集[13,27]。雨強(qiáng)增大增加了徑流的運(yùn)移能力,大團(tuán)聚體和大顆粒同樣被遷移[26],導(dǎo)致泥沙流失量增加,但已有研究表明,土壤大顆粒物質(zhì)中有機(jī)碳的含量遠(yuǎn)低于小粒級(jí)土壤[28],黏粒等小粒級(jí)土壤是有機(jī)碳流失的主要載體[9,29]。土壤有機(jī)碳在土壤黏粒中分布較多,在沙粒中分布較少,其含量隨土壤顆粒粒徑的加粗而逐漸下降[30]。李光錄和張勝利[31]也表明侵蝕作用下土壤有機(jī)碳主要分布在粒徑<50 μm的黏粒和粉粒中。因此,低強(qiáng)度降雨對(duì)有機(jī)碳的選擇性分解遷移更加明顯,雨強(qiáng)增大降低了侵蝕過(guò)程中有機(jī)碳遷移的選擇性。
張雪等[12]同樣是在紅壤坡耕地的模擬降雨試驗(yàn)卻得到不同的結(jié)論,大雨強(qiáng)(1.64 mm min-1)泥沙有機(jī)碳富集比在產(chǎn)流發(fā)生后的18 min內(nèi)大于1,隨后降至1以下,而小雨強(qiáng)條件下(0.58 mm min-1)泥沙中有機(jī)碳則幾乎無(wú)富集。此外,黃土丘陵區(qū)的泥沙有機(jī)碳富集比始終大于1[21]。造成侵蝕作用下土壤有機(jī)碳的泥沙富集比研究結(jié)果差別較大的原因是多方面的,是土壤侵蝕與土壤碳循環(huán)的研究熱點(diǎn)。這主要與土壤碳素在不同侵蝕條件下隨水沙遷移的復(fù)雜性有密切關(guān)系,其中泥沙有機(jī)碳的富集規(guī)律就是這種復(fù)雜性的反映。綜上,泥沙有機(jī)碳富集比受到坡長(zhǎng)和降雨持續(xù)時(shí)間[23]、季節(jié)和降雨強(qiáng)度[10]、土地管理方式和植被條件[11]以及土壤類(lèi)型[12]等的密切影響。
自然降雨下紅壤區(qū)野外徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,裸地、草地、果園和林地四種類(lèi)型坡面侵蝕作用下土壤有機(jī)碳隨泥沙遷移的比例分別為64.67%、47.38%、53.94%和36.03%,碳平均損失強(qiáng)度分別為560.3、1.98、122.5和2.66 mg m-2。隨著雨強(qiáng)的增大,不同類(lèi)型小區(qū)之間碳流失強(qiáng)度的差異和損失總量也越來(lái)越大。土地利用類(lèi)型和降雨特性對(duì)有機(jī)碳在徑流和泥沙間的選擇性遷移均會(huì)產(chǎn)生影響。不同土地利用類(lèi)型之間隨著侵蝕程度的加重,有機(jī)碳更易隨著泥沙遷移,泥沙有機(jī)碳富集比也增大,而泥沙有機(jī)碳富集比隨著雨強(qiáng)的增大而減小。
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Soil Erosion-induced Selective Transfer of Organic Carbon in Red Soil Slope Field under Natural Rainfall
XIAO Shengsheng1,2TANG Chongjun1,2WANG Lingyun1DUAN Jian1,2YANG Jie1,2?
(1 Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation,Nanchang 330029,China)
(2 Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention of Jiangxi Province,Nanchang 330029,China)
【Objective】The red soil hilly region in South China is one of the areas of the country suffering serious soil erosion. Currently,the researches on loss of soil organic carbon with soil erosion in this region were executed mainly via simulated rainfall tests,without much in-situ field quantitative monitoring under natural rainfalls or comparison between fields different in land use. This study was intended to explore relationships of surface runoff and sediment loss with organic carbon carried in runoff and sediment under natural rainfall,so as to characterize responses of soil organic carbon transfer and loss to changes in rainfall,soil erosion and land use,and to deepen the scientific knowledge about relationship between soil erosion and carbon recycling.【Method】Tracts of bare land,grassland,citrus orchard,and secondary splash pine forest were selected for the experiment as runoff plots in the Jiangxi Soil and Water Conservation Ecological Science Park. Surface runoff,sediment loss and soil organic carbon carried therein were monitored under 24 typical rainfalls between March to August,2015 in order to illustrate selective transfer of soil organic carbon. 【Result】Results show as follow:(1)Runoff coefficients and the soil erosion modulus increased with increasing rainfall intensity during all the 24 rainfall events. With the conversion of land use in type from bare land to orchard,grassland and forest,the effects of land use reducing runoff and sediment increased. Rainfall intensity was the major factor affecting runoff volume,while the latter was the one affecting sediment loss,with correlation coefficient being 0.89~0.92(p<0.001)and 0.95~0.98(p<0.05),respectively.(2)Under natural rainfalls,the concentration of organic carbon was 5.00,7.68,6.11 and 10.02 mg L-1in runoff and 7.69,8.58,8.08 and 8.93 g kg-1in sediment on the bare land,grassland,orchard and forest,respectively. The concentration of organic carbon in runoff was significantly and negatively related to volume of the runoff and so was the concentration in sediment with the volume of sediment loss. The sediment-associated loss of soil organic carbon in the four plots accounted for 64.67%,47.38%,53.94% and 36.03% of the total lost with the erosion,and reached 560.3 mg m-2,1.98 mg m-2,122.5 mg m-2and 2.66 mg m-2in intensity,respectively.(3)The organic carbon enrichment ratio of the sediment in the bare land,orchard,grassland and forest was 1.27,1.10,0.80 and 0.58,respectively,and decreased gradually with increasing rainfall intensity. Selective transfer of organic carbon was more evident in weak rainfalls.【Conclusion】Under natural rainfalls,soil erosion has very important impacts on migration of soil organic carbon in slope fields in the red soil region. Selective migration of soil organic carbon with surface runoff or sediment is determined mainly by rainfall characteristics(especially rainfall intensity)and land use pattern. In all the lands,regardless of land use,intensified soil erosion makes it easier for soil organic carbon to migrate with sediment,and organic carbon enrichment ratio of the sediments also increases with intensifying soil erosion. However,organic carbon enrichment ratio of the sediment decreases with rising rainfall intensity.
Natural rainfall;Water erosion;Soil organic carbon;Red soil slope;Enrichment ratio
S156.3
A
(責(zé)任編輯:陳榮府)
10.11766/trxb201610130419
* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41303064)、公益性行業(yè)(水利)科研專(zhuān)項(xiàng)(201501047)和江西省水利科技重大研究項(xiàng)目(KT201417)共同資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 41303064),the Special Fund for Water Resources Research in the Public Interest(No.2014BAD15B0303)and the Major Research Projects of Water Resources Department of Jiangxi Province(No. KT201417)
? 通訊作者 Corresponding author,E-mail:zljyj@126.com
肖勝生(1981—),男,湖北省英山縣人,博士,高級(jí)工程師,主要從事土壤侵蝕/水土保持與氣候變化的耦合關(guān)系研究。E-mail:xss19811213@163.com
2016-10-13;
2016-12-02;優(yōu)先數(shù)字出版日期(www.cnki.net):2016-12-23