中国科学院水利部水土保持研究所机构知识库

土壤侵蚀是人类面临的重要生态环境问题，侵蚀诱发的土壤碳源、汇效应尚存争议。明确侵蚀环境下土壤有机碳矿化的动态、底物来源及影响因素，对于科学认识和评估土壤侵蚀的环境效应有重要意义。本研究以黄土丘陵区典型水蚀坡面（裸地）为对象，通过监测不同有机碳水平下侵蚀坡面各部位CO2通量，研究了不同有机碳水平下侵蚀坡面土壤有机碳矿化时空特征；利用13C同位素示踪技术，辨析坡面侵蚀搬运沉积过程中土壤有机碳动态变化及矿化底物来源；基于侵蚀坡面不同部位表层0 – 5 cm土壤水分、温度、容重、有机碳、全氮及微生物碳含量等因素变化特征，构建了土壤有机碳矿化的多因素耦合模型，明确了黄土丘陵区侵蚀坡面下的有机碳矿化内在机理，确定了侵蚀坡面土壤有机碳排放的源汇效应转换的临界条件。主要结论如下：
（1）侵蚀改变了坡面土壤水分、温度、有机碳的空间分布格局，改变程度与土壤有机碳含量有关。随着侵蚀发生，坡面上部土壤有机碳被搬运至坡面下部及沉积区，中等有机碳水平下（5.57 ± 1.03 g·kg-1），搬运沉积过程中土壤有机碳的再分布较为均匀，高有机碳水平（14.70 ± 1.14 g·kg-1）和低有机碳水平下（1.99 ± 0.11 g·kg-1）的土壤有机碳则主要富集于坡面下部。侵蚀坡面土壤水分呈现出沉积区 > 对照区 > 侵蚀区的规律，温度则在侵蚀区相对较高、对照区相对较低，水分、温度在不同坡位间的差异随有机碳水平升高而减小。
（2）侵蚀坡面土壤有机碳矿化受多因素综合作用，不同季节和坡位的土壤有机碳矿化限制因子及矿化特征有所差异。土壤有机碳矿化的影响因素可归纳为矿化底物、水热环境以及土壤通气性等三个主要因子。土壤有机碳矿化速率在夏季最大，主要受土壤水分影响，其次是春季，主要由土壤有机碳本身含量决定，秋季和冬季则主要受土壤温度限制，矿化速率较小。在坡面空间上有机碳矿化速率呈现出沉积区 > 对照区 > 侵蚀区的规律，土壤温度是引起同一坡位有机碳矿化速率差异的主要因子。
（3）侵蚀搬运过程中较大比例的土壤有机碳发生矿化，不同坡位间矿化底物来源有所差异，并与有机碳水平密切相关。侵蚀导致坡面有机碳矿化增加量随有机碳水平升高而增加，侵蚀过程中有高达90%的有机碳在搬运时发生矿化，矿化底物包括原位和随搬运新输入的有机碳。高、低有机碳水平下因侵蚀过程导致随搬运新输入的有机碳矿化强度分别增加304.83% – 496.16%和39.55% – 194.20%，在中等有机碳水平下，除沉积区下部外其余部位矿化强度均减弱，幅度在17.57% – 27.25%之间。高、低有机碳水平下坡面土壤有机碳矿化底物中，搬运过程新输入的有机碳矿化量随坡面由上而下增加，不同有机碳水平间差异较小，原位有机碳的矿化量随有机碳水平升高而减少。
（4） 侵蚀坡面不同部位间的源汇效应存在差异，并在一定条件下发生转换，土壤温度、水分和有机碳可以解释坡面有机碳矿化74%以上的变异。侵蚀区更多是一个碳汇，但当土壤温度超过34.5 ℃、土壤体积含水量超过19%时，侵蚀区由汇效应转变为源效应。沉积区土壤体积含水量超过8%，则表现为源效应。