【论文精选】水力侵蚀作用下土壤有机碳库稳定性机制研究进展

全球气候变暖是当前人类面临的最严峻的环境问题之一。据估算，近100年来(1906—2005年)全球平均气温升高了(0.74±0.2)℃。土壤碳库的变化是影响大气CO₂浓度及全球气候变化的重要原因之一。水力驱动的侵蚀是扰动土壤碳库的重要过程，进而影响全球碳循环的进程。全球陆地表面每年由水力侵蚀造成的表层土壤横向迁移量达28Pg。侵蚀营力对表土剥蚀、分解、迁移以及沉积的过程中，有机碳稳定机制也随之发生变化进而影响碳排放。

因此，综述分析水力侵蚀作用下土壤有机碳及其稳定机制的变化有助于进一步辨清侵蚀碳“源、汇”效应、深入认识陆地生态系统碳循环过程和准确估算区域碳平衡都有着重要意义。

笔者主要介绍水力侵蚀作用过程、侵蚀作用对土壤有机碳库的“源、汇”效应、侵蚀作用下土壤有机碳的稳定性机制等方面的最新研究进展，并展望未来侵蚀作用下土壤有机碳的研究重点。

1 全球土壤有机碳库

土壤有机碳库是陆地最大的碳库，是陆地植物碳库(500~600Pg)的2~3倍，大气碳库(750Pg)的2倍。如此巨大的碳储库微小的波动也可导致大气CO₂浓度的改变甚至影响全球碳循环进程。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)测算，土壤碳库对全球大气CO₂含量升高的贡献率高达30%~50%。尽管只有10%的土壤有机碳发生变化，也相当于人类30年CO₂排放的总量，而提高土壤有机碳库储量5%~15%可降低大气CO₂浓度16%~39%；因此，增加并稳定土壤有机碳库是降低大气CO₂含量、减缓全球变暖的有效途径之一。

2 土壤水力侵蚀现状

水力侵蚀(water erosion)是指地球表层土壤及其母质在雨滴击溅、地表径流剪切和下渗水分作用下，发生分离、迁移和沉积的全部过程。在自然侵蚀下，全球每年有0.02~0.06mm土壤受侵蚀而流失。自然缓慢的侵蚀即土壤侵蚀速率与成土速率相平衡是有益的地质过程，可使河流含沙量保持在适当的范围内(合理土壤流失量，soil loss tolerance)，降低下游河道的冲刷减少海岸侵蚀，而且可形成广阔而肥沃的冲积平原。而人类扰动加剧引起的加速侵蚀是一种破坏性极强的过程，不但导致土壤退化、土地生产力降低，影响农业生产和粮食安全，而且对土壤碳循环产生显著影响，成为当今迫在眉睫的全球性主要环境问题之一。

全球受水力侵蚀影响的土壤面积达11亿hm²，每年有28Pg表层土壤受水力侵蚀而发生迁移，导致(0.5±0.15)Pg土壤碳发生迁移，受土壤侵蚀影响的经济损失近4000亿美元。气候变暖背景下，我国降雨侵蚀力呈东南沿海向西北内陆递减的空间分布特征。有研究者采用大气环流模型HadCM3模拟未来(2035年、2036年、2065年、2066年和2095年)气候变暖背景下黄河流域降雨侵蚀力，认为降雨侵蚀力明显增加。

3 水力侵蚀作用对土壤碳库的影响

土壤学家和农学家们认为水力侵蚀导致了温室气体的释放完全是一种碳“源”效应，并且每年由于水力侵蚀造成CO₂的释放量达1~1.14Gt。因为侵蚀区土壤尽管提高肥料的施入和灌溉量，相比未受侵蚀的土壤其净初级生产力要低，导致侵蚀区土壤水肥失衡扰乱了水和营养元素的循环；其次是降雨雨滴击溅和径流剪切等侵蚀营力作用引起土壤团聚体的分解破裂，从而释放出原先被保护的有机碳促进了有机碳的矿化量；而且随径流迁移的有机碳属于表层密度较小的活性有机碳易于矿化分解。

Jacinthe等的研究表明，在侵蚀迁移过程中有20%~30%侵蚀碳被分解释放。针对受侵蚀迁移的大量有机碳在沉积区被重新团聚保护并固存的观点，土壤学家和农学家的研究认为几乎100%的侵蚀碳在剥蚀和迁移过程中就被完全矿化，迁移到沉积区的侵蚀碳已微乎其微；尽管随沉积物埋藏于地势低洼区的有机碳(20cm)有助于稳定化，但这部分碳容易受外界气候和人为耕作等因素的扰动进而被释放，而且土壤颗粒沉积于地势低洼区的有机碳在厌氧条件促进甲烷和氮氧化物的释放。

因此，土壤学家和农学家们认为在全球碳收支层面来看，土壤侵蚀是一个碳“源”过程。基于此观点的模型都得出了侵蚀碳要么全部被迁移至海洋碳库中，要么完全被矿化释放进入大气的结论。

与土壤学家和农学家的观点相反，沉积学家则认为水力侵蚀有助于增加土壤有机碳库从而成为“汇”效应。

首先，在侵蚀区迁移流失的有机碳可通过植被生长以及地表凋落物和地下根系输入的形式得以补偿(更新)；

第二，水力侵蚀导致侵蚀区土壤次表层裸露有助于富含硅酸盐的土壤母质化学风化，而裸露母质硅酸盐风化过程需要消耗大气中的CO₂作为反应物，尽管这种风化和CO₂的消耗量是有限的，这一过程也被认为水力侵蚀增加土壤碳“汇”效应；

第三，深层土壤是典型的碳不饱和层具有较高的土壤矿物黏粒含量，由于有机碳含量较低，该层土壤矿物黏粒具有较高的表面活性位点可吸附大量有机碳，形成稳定的矿物有机结合体(organo-mineral complexes)长期固存；

第四，土壤长期持久的化学风化可促使微量营养物质流失，侵蚀迁移表层这些经受长期化学风化的土壤，使化学风化相对较低的深层剖面抬升，可增加相关营养物质，这些微量元素可促进地上植物的生长从而增加侵蚀区光合产物的更新量；

最后，侵蚀土壤和有机碳大部分重分布于陆地中而不是进入海洋。有研究人员计算得出70%的侵蚀碳重分布于陆地生态系统中，这相当于土壤中每年增加了1.5GtC。

因此，有研究人员认为水力侵蚀还可以解释“碳丢失”的问题。有研究者结合坡面泥沙迁移模型和土壤有机碳的实测值，探讨了侵蚀作用对土壤-大气碳循环的影响。结果发现，沉积区每m²土壤每年可增加1.9gC。Simith等的研究结果也表明，侵蚀过程是一个碳汇的过程，如果考虑侵蚀碳在陆地生态系统中的沉积作用，美国的土壤碳汇量可增加47%。Harden等的研究同样表明，若在侵蚀区土壤存在持续的植被净初级生产力输入，而且地势低洼的沉积区侵蚀碳的分解率低于侵蚀区分解率的20%时，水力侵蚀是一个碳汇过程。Ma等的研究结果显示，在亚热带流域侵蚀导致表层富含有机碳的土壤深埋于沉积区，碳饱和度较低而且有机碳稳定性较高的次表层逐渐裸露导致了土壤碳库的增加。

4 水力侵蚀作用下土壤有机碳的稳定性机制

选择性稳定机制是研究人员在树叶及可见的植物碎片分解矿化中发现并提出的一种稳定机制。土壤有机碳分解矿化一般认为包括3个连续的过程。

第1阶段分解矿化活性较高的有机碳(周转时间在1~2年的有机碳)，这一阶段被分解矿化损失大约2/3的有机碳；第2阶段，分解速率变缓，这一阶段分解损失周转周期为大约为10~100年的有机碳，90%的有机碳被矿化释放；分解的最后一个阶段，主要损失的为周转时间超过100年的有机碳。

K gel-Knabner等研究人员通过固体核磁和热解法分析了第3个分解阶段的有机碳的化学成分，结果表明被认为周转周期较长的稳定性有机碳主要是多糖类和蛋白质为主，认为凋落物碳进入土壤后，生物利用重新合成是主要的原因，并且认为除了选择性稳定机制外，土壤有机碳的稳定存在还有其他机制在发生作用。

土壤有机碳的空间阻隔稳定机制是指由于土壤颗粒、团聚体、层状硅酸盐、分子疏水性、分子嵌套等形式阻隔了有机碳与分解者，使之不能被充分接触从而长期稳定存在于土壤中。土壤团聚体能够形成物理上的屏障，从而阻止分解者和底物的接触。Golchin等的研究表明，颗粒态有机质是形成团聚体的核心，从而形成有机碳的团聚体物理保护，使微生物和酶不能接触和利用。另外，团聚体内部氧气含量的骤减也限制了微生物有氧矿化。

不同粒级的团聚体对有机碳的保护能力有所不同，大团聚体的保护作用相对较弱。通过时长为360d的室内培养发现，大团聚体内的有机碳周转时间要比微团聚体中的短。这种微团聚体有机碳的稳定性大于大团聚体内的现象在野外实验中也得到了验证。John等研究了小麦、玉米、草地和云杉土壤团聚体中有机碳的组分，发现大团聚体中的有机碳主要为“新碳”，相比微团聚体中的有机碳更容易被分解者分解矿化。研究还发现，表层土壤有机碳大部分(90%)存在于大团聚体中，而大团聚体对有机碳的稳定作用并不是最长，因此，土壤中有机碳的稳定机制可能还存在其他机制。

有机矿物结合稳定机制是指有机碳与土壤矿物通过配位体交换、多价阳离子桥、氢键以及分子静电引力等形式结合，从而延长有机碳周转时间的作用机制。具体通过何种方式结合取决于有机碳的性质，土壤矿物组成和环境条件。一般具有高零电荷点土壤具有正电荷性质，因此通过阴离子交换吸附土壤有机碳中的羧基基团。此结合方式可提高分解活化能而有效阻止土壤有机碳被微生物矿化。土壤矿物对有机碳的吸附稳定作用和土壤黏粒矿物自身的膨胀性有关，土壤黏粒矿物中蒙脱石是有机碳较好的“保护体”，而高岭石对土壤有机碳的稳定作用相对较弱。Theng等研究认为有机质能够进入土壤矿物夹层而提高稳定性，其中聚亚甲基链就是一例，进入土壤矿物夹层后热稳定性显著提高。

以上土壤有机碳的物理化学和生物稳定机制均受水力侵蚀的影响。

从水力侵蚀发生的起始阶段，土壤颗粒或团聚体被降雨雨滴击溅而破碎。密度较低的细颗粒和颗粒结合态有机碳随径流优先迁移。这种剥离使原来受团聚体保护的有机碳“暴露”于分解者面前或更加易于化学矿化的环境当中，一部分被矿化而释放，一部分则由溶解态或颗粒态有机碳的形式随径流横向或纵向迁移。

土壤水力侵蚀的横向迁移阶段是土壤团聚体分解与形成的过程，大量的团聚体继续被破碎释放原来被保护的有机碳，同时土壤矿物质与有机碳的相互作用重新形成新的团聚体。

在最后的沉积阶段，侵蚀碳在这里被团聚或被黏粒矿物结合形成稳定态而埋藏于地势低洼的沉积区，因为侵蚀优先迁移的细颗粒物比表面积较大能与有机碳形成稳定的黏粒结合碳。侵蚀迁移的物质大多都重分布于侵蚀区周边地势低洼的区域，包括周边湿地、泥炭地、河口等区域。这些沉积区增加了湿度形成厌氧环境降低侵蚀碳的分解率。

在侵蚀区，表层土壤被侵蚀掉后深层土壤裸露形成“新的表层”，而深层土壤有机碳属于惰性碳库和碳不饱和层，具有更大的固碳潜力，亚表层裸露增加了黏粒矿物与有机碳之间的相互作用，促进了侵蚀区有机碳与黏粒矿物结合形成稳定的有机矿物结合体。在沉积区由于选择性迁移导致侵蚀区密度较低，活性较高的有机物质大量聚集并与侵蚀汇集于此的土壤矿物表面静电吸附，配位体交换，络合作用使沉积区有机碳稳定存在。

5 研究展望

如上综述，国内外大量的学者通过未侵蚀区-侵蚀区-沉积区这一地貌过程对土壤侵蚀和碳循环之间的关系进行了研究，并取得了一系列有益的成果。然而，土壤有机碳库在土壤水力侵蚀作用下的生物地球循环，以下4方面还需继续深入研究。

1)侵蚀作用下溶解性有机碳(DOC)迁移流失和组分变化。土壤水力侵蚀的生物地球循环的意义在一定程度上取决于被侵蚀掉的表层土壤和水溶性物质的迁移距离。DOC是土壤有机碳中活性较强的部分，可固存于土壤颗粒中构成土壤碳库的一部分，也可刺激土壤微生物活性促进有机碳的分解，而且在侵蚀驱动下垂向迁移和横向迁移可能都是DOC流失的主要途径，其含量和组分在沉积区和侵蚀区也可能随之发生变化。然而，过去侵蚀对土壤碳循环的影响很少涉及DOC部分。

2)不同侵蚀动力对有机碳组分的迁移流失。侵蚀营力是导致土壤及有机碳流失的驱动力。不同侵蚀营力下必然有相应的土壤有机碳组分的流失，不同侵蚀动力条件下有机碳流失的组分、富集等方面都存在差异，这种差异直接导致侵蚀迁移泥沙中有机碳的去向。

3)侵蚀原位区有机碳的更新及其稳定性。侵蚀原位区有机碳的不断更新是侵蚀碳汇的关键条件之一；但目前针对侵蚀原位区有机碳更新的零星报道也只涉及侵蚀区是否存在更新，而并未关注更新有机碳的稳定性。然而，侵蚀区存在有机碳的更新可能还不足以成为侵蚀碳汇的必要条件之一，因为，更新的有机碳稳定性决定更新碳能否成为土壤碳库一部分而长期固存。

4)沉积区有机碳的稳定性际及其机制。尽管学界目前已达成一致意见的是沉积区有机碳的分解速率比侵蚀区低并归结为沉积区土壤含水量较高易形成厌氧环境，而且有机碳在沉积区可形成稳定的保护机制。但对沉积区埋藏的有机碳性质关注不够，如埋藏的有机碳是活性组分多还是稳定性组分含量多，这可能会影响沉积区能否成为侵蚀碳汇的先决条件。