砾石覆盖下土壤侵蚀过程中有机碳转移数量特征

Quantitative Characteristics of Organic Carbon Transfer during Soil Erosion under Gravel Cover

摘要

青藏高原对气候变化响应敏感，且具有提前的征兆，由于全球变暖的原因，冻土的融化会使冻土中所含的碳化合物以温室气体的形式排到大气中，从而进一步加剧全球变暖，本研究利用野外实地调查和采挖土壤侵蚀区的土壤到室内实验室采用模拟径流冲刷法对土壤进行实验，主要得到：（1） 当坡面土壤无砾石覆盖时，随着坡度的增加，有机碳的流失量也随之增加；（2） 相比没有砾石覆盖的坡面土壤，砾石覆盖度为40%和70%时的土壤有机碳流失量显著大于裸坡的有机碳流失量；（3） 随着砾石覆盖度的增加，砾石体积对土壤的破坏力增强，最终使有机碳失去物理保护而迁移流失，造成土壤有机碳流失量增加。由以上结论得出，在今后的裸坡地带进行水土流失预防和治理时应注重削减坡度的方式来减缓土壤侵蚀的发生和有机碳的流失。

Abstract

The Qinghai-Xizang Plateau is sensitive to climate change and has early signs. Due to global warming, the melting of permafrost will cause carbon compounds contained in permafrost to be released into the atmosphere in the form of greenhouse gases, further exacerbating global warming. This study utilized field surveys and laboratory experiments, employing simulated runoff erosion techniques on soil samples collected from erosion-prone areas. The main results found an increase in slope steepness lead to a higher loss of organic carbon in the absence of gravel coverage on sloped soil. Moreover, compared with slopes without gravel coverage, slopes with 40% and 70% gravel coverage had significantly greater soil organic carbon losses. As gravel coverage intensifies, it exerted a more destructive impact on the soil, ultimately causing the loss of physical protection for organic carbon, thereby increasing soil organic carbon loss. These findings underscore the importance of reducing slope steepness in future soil erosion prevention and control efforts in bare slope areas to mitigate both soil erosion and organic carbon loss.

Graphical abstract

关键词

砾石覆盖 / 土壤侵蚀 / 有机碳流失

Key words

gravel coverage / soil erosion / organic carbon loss

土壤侵蚀是当今中国乃至全球人们重点关注的生态环境问题之一，它可以导致土地资源流失，土壤肥力和质量下降等，严重破坏了人类生存与发展的空间^[1]。由于土壤侵蚀和人类活动的加剧，导致大部分土壤出现粗化现象，使土壤中含有大量的细砂和砾石，经常在坡面或平原会出现砾石镶嵌在土壤之中或覆盖在土壤表面的现象^[2]。在土壤侵蚀过程中砾石的主要作用表现在以下两个方面，一方面是保护土壤表面，以减轻或防止雨滴和径流对土壤的破坏，削弱径流对表层土壤的冲刷作用，这可以直接影响土壤侵蚀过程^[3]；另一方面主要是影响土壤的物理性质和水文过程，这属于间接影响土壤侵蚀过程^[4]。在土壤侵蚀过程中经常伴随着泥沙量的流失，使得贮存在土壤中的有机碳随着泥沙量的流失也随着发生迁移和流失。土壤是碳循环过程中的主要载体，土壤中的碳以CO₂的形式排放到大气中时可加剧全球气候变暖，土壤中有机碳发生迁移或流失至大气中时会对全球气候变暖产生明显的影响^[5]。

青藏高原属于地球“第三极”，对气候变化响应极为敏感，且具有提前响应的征兆，由于全球变暖的原因，贮存在冻土土壤中的碳以温室气体的形式进入大气中，从而进一步加剧全球变暖，再次对全球气候产生重要影响；并且该地区现代土壤形成的历史比较短暂，土壤发育速度较为缓慢，土壤中砾石含量较大分布面积较广^[6]。本研究通过室内模拟实验得出在高寒区土壤侵蚀过程中不同砾石覆盖度下土壤中有机碳含量随泥沙量迁移的数量特征，为今后高寒区土壤有机碳在不同砾石覆盖下流失特征提供基础数据，同时也可为青藏高原地区侵蚀防治和生态文明建设提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 土壤样品采集

试验土壤是2021年10月采取于西藏林芝市境内色季拉山海拔为4 400 m处的高寒草甸土。色季拉山属于念青唐古拉山余脉与喜马拉雅山东部向北发展的山系接合部，整个山脉呈东北—西南走向，地势由西向东逐渐降低^[7-8]。其地理位置由于印度洋暖湿气流的影响，属于半湿润与湿润区的过渡地带，海拔在2 200～5 300 m之间，面积约230 km²。全年平均日照时数达到1 150 h以上^[9]，年均气温为 - 0.7 ℃，全年最低气温为 -31.6 ℃，最高气温为24 ℃。年降水总量在600～1 000 mm，且雨季主要集中在每年的5-10月份，占全年总降水量的75%左右^[10]。温凉而潮湿的气候条件，致使色季拉山在垂直梯度内形成了一个显著的气候带，并且从山顶到山脚区域内的土壤可划分为海拔4 800 m以上的高山寒漠土、林线之上为高山草甸土、亚高山灌丛草甸土主要分布于高山灌丛之下^[11]。

由表1和表2中可以看出，实验高寒草甸土的土壤质地为粉砂质壤土，容重为1.4 g/cm³，在不同团聚体有机碳含量主要分布在7~10 mm，分布最少的团聚体为＜0.25 mm，而其他粒径中都均匀分布。

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法

本研究利用野外实地调查和采挖土壤侵蚀区的土壤到室内实验室采用模拟径流冲刷法对土壤进行实验。再模拟不同流量、坡度及坡长对土壤进行冲刷实验，获得不同砾石覆盖下土壤侵蚀过程中有机碳转移数量特征。将通过10 mm筛孔的土填入土槽中，在土槽中的填充厚度10 cm，并且使用环刀在土槽的上中下三个部位分别测填装土的容重，将土壤容重控制在1.4 g/cm³与原始土壤接近。然后再取土槽内上中下三个部位的土进行有机碳的测定，装填土达到实验要求后，再进行实验。根据前期试验小组野外实地调查，本试验设置为0、40%和70%，3个砾石覆盖度；设计5°、10°、15°和20°这4个坡度。依据位于色季拉山上的西藏高山生态系统定位站多年观测统计数据和已有研究^[12]的降雨量，本试验设计3个单宽流量，分别为1 L/min、2 L/min和4 L/min。

冲刷前后有机碳的测定方法利用重铬酸钾加热法，具体方法如下：

(1)称取0.1 g实验土壤倒入玻璃试管中，然后加入5 ml的重铬酸钾溶液和浓硫酸；

(2)将完成第（1）步的试管放入180 ℃的油浴锅中加热5 min；

(3)取出油浴锅中的试管进行冷却处理，随后将试管中的液体吸入三角瓶中，将三角瓶中的溶液体积控制在70 ml左右；

(4)在三角瓶中滴入3 ~ 5滴邻菲啰啉试剂，并且用滴定管中的硫酸亚铁溶液进行滴定，边滴定边摇晃三角瓶，直至瓶中溶液颜色逐渐变为棕红色，滴定结束并记录硫酸亚铁的消耗量。

1.2.2 数据处理

本实验利用Excel软件对数据进行整理分析，运用SPSS软件对砾石覆盖度与不同实验变量进行相关性分析，利用Origin软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 无砾石覆盖时有机碳流失特征

由图1可以看出，当坡度为5°时，流量为2 L/min时的有机碳流失量最大；而流量为1 L/min和4L/min的有机碳流失量变化趋势基本一致。当坡度为10°时，流量为1 L/min的有机碳流失量最大，随着坡长的增加有机碳流失量随之减少，并且3个不同流量的有机碳流失量减少趋势大致相同。当坡度为15°时，随着坡度的增加，不同流量时的有机碳流失量逐渐减小，在坡长5 m时达到最小值。当坡度在20°时，有机碳流失量的变化规律呈现为先增加后减小，当流量为4 L/min时，在坡长4 m处达到最大值，而流量在1 L/min和4 L/min时有机碳流失量达到最大值的坡长分别为7 m和5 m。

2.2 砾石覆盖度40%时有机碳流失量

由图2中可以发现，当坡度为5°、10°和15°时，土壤有机碳的流失量随着坡长的增加变化表现为4 L/min >2 L/min >1 L/min，并且在2 L/min时，随着坡长的增加有机碳流失量随之减小。而当坡度为20°时，有机碳流失量在流量1 L/min、2 L/min和4 L/min时出现波动现象，这是因为在较大坡度时，水流势能转化为动能，加之砾石覆盖的原因，使得水流在冲刷槽内形成不稳定的流速，对土壤的冲刷也造成不同程度的破坏，使泥沙量在出沙口不稳定输出，最终有机碳的流失量随泥沙量出现波动现象。

2.3 砾石覆盖度70%时有机碳流失量

由图3中发现，当坡度为5°时，有机碳流失量的大小顺序表现为4 L/min >2 L/min >1 L/min，并且坡长在4 m之前有机碳的流失量随着坡长的增加而减少，在4 m以后出现波动现象，这是因为随着坡长的不断增加，水流长距离地对土壤进行冲刷，对水流的动能进行消耗，使水流在侵蚀槽内出现不稳定流动，导致在出沙口的泥沙量出现波动。当坡度为10°时，有机碳流失量的顺序为4 L/min >1 L/min >2 L/min，并且在坡长7 m处有机碳流失量达到最大值，这是因为随着坡长的增加，水流的冲刷面积也随之增加，土壤侵蚀量也逐渐增加，最终埋藏在泥沙中的有机碳流失量随着水土流失的加剧而增加。当坡度为15°，坡长4 m时，每个流量时的有机碳流失量达到最大值，说明在砾石覆盖率较大的情况下，坡长4 m为有机碳流失量的临界坡长。当坡度为20°时，有机碳流失量大小顺序表现为2 L/min >4 L/min >1 L/min，并且在坡长3 m时有机碳流失量达到最小值，而在坡长为4 m时，流量为2 L/min时的有机碳流失量达到最大值。

2.4 不同砾石覆盖下有机碳流失特征

由图4中发现，当土壤表面无砾石覆盖时，随着坡度的逐渐增加，有机碳的流失量也随之增加，这一现象说明在土壤表面无任何覆盖物时在土壤侵蚀过程中，坡度越大，随着泥沙迁移流失的有机碳含量也越多。而当砾石覆盖度为40%和70%时，坡度从5°达到15°时，土壤有机碳的流失量随坡度的增加而增加；而坡度达到20°时，有机碳流失量呈减小趋势，说明在土壤侵蚀过程中影响有机碳流失量的主要原因为坡度。并且由上图还可以看出，在4个不同的坡度下，在砾石覆盖度为40%时有机碳流失量为无砾石覆盖度的1.67倍、1.78倍、1.63倍和1.53倍，砾石覆盖度为70%的有机碳流失量为无砾石覆盖度的1.62倍、1.57倍、1.39倍和1.24倍，即相比无砾石覆盖的土壤，砾石覆盖度为40%和70%时的土壤有机碳流失量显著大于裸坡的有机碳流失量。

2.5 砾石覆盖度与土壤有机碳流失量相关性

由上图发现，砾石覆盖度与坡度为5°时3个流量下有机碳流失量极显著正相关（p<0.01），说明当坡度为5°时，不同流量下有机碳流失量随着砾石覆盖度的增加而增加；并且从整个相关性分析表中发现，砾石覆盖度与土壤有机碳流失量成正比，从而发现砾石覆盖度越高，有机碳的流失越严重，这最主要的一个原因就是在土壤表面有一定体积的砾石覆盖时，水流不能直接冲刷表层土壤，而是冲刷砾石，导致一部分砾石嵌入到土壤里面，破坏了表层土壤的结构，使得被破坏土壤中出现较多的细沟侵蚀，致使侵蚀过程中的泥沙量增加。当土壤表层中砾石覆盖度增加时，其嵌入土壤中的砾石体积也会越大，砾石与土壤之间更易形成剧烈的侵蚀，导致土壤流失量的显著增加，最终使泥沙中有机碳的流失量增加。

3 讨论

有机碳是组成泥沙的主要成分之一，因此在坡面土壤侵蚀过程中伴随着有机碳的流失。本研究中得到随着砾石覆盖度的增加，相比无砾石覆盖度的有机碳流失量也增加，这与前人的相关研究结果^[13]大致相同；说明当砾石镶嵌至质地紧密且易结皮的土壤表皮时，地表泥沙流失量与砾石覆盖度呈正相关关系，这也表明在产流产沙过程中有机碳的流失量与砾石覆盖度呈正相关关系。但随着砾石覆盖度的逐渐增加，相比40%覆盖度时，70%覆盖度的有机碳流失量逐渐减小，这也充分说明由于土壤砾石覆盖度的不断提高，大部分的土壤被砾石所覆盖，使土壤降低了径流的冲刷作用，也使得砾石覆盖度与产流产沙的相关关系转化为负相关关系^[14]，致使有机碳的流失量也随之降低；这与前人的研究结果相似。

砾石覆盖度为40%和70%时有机碳流失量大于无砾石覆盖度有机碳流失量，这是因为土壤表面的砾石面积可以更好地让土壤表面结皮，使得径流的入渗量减少，从而增加了表面径流，最终使整个冲刷过程中的土壤侵蚀加剧，泥沙量增加，随泥沙流失的有机碳含量也随之增加。并且当砾石覆盖度为40%时，相比砾石覆盖为0%和70%时的有机碳流失量多，即在裸露的坡面发生土壤侵蚀时，由于地表没有任何覆盖物，使得土壤入渗量增加，泥沙量减少。

4 结论

本研究通过对高寒区土壤进行室内模拟冲刷实验，探究在不同砾石覆盖度、坡度、坡长和流量的情况下，得到有机碳流失量的变化特征，为今后高寒区水土流失的预防和治理提供一定的基础数据，并且为青藏高原生态战略安全屏障进行更深层次的评估和保护，即通过实验研究主要得到了以下结论：

（1）当坡面土壤无砾石覆盖时，随着坡度的增加，有机碳的流失量也随之增加，说明在此情况下影响有机碳流失量的主要因素为坡度，在今后的裸坡地带进行水土流失预防和治理时应注重削减坡度的方式来减缓土壤侵蚀的发生和有机碳的流失。

（2）相比没有砾石覆盖的坡面土壤，砾石覆盖度为40%和70%时的土壤有机碳流失量显著大于裸坡的有机碳流失量，这是由于土壤表面的砾石面积可以更好的让土壤表面结皮，土壤入渗量减少从而使土壤表面的径流增加，最终整个土壤侵蚀过程中的泥沙量增加，致使埋藏在土壤中的有机碳也因为土壤侵蚀过程中对土壤团聚体的破坏而增加流失量。

（3）由于砾石覆盖度的增加，土壤有机碳流失量也逐渐增加，这是由于砾石覆盖的面积越大，使得砾石嵌入土壤中的体积越大最终导致对土壤的破坏力越大，使得土壤团聚体被破坏从而对有机碳的物理保护降低，导致土壤中的有机碳流失量增加。

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基金资助

国家自然科学重点基金(41930754)

西藏农牧学院农业资源与环境学科建设开放课题-研创项目(533320003)