基于多源示踪的黄土丘陵流域碳循环和水文过程耦合研究

The carbon export and hydrological coupling process in watershed play an important role in the balance of carbon cycle in ecosystem, so clarifying the carbon-H2O coupling cycle will be helpful for disclosing the carbon biogeochemistry cycle process and further understanding the carbon horizontal export respond and adaption to global change. The study select check-dam watershed in the Loess Plateau as research field , to select Yangjuangou small watershed sited in Yan'an city,Shanxi Province. To layout space sampling points under considering vegetation types and characteristics of terrain, by field investigation, observation of runoff plots, 137Cs trace, stable carbon isotope trace and hydrological automatic monitoring technology, we will emphasize the carbon isotope differentiate characteristic, explore the carbon transport by water and sediment under rainfall drive, accurately analyze the carbon isotope source, disclose the mechanism of carbon cycle and hydrological coupling process, and lastly provide the scientific base for carbon sequestration potential evaluation in arid/semi-arid zone.

流域生态系统的碳输移与水文过程耦合状况对于生态系统碳循环起着非常重要的平衡作用，因此阐明流域生态系统碳-水循环的耦合过程有助于揭示生态系统碳生物地球化学循环过程，深入理解陆地生态系统碳水平输出对全球变化的响应和适应。本研究以黄土丘陵典型坝系流域为对象，选取陕西省延安市羊圈沟小流域。综合考虑流域内植被类型和地形特征，布设空间采样点，利用径流小区观测、137Cs示踪、稳定碳同位素示踪、水文自动监测等技术和手段，着重研究流域植被-土壤系统碳同位素分异特征，探讨降雨驱动下流域水沙过程的碳输移特征，精确解析流域碳同位素来源，揭示流域碳循环和水文过程耦合机制，为干旱半干旱区固碳能力和潜力的评估提供科学依据。

流域水文过程驱动着物质在空间分布以及不同圈层间迁移的动态变化。因此阐明流域生态碳-水循环耦合过程有助于揭示生态系统碳生物地球化学循环过程。本项目以黄土高原丘陵区典型坝系流域-羊圈沟流域为对象。综合考虑降雨、植被系统和土壤侵蚀过程，结合土壤碳同位素示踪和水文过程自动在线监测等技术。结果表明受到气溶胶来源、降雨特征和水汽来源路径影响，流域降雨中可溶性有机碳（DOC）、可溶性无机碳（DIC）湿沉降浓度变化分别为1.01-24.62、4.30-10.52 mg L-1。同时DOC、DIC月沉降通量分别为564.4-131.03、94.60-385.03mg m-2。穿透雨和树干径流DOC富集系数为1.11-4.00、2.18-8.12。可见降水经植物冠层再分配的淋洗过程，穿透雨与树干径流中DOC含量均显著地增加。降雨驱动下流域水文过程中DOC浓度为5.14-13.00 mg L-1且在径流量较低时差异较大，与径流量呈非线性关系表明受到流域水文连通性影响。另外通过分析黄土高原流域坝地和沟道土壤碳沉积特征，并利用土壤碳稳定同位素技术对碳来源进行解析。淤地坝有机碳同位素值变化范围为-23.90 ~ -21.39‰，呈现表层土随深度增加有偏正趋势，200~500 cm土层随深度增加有偏负趋势。沟道沉积土壤有机碳同位素值随沉积深度增加呈现偏正趋势，变化范围为-27.97~ -23.15‰。流域坝地表层土壤有机碳来源多来自于灌木，深层淤地坝有机碳难以示踪其来源。沟道表层土壤有机碳则多来自于灌木及草地，这与沟道附近植被分布密切关系，沟道沉积土壤有机碳相较于淤地坝更易追溯其来源。该项目研究结果可为探讨降雨径流过程对流域碳流失的驱动机制提供参考，有助于解析黄土高原区流域土壤碳生物地球化学循环与水文过程耦合机制。