基于侵蚀与沉积过程的林下水蚀区碳源汇效应研究

As the only driving force, soil erosion can transport and redistribute soil organic carbon (SOC) in terrestrial ecosystems. Soil erosion has been an important surface process under forest in red soil region of southern China. Therefore, the lateral migration of soil organic carbon induced by soil erosion is one of the most important uncertainties in global carbon cycle forecasting. In this proposed study, we will investigate carbon cycle caused by soil erosion under forested water-eroded area of red soil of southern China. We will combine field observation and laboratory analysis, and develop a method to identify “erosive source”and “deposive sink” at catchment scale. Using the 137Cs tracer technology, we will analyze the relationship between the 137Cs and variation of SOC. Effect of vertical and lateral transportation of soil particles on SOC dynamics will be explored among different patterns of stand structure. Our model, coupling with processes of soil erosion and SOC cycles, will be able to predict SOC dynamics in under-forest water-eroded area. Finally, using the model, we could quantitatively evaluate the effect of soil erosion on SOC dynamics, and estimate the net carbon source/sink due to soil erosion.

土壤侵蚀是陆地上唯一能使大量易矿化土壤有机碳迁移和再分配的驱动力，我国南方红壤区林下土壤侵蚀问题十分严重，而林下水蚀区作为一个重要的地表过程，引起土壤碳的横向迁移对碳平衡估算的不确定作用不容忽视，因此本申请以南方红壤林下水蚀区为研究区域，通过室内实验与野外试验，基于同位素示踪技术、遥感技术和数值模拟技术，研究不同植被结构特征条件下侵蚀—沉积过程所引起的土壤有机碳变化规律。构建小流域尺度侵蚀源与沉积汇的识别方法，探究137Cs和土壤有机碳共变规律，形成可适用于林下水蚀区侵蚀逆境下土壤有机碳的估算方法，定量评价侵蚀对土壤有机碳的影响，建立侵蚀最终产生碳源/汇的净效应计算方法。

土壤侵蚀对全球陆地生态系统碳循环的影响已经成为近年来全球气候变化与碳循环领域的研究热点，但“林下水蚀区”侵蚀-沉积分布格局对有机碳迁移的影响及土壤侵蚀的碳源/汇效应尚不明晰。基于此，本项目以南方红壤区的林下水蚀区土壤为研究对象，结合同位素示踪技术及遥感数据，重点研究了侵蚀-沉积区植被景观结构特征;通过室内人工模拟试验，厘清了水力侵蚀作用下土壤有机碳选择性迁移与富集规律；通过团聚体矿化的室内培养试验，研究了侵蚀区和沉积区土壤有机碳矿化特征，厘清了团聚体在全土矿化过程中扮演的角色，揭示了水蚀过程中坡位土壤碳的收支更趋向于“碳源”效应。主要研究发现包括：1、 LAI是反映植被防蚀作用和反演C因子的最佳植被指数， 当LAI＜3.7，55°的单角度数据反演精度最高，说明对于垂直结构简单的森林而言，单角度遥感数据就足以进行LAI和C因子估算。当LAI≥3.7，0°、55°和-55°的多角度数据组合反演精度最高，表明对于垂直结构复杂的森林，多角度数据可以提高LAI和C因子估算的精度。2、水蚀过程会导致坡面SOC发生选择性迁移，有机碳富集率变化范围为0.585-1.726。有机碳大多以泥沙态流失，少量随径流流失，通过CREAMS预测模型在预测人工模拟降雨的有机碳流失时更为精准可靠。3、土壤侵蚀显著影响土壤的矿化潜力。水蚀增加了土壤团聚体潜在可矿化(C0)，加速土壤有机碳的消耗，显著改变了土壤有机碳周转速率(k)，土壤团聚体有机碳累计矿化量对全土的贡献值的变化在不同粒径和不同侵蚀部位的影响不一，大团聚体累积矿化量贡献值的减少和微团聚体累计矿化量贡献值的增加。土壤团聚体稳定性对C0存在显著正相关关系（p<0.05），＜0.053 mm微团聚体有机碳含量对C0贡献最大，土壤碳的收支更趋向于“碳源”。4、侵蚀显著降低了土壤活性有机碳组分含量和土壤C、N和P相关酶活性(P＜0.05)，然而沉积作用有利于活性碳固存及酶活性的增强，侵蚀可能与加速的活性碳组分的矿化分解过程、微生物生长所需的基质降低有关，侵蚀区成为重要的“碳源”。本研究成果为科学评估水蚀背景下土壤碳循环过程，准确掌握侵蚀对碳收支的影响，提供了理论基础。