东北侵蚀型黑土有机碳迁移-再分布规律及其对土壤呼吸影响机制的研究

Now, high attention has been attracted from government and academy to the decline of both the quality and quantity of black soil resources. Carbon loss due to soil erosion and improper soil management has been one of the most important problems in the northeast China, and migration and redistribution of soil particle with soil organic matter is becoming a focused issue in global carbon cycling system. However, the change pattern and regulation mechanism of soil organic carbon (SOC) and soil respiration under the interaction of soil erosion and farm management in northeast China is still not clear, and the transfer process between carbon source and carbon sink for black soil is still unclear. Therefore, this proposal, taking the eroding black soil in Northeast China as study subject, tries to combine in-situ monitor system, controlled experiment and biogeochemical process-based model (DNDC) to solve the problems. First, we try to obtain change pattern (migration and redistribution) of soil organic carbon under the interaction of soil erosion and soil management, and its impact on soil respiration. Second, we try to explore the characteristics of carbon loss during the process of mineralization and decomposition, and migration and deposition, and estimate the total SOC loss. Finally, we use the validated model to quantitatively evaluate the balance characteristics of soil organic carbon in the eroding black soil and and reveal the regulation mechanism for mitigating SOC loss in erosion condition. The achievements will provide scientific basis and data support for black soil resources protection and soil carbon pool management in China.

以土壤有机质下降为突出表现的东北黑土资源“量减质退”问题，已引起政府和学术界高度关注。由于土壤侵蚀与不合理农田管理措施导致土壤碳丢失成为东北黑土退化最突出问题。本研究以东北典型侵蚀型黑土为研究对象，针对黑土在土壤侵蚀与不同农田管理措施相互作用条件下有机碳和土壤呼吸变化规律与机制不清晰、黑土有机碳“源”“汇” 效应不明确等科学问题，通过田间原位系统监测、控制试验和生物地球化学过程模拟（DNDC模型）紧密结合、相互印证的系统方法，探究黑土在侵蚀背景下，土壤有机碳迁移—再分布规律及其对土壤呼吸的影响机制，明确土壤有机碳在矿化分解和迁移沉积两个过程上的损失规律与总量，定量评价典型侵蚀型黑土土壤有机碳库的平衡特征及其“源”/“汇”效应，为黑土资源保护与碳库管理提供科学依据。

本基金针对东北黑土坡耕地水蚀条件下土壤有机碳库源（汇）效应及其平衡特征不清晰的科学问题，通过在东北典型坡耕地定点野外试验监测和过程模型相结合的研究方法，在探究坡耕地水土流失“侵蚀-沉积”规律的基础上，明确了土壤有机碳（SOC）和溶解性有机碳（DOC）具有沿坡向“迁移-再分布-流失”的特征，降雨造成的水土流失是其主要驱动因素，且SOC流失量远远大于DOC。经过多年的耕种，坡顶和坡址SOC含量均显著大于侵蚀区（坡肩和坡背），SOC主要沉积部位在坡趾的表层。土壤呼吸监测结果表明不同垄作模式（顺坡垄作和横坡垄作）均表现为“先升高，后降低”的特征，在7月中下旬达到峰值，在夏季不同垄作模式不同坡位间土壤呼吸速率差异较大，而在春、秋季土壤呼吸速率波动较小。土壤温度可以解释土壤呼吸速率变化的9.9%-89.8%，顺坡垄作条件下不同坡位温度敏感系数Q10值一般表现为坡肩>坡背>坡顶>坡趾，这表明水土流失增加了侵蚀区的温度敏感性，对全球变化形成了正反馈。结构方程模型表明SOC的迁移量对土壤呼吸速率影响不显著，而DOC迁移量显著影响土壤呼吸速率，并且和温度的影响效应相同。经过4年的改垄试验，横坡垄作不同坡位玉米产量高于顺坡垄作，主要体现在坡肩和坡背两个坡位（平均增产为20%），表现出较好的增产效果。横坡垄作0-20cm土层在坡顶、坡肩和坡趾土壤有机碳含量分别高于顺坡垄作2.1%、4.3%和10.0%（P>0.05），在坡背区域显著高于顺坡垄作12.4%（P<0.05），说明横坡垄作具有一定的固碳能力，尤其在坡背位置表现最为明显。横坡垄作地表径流年均产生次数和产生量低于顺坡垄作，能显著减少地表径流损失和单位面积泥沙损失量99%，且能有效减少伴随径流而损失的土壤碳。不同垄作措施下不同坡位土壤有机碳平衡均为负值，均表现为入不敷出，其范围为-1792.6至-1093.2 kg C/hm2。由于仅进行了根系还田，有机碳输入量较少，为178.8-361.5 kg C/ hm2。坡耕地碳输出量中，土壤呼吸碳损失占所有碳损失的主要部分，约为91.1%~99.99%，而通过径流迁移损失的碳含量比例较少，但需要注意的是随径流损失的碳是影响作物生长和产量的土壤表层活跃碳组分。