张亚锋，许明祥，陈盖，王超华

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌；2.中国科学院大学,100049,北京；3.西北农林科技大学林学院,712100,陕西杨凌)



黄土丘陵区水蚀坡面土壤有机碳矿化动态模拟

张亚锋1,2，许明祥1,3†，陈盖3，王超华3

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌；2.中国科学院大学,100049,北京；3.西北农林科技大学林学院,712100,陕西杨凌)

为了深入理解侵蚀影响下的碳排放机制，本文以黄土丘陵区不同有机碳背景的水蚀坡面土壤为研究对象，采用3因素(土壤有机碳水平、温度和土壤含水量)4水平的正交试验设计，通过对坡面不同部位土壤的室内矿化培养实验，分析水蚀坡面土壤有机碳矿化特征，并模拟土壤有机碳矿化动态。结果表明：土壤有机碳质量分数是影响水蚀坡面有机碳矿化的主要因素，不同有机碳背景下，水蚀坡面表现出不同有机碳矿化特征。当土壤有机碳水平较低时，坡面侵蚀促进了沉积区土壤有机碳矿化；当土壤有机碳水平较高时，沉积区土壤有机碳矿化受到抑制。一级动力学方程较好的描述土壤有机碳矿化累积动态(R>0.98)，有机碳矿化潜力(Cp值)能综合反映土壤有机碳水平、温度和含水量对有机碳矿化的影响。通过Cp值修正，得到的土壤有机碳矿化多因素方程拟合度较高(R2>0.95)，能够很好地拟合不同有机碳水平下土壤有机碳矿化动态。

土壤有机碳； 水蚀坡面； 矿化动态； 影响因素； 模拟

土壤有机碳的矿化是联系土壤内部与外部碳循环过程的重要环节。在碳循环过程中，土壤呼吸占整个陆地生态系统呼吸的60%～90%，是陆地上仅次于光合作用的第2大碳流通途径[1]。土壤呼吸的变化与全球气候变化密切相关，因此，土壤有机碳的动态变化，成为近年来陆地生态系统碳循环和全球变化研究中的热点问题[2]。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布的驱动力[3]，是引起土壤有机碳库变化的主要因素之一[4]。

目前，侵蚀碳的“源与汇”问题存在着较大争议。不同背景的土壤有机碳，对侵蚀碳的源汇功能转换，尤其是对沉积区泥沙搬运来的碳的转换机制有很大影响，对侵蚀影响下的土壤有机碳矿化动态和土壤碳排放机制的研究，在不同有机碳背景下都具有重要意义。

本研究在黄土丘陵区水蚀坡面上，以侵蚀沉积过程中，不同部位土壤为研究对象，通过对其矿化特征的分析及矿化动态的模拟，揭示土壤有机碳背景、温湿度对水蚀坡面土壤有机碳矿化的影响，为深入理解水蚀坡面碳排放影响机制提供科学依据，为坡面尺度碳收支计算提供参考。

1　研究区概况

研究区位于陕西省安塞县(E 108°51′～109°26′，N 36°31′～37°19′)，试验在安塞水土保持综合试验站山地试验场坡面小区进行。研究区属典型的黄土丘陵沟壑区，暖温带半干旱季风气候。平均海拔1 200 m，相对高差100～300 m，年均气温8.8 ℃，多年平均降水量505 mm。年日照2 300～2 400 h，≥10 ℃的积温为3 282 ℃，干燥度指数K=1.48，无霜期157 d。降水年度分配不均，7—9月降水量占年降水量的60%左右，且多暴雨。地带性土壤为黑垆土，由于严重的水土流失，黑垆土损失殆尽，土壤以黄土母质上发育来的黄绵土(钙质干润雏形土)为主。

2　材料与方法

2.1试验设计

为了在坡面尺度上能够呈现土壤侵蚀过程的主要阶段(侵蚀—沉积)，坡面小区设计为“S”型坡(图1)。小区设计为裸地，无植被覆盖。小区面积4 m×17 m，坡向朝东，坡度19°。小区设3个土壤有

机碳水平：高碳(H)、中碳(M)、低碳(L)。2013年10月，对样地进行整修和施肥。在高碳和中碳小区施有机肥，肥料为腐熟的羊粪，有机肥撒施在地表，翻地15 cm，与表土混匀。施肥量分别为2.04和1.36 kg/m2，低碳小区不施肥。

图1　S型坡面侵蚀- 沉积分区示意图Fig.1　Schematic diagram of erosion-deposition division on the S type slope

选择正交表头L16(45)，为满足正交设计要求，采用拟水平法，通过高碳水平得到拟高碳水平(QH)，拟高碳水平结果不参与计算分析。基于试验区土壤温湿度在雨季(6—10月)的变化范围，同时考虑实验的可操作性，设置试验所需温度和土壤含水量水平梯度。正交试验设计如表1所示，对水蚀坡面3个部位均按照正交表进行实验。

表1　正交试验设计

Note:H:High carbon; M:Middle carbon; L:Low carbon; QH:Quasi High carbon.

2.2样品采集

2014年8月上旬，在小区各部位(侵蚀区、沉积区和对照区)采集0～20 cm土层的土壤，采样方法为随机布点法，即在采集部位随机选取3个样点，采集土样、混合，风干过筛后，对土壤有机碳质量分数和土壤全氮质量分数进行测定(表2)。2014年9月下旬，为避免下层土壤的干扰，充分反映坡面侵蚀区和沉积区的土壤属性及其矿化特征差异，按上述采样方法，采集0～5 cm土层的土壤，重复4次，共36个混合土样。将采集好的土样装入保温袋低温运回实验室，放入4 ℃的冰箱中保存。土样过2 mm筛，用于测定有机碳矿化及微生物量碳(表2)。

表2　试验小区土壤基本性质 (平均值±标准差)

2.3试验方法

土壤微生物量碳的测定，采用氯仿熏蒸法[18-19]；土壤有机碳用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮用凯氏法消解，K2300型全自动定氮仪测定。

土壤有机碳矿化量采用室内恒温培养、碱液吸收法测定。实验所需相当于50 g风干土的新鲜供试土壤质量m，先用烘干法测定36个混合土样含水量w，再通过公式m=50/(1-w)计算获得。称取相当于50 g风干土的新鲜供试土壤，置于500 mL塑料培养瓶中，加蒸馏水调至设定的土壤含水量水平，同时，设不加土样的空白处理。培养期间用称量法补充水分，以保持恒定的土壤湿度。将10 mL浓度为0.1 mol/L的NaOH溶液置于50 mL小烧杯，用以吸收有机碳分解释放出的CO2，然后密封培养瓶，将培养瓶置于已设定温度的恒温箱内培养。在培养的第2、4、7、11和16天更换NaOH溶液，同时，将取出的NaOH溶液完全吸入三角瓶中，然后加入1 mol/L BaCl2溶液1 mL及酚酞指示剂，用0.1 mol/L HCl滴定至红色变为粉红色，根据CO2的释放量，计算培养期内土壤有机碳的矿化量[12]。

2.4数据计算与分析

用CurveExpert 1.3模拟有机碳矿化动态，用SPSS 18.0软件对正交设计实验结果进行方差分析。在一级动力学方程基础上，结合土壤微生物量碳质量分数、土壤温度和土壤含水量数据，建立方程，用SPSS 18.0软件进行非线性回归分析。各部位各有机碳水平下的矿化特征，用其所包括试验号结果的算术平均值表示。

3　结果与分析

3.1土壤有机碳矿化特征及其影响因素

培养期(16 d)高碳水平下，侵蚀区、沉积区和对照区的平均矿化速率分别为0.093 1、0.055 3和0.067 0 g/(kg·d)，中碳水平下分别为0.060 9、0.037 9和0.045 4 g/(kg·d)，低碳水平分别为0.029 9、0.028 5和0.025 5 g/(kg·d)。随着培养时间的延长，土壤有机碳矿化速率先迅速下降，而后缓慢降低，并逐渐趋于稳定，土壤有机碳进入缓慢矿化分解阶段，坡面各部位矿化速率的差异，随土壤有机碳水平的降低而减小(图2)。

坡面各部位土壤有机碳累积矿化量的差异，随有机碳水平的降低而减小(图3)。侵蚀区与对照区相比，累积矿化量显著增加，高碳、中碳和低碳水平下分别增长39.0%、34.3%和17.3%；沉积区与对照区相比，高碳和中碳水平下分别降低17.5%和16.5%，而低碳水平下增加11.9%。

水蚀坡面在不同有机碳水平下的矿化特征表现形式不同。高碳和中碳水平下，坡面有机碳累积矿化量和矿化速率表现为侵蚀区>对照区>沉积区；低碳水平下，坡面有机碳累积矿化量和矿化速率表现为：侵蚀区>沉积区>对照区。

图2　有机碳矿化速率Fig.2　Soil organic carbon mineralization rate

图3　有机碳累积矿化量Fig.3　Accumulated mineralization amount of soil organic carbon

方差分析结果表明，水蚀坡面侵蚀区与对照区，土壤有机碳水平和温度均对土壤有机碳累积矿化量和矿化速率有显著影响(P<0.05)，而土壤含水量对其影响较小(P<0.10)；沉积区土壤有机碳水平、温度和土壤含水量，均对土壤有机碳累积矿化量和矿化速率有显著影响(P<0.05)。III 型平方和的大小，通常用来比较影响因素的主次关系，比较III 型平方和可知，三者对水蚀坡面土壤有机碳矿化影响的主次关系为：土壤有机碳水平>温度>土壤含水量(表3)。

表3　坡面不同部位土壤有机碳矿化影响因素的III 型平方和

3.2土壤有机碳矿化一级动力学方程

土壤培养期较短，土壤有机碳矿化主要是活性有机碳分解[21]，用一级动力学方程定量描述土壤有机碳矿化累积动态：

y = Cp×(1-e-kx)。

式中：Cp为土壤有机碳矿化潜力，g/kg；k为有机碳矿化速率常数，d-1；x为时间，d；y为土壤培养时间x时的有机碳矿化量。

不同处理下，土壤有机碳矿化累积动态和培养时间的关系，拟合得Cp和k值(表4)，一级动力学方程拟合土壤有机碳矿化累积动态，均达到较好效果(R>0.98)。

土壤有机碳水平、温度和含水量对Cp值有明显影响，土壤温湿度的影响，随有机碳水平的降低而减小(图4)。水蚀坡面各部位土壤矿化潜力(Cp值)有明显差异，高碳和中碳水平下，侵蚀区>对照区>沉积区，低碳水平下，侵蚀区>沉积区>对照区。

3.3土壤有机碳矿化多因素方程

在一级动力学方程的基础上，引入温度、含水量、微生物量碳质量分数3个变量，对Cp值进行了修正，得到以下方程：

Y=a(blnw+c)eαθe(βW2+γW)(1-e-kX)。

式中：w为微生物量碳质量分数(本研究用微生物量碳来表征土壤活性有机碳)，mg/kg；θ为温度，℃；W为质量含水量，%；X为时间，d；Y为土壤培养时间X时的有机碳矿化量。a、b、c、α、β、γ、k为方程的待定参数。a为方程系数，与其他因素条件的影响有关；b为土壤微生物量碳的易矿化程度，c为微生物量碳质量分数系数；通过对方程blnw+c=0换算得到e-c/b，可以用来判断适用本方程的临界土壤微生物量碳质量分数；α值为土壤有机碳矿化对温度的敏感程度；γ和β为土壤含水量系数，由方程y=βW2+γW推算得到的-γ/2β，表示土壤有机碳矿化最适含水量；k表示有机碳矿化速率常数，d-1。

表4　土壤有机碳矿化潜力Cp值和矿化速率常数k

注：R是相关系数。 Note:R is the correlation coefficient.

图4　土壤有机碳矿化潜力Cp值Fig.4　Mineralization potential Cp value of soil organic carbon

利用该方程，分别对侵蚀区、沉积区和对照区相关变量，进行非线性回归拟合，得出相关参数值(表5)，方程拟合度较高(R2>0.95)，方程的适用性和应用性有待检验。

表5　坡面各部位土壤有机碳矿化拟合方程参数

注：a、b、c、α、β、γ为方程参数；k是速率常数； R2为决定系数。 Note:a,b,c,α,β,γ is the equation parameter respectively； k is the mineralization rate constant； R2is the coefficient of determination.

比较各部位土壤有机碳矿化多因素方程可得：比较参数b可知，侵蚀区与沉积区土壤微生物量碳易矿化程度与对照区相比较高，沉积区易矿化程度最高。由计算各部位的e-c/b可知，侵蚀区、沉积区和对照区分别为97.38、83.55和84.12 mg/kg，当相应部位微生物量碳低于该数值时，该方程不适用。由比较α值可知，与对照区相比，侵蚀区对温度的变化较为敏感，沉积区与对照区温度敏感度基本相同。对不同部位的-γ/2β值计算可得，侵蚀区、沉积区和对照区的矿化最适含水量分别为20.0%、14.9%和25.6%。说明水蚀坡面各部位之间，土壤有机碳矿化对其影响因素的响应机制存在较大差异。

4　讨论

一般来说，土壤侵蚀会导致团聚体的破坏和土壤颗粒的分散，暴露出保存在其中的有机物质，被微生物利用[25]，引起有机碳迅速矿化，加速原位土壤有机碳的分解损失[26]。本研究中，试验小区主要以面蚀为主，不同有机碳水平下，侵蚀区土壤有机碳矿化特征表现为矿化加剧(与对照区相比)，与上述结论一致。

土壤侵蚀所剥蚀、搬运的泥沙中，细小颗粒物质高于原位土壤[27]，而泥沙沉积过程中，所携带的大量黏粉粒是有机碳搬运的主要载体[28]，最终导致碳素在坡面泥沙中富集[29]。目前，对沉积泥沙碳源碳汇功能的认识存在较大争议。有些学者认为，在沉积区土壤有机碳被微团聚体包裹而难以释放[30]，例如方华军等[31]在对黑土坡耕地的研究中认为，沉积区表层土壤中，耐分解的有机碳所占比例较大，形成一个惰性碳库。有些学者认为，沉积泥沙中所携带的土壤有机碳更容易矿化分解，这是因为土壤侵蚀造成了土壤有机碳和活性有机碳的富集，且活性有机碳的富集比高于有机碳的富集比[20]，沉积泥沙中的有机碳更易消耗。本研究从矿化特征的角度分析得出：高碳和中碳水平下，沉积区土壤有机碳矿化特征与对照区相比明显降低，沉积土壤表现出碳汇效应；而低碳水平下，沉积区土壤则表现出碳源效应。这说明沉积泥沙碳源碳汇功能转换与土壤有机碳背景有关，对不同有机碳水平下，沉积泥沙中有机碳组分和质量分数的分析是需要进一步开展的工作。

一般认为，Cp值与土壤有机碳质量分数相关，例如李顺姬等[23]在对黄土高原土壤矿化的研究中发现，Cp值与土壤有机碳质量分数显著相关(R=0.742，P<0.01)。本研究发现，土壤温湿度也对Cp值大小有明显影响，其影响随有机碳水平的降低而减小。这可以用来解释部分研究结果中，Cp值与土壤有机碳质量分数不相关的问题，例如马昕昕等在对黄土丘陵区的研究中发现，Cp值与土壤有机碳质量分数不相关[12]，这可能与试验设置的土壤温湿度较低有关。Cp值能综合反映土壤有机碳水平、温度和含水量对有机碳矿化的影响，可以用来解释土壤有机碳矿化影响因素的作用机理。在土壤有机碳矿化过程中，当土壤有机碳水平较高时，营养供应充足，土壤有机碳质量分数不是限制微生物活动的主要因素，土壤水热环境是影响土壤微生物活动的主要因素。随着土壤有机碳水平的降低，土壤有机碳质量分数逐渐成为土壤微生物活动的限制因素，土壤水热环境的变化，对土壤有机碳分解的影响逐渐减小(图3)。

国外学者在土壤有机碳矿化动态模拟研究上，建立了很多经典模型，而涉及土壤侵蚀对土壤有机碳动态影响的模型较少。其中，CENTURY 模型5.0版本增加了土壤侵蚀和沉积效应，已被国内外学者验证[15,24]；但是，这些模型具有分室复杂、输入参数多、变量参数难以获取等局限性[8]，在坡面尺度上难以适用。用一级动力学方程拟合，是研究土壤有机碳矿化动态的常用方法，相关研究认为，土壤温湿度是影响速率常数k的因素[8,22]，通常用土壤环境影响函数，对速率常数k进行修正[17,22]。本研究结果显示，土壤有机碳和水热环境因素对Cp值有明显影响，通过Cp值修正，得到的土壤有机碳矿化多因素方程，拟合度较高(R2>0.95)。区分不同部位的矿化动态模拟，可以直接对各部位土壤有机碳矿化的影响因素进行分析，这对深入理解侵蚀影响下的坡面土壤有机碳矿化机制，有很大帮助。通过比较不同部位的土壤有机碳矿化多因素方程结果说明，水蚀坡面各部位之间，土壤有机碳矿化对其影响因素的响应机制存在较大差异。尽管方程的适用性和应用性有待检验，但研究结果对土壤有机碳矿化模拟，具有一定的参考价值。

本研究在不同有机碳水平下，从水蚀坡面不同部位有机碳矿化特征的角度，探讨侵蚀坡面土壤矿化动态及其影响因素。该研究以坡面发生明显的侵蚀沉积现象作为开展工作的前提。由于中碳和高碳水平试验小区，土壤有机碳质量分数较高，所以，尽管有明显的坡面侵蚀沉积发生，对照区、侵蚀区和沉积区的有机碳质量分数仍然较为接近，造成高碳和中碳水平下，土壤有机碳矿化特征和影响因素的差异较小。而低碳小区，不同部位土壤有机碳质量分数则有明显差异，将低碳水平与中、高碳水平的结果进行对比分析，研究结果和结论可以得到支持。

本研究模拟侵蚀对坡面耕作土壤有机碳矿化的影响，参考当地农田耕作管理习惯，通过施有机肥，调节各个小区土壤有机碳水平。由于施肥坡面与自然坡面的有机碳组分可能不同，其矿化特征可能存在差异，研究结果不一定适用于自然坡面；同时，土壤惰性碳与易变碳的矿化影响因素可能有很大不同。实验中矿化培养时间较短，有机碳矿化以易变碳为主，因此，土壤有机碳矿化多因素方程适用范围，应该限定在土壤有机碳矿化的前期阶段。

5　结论

1)不同有机碳背景下的水蚀坡面，表现出不同的有机碳矿化特征。在侵蚀区，坡面侵蚀加速了土壤有机碳矿化；在沉积区，低碳水平下，坡面侵蚀促进了土壤有机碳矿化，高碳和中碳水平下，土壤有机碳矿化受到抑制。

2)土壤有机碳水平、温度和含水量对土壤有机碳矿化潜力(Cp值)有明显影响，土壤温湿度的影响，随有机碳水平的降低而减小。Cp值能综合反映土壤有机碳水平、温度和含水量对有机碳矿化的影响，可以用来解释土壤有机碳矿化影响因素的作用机理。

3)在一级动力学方程的基础上，通过Cp值修正，得到土壤有机碳矿化多因素方程，可以很好地拟合不同有机碳水平下土壤有机碳矿化动态。

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Modelling the dynamics of soil organic carbon mineralization on water-eroded sloping land in the Loess Hilly Region

Zhang Yafeng1,2,Xu Mingxiang1,3,Chen Gai3,Wang Chaohua3

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,712100,Yangling,Shaanxi,China; 2.University of Chinese Academy of Science,100049, Beijing,China; 3.Forestry College,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China)

[Background] In order to understand the mechanism of soil carbon emission under soil erosion,we chose the study area located in Ansai County of Shaanxi Province.It is a typical loess hilly and gully region where annual precipitation distribution is not even,precipitation on July-September accounts for about 60% of annual rainfall,and most are heavy rainstorms.The zonal soil is dark loessial one that lost completely due to serious soil erosion,thus soil is mainly loessial one (calcareous ustic cambisols) developed from parent-soil loess.As one of the most serious water erosion area all over the world,the selected area is suitable for exploring erosion induced carbon emission.[Methods] Based on the orthogonal experiment design with three factors (soil organic carbon (SOC) level,soil temperature,and water content) and four levels of the factors,incubation experiment for soil mineralization was conducted with soil sampled at different slope positions of a water-eroded sloping land under different soil organic carbon background in the Loess Hilly Region.Random sampling method was used to collect samples in the positions of water-eroded sloping land (control area,eroded area and deposition area).The dynamic characteristics of SOC mineralization were analyzed and modelled.[Results] 1) SOC level,soil temperature and soil water content affected significantly the mineralization rate and accumulated mineralization amount of SOC (P<0.05).The primary and secondary relation of the three variables was:SOC level > soil temperature > soil water content.2) Based on the first-order kinetic equation,which could well describe the accumulation dynamics of soil organic carbon mineralization,a multi-factor equation with high fitting degree was obtained by modifying the Cpvalue (R2> 0.95).[Conclusions] 1) Soil organic carbon content was one of the main factors affecting the soil organic carbon mineralization at different slope positions.The response of soil organic carbon mineralization to soil erosion on the eroded slope varied with the soil organic carbon background of the sloping land.The mineralization of soil organic carbon was stimulated at sediment area of the slope with a lower content of soil organic carbon,whereas it was depressed with higher organic carbon content.2) The first-order kinetic equation well described the accumulation dynamics of soil organic carbon mineralization (r>0.98),its Cpvalue (organic carbon mineralization potential) reflected the influence of soil organic carbon,soil temperature,and water content on organic carbon mineralization.3) Through modifying the Cpvalue,a multi-factor equation for describing the dynamics of soil organic carbon mineralization was obtained.This equation presented a solid fitting effect on predicting the dynamics of soil organic carbon mineralization under different soil organic carbon levels.

soil organic carbon; water-eroded sloping land; mineralization dynamics; influencing factors; modelling

2015-09-30

2016-04-17

项目名称：国家自然科学基金“黄土高原深层土壤有机碳固存及对土地利用/覆被变化的响应”(41171422)，“黄土区生物结皮坡面产汇流过程研究”(40971174)；中国科学院战略性先导科技专项“西北农田土壤固碳潜力与速率研究”(XDA05050504)

张亚锋(1988—)，男，硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀与碳排放。E-mail：yaphone123@126.com

简介：许明祥(1972—)，男，博士，副研究员。主要研究方向：侵蚀环境土壤质量演变及调控。E-mail：xumx@nwsuaf.edu.cn

S153.621

A

1672-3007(2016)04-0009-09

10.16843/j.sswc.2016.04.002