The mechanisms of soil organic carbon (SOC) loss and its modeling

Abstract

水力侵蚀造成的土壤有机碳（SOC）流失不仅会导致土壤退化、土地生产力下降，还会在一定程度上加剧全球变暖。因此，侵蚀导致的SOC流失成为全世界关注的重要环境问题。在以往的研究中，虽然SOC流失特征及规律已经得到了广泛研究，但是较少涉及其与径流水力特性的内在联系。水力学模拟一直是土壤侵蚀建模的经典方法。因此，充分了解不同侵蚀环境下SOC流失的径流水动力学机制，建立基于径流水力因子的SOC流失模型具有重要意义。本研究按照土壤黏粒含量依次递减的规律，选取了黄土高原四种典型的坡耕地土壤：塿土（杨凌）、黑垆土（长武）、黄绵土（安塞）和黄绵土（绥德），结合人工模拟降雨技术，研究了雨强、坡度和土壤质地交互作用下SOC的流失特征及规律、SOC流失的水动力学机制，并建立了基于径流水力因子的SOC流失模型。主要研究结论如下： （1）系统研究了雨强、坡度和土壤质地交互作用下SOC流失特征及其规律，阐明了产沙量与SOC流失量的关系。研究结果表明，在试验雨强和坡度范围内，塿土、黑垆土、黄绵土（安塞）和黄绵土（绥德）的侵蚀泥沙有机碳富集比（ERoc）依次在1.15-2.36（平均值1.74）、1.18-1.69（平均值1.27）、1.06-1.34（平均值为1.12）和0.97-2.22（平均值为1.60）的范围内变化，而侵蚀泥沙中各粒级泥沙颗粒含量的变化趋势与ERoc相似，均随降雨历时的变化较小。塿土、黑垆土、黄绵土（安塞）和黄绵土（绥德）的土壤侵蚀速率依次为66.59、67.33、22.79和152.15 g m−2 min−1；SOC流失速率为0.28、0.20、0.06和0.14 g m−2 min−1。SOC流失速率与土壤侵蚀速率随土壤质地的变化趋势基本一致，因而产沙量在一定程度上决定了SOC流失量。进一步对产沙量与SOC流失量的关系研究发现，产沙量与SOC流失量呈显著正相关（P < 0.05）。然而，当土壤SOC含量较高时，由于SOC更易于在侵蚀泥沙中富集，侵蚀泥沙ERoc值较大，从而导致产沙量与SOC流失量的相关性减弱。此外，雨强和坡度对产沙量和SOC流失量的相关性也有重要影响。由于侵蚀泥沙ERoc值随雨强或坡度的降低而增大，从而使产沙量与SOC流失量的相关性减弱。研究还发现，随着土壤黏粒含量的增大，坡度和雨强对产沙量和SOC流失量的相关性的影响变小。不同土壤类型的黄土随坡度的变化规律存在差异，塿土和黄绵土的产沙量和SOC侵蚀量随坡度呈先增大后降低的趋势，而黑垆土的产沙量和SOC流失量在实验坡度范围内始终随着坡度的增大而增大。 （2）通过深入分析侵蚀过程中径流水动力学特征的变化，探明了径流流速、径流深、剪切力和径流功率与侵蚀泥沙SOC含量的内在关系，提取了可以较好表征侵蚀泥沙SOC富集比（ERoc）变化过程的水动力学因子。研究结果表明，土壤质地、雨强和坡度交互作用下径流流速始终与侵蚀泥沙SOC含量呈显著正相关（R2 = 0.731；P < 0.001），而径流深、剪切力和径流功率与侵蚀泥沙SOC含量无显著相关。通过对土壤质地对流速和侵蚀泥沙SOC含量的关系的影响进行研究发现，土壤质地在一定程度上决定了径流流速，且流速随着土壤黏粒含量的增大而增大；由于土壤黏粒含量与其SOC含量呈正相关，因此，流速与侵蚀泥沙SOC含量呈显著正相关（R2 = 0.893；P < 0.01）。进一步分析雨强对流速与侵蚀泥沙SOC含量的关系的影响发现，当雨强较低时，径流流速和径流功率均与泥沙中SOC含量较高的黏粉粒或轻质团聚体含量呈正相关关系，因而流速与泥沙ERoc值呈正相关。因此，当雨强较低时，流速与侵蚀泥沙SOC含量的决定系数更高（R2 = 0.958，P < 0.001）。在土壤质地、雨强和坡度交互作用下，流速可以较好地表征侵蚀泥沙SOC含量的变化。 （3）通过监测SOC迁移的径流水文水力过程，揭示了径流水动力学特征与侵蚀泥沙中SOC分布特征的关系。研究结果表明，当雨强小于45 mm h−1或坡度小于5°时，径流功率与径流深均较小，雨滴剥蚀团聚体破碎及其迁移过程对侵蚀泥沙ERoc值有重要影响，且泥沙各粒径团聚体SOC含量较原土壤明显增大。当雨强为45 mm h−1时，虽然泥沙各粒径团聚体SOC均发生明显富集，然而不同坡度条件下泥沙团聚体SOC含量无显著差异（P < 0.05）；然而，当坡度为5°时，随着雨强的增大，更多团聚体破碎形成粒径更小的颗粒，因此，微团聚体和黏粉粒的ERoc值随着雨强的增大而增大。当雨强大于45 mm h−1且坡度大于5°时，由于径流功率和流速足够大，较大的土壤侵蚀率削弱了团聚体破碎及其迁移过程对泥沙SOC分布特征的影响，因此，泥沙各粒径团聚体SOC含量与原土壤差异不显著（P < 0.05）。在降雨侵蚀过程中，由于产流率和径流深随着降雨历时的增大而增大，也减弱了雨滴对土壤团聚体的剥蚀作用，因此，泥沙各粒径团聚体SOC含量随降雨历时的增加呈降低的趋势。此外，流速、产流率、剪切力和径流功率与均与泥沙黏粉粒含量、黏粉粒SOC含量和微团聚体SOC含量呈负相关，而与泥沙砂粒含量呈正相关，且流速与泥沙中大团聚体含量随坡度和雨强的变化趋势最为一致。因此，众多水动力学参数中，片蚀阶段流速仍然与侵蚀泥沙SOC富集的关系最为密切。 （4）结合SOC流失的径流水动力学机制，建立了基于径流水动力学特征的SOC流失模型。研究发现，对于黄绵土，在不同雨强条件下，流速均与径流含沙量呈显著线性关系（R2 > 0.94，P < 0.05），而坡度与径流量呈显著二次函数关系（R2 > 0.94，P < 0.05）。对于黑垆土，含沙量和径流量均与坡度呈显著二次函数关系（R2 > 0.55，P < 0.05）。基于上述关系对黄绵土和黑垆土的产沙量进行了简单计算。在产沙量计算的基础上，采用传统SOC流失计算方法对SOC流失量进行预测，结果表明，该方法的预测精度主要取决于土壤侵蚀量的预测精度，且已有的泥沙SOC含量计算方法难以适用于黄土坡面。为了提高黄土坡面SOC流失量的预测精度，通过非线性回归分析发现，流速、坡度和雨强与侵蚀泥沙SOC含量之间为复合指数函数关系（R2 = 0.76，P < 0.005）。同时，结合已有的径流输沙模型，构建了基于径流水动力学特征的SOC流失模型。该模型以径流量、流速、坡度、泥沙分散前后的中值粒径差值（δD50）、原状土SOC含量和降雨时间作为输入参数，且可以较好预测SOC流失量。模型共包括四个方程，其中三个方程用于模型系数的计算。分析模型的决定系数（R2）和一致性指数（d）发现，土壤团聚体含量对模型精度有重要影响，对于δD50值较小的黄土，模型精度较好（R2 > 0.903，d > 0.974），对于δD50值较大的黄土，模型预测精度较低（R2 > 0.496，d > 0.861）。此外，模型也进一步证明了，δD50值越大，流速对土壤侵蚀量和SOC流失量的影响越大，而土壤SOC含量越高，坡度对土壤侵蚀量和SOC流失量的影响越大。该研究可为其他土壤类型和流域尺度下SOC流失预测提供新的思路