萨赫勒地区表面侵蚀机制对表层土壤有机碳损失的影响.docx

萨赫勒地区表面侵蚀机制对表层土壤有机碳损失的影响摘要土壤表面结皮影响水渗透和径流，但其通过表面侵蚀对土壤有机碳(SOC)损失的影响在很大程度上是未知的，这是因为存在不同的表面侵蚀机制，有雨滴的分散作用，也有雨滴和水流相互作用造成的分散和运输（RIFT），这都需要在一个确定的斜坡长度下进行研究。这个研究调查了斜坡长度对土壤有机碳和营养物质的损失造成的影响，在非洲萨赫勒地区对表层土壤进行了现场试验。对该地区各种不同的结皮类型（结构型-STRU，干燥型-DES，砂砾型-GRAV，侵蚀型-ERO）都开辟了三块副本，微型试验地（1 m × 1 m）、一般试验地（长10 m × 宽5 m）和长型试验地（25 m × 6 m），并随访了2012年雨季的每次降雨事件。分析了径流中的沉积物、沉积物中包含的有机碳以及挑选出的营养盐（NO3-、PO43-），以评估因表面侵蚀所造成的有机碳年度损失。随坡长增加，有机碳损失明显减少，从微型试验地的0.24 gCm-1，一般试验地的0.04 gCm-1，到长型试验地的0.01gCm-1，NO3-和PO43-的损失也有相似的趋势。这表明，表面侵蚀与RIFT作用下颗粒物跳跃滚动运输的效率紧密相关，RIFT作用的效率随坡长增加而降低，从1m变化到10m平均减小6倍，其值在DES型结皮为1.8，STRU型为19。通过土壤保护技术的改良，这些关于土壤结皮和表面侵蚀关系的成果应该被更深广地应用于减缓土壤有机碳的流失，此外，这些成果也能使水土流失和有机碳流失的模型趋于完善。一、介绍在西非的萨赫勒地区，有贫瘠的土壤、量少且不均匀的降水、高温的土壤和空气、土壤表面结皮、低下的持水能力和反复发生的干旱，这些综合起来就是限制作物产出的主要原因。这些因素也加剧了水的侵蚀作用，而那正是导致土壤养分从土壤基质中流失的主要原因。水力侵蚀，以其对土壤生态系统功能造成巨大后果，显著影响了土壤有机碳的储存，尤其是关于作物生产、水资源可利用量、生物多样性，以及温室气体排放的管理等方面。水力侵蚀的过程是复杂的，并可通过分散和运输机制的联合作用影响土壤有机碳量。这些侵蚀作用与雨水和地表径流共同作用，要么是荷顿氏漫地流，要么是饱和过剩的地表径流。分散作用发生后，可能存在三种运输机制：(1)溅蚀(ST)；(2)雨滴和水流相互作用造成的分散和运输(RIFT)；(3)不受雨水冲击的水流运输(FT)。这些侵蚀机制都有可能在暴风雨时发生在山地斜坡之内，它们的效率都与坡长有密切联系。溅蚀将土壤颗粒从它们最初的位置呈放射状地分散开，这是一种效率相对较低的运输机制。比较而言，RIFT作用可以促进颗粒物翻滚跳跃，是一种比飞溅效率更高的颗粒物运输机制。飞溅运输是一个点过程，故其效率主要依赖于雨滴的能量，水流速增加时，RIFT作用使分散的土壤向坡下移动的能力增强。其分散效率主要取决于流速，也在某种程度上取决于水流深度，即当地表径流的厚度得以保护土壤表面不受雨滴影响时。现场试验首先需按不同坡长绘制径流平面图，而后这成为调查侵蚀机制的重要工具。不仅是坡长，雨滴能量、土地覆盖和土壤性质都影响到水力侵蚀机制。土壤结皮则是另一个控制水力侵蚀的重要因素，尤其是在生态脆弱的非洲萨赫勒地区。然而，在山坡这个背景之下，环境因素对控制表面侵蚀影响，比如土地使用和管理、坡度、土壤结构、土壤质地、粘土矿物学和土壤有机碳含量等等，都已经被广泛研究过了，但是人们对土壤结皮的潜在影响却还知之甚少。土壤结皮主要是在雨滴的作用下使土壤溃散之后形成，它们是薄却坚实的一层，具有低孔性和低水分入渗能力，加强了径流作用和水土流失。对于被淤泥覆盖的土地或北半球的壤质土，以及其他干旱地区的沙壤土，结皮是一公共特性。在非洲的萨赫勒地区，已有数个研究分析试图确定土壤结皮对水分入渗的影响。这些研究显示，入渗的降低与水土流失的加剧有关。最近，据观察，微型试验地的有机碳流失量已介于0.15-0.37gCm-2y-1.研究中，侵蚀型结皮(ERO)之下水土流失加剧。侵蚀型结皮是由一层薄的、粘土质的微层和干燥的外壳组成的，而这外壳拥有附着在土壤表面的单层沙质层。相反的，土壤有机碳的流失在结构型结皮(STRU)之下减小，结构型结皮由被一沙质层和一组成，沙质层是一土壤细粒物质薄膜，砾石外壳是由微层砂砾覆盖在土壤表层形成的。微型试验地也获得了这样的结果，正如先前Chaplot 和 Poesen (2012)和Oakes et al. (2012)所假定的一样，RIFT作用效率随坡长增加而降低。因此，虽然土壤结皮类型可能通过雨水影响土壤有机碳的分散，但它对于水土流失机制的影响仍旧不清楚。这项研究的主要目的是评估坡长和表面侵蚀机制的联系，以及一系列降水情况下土壤表层有机碳和营养盐的损失。研究在萨赫勒地区进行，那里以沙壤土和半干旱气候为特色，