溅蚀对土壤团聚体有机碳迁移的影响

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水力侵蚀造成的土壤有机碳(SOC)再分布参与全球碳循环,并在一定程度上影响全球气候变化。因此,侵蚀导致的SOC再分布成为全球备受关注的主要生态环境问题之一。雨滴击溅是水力侵蚀的第一个关键环节,其引起的SOC迁移再分布是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,但雨滴击溅作用对SOC动态的影响目前尚不明确。因此,本文以中国3种SOC含量差异较大的耕作土壤(黑土、紫色土和红壤)为研究对象,结合室内模拟降雨击溅侵蚀试验,研究了不同直径雨滴击溅作用下溅蚀物的团聚体破碎特征、团聚体SOC的分布、分选及其迁移特征,并建立了基于溅蚀过程的SOC迁移模型。主要研究结论如下:(1)深入研究了不同直径雨滴击溅作用下溅蚀物的分布迁移特征,阐明了溅蚀物团聚体的破碎、迁移、分布和分选特性。结果表明,3种质地土壤,溅蚀量都随雨滴直径增大先增大后减小,并且在直径为2.91-3.53 mm的雨滴之间存在土壤溅蚀量达到最大的临界值,低于该值时,溅蚀量随雨滴直径的增大而增大,反之溅蚀量则随雨滴直径的增大而减小。同时,壤土(黑土和紫色土)的溅蚀量明显高于粉质粘壤土(红壤),但对单位面积溅蚀量而言,壤土的单位面积溅蚀量随击溅距离增加先增大后减小,粉质粘壤土则呈线性减小。总溅蚀量和单位面积溅蚀量的变化,都由土壤质地决定。溅蚀过程中,溅蚀物的团聚体被分离破碎并击溅搬运,可通过团聚体的质量百分比、平均重量直径(MWD)和富集比(ERA)来表示。对溅蚀物的团聚体质量百分比而言,总体上,随击溅距离增加,微团聚体(<0.25 mm)质量百分比增大,而小团聚体(0.25-0.5mm)和大团聚体(>0.5 mm)质量百分比均减小,但受粘粒含量影响,不同土壤的相同粒级团聚体质量百分比之间存在差异,如粘结性较好的红壤的大团聚体质量百分比始终高于粘结性较差的黑土和紫色土的大团聚体质量百分比。对溅蚀物团聚体的MWD而言,随击溅距离增加,3种土壤的MWD均呈线性递减趋势,并且各类土壤之间的MWD相对差异减小,表明随击溅距离增加,溅蚀物团聚体的稳定性变差,但随雨滴直径增大,稳定性增强;同时,在3种土壤中,红壤的团聚体稳定性最强,紫色土次之,黑土的团聚体稳定性最差。对溅蚀物团聚体的ERA而言,微团聚体和小团聚体的ERA随击溅距离增加而增加,大团聚体ERA则下降,但3种土壤中各粒级团聚体ERA在不同击溅距离范围内存在差异。(2)阐明了不同直径雨滴作用下团聚体SOC的分布特征和富集规律,明确了SOC富集和团聚体富集的关系。研究发现,在相同击溅距离范围内,黑土和红壤由于存在大量较小粒级团聚体,其有更高的比表面积和电荷密度,所以各粒级团聚体SOC含量之间存在显著差异(P<0.05),而紫色土以沙粒为主,团聚体粒级之间差异小,各粒级团聚体SOC含量无明显差异。其中,大团聚体因雨滴动能有限,随击溅距离增加大团聚体的相对粒级减小,因此大团聚体SOC含量随击溅距离增加而增加,黑土和紫色土较为显著(P<0.05),红壤因其团聚体稳定性高,大团聚体SOC含量的增幅较小,而小团聚体和微团聚体的SOC含量波动变化,无明显差异。同时,在不同雨滴作用下,同种土壤的团聚体SOC含量无显著差异(P>0.05)。在降雨击溅侵蚀过程中,团聚体的选择性搬运影响各粒级团聚体SOC的选择性迁移。其中,黑土和紫色土的大团聚体SOC相较于小团聚体和微团聚体SOC有更高的选择性,且随距离增加,增幅更大。比较溅蚀和径流侵蚀的SOC分选性,发现降雨击溅侵蚀对SOC的分选作用弱于径流侵蚀,原因在于降雨击溅过程中的雨滴能量主要被土壤团聚体的分离破碎所消耗,用于土壤团聚体搬运的能量相对较低,而径流侵蚀过程的动能主要用于土壤团聚体的搬运。并且由于大量搬运低SOC含量的大团聚体会对SOC含量产生稀释作用,故而大团聚体的搬运会对SOC富集产生显著消极作用(P<0.05)。(3)揭示了溅蚀作用下SOC的迁移特征,并建立了雨滴击溅作用下的SOC迁移模型。黑土和紫色土主要以微团聚体为载体,对SOC进行迁移,其大团聚体和小团聚体搬运的贡献极小;红壤则是主要通过大团聚体的搬运对SOC进行迁移,其小团聚体和微团聚体对SOC迁移的贡献也不容忽视。通过获取溅蚀物的质量(M)、击溅距离(S)、团聚体平均重量直径(MWD)以及降雨动能(E)数据,构建了SOC迁移模型,其多元非线性幂函数描述方程为SOC=e0.011M0.967S-0.788MWD-1.555E0.262,该部分研究可为陆地生态系统碳循环模型的进一步改进提供参考。
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