风蚀对碳循环影响的研究进展

风蚀对碳循环影响的研究进展摘要土壤风蚀是沙漠化过程的重要组成过程和首要环节,是许多国家和地区需要解决的一个主要环境问题.土壤风蚀是土壤颗粒在风力作用下的剥蚀、搬运和沉积的过程。风蚀使土壤中的大量营养物质损失,导致土地生产力下降,促使地表养分的再分配,促进碳(C)循环。对土壤碳循环的影响包括两个主要方面:
它促进了SOC和无机碳的矿化,使之向大气释放CO2,增加了温室效应;
由于荒漠化增加了大气尘埃含量,减少了辐射,在一定程度上间接地缓解了土壤碳的损失。土壤颗粒团聚体稳定状况、不同土地利用方式和人类活动都会影响土壤风蚀度的大小,从而进一步影响C在土壤圈、大气圈和生物圈中的循环。针对过去对土壤风蚀引起的土壤养分及碳循环研究的不足,提出今后的研究工作提出要求。关键词:土壤风蚀;C循环;研究进展1.引言土壤风蚀是沙漠化过程的重要组成过程和首要环节,是许多国家和地区需要解决的一个主要环境问题。土壤风蚀(soilwinderosion)是发生在干旱、半干旱及部分亚湿润地区土地退化的主要过程之一[1],其实质是气流或气固两相流对地表物质的剥蚀、分选和搬运的过程[2]。风蚀造成土壤表层粗化,细物质减少,同时有机质和养分质量分数也减少。风蚀作用是荒漠化地区土壤养分变异的重要驱动力。沙漠化过程中的地表粗化、营养物质的丧失以及植被退化等等,都是土壤风蚀直接或间接作用的结果。虽然风的搬运能力远小于水,但水蚀受地形(坡度)的限制,而风蚀却能从地表运移大量养分富集的颗粒。风蚀使地表变粗、有机质减少,导致生产力下降,可以促使地表养分的再分配,促进碳循环,而地表养分的富集率和碳循环通常作为评价土地生产力退化的重要标志[3]。风蚀起沙使地表损失了大量富集养分的细小颗粒,而沉降过程则向地表注人大量养分物质,所以风蚀是地表养分和碳循环的重要驱动力之一。本文综述了国内外有关这一领域的研究动态,分析了土壤风蚀在干旱半干旱地区土壤碳循环中的地位和作用;同时,针对目前风蚀研究中的不足,对将来所需开展的研究工作进行了展望,旨在促进对风蚀引起的土地退化过程和环境效应的认识有所裨益。2土壤风蚀的影响因素土壤可蚀性(soilErodibility)是指土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感性,也就是土壤对侵蚀介质侵蚀和搬运的敏感力网。农田土壤风蚀的影响因素较多,主要包括土壤不可蚀性颗粒、土壤微地形、作物残余物、裸地耕地长度和气候等网,但视其对风蚀贡献率的大小可归纳为两大类,即自然因素和人文因素。2.1自然因素影响土壤风蚀的自然因素十分复杂,主要包括土壤理化性状、植被状况、土壤微地形和气候等。其中,土壤理化性状和植被状况是主导因素。土壤和农业科学工作者对此进行了大量实验研究。土壤性状是决定土壤遭受侵蚀程度的重要因素,ChePil率先通过野外观测和室内风洞实验,系统的研究了影响土壤风蚀的各种土壤理化性质。20世纪30年代以前,对于土壤风蚀中土壤性质的研究仅处于定性描述阶段。主要研究风与土壤相互作用,风蚀物质的损失与搬运,改良土壤结构减轻土壤风蚀的途径[4]。土壤不可蚀性颗粒对土壤风蚀的影响表现在两个方面,一方面是土壤不可蚀性颗粒的存在使地表粗糙度增加;另一方面,不可蚀性颗粒覆盖起保护作用,使其下伏易蚀性颗粒难以移动因而降低地表的风速在风蚀过程中可蚀性颗粒不断侵蚀搬运使不可蚀性颗粒富集于土壤表层而使风蚀量减小。另据董治宝[5]的风洞模拟实验结果:风成沙的风蚀可蚀性随粒度的变化服从分段函数,0.09mm粒径者最易被风蚀。风成沙颗粒按可蚀性可以分为3种类型:0.7mm和0.05mm为难蚀颗粒:0.7-0.4mm和0.05-0.075mm为较难蚀颗粒;0.40-0.075mm为易蚀颗粒。在相当粒径的条件下,混合沙粒较均匀粒径者易风蚀。响土壤风蚀的另一重要参数是植被状况。植被主要是通过改变近地表气流场而作用于风蚀地表的,一般以阻挡风力对地表土壤物质的直接作用、分散近地表风动量、截留部分被蚀物质等形式发挥着抑制风蚀、保护地表的作用[6]。2.2人文因素在研究土壤风蚀及其治理方面,考虑人为改变的因素,并利用这些因素的有效性,使农田土壤风蚀降低至最小程度。许多学者从这一角度出发,进行了大量的实验、观测研究,且取得了丰硕的成果,董光荣囚等在我国探讨实验研究了土地翻耕,放牧等人为经济活动引起的地表结构破损对土壤风蚀率的影响,但未给出定量关系。土壤风蚀是自然因素和人为因素相互作用的综合产物,人为因素是叠加于自然因素作用之上的加速过程,实验表明[7],由于人为因素引起的风蚀量占总风蚀量的78.6%,而自然因素只占21.4%。3风蚀对土壤碳循环的影响3.1风蚀与大气CO2的关系土壤风蚀使地表的细小颗粒远距离的输送并在附近和较远的区域沉积,被风吹起的土壤有机质一部分在地表重新分配,一部分沉积到低凹的地区,还有一部分被带到其他的圈层。虽然大部分C由于风蚀在地表重新分配或者被埋于地下,但剩下的部分总会以CO2或者是CH4的形式注人到大气中去。大约有0.4-0.6GtC/年在地表重新分布,而大约有0.8-1.2GtC/年进入大气圈l8]。近年来,由于气候变化和温室效应作用,使陆地生态系统碳循环及大气CO2的碳汇效应的变化成为气候学、地学与生态学界所研究的热点问题。据Duan等人的估计l9],我国不同类型荒漠化土地碳的储存量为85.145Mt(0-50cm)。近40余年来,荒漠化土地向大气释放的CO2量相当于巧0.3Mt的C,相当于储量的17.巧%,即平均每年有3.175Mt的碳以C02形式排放至大气。但是荒漠化的治理使59.112Mt的碳从CO2得到了固存。因此我国荒漠化土地CO2的净排放量为9.olgMt的C。陆地表面的碳即使有很小百分数的积累和排放的变化都会影响到大气中CO2的变化。3.2风蚀与土壤有机质分配的关系土壤有机碳(SOC)含量是反映土壤质量和土地退化程度的一个重要指标。土壤有机碳影响土壤结构和土壤团聚体形成及其稳定性冈,因而也决定了土壤抵抗侵蚀的物理稳定性。在易发生风蚀的沙地生态系统中,土壤养分保蓄、土壤结构保持性能、土壤抗风蚀能力与soc密切相关。研究认为[10l,SoC含量下降到某一水平时,土壤结构分散,物理稳定性丧失,其阂限水平决定于土壤质地。在土地风蚀沙漠化过程中,土壤属性的演变首先是粘粉粒和极细沙等细颗粒组分被选择性地移出系统,导致粗粒化。与粘粉粒结合的有机碳和全氮含量分别是粗沙组分有机碳和全氮含量的6.7倍和5.7倍,是极细沙中含量的4.5倍和4.1倍,因而沙漠化演变中细粒物质的吹蚀直接导致了SOC和养分的衰减。所以,土壤粒级分布的变化常被作为土地风蚀和沙漠化程度的理想指标。3.3风蚀对沙尘释放的影响植被和土壤是陆地生态系统碳的最主要的储存地,通过植被和土壤的变化与大气进行CO2的存储和交换l11]。Aifaro的模拟实验研究表明,粒径小于2加m的颗粒(PM20)可以远距离的输送到数百至几千公里远的地方,最小的颗粒可以在较低对流层中持续漂流一个周。Airaro认为:PM20在特定土壤地表的释放是一个复杂的现象,除了风的摩擦速度直接作用于地表外,土壤的空气动力学粗糙度也是决定颗粒在地表上空跃移和悬移的重要因素。土壤疏松表层中团聚体含有干粒级分布的多少是影响沙尘产生的主要因素,而影响土壤释放沙尘的主要因素则是土壤中的微团聚体的浓度。zhang等通过元素失踪分析的方法,对中国沙漠区沙尘的释放及其在大气中的循环进行了分析研究l12],他们得到的结论是:每年大约有80oTg的沙尘要释放到大气中去,其中约30%重新返回分布到沙漠地区,20%被跨区域传输到中国较远的其它地区,而剩下的50%沙尘被远距离的传输到太平洋及其附近地区。因此,由前面的综述可以看出,风蚀是影响干旱、半干旱区土壤碳循环的主要驱动力之一。尽管占全球陆地总面积40%的干旱土地在全球碳循环过程中占有很重要的地位,但是因严酷的自然条件以及对不同过程作用的敏感性和脆弱性使其面临着大范围的严重退化。我国受风蚀影响的干旱、半干旱区土地分布较广,土壤养分严重亏缺,几乎所有耕地都缺N,1/2耕地缺磷,1/3耕地缺钾,微量元素及钙、镁、硫中量元素的缺乏面积也在扩大。每年因大量的有机质元素未被作物吸收,在风蚀、水蚀作用下进人环境,导致惊人的环境污染,经济损失达250亿元阎。而以往的研究都主要集中在断面尺度、地块(图斑)尺度以及区域尺度上,但针对风蚀物运移及沉降过程引起的土壤养分及碳循环的研究成果还不多见。在全球变化日趋倍受关注的将来,风蚀的环境灾害研究也将是今后工作的重点。4问题与展望土壤风蚀的系统研究已经走过近半个多世纪的历程,尽管取得了丰硕的成果,但仍存在许多不足的地方,需要在未来的研究中不断完善和发展。从40年代开始,以切皮尔(ChePil)为主的美国科学家为了评价土壤风蚀强度和有效地防止土壤风蚀,将风沙物理学与土壤学和农业工程学等融合,开展了土壤风蚀研究。其主要贡献在于:他们较为系统地研究了各种因素对风沙运动乃至风沙活动的影响。从20世纪70年代以来,美国的土壤风蚀研究主要侧重于大田块的风蚀预报,仅考虑土壤物理化学性质、地表覆盖条件和农田管理措施等对土壤风蚀的影响,根据模拟实验和野外观测结果,直接建立土壤风蚀强度与其影响因子之间的经验关系,但对土壤风蚀的微观物理机理及其环境效益研究甚少。而深刻理解土壤风蚀的物理机制和过程,包括风蚀作用发生、发展和减弱消亡的各种影响因子,则是上述研究的基础[13l。近年来,因人类活动影响而产生的以土地和植被退化为主要标志的荒漠化过程,影响着全球干旱地区大面积的土地,然而如何通过恢复措施改善土壤质量、增加土壤有机碳含量、提高生物量,对干旱区土地进行合理的管理和利用以缓解温室效应,对多数发展中国家而言机遇和挑战并存阅。我国的科学工作者应用遥感手段对沙尘源地、沙尘输送路径以及沙尘信息的定量化做了初步的研究阳。通过野外观测和风洞实验针对土壤风蚀容忍量(T值)进行了定性的描述国,提出了研究土壤风蚀容忍量的目的和意义,并对风蚀容忍量的四个主要问题即成土速率、风蚀危害、风蚀预测及风蚀控制的T值计划作了论述,但是,有关T值的研究还没有深人到定量的研究阶段。为了加快我国土壤风蚀研究,建立土壤风蚀的定量模型与土壤风蚀的容忍量,确定土壤风蚀的定量评价指标体系与区划,使其更好地为沙漠化防治等环境建设服务,我国的土壤风蚀研究需要函待解决以下几方面的问题:(l)土壤风蚀环境效应研究。随着全球生态环境的退化,风蚀引起的土壤肥力丧失、农作物减产、草场退化、大气气溶胶浓度变化以及一些呼吸疾病的出现,对生态安全和健康产生了巨大的威胁。尤其风沙流及大气降尘对农作物的减产作用是将来在生产上迫切需要解决的重大课题。土壤风蚀引起的陆地表层养分与碳循环机理研究迫在眉睫。(2)土壤的潜在风蚀微观机理研究。土壤的机械组成、结构和颗粒间的团聚作用决定了地表的土壤风蚀可蚀性,而且由于风蚀的复杂多变性,导致风蚀的研究多数停留在宏观的观测和预报方面,对土壤风蚀的微观机理和不同土壤的潜在风力可蚀性研究甚少,而且土壤风蚀引起的养分元素在地表的迁移对全球变化研究尤为重要。所以,要想对土壤风蚀做出定量的评价与区划,预测全球变化影响下风蚀、沙漠化以及沙漠的发展趋势,应当对影响土壤风蚀的各种微观结构性质进行系统的研究,掌握风蚀影响下的土壤微团聚状况的改变及微量元素的迁移等潜在风力可蚀性机理。(3)土壤风蚀物在土壤-植物-大气系统间的互馈机理研究。由于风蚀细颗粒物在大气中的长距离输送、沉降,使其在土壤-植物-大气系统间重新分配,这就要求大范围的长期野外定位观测,以土壤圈为中心,生物圈、大气圈、岩石圈和水圈几大圈层为循环系统,研究风蚀的起动、运移和沉降全过程中的养分损失和C、N循环机理和植被灌丛对风蚀沉积物的养分富集效应,以及风蚀影响下的养分及C、N有机物质在土壤-植物-大气系统之间物质和能量循环的互馈机制。参考文献：[1]董治宝,董光荣,陈广庭.以北方的旱作农田为重点开展我国的土壤风蚀研究.干早区资源与环境,19%,10(2):31一37.[2]陈渭南.蒙陕接壤地区土壤母