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(soil wind erosion )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(soil Erodibility)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0.05-0.075m m 为较难蚀颗粒;0.40-0.075m m 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. 6Gt C/ 年在地表重新分布,而大约有0.8-1.2Gt C/ 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85.14 5Mt (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3.17 5Mt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. olg Mt 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so c 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,