土壤侵蚀对陆地生态系统碳循环的影响过程与机理

土壤侵蚀对陆地生态系统碳循环的影响过程与机理

碳是地球上储量最丰富的元素之一，它广泛地分布于大气、海洋、地壳沉积岩和生物体中，总的来说，地球上主要有大气碳库、海洋碳库、陆地生态系统碳库以及岩石圈碳库四大碳库，并在各大碳库之间不断循环变化。碳是有机化合物的基本成分，是构成生命体的基本元素，碳循环还与生命活动紧密相联。亿万年来,在地球的生物圈和大气圈中,碳通过生命的新陈代谢，往复循环，生生不息。无疑，碳在各种生态过程以及人类活动过程中的重要角色决定了其成为最佳研究载体的地位。

碳的蓄积、储量、潜力甚至受人类活动的影响程度在不同生态系统中都存在较大差异。陆地生态系统包括农田生态系统、湿地生态系统、森林生态系统、草地生态系统以及荒漠湿地系统。在陆地生态系统中,大部分碳主要蓄积在森林之中,它们主要以2种形式储存:一是以树干、树枝、树叶和树根等生物量的形式储存；二是以土壤有机碳的形式储存。在农田生态系统中,碳的储存主要是以地表以下植物有机质和土壤蓄积的形式,大部分具有很高的碳年吸收率,农田生态系统吸收的大部分碳通常以农产品及其副产品或废弃物的形式运走或很快释放到大气中。当然下一个作物生长季,碳又被蓄积,如此循环往复。当前,农业土壤经常是一个净碳源,然而如果通过良好的农业措施,如免耕、休耕等,又可以减缓农田碳源的排放,甚至变源为汇。草地生态系统中的绝大部分碳储存在土壤中。这些碳蓄积长期处于稳定状态,但也受人类活动及外来扰动的影响,如果载蓄量超过其承载能力,或者火灾频发,都会使碳大量丢失。湿地生态系统中的碳几乎全部作为死的有机物存储在土壤中,且受人类活动的影响很大,如排水可使碳释放,而造林又可以抵消其排放。在副极地附近的湿地,由于全球气候变暖造成的永冻土融化也可能使土壤碳释放进入大气

陆地生态系统碳循环过程是指植物通过光合作用吸收CO2，将碳储存在植物体内，固定为有机化合物，形成总初级生产量，同时又通过在不同时间尺度上进行的各种呼吸途径或扰动将CO2返回大气。其中一部分有机物通过植物自身的呼吸作用(自养呼吸)和土壤及枯枝落叶层中有机质的腐烂(异氧呼吸)返回大气，未完全腐烂的有机质经过漫长的地质过程形成化石燃料储藏于地下；另一部分则通过各种(包括人为和自然的)扰动释放CO2，形成大气——植被——土壤——岩石——大气的碳库之间的往复循环过程（如图1所示）。

图1 陆地生态系统碳循环示意图

土壤是陆地生态系统的第一大碳库。陆地生态系统碳循环是全球碳循环和全球气候变化中及其重要的一个环节。有研究表明，全球植被每年光合作用能固定550亿吨CO2，土壤微生物分解释放到大气中的CO2量也大致相当。全球植被和土壤的有机碳储量是大气中的3倍；土壤有机碳库的碳储量约是植被碳库的2倍左右。陆地生态系统是一个复杂的大系统，内部各子系统之间及其与大气之间存在着复杂的相互作用和反馈机制，它也是全球碳循环中受人类活动影响最大的部分。土壤侵蚀是在人类活动影响基础上产生的世界性的主要环境问题之一，全球水土流失面积1600多万km²，约占全球陆地面积的11%。土壤侵蚀包括陆地表面在水力、风力冻融和重力等外力作用下土壤、土壤母质及其它地表物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程，所以，土壤侵蚀会对土壤的理化性质产生极大的影响（包括土壤有机碳储量），进而影响陆地生态系统碳循环过程。

4、影响过程

一般认为,冻融侵蚀是高寒地区由于温度变化,导致土体或岩石中的水分发生相变,体积发生变化,以及由于土壤或岩石不同矿物的差异胀缩,造成土体或岩石的机械破坏并在重力等作用下被搬运、迁移、堆积的整个过程。冻融侵蚀严重威胁着耕地及各种建筑物,然而

,并非所有冻融作用对土体的改变都是以冻融侵蚀的形式表现出来的。已有研究结果表明:反复的冻融过程会影响土壤的物理性质,如团聚体稳定性、水分传导率、抗剪切力、可蚀性

等,进而加重土壤侵蚀[2-4;冻融作用对土壤性质的破坏也可以增加水力、风力、重力侵蚀等的物质来源,并以水力、风力、重力侵蚀等形式表现出来;同时,土壤冻融作用还具有时间和空间的不一致性,进而影响坡面土体的稳定[5];冻融侵蚀多发生在高纬度、高海拔、气候寒冷的区域。然而,通过冻融作用对土体的破坏,进而为其他侵蚀类型区增加了侵蚀物质来源的情形却更为广泛。在这些区域内,冻融作用与水力、风力、重力等外营力复合作用带来的土壤侵蚀问题远超过冻融侵蚀本身的危害。多年冻土活动层季节冻融过程的变化对陆地生态系统及其与大气间温室气体交换具有很大的影响,多年冻土区是全球碳循环的重要组成部分,多年冻土含有大量的有机碳,几乎是目前大气碳储量的两倍【22】。据估计,全球1/3的碳固定在活动层和多年冻土中【2】,活动层和多年冻土是CO2碳源,变暖将加速碳的排放【23】。向大气释放温室气体导致气候变暖，对全球气候变化产生正反馈效应【24】。冻土融化和多年冻土的退化导致的即使很小量的碳排放也将使大气中CO2和CH4浓度发生很大变化。多年冻土退化是通过生态系统的生物化学和生物物理反馈机制从而影响气候变化的【25】。生物物理反馈主要是指高寒冻土地区对升温引起的陆地能量收支变化【2627】；而生物化学反馈是将目前存储在冻土中的有机碳转化成CO2和CH4等温室气体释放到大气中【2829】。这些生物物理和生物化学过程将对寒区生态系统碳循环产生重要影响。温室气体的排放导致全球气候变暖，进而导致多年冻土退化，多年冻土退化增加了活动层和新形成的融化层中的有机物质含量，使原来冻结在多年冻土中的碳暴露在地气间，进入生态系统碳循环过程，经微生物降解而释放大量的CO2和CH4等温室气体，从而增强了气候变暖趋势。研究表明，土壤的冻结与融化过程是影响微生物分解释放出植物可利用营养物质形式的重要因子【3031】，植物生长常受营养物质可利用性的强烈影响。因此冻融过程对土壤营养物质转换的控制将对寒区生态系统的季节碳平衡产生潜在的影响【8】。土壤冻融的起始日期、持续时间及冻融深度是确定植被生长和陆气间温室气体交换的主要因素。土壤冻融状况反映了温度的变化。土壤冻结，由于温度低，土壤微生物的呼吸作用也较低，此时大气与地表系统温室气体交换量也较小，而随着温度的上升，春季土壤融化以后，植被开始生长，植被和土壤微生物的呼吸作用逐渐增强，地气间温室气体交换也大幅度增加，冻土区域植被生长季节长度以及陆地碳平衡与土壤冻融过程密切相关，Goul-den等研究表明，土壤碳库的稳定性对冻土融化的深度和持续时间比较敏感，气候变暖加速冻土融化将可能造成该区域净的碳排放。

土壤侵蚀对碳循环过程的影响