流域泥沙运动的环境效应及其机理研究

Sediment movement leads to water and soil loss accompanied with loss of soil organic substance and nutrients, consequently brings in severe eco-environmental problems. The previous studies on environmental effect resulted from sediment movement more focused on physical and chemical processes, and rarely considered the interaction between phases in the combined system of water, sediment and carbon as well as sequestration and emission of CO2. Thus, the migration, transformation and destination of substance in the composite system and its environmental effect cannot be elucidated. This project therefore, by means of field observation and sampling, indoors analysis, statistical analysis, theoretical analysis and model simulation together with other techniques such as "3S", aims to systematically study the relationship between the sediment movement and carbon migration and transformation, to propound a novel approach for soil loss assessment based on systematically coded polygons, carbon flux measurement for small river basins and method for distinguishing biological behaviors accompanied sediment movement, to reveal the mechanism of carbon transform and the mechanisms of sequestration and emission of CO2 in the process of sediment erosion, to establish carbon flux models of inorganic/organic carbon transformation in water-sediment-carbon combined system, and illustrate the synthetically environmental effect of sediment movement in river basins with case studies.

流域泥沙运动在引发水土流失的同时也会导致土壤有机质和营养物的流失，造成严重的生态环境问题。过去关于泥沙运动环境效应的研究多关注物理与化学过程，很少考虑水-沙-碳复合体系中的相间作用和CO2的吸收-排放，从而不能深刻阐明水沙体系中物质的迁移转化和归宿以及泥沙运动的综合环境效应。鉴于此，本项目拟将野外观测和采样分析、室内测试分析、统计分析、理论分析、模拟模型和3S等技术与方法结合，深入研究水-沙-碳复合体系中泥沙运动和碳迁移转化的关系；提出基于仿基因分级编码的流域产沙快速预测方法，小流域泥沙运动引发的碳通量测定方法和碳生物行为的影响因素识别方法；构建水-沙-碳复合体系中无机碳/有机碳转化的碳通量模型，揭示水-沙-碳复合体系中碳转化过程机制，并通过典型案例阐明流域泥沙运动的综合环境效应。

水土流失在造成生态退化、面源污染的同时，还会引发土壤有机碳的水平迁移通量（水平碳通量）以及土壤与大气间的CO2交换通量（垂向碳通量）变化，进而影响全球碳循环的过程和气候变化的进程。围绕这些问题，过去已经在小流域尺度开展了大量研究，然而尚缺乏区域尺度水土流失引发的碳通量评估研究。鉴于此，本项目提出了基于仿基因分级编码的流域产沙快速预测方法，结合对不同泥沙运动阶段有机碳行为的深入认识，实现了小流域模型向大尺度区域-流域扩展的功能，采用第二次和第四次全国土壤侵蚀普查的高精度资料，揭示了黄土高原和长江上游水土流失严重区域近二十年来水土保持的效应，并计算了侵蚀和淤积分别引发的水平碳通量，从而在国际上首次给出了国家-大陆尺度的土壤侵蚀产生的碳通量效应。.研究表明，中国每年由于土壤侵蚀产生的有机碳流失量为180 ± 80 Mt C yr-1；近二十年来，由于水土保持的显著成效，该通量减少了44%；淤积产生的水平碳通量为98 ± 58 Mt C yr-1。本项目给出了泥沙侵蚀、输移、沉积三个过程中的垂向碳通量，提出的新方法避开了难以在大尺度汇总的计算参数（如侵蚀年限、稳定区土壤有机碳分布等），可直接与全国土壤普查结果和全球碳循环模型输出等大数据集相对接；经来自全世界15个小流域实测数据的验证，该方法与传统方法的计算结果十分吻合。经计算：水土流失在全国侵蚀区产生的垂向碳通量为47 ± 24 Mt C yr-1，近二十年来，该通量减少了16%；而淤积区和输移过程中引发的垂向碳通量只占侵蚀区通量的约4%；故水土流失中总的垂向碳通量为45 ± 25 Mt C/yr，约占陆地生态系统总固碳量的8–37%。.本项目的代表性成果于2016年6月发表在国际著名杂志《美国科学院院报》（PNAS）上（第一标注）。