喀斯特小流域土壤碳的淋溶流失对土地利用/覆被变化的响应研究

The carbon leached from soil is of an aqueous form, which includes dissolved inorganic carbon (DIC) and dissolved organic carbon (DOC). This kind of carbon loss can't be ignored in assessment of the terrestrial carbon balance. However, the relationship between soil carbon loss and Land Use/Cover Change (LUCC) as well as the controlling mechanism of the carbon loss need to be further studied. Using the methods and theories of isotope geochemistry, soil science, and hydrology, this project will analyze influences of LUCC on DOC and DIC concentration, stable carbon isotope composition of soil water, the soil properties and other factors of small karst catchments with different land use/cover, for a better understanding of the biogeochemical processes controlling the carbon loss within karst catchments in response to LUCC. The dynamics of water soluble carbon and exchanges of other substances between soil and soil water before/during/after rain events will also be studied to help to decipher the key factors and the main geochemical processes controlling the soil carbon loss caused by LUCC. The expected results of the proposed project will give us a better understanding of the influence of LUCC on soil carbon loss and its significance, and will provide scientific bases for assessing the terrestrial carbon balance and protecting soil resources.

土壤淋溶流失的碳是在水的作用下从土壤淋洗和溶解流失的溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC)，在陆地碳平衡评估中不可忽略，但这类碳的流失与土地利用/覆被变化(LUCC)之间的关系与控制机制却亟待研究明确。本项目以不同土地利用/覆被喀斯特小流域为研究对象，运用同位素地球化学、土壤学及水文学的理论与手段，分析LUCC影响土壤水中的DOC和DIC、稳定碳同位素组成及土壤性质等因子的变化，结合降雨前后及降雨时的土壤水、土壤可溶性碳等水土物质交换研究，揭示喀斯特小流域土壤碳淋溶流失的变化对LUCC的响应特征，明确LUCC引起土壤碳淋溶流失变化的关键因子及主要的地球化学过程，阐明LUCC影响下的土壤碳淋溶流失对喀斯地区碳循环的影响及其意义。项目成果将为陆地生态系统碳平衡的评估及土壤资源保护等提供科学依据。

在水的作用下从土壤淋溶流失的溶解性有机碳(DOC)和溶解性无机碳(DIC）转移到水生生态系统后的沉积或释放是碳循环的关键环节，对陆地碳收支核算具有重要意义。土地利用变化可以影响土壤中水和碳的迁移及二者之间的相互作用，使土壤碳淋溶流失过程与之密切联系。我国西南地区喀斯特分布面积较大，具有碳库巨大、碳循环活跃、对环境变化敏感、易流失等特征，是区域和全球碳循环研究的重要对象。本项目以不同土地利用/覆被条件下的喀斯特小流域为研究对象，采集了土壤水、溪水及地下水(泉水)，分析了样品中的水化学组成、溶解碳(DOC和DIC)、δ13C-DIC等指标，主要就不同土地利用/覆被条件下土壤碳淋溶流失碳的特征、来源/归趋及其对区域碳循环的影响展开了研究。主要得到以下结论：1）喀斯特地区土壤淋溶流失的碳以无机碳(DIC)为主，有机碳(DOC)的贡献可以忽略，流失的DIC/DOC比值处于94~3066之间。与此同时，生物成因碳的贡献(平均41%)略小于“非生物成因碳”的贡献(平均59%)；2）土地利用变化对土壤碳的淋溶流失(量及来源)产生重要影响，树林覆盖坡地、去除植被的裸露坡地和耕作坡地中土壤碳的流失量及生物成因碳的贡献依次降低，平均值分别依次为46%、40%和33%；3）在土壤碳流失到水生系统过程中，部分CO2将通过水-气界面碳交换释放到大气，研究区水体向大气释放的CO2通量位于0.16~50.47umol/m2/s之间，平均为9.14umol/m2/s，高于世界河流的平均水平。本研究的科学意义主要有以下几个方面：1)进一步突出了无机碳在喀斯特系统碳循环中的重要性；2）利用同位素技术定量估算了生物成因碳及非生物成因碳对土壤淋溶流失碳(主要是DIC)的贡献；3)土壤流失的碳进入水生系统后将向大气释放。这是由于尽管游离CO2浓度较低，高浓度的DIC为喀斯特水体水向大气释放的CO2提供了充足的碳源。在土地利用、环境及水力条件等因子的影响下，喀斯特地区水面向大气释放的将CO2远高于已有认识，对区域和全球陆地碳收支估算具有重要意义。精确估算其释放总量、土-水界面及水-气界面碳迁移的耦合过程以及这些碳的来源等研究是未来相关领域需要重点关注的问题。