CN109856368A - 一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，涉及环境科学领域，主要包括以下步骤：S1：未侵蚀土壤剖面深度‑年龄关系函数的建立；S2：侵蚀区土壤剖面分层采样与土壤年龄测定；S3：侵蚀区土壤侵蚀量的计算；S4：侵蚀区土壤侵蚀碳库流失量计算。本发明利用¹⁴C测年技术和土壤沉积理论，将土壤侵蚀量与土壤碳库流失量估算相结合，提供了一种黄土高原不同立地条件下土壤侵蚀碳库流失量的计算方法，弥补了历史时期土壤侵蚀碳库流失量的计算方法的缺失。

Description

一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法

技术领域

本发明涉及环境科学领域，具体为一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法。

背景技术

土壤是陆地生态系统最大的碳库，土壤碳库源汇格局的变化会对大气CO₂浓度产生重要影响，进而影响全球气候变化。一方面，土壤具有巨大的碳汇潜力，通过合适的生态系统管理措施，全球土壤固碳潜力高达0.4-1.2Pg C yr^-1,大约能够抵消全球每年化石燃料排放CO₂的5-15％。另一方面，如果对土壤碳库管理不当，土壤可能成为巨大的CO₂排放源。自然生态系统转化为农业生态系统会导致温带地区土壤碳库下降60％左右，而在热带地区土壤有机碳库的损失可能超过75％。因此，土壤碳库的有效管理对于增加土壤碳汇，降低大气CO₂浓度，缓解全球气候变暖等方面具有重要意义。

土壤侵蚀导致的有机碳和无机碳的流失是土壤碳库损失的重要途径。侵蚀作用在对土壤进行剥蚀，分解，迁移和沉积的过程中，土壤碳库也随之发生变化。研究土壤侵蚀环境下土壤碳库的变化及其稳定性机制是当前世界研究的热点问题，对进一步厘清侵蚀作用的土壤碳库源汇效应，深入认识陆地生态系统碳循环过程和准确估算区域碳平衡都有着重要意义。由于土质疏松、暴雨集中、植被破坏严重等原因，黄土高原是我国乃至世界上水土流失最为严重的区域之一，其入黄泥沙量曾高达16亿吨。尽管历史时期的土壤碳库损失量巨大，但当前全球碳循环研究中对土壤侵蚀损失碳库的研究十分薄弱，在全球碳循环模型中较少包括土壤侵蚀碳库模块，亟需加强该方面的研究。

当前，对历史时期土壤侵蚀量的估算方法主要有两种：(1)基于流域沟谷体积变化进行外推的方法；(2)利用河流下游三角洲的沉积量进行计算。然而，上述方法主要用于流域和区域尺度土壤侵蚀量和侵蚀碳库损失量的估算，无法进行立地尺度的土壤侵蚀及碳库损失量的估算。为此，本发明提供了一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量的计算方法，用于计算黄土高原地区不同立地条件下的历史时期土壤侵蚀及碳库损失量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，该历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法包含以下步骤：

S1：未侵蚀土壤剖面深度-年龄关系函数的建立：

选择土壤剖面保存完好，未发生明显侵蚀的黄土高原典型塬区作为参照位点，进行土壤剖面开挖和样品采集；在开挖剖面分层进行高分辨率土壤样品采集，利用¹⁴C测年技术，测定各不同土层对应土壤年龄，然后利用不同土层¹⁴C测年结果，建立土壤剖面深度-年龄关系函数；

S2：侵蚀区土壤剖面分层采样与¹⁴C年龄测定：

选择拟开展研究区域进行土壤剖面开挖和样品采集，分层采集土壤样品，将采集的样品分层混合均匀后进行¹⁴C测年，所测样品年龄代表该土层范围内土壤样品平均年龄；根据采样土层厚度，利用参考位点的土壤深度-年龄函数，计算获得不同土层厚度土壤年龄范围；

S3：侵蚀区土壤侵蚀量的计算：对比不同土层土壤年龄，确认整个剖面土壤年龄是否连续，若相邻土层之间土壤年龄不连续，则认为该段时期有土壤侵蚀发生；根据相邻土层间土壤年龄，计算土壤剖面年代缺失，并根据沉积速率，进一步计算缺失土壤厚度，即土壤侵蚀量；

S4：侵蚀区土壤侵蚀碳库流失量计算：

首先，采用环刀法测定不同土层土壤容重，其次，对采集的不同土层土壤样品进行有机碳和无机碳含量测定；最后，根据公式计算土壤侵蚀的有机碳、无机碳和总碳库量的流失量。

优选的，所述S1的未侵蚀土壤剖面位于黄土高原典型塬区。

优选的，所述S1要求未侵蚀区土壤剖面深度不小于2m，土壤剖面分层采样厚度不大于5cm，土壤年龄为土壤有机碳¹⁴C测年获得，通过高分辨率采样以保证足够的样点进行土壤深度-年龄关系模型拟合。

优选的，S1中所述土壤深度-土壤年龄关系曲线，拟合二者关系模型的计算公式为：

f(x)＝ax+b (1)

式中：x为土层深度(cm)，f(x)为对应土层年龄(year)，a和b为模型拟合系数，斜率a表示参考位点土壤沉积速率，该值为无侵蚀发生情况下研究区土壤理论沉积速率。

优选的，S2中所述土壤年龄范围计算公式如下：

A＝A_m±T_d×(D_i/2) (2)

式中：A(年)表示某一土层土壤年龄的上限和下限值，A_m(年)表示该土层实测平均年龄值，T_d(年)表示单位土壤沉积厚度所需时间(S1计算获得)，D_i(cm)表示第i层土壤采样厚度(cm)。

优选的，S4中所述土壤侵蚀的有机碳、无机碳和总碳库量的流失量的计算公式为：

SOCD_e＝D_e×BD_m×SOC_m/10 (3)

SICD_e＝D_e×BD_m×SIC_m/10 (4)

STCD_e＝SOCD_e+SICD_e (5)

式中：SOCD_e和SICD_e分别表示单位面积侵蚀的土壤有机碳和无机碳库量(Mg ha^-1)，STCD_e表示单位面积土壤侵蚀总碳库量(Mg ha^-1)，D_e表示侵蚀土层总厚度(cm)，BD_i表示土壤剖面加权平均容重(g cm^-3)，SOC_i和SIC_i表示土壤剖面加权平均有机碳和无机碳含量(g kg^-1)，10表示单位换算系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种利用放射性¹⁴C同位素测年技术和土壤沉积理论估算历史时期土壤侵蚀碳库损失量的计算方法，该方法通过在黄土高原典型塬区建立高分辨率土壤深度-土壤年龄函数关系，计算该区非侵蚀条件下土壤沉积速率和单位厚度土壤沉积时间，外推由侵蚀导致的研究区土壤剖面年代缺失和对应侵蚀量，进而估算不同立地条件下侵蚀地区土壤侵蚀量和碳库损失量，该方法从立地尺度上计算黄土高原地区不同立地条件下的历史时期土壤侵蚀及碳库损失量。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，该历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法包含以下步骤：

S1：未侵蚀土壤剖面深度-年龄关系函数的建立。选择土壤剖面保存完好，未发生明显侵蚀的黄土高原典型塬区作为参照位点，进行土壤剖面开挖和样品采集；在开挖剖面分层进行高分辨率土壤样品采集，利用¹⁴C测年技术，测定各不同土层对应土壤年龄，然后利用不同土层¹⁴C测年结果，建立土壤剖面深度-年龄关系函数；

S2：侵蚀区土壤剖面分层采样与¹⁴C年龄测定。选择拟开展研究区域进行土壤剖面开挖和样品采集，分层采集土壤样品，将采集的样品分层混合均匀后进行¹⁴C测年，所测样品年龄代表该土层范围内土壤样品平均年龄；根据采样土层厚度，利用参考位点的土壤深度-年龄函数，计算获得不同土层厚度土壤年龄范围；

S3：侵蚀区土壤侵蚀量的计算。对比不同土层土壤年龄，确认整个剖面土壤年龄是否连续，若相邻土层之间土壤年龄不连续，则认为该段时期有土壤侵蚀发生；根据相邻土层间土壤年龄，计算土壤剖面年代缺失，并根据沉积速率，进一步计算缺失土壤厚度，即土壤侵蚀量。

S4：侵蚀区土壤侵蚀碳库流失量计算。首先，采用环刀法测定不同土层土壤容重，其次，对采集的不同土层土壤样品进行有机碳和无机碳含量测定；最后，根据公式计算土壤侵蚀的有机碳、无机碳和总碳库量的流失量。

所述S1的未侵蚀土壤剖面位于黄土高原典型塬区。

所述S1要求未侵蚀区土壤剖面深度不小于2m，土壤剖面分层采样厚度不大于5cm，土壤年龄为土壤有机碳¹⁴C测年获得，通过高分辨率采样以保证足够的样点进行土壤深度-年龄关系模型拟合。

S1中所述土壤深度-土壤年龄关系曲线，拟合二者关系模型的计算公式为：

f(x)＝ax+b (1)

式中：x为土层深度(cm)，f(x)为对应土层年龄(year)，a和b为模型拟合系数，斜率a表示参考位点土壤沉积速率，该值为无侵蚀发生情况下研究区土壤理论沉积速率。

S2中所述土壤年龄范围计算公式如下：

A＝A_m±T_d×(D_i/2) (2)

式中：A(年)表示某一土层土壤年龄的上限和下限值，A_m(年)表示该土层实测平均年龄值，T_d(年)表示单位土壤沉积厚度所需时间(S1计算获得)，D_i(cm)表示第i层土壤采样厚度(cm)。

S4中所述土壤侵蚀的有机碳、无机碳和总碳库量的流失量的计算公式为：

SOCD_e＝D_e×BD_m×SOC_m/10 (3)

SICD_e＝D_e×BD_m×SIC_m/10 (4)

STCD_e＝SOCD_e+SICD_e (5)

式中：SOCD_e和SICD_e分别表示单位面积侵蚀的土壤有机碳和无机碳库量(Mg ha^-1)，STCD_e表示单位面积土壤侵蚀总碳库量(Mg ha^-1)，D_e表示侵蚀土层总厚度(cm)，BD_i表示土壤剖面加权平均容重(g cm^-3)，SOC_i和SIC_i表示土壤剖面加权平均有机碳和无机碳含量(g kg^-1)，10表示单位换算系数。

(一)未侵蚀土壤剖面深度-年龄关系函数的建立：

参照区的选择：以黄土高原洛川塬为参照区域。

①选择该区域土壤剖面保存完好，未发生明显侵蚀的黄土高原典型塬区作为参照位点，进行土壤剖面开挖和样品采集；

②在开挖剖面分层进行高分辨率土壤样品采集，利用¹⁴C测年技术，测定各不同土层对应土壤年龄(要求：剖面深度不小于2m，同时对土壤剖面进行高分辨率采样以保证足够的样点进行土壤深度-年龄关系模型拟合)；

③利用不同土层¹⁴C测年结果，建立土壤深度-土壤年龄关系曲线；

④根据土壤深度-土壤年龄关系曲线，拟合二者关系模型:f(x)＝ax+b，式中x为土层深度，f(x)为对应土层年龄，a和b为模型拟合系数，斜率a表示参考位点土壤沉积速率，该值为无侵蚀发生情况下研究区土壤理论沉积速率；

⑤根据参照区土壤沉积速率计算沉积单位厚度土壤所需时间(T_d)；

利用该区已建立的高分辨率(200cm剖面，每5cm分层采样)土壤深度-土壤年龄关系模型(D＝0.0179×A_d，D为土壤深度，A_d为对应土层土壤年龄)，确定黄土高原土壤理论沉积速率为1.79cm/100a，即每沉积1cm土壤大约需要时间为56a(刘刚，2009，陕北黄土高原全新世气候影响下的黄土沉积速率，中国科学院研究生院博士学位论文)。

(二)侵蚀区土壤剖面分层采样与¹⁴C年龄测定：

实施地概况：研究区位于甘肃省合水县连家砭林场(36°02’-36°05’N,108°31’-108°32’E)，该区多年平均降雨量为587mm，年平均气温为10℃。采样点海拔高度为1443m，植被类型为辽东栎次生林，立地类型为梁坡，土壤类型为森林灰褐土。在辽东栎林样地内设置10m×10m的样方，在样方中心位置挖掘1m深土壤剖面进行样品分层采集，采样深度分别0-10cm，10-20cm，20-30cm，30-50cm，50-70cm和70-100cm。用环刀法测定剖面各层土壤容重。将采集的土壤样品带回实验室，剔除动植物残体，自然风干后研磨过筛进行土壤有机碳¹⁴C年龄测定、有机碳和无机碳含量测定等。

①选择该区域进行土壤剖面开挖和样品采集；

②分层采集土壤样品，将采集的样品分层混合均匀后进行¹⁴C测年，所测样品年龄代表该土层范围内土壤样品平均年龄(表1)；

表1辽东栎林各土层¹⁴C年龄、土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)含量和土壤容重(BD)

(三)侵蚀区土壤侵蚀量的计算：

根据采样土层厚度，利用参考位点的土壤深度-年龄曲线，计算获得不同土层土壤年龄范围，计算公式如下：

A＝A_m±T_d×(D_i/2)

式中：A(年)表示某一土层土壤年龄的上限和下限值，A_m表示该土层实测平均年龄值，T_d表示单位土壤沉积厚度所需时间，此处为56a/cm，D_i(cm)表示第i层土壤采样厚度(cm)。以辽东栎林10-20cm土层为例，其土壤年龄上下限值为A＝313±56×(10/2)，即10-20cm土层对应年龄范围为33-593年，除表层土层起始年龄为0年外，其他土层依次类推(表1)。对比不同土层土壤年龄，确认整个剖面土壤年龄是否连续，若相邻土层之间土壤年龄不连续，则认为该段时期有土壤侵蚀发生；根据相邻土层间土壤年龄，计算土壤剖面年代缺失，并根据沉积速率，进一步计算缺失土壤厚度，即土壤侵蚀量。从表1可以看出，辽东栎林土层10-20cm与20-30cm，20-30cm与30-50cm，50-70cm和70-100cm之间出现了年代缺失，缺失年代分别为1451年，3918年和239年，累计缺失年代5608年，结合未侵蚀剖面土壤沉积速率0.0179cm/a计算可知辽东栎林位点历史时期土壤侵蚀量为100.4cm。

侵蚀区土壤侵蚀碳库流失量计算：

首先，对采集的不同土层土壤样品进行有机碳和无机碳含量测定，其次，采用环刀法测定不同土层土壤容重；最后，根据下列公式计算土壤侵蚀的有机碳、无机碳和总碳库量的流失量(表2)。

SOCD_e＝D_e×BD_m×SOC_m/10

SICD_e＝D_e×BD_m×SIC_m/10

STCD_e＝SOCD_e+SICD_e

式中，SOCD_e和SICD_e分别表示单位面积侵蚀的土壤有机碳和无机碳库量(Mg ha^-1)，STCD_e表示单位面积土壤侵蚀总碳库量(Mg ha^-1)，D_e表示侵蚀土层总厚度(cm)，BD_i表示土壤剖面加权平均容重(g cm^-3)，SOC_i和SIC_i表示土壤剖面加权平均有机碳和无机碳含量(g kg^-1)，10表示单位换算系数。

表2辽东栎林土壤侵蚀量和土壤有机碳库(SOCD_e)、无机碳库(SICD_e)和总碳库(STCD_e)流失量

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，其特征在于，该历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法包含以下步骤：

S1：未侵蚀土壤剖面深度-年龄关系函数的建立：选择土壤剖面保存完好，未发生明显侵蚀的黄土高原典型塬区作为参照位点，进行土壤剖面开挖和样品采集；在开挖剖面分层进行高分辨率土壤样品采集，利用¹⁴C测年技术，测定不同土层对应土壤年龄，然后利用不同土层¹⁴C测年结果，建立土壤剖面深度-年龄关系函数；

S2：侵蚀区土壤剖面分层采样与¹⁴C年龄测定：选择拟开展研究区域进行土壤剖面开挖和样品采集，分层采集土壤样品，将采集的样品分层混合均匀后进行¹⁴C测年，所测样品年龄代表该土层范围内土壤样品平均年龄；根据采样土层厚度，利用参考位点的土壤深度-年龄函数，计算获得不同土层厚度土壤年龄范围；

S3：侵蚀区土壤侵蚀量的计算：对比不同土层土壤年龄，确认整个剖面土壤年龄是否连续，若相邻土层之间土壤年龄不连续，则认为该段时期有土壤侵蚀发生；根据相邻土层间土壤年龄，计算土壤剖面年代缺失，并根据沉积速率，进一步计算缺失土壤厚度，即土壤侵蚀量；

S4：侵蚀区土壤侵蚀碳库流失量计算：首先，采用环刀法测定不同土层土壤容重，其次，对采集的不同土层土壤样品进行有机碳和无机碳含量测定；最后，根据公式计算土壤侵蚀的有机碳、无机碳和总碳库量的流失量。

2.根据权利要求1所述的一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，其特征在于，所述S1的未侵蚀土壤剖面位于黄土高原典型塬区。

3.根据权利要求1所述的一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量的计算方法，其特征在于，所述S1要求未侵蚀区土壤剖面深度不小于2m，土壤剖面分层采样厚度不大于5cm，土壤年龄为土壤有机碳¹⁴C测年获得，通过高分辨率采样以保证足够的样点进行土壤深度-年龄关系模型拟合。

4.根据权利要求1所述的一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，其特征在于，S1中所述土壤深度-土壤年龄关系曲线，拟合二者关系模型的计算公式为：

f(x)＝ax+b (1)

式中：x为土层深度，f(x)为对应土层年龄，a和b为模型拟合系数，斜率a表示参考位点土壤沉积速率，该值为无侵蚀发生情况下研究区土壤理论沉积速率。

5.根据权利要求1所述的一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，其特征在于，S2中所述土壤年龄范围计算公式如下：

A＝A_m±T_d×(D_i/2) (2)

式中：A表示某一土层土壤年龄的上限和下限值，A_m表示该土层实测平均年龄值，T_d表示单位土壤沉积厚度所需时间，为S1计算获得，D_i表示第i层土壤采样厚度。

6.根据权利要求1所述的一种历史时期土壤侵蚀碳库流失量计算的方法，其特征在于，S4中所述土壤侵蚀的有机碳、无机碳和总碳库量的流失量的计算公式为：

SOCD_e＝D_e×BD_m×SOC_m/10 (3)

SICD_e＝D_e×BD_m×SIC_m/10 (4)

STCD_e＝SOCD_e+SICD_e (5)

式中：SOCD_e和SICD_e分别表示单位面积侵蚀的土壤有机碳和无机碳库量，STCD_e表示单位面积土壤侵蚀总碳库量，D_e表示侵蚀土层总厚度，BD_i表示土壤剖面加权平均容重，SOC_i和SIC_i表示土壤剖面加权平均有机碳和无机碳含量，10表示单位换算系数。