全球土壤侵蚀评估及其对颗粒态有机碳输移的影响

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土壤侵蚀已成为影响生态环境和人类发展最严重的问题之一,其导致土地资源遭到破坏、土壤退化、降低土壤的生产能力。21世纪以来,影响侵蚀发生的降雨和植被变化趋势如何,土壤侵蚀是增加还是减少,未来的变化趋势如何等尚不清楚。此外,土壤含有陆地生态系统中最大的有机碳储量,在计算有机碳过程中忽略土壤侵蚀,会错误的认为有机碳侵蚀是由于呼吸作用。因此我们评估了基于土壤侵蚀的颗粒态有机碳(Particulate Organic Oarbon,POC),其通过河流由陆地向海洋的运移影响了全球有机碳的再分布。然而,因受到监测数据数量和质量的限制,导致陆海运移的POC量级、规模和全球空间分布仍不清晰。为此,本文基于更新的GEMS-GLORI数据库、全球气象水文数据、土壤属性数据、土地利用数据、RCP8.5情景下的土地利用和降雨数据和其他再分析资料。采用Theil-Sen和Mann-Kendall结合的趋势分析,一元回归方法来量化植被和降雨演变趋势,运用RUSLE模型估算全球土壤侵蚀,采用土壤侵蚀模型(Ferosion)、固体总悬浮物模型(Ftss)和径流量模型(Frunoff),对全球主要河流POC通量进行再研究并生成数据集。得出以下结果:(1)植被对土壤侵蚀的抑制作用大于降雨。全球分别有68.71%和40.64%的区域降雨和植被呈增加的趋势。其中,降雨有24.43%的区域显著增加,主要分布在俄罗斯,哈萨克斯坦,中国北方,巴基斯坦,印度、芬兰、美国阿拉斯加州、墨西哥和秘鲁。植被有16.74%的区域显著增加,集中分布在欧洲、印度、中国和澳大利亚的东南。但两者对侵蚀产生抑制作用的区域分别有29.12%和53.81%。(2)土壤侵蚀呈减少的趋势。土壤侵蚀有50.51%的区域呈减少趋势,其中有11.51%呈显著减少,主要分布在亚洲和欧洲。土壤侵蚀总量增加了553.17×106t yr-1,增幅3.44%。空间上显示非洲和北美洲侵蚀呈增加趋势,侵蚀容易发生在暖温带和冷温带,面积占比39.97%;侵蚀高值区集中在北纬30.50°—47°,和南纬41°—52°之间;未来极重度侵蚀在向轻度、中度、和重度转移。(3)土壤侵蚀引起的颗粒态有机碳通量估算结果更加接近真实值。全球河流Ferosion、Ftss和Frunoff通量分别为0.20、0.17和0.12Pg C/yr。因此,陆地生物圈每年向到海洋运移POC通量为0.12—0.20Pg C/yr。与以往研究认为太平洋和北冰洋是POC的主要接纳者不同,我们研究认为太平洋和大西洋接收更多的POC,并且分别接收30.76%—62.51%,26.77%—53.95%。出现这样的差异,可能与受到土壤侵蚀、固体总悬浮物和径流量的综合影响有关。亚洲比其他大陆出口更多的POC(17.71—61.69%)。亚马逊流域是大西洋POC的主要贡献者,贡献了53.30—58.68%。此外,因为人类活动强烈和高侵蚀区的众多大流域广泛分布,在纬度带上发现POC通量存在2个关键带。综上,21世纪以来植被和降雨都在增加,但是土壤侵蚀呈减少的演变趋势,未来情景模拟的侵蚀显示会持续减少。由于土壤侵蚀综合考虑了自然因素和人为因素,因此,其引起的颗粒态有机碳接近真实值。这些认识有助于解决陆海有机碳再分布规律的理解。
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