土壤CO₂通量是土壤有机碳(Soil Organic C，SOC)库的重要输出途径，也是全球碳循环的重要组成部分(Singh et al., 1977; Schlesinger et al., 2000).每年通过土壤释放的CO₂是燃烧化石燃料贡献量的近10倍(Grace et al., 2000)，约占大气CO₂的10%(Raich et al., 1995).在侵蚀条件下，SOC通过泥沙(Lal，2004)和SOC的矿化分解(Lal，2003)两种途径流失.目前，侵蚀条件下SOC流失的组分、强度及其途径已有大量研究.例如，侵蚀泥沙迁移过程中，细颗粒、低密度的SOC组分被优先选择(Gregorich et al., 1998)，轻组SOC显著积累与泥沙中SOC的富集密切相关(Jacinthe et al., 2004)；侵蚀主要影响表层SOC流失，Zhang等(2015)发现严重侵蚀使得表层SOC含量降低了59.7%，Nie等(2013)也得到了相似的结论；贾松伟(2009)研究发现，坡度由10°增加到20°，侵蚀的加剧导致SOC流失量增加达6.3倍；聂小东等(2013)研究指出，雨强增加1.6倍，SOC流失量增加了近3.2倍.侵蚀过程中，SOC因矿化分解变化导致的碳流失也不容忽视.有学者在研究侵蚀发生时发现，被团聚体保护的SOC充分暴露(Mora et al., 2007)，土壤水热条件也随之变化(Bajracharya et al., 2000)，使得SOC矿化分解速率受到影响.因此，尽管土壤CO₂通量是SOC变化的中间过程，但它也反映了SOC储量变化的重要信息.从土壤CO₂通量变化角度研究侵蚀区土壤碳循环，有助于深入理解侵蚀条件下陆地生态系统碳循环机理.

因此，本研究选取黄土高原沟壑区王东沟小流域梁坡耕地表层(0~20 cm)黄绵土，通过室内人工模拟降雨试验，分析不同坡度(5°、15°和25°)、降雨强度(30、60和90 mm · h^-1，即I₃₀、I₆₀、I₉₀)及降雨历时(0.5、1和1.5 h，即H_0.5、H₁、H_1.5)对土壤CO₂通量变化的影响，为评价土壤侵蚀影响土壤CO₂通量的机理提供新思路和理论依据.

试验于2014年7—10月在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅开展.降雨设备为中国科学院水利部水土保持研究所研制的自动控制降雨强度的侧喷式人工降雨装置，实际降雨高度为16 m，雨滴直径、雨滴分布及雨滴达到的终点速度均可以满足天然降雨特性，降雨均匀度大于80%，降雨强度变化范围为40~260 mm · h^-1，最大持续降雨时间12 h，有效降雨面积4 m×9 m(周佩华等，2000;郑粉莉等，2004).

供试土壤取自陕西省长武县王东沟小流域(107°40′~107°42′ E，35°12′~35°16′ N)梁坡地耕层土壤(0~20 cm).土壤类型为黄绵土，其基本理化性质为：有机碳 7.06 g · kg^-1，土壤容重 1.30 g · cm^-3，土壤颗粒组成中，粘粒(< 0.002 mm)占17.77%，粉粒(0.05~0.002 mm)占74.72%，砂粒(2~0.05 mm)占7.51%.

试验小区为6个长1 m、宽0.4 m、高0.35 m的自制移动式可变坡钢槽.依据我国典型的侵蚀性降雨标准(单次降雨量超过10 mm)，设置5°、15°、25°三个坡度，3次重复.共进行5场降雨，分别为降雨历时1 h，降雨强度分别为30、60、90 mm · h^-1(分别记为H₁-I₃₀、H₁-I₆₀、H₁-I₉₀)，以及降雨强度90 mm · h^-1，历时分别为0.5 h、1.5 h(分别记为H_0.5-I₉₀、H_1.5-I₉₀).

供试土壤自然风干，去除植物残体和根系，过2 mm筛后，分4层(每层5 cm)填装，土壤容重控制在1.25~1.35 g · cm^-3之间.装土之前先在各试验小区底部铺设厚10 cm的天然细沙，用透水纱布覆盖，以模拟天然坡面的透水状况.填装下一层土壤之前将表土打毛，以消除两层土壤之间的垂直层理.为了降低土壤装填的变异性，试验前进行30 mm · h^-1 的预降雨，降雨时间控制在产流刚出现时为止(静置24 h后，再进行正式降雨).

降雨过程中，记录产流时间，从产流开始后，利用直径20 cm、高35 cm的径流桶以10 min为间隔，承接径流样.每场降雨后约30 min，将3个直径20 cm、高5 cm的PVC基座砸入各试验小区，基座出露地面1 cm，用于土壤CO₂通量的测定.

基座稳定24 h后，利用Li-8100系统(Li-COR，Lincoln，NE，USA)连续测定土壤CO₂通量一周，测定时间为上午9:00—11:00，这个时间段土壤CO₂通量能够代表全天的平均值(Iqbal et al., 2010).每个基座上连续测定两次，两次测定值差值控制在±0.2 μmol · m^-2 · s^-1之内.采用数字显示温度计(Li-Cor thermocouple probe)测定土壤5 cm温度，便携式水分仪(Theta Probe ML2X with an HH2 moisture meter Delta-T Devices，Cambridge，Engl and )测定土壤0~5 cm水分，各取3次重复.土壤CO₂通量、温度和水分同步监测.

静置24 h后，用洗耳球小心吸走径流桶内上层清液，并用刷子将桶内泥沙全部转移至直径10 cm、高10 cm的钢钵中，40 ℃烘干至恒重后，千分位天平称重，计算泥沙量；泥沙有机碳含量采用H₂SO₄-K₂Cr₂O₇ 外加热法测定.

由于试验持续时间较长、天气变化显著，H₁-I₆₀及H_1.5-I₉₀这两场降雨的温度明显降低，而土壤温度是影响土壤CO₂通量的主控因素，为了排除温度的干扰，依据土壤CO₂通量与土壤温度的指数关系模型(严俊霞等，2010)，将同历时(H₁)的3场降雨及同雨强(I₉₀)的3场降雨分别进行校正，以便分析雨强、历时对土壤CO₂通量的影响，校正模型如下：

土壤充气孔隙(Soil Water-filled Pore Space，WFPS)由下列方程计算获得：

利用Excel 软件进行数据的预处理，数据方差分析采用SAS软件(SAS 6.12)，当F检验显著时，进行均值间LSD显著性检验，在3个水平下(0.001、0.05和0.1)进行了方差分析.用SigmaPlot 软件绘制不同坡度、雨强及历时下SOC流失量、土壤CO₂通量变化图及二者关系图.

坡度、降雨、历时对SOC流失量的影响均达到显著水平(p<0.001)(图 1).同历时和雨强下(即同一场降雨内，下同)，3个坡度下的SOC流失量之间差异显著：相较于5°下的SOC流失量，15°和25°下的SOC流失量显著增加(p<0.001)，增加幅度分别达56.1%~336.4%、74.9%~972.7%；而15°和25°之间的SOC流失量差异相对较小(6.1%~145.8%)，降雨H₁-I₃₀条件下，二者SOC流失量差异显著(p<0.1)，H₁-I₆₀这场降雨后，差异也达到显著水平(p<0.001).

图1(Fig.1)

图1 侵蚀条件下坡度、雨强和历时对SOC流失量的影响(图中不同小写字母代表同坡度和历时下不同雨强间及同坡度和雨强下不同历时间SOC流失量存在显著差异(p<0.1)，不同大写字母代表同历时和雨强下不同坡度间存在显著差异(p<0.1)，否则无显著差异) Fig.1 Effect of slope，rainfall intensity and rainfall duration on soil organic carbon loss under the condition of soil erosion

同坡度和历时(H₁，下同)下，随雨强的增加，SOC流失量显著上升(图 1a).相较于I₃₀雨强下5°、15°、25°坡度的 SOC流失量，I₆₀、I₉₀雨强下对应坡度的SOC流失量分别增加41.8%、201.1%、475.1%和786.1%、671.2%、577.4%，差异显著(p<0.001)，I₉₀较I₆₀雨强下对应坡度的SOC流失量分别增加了525.0%、156.1%、17.8%，差异也达到显著水平(p<0.001).

同坡度和雨强(I₉₀，下同)下，随历时的增加，SOC流失量显著增加(图 1b).与H_0.5历时下5°、15°、25° 坡度的SOC流失量相比，H₁、H_1.5历时下对应坡度SOC流失量显著增加(p<0.001)，增幅分别达220.8%、94.9%、107.7%和353.4%、140.6%、153.9%.相较H₁历时下的SOC流失量，H_1.5历时下对应坡度的SOC流失量分别增加了41.4%、23.4%、22.3%，差异也达显著性水平(p<0.1).

同历时和雨强下，土壤CO₂通量均呈现5°>15°>25°的趋势(表 1)，坡度对土壤CO₂通量的影响达到显著性水平(p<0.001).H₁-I₃₀和H₁-I₆₀这两场降雨，3个坡度之间土壤CO₂通量差异均未达到显著性水平.H₁-I₉₀这场降雨后，25°与5°之间土壤CO₂通量差异显著(p<0.1)，下降达23.3%，而H_0.5-I₉₀、H_1.5-I₉₀两场降雨后，25°坡度下土壤CO₂通量与15°相比分别降低了18.1%、27.1%，差异达到显著性水平(p<0.1)，相较5°下的土壤CO₂通量，表现为显著下降(p<0.001)，下降幅度分别为25.7%、36.0%.

同历时和雨强下，随坡度的增加，土壤温度和水分没有显著变化.各坡度下的土壤温度呈现5°>15°>25°的趋势(表 1)，3个坡度之间土壤温度差异较小(1.3%~10.0%)，均未达到显著性水平.而坡度与土壤水分的关系相对比较复杂(表 1)，例如，降雨H_0.5-I₉₀时，各坡度的土壤水分表现为15°>5°>25°；降雨H₁-I₉₀后，则呈现出15°>25°>5°的趋势；而H_1.5-I₉₀这场降雨后，土壤水分则随着坡度的增加而增加(25°>15°>5°)，但差异未达到显著性水平.

表1(Table 1)

表1 同历时和雨强下坡度对土壤CO2通量、温度、水分的影响 Table 1 Effect of gradient on soil CO2 flux，soil temperature and soil moisture under the same rainfall duration and rainfall intensity

表1 同历时和雨强下坡度对土壤CO2通量、温度、水分的影响 Table 1 Effect of gradient on soil CO2 flux，soil temperature and soil moisture under the same rainfall duration and rainfall intensity 历时-雨强 坡度/(°) 土壤CO2通量/(μmol · m-2 · s-1) 土壤温度/℃ 土壤水分(WFPS) H1-I30 5 2.17±0.77A 26.19±1.57A 42.43%±5.00%A 15 2.00±0.64A 25.43±1.27A 43.58%±4.47%A 25 1.73±0.64A 24.52±1.23A 43.76%±4.23vA H1-I60 5 1.22±0.24A 18.62±0.97A 49.96%±2.79%A 15 1.15±0.25A 18.37±0.90A 53.62%±2.05vA 25 1.02±0.19A 18.31±0.89A 56.96%±2.47vA H1-I90 5 2.75±0.55A 30.91±2.84A 33.79%±4.65vA 15 2.50±0.66AB 29.71±2.35A 35.77%±4.03%A 25 2.11±0.70B 28.92±2.05A 34.81%±3.96%A H0.5-I90 5 2.13±0.44A 30.68±2.39A 25.31%±7.94%A 15 1.93±0.33A 29.10±2.37A 25.34%±8.26%A 25 1.58±0.26B 27.61±1.79A 24.48v±8.65%A H1.5-I90 5 1.97±0.49A 22.97±1.51A 41.48%±2.10%B 15 1.73±0.34A 22.41±1.05A 46.04%±1.39%AB 25 1.26±0.12B 21.51±0.96A 52.18%±2.84%A  注：表中不同大写字母分别表示同历时和雨强下，不同坡度下土壤CO2通量之间、土壤温度之间、土壤水分之间有显著差异(p<0.1)，否则无显著差异.

同坡度和历时(H₁)下，各降雨强度下的土壤CO₂通量呈现出I₃₀>I₆₀>I₉₀的趋势(图 2a)，同坡度和雨强(I₉₀)下，各降雨历时下的土壤CO₂通量则表现为H_0.5>H₁> H_1.5的趋势(图 2b).

图2(Fig.2)

图2 侵蚀条件下雨强和历时对土壤CO2通量的影响(图中不同小写字母代表同坡度和历时下不同雨强间，以及同坡度和雨强下不同历时间土壤CO2通量存在显著差异(p<0.1)，否则无显著差异) Fig.2 Effect of rainfall intensity and rainfall duration on soil CO2 flux under the condition of soil erosion

同坡度和历时下，随雨强的增加，土壤CO₂通量呈现下降的趋势(图 2a).相较I₃₀雨强下5°、15°、25°坡度的土壤CO₂通量，I₆₀、I₉₀雨强下对应坡度的土壤CO₂通量分别降低了2.3%、4.7%、7.7%和7.3%、9.2%、14.3%，但差异均未达到显著性水平.

同坡度和雨强下，随历时的增加，土壤CO₂通量也表现为降低的趋势(图 2b).H₁、H_1.5历时下5°、15°、25°坡度的土壤CO₂通量与H_0.5对应坡度相比，分别下降了1.7%、4.0%、7.7%和3.4%、6.1%、20.9%.其中，历时H_1.5下，25°坡度的土壤CO₂通量出现最小值1.88 μmol · m^-2 · s^-1，相较H_0.5下25°坡度的土壤CO₂通量差异显著(p<0.1).

侵蚀的强弱影响土壤CO₂通量的变化.本研究中，随着坡度、雨强及历时的增加，侵蚀的加剧，土壤CO₂通量降低(表 1、图 2).不少研究也得到了类似的结果，例如，裴会敏等(2012)研究发现，与未侵蚀土壤相比较，在表土剥离5 cm后，高肥力土壤的土壤CO₂通量降低了32.0%；李小宇等(2015)也发现，与坡中部轻度侵蚀区相比，坡上部严重侵蚀区土壤CO₂通量降低5.3%.其次植被覆盖度的差异可能通过影响SOC的输入量(凋落物、根系)等影响CO₂通量的升降(Parkin et al., 2005;郭晋伟，2009).Parkin等(2005)研究发现，处在生长季的玉米其根系呼吸在整个CO₂通量系统中起到主导作用，弥补了由于侵蚀造成的CO₂通量的降低，使得不同坡位之间CO₂通量并没有出现显著的差异.此外，不同侵蚀条件下土壤的微环境(温度、水分)也可能被影响(Bajracharya et al., 2000)，从而引起CO₂通量的不同变化.Bajracharya等(2000)指出，虽然严重侵蚀区的坡度更大、植被覆盖度更低，侵蚀相对严重，但其土壤温度在夏季要显著高于轻度侵蚀区，造成了土壤CO₂通量的增加.因此，地形(坡度和坡长)、降雨(历时和雨强)、植被类型等差异，都可能造成侵蚀对土壤CO₂通量产生不同影响(Römkens et al., 2002; Thorne et al., 2005).

本研究显示，伴随坡度、雨强及历时的增加，泥沙量显著增加，呈现大坡度大于小坡度、大雨强大于小雨强及长历时大于短历时的趋势(表 2)，类似的结果在其它研究中也有报道(和继军等，2012; Bremenfeld et al., 2013; Ziadat et al., 2013).雨强加大，雨滴击溅作用更加强烈，使得土壤颗粒分散程度加剧，更易被水流搬运迁移(聂小东等，2013)，同时，径流冲刷能力也随着坡度的上升而加强(Ziadat et al., 2013)，伴随历时的延长径流量也明显增加(Zhao et al., 2015)，这都使得SOC流失量显著增加.SOC是土壤微生物重要底物，其含量与土壤CO₂通量有显著的正相关关系(Søe et al., 2005; 高宇等，2013).本研究中，同历时的3场降雨土壤CO₂通量和SOC流失量呈现较好的线性负相关关系(y=-0.0252x+2.7958，R²=0.77，r=-0.88，p<0.1)(图 3a)，同雨强的3场降雨下，二者也呈现较好的线性负相关关系(y=-0.0341x+2.8624，R²=0.69，r=-0.83，p=0.1)(图 3b).本研究排除了凋落物、根系、土壤动物的干扰，不同侵蚀条件下土壤CO₂通量的差异，主要是由于微生物呼吸造成的，而SOC作为呼吸基质对微生物呼吸强度有重要的控制作用(薛萐等，2007; 裴会敏等，2012).本研究中，侵蚀以泥沙为载体，通过剥蚀、搬运带走富含SOC的细颗粒物质，减少了微生物呼吸的底物，影响土壤CO₂通量的变化，不同侵蚀强度下SOC流失量的显著差异，造成了土壤CO₂通量的不同变化.然而，不少研究也指出，不同程度侵蚀也可能通过改变土壤的通气状况(谢锦升，2005)、底物的组成及有效性(Miller et al., 2005)、微生物量及活性(方华军等，2006)来影响土壤CO₂通量的变化.而本研究中，主要分析了不同坡度、雨强及历时下SOC流失量的显著差异，而对于原位土壤的通气状况、底物组成及微生物活性等对土壤CO₂通量的影响需要进一步探讨.

表2(Table 2)

表2 坡度和降雨对泥沙量的影响 Table 2 Effect of slope and rainfall on the content of sediment

表2 坡度和降雨对泥沙量的影响 Table 2 Effect of slope and rainfall on the content of sediment 历时-雨强 不同坡度下的泥沙量/g 5° 15° 25° H1-I30 52.8±1.1Cc 111.6±2.1ABc 120.3±4.2Ac H1-I60 66.8±4.6Cb 274.5±7.7Bb 779.0±28.6Ab H1-I90 467.4±15.4Cae 1041.1±28.8ABae 1161.2±32.5Aae H0.5-I90 135.9±12.3Cf 412.5±40.7ABf 473.7±41.0Af H1.5-I90 684.9±13.9Cd 1330.1±20.1ABd 1459.4±23.0Ad  注：表中不同大写字母代表同历时和雨强下，不同坡度间泥沙量存在显著差异(p<0.1)，否则无显著差异；图中不同小写字母a、b、c代表同坡度和历时下，不同雨强间存在显著差异(p<0.1)，不同小写字母d、e、f代表同坡度和雨强下，不同历时间存在显著差异(p<0.1)，否则无显著差异.

图3(Fig.3)

图3 土壤CO2通量与SOC流失量的关系 Fig.3 Relationship between soil CO2 flux and the content of SOC loss

1)同历时和雨强下，各坡度下的土壤CO₂通量均呈现出5°>15°>25°的趋势，坡度对土壤CO₂通量的影响达到显著性水平(p<0.001)；而土壤温度、土壤水分在不同坡度之间差异不明显.

2)同坡度和历时下，随雨强的增加，土壤CO₂通量呈现出I₃₀>I₆₀>I₉₀的趋势，同坡度和雨强下，随历时的增加，土壤CO₂通量表现为H_0.5>H₁>H_1.5的趋势，且历时对土壤CO₂通量的影响达到显著性水平(p<0.1).

3)SOC流失量随坡度、雨强及历时的增加而增加(p<0.001)，土壤CO₂通量的变化与SOC流失量呈线性负相关关系(R²=0.69~0.77，r=-0.83~-0.88，p≤0.1).