137Cs示蹤分析東北黑土坡耕地土壤侵蝕對(duì)有機(jī)碳組分的影響

何彥星，張風(fēng)寶,2，楊明義,2,3※

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3.中國(guó)科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心，楊凌 712100）

0 引 言

中國(guó)東北黑土區(qū)是世界僅存的三大黑土區(qū)之一，擁有非常寶貴的黑土資源，總面積達(dá)103萬(wàn)km2，是中國(guó)商品糧基地，商品率占全國(guó)的1/3以上[1]。黑土區(qū)開(kāi)墾年限不足百年，由于高強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)利用和掠奪式經(jīng)營(yíng)，以及不合理的耕作、施肥等，導(dǎo)致黑土發(fā)生嚴(yán)重退化，水土流失明顯加重[2-3]。黑土區(qū)耕地具有“坡”緩而長(zhǎng)的特殊地貌類(lèi)型，種植方式多為順坡和斜坡壟作，水土流失現(xiàn)象明顯，黑土層正以年均0.3～1 mm速度在變薄[4]，黑土層平均厚度已由開(kāi)墾前60～80 cm下降到20～40 cm[5]，且每年因水土流失和侵蝕溝造成的全年糧食減產(chǎn)高達(dá)14.1%[6]。土壤有機(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量是土壤肥力的主要指標(biāo)，而土壤侵蝕是造成土壤有機(jī)碳遷移、流失的主要原因[7]，嚴(yán)重的土壤侵蝕會(huì)減少土壤有機(jī)碳含量，從而降低土地生產(chǎn)能力，因此，研究土壤侵蝕對(duì)有機(jī)碳及其組分的影響對(duì)維持或提升黑土生產(chǎn)能力具有重要的意義。

核素137Cs是20世紀(jì)50—70年代核試驗(yàn)的產(chǎn)物，半衰期為30.2 a，在土壤侵蝕領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8-10]，在估算土壤侵蝕速率、刻畫(huà)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分異等方面優(yōu)勢(shì)明顯。大量研究表明，農(nóng)田土壤中137Cs含量與SOC關(guān)系密切，在地表物質(zhì)遷移中有相似的移動(dòng)路徑[11-13]。長(zhǎng)期侵蝕和耕作下坡耕地坡面土壤發(fā)生侵蝕-搬運(yùn)-沉積作用，導(dǎo)致有機(jī)碳及其組分在坡面尺度重新分布。侵蝕過(guò)程中較細(xì)而輕的土壤顆粒能富集更多有機(jī)碳從而能優(yōu)先被遷移，粗而重的土壤顆粒吸附有機(jī)碳量比較少且容易沉積[14]。一般情況下，土壤侵蝕導(dǎo)致坡上侵蝕區(qū)SOC大量流失，沉積區(qū)累積增加[15]。而在有機(jī)碳遷移過(guò)程中，部分有機(jī)碳被礦化或者掩埋[16]。由此引發(fā)出土壤侵蝕對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳“源匯”的貢獻(xiàn)爭(zhēng)議[17]，土壤侵蝕過(guò)程中有機(jī)碳的礦化是大氣 CO2的一個(gè)源[18-19]，而另一方學(xué)者則認(rèn)為侵蝕導(dǎo)致有機(jī)碳在流域內(nèi)不斷沉積是農(nóng)田碳的一個(gè)匯[20-21]。因此，從農(nóng)田土壤侵蝕對(duì)有機(jī)碳組分影響的角度進(jìn)行研究有利于理解土壤侵蝕在全球碳循環(huán)中作用。Cheng等[22]分析了黑土區(qū)典型農(nóng)田5個(gè)地貌部位剖面分布，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕主要通過(guò)搬運(yùn)輕密度和細(xì)小顆粒來(lái)影響顆粒態(tài)有機(jī)碳（Particulate Organic Carbon，POC）和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（Mineral-bound Organic Carbon，MOC）的含量，侵蝕對(duì)POC含量影響較小，但可使MOC含量減少9.3%～35.2%。方華軍等[23-24]通過(guò)對(duì)坡面定點(diǎn)采樣研究表明土壤侵蝕優(yōu)先使與較細(xì)顆粒結(jié)合的有機(jī)碳（如：MOC）遷移流失，并在低洼的沉積區(qū)累積。在坡面坡腳沉積處的粗顆粒態(tài)有機(jī)碳（Coarse Particulate Organic Carbon，CPOC）顯著低于坡頂，坡腳處細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳（Fine Particulate Organic Carbon，F(xiàn)POC）含量也明顯低于坡背[25]。也有研究采用粒度分級(jí)法研究了細(xì)溝間侵蝕引起的礦物結(jié)合有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的遷移，結(jié)果表明與 POC相比，細(xì)溝間侵蝕優(yōu)先搬運(yùn) MOC[26]。目前，這些研究大多只聚焦于侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的對(duì)比，或根據(jù)地貌特征將坡面劃分為不同的地貌部位定點(diǎn)采樣進(jìn)行對(duì)比研究，缺乏全坡面不同采樣點(diǎn)侵蝕強(qiáng)度與有機(jī)碳及其組分之間關(guān)系的定量研究。

據(jù)此，本文以典型黑土區(qū)一凸型耕地坡面為研究對(duì)象，基于137Cs示蹤技術(shù)，分析坡面土壤侵蝕特征及其強(qiáng)度分異，定量研究侵蝕速率與有機(jī)碳及組分含量之間的關(guān)系，旨在為科學(xué)評(píng)估土壤侵蝕在碳循環(huán)中的作用和為探明農(nóng)田黑土有機(jī)碳變化機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

在黑龍江省哈爾濱市克山縣（47°50′51"N～48°33′47"N，125°10′57″E～126°8′18"E）農(nóng)墾總局克山農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的一塊典型凸型坡耕地開(kāi)展試驗(yàn)?？松娇h位于齊齊哈爾市東北部，為小興安嶺伸向松嫩平原的過(guò)渡地帶，地勢(shì)東北高西南低，境內(nèi)地形丘陵起伏，漫川漫崗，平均海拔236.9 m。黑土層厚度約30 cm，素有“黑土明珠”之稱(chēng)，截至2015年克山縣耕地面積1 467 km2[27]。克山縣屬大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫 2.4 ℃，雨熱同季，降雨集中在6、7、8月，年平均降水量499 mm左右，平均風(fēng)速4 m/s。本坡耕地開(kāi)墾年限約為50 a，耕作深度30 cm左右，坡長(zhǎng)約370 m，坡度變化較為復(fù)雜，坡頂?shù)貏?shì)平緩部分為 0°～2°，坡中部坡度在 3°～5.5°，坡底部分坡度2.5°～4°，坡向北，耕地東側(cè)為防風(fēng)林，西側(cè)仍為耕地，底部有溝道。多年來(lái)耕作方式為順坡起壟耕作，主要以玉米和大豆輪作。土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土（國(guó)際制），其顆粒組成如下：砂粒（2～0.02 mm）體積分?jǐn)?shù)為31.24%，粉粒（0.02～0.002 mm）體積分?jǐn)?shù)為31.32%，黏粒（＜0.002 mm）體積分?jǐn)?shù)為37.44%。

1.2 土壤樣品采集

土樣采集于2007年10月，采用土鉆（直徑6 cm，高15 cm）垂直于水平面打入坡面采集土樣，選擇A、B、C共3個(gè)斷面，每個(gè)斷面取15個(gè)點(diǎn)，共計(jì)45個(gè)土樣。各斷面間距20 m，在坡腳處加密，采樣深度一般為40 cm，坡腳部位采樣深度50 cm。詳細(xì)采樣空間分布見(jiàn)圖1。同時(shí)選擇該凸型坡附近的一處原始次生林保護(hù)區(qū)內(nèi)作為背景值采樣地，據(jù)調(diào)查該保護(hù)區(qū)從農(nóng)場(chǎng)1952年建設(shè)之初就被保護(hù)，未被開(kāi)墾擾動(dòng)，因此137Cs背景值及有機(jī)碳未開(kāi)墾對(duì)照采樣點(diǎn)選擇在林間平坦空白地內(nèi)，隨機(jī)采集10個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)之間距離大于1 m，采樣深度為40 cm。

1.3 分析方法

土壤中137Cs含量的測(cè)定：將采集的土壤樣品自然風(fēng)干，剔除雜質(zhì)（根系、石塊等），研磨后過(guò)1 mm塑料篩子，裝入特制樣品盒內(nèi)待測(cè)。分析儀器為美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的8 192道低本底γ能譜分析儀，在661.6 keV處測(cè)定137Cs全峰面積，測(cè)定時(shí)間均為28 800 s。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。測(cè)完137Cs的風(fēng)干樣品放在土壤樣品庫(kù)中保存，于2020年4月測(cè)定土壤有機(jī)碳及其組分[28]：將100 mL 5 g/L 的六偏磷酸鈉溶液加入到 20 g 預(yù)處理的土樣中（風(fēng)干過(guò)2 mm篩，去除植物殘?bào)w），手搖5～10 min，震蕩18 h（90 r/min），分散。將分散液和土壤全部置于53和250μm 篩上，用去離子水沖至水流清晰不含細(xì)土顆粒為止。將篩上物按照篩網(wǎng)大小分為粗顆粒態(tài)有機(jī)碳（Coarse Particle Organic C，CPOC，＞250μm）、細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳（Fine Particle Organic C，F(xiàn)POC，53～250μm）、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（Mineral Organic Carbon，MOC，＜53μm），篩上、下土樣經(jīng)沉淀后倒掉上清液，在 60 ℃條件下烘干，稱(chēng)質(zhì)量，后經(jīng)研磨過(guò)150μm篩，用元素分析儀（VARIO EL cube）測(cè)定其碳含量（C，g/kg），乘以各粒級(jí)所占土壤的百分比，計(jì)算出對(duì)應(yīng)組分有機(jī)碳含量。其中粗顆粒態(tài)有機(jī)碳與細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳之和為顆粒態(tài)有機(jī)碳（POC）[29]。因本研究供試黑土不含碳酸鹽，所以總碳即為總SOC。

1.4 數(shù)據(jù)處理

137Cs估算土壤侵蝕速率是基于張信寶等[30]提出的質(zhì)量平衡模型，模型表達(dá)式如下：

式中A(t)為土壤剖面137Cs總量，Bq/m2；Aref為137Cs的背景值，經(jīng)測(cè)定本背景值為2 500 Bq/m2；H為耕作層厚度，cm；h為年均土壤流失厚度，cm/a；N為取樣年份。

土壤侵蝕速率計(jì)算公式如下：

式中E為土壤侵蝕速率t/(km2·a)；ρ為土壤容重，g/cm3；104為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

采用Microsoft Excel 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 25中單因素方差分析（One-way ANOVA）和t-test進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，利用皮爾遜相關(guān)分析和回歸分析研究土壤侵蝕強(qiáng)度與有機(jī)碳不同組分間的關(guān)系。采用Surfer 15中 Kriging插值進(jìn)行等值線繪圖，其余圖像均采用Graphpad 8.0繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度及其空間分布

由表1可知，整個(gè)坡面年均侵蝕速率為3 801.71 t/(km2·a)。研究坡面 45個(gè)采樣點(diǎn)中有 26.67%的沉積點(diǎn)主要分布在坡腳南側(cè)（圖2），沉積速率在192.05～3 960.04 t/(km2·a)之間，平均為 1 926.21 t/(km2·a)，變異系數(shù)為0.70，屬于中等變異。采樣點(diǎn)中侵蝕點(diǎn)占比73.33%，侵蝕速率在 312.91～17 131.99 t/(km2·a)之間，均值為5 884.59 t/(km2·a)，變異系數(shù)為0.65。依據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL 190—2008）》[31]本坡面整體上屬于中度侵蝕，其中62.22%的采樣點(diǎn)處于中度侵蝕及以上，遠(yuǎn)超東北黑土區(qū)容許土壤流失量（200 t/(km2·a)），11.11%的點(diǎn)為極強(qiáng)烈及劇烈侵蝕，劇烈侵蝕點(diǎn)主要位于凸型坡中部坡度較陡處（約距坡頂280 m）；占比最多的強(qiáng)烈侵蝕點(diǎn)有15個(gè)，占整個(gè)坡面的33.33%，主要分布在極強(qiáng)烈及劇烈侵蝕發(fā)生點(diǎn)位的周?chē)?；輕度和中度侵蝕點(diǎn)占比28.9%，主要分在坡頂東側(cè)及坡腳沉積點(diǎn)周?chē)？傮w而言，整個(gè)研究坡面坡頂土壤侵蝕較輕，坡中部侵蝕嚴(yán)重，坡腳西側(cè)大部分為沉積且東側(cè)有少量侵蝕發(fā)生。

表1 凸型坡耕地坡面侵蝕等級(jí)和沉積的劃分Table 1 Classification of slope erosion and sedimentation of convex slope farmland

2.2 未開(kāi)墾地與坡耕地土壤有機(jī)碳及組分含量差異

未開(kāi)墾土壤的有機(jī)碳及組分含量均大于耕地土壤，坡耕地自開(kāi)墾以來(lái)SOC含量下降了13.58%，其中MOC和POC含量分別下降了7.52%和40.49%。POC的組分CPOC下降幅度最大（73.24%），另一組分 FPOC無(wú)顯著差異（表2）。耕地CPOC在POC總量中的絕對(duì)比例以及未開(kāi)墾土壤轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾蟮慕档?，?dǎo)致了POC總量的降低。此外，無(wú)論是未開(kāi)墾還是耕地土壤中有機(jī)碳組分含量均為MOC＞FPOC＞CPOC，且未開(kāi)墾土壤的SOC、MOC和CPOC含量均顯著大于耕地（P＜0.05），而FPOC未體現(xiàn)出顯著性差異。

表2 未開(kāi)墾與耕地土壤有機(jī)碳及組分平均含量差異Table 2 Differences in mean content of organic carbon and components in uncultivated and cultivated soils

對(duì)不同侵蝕等級(jí)下有機(jī)碳及其組分含量與未開(kāi)墾土壤進(jìn)行對(duì)比分析（圖3）。發(fā)現(xiàn)耕地SOC和MOC在沉積點(diǎn)、輕度侵蝕點(diǎn)均有輕微增加，POC含量在不同侵蝕等級(jí)和沉積點(diǎn)均為降低，但POC中FPOC在沉積點(diǎn)卻明顯增加，其他侵蝕等級(jí)均處于下降狀態(tài)，而組分 CPOC在整個(gè)坡面均為下降狀態(tài)且下降幅度最大（63.17%～79.39%）。將沉積點(diǎn)考慮在內(nèi)，中度侵蝕等級(jí)之前采樣點(diǎn)的SOC及組分MOC、POC降幅量急劇下降，之后隨著侵蝕等級(jí)的上升其下降幅度有所減緩，SOC及組分MOC和FPOC 均在中度侵蝕等級(jí)（＞2 500～5 000 t/(km2·a)）達(dá)到最大降幅。

2.3 有機(jī)碳組分含量對(duì)侵蝕強(qiáng)度的響應(yīng)

對(duì)所有侵蝕點(diǎn)和沉積點(diǎn)有機(jī)碳及組分含量做顯著性檢驗(yàn)（圖4），發(fā)現(xiàn)SOC、MOC和FPOC含量在沉積點(diǎn)均極顯著大于侵蝕點(diǎn)（P＜0.01），而 CPOC在沉積點(diǎn)和侵蝕點(diǎn)之間不存在顯著差異（P=0.347）。對(duì)SOC及組分MOC而言，輕度侵蝕是一個(gè)臨界點(diǎn)，沉積點(diǎn)和輕度侵蝕點(diǎn)的SOC及MOC含量顯著大于輕度以上3個(gè)侵蝕等級(jí)（P＜0.05）。而POC與組分FPOC在顯著性上雖有相似的分布，其含量只在沉積點(diǎn)與中度、強(qiáng)烈侵蝕點(diǎn)之間存在顯著差異（P＜0.05）；另一組分 CPOC含量在沉積點(diǎn)和不同侵蝕等級(jí)間并未出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性差異（P＞0.05），這表明不同強(qiáng)度的侵蝕對(duì)CPOC含量并沒(méi)有顯著的影響。

將坡面土壤侵蝕速率和有機(jī)碳不同組分進(jìn)行相關(guān)分析（表3），發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕速率與SOC、MOC和FPOC之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而與 CPOC雖呈負(fù)相關(guān)但不顯著。有機(jī)碳不同組分之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這表明SOC、MOC和FPOC含量與土壤侵蝕速率密切相關(guān)，CPOC與土壤侵蝕速率無(wú)顯著相關(guān)。

表3 土壤侵蝕速率與土壤有機(jī)碳及其組分的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of soil erosion rate and soil organic carbon and its components

分別將有機(jī)碳不同組分與土壤侵蝕速率進(jìn)行回歸分析（圖5），發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕速率與SOC、MOC和FPOC之間均存在極顯著的線性關(guān)系（P＜0.01），決定系數(shù)分別為0.434、0.361和0.481。CPOC與土壤侵蝕速率之間無(wú)顯著線性關(guān)系（P＞0.05），而與 FPOC相加的POC與土壤侵蝕速率卻存在極顯著的線性關(guān)系（R2=0.427，P＜0.01）?？梢?jiàn)，土壤侵蝕對(duì)有機(jī)碳組分中的MOC和FPOC的影響較大，而對(duì)CPOC影響相對(duì)較弱，即MOC和FPOC含量隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增大呈下降趨勢(shì)。

3 討 論

本研究坡面整體侵蝕—沉積情況與已有研究結(jié)果（黑土區(qū)）基本一致[4,32-33]，均認(rèn)為坡面上坡度較大區(qū)域的侵蝕是最嚴(yán)重的，坡腳為沉積，與之不同的是本耕地坡腳不僅存在沉積還有些許的侵蝕發(fā)生，這可能與坡面西側(cè)略高于東側(cè)的地形有關(guān)。本研究坡面年均侵蝕速率為3 801.71 t/(km2·a)，和同為克山農(nóng)場(chǎng)采用137Cs估算的侵蝕速率3 315.64 t/(km2·a)比較接近[9]，而其他采用核素示蹤技術(shù)[10]研究的區(qū)域多集中于流域尺度，估算的年均侵蝕速率接近、甚至超過(guò)了本研究（表4）。采用模型估算的侵蝕速率由于流域尺度過(guò)大及各種參數(shù)的取值不同[34-35]，導(dǎo)致與本研究中坡面的侵蝕情況有所差異。通過(guò)徑流小區(qū)觀測(cè)資料計(jì)算的結(jié)果也各有差別[36]，與本研究相比，整體偏小，主要是因?yàn)闁|北地區(qū)現(xiàn)有徑流小區(qū)多為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，與東北實(shí)際情況相比，坡長(zhǎng)較短，且為直型坡[37]，而本研究坡型為凸型，坡度最大處可達(dá)5.5°，坡長(zhǎng)約為370 m，具有一定的特殊性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果高于徑流小區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。總體而言，近年來(lái)東北黑土區(qū)的土壤侵蝕情況依舊很?chē)?yán)峻，本研究估算的侵蝕數(shù)據(jù)具有可靠性，也說(shuō)明土壤侵蝕在東北某些黑土區(qū)中尚未得到明顯改善。

表4 東北黑土區(qū)不同研究方法估算年均侵蝕速率差異Table 4 Differences in estimated average annual erosion rates among different research methods in the black soil region of Northeast China

通過(guò)對(duì)比未開(kāi)墾與耕地土壤中有機(jī)碳組分含量差異，發(fā)現(xiàn)各組分均有不同幅度的下降。翟國(guó)慶等[15]于2018年對(duì)同區(qū)域克山農(nóng)場(chǎng)內(nèi)具有30、40及60 a開(kāi)墾歷史的耕地采樣發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量分別為31.97、25.04及26.57 g/kg，而本研究中耕地SOC含量為28.40 g/kg（50 a）也基本符合這一范圍。本文認(rèn)為，不考慮農(nóng)作物的吸收作用下，土壤有機(jī)碳及組分下降的原因可能主要在于兩方面：1）物理遷移驅(qū)動(dòng)（即土壤侵蝕）；2）生物作用驅(qū)動(dòng)。相較于未開(kāi)墾土壤，本坡耕地自開(kāi)墾后SOC及組分MOC和CPOC均有所下降。其中POC下降幅度較大（40.49%），且在所有侵蝕等級(jí)和沉積點(diǎn)中均處于下降狀態(tài)，可能主要有以下幾個(gè)方面原因?qū)е拢?）土壤侵蝕的直接攜帶作用使得有機(jī)碳流失；2）POC是受凋落物和部分枯枝殘根礦化腐解影響的過(guò)渡態(tài)有機(jī)碳庫(kù)，耕地自開(kāi)墾以后，表層大量富集的植物殘根和凋落物經(jīng)多年礦化和分解，最終導(dǎo)致POC含量降低[38-39]；3）POC是微生物活動(dòng)的主要碳源，在隨土壤顆粒遷移和累積過(guò)程中易被微生物利用分解，在沉積區(qū)也難以累積[25]；4）次生林中未開(kāi)墾土壤持續(xù)接收枯枝落葉和殘根引起有機(jī)碳及組分含量相對(duì)有所增大導(dǎo)致兩者有所差距。組分CPOC與POC一樣在整個(gè)侵蝕等級(jí)和沉積點(diǎn)均為下降狀態(tài)且 CPOC整體下降幅度在63.17%～79.39%之間，而經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)侵蝕強(qiáng)度對(duì)CPOC沒(méi)有顯著的影響，說(shuō)明坡耕地有機(jī)碳組分中CPOC可能主要受微生物分解而下降。

有機(jī)碳各組分之間雖呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，但土壤侵蝕速率與 CPOC之間并未有顯著的線性關(guān)系且其含量在不同侵蝕等級(jí)中也無(wú)顯著性差異，說(shuō)明土壤侵蝕變化對(duì) CPOC影響不大。其他有機(jī)碳及組分與土壤侵蝕速率均呈極顯著的負(fù)線性關(guān)系，這與馮志珍等[10,13]利用137Cs示蹤法研究土壤侵蝕與有機(jī)碳之間關(guān)系的結(jié)論相一致；但在不同的侵蝕等級(jí)其含量降幅程度不同且不存在隨侵蝕等級(jí)增大有機(jī)碳組分降幅量呈增大趨勢(shì)，這可能是微生物作用在不同侵蝕條件下的差異所造成。土壤侵蝕使得坡面土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致了不同坡位土壤溫度和土壤水分的差異[40]，水分、溫度及通氣性等通過(guò)影響微生物活性進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[41]，而MOC是有機(jī)物分解的最終產(chǎn)物與黏粒、粉粒相結(jié)合的部分[29,42]，本文耕地輕度侵蝕的采樣點(diǎn)主要位于坡腳沉積區(qū)附近及坡頂平緩處，能保持一定的水分，侵蝕作用又相對(duì)較弱，導(dǎo)致有機(jī)物在持續(xù)分解過(guò)程中的產(chǎn)物MOC含量相對(duì)有輕微增加。隨著侵蝕等級(jí)的增加，勢(shì)必造成該部位土壤養(yǎng)分大量流失[43]，土壤微生物生物量隨之減少，但仍具備一定的活性，在分解POC的同時(shí)，侵蝕過(guò)程中徑流大量攜帶與較細(xì)土壤顆粒結(jié)合的有機(jī)碳（如 FPOC和 MOC），甚至是較粗土壤顆粒（CPOC），導(dǎo)致在中度及以上侵蝕等級(jí)有機(jī)碳及組分含量均處于下降狀態(tài)。而有機(jī)碳及組分含量雖在中度侵蝕等級(jí)達(dá)到最大降幅，但結(jié)合圖4發(fā)現(xiàn)中度及以上侵蝕等級(jí)的有機(jī)碳及組分之間并不存在顯著性差異，相對(duì)而言發(fā)生在坡上（0～200 m）的中度侵蝕點(diǎn)位可能既具有適宜微生物活性的基礎(chǔ)條件，又處于一定侵蝕狀態(tài)，在二者的最佳組合下導(dǎo)致在該侵蝕等級(jí)處下降幅度最大。強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈及劇烈侵蝕采樣點(diǎn)主要位于凸型坡中部坡度較陡處附近，該地形不利于水分的儲(chǔ)存，因此這些區(qū)域微生物活性可能相對(duì)較弱，土壤侵蝕占據(jù)主導(dǎo)地位帶走了部分有機(jī)碳及組分。而方華軍等[44]研究結(jié)果表明，侵蝕越嚴(yán)重的地形部位土壤有機(jī)碳礦化速率越大，即對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳含量下降量就越多。這與本文研究結(jié)果略有不同，這可能是由于本研究耕地坡形為凸型，侵蝕最嚴(yán)重的地方由于坡度大，不利于水分的保持進(jìn)而影響微生物活性而致。就整個(gè)坡面上侵蝕-沉積點(diǎn)對(duì)比而言，有機(jī)碳及組分在沉積點(diǎn)顯著大于侵蝕點(diǎn)（CPOC除外），這主要是因?yàn)槠旅嫔蠑y帶養(yǎng)分的土壤長(zhǎng)期遭受侵蝕（主要是水力侵蝕）被搬運(yùn)、沉積的結(jié)果[10,32]。此外，每年坡面土壤都會(huì)補(bǔ)充一部分新鮮植物殘?bào)w（秸稈、大豆）及施肥，再經(jīng)翻耕使得耕層土壤再分布，也會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳及組分含量產(chǎn)生一定的影響。有研究表明耕作導(dǎo)致的侵蝕主要破壞易受微生物分解的大團(tuán)聚體（＞2 mm）[45-46]，耕作侵蝕速率與POC呈顯著負(fù)相關(guān)，認(rèn)為耕作主要導(dǎo)致POC的損耗促進(jìn)SOC的礦化[47]。由此可見(jiàn)，耕地土壤是在物理和生物共同驅(qū)動(dòng)作用下導(dǎo)致坡面不同部位有機(jī)碳組分含量分布差異甚至流失。

綜上，坡面物理遷移驅(qū)動(dòng)除了直接攜帶導(dǎo)致有機(jī)碳組分流失外，其形成不同強(qiáng)度的侵蝕—沉積環(huán)境還會(huì)使局部微生物活性產(chǎn)生差異，進(jìn)而對(duì)有機(jī)碳及組分的分解與礦化產(chǎn)生不同程度的影響。對(duì)MOC而言，坡頂輕度侵蝕區(qū)生物分解有機(jī)質(zhì)形成 MOC的作用可能強(qiáng)于物理遷移導(dǎo)致其含量略有增加，中度及以上侵蝕區(qū)其含量隨侵蝕強(qiáng)度增大而下降的趨勢(shì)，主要受物理遷移驅(qū)動(dòng)作用影響，而在中度侵蝕處則可能是物理遷移驅(qū)動(dòng)和生物驅(qū)動(dòng)的最佳組合，導(dǎo)致坡面有機(jī)碳及組分含量出現(xiàn)低值區(qū)。FPOC也在中度侵蝕達(dá)到最大降幅，但其含量只在沉積區(qū)累積，在其他侵蝕點(diǎn)均有所下降且與侵蝕速率呈極顯著負(fù)線性關(guān)系，主要受物理遷移驅(qū)動(dòng)作用。侵蝕強(qiáng)度對(duì)CPOC沒(méi)有顯著影響且在整個(gè)坡面降幅量是最大的，其主要受生物分解的驅(qū)動(dòng)作用。本次土樣測(cè)定中并未測(cè)取有關(guān)微生物數(shù)據(jù)，這也是下一步需要關(guān)注的重點(diǎn)。此外，在本研究中耕地坡形為凸型具有一定的特殊性，在后續(xù)的研究中應(yīng)在其他坡形中繼續(xù)關(guān)注此問(wèn)題，以更為準(zhǔn)確地反映物理遷移驅(qū)動(dòng)和生物作用驅(qū)動(dòng)對(duì)坡耕地土壤有機(jī)碳及組分的影響。綜上分析表明，土壤侵蝕在東北某些黑土區(qū)中的嚴(yán)重程度仍未得到明顯改善，且隨著土地利用類(lèi)型的變化（開(kāi)墾）,有機(jī)碳含量顯著下降，尤其以顆粒有機(jī)碳為主，對(duì)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。據(jù)此，本文建議：對(duì)于坡度較大、開(kāi)墾年限較長(zhǎng)的耕地采取橫坡壟作、改長(zhǎng)壟為短壟及等高種植等有效的水土保持措施遏制水土及養(yǎng)分的流失；其次，實(shí)行保護(hù)性耕作制度，免耕少耕、秸稈還田和施農(nóng)家有機(jī)肥等措施以增強(qiáng)土壤保水性，降低風(fēng)蝕水蝕及補(bǔ)充土壤肥力；最后，實(shí)施有利于黑土肥力提高、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的土地管理政策，引導(dǎo)農(nóng)戶(hù)、企業(yè)積極參與，形成黑土地保護(hù)建設(shè)長(zhǎng)效機(jī)制。

4 結(jié) 論

本文以典型黑土區(qū)克山縣境內(nèi)一凸型坡耕地為例，研究了土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布，定量分析了坡面有機(jī)碳組分的變化幅度及侵蝕強(qiáng)度與有機(jī)碳組分間的關(guān)系。得到的主要結(jié)論如下：

1）研究坡面年均侵蝕速率為3 801.71 t/(km2·a)，屬中度侵蝕，33.33%的采樣點(diǎn)為強(qiáng)烈侵蝕，極強(qiáng)烈及劇烈的侵蝕點(diǎn)占比11.11%，劇烈侵蝕點(diǎn)主要位于凸型坡中部坡度較陡處，26.67%為沉積點(diǎn)，主要分布在坡腳西側(cè)。

2）坡耕地自開(kāi)墾以來(lái)有機(jī)碳含量下降了13.58%，其中礦質(zhì)有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳分別下降了7.52%和40.49%，顆粒有機(jī)碳中粗顆粒有機(jī)碳下降幅度最大（73.24%），細(xì)顆粒有機(jī)碳無(wú)顯著性差異，粗顆粒有機(jī)碳減少是坡面有機(jī)碳下降的主要原因。

3）土壤有機(jī)碳、礦質(zhì)有機(jī)碳和細(xì)顆粒有機(jī)碳在沉積點(diǎn)均顯著大于侵蝕點(diǎn)（P＜0.01），輕度侵蝕點(diǎn)的有機(jī)碳及礦質(zhì)有機(jī)碳含量顯著大于輕度以上侵蝕點(diǎn)（P＜0.01）。土壤侵蝕速率與有機(jī)碳、礦質(zhì)有機(jī)碳和細(xì)顆粒有機(jī)碳之間呈極顯著的負(fù)線性關(guān)系，沉積點(diǎn)及不同侵蝕強(qiáng)度之間粗顆粒有機(jī)碳均無(wú)顯著差異（P＞0.05）且隨土壤侵蝕速率無(wú)趨勢(shì)性變化。結(jié)果說(shuō)明坡耕地中粗顆粒有機(jī)碳和礦質(zhì)有機(jī)碳減少的驅(qū)動(dòng)機(jī)制可能存在差異。