137Cs示蹤分析東北黑土坡耕地土壤侵蝕對有機碳組分的影響

何彥星，張風寶,2，楊明義,2,3※

（1.西北農林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3.中國科學院第四紀科學與全球變化卓越創新中心，楊凌 712100）

0 引 言

中國東北黑土區是世界僅存的三大黑土區之一，擁有非常寶貴的黑土資源，總面積達103萬km2，是中國商品糧基地，商品率占全國的1/3以上[1]。黑土區開墾年限不足百年，由于高強度的開發利用和掠奪式經營，以及不合理的耕作、施肥等，導致黑土發生嚴重退化，水土流失明顯加重[2-3]。黑土區耕地具有“坡”緩而長的特殊地貌類型，種植方式多為順坡和斜坡壟作，水土流失現象明顯，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高達14.1%[6]。土壤有機碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量是土壤肥力的主要指標，而土壤侵蝕是造成土壤有機碳遷移、流失的主要原因[7]，嚴重的土壤侵蝕會減少土壤有機碳含量，從而降低土地生產能力，因此，研究土壤侵蝕對有機碳及其組分的影響對維持或提升黑土生產能力具有重要的意義。

核素137Cs是20世紀50—70年代核試驗的產物，半衰期為30.2 a，在土壤侵蝕領域應用廣泛[8-10]，在估算土壤侵蝕速率、刻畫土壤侵蝕強度空間分異等方面優勢明顯。大量研究表明，農田土壤中137Cs含量與SOC關系密切，在地表物質遷移中有相似的移動路徑[11-13]。長期侵蝕和耕作下坡耕地坡面土壤發生侵蝕-搬運-沉積作用，導致有機碳及其組分在坡面尺度重新分布。侵蝕過程中較細而輕的土壤顆粒能富集更多有機碳從而能優先被遷移，粗而重的土壤顆粒吸附有機碳量比較少且容易沉積[14]。一般情況下，土壤侵蝕導致坡上侵蝕區SOC大量流失，沉積區累積增加[15]。而在有機碳遷移過程中，部分有機碳被礦化或者掩埋[16]。由此引發出土壤侵蝕對農田生態系統碳“源匯”的貢獻爭議[17]，土壤侵蝕過程中有機碳的礦化是大氣 CO2的一個源[18-19]，而另一方學者則認為侵蝕導致有機碳在流域內不斷沉積是農田碳的一個匯[20-21]。因此，從農田土壤侵蝕對有機碳組分影響的角度進行研究有利于理解土壤侵蝕在全球碳循環中作用。Cheng等[22]分析了黑土區典型農田5個地貌部位剖面分布，發現土壤侵蝕主要通過搬運輕密度和細小顆粒來影響顆粒態有機碳（Particulate Organic Carbon，POC）和礦物結合態有機碳（Mineral-bound Organic Carbon，MOC）的含量，侵蝕對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]通過對坡面定點采樣研究表明土壤侵蝕優先使與較細顆粒結合的有機碳（如：MOC）遷移流失，并在低洼的沉積區累積。在坡面坡腳沉積處的粗顆粒態有機碳（Coarse Particulate Organic Carbon，CPOC）顯著低于坡頂，坡腳處細顆粒態有機碳（Fine Particulate Organic Carbon，FPOC）含量也明顯低于坡背[25]。也有研究采用粒度分級法研究了細溝間侵蝕引起的礦物結合有機碳和顆粒有機碳的遷移，結果表明與 POC相比，細溝間侵蝕優先搬運 MOC[26]。目前，這些研究大多只聚焦于侵蝕區和沉積區的對比，或根據地貌特征將坡面劃分為不同的地貌部位定點采樣進行對比研究，缺乏全坡面不同采樣點侵蝕強度與有機碳及其組分之間關系的定量研究。

據此，本文以典型黑土區一凸型耕地坡面為研究對象，基于137Cs示蹤技術，分析坡面土壤侵蝕特征及其強度分異，定量研究侵蝕速率與有機碳及組分含量之間的關系，旨在為科學評估土壤侵蝕在碳循環中的作用和為探明農田黑土有機碳變化機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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）農墾總局克山農場內的一塊典型凸型坡耕地開展試驗。克山縣位于齊齊哈爾市東北部，為小興安嶺伸向松嫩平原的過渡地帶，地勢東北高西南低，境內地形丘陵起伏，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，截至2015年克山縣耕地面積1 467 km2[27]?？松娇h屬大陸季風氣候，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，平均風速4 m/s。本坡耕地開墾年限約為50 a，耕作深度30 cm左右，坡長約370 m，坡度變化較為復雜，坡頂地勢平緩部分為 0°～2°，坡中部坡度在 3°～5.5°，坡底部分坡度2.5°～4°，坡向北，耕地東側為防風林，西側仍為耕地，底部有溝道。多年來耕作方式為順坡起壟耕作，主要以玉米和大豆輪作。土壤質地為壤質黏土（國際制），其顆粒組成如下：砂粒（2～0.02 mm）體積分數為31.24%，粉粒（0.02～0.002 mm）體積分數為31.32%，黏粒（＜0.002 mm）體積分數為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個斷面，每個斷面取15個點，共計45個土樣。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。詳細采樣空間分布見圖1。同時選擇該凸型坡附近的一處原始次生林保護區內作為背景值采樣地，據調查該保護區從農場1952年建設之初就被保護，未被開墾擾動，因此137Cs背景值及有機碳未開墾對照采樣點選擇在林間平坦空白地內，隨機采集10個樣點，樣點之間距離大于1 m，采樣深度為40 cm。

1.3 分析方法

土壤中137Cs含量的測定：將采集的土壤樣品自然風干，剔除雜質（根系、石塊等），研磨后過1 mm塑料篩子，裝入特制樣品盒內待測。分析儀器為美國ORTEC公司生產的8 192道低本底γ能譜分析儀，在661.6 keV處測定137Cs全峰面積，測定時間均為28 800 s。采用環刀法測定土壤容重。測完137Cs的風干樣品放在土壤樣品庫中保存，于2020年4月測定土壤有機碳及其組分[28]：將100 mL 5 g/L 的六偏磷酸鈉溶液加入到 20 g 預處理的土樣中（風干過2 mm篩，去除植物殘體），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土顆粒為止。將篩上物按照篩網大小分為粗顆粒態有機碳（Coarse Particle Organic C，CPOC，＞250μm）、細顆粒態有機碳（Fine Particle Organic C，FPOC，53～250μm）、礦物結合態有機碳（Mineral Organic Carbon，MOC，＜53μm），篩上、下土樣經沉淀后倒掉上清液，在 60 ℃條件下烘干，稱質量，后經研磨過150μm篩，用元素分析儀（VARIO EL cube）測定其碳含量（C，g/kg），乘以各粒級所占土壤的百分比，計算出對應組分有機碳含量。其中粗顆粒態有機碳與細顆粒態有機碳之和為顆粒態有機碳（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 數據處理

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

式中A(t)為土壤剖面137Cs總量，Bq/m2；Aref為137Cs的背景值，經測定本背景值為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為單位轉換系數。

采用Microsoft Excel 2019軟件對數據進行整理，采用SPSS 25中單因素方差分析（One-way ANOVA）和t-test進行顯著性檢驗，利用皮爾遜相關分析和回歸分析研究土壤侵蝕強度與有機碳不同組分間的關系。采用Surfer 15中 Kriging插值進行等值線繪圖，其余圖像均采用Graphpad 8.0繪制。

2 結果與分析

2.1 坡耕地土壤侵蝕強度及其空間分布

由表1可知，整個坡面年均侵蝕速率為3 801.71 t/(km2·a)。研究坡面 45個采樣點中有 26.67%的沉積點主要分布在坡腳南側（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)，變異系數為0.70，屬于中等變異。采樣點中侵蝕點占比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)，變異系數為0.65。依據《土壤侵蝕分類分級標準（SL 190—2008）》[31]本坡面整體上屬于中度侵蝕，其中62.22%的采樣點處于中度侵蝕及以上，遠超東北黑土區容許土壤流失量（200 t/(km2·a)），11.11%的點為極強烈及劇烈侵蝕，劇烈侵蝕點主要位于凸型坡中部坡度較陡處（約距坡頂280 m）；占比最多的強烈侵蝕點有15個，占整個坡面的33.33%，主要分布在極強烈及劇烈侵蝕發生點位的周圍；輕度和中度侵蝕點占比28.9%，主要分在坡頂東側及坡腳沉積點周圍?？傮w而言，整個研究坡面坡頂土壤侵蝕較輕，坡中部侵蝕嚴重，坡腳西側大部分為沉積且東側有少量侵蝕發生。

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

2.2 未開墾地與坡耕地土壤有機碳及組分含量差異

未開墾土壤的有機碳及組分含量均大于耕地土壤，坡耕地自開墾以來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無顯著差異（表2）。耕地CPOC在POC總量中的絕對比例以及未開墾土壤轉變為耕地后的降低，導致了POC總量的降低。此外，無論是未開墾還是耕地土壤中有機碳組分含量均為MOC＞FPOC＞CPOC，且未開墾土壤的SOC、MOC和CPOC含量均顯著大于耕地（P＜0.05），而FPOC未體現出顯著性差異。

表2 未開墾與耕地土壤有機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

對不同侵蝕等級下有機碳及其組分含量與未開墾土壤進行對比分析（圖3）。發現耕地SOC和MOC在沉積點、輕度侵蝕點均有輕微增加，POC含量在不同侵蝕等級和沉積點均為降低，但POC中FPOC在沉積點卻明顯增加，其他侵蝕等級均處于下降狀態，而組分 CPOC在整個坡面均為下降狀態且下降幅度最大（63.17%～79.39%）。將沉積點考慮在內，中度侵蝕等級之前采樣點的SOC及組分MOC、POC降幅量急劇下降，之后隨著侵蝕等級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（＞2 500～5 000 t/(km2·a)）達到最大降幅。

2.3 有機碳組分含量對侵蝕強度的響應

對所有侵蝕點和沉積點有機碳及組分含量做顯著性檢驗（圖4），發現SOC、MOC和FPOC含量在沉積點均極顯著大于侵蝕點（P＜0.01），而 CPOC在沉積點和侵蝕點之間不存在顯著差異（P=0.347）。對SOC及組分MOC而言，輕度侵蝕是一個臨界點，沉積點和輕度侵蝕點的SOC及MOC含量顯著大于輕度以上3個侵蝕等級（P＜0.05）。而POC與組分FPOC在顯著性上雖有相似的分布，其含量只在沉積點與中度、強烈侵蝕點之間存在顯著差異（P＜0.05）；另一組分 CPOC含量在沉積點和不同侵蝕等級間并未出現統計學上的顯著性差異（P＞0.05），這表明不同強度的侵蝕對CPOC含量并沒有顯著的影響。

將坡面土壤侵蝕速率和有機碳不同組分進行相關分析（表3），發現土壤侵蝕速率與SOC、MOC和FPOC之間呈極顯著的負相關關系（P＜0.01），而與 CPOC雖呈負相關但不顯著。有機碳不同組分之間均呈極顯著的正相關關系（P＜0.01），這表明SOC、MOC和FPOC含量與土壤侵蝕速率密切相關，CPOC與土壤侵蝕速率無顯著相關。

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

分別將有機碳不同組分與土壤侵蝕速率進行回歸分析（圖5），發現土壤侵蝕速率與SOC、MOC和FPOC之間均存在極顯著的線性關系（P＜0.01），決定系數分別為0.434、0.361和0.481。CPOC與土壤侵蝕速率之間無顯著線性關系（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系（R2=0.427，P＜0.01）?？梢?，土壤侵蝕對有機碳組分中的MOC和FPOC的影響較大，而對CPOC影響相對較弱，即MOC和FPOC含量隨著土壤侵蝕強度的增大呈下降趨勢。

3 討 論

本研究坡面整體侵蝕—沉積情況與已有研究結果（黑土區）基本一致[4,32-33]，均認為坡面上坡度較大區域的侵蝕是最嚴重的，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生，這可能與坡面西側略高于東側的地形有關。本研究坡面年均侵蝕速率為3 801.71 t/(km2·a)，和同為克山農場采用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[10]研究的區域多集中于流域尺度，估算的年均侵蝕速率接近、甚至超過了本研究（表4）。采用模型估算的侵蝕速率由于流域尺度過大及各種參數的取值不同[34-35]，導致與本研究中坡面的侵蝕情況有所差異。通過徑流小區觀測資料計算的結果也各有差別[36]，與本研究相比，整體偏小，主要是因為東北地區現有徑流小區多為標準徑流小區，與東北實際情況相比，坡長較短，且為直型坡[37]，而本研究坡型為凸型，坡度最大處可達5.5°，坡長約為370 m，具有一定的特殊性，導致計算結果高于徑流小區的監測結果?？傮w而言，近年來東北黑土區的土壤侵蝕情況依舊很嚴峻，本研究估算的侵蝕數據具有可靠性，也說明土壤侵蝕在東北某些黑土區中尚未得到明顯改善。

表4 東北黑土區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

通過對比未開墾與耕地土壤中有機碳組分含量差異，發現各組分均有不同幅度的下降。翟國慶等[15]于2018年對同區域克山農場內具有30、40及60 a開墾歷史的耕地采樣發現有機碳含量分別為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。本文認為，不考慮農作物的吸收作用下，土壤有機碳及組分下降的原因可能主要在于兩方面：1）物理遷移驅動（即土壤侵蝕）；2）生物作用驅動。相較于未開墾土壤，本坡耕地自開墾后SOC及組分MOC和CPOC均有所下降。其中POC下降幅度較大（40.49%），且在所有侵蝕等級和沉積點中均處于下降狀態，可能主要有以下幾個方面原因導致：1）土壤侵蝕的直接攜帶作用使得有機碳流失；2）POC是受凋落物和部分枯枝殘根礦化腐解影響的過渡態有機碳庫，耕地自開墾以后，表層大量富集的植物殘根和凋落物經多年礦化和分解，最終導致POC含量降低[38-39]；3）POC是微生物活動的主要碳源，在隨土壤顆粒遷移和累積過程中易被微生物利用分解，在沉積區也難以累積[25]；4）次生林中未開墾土壤持續接收枯枝落葉和殘根引起有機碳及組分含量相對有所增大導致兩者有所差距。組分CPOC與POC一樣在整個侵蝕等級和沉積點均為下降狀態且 CPOC整體下降幅度在63.17%～79.39%之間，而經分析發現侵蝕強度對CPOC沒有顯著的影響，說明坡耕地有機碳組分中CPOC可能主要受微生物分解而下降。

有機碳各組分之間雖呈極顯著的正相關關系，但土壤侵蝕速率與 CPOC之間并未有顯著的線性關系且其含量在不同侵蝕等級中也無顯著性差異，說明土壤侵蝕變化對 CPOC影響不大。其他有機碳及組分與土壤侵蝕速率均呈極顯著的負線性關系，這與馮志珍等[10,13]利用137Cs示蹤法研究土壤侵蝕與有機碳之間關系的結論相一致；但在不同的侵蝕等級其含量降幅程度不同且不存在隨侵蝕等級增大有機碳組分降幅量呈增大趨勢，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發生改變，導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影響微生物活性進而影響土壤有機碳的穩定性[41]，而MOC是有機物分解的最終產物與黏粒、粉粒相結合的部分[29,42]，本文耕地輕度侵蝕的采樣點主要位于坡腳沉積區附近及坡頂平緩處，能保持一定的水分，侵蝕作用又相對較弱，導致有機物在持續分解過程中的產物MOC含量相對有輕微增加。隨著侵蝕等級的增加，勢必造成該部位土壤養分大量流失[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，侵蝕過程中徑流大量攜帶與較細土壤顆粒結合的有機碳（如 FPOC和 MOC），甚至是較粗土壤顆粒（CPOC），導致在中度及以上侵蝕等級有機碳及組分含量均處于下降狀態。而有機碳及組分含量雖在中度侵蝕等級達到最大降幅，但結合圖4發現中度及以上侵蝕等級的有機碳及組分之間并不存在顯著性差異，相對而言發生在坡上（0～200 m）的中度侵蝕點位可能既具有適宜微生物活性的基礎條件，又處于一定侵蝕狀態，在二者的最佳組合下導致在該侵蝕等級處下降幅度最大。強烈、極強烈及劇烈侵蝕采樣點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存，因此這些區域微生物活性可能相對較弱，土壤侵蝕占據主導地位帶走了部分有機碳及組分。而方華軍等[44]研究結果表明，侵蝕越嚴重的地形部位土壤有機碳礦化速率越大，即對應的有機碳含量下降量就越多。這與本文研究結果略有不同，這可能是由于本研究耕地坡形為凸型，侵蝕最嚴重的地方由于坡度大，不利于水分的保持進而影響微生物活性而致。就整個坡面上侵蝕-沉積點對比而言，有機碳及組分在沉積點顯著大于侵蝕點（CPOC除外），這主要是因為坡面上攜帶養分的土壤長期遭受侵蝕（主要是水力侵蝕）被搬運、沉積的結果[10,32]。此外，每年坡面土壤都會補充一部分新鮮植物殘體（秸稈、大豆）及施肥，再經翻耕使得耕層土壤再分布，也會對土壤有機碳及組分含量產生一定的影響。有研究表明耕作導致的侵蝕主要破壞易受微生物分解的大團聚體（＞2 mm）[45-46]，耕作侵蝕速率與POC呈顯著負相關，認為耕作主要導致POC的損耗促進SOC的礦化[47]。由此可見，耕地土壤是在物理和生物共同驅動作用下導致坡面不同部位有機碳組分含量分布差異甚至流失。

綜上，坡面物理遷移驅動除了直接攜帶導致有機碳組分流失外，其形成不同強度的侵蝕—沉積環境還會使局部微生物活性產生差異，進而對有機碳及組分的分解與礦化產生不同程度的影響。對MOC而言，坡頂輕度侵蝕區生物分解有機質形成 MOC的作用可能強于物理遷移導致其含量略有增加，中度及以上侵蝕區其含量隨侵蝕強度增大而下降的趨勢，主要受物理遷移驅動作用影響，而在中度侵蝕處則可能是物理遷移驅動和生物驅動的最佳組合，導致坡面有機碳及組分含量出現低值區。FPOC也在中度侵蝕達到最大降幅，但其含量只在沉積區累積，在其他侵蝕點均有所下降且與侵蝕速率呈極顯著負線性關系，主要受物理遷移驅動作用。侵蝕強度對CPOC沒有顯著影響且在整個坡面降幅量是最大的，其主要受生物分解的驅動作用。本次土樣測定中并未測取有關微生物數據，這也是下一步需要關注的重點。此外，在本研究中耕地坡形為凸型具有一定的特殊性，在后續的研究中應在其他坡形中繼續關注此問題，以更為準確地反映物理遷移驅動和生物作用驅動對坡耕地土壤有機碳及組分的影響。綜上分析表明，土壤侵蝕在東北某些黑土區中的嚴重程度仍未得到明顯改善，且隨著土地利用類型的變化（開墾）,有機碳含量顯著下降，尤其以顆粒有機碳為主，對黑土區農業的可持續發展造成嚴重威脅。據此，本文建議：對于坡度較大、開墾年限較長的耕地采取橫坡壟作、改長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分的流失；其次，實行保護性耕作制度，免耕少耕、秸稈還田和施農家有機肥等措施以增強土壤保水性，降低風蝕水蝕及補充土壤肥力；最后，實施有利于黑土肥力提高、促進農業可持續發展的土地管理政策，引導農戶、企業積極參與，形成黑土地保護建設長效機制。

4 結 論

本文以典型黑土區克山縣境內一凸型坡耕地為例，研究了土壤侵蝕強度的空間分布，定量分析了坡面有機碳組分的變化幅度及侵蝕強度與有機碳組分間的關系。得到的主要結論如下：

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%的采樣點為強烈侵蝕，極強烈及劇烈的侵蝕點占比11.11%，劇烈侵蝕點主要位于凸型坡中部坡度較陡處，26.67%為沉積點，主要分布在坡腳西側。

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

3）土壤有機碳、礦質有機碳和細顆粒有機碳在沉積點均顯著大于侵蝕點（P＜0.01），輕度侵蝕點的有機碳及礦質有機碳含量顯著大于輕度以上侵蝕點（P＜0.01）。土壤侵蝕速率與有機碳、礦質有機碳和細顆粒有機碳之間呈極顯著的負線性關系，沉積點及不同侵蝕強度之間粗顆粒有機碳均無顯著差異（P＞0.05）且隨土壤侵蝕速率無趨勢性變化。結果說明坡耕地中粗顆粒有機碳和礦質有機碳減少的驅動機制可能存在差異。