137Cs示踪分析东北黑土坡耕地土壤侵蚀对有机碳组分的影响

何彦星，张风宝,2，杨明义,2,3※

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3.中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心，杨凌 712100）

0 引 言

中国东北黑土区是世界仅存的三大黑土区之一，拥有非常宝贵的黑土资源，总面积达103万km2，是中国商品粮基地，商品率占全国的1/3以上[1]。黑土区开垦年限不足百年，由于高强度的开发利用和掠夺式经营，以及不合理的耕作、施肥等，导致黑土发生严重退化，水土流失明显加重[2-3]。黑土区耕地具有“坡”缓而长的特殊地貌类型，种植方式多为顺坡和斜坡垄作，水土流失现象明显，黑土层正以年均0.3～1 mm速度在变薄[4]，黑土层平均厚度已由开垦前60～80 cm下降到20～40 cm[5]，且每年因水土流失和侵蚀沟造成的全年粮食减产高达14.1%[6]。土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量是土壤肥力的主要指标，而土壤侵蚀是造成土壤有机碳迁移、流失的主要原因[7]，严重的土壤侵蚀会减少土壤有机碳含量，从而降低土地生产能力，因此，研究土壤侵蚀对有机碳及其组分的影响对维持或提升黑土生产能力具有重要的意义。

核素137Cs是20世纪50—70年代核试验的产物，半衰期为30.2 a，在土壤侵蚀领域应用广泛[8-10]，在估算土壤侵蚀速率、刻画土壤侵蚀强度空间分异等方面优势明显。大量研究表明，农田土壤中137Cs含量与SOC关系密切，在地表物质迁移中有相似的移动路径[11-13]。长期侵蚀和耕作下坡耕地坡面土壤发生侵蚀-搬运-沉积作用，导致有机碳及其组分在坡面尺度重新分布。侵蚀过程中较细而轻的土壤颗粒能富集更多有机碳从而能优先被迁移，粗而重的土壤颗粒吸附有机碳量比较少且容易沉积[14]。一般情况下，土壤侵蚀导致坡上侵蚀区SOC大量流失，沉积区累积增加[15]。而在有机碳迁移过程中，部分有机碳被矿化或者掩埋[16]。由此引发出土壤侵蚀对农田生态系统碳“源汇”的贡献争议[17]，土壤侵蚀过程中有机碳的矿化是大气 CO2的一个源[18-19]，而另一方学者则认为侵蚀导致有机碳在流域内不断沉积是农田碳的一个汇[20-21]。因此，从农田土壤侵蚀对有机碳组分影响的角度进行研究有利于理解土壤侵蚀在全球碳循环中作用。Cheng等[22]分析了黑土区典型农田5个地貌部位剖面分布，发现土壤侵蚀主要通过搬运轻密度和细小颗粒来影响颗粒态有机碳（Particulate Organic Carbon，POC）和矿物结合态有机碳（Mineral-bound Organic Carbon，MOC）的含量，侵蚀对POC含量影响较小，但可使MOC含量减少9.3%～35.2%。方华军等[23-24]通过对坡面定点采样研究表明土壤侵蚀优先使与较细颗粒结合的有机碳（如：MOC）迁移流失，并在低洼的沉积区累积。在坡面坡脚沉积处的粗颗粒态有机碳（Coarse Particulate Organic Carbon，CPOC）显著低于坡顶，坡脚处细颗粒态有机碳（Fine Particulate Organic Carbon，FPOC）含量也明显低于坡背[25]。也有研究采用粒度分级法研究了细沟间侵蚀引起的矿物结合有机碳和颗粒有机碳的迁移，结果表明与 POC相比，细沟间侵蚀优先搬运 MOC[26]。目前，这些研究大多只聚焦于侵蚀区和沉积区的对比，或根据地貌特征将坡面划分为不同的地貌部位定点采样进行对比研究，缺乏全坡面不同采样点侵蚀强度与有机碳及其组分之间关系的定量研究。

据此，本文以典型黑土区一凸型耕地坡面为研究对象，基于137Cs示踪技术，分析坡面土壤侵蚀特征及其强度分异，定量研究侵蚀速率与有机碳及组分含量之间的关系，旨在为科学评估土壤侵蚀在碳循环中的作用和为探明农田黑土有机碳变化机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

在黑龙江省哈尔滨市克山县（47°50′51"N～48°33′47"N，125°10′57″E～126°8′18"E）农垦总局克山农场内的一块典型凸型坡耕地开展试验。克山县位于齐齐哈尔市东北部，为小兴安岭伸向松嫩平原的过渡地带，地势东北高西南低，境内地形丘陵起伏，漫川漫岗，平均海拔236.9 m。黑土层厚度约30 cm，素有“黑土明珠”之称，截至2015年克山县耕地面积1 467 km²[27]。克山县属大陆季风气候，年平均气温 2.4 ℃，雨热同季，降雨集中在6、7、8月，年平均降水量499 mm左右，平均风速4 m/s。本坡耕地开垦年限约为50 a，耕作深度30 cm左右，坡长约370 m，坡度变化较为复杂，坡顶地势平缓部分为 0°～2°，坡中部坡度在 3°～5.5°，坡底部分坡度2.5°～4°，坡向北，耕地东侧为防风林，西侧仍为耕地，底部有沟道。多年来耕作方式为顺坡起垄耕作，主要以玉米和大豆轮作。土壤质地为壤质黏土（国际制），其颗粒组成如下：砂粒（2～0.02 mm）体积分数为31.24%，粉粒（0.02～0.002 mm）体积分数为31.32%，黏粒（＜0.002 mm）体积分数为37.44%。

1.2 土壤样品采集

土样采集于2007年10月，采用土钻（直径6 cm，高15 cm）垂直于水平面打入坡面采集土样，选择A、B、C共3个断面，每个断面取15个点，共计45个土样。各断面间距20 m，在坡脚处加密，采样深度一般为40 cm，坡脚部位采样深度50 cm。详细采样空间分布见图1。同时选择该凸型坡附近的一处原始次生林保护区内作为背景值采样地，据调查该保护区从农场1952年建设之初就被保护，未被开垦扰动，因此137Cs背景值及有机碳未开垦对照采样点选择在林间平坦空白地内，随机采集10个样点，样点之间距离大于1 m，采样深度为40 cm。

1.3 分析方法

土壤中137Cs含量的测定：将采集的土壤样品自然风干，剔除杂质（根系、石块等），研磨后过1 mm塑料筛子，装入特制样品盒内待测。分析仪器为美国ORTEC公司生产的8 192道低本底γ能谱分析仪，在661.6 keV处测定137Cs全峰面积，测定时间均为28 800 s。采用环刀法测定土壤容重。测完137Cs的风干样品放在土壤样品库中保存，于2020年4月测定土壤有机碳及其组分[28]：将100 mL 5 g/L 的六偏磷酸钠溶液加入到 20 g 预处理的土样中（风干过2 mm筛，去除植物残体），手摇5～10 min，震荡18 h（90 r/min），分散。将分散液和土壤全部置于53和250μm 筛上，用去离子水冲至水流清晰不含细土颗粒为止。将筛上物按照筛网大小分为粗颗粒态有机碳（Coarse Particle Organic C，CPOC，＞250μm）、细颗粒态有机碳（Fine Particle Organic C，FPOC，53～250μm）、矿物结合态有机碳（Mineral Organic Carbon，MOC，＜53μm），筛上、下土样经沉淀后倒掉上清液，在 60 ℃条件下烘干，称质量，后经研磨过150μm筛，用元素分析仪（VARIO EL cube）测定其碳含量（C，g/kg），乘以各粒级所占土壤的百分比，计算出对应组分有机碳含量。其中粗颗粒态有机碳与细颗粒态有机碳之和为颗粒态有机碳（POC）[29]。因本研究供试黑土不含碳酸盐，所以总碳即为总SOC。

1.4 数据处理

137Cs估算土壤侵蚀速率是基于张信宝等[30]提出的质量平衡模型，模型表达式如下：

式中A(t)为土壤剖面137Cs总量，Bq/m2；Aref为137Cs的背景值，经测定本背景值为2 500 Bq/m2；H为耕作层厚度，cm；h为年均土壤流失厚度，cm/a；N为取样年份。

土壤侵蚀速率计算公式如下：

式中E为土壤侵蚀速率t/(km2·a)；ρ为土壤容重，g/cm3；104为单位转换系数。

采用Microsoft Excel 2019软件对数据进行整理，采用SPSS 25中单因素方差分析（One-way ANOVA）和t-test进行显著性检验，利用皮尔逊相关分析和回归分析研究土壤侵蚀强度与有机碳不同组分间的关系。采用Surfer 15中 Kriging插值进行等值线绘图，其余图像均采用Graphpad 8.0绘制。

2 结果与分析

2.1 坡耕地土壤侵蚀强度及其空间分布

由表1可知，整个坡面年均侵蚀速率为3 801.71 t/(km2·a)。研究坡面 45个采样点中有 26.67%的沉积点主要分布在坡脚南侧（图2），沉积速率在192.05～3 960.04 t/(km2·a)之间，平均为 1 926.21 t/(km2·a)，变异系数为0.70，属于中等变异。采样点中侵蚀点占比73.33%，侵蚀速率在 312.91～17 131.99 t/(km2·a)之间，均值为5 884.59 t/(km2·a)，变异系数为0.65。依据《土壤侵蚀分类分级标准（SL 190—2008）》[31]本坡面整体上属于中度侵蚀，其中62.22%的采样点处于中度侵蚀及以上，远超东北黑土区容许土壤流失量（200 t/(km2·a)），11.11%的点为极强烈及剧烈侵蚀，剧烈侵蚀点主要位于凸型坡中部坡度较陡处（约距坡顶280 m）；占比最多的强烈侵蚀点有15个，占整个坡面的33.33%，主要分布在极强烈及剧烈侵蚀发生点位的周围；轻度和中度侵蚀点占比28.9%，主要分在坡顶东侧及坡脚沉积点周围。总体而言，整个研究坡面坡顶土壤侵蚀较轻，坡中部侵蚀严重，坡脚西侧大部分为沉积且东侧有少量侵蚀发生。

表1 凸型坡耕地坡面侵蚀等级和沉积的划分Table 1 Classification of slope erosion and sedimentation of convex slope farmland

2.2 未开垦地与坡耕地土壤有机碳及组分含量差异

未开垦土壤的有机碳及组分含量均大于耕地土壤，坡耕地自开垦以来SOC含量下降了13.58%，其中MOC和POC含量分别下降了7.52%和40.49%。POC的组分CPOC下降幅度最大（73.24%），另一组分 FPOC无显著差异（表2）。耕地CPOC在POC总量中的绝对比例以及未开垦土壤转变为耕地后的降低，导致了POC总量的降低。此外，无论是未开垦还是耕地土壤中有机碳组分含量均为MOC＞FPOC＞CPOC，且未开垦土壤的SOC、MOC和CPOC含量均显著大于耕地（P＜0.05），而FPOC未体现出显著性差异。

表2 未开垦与耕地土壤有机碳及组分平均含量差异Table 2 Differences in mean content of organic carbon and components in uncultivated and cultivated soils

对不同侵蚀等级下有机碳及其组分含量与未开垦土壤进行对比分析（图3）。发现耕地SOC和MOC在沉积点、轻度侵蚀点均有轻微增加，POC含量在不同侵蚀等级和沉积点均为降低，但POC中FPOC在沉积点却明显增加，其他侵蚀等级均处于下降状态，而组分 CPOC在整个坡面均为下降状态且下降幅度最大（63.17%～79.39%）。将沉积点考虑在内，中度侵蚀等级之前采样点的SOC及组分MOC、POC降幅量急剧下降，之后随着侵蚀等级的上升其下降幅度有所减缓，SOC及组分MOC和FPOC 均在中度侵蚀等级（＞2 500～5 000 t/(km2·a)）达到最大降幅。

2.3 有机碳组分含量对侵蚀强度的响应

对所有侵蚀点和沉积点有机碳及组分含量做显著性检验（图4），发现SOC、MOC和FPOC含量在沉积点均极显著大于侵蚀点（P＜0.01），而 CPOC在沉积点和侵蚀点之间不存在显著差异（P=0.347）。对SOC及组分MOC而言，轻度侵蚀是一个临界点，沉积点和轻度侵蚀点的SOC及MOC含量显著大于轻度以上3个侵蚀等级（P＜0.05）。而POC与组分FPOC在显著性上虽有相似的分布，其含量只在沉积点与中度、强烈侵蚀点之间存在显著差异（P＜0.05）；另一组分 CPOC含量在沉积点和不同侵蚀等级间并未出现统计学上的显著性差异（P＞0.05），这表明不同强度的侵蚀对CPOC含量并没有显著的影响。

将坡面土壤侵蚀速率和有机碳不同组分进行相关分析（表3），发现土壤侵蚀速率与SOC、MOC和FPOC之间呈极显著的负相关关系（P＜0.01），而与 CPOC虽呈负相关但不显著。有机碳不同组分之间均呈极显著的正相关关系（P＜0.01），这表明SOC、MOC和FPOC含量与土壤侵蚀速率密切相关，CPOC与土壤侵蚀速率无显著相关。

表3 土壤侵蚀速率与土壤有机碳及其组分的相关性分析Table 3 Correlation analysis of soil erosion rate and soil organic carbon and its components

分别将有机碳不同组分与土壤侵蚀速率进行回归分析（图5），发现土壤侵蚀速率与SOC、MOC和FPOC之间均存在极显著的线性关系（P＜0.01），决定系数分别为0.434、0.361和0.481。CPOC与土壤侵蚀速率之间无显著线性关系（P＞0.05），而与 FPOC相加的POC与土壤侵蚀速率却存在极显著的线性关系（R2=0.427，P＜0.01）。可见，土壤侵蚀对有机碳组分中的MOC和FPOC的影响较大，而对CPOC影响相对较弱，即MOC和FPOC含量随着土壤侵蚀强度的增大呈下降趋势。

3 讨 论

本研究坡面整体侵蚀—沉积情况与已有研究结果（黑土区）基本一致[4,32-33]，均认为坡面上坡度较大区域的侵蚀是最严重的，坡脚为沉积，与之不同的是本耕地坡脚不仅存在沉积还有些许的侵蚀发生，这可能与坡面西侧略高于东侧的地形有关。本研究坡面年均侵蚀速率为3 801.71 t/(km2·a)，和同为克山农场采用137Cs估算的侵蚀速率3 315.64 t/(km2·a)比较接近[9]，而其他采用核素示踪技术[10]研究的区域多集中于流域尺度，估算的年均侵蚀速率接近、甚至超过了本研究（表4）。采用模型估算的侵蚀速率由于流域尺度过大及各种参数的取值不同[34-35]，导致与本研究中坡面的侵蚀情况有所差异。通过径流小区观测资料计算的结果也各有差别[36]，与本研究相比，整体偏小，主要是因为东北地区现有径流小区多为标准径流小区，与东北实际情况相比，坡长较短，且为直型坡[37]，而本研究坡型为凸型，坡度最大处可达5.5°，坡长约为370 m，具有一定的特殊性，导致计算结果高于径流小区的监测结果。总体而言，近年来东北黑土区的土壤侵蚀情况依旧很严峻，本研究估算的侵蚀数据具有可靠性，也说明土壤侵蚀在东北某些黑土区中尚未得到明显改善。

表4 东北黑土区不同研究方法估算年均侵蚀速率差异Table 4 Differences in estimated average annual erosion rates among different research methods in the black soil region of Northeast China

通过对比未开垦与耕地土壤中有机碳组分含量差异，发现各组分均有不同幅度的下降。翟国庆等[15]于2018年对同区域克山农场内具有30、40及60 a开垦历史的耕地采样发现有机碳含量分别为31.97、25.04及26.57 g/kg，而本研究中耕地SOC含量为28.40 g/kg（50 a）也基本符合这一范围。本文认为，不考虑农作物的吸收作用下，土壤有机碳及组分下降的原因可能主要在于两方面：1）物理迁移驱动（即土壤侵蚀）；2）生物作用驱动。相较于未开垦土壤，本坡耕地自开垦后SOC及组分MOC和CPOC均有所下降。其中POC下降幅度较大（40.49%），且在所有侵蚀等级和沉积点中均处于下降状态，可能主要有以下几个方面原因导致：1）土壤侵蚀的直接携带作用使得有机碳流失；2）POC是受凋落物和部分枯枝残根矿化腐解影响的过渡态有机碳库，耕地自开垦以后，表层大量富集的植物残根和凋落物经多年矿化和分解，最终导致POC含量降低[38-39]；3）POC是微生物活动的主要碳源，在随土壤颗粒迁移和累积过程中易被微生物利用分解，在沉积区也难以累积[25]；4）次生林中未开垦土壤持续接收枯枝落叶和残根引起有机碳及组分含量相对有所增大导致两者有所差距。组分CPOC与POC一样在整个侵蚀等级和沉积点均为下降状态且 CPOC整体下降幅度在63.17%～79.39%之间，而经分析发现侵蚀强度对CPOC没有显著的影响，说明坡耕地有机碳组分中CPOC可能主要受微生物分解而下降。

有机碳各组分之间虽呈极显著的正相关关系，但土壤侵蚀速率与 CPOC之间并未有显著的线性关系且其含量在不同侵蚀等级中也无显著性差异，说明土壤侵蚀变化对 CPOC影响不大。其他有机碳及组分与土壤侵蚀速率均呈极显著的负线性关系，这与冯志珍等[10,13]利用137Cs示踪法研究土壤侵蚀与有机碳之间关系的结论相一致；但在不同的侵蚀等级其含量降幅程度不同且不存在随侵蚀等级增大有机碳组分降幅量呈增大趋势，这可能是微生物作用在不同侵蚀条件下的差异所造成。土壤侵蚀使得坡面土壤理化性质发生改变，导致了不同坡位土壤温度和土壤水分的差异[40]，水分、温度及通气性等通过影响微生物活性进而影响土壤有机碳的稳定性[41]，而MOC是有机物分解的最终产物与黏粒、粉粒相结合的部分[29,42]，本文耕地轻度侵蚀的采样点主要位于坡脚沉积区附近及坡顶平缓处，能保持一定的水分，侵蚀作用又相对较弱，导致有机物在持续分解过程中的产物MOC含量相对有轻微增加。随着侵蚀等级的增加，势必造成该部位土壤养分大量流失[43]，土壤微生物生物量随之减少，但仍具备一定的活性，在分解POC的同时，侵蚀过程中径流大量携带与较细土壤颗粒结合的有机碳（如 FPOC和 MOC），甚至是较粗土壤颗粒（CPOC），导致在中度及以上侵蚀等级有机碳及组分含量均处于下降状态。而有机碳及组分含量虽在中度侵蚀等级达到最大降幅，但结合图4发现中度及以上侵蚀等级的有机碳及组分之间并不存在显著性差异，相对而言发生在坡上（0～200 m）的中度侵蚀点位可能既具有适宜微生物活性的基础条件，又处于一定侵蚀状态，在二者的最佳组合下导致在该侵蚀等级处下降幅度最大。强烈、极强烈及剧烈侵蚀采样点主要位于凸型坡中部坡度较陡处附近，该地形不利于水分的储存，因此这些区域微生物活性可能相对较弱，土壤侵蚀占据主导地位带走了部分有机碳及组分。而方华军等[44]研究结果表明，侵蚀越严重的地形部位土壤有机碳矿化速率越大，即对应的有机碳含量下降量就越多。这与本文研究结果略有不同，这可能是由于本研究耕地坡形为凸型，侵蚀最严重的地方由于坡度大，不利于水分的保持进而影响微生物活性而致。就整个坡面上侵蚀-沉积点对比而言，有机碳及组分在沉积点显著大于侵蚀点（CPOC除外），这主要是因为坡面上携带养分的土壤长期遭受侵蚀（主要是水力侵蚀）被搬运、沉积的结果[10,32]。此外，每年坡面土壤都会补充一部分新鲜植物残体（秸秆、大豆）及施肥，再经翻耕使得耕层土壤再分布，也会对土壤有机碳及组分含量产生一定的影响。有研究表明耕作导致的侵蚀主要破坏易受微生物分解的大团聚体（＞2 mm）[45-46]，耕作侵蚀速率与POC呈显著负相关，认为耕作主要导致POC的损耗促进SOC的矿化[47]。由此可见，耕地土壤是在物理和生物共同驱动作用下导致坡面不同部位有机碳组分含量分布差异甚至流失。

综上，坡面物理迁移驱动除了直接携带导致有机碳组分流失外，其形成不同强度的侵蚀—沉积环境还会使局部微生物活性产生差异，进而对有机碳及组分的分解与矿化产生不同程度的影响。对MOC而言，坡顶轻度侵蚀区生物分解有机质形成 MOC的作用可能强于物理迁移导致其含量略有增加，中度及以上侵蚀区其含量随侵蚀强度增大而下降的趋势，主要受物理迁移驱动作用影响，而在中度侵蚀处则可能是物理迁移驱动和生物驱动的最佳组合，导致坡面有机碳及组分含量出现低值区。FPOC也在中度侵蚀达到最大降幅，但其含量只在沉积区累积，在其他侵蚀点均有所下降且与侵蚀速率呈极显著负线性关系，主要受物理迁移驱动作用。侵蚀强度对CPOC没有显著影响且在整个坡面降幅量是最大的，其主要受生物分解的驱动作用。本次土样测定中并未测取有关微生物数据，这也是下一步需要关注的重点。此外，在本研究中耕地坡形为凸型具有一定的特殊性，在后续的研究中应在其他坡形中继续关注此问题，以更为准确地反映物理迁移驱动和生物作用驱动对坡耕地土壤有机碳及组分的影响。综上分析表明，土壤侵蚀在东北某些黑土区中的严重程度仍未得到明显改善，且随着土地利用类型的变化（开垦）,有机碳含量显著下降，尤其以颗粒有机碳为主，对黑土区农业的可持续发展造成严重威胁。据此，本文建议：对于坡度较大、开垦年限较长的耕地采取横坡垄作、改长垄为短垄及等高种植等有效的水土保持措施遏制水土及养分的流失；其次，实行保护性耕作制度，免耕少耕、秸秆还田和施农家有机肥等措施以增强土壤保水性，降低风蚀水蚀及补充土壤肥力；最后，实施有利于黑土肥力提高、促进农业可持续发展的土地管理政策，引导农户、企业积极参与，形成黑土地保护建设长效机制。

4 结 论

本文以典型黑土区克山县境内一凸型坡耕地为例，研究了土壤侵蚀强度的空间分布，定量分析了坡面有机碳组分的变化幅度及侵蚀强度与有机碳组分间的关系。得到的主要结论如下：

1）研究坡面年均侵蚀速率为3 801.71 t/(km2·a)，属中度侵蚀，33.33%的采样点为强烈侵蚀，极强烈及剧烈的侵蚀点占比11.11%，剧烈侵蚀点主要位于凸型坡中部坡度较陡处，26.67%为沉积点，主要分布在坡脚西侧。

2）坡耕地自开垦以来有机碳含量下降了13.58%，其中矿质有机碳和颗粒有机碳分别下降了7.52%和40.49%，颗粒有机碳中粗颗粒有机碳下降幅度最大（73.24%），细颗粒有机碳无显著性差异，粗颗粒有机碳减少是坡面有机碳下降的主要原因。

3）土壤有机碳、矿质有机碳和细颗粒有机碳在沉积点均显著大于侵蚀点（P＜0.01），轻度侵蚀点的有机碳及矿质有机碳含量显著大于轻度以上侵蚀点（P＜0.01）。土壤侵蚀速率与有机碳、矿质有机碳和细颗粒有机碳之间呈极显著的负线性关系，沉积点及不同侵蚀强度之间粗颗粒有机碳均无显著差异（P＞0.05）且随土壤侵蚀速率无趋势性变化。结果说明坡耕地中粗颗粒有机碳和矿质有机碳减少的驱动机制可能存在差异。