全 文 ：第 26 卷第 9 期
2006 年 9 月
生 　　态 　　学 　　报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26 ,No. 9
Sep. ,2006
东北黑土区坡耕地表层土壤颗粒有机碳和
团聚体结合碳的空间分布
方华军1 ,2 , 杨学明2 ,3 , 张晓平2 , 梁爱珍2 , 申　艳2
(1. 中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京　100101 ;21 中国科学院东北地理与农业生态研究所 , 长春　130012 ;
31 Greenhouse & Processing Crops Research Centre , Agriculture & Agri2Food Canada , Harrow , Ontario , Canada N0R 1G0)
基金项目 :中国科学院国外杰出人才支持资助项目 ( K09Z3) ;国家自然科学基金资助项目 (40271108 ,40471125)
收稿日期 :2005206218 ;修订日期 :2006203201
作者简介 :方华军 (1978～) ,男 ,安徽巢湖人 ,博士 ,主要从事土壤侵蚀和土壤碳循环研究. E2mail : huajunfang @yahoo. com. cn
Foundation item :The project was supported by outstanding talents abroad of CAS(No. K09Z3) and National Natural Science Foundation of China (No. 40271108 ,
40471125)
Received date :2005206218 ;Accepted date :2006203201
Biography :FANG Hua2Jun , Ph. D. ,mainly engaged in soil erosion and soil organic carbon. E2mail :huajunfang @yahoo. com. cn
摘要 :以东北黑土区典型漫岗坡耕地为研究对象 ,测定不同侵蚀程度地形部位表层土壤不同粒级有机碳、水稳性团聚体及其结
合碳含量 ,探讨土壤侵蚀和沉积作用对表层土壤有机碳 (SOC) 损失、迁移和累积的影响。研究结果表明 :与侵蚀微弱的坡顶相
比 ,严重侵蚀的坡肩部位表层土壤水稳性大团聚体、矿质结合碳 ( IOC)和团聚体结合碳含量分别减少 23 %、1715 %和 817 % ,而土
壤颗粒有机碳 (POC)含量无明显差异。长期处于沉积状态的坡脚部位 ,表层土壤大团聚体、POC 和大团聚体结合碳含量分别较
坡顶低 5611 %、4719 %和 67 % ;而 IOC和微团聚体结合碳分别较坡顶高 10 %和 1817 %。研究结果反映了土壤侵蚀以及耕作倾向
于破坏水稳性大团聚体 ,其内部包裹的轻质、细颗粒物质易被地表水流迁移流失 ,加上下层土壤的稀释作用 ,导致侵蚀部位 SOC
减少。轻质活性碳组分在迁移和累积过程中易被微生物利用分解 ,沉积区土壤以 IOC和微团聚体碳为主 ,形成一个惰性碳汇。
关键词 :土壤侵蚀 ;水稳性团聚体 ;颗粒有机碳 ;大团聚体碳 ;黑土
文章编号 :100020933(2006) 0922847208 　中图分类号 :Q14 ,S15316 ,S15411 　文献标识码 :A
Spatial distribution of particulate organic carbon and aggregate associated carbon in
topsoil of a sloping farmland in the Black Soil region , Northeast China
FANG Hua2Jun1 ,2 , YANG Xue2Ming2 ,3 , ZHANG Xiao2Ping2 , LIANG Ai2Zhen2 , SHEN Yan2 　(1. Institute of Geographical
Sciences and Natural Resources Research , Beijing 100101 , China ; 21 Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology , CAS , Changchun 130012 ,
China ; 31 Greenhouse & Processing Crops Research Centre , Agriculture & Agri2Food Canada , Harrow , Ontario , Canada N0 R 1 G0) . Acta Ecologica Sinica ,
2006 ,26( 9) :2847～2854.
Abstract :A typical rolling farmland in the Black Soil region of Northeast China was selected in a case study to analyze impact of
soil erosion and deposition on the loss , transportation and accumulation of soil organic carbon ( SOC) in topsoil by measuring
particulate organic carbon ( POC) , composition of water stable aggregates of different sizes and contents of associated carbon in
different slope positions. Results showed that the contents of macro2aggregates , incorporated organic carbon ( IOC) and micro2
aggregate associated carbon at the shoulder2slope with serious erosion were 23 % , 1715 % and 817 % lower than those of summit
with weak erosion , respectively , while there was no significant difference in POC among three erosion sites. At foot2slope , a long2
term soil deposition recipient , the contents of POC , macro2aggregates and macro2aggregate associated carbon were 5611 % ,
4719 % and 67 % lower than those of summit , while IOC and micro2aggregate associated carbon were 10 % and 1817 % higher
than those of summit , respectively. The findings suggest that soil erosion and cultivation tend to break down macro2aggregates ,
whose content light in weight and fine in particle size are hence easily lost and transported with surface water flow , which in
addition to the dilution function of subsurface soil leads to decrease in SOC content at erosion sites. Moreover , the fraction of light
labile organic carbon is apt to be exploited and decomposed by soil microbes in the process of transportation and accumulation. As
a result , SOC in the depositional sites was dominated by IOC and micro2aggregate associated carbon , forming a big passive carbon
pool in the topsoil .
Key words :soil erosion ; water stable aggregate ; particulate organic carbon (POC) ; macro2aggregate associated carbon ; black soil
　　土壤有机碳库 (SOC pool)是由不同周转周期的有机碳组分构成 ,根据其平均驻留时间 (MRT) 大致可分为
活性 (active) 、缓性 (slow)和惰性 (passive)碳组分[1 ] 。土壤活性有机碳相对于总 SOC 来说 ,对土地利用方式和
土壤管理措施反应更为敏感 ,常被用于表征土壤有机质早期变化。目前国内多采用化学和物理方法分离出土
壤活性有机碳如易氧化碳 ,微生物生物量碳 ,轻组有机碳等[2～4 ] ,这一方法得出的活性有机质组分并不能包括
土壤中大部分半分解和未分解的有机物质 ,而这一部分有机质性质非常不稳定 ,对土壤管理措施反应敏感。
目前国内有些研究者开始从土壤结构着手 ,探索土壤管理方式 (耕作、施肥等)对团聚体碳和颗粒碳的影响 ,结
合稳定性同位素方法论述了 SOC 损耗与累积的机制[5～8 ] ,但有关土壤侵蚀对团聚体碳和颗粒碳的影响和 SOC
动态机理研究还鲜有报道。彭新华等[5 ]模拟自然条件下土壤团聚体破碎机制 ,研究不同恢复植被下团聚体稳
定性的变化以及土壤有机碳的积累与团聚体稳定性的关系 ,得出快速湿润是团聚体破碎的主要机制。苏永中
等[6 ]测定了科尔沁沙地不同沙化程度农田 0～15cm 耕层土壤颗粒有机碳 (particulate organic carbon , POC)含量 ,
揭示农田沙漠化过程中土壤有机碳的衰减机理。但是关于土壤侵蚀对土壤 POC 和团聚体结合有机碳影响的
研究还不多见。本文主要研究目的 :通过测定不同侵蚀程度的地形部位表层及亚表层不同粒级土壤有机碳、
团聚体及其结合碳含量 ,探讨土壤侵蚀对不同 SOC 组分的影响 ,研究 SOC 组分的迁移及累积特征。
1 　材料与方法
1. 1 　研究区概况
研究区位于东北黑土区南部沐石河小流域 (N :44°4310′, E :125°5116′) ,距离吉林省德惠市松花江镇西南
5km。处于中温带半湿润气候区 ,年均气温 414 ℃,年均降水 53317 mm ,主要集中在 6～8 月份 ,约占全年降水
总量的 70 %以上。采样区位于集水盆地北坡 ,地形为黑土区典型漫岗台地 ,坡长为 253 m ,最大相对高程为
11168 m。沿坡建立 3 个地形断面 (transect) ,每个断面相距 25m ,在每个断面上划分坡顶、坡肩、坡背、坡脚和坡
趾等 5 个典型地形部位。各地形部位分别距离顶脊 28 m ,43 m ,118 m ,213 m和 253 m[7 ] 。土壤属于典型黑土
亚类中的中层黑土 ,各地形部位土壤侵蚀状况及部分土壤属性如表 1 所示。采样区土地利用方式为农田 ,长
期以来玉米连作 ,顺向打垄和耕翻一直是该区的主要土壤管理方式。
表 1 　研究区各地形部位表层土壤 (0～20cm)属性 [9 ]
Table 1 　Soil properties (0～20cm) at different slope positions in study area [9 ]
地形部位
Slope positions
坡度 (°)
Slope gradient
土壤侵蚀速率
(t hm - 2 a - 1)
Rate of soil erosion
土壤有机碳
SOC
(g kg - 1)
全氮
Total nitrogen
(g kg - 1)
pH
(soilΠwater
= 1Π5) 土壤水分 ( %)Soil moisture 粉粒Silt ( %) 粘粒Clay( %)
坡顶 Summit 216 ±111 1114 ±9. 54 1315 ±0123 1101 ±0121 5191 ±0131 2012 ±1119 3512 ±3101 2217 ±4130
坡肩 Shoulder2slope 315 ±016 3814 ±21. 3 1215 ±0142 1106 ±0131 5192 ±0126 1911 ±1124 3318 ±314 2112 ±6159
坡背 Back2slope 212 ±016 2314 ±10. 1 1411 ±0196 0196 ±0123 6112 ±0139 2012 ±017 4116 ±8129 2218 ±3158
坡脚 Foot2slope 112 ±017 - 1016 ±16. 0 1118 ±0143 1109 ±0112 5187 ±0127 1910 ±0173 4112 ±5148 1917 ±211
坡趾 Toe2slope 111 ±019 - 3513 ±61. 5 1413 ±112 1109 ±0129 5166 ±0116 1815 ±0191 3614 ±2159 2314 ±3167
　　表中数据为平均值±标准差 Data in the table are mean ±SD 正值代表侵蚀 ,负值代表沉积 　Positive value means erosion and negative value means
deposition
1. 2 　样品采集与分析
土样采于 2002 年 10 月。用直径为 5cm 的取土钻取出完整的土芯 ,将土芯分为 0～20cm 和 20～30cm ,分
别代表表层和亚表层土壤。在每个地形部位用多点 ( n = 3～5) 均匀混合样来表征该地形部位土壤。土样在
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田间湿度下过 7mm 筛 ,在自然状态下风干 ,供测试分析用。
土壤 POC 按照 Cambardella 和 Elliott[10 ] 提供的方法测定。将风干土过 2mm 筛 ,去除肉眼可见的植物根系
等杂物。50 ℃烘干一夜 ,保存在 4 ℃下。称取 10g 预处理土样 ,放入塑料瓶中 ,加入 30ml 5g L - 1的六偏磷酸钠
(hexametaphsphate)溶液 ,在往复式振荡器上振荡 15h ,分散。分散溶液置于 53μm 筛上 ,用清水冲洗直至沥滤液
澄清。再将筛上保留物组分分离出 > 250μm 和 53～250μm 两个组分 ,前者为粗颗粒有机碳 (Coarse POC) ,后者
为细颗粒有机碳 (Fine POC) ,矿质结合有机碳 (incorporated organic carbon , IOC , < 53μm) 用差值法求得。将分
离出的各组分在 60 ℃下烘干称重 ,计算其所占土壤的百分比。
土壤水稳性团聚体参考 Yang 和 Wander[11 ]提供的方法测定。称取 25g 风干土样 ,放入水稳性团聚体分析
仪套筛上 (上下振幅为 30mm ,频率为 30 次Πmin) ,浸润 10min 后 ,湿筛 2min。收集残留在 1000μm、250μm 和
53μm筛上的土壤颗粒 ,烘干称重 ,计算各粒级水稳性团聚体的质量分数。其中 > 250μm 粒级的团聚体称为水
稳性大团聚体 (Macro2aggregate) ,而 < 250μm 粒级的团聚体为水稳性微团聚体 (Micro2aggregate) 。然后 ,将分离
的各粒级土壤颗粒和团聚体磨碎过 100 目筛 ,用元素分析仪 ( ThermoFinnigan , Italy) 测定其碳含量 ,乘以各自
所占土壤的百分比得出各颗粒碳和团聚体碳含量。因本研究供试黑土不含碳酸盐 ,所以总碳即为总 SOC。
1. 3 　数据统计分析
利用 SAS统计软件对数据进行单因素方差分析 ,用 Fisher 最小显著性检验进行均值间的比较分析。数据
用 Origin 数学软件进行绘图。
2 　结果与分析
2. 1 　土壤水稳性团聚体的空间分布
由图 12a 和图 12b 可见 ,各地形部位表层 (0～20cm) 土壤 > 1000μm 水稳性团聚体含量一般小于 8 % ,亚表
层 (20～30cm)土壤该粒级团聚体含量均低于表层。表层土壤 250～1000μm 团聚体含量变化范围为 1710 %～
2719 % ,但亚表层土壤该粒级团聚体含量均高于表层。上坡 3 个侵蚀部位 ,表层土壤 2 个粒级的大团聚体均
表现为坡肩小于坡背和坡顶。并且 ,坡肩与坡顶 > 1000μm 的团聚体含量差异显著 ( p < 0105) ,而 250～1000μm
团聚体含量差异不显著 ( p > 0105) 。
长期处于土壤累积状态的坡脚 ,两个粒级的大团聚体均显著低于坡顶对照点 ,除坡脚外 ,各地形部位 250
～1000μm 团聚体含量均无显著差异。表层 > 250μm 的大团聚体含量一般低于 35 % ,其含量的变化趋势和前
两个粒级团聚体一致 (图 12c) 。坡肩和坡脚表层土壤微团聚体含量显著高于坡顶和坡背 ,亚表层除坡背外 ,各
部位微团聚体含量均无显著性差异 ( p > 0105) (图 12d) 。表层土壤 53～250μm 的微团聚体含量变化范围为
55 %～66 % ,约占总微团聚体含量的 75 %以上 ,亚表层更高。
2. 2 　土壤颗粒有机碳的空间分布
土壤 POC 是与土壤砂粒组分结合的那部分有机碳 ,通常由未分解或半分解的动植物和根系残体组成 ,其
周转期在 5～20a ,介于活性和惰性碳之间的一种缓性碳组分[10 ] 。而 IOC 属于惰性碳组分[10 ] 。POC 可分为
Coarse POC和 Fine POC。由图 22a 和图 22b 可知 ,上坡 3 个侵蚀部位 ,表层土壤 Coarse POC和 Fine POC 含量无
显著性差异 ( p > 0105) 。坡脚部位表层土壤 Coarse POC 显著低于坡顶 , Fine POC 含量也明显低于坡背
( p < 0105) 。
亚表层土壤 Coarse 和 Fine POC含量均显著低于表层。由图 22c 和表 1 可知 ,各部位表层土壤 POC 含量占
总 SOC 含量的 2718 %～5812 %。许多研究表明 ,表层土壤 POC 含量一般占土壤总碳的 10 %以上[12 ,13 ] ,可高达
30 %至 85 %[14 ] 。POC 含量主要集中于表层 ,亚表层含量极低 ,一般低于总 SOC 含量的 20 %。由图 22d 可见 ,
上坡侵蚀部位 ,坡肩 IOC 含量显著低于坡背 ,沉积部位也比上坡含量低 ,尤其在坡趾。
2. 3 　团聚体结合碳的空间分布
大团聚体结合态是相对不稳定的活性碳组分 ,而微团聚体碳属于形成年代较老 ,性质稳定的惰性碳组
分[15～17 ] 。由图 32a 和图 32b 可知 ,上坡侵蚀部位 ,坡顶和坡肩表层土壤 > 1000μm 的团聚体碳含量显著低于坡
94829 期 方华军 　等 :东北黑土区坡耕地表层土壤颗粒有机碳和团聚体结合碳的空间分布 　
图 1 　表层和亚表层各粒级水稳性团聚体比例构成
Fig. 1 　Compositions of water stable aggregates of different sizes in surface and subsurface soils
背 ( p < 0105) ,两个沉积部位也比坡背低 ,尤其是坡脚。表层土壤该粒级的团聚体碳含量不超过总碳含量的
14 %。亚表层土壤 > 1000μm 的团聚体碳含量低于表层。表层土壤 250～1000μm 团聚体碳与 > 1000μm 团聚体
碳变化趋势相似 ,并且各地形部位间前者差异更为明显。250～1000μm 团聚体碳含量一般占总 SOC 含量的
21 %～33 %。除坡肩外 ,亚表层土壤高于表层。大团聚体碳 (Macro2aggregate carbon , > 250μm)变化范围为 2186
～5109g kg - 1 ,占总 SOC 含量的 2618 %～4312 %(图 32c 和表 1) 。表层和亚表层土壤 53～250μm 粒级的微团聚
体碳含量均为坡脚最高 ,坡肩最低 ,并且亚表层低于表层 (图 32d) 。
3 　讨论
3. 1 　土壤侵蚀与水稳性团聚体
遭受严重侵蚀的坡肩部位 ,表层土壤两个粒级的水稳性大团聚体含量明显减少 ,而微团聚体含量显著高
于坡顶和坡背 (图 1) ,表明土壤侵蚀倾向于破坏水稳性大团聚体 ,相应地增加微团聚体含量。因为大粒级团
聚体是由次一级团聚体组成 ,土壤由结构体 →大团聚体 →微团聚体 →粘团 (粘粒微团聚体) →粘粒这一转化过
程称为消散作用 (Slaking) 。Barthes 等[18 ]对模拟降雨条件下微型小区和自然降雨条件下径流小区的观测结果
表明 ,其径流深和侵蚀量与表层土壤的稳定性大团聚体 ( > 200μm)含量呈负相关。郭志民等[19 ] 研究也发现随
着土壤侵蚀程度的加剧 , > 250μm 的团聚体有减少趋势 ,特别是 > 2mm 的团聚体减少更为明显 ,而 20～250μm
的团聚体却有增加趋势。由于黑土质地粘细 ,土壤侵蚀破坏主要体现在 > 1000μm 的大团聚体 ,导致上坡侵
蚀部位 250～1000μm 粒级的团聚体含量差异不显著。
0582　 生 　态 　学 　报 26 卷
图 2 　表层和亚表层土壤 POM2和 IOC
Fig. 2 　POM2 and IOC in surface and subsurface soils
土壤累积明显的坡脚部位表层土壤两个粒级的大团聚体含量均较低 ,而微团聚体含量较高 (图 1) ,表明
土壤侵蚀破坏上坡侵蚀部位的大团聚体 ,产生更小的可移动颗粒 ,并沿坡向下迁移。黄满湘等[20 ] 等研究指
出 ,与原土壤的团聚体组成相比 ,侵蚀泥沙中 > 1000μm 的团聚体含量明显低于原土 , < 250μm 的团聚体含量
要高于原土 ,说明径流泥沙的流失主要以粒径为 250μm 以下的团聚体为主。这是因为大粒径土壤团聚体是
不稳定的 ,在雨滴打击下 ,被剥离形成较细的团聚体 ,当降水强度较小或降水后期 ,地表径流汇集量小 ,没有足
够的能量搬运大粒径团聚体[21 ] ,导致侵蚀泥沙中细粒径团聚体所占的比重大。坡趾由于微地形的差异 ,受到
由西向东水流的影响 ,细颗粒水稳性团聚体流失要高于坡脚 ,相应地 > 1000μm 的大团聚体比例也较坡脚高。
3. 2 　土壤侵蚀与颗粒有机碳
土壤侵蚀产生的消散及分散作用使水稳性大团聚体破碎 ,暴露出原来受大团聚体保护的 POC。一方面 ,
POC暴露于微生物作用下分解矿化损失 ,另一方面 ,由于 POC 密度较小 ( < 116 g cm - 3 ) ,易随地表径流迁移而
流失。但是 ,上坡 3 个侵蚀部位表层土壤两个粒级的 POC 含量无显著性差异 (图 2) 。可能是因为 :研究区坡
度较小 ,土壤侵蚀并不严重 ,并且有较厚的黑土层 ,土壤侵蚀对植物生产力可能没有产生明显的影响。因此 ,
各地形部位植物残体年输入的有机碳量大致相当 ,每年迁移损失的 POC 为植物残体输入新碳所补充 ,导致上
坡侵蚀部位 POC 含量差异不显著。
沉积区表层土壤 POC 并没有出现明显的累积 ,尤其是坡脚部位含量更低 (图 2) 。可能有以下几个方面的
15829 期 方华军 　等 :东北黑土区坡耕地表层土壤颗粒有机碳和团聚体结合碳的空间分布 　
图 3 　表层和亚表层不同粒级的团聚体结合碳
Fig. 3 　Aggregate2associated carbon in surface and subsurface soils
原因 : ① POM 易随地表径流流失 ,进入下游河流生态系统中 ,成为河流湿地生态系统有机碳的重要组成部
分[21 ] 。②这可能与坡形的演变有关。根据方华军等[22 ]的研究结果 ,从 1964 年后 ,侵蚀物质由坡脚向坡趾转
移 ,导致坡趾部位 POC 略高于坡脚。③POM性质不稳定 ,易被微生物利用 ,发生矿化分解 ,导致沉积区微生物
生物量碳含量较高[23 ] 。④另外 ,可能与土壤采样时间有关。土壤采样发生在 2002 年 11 月 ,不是作物的生长
期 ,经历了长时间的分解利用。另外 ,在严重侵蚀的坡肩部位 , IOC 含量明显低于坡顶和坡背 (图 2) 。因为
IOC是与土壤粘粒和粉粒复合的、性质稳定的老有机碳 ,易被地表水流携带流失 ,并在沉积区大量累积。同
时 ,侵蚀部位表层富碳的 IOC 流失后 ,下层贫碳的 IOC 补充表层产生稀释作用 ,降低表层 IOC 含量。
3. 3 　土壤侵蚀与团聚体结合有机碳
侵蚀部位两个粒级的水稳性大团聚体结合碳含量均较低 ,表明土壤侵蚀以及耕翻作用明显降低大团聚体
结合碳含量 ,尤其对 > 1000μm 团聚体碳的影响更为显著 (图 3) 。许多研究表明 ,POC 与大团聚体碳显著相
关[15 ,24 ] ,说明大团聚体 ( > 250μm)是微团聚体与有机物等胶结剂胶结形成 ,含有许多初期不稳定的新成有机
物如 POM、轻组碳及微生物量碳等 ,而易于被微生物利用发生矿化分解。但由于新碳先进入大团聚体 ,使大
团聚体碳含量增加 ,然后向微团聚体转移并最终累积在微团聚体中 ,所以单纯的大团聚体碳含量减少并不能
解释耕作等土壤扰动造成的总碳损失。由此 ,Six 等[16 ,17 ]认为 ,耕作加快土壤团聚体周转 ,是导致 SOC 损失的
首要原因。坡肩部位表层土壤微团聚体含量也较低 ,说明土壤侵蚀也明显导致微团聚体碳含量减少 ,微团聚
体碳的迁移流失可能是侵蚀部位 SOC 下降的主要机制。研究表明 ,土壤细颗粒中 SOC 相对富集 ,侵蚀剥蚀了
2582　 生 　态 　学 　报 26 卷
富碳的细颗粒物质 ,下层贫碳的细颗粒物质通过耕翻作用混入耕层进行补充 (图 2 和图 3) ,进而降低了微团
聚体结合有机碳的含量。在有明显土壤累积的坡脚部位 , > 1000μm 和 250～1000μm 两个粒级的团聚体碳在 5
个地形部位中最低 ,而微团聚体碳含量最高 (图 3) ,表明坡脚表层土壤来自坡上侵蚀部位 ,明显截留了富含更
细小的微团聚体。坡趾部位微团聚体碳含量明显低于坡脚 ,主要受不同方向的水流迁移损失所引起。
4 　结论
土壤侵蚀以及耕作倾向于破坏水稳性大团聚体 ,相应地增加水稳性微团聚体的比例。地表水流迁移的主
要是 < 250μm 的微团聚体 ,并在低洼的沉积部位累积。大团聚体破坏后 ,包裹在大团聚体内的轻质活性碳 (如
POC)以及细颗粒结合的惰性碳 ( IOC 和微团聚体碳)随地表水流沿坡迁移。而 POC 等活性碳是微生物活动的
主要碳源 ,迁移和累积过程中易被微生物利用分解 ,在沉积区难以累积。活性碳一经矿化 ,剩下的微团聚体碳
受到物理保护 ,不易被微生物利用 ,在沉积区表层土壤形成一个惰性碳汇。
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