东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，由于长期高强度无休耕作，黑土层变薄，土壤退化日趋严重，有机质质量分数逐渐降低^[1]。开垦10、20、40、60年后黑土表层有机质质量分数从垦前的150.6 g/kg分别下降到94.8、78.3、69.4、65.9 g/kg，开垦百年后则可下降2/3^[2]。诸多学者致力于黑土侵蚀过程与机理的研究，认为黑土区侵蚀类型包括水蚀、风蚀、冻融侵蚀等，且以水蚀面积最广、破坏强度最大^{[1, 3-5]}。但近期研究指出，除水蚀外，耕作侵蚀也是引起黑土区坡地土壤再分布的重要贡献者之一^[6]，而且耕作侵蚀与水蚀耦合所引起的土壤理化性质和养分空间变异可大于单独任何一种侵蚀^[7]。耕作侵蚀是指农耕机具牵引和土体自重而引起净余土壤向下坡方向搬运、沉积的再分配过程，一般形成凸部侵蚀、凹部沉积的坡面侵蚀格局。耕作侵蚀的营力及过程均不同于水蚀，二者对黑土有机碳的影响机制也存在差异。耕作侵蚀对土壤是整体性搬运，首先破碎大团聚体而导致碳损失^[8]，水蚀则是选择性运移，优先搬运 < 0.25 mm的土壤团聚体和较轻的碳组分^[9]。但目前关于2种侵蚀对黑土有机碳影响差异的研究鲜有报道。

笔者在模拟耕作侵蚀和水蚀的基础上，进一步将耕作侵蚀分为原位破碎和耕作迁移2个过程。将水蚀分成雨滴击溅和径流冲刷2个过程，分别探讨2种侵蚀营力4种干扰条件下不同粒径水稳性团聚体有机碳的变化规律，探究黑土团聚体有机碳对耕作侵蚀与水蚀的响应差异，以期为农田黑土侵蚀机制及坡耕地水土流失防治提供依据。

研究地点位于黑龙江省西北部克山农场(E 125°8′~125°37′, N 48°12′~48°23′)，属克拜漫川满岗地带，平均坡度3°。气候属于温带大陆性季风，年平均气温0.9 ℃，年平均降水量501.7 mm。土壤以黏化湿润均腐土为主，属典型黑土区。无霜期115 d，土壤冻结期从11月初至翌年6月中旬，最大冻结深度可达2.5 m。

以克山农场26连队未经开垦干扰的天然次生林表层(0~10 cm)土壤为研究对象，带回实验室去除根系和石子，自然风干后分别完成模拟原位破碎、耕作迁移、雨滴击溅、径流冲刷4个干扰过程，另设对照。与经过长期开垦干扰的农田土壤相比，未经开垦干扰的黑土对干扰更为敏感，即更易捕捉到对团聚体有机碳影响的差异。

模拟原位破碎：将土样平铺于内径为10 cm、高度为3 cm的空心不锈钢圆环内，使用与圆环匹配的重锤(2.5 kg)对圆环内土壤进行5、10、20、30、40次的垂直落击，落击高度为15 cm，在圆环中间收集0~1 cm表层土壤备用，3次重复。

模拟耕作迁移：将土样按土壤密度1.1 g/m³回填至自制的有机玻璃土槽(100 cm×20 cm×10 cm，填土深度7 cm)，进行模拟耕作迁移，牵引机具为自制铧氏犁模具(与生产中所用的铧式犁尺寸比例为3:1)，犁上部有一半圆形环铁环用于固定拉力计，控制牵引拉力相同(平均拉力105.23 N)，从土槽一端牵引到另一端为1次处理，分别进行5、20、30、40次的处理，在出现铧沟的位置收集0~1 cm表层土壤备用，3次重复。

模拟雨滴击溅：将土样按土壤密度1.1 g/m³回填至内径30 cm、高度为3 cm的自制溅蚀盘内(填土深度3 cm)，人工降雨强度为40、60、80、100、120 mm/h，降雨时间为15 min，在溅蚀盘中间位置收集0~1 cm表层土壤备用，3次重复。

模拟径流冲刷：将土样按土壤密度1.1 g/m³回填至自制的有机玻璃土槽(100 cm×20 cm×10 cm，填土深度7 cm)，进行模拟径流冲刷，土槽上边缘连接有静水室(长、宽、高分别为20 cm、20 cm、10 cm)，静水室底部边缘高出土槽2 cm。通过不同功率的水泵将水泵入静水室以形成不同流量的径流；实验装置置于坡度为5°的斜面上。模拟径流冲刷前，用2 L水对土壤进行预湿润，且在土壤表面覆盖一层塑料膜，待径流稳定之后再撤去。控制径流量分别为2、3、4、5、6 L/min，冲刷时间为1 h，在出现细沟的位置收集0~1 cm表层土壤备用，3次重复。

将收集的土壤样品带回实验室，将土壤含水量调整为田间持水量的65%，培养30 d，培养温度和湿度分别为25 ℃和80%。未经过任何处理的土样(对照组，CK)培养条件与其相同。培养后将土壤进行湿筛，获得>2 mm、1~2 mm、0.25~1 mm、0.053~0.25 mm、< 0.053 mm 5个不同粒径水稳性团聚体，采用总有机碳测定仪(Elementar, Vario EL cube, Germany)测定团聚体有机碳质量分数，并计算变化率

式中：x为各粒径团聚体有机碳变化率，%；x_i为干扰处理后粒径团聚体有机碳质量分数，g/kg；x₀为未经任何干扰(对照)粒径团聚体有机碳，g/kg。

采用SPSS 21.0和Sigmaplot 14.0进行统计分析和绘图，不同干扰强度之间，不同粒径水稳性团聚体有机碳质量分数之间均采用Duncan法进行单因素方差分析和显著性检验(P < 0.05)。

各粒径团聚体有机碳质量分数对原位破碎干扰均有显著变化(图 1(a))。>2 mm粒径团聚体有机碳随着破碎强度的增加呈现增加趋势；< 0.053 mm粒径有机碳随着破碎强度的增加其整体呈现下降趋势；其余3个粒级团聚体有机碳变化规律一致，均在5次时达到最大值，在10、20、30、40次不同强度的处理后出现不同程度降低，如表 1所示，有机碳质量分数较低的>0.25 mm粒径有机碳质量分数在破碎处理后呈现增加的趋势，变化范围是9.0%~26.1%；而除了在5次破碎强度下0.053~0.25 mm粒径有机碳增加外，有机碳质量分数较高 < 0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数整体都呈现下降的趋势，变化范围是-34.5%~5.2%。

图 1(Fig. 1)

不同大写字母表示同粒径不同强度差异显著；不同小写字母代表同强度不同粒径差异显著。下同。 Different uppercase and lowercase letters refer to the significant differences among different intensities in the same size and different sizes in the same intensity, respectively. The same below. 图 1 模拟原位破碎(a)和耕作迁移(b)条件下团聚体有机碳质量分数 Fig. 1 Content of aggregate-associated organic carbon under simulated in-situ disruption (a) and tillage migration (b) conditions

表 1(Tab. 1)

表 1 模拟原位破碎条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 1 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated in-situ disruption treatment % 原位破碎强度 In-situ disruption intensity/times >2 mm 1~2 mm 0.25~ 1 mm 0.053~ 0.25 mm < 0.053 mm 5 18.0 12.1 19.9 5.2 -3.8 10 10.8 9.0 10.9 -9.6 -22.8 20 16.2 11.1 10.9 -11.3 -26.3 30 16.0 9.6 9.5 -14.7 -34.5 40 26.1 12.7 9.3 -11.1 -20.8 注：“-”表示各处理团聚体有机碳质量分数小于对照。下同。 Notes: “-”refers to that the contents of organic carbon in each size of aggregate are less than those in control. The same below.

表 1 模拟原位破碎条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 1 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated in-situ disruption treatment %

对照组>0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数低于 < 0.25 mm，且0.053~0.25 mm与 < 0.053 mm差异不显著(图 1(b))。随着迁移强度的增加，>0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数整体呈现增加的趋势(分别增加21.5%~29.2%、23.5%~26.0%、15.6%~23.8%)，0.053~0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数变化不大(0.9%~4.8%)，< 0.053 mm粒径团聚体有机碳质量分数整体呈下降的趋势(-33.2%~-11.1%) (表 2)。不同迁移强度干扰后4个粒径团聚体之间的质量分数变化趋势相同，即先增加后降低，但各粒径团聚体达到峰值的强度不同，>1 mm粒径团聚体在5次达到最大值；较小的团聚体(0.25~1 mm、0.053~0.25 mm)分别在30次和20次达到最大值。当强度达到30次后，强度对各粒径团聚体有机碳以及各粒径团聚体有机碳之间差异逐渐减小。

表 2(Tab. 2)

表 2 模拟耕作迁移条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 2 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated tillage migration treatment % 耕作迁移强度 Tillage migration intensity/times >2 mm 1~2 mm 0.25~ 1 mm 0.053~ 0.25 mm < 0.053 mm 5 29.2 26.0 20.9 0.9 -11.1 20 22.3 25.1 15.6 4.8 -33.2 30 22.4 24.7 23.8 4.5 -16.4 40 21.5 23.5 23.5 3.0 -28.6

表 2 模拟耕作迁移条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 2 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated tillage migration treatment %

各粒径团聚体有机碳质量分数随着雨滴击溅强度的增加整体呈现先增加后降低的趋势，但>0.25 mm粒径团聚体在不同强度下有机碳质量分数的最小值也均高于对照(图 2(a))。总的来说，质量分数较低的>0.25 mm粒径团聚体在受到不同强度破坏时变化较大，分别增加48.8%~73.2%、38.7%~49.3%、41.8%~55.8%；质量分数较高的 < 0.25 mm粒径团聚体变化相对较小(-0.4%~15.4%、-5.6%~10.7%) (表 3)。不同粒径团聚体有机碳质量分数达到在最大值所对应的干扰强度不同。>2 mm粒径团聚体有机碳质量分数在100 mm/h强度下达到最大值，其余4个粒径团聚体均在80 mm/h强度下达到最大值。各粒径团聚体有机碳质量分数差异逐渐减少，呈现均一趋势。

图 2(Fig. 2)

图 2 模拟雨滴击溅(a)和径流冲刷(b)条件下团聚体有机碳质量分数 Fig. 2 Content of aggregate-associated organic carbon under simulated raindrop splash (a) and runoff scouring(b) conditions

表 3(Tab. 3)

表 3 模拟雨滴击溅条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 3 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated raindrop splash treatment  % 雨滴击溅强度 Raindrop splash intensity/(mm·h-1) >2 mm 1~ 2 mm 0.25~ 1 mm 0.053~ 0.25 mm < 0.053 mm 40 54.6 46.7 41.8 7.9 -3.9 60 48.8 47.0 45.5 -0.4 -5.6 80 56.6 49.3 55.8 15.4 10.7 100 73.2 46.7 49.9 12.1 8.1 120 53.2 38.7 43.4 7.1 -5.5

表 3 模拟雨滴击溅条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 3 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated raindrop splash treatment  %

未经干扰时，>2 mm、1~2 mm、0.25~1 mm粒径团聚体有机碳质量分数低于0.053~0.25 mm、< 0.053 mm粒径团聚体。径流冲刷干扰后，以0.25 mm为界限，>0.25 mm和 < 0.25 mm的团聚体有机碳质量分数表现出不同的变化规律(图 2(b))。随着径流冲刷强度的增加，>0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数均呈增加趋势，>2 mm、1~2 mm、0.25~1 mm团聚体有机碳质量分数增加范围分别为27.1%~60.8%、23.4%~36.6%、24.2%~35.2% (表 4)，3个粒径团聚体有机碳质量分数均在6 L/min时达到最大值。< 0.25 mm粒径团聚体质量分数整体呈下降趋势，0.053~0.25 mm和 < 0.053 mm团聚体有机碳质量分数变化范围依次为-40.5%~-8.7%和-31.0%~9.4% (表 4)。

表 4(Tab. 4)

表 4 模拟径流冲刷条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 4 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated runoff scouring treatment % 径流冲刷强度 Runoff scouring intensity/(L·min-1) >2 mm 1~ 2 mm 0.25~ 1 mm 0.053~ 0.25 mm < 0.053 mm 2 27.1 34.2 24.2 -11.4 -5.0 3 45.2 32.1 34.3 -8.7 -29.1 4 31.3 23.4 27.2 -32.0 -31.0 5 41.1 28.0 33.2 -40.5 9.4 6 60.8 36.6 35.2 -15.9 -18.2

表 4 模拟径流冲刷条件下团聚体有机碳质量分数变化率 Tab. 4 Change rates of aggregate-associated organic carbon content under simulated runoff scouring treatment %

回归分析显示只有在模拟耕作迁移条件下>2 mm、1~2 mm、0.053~0.25 mm粒径团聚体有机碳变化率与干扰强度呈现显著负相关关系(图 3)：>2 mm粒径团聚体有机碳变化率随干扰强度呈对数变化趋势(P=0.049)，1~2 mm粒径团聚体有机碳变化率随干扰强度呈线性变化趋势(P=0.043)，而0.053~0.25 mm粒径团聚体有机碳变化率随侵强度的增加先增加后降低，呈二项式变化趋势(P=0.011)。

图 3(Fig. 3)

图 3 各粒径团聚体有机碳变化率对不同干扰类型和强度的响应 Fig. 3 Response of change rate of aggregate-associated organic carbon to different interference types and intensities

笔者仅发现>2 mm、1~2 mm和0.053~0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数变化率与耕作侵蚀强度显著负相关(图 3)，其他任意粒径团聚体有机碳质量分数变化均未与径流强度表现出显著的相关关系，即与水蚀相比，黑土有机碳对耕作侵蚀的响应更为显著。这与赵鹏志等^[10]的研究相符，其研究也表明耕作侵蚀对土壤有机碳的影响较大。以往的研究对耕作侵蚀关注较少，水蚀被视为农田黑土坡耕地主导侵蚀类型^[6]，本研究在一定程度上证实了黑土耕作侵蚀的存在，同时证明耕作侵蚀与水蚀对黑土有机碳的影响存在差异。

耕作过程中，首先是机具疏松土壤并产生原位干扰，不发生净位移，随后机具牵引使土壤发生位移，土壤随着搬运-沉积过程在坡耕地上重新分配，形成侵蚀。本研究通过模拟原位破碎和耕作迁移2个过程发现，无论是原位破碎还是耕作迁移，都对团聚体有机碳产生影响，但是不同粒径团聚体有机碳质量分数变化规律并不一致。随着原位破碎强度的增加，>0.25 mm粒径团聚体有机碳呈现增加趋势，< 0.25 mm粒径团聚体有机碳呈现下降趋势；随着耕作迁移强度的增加，>0.053 mm和 < 0.053 mm粒径团聚体有机碳质量分数分别呈增加和降低趋势。前期研究多表明耕作加速土壤团聚体有机碳矿化流失^[11]。然而本研究发现的规律却与之相反。这可能是由于东北黑土富含有机质，尤其是本研究采用未经开垦干扰黑土为研究对象，土壤团聚体质量分数和黏粒含量较高^[12]，本研究设置的4个强度并未对土壤团聚体造成不可逆的破坏性干扰，只是降低了与碳循环相关的酶活性^[13]，相对减缓了有机碳的矿化速率，从而使土壤团聚体有机碳与对照相比呈现暂时性增加。>2 mm、1~2 mm和0.053~0.25 mm团聚体碳质量分数变化率与耕作迁移强度的负相关关系可以进一步表明当迁移干扰强度增大时，土壤有机碳质量分数的增量确实在逐渐降低，证实了耕作侵蚀对土壤有机碳的负效应。除此之外，原位破碎和耕作迁移分别增加>0.25 mm和>0.053 mm团聚体有机碳质量分数，符合耕作侵蚀加剧大粒径团聚体周转的假设^[14]。

大量研究认为水蚀过程中雨滴击溅过程优先破坏大团聚体，增加微团聚体含量，然后微团聚体随着径流作用迁移，最后在坡下沉积^[15]，并且 < 0.25 mm粒径团聚体是水蚀中流失的主要径级^[9]。土壤团聚体被破坏后，失去对碳的保护，进而使土壤中的碳更容易被矿化，最终减少有机碳的含量并且使不同粒级团聚体内有机碳含量产生差异^[16]。但本研究通过模拟雨滴击溅和径流冲刷2个过程发现，雨滴击溅作用使得各个粒径团聚体有机碳基本上呈现增加趋势，而径流冲刷作用使>0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数显著增加，< 0.25 mm粒径团聚体显著下降。这可能是在水蚀过程中，击溅和冲刷会导致土壤表层微生物的死亡^[17]，而且这一过程土壤含水率始终维持在较高水平，在厌氧环境下不利于有机碳矿化，与对照相比更利于有机碳的保存。其次，本研究中模拟干扰后的土壤样品培养30 d后测定有机碳质量分数，在这个恒温恒湿的培养过程中，不同粒径团聚体间的周转加强，有可能促使>0.25 mm粒径团聚体团聚，进而导致团聚体有机碳质量分数增加。而相对于径流冲刷作用，雨滴击溅作用的随机性较强，对各个粒径团聚体分选性不明显^[18]，故呈现所有粒径团聚体有机碳整体均呈现增加的趋势。

2种侵蚀营力4种干扰方式对各粒径团聚体有机碳质量分数对影响存在差异：1)原位破碎作用分别增加>0.25 mm和降低 < 0.25 mm粒径团聚体有机碳质量分数；2)耕作迁移作用分别增加>0.053 mm和降低 < 0.053 mm粒径团聚体有机碳质量分数；3)雨滴击溅作用整体上表现为增加各粒径团聚体有机碳，其中>0.25 mm粒径团聚体变化趋势明显；4)径流冲刷作用增加>0.25 mm粒径团聚体有机碳，降低 < 0.25 mm粒径团聚体有机碳；5)相比于水蚀，黑土团聚体有机碳对耕作侵蚀的响应更为敏感。耕作侵蚀有可能是导致黑土区有机碳流失的主要原因，但其对黑土总侵蚀、黑土质量退化的贡献还需进一步研究。