中国东北地区黑土带长期耕作对土壤孔隙结构和抗侵蚀性的影响

《CATENA》：Responses of soil pore structure and erosion resistance to long-term cultivation in the Mollisol region of Northeast China

长期耕作显著改变黑土孔隙结构及形态，导致土壤侵蚀抗力下降。通过采集不同耕作年限（20、40、60、100年）黑土及林地的物理化学数据，结合微CT技术解析孔隙网络特征，发现耕作年限增加使>500μm孔隙率和延伸孔隙比例下降，而100-500μm孔隙率和欧拉数上升，形成连续性差的孔隙网络，分形维度显著降低（p<0.05）。室内模拟降雨实验表明，60和90mm/h降雨强度下径流系数呈先升后降趋势，而45mm/h下持续上升。土壤流失率随耕作年限增加而升高，峰值出现在100年耕地。回归分析显示孔隙形态（分形维度、欧拉数）对径流系数和土壤流失率有显著负向主导作用，降雨强度调节效应。研究结果强调孔隙形态在长期耕作中维持土壤抗侵蚀能力的重要性，为黑土区水土保持策略提供理论依据。

　　本研究围绕长期耕作对土壤孔隙结构和侵蚀抵抗能力的影响展开，旨在揭示这些变化的演变特征，从而为水蚀防治提供科学依据。研究团队通过收集和分析东北地区黑土的物理化学数据，探讨了不同耕作年限（20年、40年、60年、100年）与森林（作为对照）土壤在孔隙结构方面的差异。为了更深入地理解这些变化，研究采用了微计算机断层扫描（micro-CT）技术来解析土壤内部结构，并结合室内模拟降雨实验，评估不同降雨强度（45 mm/h、60 mm/h、90 mm/h）和坡度（5°、7°）条件下土壤的侵蚀响应。

研究结果表明，长期耕作显著改变了土壤的孔隙系统，使其变得更为简单。具体而言，随着耕作时间的延长，大于500微米的孔隙比例以及长孔比例逐渐减少，而100至500微米的孔隙比例和欧拉数（Euler number）则有所增加。这种变化导致了孔隙网络的不连续性，同时降低了孔隙之间的连通性。此外，孔隙结构的复杂性指标——分形维度（fractal dimension）——在不同耕作年限之间呈现出显著下降趋势，且统计学意义显著（p < 0.05）。

在降雨强度和耕作年限的共同作用下，土壤的径流响应表现出明显的差异。在60 mm/h和90 mm/h的降雨强度下，径流系数（runoff coefficient）呈现出先升后降的趋势，而在45 mm/h的降雨强度下，径流系数则持续上升。这一现象可能与土壤孔隙系统的适应性变化有关，即在较短的耕作时间后，土壤对雨水的响应能力较强，但随着耕作时间的延长，孔隙结构的改变导致了土壤对降雨的响应能力逐渐下降。与此同时，土壤侵蚀速率（soil loss rate）也随耕作时间的增加而上升，尤其是在100年耕作的土壤中，其侵蚀速率达到峰值。

研究进一步指出，孔隙形态（尤其是分形维度和欧拉数）在一定程度上主导了径流系数和土壤侵蚀速率的变化，而降雨强度则对这些变化起到了调节作用。这意味着，土壤孔隙结构的复杂性不仅影响其自身的物理特性，还间接决定了土壤对侵蚀的抵抗能力。例如，分形维度的降低表明土壤孔隙结构变得更加简单，这可能削弱了土壤的抗侵蚀能力，而欧拉数的增加则意味着孔隙网络的连通性增强，但这种增强可能并不足以弥补结构复杂性的损失。

从土壤结构的角度来看，长期耕作不仅影响了土壤的孔隙系统，还对土壤团聚体的稳定性产生了深远影响。团聚体的稳定性与孔隙形态密切相关，而孔隙的形态和大小又决定了水流路径和速率。研究表明，稳定的团聚体通常具有相互连接的孔隙，这些孔隙在土壤湿润过程中有助于空气的逸出，从而防止内部压力的积累，进而减少土壤的破坏。然而，长期耕作导致了团聚体的破碎，使土壤变得更加松散，孔隙的连通性降低，进而影响了土壤的渗透性和抗侵蚀能力。

在东北黑土地区，土壤结构的退化是一个显著的环境问题。该地区以肥沃、有机质丰富的土壤著称，但长期的农业结构调整、土地集约化利用和过量施肥导致了土壤团聚体的破坏和孔隙网络的中断。这种结构退化削弱了土壤的孔隙功能和团聚体稳定性，从而增加了耕地的侵蚀风险。因此，理解长期耕作对土壤孔隙结构和团聚体稳定性的影响，对于改善退化土壤的物理特性、制定有效的土壤恢复策略具有重要意义。

本研究采用了X射线计算机断层扫描（CT）技术，这是一种非侵入性的方法，能够直观地展示土壤孔隙的空间分布和结构特征。通过这一技术，研究团队能够更精确地评估不同耕作年限下土壤孔隙系统的演变情况，并将其与土壤的抗侵蚀能力联系起来。研究假设长期耕作会显著改变土壤孔隙结构的复杂性（包括整体结构和形态特征），并导致团聚体稳定性下降，从而降低土壤的抗侵蚀能力。此外，研究还发现，随着耕作时间的延长，土壤孔隙的形态和大小发生了显著变化，这种变化可能进一步加剧土壤的侵蚀风险。

研究区域选择在黑龙江省嫩江县的集山农场（Heshan farm），该地区具有典型的寒温带大陆性季风气候，四季分明，降水集中。年平均气温为0.4°C，年降水量为500 mm，其中超过90%的降水集中在6月至8月，无霜期为115至120天。这一气候条件使得研究区域在长期耕作过程中，土壤结构的变化更加明显，为分析孔隙结构与侵蚀抵抗能力的关系提供了理想的环境背景。

在实验设计方面，研究团队采集了不同耕作年限的土壤样本，并通过微CT技术对其孔隙结构进行了详细的分析。随后，他们进行了不同降雨强度和坡度条件下的室内模拟降雨实验，以监测径流和沉积物的变化。这些实验不仅有助于理解不同条件下的侵蚀过程，还能够揭示土壤孔隙结构和团聚体稳定性对侵蚀的控制机制。实验结果显示，随着耕作时间的延长，土壤的孔隙比例和形态发生了显著变化，这种变化在不同的降雨强度和坡度条件下表现出不同的响应模式。

研究还发现，长期耕作导致了土壤团聚体的破碎，使土壤变得更加松散，孔隙的连通性降低。这种变化可能与土壤的机械压实和耕作管理密切相关。例如，短期的强烈压实可能会导致土壤团聚体之间的接触面积增加，从而增强土壤的机械强度，但同时也会减少孔隙空间和连通性。这种现象在长期耕作的土壤中尤为明显，尤其是在高频率的耕作条件下，土壤的孔隙结构变得更加不规则，影响了其抗侵蚀能力。

此外，研究还指出，不同耕作方式对土壤孔隙结构和侵蚀响应的影响存在显著差异。例如，长期免耕（no-tillage）能够保持土壤的自然压实结构，减少土壤对机械压实的敏感性，从而提高土壤的抗侵蚀能力。相比之下，常规耕作方式则会导致土壤团聚体的破碎，形成大量松散的表层土壤，进而增加土壤的侵蚀风险。这种差异可能与耕作方式对土壤孔隙系统的不同影响有关，即免耕方式能够维持土壤的结构完整性，而常规耕作方式则会破坏土壤的结构稳定性。

研究还发现，土壤孔隙的大小分布和形态特征对土壤的抗侵蚀能力具有重要影响。例如，大孔隙（0.15–1.00 mm）的比例减少，而小孔隙（< 0.03 mm）的比例增加，这可能导致土壤的渗透能力下降，从而增加径流和沉积物的形成。此外，孔隙的形态特征（如分形维度和欧拉数）对土壤的抗侵蚀能力起到了关键作用，而降雨强度则对这些作用产生了调节效应。这意味着，在不同的降雨条件下，土壤的抗侵蚀能力可能会发生变化，从而影响侵蚀的严重程度。

在土壤团聚体的稳定性方面，研究团队发现长期耕作导致了团聚体的破碎，使土壤变得更加松散，孔隙的连通性降低。这种变化可能与土壤的机械压实和耕作管理密切相关。例如，短期的强烈压实可能会导致土壤团聚体之间的接触面积增加，从而增强土壤的机械强度，但同时也会减少孔隙空间和连通性。这种现象在长期耕作的土壤中尤为明显，尤其是在高频率的耕作条件下，土壤的孔隙结构变得更加不规则，影响了其抗侵蚀能力。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和先进的技术手段，揭示了长期耕作对土壤孔隙结构和侵蚀抵抗能力的复杂影响。研究结果表明，长期耕作显著改变了土壤的孔隙系统，使其变得更加简单，同时降低了团聚体的稳定性，从而增加了土壤的侵蚀风险。这些发现不仅为理解土壤结构退化与侵蚀之间的关系提供了新的视角，还为制定有效的土壤保护和恢复策略提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同耕作方式和施肥管理对土壤孔隙结构和侵蚀抵抗能力的长期影响，以期为土壤资源的可持续利用提供更全面的指导。