黑土区易发生侵蚀的坡地农田中土壤有机质（SOC）各组分及其矿化作用的分布规律

《International Soil and Water Conservation Research》：Distribution patterns of SOC fractions and mineralization on sloping erosion-prone farmland in the Black Soil Region

Soil erosion disrupts carbon distribution in sloping farmland, with contour tillage (CRT) showing 31.6% lower erosion rates than traditional tillage (SRT). Both practices induce periodic erosion-deposition patterns (33-45 m and 20-60 m scales) affecting SOC fractions. DOC and MAOC play key roles in carbon mineralization, with CRT preserving 21.5% more MAOC. This study provides critical insights for sustainable agriculture in the东北黑土区.

　　土壤有机碳（SOC）是农业生态系统中的重要组成部分，主要储存在坡耕地的表层土壤中。然而，由于土壤侵蚀作用，SOC的分布受到破坏，导致其横向迁移和垂直固存过程发生变化。这种变化不仅影响土壤碳循环，还可能对全球气候变化产生深远影响。为了深入理解土壤侵蚀与碳循环之间的相互作用，本研究评估了两种耕作方式——坡面垄作（SRT）和横垄作（CRT）对土壤侵蚀的控制效果，并利用铯-137（¹³⁷Cs）技术结合小波分析，对侵蚀速率、SOC含量及其组分的空间变化进行了系统研究。研究结果表明，SRT和CRT在坡耕地中的¹³⁷Cs库存均低于参考值（2468.77 Bq·m^-2），证实了土壤侵蚀的存在。CRT的侵蚀速率（3056.65 t·km^-2·a^-1）显著低于SRT（4409.04 t·km^-2·a^-1），表明CRT在侵蚀控制方面更具优势。

研究还发现，两种耕作方式下，土壤侵蚀与沉积过程呈现出周期性变化的特征，这些变化与SOC含量及其组分的波动相对应。SOC含量与累积矿化程度之间存在显著的负相关关系，而土壤侵蚀速率被认为是影响这一关系的关键驱动因素。SOC组分在驱动SOC矿化过程中发挥了重要作用，并与SOC动态紧密相关。随机森林分析进一步指出，土壤侵蚀速率、SOC含量和溶解有机碳（DOC）是影响SOC矿化的主要因素，尤其是在SRT条件下，DOC的影响尤为突出。这些发现表明，CRT通过改变微地形，能够有效减少土壤侵蚀，从而降低矿物结合有机碳（MAOC）的迁移和损失，提高SOC的保留率。该研究为东北黑土区制定可持续的土地管理措施提供了关键的科学依据，有助于缓解侵蚀对碳循环的不利影响。

### 土壤侵蚀与碳循环的相互作用

土壤侵蚀是一种重要的物理地理过程，对陆地生态系统构成严重威胁，尤其在全球土壤退化问题日益严重的背景下。它不仅是土壤有机碳（SOC）迁移、损失和再分配的关键驱动因素，还对陆地碳循环产生深远影响。在土壤侵蚀过程中，径流与土壤颗粒相互作用，产生细颗粒物质，这些物质将SOC输送到坡下区域，最终在沉积区埋藏，重新组织SOC的分布模式。土壤侵蚀通过改变SOC在不同地形位置的分布，使低洼地区积累更多的沉积SOC，同时可溶性物质被淋洗并输送到地表水和大气中，加速SOC的矿化过程。这种SOC的再分配不仅影响SOC含量，还增强了土壤与大气之间的碳交换，可能导致SOC矿化速率加快。

SOC矿化速率的微小变化可能对大气二氧化碳（CO₂）浓度产生显著影响，突显了SOC动态在调节全球气候变化中的关键作用。坡耕地，特别是容易受到径流和沉积物输运影响的区域，对SOC的损失尤为敏感，因此了解SOC的横向迁移和损失模式对于制定有效的侵蚀控制策略至关重要。研究表明，SOC组分的迁移在侵蚀过程中改变了SOC的结构，不同碳组分对环境变化表现出不同的响应。例如，活性有机碳（如DOC和POC）在侵蚀过程中更容易被迁移和损失，而稳定有机碳（如MAOC和ROC）则更难被移除，导致SOC含量持续下降。

### 土地利用与土壤侵蚀的关系

东北黑土区是中国重要的粮食生产区域，但随着自然向集约农业系统的转变，土壤侵蚀和土壤有机质（SOM）损失问题日益严重，进而导致显著的碳排放。不可持续的农业实践加剧了土壤侵蚀，加速了土壤退化，降低了农田生产力，并威胁到粮食安全和生态可持续性。在该地区，不同耕作方式下的坡耕地受到不同程度的侵蚀影响，SOC的再分配模式也有所不同。例如，横垄作（CRT）作为一种沿等高线的耕作方式，能够有效减少坡耕地的土壤侵蚀和沉积，改善侵蚀控制，促进SOC和养分的均匀分布，从而重塑SOC的空间分布格局。

### ¹³⁷Cs作为土壤再分配的示踪剂

铯-137（¹³⁷Cs）是一种有效的土壤再分配示踪剂，能够揭示坡面侵蚀强度的周期性波动。该放射性同位素在沉积后迅速被细颗粒土壤和土壤有机质吸附，随侵蚀土壤迁移，因此可以用于估算土壤再分配。研究发现，¹³⁷Cs在不同坡长下的面积活动呈现显著差异，这反映了土壤侵蚀和沉积过程的空间变化。通过¹³⁷Cs的分布，可以更准确地评估土壤侵蚀状况，并识别不同耕作方式下的侵蚀模式。CRT通过改变微地形，显著降低了侵蚀强度，而SRT则由于其结构特点，导致侵蚀过程更加集中，影响范围更大。

### 小波分析揭示侵蚀与沉积的周期性变化

小波分析是一种强大的数学和信号处理工具，能够通过小波表示重构信号，并对时间序列数据进行多尺度分解。该方法可以揭示原始信号在不同尺度下的周期性变化特征，便于在时域和频域进行分析。小波变换具有时间-频率定位和多分辨率的优势，使得本研究能够深入探讨坡面土壤侵蚀和沉积速率的周期性变化模式。研究结果表明，两种耕作方式下的侵蚀速率均呈现周期性波动，CRT的侵蚀速率波动范围较小，表明其在控制侵蚀方面更为有效。此外，小波方差分析揭示了不同尺度下侵蚀和沉积过程的能量分布，进一步支持了CRT在减少侵蚀方面的优越性。

### SOC组分的空间分布与矿化速率

研究还对SOC组分的空间分布进行了详细分析。SOC含量在两种耕作方式下均随侵蚀强度增加而显著下降，表明SOC的稳定性受到侵蚀的显著影响。DOC、POC和ROC作为SOC的活性组分，对侵蚀过程更为敏感，而MAOC作为稳定的SOC组分，其变化幅度较小。SOC的累积矿化程度与侵蚀速率之间存在显著的负相关关系，说明更高的侵蚀速率可能导致SOC矿化速率的增加。这种矿化过程不仅影响SOC的含量，还可能加速CO₂的排放，进一步加剧全球变暖。

### 不同耕作方式对SOC矿化的影响

为了进一步分析不同耕作方式对SOC矿化的影响，研究采用了随机森林模型进行重要性排序。结果显示，在SRT条件下，土壤侵蚀速率、SOC含量和DOC含量是影响SOC矿化的主要因素，而在CRT条件下，DOC的影响最为显著。这表明，尽管多种因素可能影响SOC矿化过程，但DOC在CRT条件下对SOC矿化具有主导作用。SOC的稳定性与其与土壤黏粒的结合程度和土壤团聚体的结构密切相关，侵蚀过程可能破坏这些结构，导致SOC矿化速率加快。

### 研究的局限性与未来展望

尽管本研究提供了关于SOC组分迁移和矿化的重要信息，但其在小尺度（≤1公顷）的观测可能无法全面反映流域尺度的侵蚀动态。因此，未来需要在更大范围进行验证，以更准确地评估侵蚀对SOC的影响。此外，研究结果主要反映了季节性变化，长期监测和将径流数据与时间尺度的小波分析相结合，有助于识别极端径流事件，从而更好地理解侵蚀的周期性特征。

### 研究的实际应用价值

本研究通过分析不同耕作方式对SOC分布和矿化的影响，为制定有效的土地管理措施提供了科学依据。特别是CRT在减少SOC损失和提高土壤肥力方面的潜力，为东北黑土区的可持续农业发展提供了新的思路。通过将CRT纳入国家土壤保护政策，如中国的黑土保护行动计划，可以推动其在坡耕地中的广泛应用。政府应建立全面的补贴计划，支持农民采用CRT技术，并提供相关的技术培训和教育，以提高CRT的推广效果。此外，结合精准农业技术，如实时监测和数据反馈，可以进一步优化CRT的应用，提高其在不同农业生态系统中的适应性和有效性。

综上所述，本研究不仅揭示了土壤侵蚀与SOC动态之间的复杂关系，还为不同耕作方式对碳循环的影响提供了新的视角。CRT在减少土壤侵蚀和提高SOC保留率方面表现出显著优势，其应用有助于实现可持续的土地管理目标。未来的研究应进一步探索CRT在不同气候和土壤条件下的适应性，并推动其在全球范围内的应用，以应对日益严重的土壤侵蚀和碳损失问题。