馮志珍 鄭粉莉，2? 易 祎

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

薄層黑土微生物生物量碳氮對(duì)土壤侵蝕—沉積的響應(yīng)*

馮志珍1鄭粉莉1，2?易 祎3

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

（2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

研究土壤侵蝕—沉積對(duì)土壤微生物生物量的影響可以為科學(xué)評(píng)估土壤侵蝕的環(huán)境效應(yīng)提供依據(jù)。以典型薄層黑土區(qū)——黑龍江省賓州河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用土壤137Cs含量估算侵蝕速率，通過分析流域不同位置和不同坡面部位土壤微生物生物量碳和氮含量以及土壤侵蝕強(qiáng)度的差異，揭示土壤微生物生物量對(duì)土壤侵蝕—沉積的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明：流域不同位置和不同坡面部位土壤微生物生物量的分布存在明顯差異，并呈現(xiàn)出與土壤侵蝕—沉積空間分布相反的變化趨勢。土壤侵蝕速率在流域的分布為上游＞中游＞下游，在坡面的分布為坡中部＞坡上部＞坡下部；土壤微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）和微生物生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）在流域表現(xiàn)為下游＞中游＞上游，在坡面表現(xiàn)為坡下部＞坡上部＞坡中部?；貧w分析表明，MBC、MBN、有機(jī)質(zhì)（Organic matter，OM）和全氮（Total nitrogen，TN）含量隨土壤侵蝕強(qiáng)度的增大而減少。土壤侵蝕對(duì)土壤微生物生物量的分布有重要影響，土壤侵蝕—沉積過程引起土壤養(yǎng)分的遷移和再分布是導(dǎo)致侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤微生物生物量分布產(chǎn)生差異的重要原因。

土壤侵蝕—沉積；土壤侵蝕速率；微生物生物量碳；微生物生物量氮；薄層黑土

東北黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，由于過度開墾和自然因素等共同影響，土壤侵蝕日益嚴(yán)重［1］。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水土流失面積27.59×104km2，占黑土區(qū)總面積的27%［2］，其中水蝕面積18.27×104km2，占黑土區(qū)總面積的18%，坡耕地黑土層厚度每年以0.3～1 cm的速度遞減［3］。土壤侵蝕使得土壤的表土層隨徑流流走，土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)大量流失，造成土壤物理化學(xué)性質(zhì)改變，從而導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、土地退化以及生產(chǎn)力急劇下降，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，黑土區(qū)每年由于水土流失造成糧食減產(chǎn)高達(dá)14×108kg［4］。

土壤微生物作為土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用［5］。土壤微生物生物量對(duì)環(huán)境變化具有較高的敏感性和響應(yīng)性，被認(rèn)為是比土壤有機(jī)質(zhì)更靈敏的環(huán)境變化指示因子［6］。研究表明，土壤微生物生物量可以表征土壤質(zhì)量的優(yōu)劣和土壤侵蝕速率的高低，其空間分布可以反映土壤侵蝕的程度［7-8］。因此，研究土壤微生物生物量與土壤侵蝕—沉積的關(guān)系具有重要意義。目前，關(guān)于土壤侵蝕對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響已有大量報(bào)道［9-10］，但定量地分析土壤侵蝕對(duì)土壤微生物生物量影響的研究較少，Hu等［11-12］針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)開展了相關(guān)研究，有關(guān)東北黑土區(qū)這方面的研究更是鮮見報(bào)道。本文以典型薄層黑土區(qū)（黑土層厚度小于30 cm的黑土區(qū)）——黑龍江省賓縣賓州河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用137Cs示蹤技術(shù)，通過土壤侵蝕速率表征侵蝕程度，研究薄層黑土微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）和微生物生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）對(duì)土壤侵蝕—沉積的響應(yīng)，以期為科學(xué)評(píng)估土壤侵蝕的環(huán)境效應(yīng)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省哈爾濱市賓縣賓州河流域（127°26′04″～127°32′02″E，45°43′13″～45°51′37″N）（圖1）位于松嫩平原東部邊緣，屬于松花江一級(jí)支流［3］。該流域面積為375 km2，其中農(nóng)用面積占60%左右。流域內(nèi)海拔160～220 m，地貌特征以漫崗丘陵地形為主，地勢較為平緩，耕地坡度變化于1°～7°，坡長可達(dá)數(shù)百米，最長達(dá)數(shù)千米。氣候類型屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫3.9℃，多年平均降水量548.5 mm，其中6—9月的降雨量約占全年降水量的80%，無霜期約148 d。賓州河流域內(nèi)土壤類型以黑土為主，占流域面積的60%以上，其中薄層黑土分布區(qū)占流域面積的40%以上，屬典型的薄層黑土區(qū)［13］。結(jié)合農(nóng)用和薄層黑土分布面積，用于本研究采集坡面樣品的面積約占流域總面積的30%。土壤質(zhì)地為粉壤土，其顆粒組成為（美國農(nóng)業(yè)部制）：砂粒（2～0.05 mm）含量為5.82%，粉粒（0.05～0.002 mm）含量為55.3%，黏粒（＜ 0.002 mm）含量為38.9%。平均耕層土壤容重1.1 g cm-3，有機(jī)質(zhì)含量26.42 g kg-1，全氮含量1.43 g kg-1，pH為6.07。

野外調(diào)查表明，賓州河流域土壤侵蝕強(qiáng)度差異較大，黑土層厚度不但在流域上、中、下游變化明顯，從坡頂至坡腳變化也較為顯著，尤其是坡中部土壤“破皮黃”現(xiàn)象明顯［13-14］，坡腳則多發(fā)生沉積，是研究土壤微生物生物量對(duì)土壤侵蝕—沉積響應(yīng)的天然試驗(yàn)場。流域農(nóng)地耕種歷史已有80余年，主要以種植玉米為主，一年一熟制。一般于4月底翻地，5月初播種，9月底至10月初收獲。玉米行距在60～70 cm之間，株距在30～40 cm之間，壟高在15～20 cm之間。施肥以N肥（尿素，施用量為180 kg hm-2），P肥（磷酸氫二銨，施用量為75 kg hm-2），K肥（氧化鉀，施用量為60 kg hm-2）為主，均于播種前作底肥一次性施入，拔節(jié)期追施N肥（尿素，180 kg hm-2），除草劑多施用草甘膦異丙胺鹽。玉米在整個(gè)生育期內(nèi)無灌溉，主要依靠自然降水。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

本研究以黑龍江省哈爾濱市賓縣1∶1萬比例尺地形圖和土壤類型圖為底圖，以地形部位、表層黑土層厚度和土壤侵蝕空間分布特征為依據(jù)，在流域的上游、中游、下游各選取2個(gè)典型農(nóng)耕地坡面作為采樣坡面（圖1）。采樣坡面坡度在3°～5°之間，坡長在200～300 m之間，開墾歷史在80 a左右，種植作物為玉米，且農(nóng)地施肥水平和管理措施基本相同。根據(jù)坡長，每個(gè)坡面沿縱斷面線在坡上部、坡中部和坡下部分別設(shè)置采樣點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。采樣點(diǎn)基本概況見表1。

位于賓州河流域的黑龍江省水土保持科學(xué)研究院科技園的觀測資料顯示，該流域土壤在冬季處于凍土狀態(tài)，春季4月份一般仍有降雪覆蓋。夏季氣溫較高，微生物代謝比較旺盛，玉米處于抽雄期，秋季氣溫降低，微生物代謝減弱，玉米處于成熟期。據(jù)此，本研究分別于2011年和2012年的夏季（7月）和秋季（10月）采集土壤微生物生物量樣品，采樣深度為0～20 cm，將采集的五份土樣進(jìn)行混合，四分法取適量土壤裝入滅菌鋁盒，4℃冰箱保存待測；于2012年夏季（7月）采集土壤理化性質(zhì)樣品，采樣深度為0～20 cm，采集五份土樣進(jìn)行混合，四分法取適量土壤帶回，自然風(fēng)干后，去除石塊、土壤表面凋落物和植物根系等雜物，研磨粉碎后過0.25 mm篩子待測；于2012年夏季（7月）采集137Cs土壤樣品，采樣深度為0～30 cm，具體參照安娟［15］的采樣方法。該流域2011年7月和10月降雨量分別為143.3和24.8 mm，平均氣溫分別為24.5和8.9℃；2012年7月和10月降雨量分別為129.9和25.3 mm，平均氣溫分別為23.9和6.4℃。

1.3 分析方法

土壤微生物生物量采用氯仿熏蒸浸提法測定［16］。將新鮮土壤樣品置于25℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d后（電子天平測量精度為0.001 g），用去乙醇氯仿在-0.07 MPa、25℃真空干燥器內(nèi)熏蒸24 h，熏蒸與未熏蒸的土壤均用K2SO4溶液浸提。浸提液中土壤MBC使用總有機(jī)碳自動(dòng)分析儀（TOC）測定（TOC測量精度為0.01 g），轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.45［17］，土壤MBN采用過硫酸鉀氧化法測定［16］（紫外分光光度計(jì)測量精度為0.001 g），轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.54［17］。土壤有機(jī)質(zhì)（Organic matter，OM）采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定［18］，全氮（Total nitrogen，TN）采用半微量凱氏法測定［18］（凱氏定氮儀測量精度為0.0001 g），樣品重復(fù)測量誤差為95%，置信水平±5%。

土壤中137Cs含量的測定：稱取250 g土樣裝入φ40 mm×81 mm的有機(jī)玻璃盒中（電子天平測量精度為0.001 g），用膠帶密封后，使用經(jīng)LabSOCS后的γ譜儀（BE5030，CANBERRA，USA）測量密封盒中土壤的137Cs能量，測定137Cs的能量為661 keV，測定時(shí)間為43 152～45 346 s。測量完成后，使用DSA-1000數(shù)字化譜儀解譜，Genie-2000譜分析軟件分析譜數(shù)據(jù)，得到137Cs的比活度和不確定度，計(jì)算測量分析誤差（不確定度/比活度×100）［19］，樣品重復(fù)測量誤差為95%，置信水平±5%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

基于張信寶和文安邦［20］質(zhì)量平衡模型估算土壤侵蝕速率，模型表達(dá)式如下：

式中，A為侵蝕區(qū)137Cs的活度（Bq m-2）；A0為采樣年137Cs的背景值（Bq m-2），參考安娟［15］和楊維鴿［21］在相同研究區(qū)的結(jié)果，即為2 379.0 Bq m-2；φ1為混入耕層的137Cs與總沉降量之比；φ2為侵蝕分選顆粒的校正因子；h為年平均土壤侵蝕深度（m a-1）；D為年均犁底層深度（cm）；n為采樣年份。

表1 采樣點(diǎn)基本概況Table 1 Basic information of the sampling sites

土壤侵蝕速率計(jì)算公式如下：

式中，E為土壤侵蝕速率（kg m-2a-1）；h同式（1）；ρ為土壤容重（kg m-3）。

采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著性差異法（Least-Significant Difference，LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，利用回歸分析研究土壤微生物生物量和養(yǎng)分與土壤侵蝕速率之間的關(guān)系。上述統(tǒng)計(jì)分析由SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。

2 結(jié) 果

2.1 流域土壤微生物生物量碳氮基本特征

賓州河流域土壤MBC在2011年和2012年夏秋兩季的波動(dòng)范圍分別為76.9～346.1 mg kg-1和94.9～438.1 mg kg-1，平均值分別為210.3 mg kg-1和234.7 mg kg-1；MBN在2011年和2012年夏秋兩季的波動(dòng)范圍分別為1.8～33.8 mg kg-1和5.7～23.1 mg kg-1，平均值分別為12.0 mg kg-1和13.0 mg kg-1。MBC和MBN在秋季均顯著低于夏季，而在兩年間的相同季節(jié)之間變化不顯著（p＜0.05）（表2）。

2.2 土壤微生物生物量碳氮空間分布

由于受氣溫和地溫的影響，研究流域春季和冬季不適合采集土壤微生物生物量樣品，而MBC和MBN含量在2011年和2012年相同季節(jié)之間差異不顯著，所以用2011年和2012年夏秋兩季各采樣點(diǎn)MBC和MBN含量的平均值，分析土壤微生物生物量碳和氮的空間分布規(guī)律。結(jié)果表明，賓州河流域上游、中游和下游MBC含量的波動(dòng)范圍分別為175.0～221.9、166.6～266.1和204.9～314.8 mg kg-1，平均值分別為190.9、215.6和261.0 mg kg-1；MBN含量的波動(dòng)范圍分別為10.1～13.4、9.4～15.2和12.5～18.0 mg kg-1，平均值分別為11.2、11.9和14.5 mg kg-1。MBC和MBN在流域的分布皆為下游＞中游＞上游，二者在流域下游均顯著高于上游和中游，上游與中游之間差異不顯著（p＜0.05）。與下游MBC和MBN含量相比，MBC在上游和中游含量分別減少了26.9%和17.4%，MBN在上游和中游含量分別減少了22.9%和18.1%（圖2）。

表2 研究流域土壤微生物生物量碳和氮基本特征Table 2 Basic characteristics of soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in the studied valley

圖2 流域不同位置土壤微生物生物量碳和氮的對(duì)比Fig. 2 Microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in soil relative to location in the valley

在坡面尺度上，坡面上部、中部和下部MBC含量的波動(dòng)范圍分別為166.6～272.4、175.0～224.4和181.1～314.8 mg kg-1，平均值分別為216.3、200.3和250.9 mg kg-1；MBN含量在坡面上部、中部和下部的波動(dòng)范圍分別為10.3～18.0、9.4～13.1和12.0～15.6 mg kg-1，平均值分別為12.5、11.2和13.9 mg kg-1。MBC和MBN在坡面的分布皆為坡下部＞坡上部＞坡中部，二者在坡下部均顯著高于坡中部，坡上部與坡中部和坡下部之間差異不顯著（p＜0.05）。與坡下部MBC和MBN含量相比，MBC在坡上部和坡中部含量分別減少了13.8%和20.2%，MBN在坡上部和坡中部含量分別減少了10.0%和19.5%（圖3）。

2.3 流域土壤侵蝕—沉積空間分布

圖3 不同坡面部位土壤微生物生物量碳和氮的對(duì)比Fig. 3 Microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in soil relative to position on a slope

土壤侵蝕速率是評(píng)價(jià)土壤侵蝕強(qiáng)度的最重要指標(biāo)?；趯?duì)137Cs估算賓州河流域土壤侵蝕速率的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕速率在流域的分布表現(xiàn)為上游＞中游＞下游，且三者之間差異顯著（p＜0.05）（圖4A）。流域上游侵蝕最為嚴(yán)重，侵蝕速率介于315～8 088 t km-2a-1之間（正值代表侵蝕，負(fù)值代表沉積），平均值為3 265 t km-2a-1；中游侵蝕程度次之，伴有明顯的沉積現(xiàn)象，侵蝕沉積速率介于-1 831～5 072 t km-2a-1之間，平均值為1 622 t km-2a-1；下游侵蝕較弱，侵蝕和沉積現(xiàn)象并存，侵蝕沉積速率介于-3 905～2 823 t km-2a-1之間，平均值為154 t km-2a-1。

土壤侵蝕速率在坡面的分布表現(xiàn)為坡中部＞坡上部＞坡下部，且三者之間差異顯著（p＜0.05）（圖4B）。坡中部侵蝕最為嚴(yán)重，侵蝕速率介于2 527～8 088 t km-2a-1之間，平均值為4 817 t km-2a-1；坡上部侵蝕相對(duì)較輕，侵蝕速率介于964～2 362 t km-2a-1之間，平均值為1 657 t km-2a-1；坡下部表現(xiàn)出明顯的沉積，侵蝕沉積速率介于-3 905～344 t km-2a-1之間，平均值為-1 433 t km-2a-1?？梢姡寥狼治g強(qiáng)度隨著坡長的增加，分布呈現(xiàn)弱—強(qiáng)—弱的變化趨勢，坡面上存在明顯的侵蝕強(qiáng)弱交替變化規(guī)律。

圖4 不同流域位置（A）和不同坡面部位（B）土壤侵蝕速率的分布Fig. 4 Distributions of soil erosion rate in the valley relative to location（A）and position on a slope（B）

2.4 土壤微生物生物量碳氮對(duì)侵蝕—沉積的響應(yīng)

將土壤微生物生物量碳和氮空間分布與土壤侵蝕—沉積的空間分布進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，流域尺度上，土壤微生物生物量碳和氮在侵蝕強(qiáng)度較大的流域上游含量較低，在侵蝕強(qiáng)度較小的流域中游含量居中，在主要表現(xiàn)為沉積的流域下游含量較高；坡面尺度上，土壤微生物生物量碳和氮在侵蝕強(qiáng)度較大的坡中部含量較低，在侵蝕強(qiáng)度較小的坡上部含量居中，在以沉積為主的坡下部含量較高。說明土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布對(duì)土壤微生物生物量的分布有重要影響。

分別將MBC、MBN、OM和TN與土壤侵蝕速率進(jìn)行回歸分析（圖5），發(fā)現(xiàn)MBC、MBN、OM和TN與土壤侵蝕速率之間均存在極顯著的線性關(guān)系（p＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.717 7、0.620 6、0.651 3和0.563 4。MBC、MBN、OM和TN含量隨土壤侵蝕強(qiáng)度的增大而減少。可見，土壤微生物生物量和養(yǎng)分含量與土壤侵蝕密切相關(guān)，坡耕地土壤侵蝕顯著影響土壤微生物生物量和養(yǎng)分含量。

圖5 土壤微生物生物量、有機(jī)質(zhì)和全氮與土壤侵蝕速率的關(guān)系Fig. 5 Relationships of soil microbial biomass carbon，microbial biomass nitrogen，organic matter and total nitrogen with soil erosion rate

分別將MBC和MBN與OM和TN進(jìn)行回歸分析（圖6），發(fā)現(xiàn)MBC和MBN與OM之間均存在極顯著的線性關(guān)系（p＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.713 9和0.552 0；MBC和MBN與TN之間也均存在極顯著的線性關(guān)系（p＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.744 4和0.601 5。MBC和MBN含量隨土壤養(yǎng)分含量的減少而減少，說明嚴(yán)重的土壤侵蝕通過影響土壤養(yǎng)分含量而影響土壤微生物生物量的含量。

3 討 論

3.1 土壤微生物生物量分布特征

不同地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中，影響土壤微生物生物量變化的主導(dǎo)環(huán)境因素存在差異，從而形成不同的土壤微生物生物量空間變化格局。本研究中MBC和MBN在流域和坡面尺度均呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，而胡嬋娟等［22］的研究中二者在黃土丘陵溝壑區(qū)坡面尺度上呈現(xiàn)出不一致的分布趨勢。流域不同位置和不同坡面部位的侵蝕環(huán)境存在差異，導(dǎo)致土壤微生物生物量在流域和坡面尺度上呈現(xiàn)出相應(yīng)的空間分布特征。本研究中MBC和MBN在流域尺度上的分布規(guī)律皆為下游＞中游＞上游，這與張孝存［23］和易祎［24］在東北黑土區(qū)的研究結(jié)果一致；MBC和MBN在坡面尺度上的分布規(guī)律皆為坡下部＞坡上部＞坡中部，這與張孝存［23］和易祎［24］的研究結(jié)果略有差異，但總體呈現(xiàn)坡下部含量較高，坡上部和坡中部含量較低的變化趨勢。不同研究區(qū)坡上部和坡中部土壤微生物生物量的分布存在差異，其原因可能與坡面土壤侵蝕—沉積分布特征有關(guān)。

圖6 土壤微生物生物量與有機(jī)質(zhì)和全氮的關(guān)系Fig. 6 Relationships of soil microbial biomass carbon，microbial biomass nitrogen with organic matter and total nitrogen

3.2 流域土壤侵蝕—沉積分布特征

本研究流域土壤侵蝕速率在流域尺度的分布特征為上游＞中游＞下游，在坡面尺度的分布特征為坡中部＞坡上部＞坡下部。這與安娟［15］和王禹等［25］利用137Cs示蹤法研究東北黑土區(qū)土壤侵蝕分布特征的結(jié)論相一致，在水力侵蝕作用下，侵蝕區(qū)土壤顆粒及其吸附的137Cs隨侵蝕泥沙遷移至流域下游和坡面下部，從而引起137Cs的再分布［26］，導(dǎo)致土壤中137Cs含量在流域侵蝕區(qū)較低，沉積區(qū)則較高。并與王彬［27］和楊維鴿［21］分別利用土壤可蝕性K值和土壤質(zhì)量綜合指數(shù)研究東北黑土區(qū)土壤質(zhì)量的結(jié)論相符，說明流域上游土壤侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤質(zhì)量較差，其中坡中部是土壤侵蝕發(fā)生最嚴(yán)重的部位，部分區(qū)域已出現(xiàn)“破皮黃”現(xiàn)象，土壤質(zhì)量最差。土壤侵蝕導(dǎo)致土壤質(zhì)量的退化勢必影響土壤養(yǎng)分和土壤微生物生物量的含量。因此，今后應(yīng)強(qiáng)化侵蝕退化土壤評(píng)價(jià)研究。

3.3 土壤微生物生物量與侵蝕—沉積的關(guān)系

OM和TN含量隨土壤侵蝕強(qiáng)度的增大而減少，其主要原因在于以碳、氮元素為主的OM以不同的形式存在于土壤中，細(xì)顆粒（＜0.002 mm）土壤中OM相對(duì)富集，土壤侵蝕導(dǎo)致耕地表層肥沃土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)流失，土壤養(yǎng)分通過徑流泥沙攜帶發(fā)生流失，造成土壤養(yǎng)分含量的減少。McCarty和Ritchie［28］與Papiemik等［29］研究證實(shí)，土壤及其養(yǎng)分具有從侵蝕區(qū)遷移至沉積區(qū)的趨勢。葛方龍等［30］研究表明，OM、TN等養(yǎng)分含量在不同坡位之間差異顯著，且均與137Cs面積濃度存在較好的線性關(guān)系。可見，坡面水流的剝蝕、搬運(yùn)和沉積過程顯著地改變了土壤養(yǎng)分在流域和坡面的分布狀況，使土壤養(yǎng)分產(chǎn)生明顯的空間變異，導(dǎo)致沉積區(qū)土壤養(yǎng)分含量明顯高于侵蝕區(qū)。

MBC和MBN含量隨土壤侵蝕強(qiáng)度的增大而減少，二者的分布與土壤侵蝕—沉積的空間分布特征截然相反，具體為：土壤微生物生物量在侵蝕強(qiáng)度較大的流域上游和坡中部含量較低，在侵蝕強(qiáng)度較小的流域中游和坡上部含量居中，在以沉積為主的流域下游和坡下部含量較高。由于本研究所選農(nóng)耕地的施肥水平與田間管理方式基本相同，因而，土壤微生物生物量碳和氮分布的差異主要與土壤養(yǎng)分在降雨侵蝕過程中的再分配有關(guān)。一方面，水力侵蝕使得侵蝕區(qū)表層土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，表層土壤團(tuán)聚體受到雨滴的擊濺及降雨徑流的沖刷作用而破碎，土壤細(xì)顆粒及輕質(zhì)有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分隨徑流遷移，導(dǎo)致侵蝕區(qū)土壤發(fā)生粗骨化過程，細(xì)顆粒的流失，使土壤持水能力和養(yǎng)分含量降低，土壤質(zhì)量變差［31-32］；另一方面，隨徑流遷移至流域下游和坡下部的土壤細(xì)顆粒及有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分促進(jìn)了沉積區(qū)土壤團(tuán)聚體的形成，使其具有較好的土壤結(jié)構(gòu)與較高的持水能力，導(dǎo)致沉積區(qū)土壤水分和養(yǎng)分含量較高，土壤質(zhì)量較好［32-34］。Zeller等［35］研究顯示，結(jié)構(gòu)良好、有機(jī)碳和水分含量較高的土壤能夠?yàn)槲⑸锘顒?dòng)提供優(yōu)良的生境，有利于土壤微生物的生長。因此，諸如流域上游、中游、坡上部和坡中部等侵蝕區(qū)土壤養(yǎng)分貧瘠，不利于微生物生長和繁殖，導(dǎo)致土壤微生物生物量含量減少；流域下游和坡下部等沉積區(qū)土壤養(yǎng)分富集，良好的土壤環(huán)境促進(jìn)了微生物的生長和繁殖，反過來，土壤微生物也會(huì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分的礦化和固持作用，改善土壤的結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況，使得沉積區(qū)土壤微生物生物量含量明顯高于其他部位。此外，本研究流域坡面上部和中部均屬侵蝕區(qū)，土壤受降雨侵蝕和徑流侵蝕影響，以侵蝕—搬運(yùn)過程為主，但是坡中部明顯土壤侵蝕強(qiáng)度較大，侵蝕較為嚴(yán)重。主要原因是坡中部坡度較大，平均坡度為5.0°。研究表明，坡度越大，雨滴落地的入射角越小，雨滴分散土壤顆粒的分力相應(yīng)增大，加上上方來水的匯集，徑流挾沙力強(qiáng)，水蝕作用加強(qiáng)［36］。坡中部侵蝕強(qiáng)度最大，勢必造成該部位土壤養(yǎng)分大量流失，土壤微生物生物量含量隨之減少，從而呈現(xiàn)坡下部＞坡上部＞坡中部的變化趨勢。

綜上所述，土壤侵蝕對(duì)土壤養(yǎng)分和微生物生物量含量的分布有重要影響，土壤侵蝕—搬運(yùn)—沉積過程導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分的遷移和再分布，從而影響了侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的土壤環(huán)境，進(jìn)而影響侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤微生物生物量的分布。王超華等［8］研究了黃土丘陵區(qū)侵蝕坡面MBC的分布特征，即為沉積區(qū)（坡腳）＞對(duì)照區(qū)（坡頂）＞侵蝕區(qū)（坡中）。Li等［37］通過對(duì)南方紅壤丘陵區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤沉積有利于提高土壤微生物生物量含量，土壤侵蝕則導(dǎo)致土壤微生物生物量含量減少。有關(guān)東北黑土區(qū)土壤侵蝕—沉積作用下土壤微生物生物量的變化及其機(jī)制卻所知甚少，因此，有必要加強(qiáng)這方面研究。

4 結(jié) 論

黑龍江省賓州河流域內(nèi)，土壤侵蝕—沉積作用顯著地改變了流域各位置和坡面各部位土壤微生物生物量含量的分布。流域不同位置和不同坡面部位土壤微生物生物量的分布存在明顯差異，并呈現(xiàn)出與土壤侵蝕—沉積空間分布相反的變化趨勢。土壤微生物生物量含量與土壤養(yǎng)分含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且二者皆與土壤侵蝕速率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤侵蝕—沉積導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分的遷移和再分布，繼而影響土壤微生物生物量的分布，其對(duì)土壤微生物生物量碳和氮的具體影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：盧 萍）

Responses of Microbial Biomass Carbon and Nitrogen to Erosion and Deposition in Black Soil Thin in Depth

FENG Zhizhen1ZHENG Fenli1，2?YI Yi3
（1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A amp; F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（2 Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences amp; Ministry of Water Resources，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（3 College of Natural Resources and Environment，Northwest A amp; F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）

【Objective】Soil erosion is a serious problem，causing soil and nutrient losses and altering physical，chemical and biological properties of the soil. Numerous reports have been published on effects of soil erosion on soil physicochemical properties. However，little has been done on quantitative analysis of how soil erosion and deposition affect soil microbial biomass in the black soil region of China. Soil microbial biomass is a sensitive indicator of changes in the environment，compared with soil organic matter. The study on impacts of soil erosion and deposition on soil microbial biomass is expected to be able to provide certain important basis for scientific evaluation of the environmental effects of soil erosion. Therefore，the study was oriented to investigate response of soil microbial biomass carbon and nitrogen to soil erosion and deposition，by analyzing soil microbial biomass carbon，microbial biomass nitrogen and erosion rate of the soils at different locations（the upper stream，middle stream and downstream reaches）in the valley and different positions（the upper，middle，and lower slope position）on a slope.【Method】The Binzhou River Valley，a typical region of black soil thin in soil layer in Northeast China，was taken as the research area. Contents of microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen in the soils of the sampling sites different in slope position and location in the valley were measured using the chloroform fumigation extraction method and erosion rates of the soils estimated using the137Cs tracer method.【Result】Results show significant differences exist between the soils in spatial distribution of soil microbial biomass，and negative relationships of the spatial distributions of soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen with that of soil erosion and deposition. On the watershed scale，soil erosion rate declined drastically from the upper stream down to the middle stream and the lower stream，while both soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen exhibited a reverse trend，being significantly higher in the downstream than in the upper stream and middle stream. The content of soil microbial biomass carbon was 26.9% and 17.4%lower，respectively，in the upper stream and the middle stream than in the downstream，and the content of soil microbial biomass nitrogen 22.9% and 18.1% lower. On the slope scale，soil erosion rate descended significantly from the middle slope position to the upper slope position and to the lower slope position；but both soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen acted reversely，too，beingsignificantly higher at the lower slope than at the middle slope. The content of soil microbial biomass carbon was 13.8%and 20.2%，respectively，lower at the upper slope and the middle slope than at the lower slope，and the content of soil microbial biomass nitrogen 10.0% and 19.5% lower. Regression analysis shows that the contents of soil microbial biomass and nutrient decreased linearly with increasing soil erosion rate. Microbial biomass carbon，microbial biomass nitrogen，organic matter and total nitrogen in the soil were negatively related with soil erosion rate at an extremely significant level（p＜0.01），respectively.【Conclusion】Obviously soil erosion has some profound impacts on spatial distributions of the microbial biomasscarbon and microbial biomass nitrogen in the soil. The removal and redistribution of soil nutrients caused by the processes of soil erosion and deposition is the main reason why spatial distribution of soil microbial biomass differ between erosion and deposition areas.

Soil erosion and deposition；Soil erosion rate；Microbial biomass carbon；Microbial biomass nitrogen；Black soil thin in soil layer

S157

A

10.11766/trxb201703080015

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571263）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41571263）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：flzh@ms.iswc.ac.cn

馮志珍（1986—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士研究生，主要從事土壤侵蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響評(píng)價(jià)研究。E-mail：fzz870508@126.com

2017-03-08；

2017-06-11；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-08-17