1、1 薄层黑土 微生物生物量 碳和氮对 土壤侵蚀 沉积的响应 冯志珍 1 郑粉莉 1,2 易祎 3 （ 1 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100） （ 2 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100） （ 3 西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100） 摘 要 研究土壤侵蚀 沉积对土壤 微生物 生物 量的影响可以为科学评估土壤侵蚀的环境效应提供依据。 以典型 薄层黑土区 黑龙江省宾州河流域为研究区，利用土壤 137Cs 含量估算侵蚀速率，通过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
2、蚀强度的差异，揭示土壤微生物 生物 量对 土壤 侵蚀 沉积的响应规律。结果表明：流域不同位置和不同坡面部位土壤微生物 生物 量的分布存在明显差异，并呈现出与土壤侵蚀 沉积空间分布相反的变化趋势 。 土壤侵蚀速率 在流域的分布 为上游 中游 下游， 在坡面的分布 为 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)在流域表现 为下游 中游 上游 ， 在坡面表现 为坡下部 坡上部 坡中部。回归分析表明， MBC、 MBN、 有机质 (Soil
3、organic matter, SOM)和全氮 (Total nitrogen, TN)含量随土壤侵蚀强度的增大 而减少。 土壤侵蚀对土壤微生物 生物 量的分布有重 要影响，土壤侵蚀 沉积过程引起土壤养分的迁移和再分布是导致侵蚀区和沉积区土壤微生物 生物 量分布产生差异的重要原因。 关键词 土壤侵蚀 沉积；土壤侵蚀速率； 微生物 生物 量碳 ； 微生物 生物 量氮； 薄层黑土 中图分类号 S157 文献标识码 A 东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，由于过度开垦和自然因素等共同影响，土壤侵蚀日益严重 1。区内现有水土流失面积 27.59104 km2，占黑土区总面积的 27%2，其中水蚀面积
4、 18.27104 km2，占黑土区总面积的 18%， 坡耕地黑土层厚度每年以 0.3 1 cm 的速度递减 3。土壤侵蚀使得土壤的表土层随径流流走，土壤中的营养物质大量流失，造成土壤物理化学性质改变，从而导致土壤质量下降 、土地退化以及生产力急剧下降 ， 据统计 资料显示 ，黑土区每年由于水土流失 造成 粮食减产高达 14108 kg4。 土壤微生物作为土壤有机质和养分转化和循环的动力，在土壤生态系统的能量流动和养分转化过程 中起着重要作用 5。土壤 微生物 生物 量对环境变化具有较高的敏感性和响应性，被认为是比土壤有机质更灵敏的环境变化指示因子 6。研究表明， 土壤微生物 生物 量可以表征
5、土壤质量的优劣和土壤侵蚀速率的高低，其空间分布可以反映土壤侵蚀的程度 7-8。因此，研究土壤微生物 生物 量与土壤侵蚀 沉积 的关系具有重要意义。目前，关 于 土壤侵蚀对土壤理化性质的影响已有大量报道9-10， 但 定量地分析土壤侵蚀对土壤微生物 生物 量影响 的 研究 较少 ， Hu 等 11-12针 对 黄土丘陵沟壑区开展 了相关 研究 ， 有关东北黑土区这方面 的 研究 更是 鲜见报道 。 本文 以典型薄层黑土区 黑龙江省 宾县 宾州河流域为研究区， 利用 137Cs 示踪技术，通过土壤侵蚀速率 表征 侵蚀程度， 研 究 薄层 黑土 微生物 生物 量 碳 和 氮 对 土壤 侵蚀 沉积 的
6、 响应 ， 以期为科学评估土壤侵蚀的环境效应提供依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况 黑龙江省哈尔滨市宾县宾州河流域 (1272604 1273202E， 454313 455137N)(图 1)位于松嫩平原东部边缘 ，属于 松花江一级支流 3。 该 流域面积为 375 km2，其中 农用面积占 60%左右。流域内 海拔 在 160220 m 之间，地貌特征以漫岗丘陵地形为主，地势较为平缓，耕地坡度变化于 1 国家自然科学基金项目（ 41571263）资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China （ No
7、. 41571263） 通讯作者， E-mail: 作者简介： 冯志珍（ 1986-），女，内蒙古呼和浩特人，博士研究生，主要从事土壤侵蚀对土壤质量的影响评价研究。E-mail: 收稿日期： 2017 年 1 月 14 日； 收到修改稿日期： 2017 年 3 月 8 日 2 7，坡长可达数百米，最长达数千米。 气候类型 属于中温带大陆性季风气候，多年平均气温 3.9 ，多年平均降水量 548.5 mm，其中 6 9 月的降雨量约占全年降水量的 80%，无霜期约 148 d。 宾州河流域 内 土壤类型 以黑土为主 ， 占流域面积的 60%以上 ， 其中 薄层黑土分布区占 流域面积的 40%
8、以上 ， 属典型的薄层 黑 土区 13。 结合农 用 和 薄层 黑土分布面积，用于本研究采集坡面样品的面积约占流域总面积的 30%。 土壤质 地为粉壤土， 其 颗粒组成为 (美国农业部制 )： 砂粒 (2 0.05 mm)含量为 5.82%， 粉粒 (0.05 0.002 mm)含量为 55.3%， 粘粒 (中游 上游，二者在流域下游均显著高于上游和中游，上游与中游之间差异不显著(p坡上部 坡中部，二者在坡下部均显著高于坡中部，坡上部与 坡中部和坡下部之间差异不显著 (p中游 下游，且三者之间差异显著(p坡上部 坡下部，且三者之间差异显著 (p中游 上游 ，这 与张孝存 等 23和易祎 等 2
9、4在 东北黑土区 的 研究结果一致 ； MBC 和 MBN 在坡面 尺度 上 的分布 规律 皆为坡下部 坡上部 坡中 部 ， 这 与张孝存 等 23和易祎 等 24的 研究结果 略有差异， 但 总体呈现坡下部含量较高，坡上部和坡中部含量较低的变化趋势。不同研究区坡上部和坡中部土壤微生物 生物量的分布存在差异，其原因可能与 坡面 土壤侵蚀 沉积分布 特征有关 。 3.2 流域土壤侵蚀 沉积分布 特征 本 研究流域 土壤侵蚀速率在流域 尺度的 分布 特征 为上游 中游 下游，在坡面 尺度 的分布 特征 为坡中部 坡上部 坡下部。 这与安娟 等 15和王禹等 25利用 137Cs 示踪法研究东北黑土
10、区 土壤侵蚀分布特征 的结论 相 一致， 在水 力侵蚀作用下，侵蚀区土壤颗粒及其吸附的 137Cs 随 侵蚀泥沙 迁移至流域下 游 和坡 面 下部，从而引起 137Cs 的再分布 26， 导致 土壤 中 137Cs 含量 在 流域侵蚀区较低，沉积区则 较高 。 并 与王彬 等 27和杨维鸽 等 21分别 利用土壤可蚀性 K 值 和 土壤 质量 综合指数研究东北黑土区土壤质量的结论相符 ， 说明流域上游 土壤 侵蚀 严重 ， 导致 土壤质量 较差 ，其中 坡中部 是 土壤侵蚀y = 4.4385x + 109.64 r = 0.7139* 05010015020025030035010 20 3
11、0 40 50微生物生物量碳Microbialbiomasscarbon (mgkg-1 )有机质 Organic matter (g kg-1) y = 0.181x + 8.0264 r = 0.5520* 051015202510 20 30 40 50微生物生物量氮Microbialbiomassnitrogen (mgkg-1 )有机质 Organic matter (g kg-1) y = 155.56x + 22.014 r= 0.7444* 0501001502002503003500.5 1.0 1.5 2.0 2.5微生物生物量碳Microbialbiomasscarbon
12、 (mgkg-1 )全氮 Total nitrogen (g kg-1) y = 6.6284x + 4.0846 r = 0.6015* 05101520250.5 1.0 1.5 2.0 2.5微生物生物量氮Microbialbiomassnitrogen (mgkg-1 )全氮 Total nitrogen (g kg-1) 8 发生最严重的部位，部分区域已出现“破皮黄”现象 ，土壤质量 最 差。 土壤侵蚀导致 土壤质量的 退化 势必影响土壤养分和土壤微生物 生物 量 的 含量 。 因 此，今后应强化侵蚀退化土壤评价研究。 3.3 土壤微生物 生物 量与侵蚀 沉积的关系 SOM 和 TN
13、 含量随土壤侵蚀强度的增大而减少 ，其 主要原因在于以碳、氮元素为主的 SOM 以不同的形式存在于土壤中， 细颗粒 (坡上部 坡中部的变化趋势。 综上所述 ，土壤侵蚀对土壤养分和微生物 生物 量含量的分布有重要影响，土壤侵蚀 搬运 沉积过程导致了土壤养分的迁移和再分布，从而影响了侵蚀区和沉积区的土壤环境，进而影响侵蚀区和沉积区土壤微生物 生物 量的分布。 王超华等 8研究了 黄土丘陵区侵蚀坡面 MBC 的分布特征 ， 即为 沉积区 (坡脚 )对照区 (坡顶 )侵蚀区 (坡中 )。 Li 等 37通过对 南方红壤丘陵区 的研究发现， 土壤沉积有利于提高土壤微生物 生物 量含量，土壤侵蚀则导致土壤
14、微生物 生物 量含量减少。 有关 东北黑土区土壤侵蚀 沉积作用下土壤微生物 生物 量的变化及其机制 却 所知甚少，因此， 有必要加强 这方面研究。 4 结 论 黑龙江省宾州河流域内，土壤侵蚀 沉积作用显著地改变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 量的分布存在明显差异，并 呈现出与土壤侵蚀 沉积空间分布相反的变化趋势。 土壤微生物生物量 含量 与土壤养分 含量 呈极显著正相关关系， 且二者 皆与土壤侵蚀速率呈极显著负相关关系。 土 壤侵蚀 沉积 导致了土壤养分的迁移和再分布 ，继而影响 土壤微生物 生物 量的分布， 其 对土壤微生物
15、 生物 量碳和氮 的 具体 影响机理有待进一步研究。 参 考 文 献 1 Fang H J, Yang X M, Zhang X P, et al. Using 137Cs tracer technique to evaluate erosion and deposition of black soil in 9 Northeast China. Pedosphere, 2006, 16(2): 201-209 2 范昊明 , 蔡强国 , 王红闪中国东北黑土区土壤侵蚀环境 . 水土保持学报 , 2004, 18(2): 66-70 Fan H M, Cai Q G, Wang H S. Con
16、dition of soil erosion in phaeozem region of Northeast China (In Chinese). Journal of Soil and Water Conservation, 2004, 18(2): 66-70 3 水利部 , 中国科学院 , 中国工程院 . 中国水土流失与生态安全 : 东北黑土卷 . 北京 : 科学出版社 , 2010: 77, 148 Ministry of Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Engineering. Chi
17、nese soil erosion and ecological security: Northeast black soil volume (In Chinese). Beijing: Science Press, 2010: 77, 148 4 崔明 , 蔡强国 , 范昊明 . 东北黑土区土壤侵蚀研究进展 . 水土保持研究 , 2007, 14(5): 29-34 Cui M, Cai Q G, Fan H M. Research progress on the soil erosion in black soil region of Northeast China (In Chinese
18、). Research of soil and water conservation, 2007, 14(5): 29-34 5 Harris J A, Birch P. Soil microbial activity in opencast coal mine restoration. Soil Use and Management, 1989, 5(4): 155-160 6 Zhao X, Wang Q, Kakubari Y. Stand-scale spatial patterns of soil microbial biomass in natural cold-temperate
19、 beech forests along an elevation gradient. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(7): 1466-1474 7 Pankhurst C E, Lynch J M. The role of soil microbiology in sustainable intensive agriculture. Advances in Plant Pathology, 1995, 11: 229-247 8 王超华 , 许明祥 , 冉宜凡 , 等 . 黄土丘陵区不同有机碳水平侵蚀坡面土壤微生物量碳的分布特征 . 环境科学
20、学报 , 2015, 35(10): 3284-3291 Wang C H, Xu M X, Ran Y F, et al. Distribution of soil microbial biomass on eroded sloping land with different organic carbon contents in the hilly loess plateau region (In Chinese). Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(10): 3284-3291 9 Yang W G, Han Y, Zheng F L, et
21、al. Investigating spatial distribution of soil quality index and its impacts on corn yield in a cultivated catchment of the Chinese Mollisol Region. Soil Science Society of America Journal. 2016, 88: 317-327 10 Lu J, Zheng F L, Li G F, et al. The effects of raindrop impact and runoff detachment on h
22、illslope soil erosion and soil aggregate loss in the Mollisol region of Northeast China. Soil Tillage Research, 2016, 161: 79-85 11 Hu C J, Fu B J, Liu G H, et al. Vegetation patterns influence on soil microbial biomass and functional diversity in a hilly area of the Loess Plateau, China. J Soils Se
23、diments. 2010, 10: 1082-1091 12 胡婵娟 , 刘国华 , 郭雷 , 等 . 土壤侵蚀对土壤理化性质及土壤微生物的影响 . 干旱区研究 , 2014, 31(4): 702-708 Hu C J, Liu G H, Guo L, et al. Effects of soil erosion on soil physicochemical properties and soil microorganisms (In Chinese). Arid Zone Research, 2014, 31(4): 702-708 13 王彬 , 郑粉莉 , 王玉玺 . 东北典型薄层
24、黑土区土壤可蚀性模型适用性分析 . 农业工程学报 , 2012, 28(6): 126-131 Wang B, Zheng F L, Wang Y X. Adaptability analysis on soil erodibility models in typical thin layer black soil area of Northeast China (In Chinese). Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(6): 126-131 14 Zhang Y G, Wu
25、Y Q, Liu, B Y, et al. Characteristics and factors controlling the development of ephemeral gullies in cultivated catchments of black soil region Northeast China. Soil Tillage Research, 2007, 96: 28-41 15 安娟 . 东北黑土区土壤侵蚀过程机理和土壤养分迁移研究 . 陕西杨凌 : 中国科学院水利部水土保持研究所 , 2012 An J. Processes and mechanisms of so
26、il erosion and nutrient transportation in the black soil region of Northeast China (In Chinese). Yangling, Shaanxi: Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 2012 16 吴金水 , 林启美 , 黄巧云 . 土壤微生物生物量测定方法及其应用 . 北京 : 气象出版社 , 2006 Wu J S, Lin Q M, H
27、uang Q Y. Soil Microbial Biomass-Methods and Application (In Chinese). Beijing: China Meteorological Press, 2006 17 Brookes P C, Landman A, Pruden G, et al. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen, a rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Bi
28、ology and Biochemistry, 1985, 17: 837-842 18 鲁如坤 . 土壤农业化学分析方法 . 北京 : 中国农业科技出版社 , 2000 Lu R K. Analytical methods for soil and agro-chemistry (In Chinese). Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000 19 李勇 , 耿肖臣 . 样品厚度对实验室无源效率刻度技术测定 137Cs 和 210Pb 的影响 . 原子能科学技术 , 2010, 44(1): 80-83
29、Li Yong, Geng X C. Effect of sample thickness on determination of 137Cs and 210Pb using LabSOCS (In Chinese). Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(1): 80-83 20 张信宝 , 文安邦 . 黄土峁坡农地侵蚀与坡长的关系 . 中国水土保持 , 1998, 1: 17-25 Zhang X B, Wen A B. Relation between erosion of slope farmland of loess mound
30、 and slope length (In Chinese). Soil and Water Conservation in China, 1998, 1: 17-25 21 杨维鸽 . 典型黑土区土壤侵蚀对土壤质量和玉米产量的影响研究 . 陕西杨凌 : 中国科学院水利部水土保持研究所 , 2016 Yang W G. Investigating the impacts of soil erosion on soil quality and corn yield in the typical black soil region (In Chinese). Yangling, Shaanxi:
31、Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 2016 22 胡婵娟 , 傅伯杰 , 刘国华 , 等 . 黄土丘陵沟壑区坡面尺度上微生物的空间分布规律 . 水土保持学报 , 2009, 23(3): 148-152 Hu C J, Fu B J, Liu G H, et al. Distribution of soil microbe on hill slope scale on the hilly area of the Loess
32、Plateau (In Chinese). Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(3): 148-152 10 23 张孝存 . 东北典型黑土区流域侵蚀 沉积对土壤质量的影响 . 陕西 : 陕西师范大学 , 2013 Zhang X C. Effects of soil erosion-deposition on soil quality in the typical black soil area of Northeast China (In Chinese). Shaanxi: Shaanxi Normal University,
33、 2013 24 易祎 . 东北黑土区典型流域农耕地土壤微生物指标的空间变化特征研究 . 陕西杨凌 : 西北农林科技大学 , 2013 Yi Y. A study on the spatial distribution of soil microbial indicators at the typical watershed of black soil region (In Chinese). Yangling, Shaanxi: Northwest A & F University, 2013 25 Gaspar L, Navas A, Walling D E, et al. Using 1
34、37Cs and 210Pbex to assess soil redistribution on slope at different temporal scales. Catena, 2013, 102(1): 46-54 26 王禹 , 杨明义 , 刘普灵 . 典型黑土直型坡耕地土壤侵蚀强度的小波分析 . 核农学报 , 2010, 24(1): 98-103 Wang Y, Yang M Y, Liu P L. The wavelet analysis on the soil erosion intensity in the black soil straight cultivated
35、slope (In Chinese). Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2010, 24(1): 98-103 27 王彬 . 东北典型薄层黑土区土壤可蚀性关键因子分析与土壤可蚀性计算 . 陕西杨凌 : 西北农林科技大学 , 2009 Wang B. Key factors and calculation of soil erodibility in the typical eroded black soil area of Northeast China (In Chinese). Yangling, Shaanxi: Northwest
36、A & F University, 2009 28 McCarty G W, Ritchie J C. Impact of soil movement on carbon sequestration in agricultural ecosystems. Environmental pollution, 2002, 116(3): 423-430 29 Papiemik S K, Lindstrom M J, Schumacher J A, et al. Variation in soil properties and crop yield across an eroded prairie l
37、andscape. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 60(6): 388-395 30 葛方龙 , 张建辉 , 苏正安 , 等 . 坡耕地紫色土养分空间变异对土壤侵蚀的响应 . 生态学报 , 2007, 27(2): 459-464 Ge F L, Zhang J H, Su Z A, et al. Response of change in soil nutrients to soil erosion on a purple soil of cultivated slope land (In Chinese). Acta Ecolo
38、gica Sinica, 2007, 27(2): 459-464 31 Ma W, Li Z, Ding K, et al. Effect of soil erosion on dissolved organic carbon redistribution in subtropical red soil under rainfall simulation. Geomorphology, 2014, 226: 217-225 32 Wang X, Cammeraat E L H, Cerli C, et al. Soil aggregation and the stabilization of
39、 organic carbon as affected by erosion and deposition. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 72: 55-65 33 肖海兵 , 李忠武 , 聂小东 , 等 . 南方红壤丘陵区土壤侵蚀 -沉积作用对土壤酶活性的影响 . 土壤学报 , 2016, 53(4): 881-890 Xiao H B, Li Z W, Nie X D, et al. Effects of soil erosion and deposition on soil enzyme activity in the hilly red so
40、il region of southern China (In Chinese). Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(4): 881-890 34 Khalil-Rad M, Nourbakhsh F, Jalalian A, et al. The effects of slope position on soil biological properties in an eroded toposequence. Arid Land Research and Management, 2011, 25(3): 308-312 35 Zeller V, Bardget
41、t R D, Tappeiner U. Site and management effects on soil microbial properties of subalpine meadows: a study of land abandonment along a north-south gradient in the European Alps. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33(4/5): 639-649 36 阎百兴 , 汤洁 . 黑土侵蚀速率及其对土壤质量的影响 . 地理研究 , 2005, 24(4): 499-506 Yan B X
42、, Tang J. Study on black soil erosion rate and the transformation of soil quality influenced by erosion (In Chinese). Geographical Research, 2005, 24(4): 499-506 37 Li Z W, Xiao H B, Tang Z H, et al. Microbial responses to erosion-induced soil physico-chemical property changes in the hilly red soil region of southern China. European Journal of Soil Biology, 2015, 71:37-44
