东北黑土区作为我国重要的粮食生产基地，其日益严峻的水土流失问题备受关注。土壤团聚体的稳定性与水土流失紧密相关，是表征土壤抗侵蚀能力的重要指标之一^[1-3]。土壤团聚体稳定性受土壤有机质、土壤微生物、耕作和土地利用方式^[4-5]等多方面因素影响。传统土壤团聚体稳定性研究方法由于操作便捷而被广泛使用，但在湿润方式、扰动方式和初始团聚体大小等因素的影响下，其结果难以对土壤团聚体的破坏机制进行比较和区分^[6]。Le Bissonnais^[7]基于土壤团聚体的主要破碎机制，提出可区分不同破碎机制下土壤团聚体稳定性的测定方法(LB法)，包括快速湿润(fast wetting, FW)、慢速湿润(slow wetting, SW)和机械振荡(stirring, ST)3种处理方式。目前应用LB法对黑土区土壤团聚体稳定性研究已取得一定成果，但较多针对土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性的整体评价^[8-10]；关于黑土区表层土壤(0~1 cm)与亚表层土壤(1~10 cm)团聚体稳定性差异及结构特征的研究较少。

土壤表层性质对土壤侵蚀的发生具有明显影响^[11]。目前研究多针对0~20 cm土壤团聚体稳定性的平均状态进行分析^[12-14]。部分学者对结皮和亚表层土壤的团聚体稳定性进行研究，发现结皮层土壤团聚体稳定性显著高于亚表层^[15]，也有部分学者得出两者间无明显差异的结论^[16]。现有研究多关注土壤结皮发育的影响，而典型黑土区雨季前地表作物基本进入拔节期，雨滴击溅作用相对较弱，垄沟和垄上表层土壤较难发育形成明显的物理性结皮。雨季前表层土壤的抗侵蚀性能对后期集中的水力侵蚀过程具有较大影响，而针对此阶段坡耕地土壤表层与亚表层团聚体稳定性差异的研究鲜见报道。

笔者以典型黑土区坡耕地土壤为研究对象，基于大样带采样和LB法对坡耕地表层和亚表层土壤的团聚体稳定性进行测定和分析，以期明确黑土农耕地土壤表层与亚表层团聚体稳定性差异，为黑土区坡耕地水土流失防治提供一定的理论支持。

笔者依黏粒含量梯度在典型黑土区设置研究样带(图 1)，选取海伦、克山、九三、宾县4个地区的共6个典型坡面进行采样，土壤类型以黑土为主。研究区土壤开垦年限约50~80 a，平均黑土层厚度30~80 cm，耕层土壤密度1.0~1.2 g/cm³，含水率18%~35%，土壤有机质质量分数(soil organic matter, SOM)20~60 g/kg。研究区位于漫岗丘陵区，地势平缓，平均坡度3°~5°，平均坡长一般可达数百米^[17]。耕层深度约20 cm，以玉米、大豆等粮食作物为主，每年3~7月依次进行苗床、播种、中耕等农事活动。研究区年平均气温3.9 ℃，年均降雨量580 mm，且集中分布在6—9月，约占年降水量的80%。

图 1(Fig. 1)

图 1 采样点位置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of sampling sites

本研究选取的6个典型农耕地坡面(海伦农场S1、克山农场S2、克山试验站S3、九三农场S4、宾县S5和滨州河S6)均采用玉米、大豆轮作的等高耕作种植方式。采样时在各典型坡面随机选取3条垄，并随机设置3处1 m×1 m样方进行土壤样品采集。在每个采样点垄沟和垄上分别采集表层(0~1 cm)和亚表层(1~10 cm)土壤各约200 g，共采集土壤样品72份。研究区降雨数据表明，各采样点自最近一次翻耕至采样前均经历2~4次侵蚀性降雨(>11.6 mm/h)^[18]，且前期地表条件和耕作情况基本一致。

将样品带回实验室风干后剔除石砾、根系等杂质后，沿自然节理将土壤团粒轻轻掰开，筛分出3~5 mm土壤团聚体以备测定。进行电镜扫描(scanning electron microscope, SEM)前，为避免土壤团聚体因表面颗粒的剥离形成伪孔隙，用锋利的刀片将土壤团聚体切断成两半，使其暴露光滑表面后固定在样品台上用金属镀膜法对表面做导电处理，以备孔隙扫描实验使用。土壤团聚体稳定性测定前将待测样品在40 ℃烘箱中干燥24 h，以保证前期含水量一致。

土壤有机质质量分数(SOM)采用重铬酸钾稀释热法测定；阳离子交换量(cation exchange capacity, CEC)采用乙酸铵交换法测定；土壤机械组成采用密度计法进行测定；土壤pH值采用电位法测定(土水比1:2.5)；土壤团聚体切片电镜扫描(SEM)采用日立S-3400N Ⅱ扫描电镜显微镜扫描。土壤基本理化性质信息见表 2。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤团聚体稳定性分级 Tab. 1 Levels of soil aggregate stability 级别 Level 平均质量直径 Mean weight diameter/mm 团聚体稳定性 Aggregate stability Ⅰ 0~0.4 非常不稳定Very unstable Ⅱ ≥0.4~0.8 不稳定Unstable Ⅲ ≥0.8~1.4 中度稳定Moderately stable Ⅳ ≥1.4~2.0 稳定Stable Ⅴ >2.0 非常稳定Very stable

表 1 土壤团聚体稳定性分级 Tab. 1 Levels of soil aggregate stability

表 2(Tab. 2)

表 2 土壤基本理化性质 Tab. 2 Basic soil properties of soil samples 采样点 Sampling site 位置 Sampling position 土层 Soil layer 土壤有机质 SOM/(g·kg-1) 阳离子交换量 CEC/(cmol·kg-1) SEM面积孔隙率 SEM porosity/% 土壤机械组成 Soil mechanical composition/% pH 黏粒Clay 粉粒Silt 砂粒Sand S1 垄上Ridge 表层Surface 33.9 bA 32.3 aA 23.0 aA 20.0 48.6 31.4 6.0 亚表层Sub-surface 49.1 aB 28.0 bA 14.5 bB 垄沟Ditch 表层Surface 28.4 bB 30.2 aA 22.7 aA 亚表层Sub-surface 52.7 aB 30.2 aA 19.4 aA S2 垄上Ridge 表层Surface 38.8 bA 37.8 aA 14.3 aA 15.6 60.5 23.9 5.9 亚表层Sub-surface 48.0 aA 33.4 bA 7.4 bA 垄沟Ditch 表层Surface 41.5 bA 37.9 aA 12.8 aA 亚表层Sub-surface 45.3 aA 36.7 aA 8.8 bA S3 垄上Ridge 表层Surface 37.1 bB 44.2 aA 11.2 aA 17.5 58.7 23.8 6.0 亚表层Sub-surface 45.1 aB 36.5 bA 10.1 aA 垄沟Ditch 表层Surface 43.5 bA 37.3 aB 12.7 aA 亚表层Sub-surface 50.2 aA 26.9 bB 8.8 bA S4 垄上Ridge 表层Surface 23.8 bB 24.8 aA 17.3 aA 19.1 54 26.9 5.5 亚表层Sub-surface 34.7 aA 24.4 aA 12.2 bA 垄沟Ditch 表层Surface 30.2 aA 26.8 aA 14.5 aB 亚表层Sub-surface 30.3 aA 26.4 aA 11.6 aA S5 垄上Ridge 表层Surface 20.4 bB 25.8 aA 20.0 aA 19 47.6 33.4 5.4 亚表层Sub-surface 29.9 aB 22.9 aA 16.8 aA 垄沟Ditch 表层Surface 26.5 bA 23.8 aA 18.8 aA 亚表层Sub-surface 40.4 aA 22.7 aA 16.3 aA S6 垄上Ridge 表层Surface 20.1 bB 23.9 aA 21.0 aA 17.9 46.5 35.6 5.5 亚表层Sub-surface 32.2 aA 23.6 aA 17.44 aA 垄沟Ditch 表层Surface 25.5 bA 21.1 aA 19.95 aA 亚表层Sub-surface 31.5 aA 19.8 aA 17.59 aA 注：不同小写字母表示同一部位不同土层各性质差异性；不同大写字母表示不同部位同一土层各性质差异性，P＜0.05。Notes: Different lowercase letters indicate the significant differences in properties of different soil layers in the same part; and different capital letters indicate the significant differences in properties of the same soil layers in different parts, P＜0.05.

表 2 土壤基本理化性质 Tab. 2 Basic soil properties of soil samples

团聚体稳定性采用LB法进行测定^[7]，分别测定3~5 mm土壤团聚体在3种不同处理方式下的水稳定性：1)快速湿润(FW)，主要模拟土壤团聚体经快速湿润(如东北雨季时期的暴雨或干旱期的灌溉)，团聚体内闭蓄气体受到“气爆”作用破碎，即消散作用；2)慢速湿润(SW)，主要模拟连绵阴雨情况下土壤团聚体缓慢吸水湿润引起的黏粒膨胀破坏作用；3)机械扰动(ST)，主要模拟土壤团聚体受雨滴打击和径流冲刷等机械外力所造成的破坏作用。每个样品在各处理下进行3个平行处理。

采用土壤团聚体平均质量直径(mean weight diameter, MWD)、团聚体粒径分布(aggregate size distribution, ASD)和SEM土壤团聚体面积孔隙率表示土壤团聚体稳定性。

式中：MWD为土壤团聚体平均质量直径，mm；x_i为筛分某一粒级的2个土壤筛孔径的平均直径，mm；w_i指筛分出某一粒级的质量占所取土壤样品质量的比例，%；MWD_FW、MWD_SW和MWD_ST分别为FW、SW、ST处理下的土壤团聚体MWD，mm。参照土壤团聚体稳定性分级标准^[6]划分团聚体稳定性等级(表 1)。电镜扫描(SEM)结果(图 2)采用Photoshop软件转换为黑白二元图像后，通过孔隙阈值调试(80~120)，获取最佳平均阈值(误差 < 1%)；随后，使用Image-pro plus软件进行土壤团聚体孔隙比例(%)测算。土壤团聚体面积孔隙率计算式^[19]如下：

图 2(Fig. 2)

X行为SEM扫描图；Y行为对应的孔隙提取图。 X rows are SEM scans; Y rows are corresponding pore extraction pictures. 图 2 SEM下团聚体孔隙提取 Fig. 2 Aggregate pore extraction under SEM image

式中：n为团聚体面积孔隙率，%；S为团聚体横切面面积，cm²；S_a为横切面中孔隙的面积，cm²。

采用SPSS 25和Excel 2016完成数据分析和整理。采用单因素方差分析与LSD对数据进行差异性检验(P < 0.05)。

各典型坡面土壤质地均为壤土，黏粒质量分数15.6%~20%(表 2)；pH 5.4~6.0，呈弱酸性；CEC变化于19.8~44.2 cmol/kg之间，整体呈表层土壤略高于亚表层土壤的趋势。土壤团聚体SEM面积孔隙率结果表明，土壤表层团聚体孔隙率整体略高于亚表层，但未表现出显著差异。土壤SOM变化于20.1~52.7 g/kg之间，整体呈表层显著低于亚表层的现象。其中，表层SOM平均值为31.48 g/kg，变异系数27.89%；亚表层SOM平均值为40.78 g/kg，变异系数21.12%。干湿交替作用将显著减少土壤有机碳矿化量^[20]，且采样前表层土壤受风蚀、降雨径流冲刷和干湿交替作用影响，造成表层土壤团聚体SOM低于亚表层^[21-22]。

各样点表层土壤团聚体MWD均小于下层土壤团聚体MWD，且整体表现为MWD_FW<MWD_SW<MWD_ST。该发现与王彬^[8]、张孝存等^[9]在典型黑土区所得结论一致，但受土壤质地的影响导致本研究与Algayer等^[15]、郭曼等^[23]、曾全超等^[24]在黄土高原地区得到的MWD_FW<MWD_ST<MWD_SW结论不同。黄土和黑土胶体矿物性质对土壤团聚体破碎机制具有明显影响。黑土以水云母类蒙脱石矿物为主^[8]，极易在SW处理下吸水膨胀破坏；而黄土多以胀缩性较弱的高岭石矿物为主，吸水膨胀破坏作用微弱。本研究中最小土壤团聚体MWD为FW处理下S1的垄沟表层(0.17 mm)；而最大值出现在ST处理下S4的垄上亚表层土壤团聚体(1.40 mm)(图 3)。依据土壤团聚体稳定性分级标准(表 1)，亚表层土壤团聚体稳定性等级较表层整体高一级别。

图 3(Fig. 3)

不同小写字母表示同一地点不同处理方式间团聚体稳定性差异；不同大写字母表示不同地点相同处理方式下团聚体稳定性差异(P < 0.05)。 Different lowercase letters indicate significant difference of aggregate stability among different treatments at the same sampling site; different capital letters indicate significant difference of aggregate stability among different sampling sites for the same treatment (P < 0.05). 图 3 不同部位土壤团聚体MWD Fig. 3 Soil aggregate MWD in different parts

3种破碎机制下垄上、垄沟表层与亚表层土壤团聚体的水稳定性与Darboux等^[16]在模拟降雨下得到土壤沉积性结皮MWD低于苗床松散土壤团聚体MWD的结论相似；但由于地表情况不同导致本研究与Algayer等^[15]得出结皮层团聚体MWD显著高于下层的结论不一致。Algayer等^[15]主要关注连续降雨、土壤结皮发育情况的团聚体稳定性，导致表层结皮MWD显著高于结皮下层。大量研究表明，干湿交替作用在一定程度上致使土壤团聚体粒径明显减小^[25-26]。本研究中，表层和亚表层土壤在中耕45 d左右内仅受2~4次侵蚀性降雨影响，与胡波等^[27]的实验条件相近；多次自然降雨后表层未完全发育的土壤结皮MWD会逐渐高于亚表层，且前期干湿交替作用将增大表层与亚表层土壤团聚体MWD的差异^[27]。

Barthes等^[28]通过模拟降雨实验发现，土壤侵蚀量与表层>0.2 mm的土壤团聚体含量存在负相关关系。故本研究选用>0.2 mm土壤团聚体含量作为衡量团聚体稳定性的指标之一。

FW处理下表层土壤团聚体主要集中在 < 0.2 mm粒级，占总含量的62.6%~76.2%，而亚表层土壤团聚体中 < 0.2 mm粒级所占比例 < 50%(图 4)。FW处理下，表层土壤团聚体较下层更易被分散。SW处理下表层和亚表层土壤团聚体主要集中在>0.2 mm粒级，但亚表层土壤团聚体>2mm粒级所占比例是表层的1.11~5.69倍。结果表明，SW处理下表层土壤团聚体较亚表层更易破碎。ST处理下>0.2 mm粒级的水稳性团聚体比例最高，但表层与亚表层>0.5 mm团聚体粒级所占比例呈显著差异。亚表层土壤团聚体经ST处理后>0.5 mm粒级占总量的65%，而表层为39.8%，与亚表层土壤团聚体>1 mm粒级所占比例相当。上述结果说明，尽管SW和ST处理下表层与亚表层土壤团聚体>0.2 mm粒级的总体含量差异不明显；亚表层土壤团聚体向大团聚体转化比例显著高于表层土壤。

图 4(Fig. 4)

G、P、M、O分别表示垄上表层、垄沟表层、垄上亚表层、垄沟亚表层。 G, P, M and O represent surface soil in ridge, surface soil in ditch, subsoil in ridge, and subsoil in ditch. 图 4 土壤团聚体粒径分布 Fig. 4 Soil aggregate size distribution

土壤团聚体MWD与SOM呈显著正相关(表 3)，与王彬^[8]、张孝存等^[9]的研究结果一致。黑土团聚体的破坏形式以消散和黏粒膨胀为主，SOM能有效增加土壤团聚体抵抗消散和黏粒膨胀作用^[4]；这与本研究发现的表层SOM低于亚表层，而亚表层土壤团聚体MWD高于表层的发现一致。土壤孔隙率与MWD_FW、MWD_SW和MWD_ST均呈显著负相关关系(P＜0.05)。土壤孔隙率越高，团聚体内闭蓄气体的“气爆”作用越强，抵抗机械破坏的能力也相应下降。此外，黏粒质量分数与MWD_FW呈显著负相关，这与卢升高等^[6]在富铁土壤研究中得到结论相似；说明黏粒质量分数对团聚体稳定性具有明显影响，尤其在暴雨、灌溉等条件下，黏粒质量分数成为判断土壤团聚体稳定性的重要指标。同时由于临界效应^[8]，本研究中FW处理下土壤团聚体稳定性变化敏感性和参数响应较为适宜，故可选用MWD_FW为典型黑土团聚体稳定性评价指标。

表 3(Tab. 3)

表 3 MWD与土壤性质各参数的相关系数 Tab. 3 Correlation coefficient between mean weight diameter of aggregate and soil properties 处理方式 Treatment 土壤性质Soil properties SOM CEC 黏粒Clay 孔隙度Porosity pH MWDFW 0.60** 0.33 －0.87* －0.89** 0.38 MWDSW 0.45* 0.02 －0.32 －0.50* 0.11 MWDST 0.39* －0.23 0.29 －0.42* －0.27 注：**表示在P＜0.01水平显著相关；*表示在P＜0.05水平显著相关。Notes: ** Refers to that correlation is significant at the 0.01 level, and * to that correlation is significant at the 0.05 level.

表 3 MWD与土壤性质各参数的相关系数 Tab. 3 Correlation coefficient between mean weight diameter of aggregate and soil properties

土壤团聚体SEM面积孔隙率变化于7.43%~23.00%之间，变异系数29.22%，且表层土壤团聚体孔隙率均高于亚表层(表 2)。该结果与王彬^[8]在典型薄层黑土区发现的表层土壤总孔隙度大于次表层的表聚现象相似。其原因主要是土壤表层土壤受风蚀^[29]和径流分选^[30]作用呈粗骨化，致使表层土壤孔隙度高于亚表层。

SEM土壤孔隙率与MWD_FW、SOM和CEC均呈负相关关系(图 5)。其中，SEM土壤孔隙率与MWD_FW呈极显著负相关关系(R=-0.89，P＜0.01)；与SOM和CEC呈显著负相关关系，相关系数分别为-0.61(P＜0.05)和-0.47(P＜0.05)。上述结果表明，FW处理下随土壤孔隙率的增大，土壤团聚体破坏程度越大；SOM和CEC越低，土壤团聚体孔隙率越高。其主要原因是由于土壤SOM和CEC越低，团聚体颗粒越分散，土壤孔隙率越低^[31]。

图 5(Fig. 5)

图 5 土壤SEM孔隙率与其他土壤性质的相关关系 Fig. 5 Correlation between soil SEM porosity and other soil properties

相对受干扰较低的亚表层土壤团聚体，表层土壤团聚体的孔隙平均面积更大，数目更多；但在孔隙丰度、feret直径和成圆率等表征孔隙形状特征的指标上，表层和亚表层差异不显著(表 4)。结合土壤表层和亚表层团聚体稳定性差异，说明土壤团聚体孔隙面积和数量是影响其稳定性的主要因素。

表 4(Tab. 4)

表 4 团聚体SEM孔隙特征 Tab. 4 Aggregate SEM pore characteristics 土层 Soil layer 面积 Area/μm2 数目 Amount 丰度 Richness Feret直径 Feret diameter/μm 成圆率 Rounding rate 表层Surface 200.5±51.4 a 1 031±369 a 0.45±0.04 a 13.1±1.6 a 4.6±1.0 a 亚表层Sub-surface 168.2±38.4 b 937±361 b 0.47±0.02 a 12.7±0.9 a 4.6±1.1 a 注：不同小写字母表示不同土层的差异(P＜0.05)。Notes: Different capital letters indicate the significant differences in different soil layers (P＜0.05).

表 4 团聚体SEM孔隙特征 Tab. 4 Aggregate SEM pore characteristics

1) 典型黑土区雨季前坡耕地表层(0~1 cm)和亚表层(1~10 cm)土壤团聚体MWD在LB法的3种处理方式下均表现为表层显著低于亚表层，且整体呈MWD_FW < MWD_SW < MWD_ST的趋势。FW处理下土壤团聚体主要向 < 0.2 mm粒级转化，土壤表层的转化比例显著高于亚表层；SW和ST处理下主要向>0.2 mm粒级转化，土壤表层转化比例显著低于亚表层。典型黑土团聚体破碎的主要机制是消散作用，其次为黏粒膨胀，机械扰动对团聚体的破坏性最小。

2) 土壤团聚体MWD与SOM呈显著正相关关系，MWD_FW与土壤黏粒质量分数表现出负相关关系，土壤孔隙率与MWD、SOM、CEC均呈显著负相关关系(P＜0.05)。FW处理下土壤团聚体稳定性变化最为敏感，可选择MWD_FW作为典型黑土团聚体稳定性关键评价指标。

3) SEM下土壤团聚体孔隙特征表明，土壤表层和亚表层团聚体的单孔隙面积大小和孔隙数目存在明显差异，而孔隙形态特征无显著差异。研究区土壤团聚体主要通过孔隙大小和数量来表征土壤团聚体稳定性程度。