耕作方式下坡面土壤侵蝕對(duì)有機(jī)碳流失的影響

李 娜，張 哲，白 偉，李純乾，李鳳鳴，薛穎浩

（1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，沈陽(yáng) 110161；2.遼寧省旱地農(nóng)林研究所，遼寧 朝陽(yáng) 122000；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125）

土壤侵蝕是指在水力、風(fēng)力、凍融或重力等外營(yíng)力作用下，包含土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）土壤顆粒在地表發(fā)生破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積過(guò)程[1]，是由物理、化學(xué)及生物多重機(jī)制相互作用形成復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的自然地質(zhì)現(xiàn)象[2-3]。遼西地區(qū)坡耕地較多，水土流失嚴(yán)重，由坡耕地水土流失等因素造成的土壤有機(jī)碳流失機(jī)制尚不明確[4]。目前，對(duì)于坡耕地不同耕作方式影響土壤侵蝕下土壤SOC遷移相對(duì)較少[5]。多數(shù)研究針對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中SOC含量影響，耕作方式如何影響坡耕地SOC流失與遷移研究較少[6-7]，尤其是受人為干擾頻繁的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)SOC流失來(lái)源、遷移特性等變化特征[8-9]。隨著對(duì)土壤SOC流失研究深入，研究表明土壤侵蝕會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生變化[10-12]，坡耕地保護(hù)性耕作措施有利于減少土壤侵蝕，進(jìn)而減少農(nóng)田SOC流失，因而探明關(guān)于土壤侵蝕與SOC流失間關(guān)系研究意義重大。

本研究采用野外徑流小區(qū)試驗(yàn)，通過(guò)不同耕作方式，連續(xù)兩年定位觀測(cè)，研究遼西丘陵區(qū)SOC流失動(dòng)態(tài)過(guò)程，探討和分析影響SOC流失因素，明確各影響因素和SOC流失間關(guān)系，旨在為遼西坡耕地探尋適宜耕作方式防治水土流失及SOC流失，同時(shí)為區(qū)域適宜耕作技術(shù)選擇和農(nóng)田耕地質(zhì)量可持續(xù)利用提供理論依據(jù)，為東北黑土地保護(hù)與合理利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)于2018年1月～2019年12月在遼寧省水土保持研究所試驗(yàn)基地展開(kāi)?；匚挥谶|寧省朝陽(yáng)市朝陽(yáng)縣（東經(jīng)120°12′13″～120°14′15″，北緯41°23′35″～41°24′34″），海拔550 m。降雨多集中于5～9月，該區(qū)屬于典型低山丘陵地貌，多年平均降雨量509 mm，平均氣溫6.5℃，年均總輻射102 MJ·cm-2，年均日照2 300～2 600 h，全年有效積溫2 600℃。試驗(yàn)地土壤以褐土為主，有機(jī)質(zhì)為9～13 g·kg-1，容重1.42 g·cm-3，pH 7.91。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。在坡度為5°坡地上設(shè)置2 m（寬）×10 m（長(zhǎng)）徑流小區(qū)。試驗(yàn)前將雜草去除，底部埋入雨量筒，以采集徑流和泥沙。共5種耕作方式處理：裸坡地、傳統(tǒng)耕作、免耕、全秸稈覆蓋、橫坡壟作，分別以當(dāng)?shù)剡B續(xù)兩年降雨雨強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)。根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀唤涤陾l件，分析不同耕作方式間差異導(dǎo)致的坡面徑流和土壤可蝕性變化對(duì)SOC流失的影響。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

1.3 樣品采集

每次自然降雨結(jié)束后，自動(dòng)收集徑流泥沙樣。記錄每次有效徑流產(chǎn)生過(guò)程，包括徑流產(chǎn)流時(shí)間及總量。當(dāng)徑流結(jié)束后，經(jīng)沉降后測(cè)定1次徑流量，并將樣品編號(hào)。在徑流桶中取水樣2個(gè)混合，總量為2 000 mL。準(zhǔn)確量出1 000 mL水樣放入密閉玻璃三角瓶中，立即滴入2 mL濃硫酸，移至4℃冰箱保存，為后續(xù)養(yǎng)分測(cè)定作準(zhǔn)備。將剩余1 000 mL水樣沉淀并過(guò)濾，采用烘干稱重法測(cè)定泥沙含量。泥沙與徑流樣品中有機(jī)碳含量在遼寧省土壤侵蝕與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀加熱法；徑流過(guò)濾水樣中有機(jī)碳含量采用島津TOC分析儀自動(dòng)進(jìn)樣器ASⅠ-L測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Origin pro統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)降雨特征變化

2.1.1 2018年和2019年降雨月變化特征

2018年和2019年降雨月變化特征如圖1所示。

由圖1可知，2018年和2019年降雨量分別為276.32和436.6 mm，兩年間降雨均集中在5～9月，其中2018年月均降雨量為23 mm，月最大降雨量出現(xiàn)在7月，降雨量為72.3 mm，占全年降雨量26%；2019年平均月均降雨量為36.3 mm，月最大降雨量出現(xiàn)在8月，降雨量為131.8 mm，占全年降雨量30.2%。2019年降雨量主要集中在7～8月，其余月降雨量較小。而2018年除7月降雨量比較大外，5～9月降雨量相對(duì)平穩(wěn)。

圖1 研究區(qū)2018～2019年月降雨量及降雨天數(shù)Fig.1 Monthly rainfall and days of rainfall in the study area from 2018 to 2019

2.1.2 降雨特征變化

由表2可知，2018年與2019年發(fā)生侵蝕性降雨區(qū)別小，分別為6次和5次。2018年全年發(fā)生侵蝕性降雨總量為270.42 mm，占全年總降雨量97.0%，降雨量（P）變化為23～72.30 mm；次侵蝕性降雨強(qiáng)度為0.4～29.8 mm·h-1；最大30 min降雨強(qiáng)度（I30）為5.4～56.2 mm·h-1；PI值位于6.9～996.3 mm2·h-1，平均值為298.4 mm2·h-1；PI30范圍為102.4～5 326.4 mm2·h-1，平均值為1 596.3 mm2·h-1；次降雨侵蝕力變化為15.20～1 954.8 MJ mm·（hm-2·h-1），其平均值為326.3 MJ mm·（hm-2·h-1）。2019年侵蝕性降雨總量為392.2 mm，占全年降雨量89.2%，次降雨量為13.2～60.2 mm；I30為6.3～60.4 mm·h-1；PI為9.5～865.2 mm2·h-1，平均值為256.9 mm2·h-1；PI30為70.8～1247.1mm2·h-1；次降雨侵蝕力平均值為152.3 MJ mm·（hm-2·h-1）。

2.2 坡面土壤侵蝕影響因素

2.2.1 坡面徑流間對(duì)比

研究區(qū)2018年和2019年侵蝕性降雨特征如表2所示，對(duì)于裸坡地耕作方式，在2018～2019年試驗(yàn)期間，年產(chǎn)流次數(shù)分別為12次和16次，年徑流量98.6～117.3 mm，徑流系數(shù)19.87～23.65。免耕與傳統(tǒng)耕作方式年產(chǎn)流次數(shù)分別為4～6次，7～9次，全秸稈覆蓋和橫坡壟作耕作方式，產(chǎn)流次數(shù)分別為2～4次，1～2次，由產(chǎn)流次數(shù)可知，橫坡壟作及全秸稈覆蓋耕作方式對(duì)于減少產(chǎn)流次數(shù)效果最好，免耕與傳統(tǒng)耕作方式對(duì)于產(chǎn)流效果次之，且均小于裸坡地耕作方式。免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作及全秸稈覆蓋耕作方式年均產(chǎn)流量分別為10、47.1、6和13.1 mm。免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作及全秸稈覆蓋年均徑流系數(shù)分別為1.45、17.60、0.16、2.08。對(duì)于全秸稈覆蓋方式，減少降雨對(duì)土壤沖刷。所以在產(chǎn)流次數(shù)及徑流量上橫坡壟作及全秸稈覆蓋方式相對(duì)較少。傳統(tǒng)耕作方式在秋收時(shí)擾動(dòng)土壤，導(dǎo)致在雨季到來(lái)時(shí)坡面徑流加大導(dǎo)致侵蝕量增加。由結(jié)果可知，免耕效果優(yōu)于傳統(tǒng)耕作方式。同時(shí)保水效果也可用徑流系數(shù)表示，徑流系數(shù)越小，表明土壤持水效果越好。免耕和傳統(tǒng)耕作的徑流系數(shù)遠(yuǎn)大于橫坡壟作和全秸稈覆蓋。

表2 研究區(qū)2018年和2019年侵蝕性降雨特征Table 2 Characteristics of erosive rainfall in the study area in 2018 and 2019

2.2.2 侵蝕量對(duì)比

如表3所示，2018～2019年，對(duì)于裸坡地處理，年均侵蝕量591.6～683.3 t（km-2·a-1）。免耕方式、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作及全秸稈覆蓋方式下年蝕量0.6～1.2、23.6～29.8、0.05～0.2、0.5～1.5 t（km-2·a-1）。由結(jié)果可見(jiàn)，橫坡壟作具有較好攔截坡面土壤作用，免耕、傳統(tǒng)耕作及全秸稈覆蓋是恒橫坡壟作7.2、213及8倍。從土壤侵蝕強(qiáng)度可見(jiàn)，免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作、全秸稈覆蓋下土壤侵蝕模數(shù)分別為27、1 721、3、4.15。免耕、傳統(tǒng)耕作及全秸稈覆蓋土壤侵蝕模數(shù)分別是橫坡壟作8、574及1.4倍。由研究結(jié)果還可知，不同耕作方式下土壤侵蝕量與土壤侵蝕強(qiáng)度趨勢(shì)一致，裸坡地處理最大，全秸稈覆蓋方式最小。免耕耕作方式僅在播種時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)較小，但土壤中大孔隙未遭到破壞，土壤滲透性能好。傳統(tǒng)耕作方式每年旋耕。這樣導(dǎo)致一些土壤孔隙被破壞，坡面土壤侵蝕加劇。全秸稈覆蓋由于在收獲期全部秸稈還田，秸稈對(duì)降雨有緩沖作用，同時(shí)吸收一部分雨水。從以上分析可知，在遼西坡地通過(guò)橫坡壟作，全量秸稈還田措施顯著減少地表徑流進(jìn)而減少土壤侵蝕量。

表3 不同耕作方式下坡面徑流量和土壤侵蝕量Table 3 Slop runoff and soil erosion under different tillage methods

2.3 坡地不同耕作方式下土壤侵蝕對(duì)有機(jī)碳流失的影響

2.3.1 不同耕作方式下坡地土壤侵蝕對(duì)SOC、DOC流失量的影響

由表4可知，SOC及其DOC流失量在不同耕作方式下均不同。土壤DOC含量排序?yàn)槿斩捀采w＞免耕＞傳統(tǒng)耕作＞橫坡壟作＞裸坡地。其中，全秸稈覆蓋方式下DOC含量（0.209 g·kg-1）分別是橫坡壟作（0.132 g·kg-1）、傳統(tǒng)耕作（0.136 g·kg-1）、免耕（0.196 g·kg-1）和裸坡地（0.147 g·kg-1）方式的1.59、1.54、1.07、1.42倍。而傳統(tǒng)耕作方式下流失土壤DOC含量與橫坡壟作相差較小，但均小于裸坡地耕作處理。不同耕作方式下土壤SOC含量排序?yàn)槿斩捀采w＞免耕＞傳統(tǒng)耕作＞橫坡壟作＞裸坡地，其中全秸稈覆蓋方式分別是橫坡壟作（19.23 g·kg-1）、傳統(tǒng)耕作（20.36 g·kg-1）、免耕（22.37 g·kg-1）和裸坡地（19.86 g·kg-1）方式的1.21、1.15、1.05、1.18倍。橫坡壟作和傳統(tǒng)耕作方式及裸坡地耕作方式處理的SOC含量相差較小。

表4 不同耕作方式下SOC含量Table 4 Organic carbon loss contents under different tillage methods

2.3.2 不同耕作方式下坡地土壤侵蝕對(duì)DOC流失量的影響

全年土壤DOC流失總量是通過(guò)累計(jì)年內(nèi)每次產(chǎn)流過(guò)程中土壤DOC流失量（徑流中DOC含量與徑流量相乘得出）。由表5可知，2018年免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作及全秸稈覆蓋方式下年均土壤DOC流失量分別為849、40、1.9及4.1 mg·m-2，僅為裸坡地處理8.3%、39.4%、1.8%和4.0%。研究結(jié)果還表明，不同耕作方式下年均土壤DOC流失量最大的是裸坡地處理，橫坡壟作土壤DOC年均流失量最小。由表5可知，裸坡地處理和橫坡壟作DOC年平均質(zhì)量濃度分別為1.0和0.95 mg·L-1。不同耕作方式下流失的土壤DOC年平均質(zhì)量濃度最大為裸坡地，橫坡壟作最小。

表5 不同耕作方式下土壤可溶性有機(jī)碳年流失量Table 5 Annual loss of soil soluble organic carbon under different tillage methods

2.3.3 不同耕作方式下土壤侵蝕對(duì)坡地SOC流失量的影響

由表6可知，不同耕作方式下SOC流失量表現(xiàn)不同?？芍?，免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作方式下SOC年流失量分別為12.3、36.3、6.5 g·m-2，分別是全秸稈覆蓋方式下的6.47、19.1和3.4倍，僅為裸坡地5.6%、16.5%、2.96%。同時(shí)可知，不同耕作方式下壤SOC年流失量大小為裸坡地＞傳統(tǒng)耕作＞免耕＞橫坡壟作＞全秸稈覆蓋。SOC年流失通量與徑流產(chǎn)沙次數(shù)相關(guān)。

表6 不同耕作方式下土壤有機(jī)碳年流失量Table 6 Annual loss of soil organic carbon under different tillage methods

2.3.4 不同耕作方式下SOC和DOC流失特征

圖2表明，免耕、傳統(tǒng)耕作及橫坡壟作方式下SOC流失主要是以泥沙態(tài)為主，而全秸稈覆蓋方式下以DOC流失為主。對(duì)照處理的年DOC流失量最大（見(jiàn)表5），尤其是全秸稈覆蓋耕作條件下，DOC流失量最大。在兩年試驗(yàn)中，裸坡地方式下SOC流失量最大，占總有機(jī)碳流失量95%以上；免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作方式下SOC流失量在2018和2019分別占總有機(jī)碳流失量的68.3%、86.2%、56.6%和75.1%、90.6%、65.8%；而橫坡壟作耕作方式下SOC流失量占比為40.2%。

圖2 不同耕作方式下土壤SOC與DOC流失量對(duì)比Fig.2 Comparison of soil SOC and DOC loss under different tillage methods

2.4 有機(jī)碳流失與徑流量之間關(guān)系分析

坡面徑流不僅將泥沙帶走，同時(shí)也帶走溶解于徑流中的物質(zhì)[13-15]。DOC流失途徑有兩種方式，一種是徑流在坡面遷移過(guò)程中導(dǎo)致的流失，另一種是流失泥沙中部分有機(jī)碳溶解于徑流中而產(chǎn)生流失。因此，土壤DOC流失量與徑流量及侵蝕量之間存在一定關(guān)系。對(duì)于土壤SOC流失來(lái)講，徑流為SOC遷移提供動(dòng)力，因此需明確不同耕作措施土壤中SOC流失量之間關(guān)系。

2.4.1 次降雨土壤DOC流失量與徑流量關(guān)系

由圖3可知，在研究的幾種耕作方式處理下，次降雨條件下，土壤DOC流失量與徑流量均呈線性正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)次降雨中土壤DOC流失量與徑流量關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，全秸稈覆蓋方式下兩者相關(guān)性最好（R2=0.942），依次為橫坡壟作的方式（R2=0.933），傳統(tǒng)耕作方式R2仍達(dá)0.917。

圖3同時(shí)表明，裸坡地、免耕、傳統(tǒng)耕作及全秸稈覆蓋方式下DOC流失量隨徑流量增加略大于橫坡壟作方式。

圖3 不同耕作措施徑流量與DOC之間關(guān)系Fig.3 Correlation between different tillage measures runoff and SOC

3 討論與結(jié)論

由研究結(jié)果可知，免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作及全秸稈覆蓋方式下SOC年流失量分別為12.3、36.3、6.5及1.9 g·m-2，分別是全秸稈覆蓋方式下6.47、19.1和3.4倍，僅為裸坡地對(duì)照下5.6%、16.5%、2.96%和0.8%；免耕、傳統(tǒng)耕作橫坡壟作及全秸稈覆蓋方式下年均土壤DOC流失量分別為849、40、1.9及4.1 mg·m-2，僅為裸坡地對(duì)照處理的8.3%、39.4%、1.8%和4.0%。橫坡壟作的土壤DOC流失量最少，裸坡地處理方式DOC流失量最大；建立裸坡地、免耕、傳統(tǒng)耕作、橫坡壟作、全秸稈覆蓋方式下，次降雨DOC流失量與徑流量關(guān)系式，不同耕作方式下裸坡地處理方式下土壤有機(jī)碳流失量最大，全秸稈覆蓋方式下最小。耕作方式下次降雨DOC流失量均與徑流量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。由以上5種耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響上可看出，全秸稈覆蓋耕作方式更有利于遼西低山丘陵區(qū)防治水土流失、增加土壤碳庫(kù)存。

通過(guò)分析研究結(jié)果，明確造成坡面徑流主要原因是土壤侵蝕[16-17]。在產(chǎn)生坡面徑流以前主要是雨滴濺蝕，而坡面產(chǎn)流后起主導(dǎo)作用的是徑流遷移[18-19]。遼西低山丘陵區(qū)降雨強(qiáng)度集中，初始產(chǎn)流時(shí)間較短。因此，造成水土流失的主要原因是坡面徑流侵蝕，該研究結(jié)果與李忠武等在紅壤坡地上研究一致[20]。從研究結(jié)果可看出，坡面產(chǎn)流與有機(jī)碳流失過(guò)程顯著相關(guān)。除強(qiáng)降雨條件下有機(jī)碳流失率存在短時(shí)間峰值外，有機(jī)碳流失率隨降雨歷時(shí)增加而增大，與坡面產(chǎn)流過(guò)程一致，本研究結(jié)果與王文欣等在坡地覆蓋物對(duì)SOC流失的研究結(jié)果持一致[21]。原因是坡面徑流是土壤有機(jī)碳流失最直接動(dòng)力，坡面產(chǎn)流特征必然影響土壤有機(jī)碳流失特征[22-23]。同時(shí)SOC主要因泥沙流失，免耕條件下選擇性遷移突出[24]，導(dǎo)致有機(jī)碳含量高土壤輕顆粒優(yōu)先遷移，因而隨坡面徑流增加土壤有機(jī)碳流失率增大[25-26]。但本研究?jī)H針對(duì)遼西地區(qū)特定氣候方式下分析采集數(shù)據(jù)，具有地域局限性，對(duì)于其他地區(qū)僅供參考。