侵蝕地貌中土壤團聚體碳、氮、磷含量變化及其環(huán)境風險

喬林明， 韓 慧， 賀高航， 王潤澤， 王 蕊,2， 郭勝利,2

(1.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

黃土高原是我國古老農(nóng)業(yè)區(qū)，也是我國水土流失嚴重的地區(qū)。川地和塬面是黃土高原糧食生產(chǎn)的重要地貌類型，分別占黃土高原總生產(chǎn)面積的58.7%和41.3%。黃土高原土壤肥力貧瘠，“缺碳低氮貧磷”曾是黃土區(qū)土壤養(yǎng)分含量的主要特征，從而導(dǎo)致化肥大量投入。目前，我國化肥用量超過全球的30%，其中，黃河流域化肥用量占全國30%以上。隨著化肥的持續(xù)投入，黃土高原塬面和川地農(nóng)田土地生產(chǎn)力得到顯著提高，糧食單產(chǎn)可達6 886～7 867 kg/hm，年產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的7.6%。但同時也增加了氮磷的面源污染和水體富營養(yǎng)化的風險。故而，了解塬面和川地農(nóng)田土壤養(yǎng)分積累及其流失對水體環(huán)境的潛在威脅對確保區(qū)域的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

黃土高原土壤貧瘠，土壤養(yǎng)分含量在全國屬于較低水平。80年代土壤普查數(shù)據(jù)表明，黃土高原大部分地區(qū)土壤為貧氮缺磷土壤。但80年代以來，隨著化肥用量的增加，土壤養(yǎng)分逐漸提高改善，出現(xiàn)土壤氮磷積累問題。土壤養(yǎng)分隨時間變化逐年升高，碳、氮、磷分別以每年0.84～3.76，0.06～0.22 g/kg和2.3～44.1 mg/kg的速率積累，致使個別土壤有效磷高達157.14 mg/kg。已有研究發(fā)現(xiàn)，塬面磷用量增加到233 kg/hm時，土壤磷殘留就會超過90%，有效磷嚴重超過農(nóng)學閾值，存在潛在環(huán)境風險，目前，土壤磷素已經(jīng)開始由塬面向坡面和溝道擴展進入到水體環(huán)境中。賈珺杰等研究表明，該區(qū)域水體中的碳、氮流失量每月為11.52，2.19 kg/km；韓鳳朋等發(fā)現(xiàn)，黃河中氮、磷高于53%來自上游面源污染，尤其在潼關(guān)斷面處氮、磷高達90%以上；韓谞等進一步證明了黃河氮、磷負荷更多的是來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。雖然，近期黃河輸沙量有日益減緩的趨勢，總氮和總磷排放量仍高達7.9萬，1.1萬t。更多研究也證實，河流水體中氮、磷含量與農(nóng)田土壤氮、磷的積累有顯著正相關(guān)關(guān)系，是河流水庫水體富營養(yǎng)化的主要原因。綜上可見，塬面與川地土壤碳氮磷的積累和流失對于黃土高原和黃河現(xiàn)有的水體環(huán)境至關(guān)重要。但目前大多數(shù)研究集中黃土區(qū)農(nóng)田土壤肥力的改善，缺乏對黃土高原塬面和川地整個侵蝕地貌鏈條中土壤養(yǎng)分積累變化及其對水體環(huán)境風險的研究。

本研究以高塬溝壑區(qū)的典型小流域—王東溝小流域為對象，通過對比塬面系統(tǒng)(塬面—坡地—溝道系統(tǒng))和川地系統(tǒng)(川地—河漫灘—河道)中不同侵蝕地貌類型土壤養(yǎng)分的變化，從土壤團聚體粒級的角度探討黃土高原經(jīng)過40多年的長期施肥后塬面和川地土壤養(yǎng)分利用和積累情況，討論土壤養(yǎng)分積累及其流失對水體環(huán)境造成的潛在風險。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于陜西省長武縣王東溝小流域(35°12′00″N，107°40′00″E)，該流域是高塬溝壑區(qū)的典型代表。流域面積為8.3 km，主溝控制面積6.3 km，溝壑密度為2.78條/km，土壤侵蝕模數(shù)已由治理前的1 860 t/km下降到895 t/km以下。塬面地勢平坦，是糧果主要種植區(qū)，塬坡土壤侵蝕嚴重，是水土流失主要治理段，到溝底最大高差為280 m。塬面土地利用方式主要以果園和農(nóng)田為主，坡面主要以林草地為主，靠近村莊附近也有果園。川地與塬坡和溝道相接，主要土地利用方式為農(nóng)田和大棚，分布在河道兩岸。流域內(nèi)年平均降水量584 mm，多集中于7—9月，占全年降水量的57%，年平均氣溫9.1 ℃，無霜期171天，屬于半干旱半濕潤性季風氣候。土壤主要類型為黑壚土，母質(zhì)為深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，pH 8.4，有機質(zhì)為11.2 g/kg，CaCO含量10.5%，黏粒含量24.0%，田間持水量25%，凋萎濕度10%。該流域為“陜西長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站”所在地，1984年建站初，有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和有效磷(Olsen—P)含量分別為6.09，0.80，0.70 g/kg和3.00 mg/kg。

1.2 土壤樣品采集與處理

1.2.1 樣品采集 基于高塬溝壑區(qū)的地貌特征進行樣品采集。塬面系統(tǒng)沿侵蝕鏈：塬面—坡地—溝道，采集塬面果園、農(nóng)田和坡地果園土壤樣品及溝道泥沙(王東村附近)，記為塬面果園、塬面農(nóng)田、坡地果園和溝道泥沙。川地系統(tǒng)沿侵蝕鏈：川地—河漫灘—河道，采集設(shè)施大棚、農(nóng)田和河漫灘土壤樣品及河道泥沙(劉家河村和陳劉河村附近)，記為川地大棚、川地農(nóng)田、河漫灘和河道泥沙。所有土壤樣品均采集于2020年5—7月。果園采樣在長勢良好的相鄰行的2棵果樹連線上等距采5個樣混為1個樣品，可有效避免條帶狀施肥帶來的養(yǎng)分分布不均問題，確保樣品具有代表性。每個果園采5個混合樣作為重復(fù)，共選取5個果園，采樣深度為0—20 cm。農(nóng)田和大棚采樣按照“S”形5點采樣法用土鉆進行采集，大致以地塊的中軸線或?qū)蔷€畫5個不同“S”形進行采樣，將5個“S”形的各自混合樣作為重復(fù)，采樣深度和果園相同，每個塬面農(nóng)田、川地大棚和川地農(nóng)田各5個樣地。溝道從溝頭到出口設(shè)5個采樣點，每個采樣點5個重復(fù)。河道在鄰近王東溝小流域的黑河上下游段設(shè)5個采樣點，每個采樣點5個重復(fù)，沿黑河河道采樣，具體范圍是從劉家河村(黑河流經(jīng)王東溝小流域的上游段)到陳劉河村(黑河流經(jīng)王東溝小流域的下游段)，選取河段長約4.5 km。共計采集土壤樣品150個。為保證土壤團聚體不被破壞，所有樣品均裝入方形鋁盒中帶回實驗室，過8 mm篩，自然風干備用，用以進行沉降分級，SOC、TN、TP和Olsen—P的測定。此外，在塬面采集了不同含磷梯度土壤，進行CaCl—P測定。

1.2.2 團聚體分級 試驗采用沉降管法(settling tube)進行不同粒級土壤團聚體分級。沉降管主要由3部分組成，分別為沉降管、樣品投放器、旋轉(zhuǎn)水槽，其工作原理為斯托克斯定律(公式)。根據(jù)侵蝕環(huán)境條件下土壤團聚體遷移能力的大小將其分為3級，分別為<63，63～250，>250 μm。具體操作步驟：取200 g風干土樣置于500 mL燒杯中，加入250 mL蒸餾水靜置15 min，然后將水土混合樣倒入樣品投放器，使土壤顆粒在重力作用下沿靜止水柱自上而下進行沉降，根據(jù)沉降時間轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)水槽來收集不同粒級團聚體顆粒，然后將收集到的土壤團聚體顆粒轉(zhuǎn)移至塑料飯盒中靜置待風干。

式中：為沉降速度(m/s)；為沉降管高度(m)，本研究為1 m；為沉降時間(s)，本試驗中>250，63～250 μm粒級團聚體所需沉降時間分別為18，280 s，<63 μm團聚體通過靜置收集。為沉降顆粒的直徑(mm)；為重力加速度(N/kg)，本研究為9.81 N/kg；為固體顆粒平均密度(kg/m)，此處取值為2.65×10kg/m；為水的密度(kg/m)，1.0×10kg/m；為20 ℃時水的黏滯系數(shù)(Ns/m)，此處取值為1×10Ns/m。

1.2.3 樣品測定和數(shù)據(jù)處理 SOC和TN用碳氮元素分析儀測定(Vario MAXCN, Elementar Co，德國)。TP用硫酸高氯酸消解—鉬銻抗比色法測定，Olsen—P用NaHCO浸提—鉬銻抗比色法測定，CaCl—P用CaCl浸提—鉬銻抗比色法測定。用Excel 2019和SPSS 26.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，Origin 2018軟件進行繪圖，CaCl—P和Olsen—P關(guān)系用SigmaPlot 14中的Piecewise函數(shù)進行分段擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同侵蝕地貌土壤養(yǎng)分含量與團聚體分布

土壤碳、氮、磷含量沿塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道變化存在顯著差異(表1)。土壤有機碳隨塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道呈現(xiàn)降低趨勢，塬面顯著高于坡地、溝道(8.49，6.72，4.52 g/kg)，川地顯著高于河漫灘、河道(6.80，1.55，1.27 g/kg)；全氮表現(xiàn)出降低趨勢，但塬面—坡地—溝道系統(tǒng)各地貌間無顯著性差異(1.19，1.05，0.69 g/kg)，川地—河漫灘—河道系統(tǒng)中川地顯著高于河漫灘、河道(1.00，0.36，0.38 g/kg)；全磷與有機碳變化相似，塬面顯著高于坡地和溝道(1.23，0.88，0.60 g/kg)，川地顯著高于河漫灘、河道(1.07，0.65，0.67 g/kg)；Olsen—P對地貌變化更敏感，沿侵蝕部位變化降低，塬面、坡地、溝道為51.80，18.80，5.92 mg/kg，川地、河漫灘、河道為27.40，4.35，5.73 mg/kg，且各地貌間差異顯著。2個系統(tǒng)中塬面和川地土壤SOC、TN、TP、Olsen—P積累最高的，分別是上世紀80年代初的1.39，1.49，1.76，16.27倍和1.12，1.25，1.52，8.13倍，其中磷素積累最為明顯。

塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道系統(tǒng)不同侵蝕地貌之間團聚體顆粒分布差異較大(表1)。塬面—坡地—溝道系統(tǒng)中<63 μm團聚體質(zhì)量百分比沿塬面—坡地—溝道逐漸升高，由塬面最低(24.55%)升至溝道最高(39.65%)，增加了62%；63～250 μm團聚體質(zhì)量百分比沿塬面—坡地—溝道降低，由塬面最高(59.93%)降低至溝道最低(42.17%)，降低了29%。川地—河漫灘—河道系統(tǒng)中<63 μm質(zhì)量百分比沿川地—河漫灘—河道升高，在河漫灘中最高占51.15%；63～250，>250 μm聚體質(zhì)量百分比沿川地—河漫灘—河道降低，其中，63～250 μm河漫灘最低，>250 μm河道最低。大團聚體含量的高低可作為判斷土壤團聚體穩(wěn)定性的指標之一，對比塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，塬面—坡地—溝道系統(tǒng)大團聚體質(zhì)量百分比明顯高于川地—河漫灘—河道系統(tǒng)，而川地—河漫灘—河道系統(tǒng)小團聚體質(zhì)量百分比明顯大于川地—河漫灘—河道系統(tǒng)，這說明塬面—坡地—溝道系統(tǒng)的土壤團聚體穩(wěn)定性高于川地—河漫灘—河道系統(tǒng)。

表1 不同侵蝕地貌類型土壤養(yǎng)分含量與團聚體分布特征

2.2 不同粒級團聚體有機碳含量變化

各侵蝕地貌單元中SOC含量沿塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道遞減，與粒級大小關(guān)聯(lián)緊密，除溝道、河漫灘和河道外，其他都隨團聚體粒徑減小而降低(圖1)。塬面系統(tǒng)不同侵蝕地貌各粒級團聚體SOC含量隨粒徑減小差異縮小，>250 μm粒級團聚體各侵蝕地貌間差異顯著，而63～250，<63 μm粒級無顯著性差異。溝道SOC含量隨粒徑減小而升高，其中63～250，<63 μm粒級含量最高，這一粒級與其他侵蝕地貌間差異不顯著，說明溝道中較小粒級顆粒或來源于塬面和坡地，也是溝道中SOC含量隨粒徑減小而升高的主要原因。川地系統(tǒng)中SOC含量隨團聚體粒徑減小而降低，但不同于塬面系統(tǒng)，河漫灘和河道中大團聚體SOC含量最高。塬面系統(tǒng)SOC含量整體高于川地系統(tǒng)，尤其是溝道中明顯高于河漫灘和河道，具有較高的流失風險。

注：表示25%～75%，表示1.5IQR內(nèi)的范圍，——表示中位線，□表示均值；圖柱上方不同大寫字母表示同一侵蝕等級不同粒級間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一粒級不同侵蝕等級間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同粒級團聚體全氮含量變化

各侵蝕地貌中TN含量變化也沿塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道遞減，溝道和河道TN含量最低(圖2)。塬面系統(tǒng)同一侵蝕地貌下，TN含量隨粒徑減小而降低，但坡地中<63 μm粒級含量略高于63～250 μm粒級。同樣，塬面系統(tǒng)不同侵蝕地貌同一粒級團聚體TN含量隨粒徑減小差異減小，>250 μm粒級團聚體各侵蝕地貌間差異顯著，而63～250，<63 μm粒級無顯著性差異。川地系統(tǒng)各侵蝕地貌部位TN含量變化與SOC一致，隨團聚體粒徑減小而降低，但河漫灘和河道大小團聚體中TN含量變化不同于川地大棚和川地農(nóng)田，這可能與河漫灘和河道復(fù)雜的侵蝕—沉積條件變化相關(guān)。塬面系統(tǒng)和川地系統(tǒng)TN含量在塬面和川地較為接近，但溝道明顯高于河漫灘和河道，也具有較高的流失風險。

2.4 不同粒級團聚體磷素含量變化

各侵蝕地貌中TP含量隨塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道變化和團聚體粒徑減小而降低，塬面和川地最高(1.87，1.38 g/kg)，溝道、河漫灘和河道最低(0.59，0.60，0.60 g/kg)，各侵蝕地貌間差異顯著(圖3)。塬面系統(tǒng)TP含量在團聚體粒級變化上表現(xiàn)為隨粒徑減小而降低，但塬面農(nóng)田中<63 μm粒級含量卻高于63～250 μm粒級。川地系統(tǒng)塬面TP含量也隨粒徑減小而降低，不同的是，河漫灘和河道TP<63 μm粒級含量也略高于63～250 μm粒級。

圖2 不同侵蝕地貌類型團聚體土壤全氮含量變化

Olsen—P含量與TP有較好的一致性，各粒級團聚體中Olsen—P含量隨塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道變化和粒徑減小逐漸降低，在塬面系統(tǒng)最高積累可達99.02 mg/kg，川地系統(tǒng)最高積累達44.56 mg/kg(圖4)。塬面系統(tǒng)中除塬面農(nóng)田外，其他侵蝕地貌都隨粒徑減小而降低，塬面果園中>250，63～250，<63 μm粒級Olsen—P含量是溝道的12.18，13.49，15.42倍。川地系統(tǒng)中川地中Olsen—P含量隨粒徑減小而降低，但河漫灘和河道中中間粒級最低，川地大棚中>250，63～250，<63 μm粒級Olsen—P含量是河漫灘和河道的8.79，9.30，9.20倍和5.93，6.25，7.26倍。塬面系統(tǒng)Olsen—P含量明顯高于川地系統(tǒng)，3種粒級塬面果園是川地大棚的2.06，2.36，2.22倍，溝道是河漫灘的1.49，1.63，1.33倍。上述結(jié)果表明，塬面系統(tǒng)積累嚴重。

圖3 不同侵蝕地貌類型團聚體土壤全磷含量變化

圖4 不同侵蝕地貌類型團聚體土壤有效磷含量變化

3 討 論

3.1 不同侵蝕地貌下土壤養(yǎng)分積累特征

“米糧上塬下川”是黃土高原農(nóng)業(yè)用地的主要分布模式，侵蝕環(huán)境中，塬面和川地中的碳、氮、磷含量顯著高于坡地等其他侵蝕地貌，其中，大粒級團聚體中養(yǎng)分的含量顯著高于小粒級團聚體。本研究結(jié)果與Liu等研究結(jié)果一致，可能與不同粒徑團聚體有機質(zhì)含量、微生物活性、酶活性等相關(guān)。上世紀80年代以來，化肥的持續(xù)大量投入，導(dǎo)致碳、氮、磷的積累顯著高于其他侵蝕地貌。塬面SOC，TN，TP和Olsen—P積累最高，分別是坡地的1.26，1.13，1.40，2.76倍，溝道的1.88，1.72，2.05，8.75倍，這一積累值已顯著高于先前已有研究結(jié)果。川地SOC、TN、TP和Olsen—P積累最高(圖1～圖4)，分別是河漫灘的4.39，2.78，1.65，6.30倍和河道的5.44，2.63，1.60，4.78倍，略低于塬面?？傊?，塬面和川地的土壤養(yǎng)分積累已經(jīng)成為黃土高原農(nóng)業(yè)面源污染的重要問題，威脅該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，但黃土高原在這方面的研究較少，應(yīng)廣泛關(guān)注并采取措施。

3.2 不同侵蝕地貌下土壤團聚體分布特征

本研究發(fā)現(xiàn)，不同侵蝕地貌團聚體粒級分布差異明顯，<63 μm粒級團聚體質(zhì)量百分比在溝道、河道和河漫灘這些沉積部位顯著升高，且川地系統(tǒng)<63 μm粒級質(zhì)量百分比顯著高于塬面系統(tǒng)(表1)。本研究中團聚體粒級分布特征與Zhong等用濕篩法分級結(jié)果基本一致，不同的是根據(jù)研究問題的不同，在最小粒級劃分稍有區(qū)別，整體結(jié)果可以表明黃土高原土壤團聚體顆粒主要以<250 μm粒級的微團聚體為主。本研究結(jié)果表明，土壤顆粒在塬面—坡地—溝道或川地—河道系統(tǒng)中進行了重新分布，由于侵蝕過程對團聚體遷移具有一定的分選作用，大團聚體遷移性較弱，而小團聚體遷移性較強，是導(dǎo)致沉積部位溝道、河道和河漫灘中<63 μm粒級顯著高于其他部位的主要原因，也解釋了為什么川地系統(tǒng)<63 μm粒級質(zhì)量百分比顯著高于塬面系統(tǒng)。此外，研究區(qū)的團聚體分布特征也可能受到土地利用方式、耕作等其他條件的影響。

3.3 塬面和川地中磷素積累、遷移及其環(huán)境風險

侵蝕環(huán)境中，地表物質(zhì)的遷移、重新分布是影響團聚體分布的重要因素，而土壤團聚體顆粒攜帶的氮磷元素遷移是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要原因。在高塬溝壑區(qū)中，塬面和川地上農(nóng)田土壤養(yǎng)分的積累為河流中富營養(yǎng)化帶來了潛在威脅。已有研究表明，黃土區(qū)土壤有效磷缺乏，農(nóng)田土壤Olsen—P一般低于5 mg/kg，目前，有效磷積累已是先前的3倍以上，甚至，溝道泥沙中的有效磷含量都達到5.92 mg/kg，接近塬面農(nóng)田土壤80年代初的含量水平。這一結(jié)果表明，塬面小顆粒泥沙中磷素的遷移和積累，導(dǎo)致了溝道泥沙中磷素含量升高。

研究區(qū)塬面和川地中果園、大棚、農(nóng)田土壤Olsen—P積累(>17.60 mg/kg)已經(jīng)超過研究區(qū)農(nóng)學閾值(13.96～22.05 mg/kg)，且TP和Olsen—P最小粒級含量已超過環(huán)境閾值，對環(huán)境危害極大。此外，發(fā)生水體富營養(yǎng)化的總氮和總磷閾值較低，總氮0.84～1.405 mg/L，總磷0.033～0.059 mg/L，高含量養(yǎng)分微團聚體顆粒遷移到水體中很容易達到這一臨界值。作物產(chǎn)量隨Olsen—P的增加而升高，但達到一定值后便不再增加，只會使磷在土壤中積累。土壤Olsen—P積累初期土壤可溶性磷較低，但隨著積累量增加到環(huán)境閾值后，CaCl—P會激增，進而對水體環(huán)境產(chǎn)生危害(圖5)。本研究表明，當Olsen—P低于31.23 mg/kg時，CaCl—P就會迅速增加，是之前增速的10.28倍(圖6)。所以，如何確定既滿足作物生長又無環(huán)境風險的施肥措施是黃土高原此方面研究的重要部分，應(yīng)將土壤土壤養(yǎng)分含量控制在農(nóng)學閾值和環(huán)境閾值之間，確保作物高產(chǎn)的同時緩解環(huán)境壓力。

圖5 土壤磷素含量與作物產(chǎn)量和CaCl2-P的關(guān)系

圖6 土壤Olsen—P含量與CaCl2-P關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)各侵蝕地貌土壤SOC、TN、TP、Olsen—P含量均為塬面系統(tǒng)>川地系統(tǒng)，塬面>坡地>溝道，川地>河漫灘>河道。

(2)塬面和川地SOC、TN、TP、Olsen—P積累最高，分別為8.49，1.19，1.23 g/kg，51.80 mg/kg和6.80，1.00，1.07 g/kg，27.40 mg/kg，且磷素積累更為明顯。

(3)各粒級團聚體SOC、TN、TP、Olsen—P含量由高到低依次為>250 μm粒級，63～250 μm粒級，<63 μm粒級，但63～250，<63 μm質(zhì)量百分比較大，遷移風險最高。