旋耕機耕作對紫色土碳氮垂直分布過程的影響

巨 莉, 李富程

(1.四川省水利科學研究院, 成都 610072; 2.西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010)

耕作侵蝕是紫色土坡耕地主要侵蝕方式之一[1-4]。與水蝕土壤再分配模式不同，耕作侵蝕呈現(xiàn)出3個典型特征：深層剝離、無分選性搬運和邊界效應。單次耕作對土壤的剝離深度可達到耕作工具入土深度，對于典型的薄層紫色土，耕作可將坡頂母質甚至母巖破碎混入耕層；耕作侵蝕不像水蝕那樣優(yōu)先搬運細粒和輕質物質，而是非分選性地將耕層土壤向下坡或凹坡搬運；邊界效應是指耕作導致土壤在靠近坡頂(凸坡)和坡趾(凹坡)部位分別發(fā)生土壤侵蝕和沉積[5-7]。大量研究表明耕作侵蝕對坡面土壤有機碳的遷移和變異性具有重要影響[8-10]。耕層土壤有機碳隨著耕作侵蝕而向下坡遷移，致使耕作侵蝕區(qū)耕層土壤有機碳濃度降低，而耕作沉積區(qū)耕層土壤有機碳濃度增加[8-10]。目前，研究集中于耕作對土壤有機碳等主要元素順坡方向遷移的作用，較少考慮耕作對垂直方向再分布的影響。

示蹤法是耕作侵蝕過程研究最主要的方法，物理示蹤劑和化學示蹤劑最早用于耕作侵蝕研究，后來又興起低電磁感應示蹤技術[11]和磁性示蹤技術[4]。耕作侵蝕磁性示蹤法以其靈敏度高、重現(xiàn)性好、速度快、樣品不需作化學處理、無危害等優(yōu)點已成功應用于耕作位移測定。 磁性示蹤劑類型多樣，如粉煤灰、磚瓦渣、煤渣以及鈦鐵礦粉等，鈦鐵礦粉以其磁性強、用量少、粒徑小、吸附性強被廣泛使用[12-19]。目前，磁性示蹤法主要用于耕作對土壤順坡搬運過程研究，而未用于垂直遷移過程研究。

紫色土耕作對土壤碳氮再分布影響研究主要集中于人工鋤和家畜犁2種傳統(tǒng)耕作機具，而對小型旋耕機的相關研究較少。國外對大型機械化耕作機具的耕作侵蝕與土壤碳氮遷移的關系進行了較多研究，小型旋耕機的動力連接方式不同于大型機械化耕作機具，這可能產生不同的土壤再分配模式，進而影響土壤碳氮的順坡和垂直遷移過程。因此，本研究利用人為在土壤表面添加鈦鐵礦粉以示蹤表層土壤垂直和順坡再分配過程，通過對比耕作前與模擬耕作20次、40次土壤有機碳和全氮垂直分布特征，研究紫色土旋耕機等高耕作所產生的土壤順坡和垂直搬運耦合作用對有機碳、全氮垂直分布過程的影響機制，為全面認識紫色土耕作產生的土壤再分配過程與土壤變異性提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于四川省綿陽市游仙區(qū)新橋鎮(zhèn)(31°33′14′′N，104°47′50′′E)。該區(qū)地形以低矮丘陵為主，海拔介于500～638 m。土壤類型為城墻巖群組(K1c)石灰性紫色土。氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫度16.1℃，年均降水量986.5 mm。坡地農作物主要有油菜(BrassicacampestrisL.)、玉米(ZeamaysL.)、紅薯(IpomoeabatatasL. Lam.var.batatas)、花生(ArachishypogaeaLinn.)等。傳統(tǒng)耕作方式為牛拉犁耕作，耕作方向分為等高耕作和順坡耕作。近年來，耕作方式逐漸從傳統(tǒng)的牛拉犁耕作轉變成旋耕機耕作，旋耕機耕作方向較為靈活，依據(jù)坡耕地的坡度坡長可選擇等高耕作、順坡耕作或者環(huán)狀耕作。

1.2 試驗設計與采樣分析

模擬耕作試驗開展于2015年1月。選擇一塊坡長為18 m、坡度為15.12%的坡地，供試樣地耕層土壤基本理化性質見表1。將坡地沿順坡分成2部分，一部分作為磁性示蹤區(qū)研究表層土壤垂直和順坡再分配過程，另一部分作為土壤采樣區(qū)研究有機碳和全氮再分布過程。磁性示蹤劑選擇粒徑200目的鈦鐵礦粉，已有研究證實鈦鐵礦粉作為耕作侵蝕磁性示蹤劑是可行的[13-19]。磁性示蹤區(qū)寬度為2 m，土壤采樣區(qū)寬度為5 m，兩者間距為2 m。磁性示蹤區(qū)采用方格布設法(1 m×1 m)從坡頂連續(xù)鋪設至坡趾，鋪設厚度為1 cm，即在長18 m、寬2 m的磁性示蹤區(qū)表面均勻地人為投加一層磁性示蹤劑。方格布設法具體操作方法為：將長×寬×高=1 m×1 m×0.01 m的鐵框垂直插入土壤，將框內土壤鏟出放置在塑料布上，稱量13 kg土壤，加入1 kg磁性示蹤劑，混合均勻后按原容重回填于鐵框內。鋪完后從坡頂?shù)狡轮好棵追秶鷥葴y定12次土壤磁化率(表2)。由表2可知土壤磁化率變異性較弱，土壤磁性示蹤劑布設較均勻。

試驗用旋耕機主要技術參數(shù)如下：外形尺寸1 700 mm×1 350 mm×900 mm，總重120 kg，旋耕刀直徑33.5 cm，總安裝刀數(shù)32把，發(fā)動機功率6.3 kW，轉速3 600 rpm。采用等高耕作連續(xù)耕作40次，從下坡開犁，沿等高線方向來回耕作，耕至坡頂，然后從空地返回到坡趾再進行耕作，保持每次耕作的路徑一致，耕作深度約為10～12 cm。模擬耕作在2 d內完成，期間無降雨。

對于磁性示蹤區(qū)和土壤采樣區(qū)，分別在耕作前、20次耕作和40次耕作后利用土壤采樣器(Eijkelkamp，荷蘭)對坡頂(1 m)、肩坡(5 m)、背坡(10 m)、坡腳(15 m)、坡趾(18 m)進行土壤剖面采樣，從土壤表面一直采到母巖，每個坡位設2個采樣點，按5 cm取土壤分層樣，將相同深度的2個樣品合為1個混合樣?；谕寥啦蓸狱c土壤表面到母巖距離的測量，確定耕作前后土壤剖面厚度。利用GPS(T4GNSS，中國)測定耕作前后地形變化。土壤有機碳和全氮分別采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法和半微量凱氏法測定。土壤磁化率應用高精度磁化率儀(SM-30，捷克)測定，靈敏度達10-7SI。需要說明的是用于驗證示蹤劑鋪設是否均勻的試驗中，將磁化率儀直接放在土壤表面測定；而用于分析表層土壤再分配過程的試驗中，用磁化率儀對土壤磁性示蹤區(qū)采集的分層樣品進行測定，測定時需將樣品混勻并堆至超過5 cm厚。土壤磁化率背景值介于(0.15～0.29)×10-3SI，平均值為0.22×10-3SI(SD-0.03×10-3SI)。

表1 供試樣地耕層土壤基本理化性質

表2 磁性示蹤區(qū)表層土壤磁化率強度

注：平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 等高耕作土壤順坡搬運特征

旋耕機等高耕作40次后，坡頂(1 m)高程下降了0.17 m，超過了耕作前原土壤剖面厚度(0.16 m)，坡趾(18 m)高程升高了0.08 m，耕作前后肩坡、背坡和坡腳高程變化較小(圖1A)。旋耕機等高耕作導致距坡頂0～5 m的上坡部位土壤流失，距坡頂5～15 m的坡中部位微地貌基本保持穩(wěn)定，距坡頂15～18 m的下坡部位土壤累積。耕作后坡面相對高程從2.34 m減小為2.09 m，旋耕機等高耕作導致坡面變得平緩。旋耕機等高耕作40次前后土壤剖面厚度分別為15.5～70.4 cm和10.6～80.7 cm，等高耕作導致土壤剖面厚度發(fā)生明顯變化(圖1B)。坡頂和坡趾土壤剖面厚度變化最為顯著，坡頂土壤剖面厚度減小31.61%，而坡趾土壤剖面厚度增加14.67%。肩坡、背坡和坡腳土壤剖面厚度變化相對較小，肩坡增加1.20%，而背坡和坡腳分別減小7.33%和7.80%。這些結果顯示出旋耕機等高耕作導致的土壤再分布具有明顯的邊界效應。

圖1 模擬耕作前后高程和土壤剖面厚度變化

2.2 等高耕作表層土壤垂直搬運特征

紫色土原土壤磁化率在垂直分布上較為一致(圖2)，且不同坡位耕作前無明顯差異(表3)。耕作前在土壤表層人為鋪設1 cm磁性示蹤劑，模擬耕作20次和40次后，不同坡位土壤磁化率呈現(xiàn)顯著不同的變化。與耕作前相比，模擬耕作20次坡頂、肩坡和背坡表層0—10 cm土壤磁化率明顯增強，而坡腳和坡趾0—20 cm土壤磁化率均明顯增強。對于模擬耕作40次，坡頂和肩坡0—10 cm土壤磁化率與耕作前相比明顯增強，背坡和坡腳0—15 cm土壤磁化率明顯增強，而坡趾0—20 cm土壤磁化率明顯增強。模擬耕作40次與20次相比，除背坡5—15 cm外，各坡位土壤磁化率均明顯減小。對于土壤表層0—15 cm，模擬耕作20次后，坡頂土壤磁化率顯著小于坡腳(p=0.047)和坡趾(p=0.027)。模擬耕作40次后，坡頂土壤磁化率顯著小于坡趾(p=0.02)(表3)。

表3 模擬耕作前后土壤表層(0-15 cm)磁化率、有機碳和全氮變化

注：(1) 表內數(shù)字表示平均值±標準差；(2) 同列不同小寫字母表示不同坡位在p<0.05水平上差異顯著。

2.3 等高耕作土壤有機碳和全氮再分布特征

不同坡位土壤有機碳、全氮在等高模擬耕作前、耕作20次和40次后的變化如圖2所示。與耕作前相比，坡頂、坡腳、坡趾有機碳和全氮濃度的垂直變化較為明顯。對于坡頂，土壤有機碳和全氮濃度隨著耕作次數(shù)的增加總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。對于坡腳，土壤有機碳深度分布的變化與坡頂相似，與有機碳不同，表層5—30 cm全氮濃度在耕作20次和40次后相比耕作前呈增加趨勢。對于坡趾，耕作20次后表層0—25 cm有機碳濃度與耕作前相比呈現(xiàn)減小趨勢，但耕作40次后5—20 cm有機碳濃度呈增大趨勢。與有機碳不同，耕作20次和40次后5—30 cm全氮濃度與耕作前相比都呈增大趨勢。

模擬耕作前不同坡位土壤表層(0—15 cm)有機碳和全氮無顯著性差異(表3)。耕作20次后，不同坡位土壤有機碳濃度與耕作前相比均發(fā)生明顯減小，平均減小3.7%～10%，導致坡頂和坡趾土壤有機碳濃度差異顯著(p=0.044)。耕作40次后，坡頂、肩坡、背坡和坡腳土壤有機碳與耕作前相比分別減小7.2%～26.1%，而坡趾卻增加5.6%，導致坡頂(p=0.006)、肩坡(p=0.047)與坡趾有機碳濃度均達到顯著性差異。與有機碳變化略有不同，耕作20次和40次后全氮在坡頂顯著減小，肩坡和背坡略微減小，而在坡腳和坡趾都呈增加趨勢，這導致坡頂與坡腳、坡趾全氮濃度耕作20次和40次后差異都達到顯著性(p<0.05)。

模擬耕作前后土壤表層(0—15 cm)磁化率與有機碳、全氮濃度的相關分析結果見表4。耕作前原土壤磁化率與有機碳、全氮無顯著相關性(p=0.54和p=0.69)。人為添加磁性示蹤劑模擬耕作20次后，土壤磁化率與有機碳呈極顯著正相關(p<0.001)，土壤磁化率與全氮也呈現(xiàn)顯著正相關(p=0.014)。耕作40次后，土壤磁化率與有機碳、全氮相關性增強，都達到極顯著正相關(p<0.001)。

3 討 論

旋耕機等高耕作40次后坡頂侵蝕深度(0.17 m)超過了原土壤剖面厚度(0.16 m)，但并沒有使坡頂土層消失，而是保持與耕作深度相當?shù)耐寥榔拭婧穸龋砻鞲魃疃葘τ诰S持紫色土坡頂土壤剖面厚度具有重要作用。這是由于紫色泥頁巖沉積松散，當耕作侵蝕使土壤剖面厚度小于耕作深度時，旋耕機就會直接將耕層下的母巖剝離而混入耕層，進而補充耕層損失的土壤。耕作對坡頂土壤起著順坡搬運(耕作侵蝕)和垂直搬運(破碎母巖)的雙重作用，在這種作用下紫色土坡頂土壤剖面厚度總是處于動態(tài)平衡中。雖然增加耕作深度有助于增大母巖破碎量，有望提高土壤剖面厚度，但同時也會增大耕作侵蝕，提高土壤順坡搬運量[14,19]。本研究結果與鋤耕結果明顯不同，鋤耕多次模擬耕作后坡頂土層完全消失[7-8,20]，這主要是由于鋤耕順坡耕作導致土壤單方向地向下坡移動，鋤耕順坡耕作的耕作侵蝕強度明顯大于旋耕機等高耕作。此外，耕作工具本身的差異也有一定影響，人力鋤耕對母巖的剝離破碎作用弱于旋耕機。

表4 模擬耕作前后土壤表層(0-15 cm)磁化率與有機碳、全氮的相關性

在順坡方向上，旋耕機等高耕作導致土壤在上坡流失，在下坡累積，表明旋耕機等高耕作順坡搬運土壤作用顯著。耕作對土壤順坡搬運可分為耕作侵蝕區(qū)、耕作傳輸區(qū)和耕作沉積區(qū)。對于本研究坡地，距坡頂0～5 m的上坡部位為耕作侵蝕區(qū)，耕作導致該區(qū)域土壤流失；距坡頂5～15 m的坡中部位為耕作傳輸區(qū)，在耕作過程中扮演著“傳輸帶”的作用[7]；距坡頂15～18 m的下坡部位為耕作沉積區(qū)，耕作導致土壤在該區(qū)域累積。在垂直方向上，旋耕機等高耕作引起表層土壤磁性示蹤劑垂直向下遷移，但土壤磁性示蹤劑在不同坡位呈現(xiàn)出不同的垂直分布特征。對于耕作侵蝕區(qū)，模擬耕作后坡頂土壤磁化率顯著小于坡趾，而且坡頂耕層下部(5—10 cm)土壤磁化率明顯小于耕層上部(0—5 cm)。這種差異主要歸因于耕層以下母巖碎屑向上遷移對耕層土壤的稀釋作用和耕作對土壤順坡傳輸作用的綜合作用。對于耕作傳輸區(qū)，耕作的混勻作用導致土壤磁性示蹤劑在整個耕層分布較均勻。對于耕作沉積區(qū)，表層0—20 cm土壤磁性強度都顯著增大，相當于耕作深度的2倍。這主要是由于旋耕機等高耕作引起來自上坡的土壤在坡趾堆積，導致原耕層土壤被埋藏在“新耕層”之下。

圖2 等高模擬耕作前、20次和40次后0-30 cm土壤磁化率、有機碳和全氮變化

旋耕機等高耕作導致坡面土壤有機碳和全氮垂直分布發(fā)生明顯變化。模擬耕作20次和40次后，坡頂土壤有機碳和全氮明顯減小。這主要是由于耕作侵蝕使坡頂表層土壤向下坡遷移，同時，耕作將土壤有機碳含量極低的母巖破碎補充至耕層，稀釋了原耕層土壤有機碳濃度。背坡和坡腳表層(0—10 cm)土壤有機碳濃度明顯減少，這是由于耕作的混勻作用和耕作傳輸作用使上坡低濃度有機碳向下傳輸。耕作40次后坡趾表層0—5 cm土壤有機碳和全氮略有減小，但是5—20 cm明顯增加。這主要是來自上坡土壤的有機碳和全氮濃度低于原耕層土壤，同時原坡趾有機碳和全氮濃度較高的土壤被埋藏于“新耕層”之下。本研究結果與紫色土區(qū)鋤耕模擬結果相似[20]，但是由于坡耕地坡度和耕作機具不同，不同景觀部位的有機碳和全氮垂直分布有所不同。黃土區(qū)犁耕模擬研究也顯示強烈耕作后上坡和中坡土壤有機質含量顯著減小，而下坡明顯增加[21]。

本研究采用人為在土壤表面添加鈦鐵礦粉以示蹤表層土壤垂直和順坡再分配過程，這對于研究耕作對土壤碳氮再分布過程的影響具有重要作用。這主要體現(xiàn)在以下幾方面：首先，鈦鐵礦粉磁性強，在土壤表層鋪設1 cm，濃度為7.1%條件下，耕作20次后土壤磁性強度為原土壤磁性強度的20倍，耕作40次后土壤磁性強度為原土壤磁性強度的17倍；其次，采用方格布設法鋪設土壤磁性示蹤劑后，鋪設較均勻，空間變異性較小(<10%)；第三，紫色土原土壤磁性強度較弱(土壤磁化率背景值介于0.15～0.29×10-3SI)，且土壤磁化率的垂直分布較均勻，人為在土壤表面添加鈦鐵礦粉給各坡位創(chuàng)造完全一致的土壤初始條件，土壤磁性示蹤劑的再分布過程有利于更好地反映耕作對土壤垂直和順坡分布的影響；最后，模擬耕作后，土壤磁化率與土壤有機碳和全氮呈顯著正相關(p<0.05)，說明耕作對土壤碳氮和土壤磁性示蹤劑再分布過程的作用是一致的。

4 結 論

(1) 旋耕機等高模擬耕作后坡頂侵蝕深度超過原土壤剖面厚度，但土壤剖面厚度依然保持與耕作深度相當，耕作對坡頂土壤起著順坡搬運(耕作侵蝕)和垂直搬運(破碎母巖)的雙重作用，從而使土壤剖面厚度處于動態(tài)平衡。耕作深度對于紫色土坡頂土壤剖面厚度起著至關重要的作用，研發(fā)能增加耕作深度同時減少耕作位移的耕作機具是未來重要的發(fā)展方向。

(2) 耕作對土壤順坡搬運過程可分為耕作侵蝕區(qū)、耕作傳輸區(qū)和耕作沉積區(qū)；耕作引起表層土壤磁性示蹤劑垂直向下遷移，但不同坡位垂直分異明顯：對于耕作侵蝕區(qū)，母巖碎屑向上遷移的稀釋作用和耕作對土壤的順坡傳輸作用下，土壤磁性強度明顯減弱；對于耕作傳輸區(qū)，耕作的混勻作用導致土壤磁性示蹤劑在整個耕層分布較均勻；對于耕作沉積區(qū)，耕作引起來自上坡的土壤堆積在原耕層之上，導致土壤磁性強度相比上坡明顯增大，但隨著耕作次數(shù)的增加呈減小趨勢。

(3) 耕作對土壤的順坡和垂直遷移作用引起土壤有機碳和全氮也發(fā)生順坡傳輸與垂直遷移，兩者相互影響，強烈耕作后導致坡頂土壤有機碳和全氮濃度明顯減小，坡趾表層0—5 cm減小，而表層0—5 cm以下呈現(xiàn)明顯增加。

(4) 采用方格布設法在坡耕地表層人為投加鈦鐵礦粉作為土壤磁性示蹤劑，使整個坡面形成完全一致的土壤初始條件，土壤磁性示蹤劑的再分布過程有利于更好地反映耕作對土壤垂直和順坡分布的影響，這對于研究耕作對土壤碳氮再分布過程的影響具有重要作用。