黑土坡耕地橫坡壟作對(duì)減少?gòu)搅骷巴寥烙袡C(jī)碳流失的作用

蓋 浩，劉平奇，張夢(mèng)璇，陳柏旭，王迎春，王立剛

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心，北京 100122)

東北黑土區(qū)作為國(guó)家重要的商品糧基地，承擔(dān)著糧食安全“穩(wěn)壓器”的角色，同時(shí)也是重要的生態(tài)屏障。目前東北坡耕地土壤侵蝕日益加重，其水土流失面積占東北黑土區(qū)水土流失總面積的80.3%。據(jù)研究表明，東北黑土區(qū)水土流失導(dǎo)致土壤有機(jī)碳(SOC)以每年0.1%的速度遞減，由于漫川漫崗地形的特點(diǎn)，農(nóng)民多采用順坡壟作的耕作模式，進(jìn)一步加劇水土流失，增加土壤有機(jī)碳的損失。

針對(duì)東北黑土坡耕地土壤侵蝕及有機(jī)碳流失的問題，近年來諸多學(xué)者探索實(shí)踐了一系列保護(hù)性耕作措施，以緩解坡耕地土壤侵蝕越發(fā)嚴(yán)重的現(xiàn)狀，在眾多的保護(hù)性措施中，橫坡壟作被認(rèn)為是應(yīng)用范圍最廣，且最有效的保護(hù)性耕作措施，其主要通過改變坡面局部地形和壟臺(tái)與坡面夾角有效攔截地表徑流，增加土壤入滲，防止土壤侵蝕引起的碳流失，最終實(shí)現(xiàn)固土保水的功能，同時(shí)橫坡壟作可有效提高作物產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為10%～30%。

東北黑土坡耕地在侵蝕作用下土壤有機(jī)碳以泥沙結(jié)合態(tài)和徑流溶解態(tài)2種形式流失，通過土壤侵蝕作用搬運(yùn)、堆積埋藏及輸出流域等過程對(duì)坡耕地土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響，以往對(duì)黑土區(qū)土壤有機(jī)碳的研究主要集中于碳素空間分布格局、固碳潛力和保護(hù)性耕作措施的可行性上，對(duì)于坡耕地土壤有機(jī)碳流失特征的研究則多基于模擬降雨等室內(nèi)試驗(yàn)，缺乏野外田間條件下坡耕地水土流失和土壤有機(jī)碳變化特征的探究。因此，本試驗(yàn)選擇東北黑土典型坡耕地，探究橫坡壟作和順坡壟作在自然降雨驅(qū)動(dòng)下水土流失和土壤有機(jī)碳變化特征，為明確橫坡壟作保水固土，減少土壤有機(jī)碳損失的效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)，為東北黑土坡耕地的保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在黑龍江省綏化市青岡縣民政鎮(zhèn)進(jìn)化村(126°11′3.14″N，46°42′42.11″E)。該地處于松嫩平原腹地，是典型東北黑土區(qū)域，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔457 m，2018年最高氣溫22.1 ℃，最低氣溫-20.9 ℃，全年無霜期130天左右，年平均降水量約為477 mm。試驗(yàn)開始于2017年4月，供試土壤為黏壤質(zhì)黑鈣土。供試坡耕地坡度約為7°，長(zhǎng)為85 m，寬為16 m，總面積1 360 m。本試驗(yàn)實(shí)施期為2017—2019年，日平均溫度和降雨量見圖1。不同坡位土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)2017-2019年日均氣溫和降水量

表1 坡耕地土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)坡耕地設(shè)置為農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作與保護(hù)性耕作措施的橫坡壟作2種耕作措施，根據(jù)試驗(yàn)地坡度變化，將長(zhǎng)為85 m，寬為16 m，總面積1 360 m的試驗(yàn)坡耕地從坡上到坡下劃分為坡頂、坡肩、坡背和坡趾4個(gè)坡位，其中坡頂長(zhǎng)15 m，坡肩長(zhǎng)25 m，坡背長(zhǎng)30 m，坡趾長(zhǎng)15 m，在坡頂至坡肩位置、坡肩至坡背位置和坡址外安裝翻斗式徑流裝置(圖2)，用來收集從坡頂?shù)狡录纭⑵马數(shù)狡卤?、坡頂流出坡址的徑流樣品?/p>

圖2 坡耕地試驗(yàn)示意 徑流量(L)=V×N

1.3 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

(1)水土流失監(jiān)測(cè)：本試驗(yàn)采用的翻斗式徑流儀翻斗大小為1.5 L，并連接降雨驅(qū)動(dòng)的徑流水事件計(jì)數(shù)器，按照計(jì)數(shù)器記錄翻斗反轉(zhuǎn)次數(shù)與翻斗體積計(jì)算徑流量；在翻斗計(jì)下方安裝帶濾網(wǎng)的水桶收集泥沙及徑流水樣，按次降雨事件收集泥沙合為每年總產(chǎn)沙量。在2017—2019年為期3年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，僅有2018年獲得了完整降雨驅(qū)動(dòng)下的水土流失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本文選取2018年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

式中：為翻斗儀的體積(1.5 L)；為計(jì)數(shù)器儲(chǔ)存的翻斗翻動(dòng)次數(shù)。

(2)泥沙中有機(jī)碳含量和徑流水中可溶性有機(jī)碳碳(DOC)的測(cè)定：每次降雨后立即取回裝置中收集的泥沙及徑流水樣。將泥沙風(fēng)干后，過100目篩，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定泥沙中有機(jī)碳含量。將徑流水樣品搖勻以5 000 r/min的速度用離心機(jī)離心1 h，上層清液過0.45 μm濾膜抽濾，濾液用于測(cè)定DOC含量。

(3)玉米產(chǎn)量及土壤有機(jī)碳含量測(cè)定：秋收后采用五點(diǎn)取樣法，用土鉆分0—20，20—40 cm土層取土，曬干過100目篩，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

(4)玉米產(chǎn)量測(cè)定：作物成熟期后在每個(gè)坡位隨機(jī)采集玉米10株，計(jì)算平均穗粒數(shù)后，105 ℃殺青30 min，55 ℃恒溫烘干測(cè)干重，并通過各坡位面積估算每公頃產(chǎn)量。

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、多重比較(Duncan法)，Excel 2019和OriginPro 2019軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同壟作措施地表徑流量及泥沙流失量

通過監(jiān)測(cè)顯示，坡耕地地表徑流主要集中產(chǎn)生于6—8月的雨季(圖3)，順坡壟作地表徑流總量為8 479.7 L，橫坡壟作的地表徑流總量?jī)H為順坡壟作的3.2%，為274.5 L。順坡壟作遷移泥沙總量為8 455.1 kg/hm，橫坡壟作遷移泥沙總量為587.1 kg/hm，僅為順坡壟作的6.9%。說明橫坡壟作對(duì)比農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作可以有效減少東北黑土坡耕地的地表產(chǎn)流量及遷移泥沙量。

圖3 2種壟作措施流經(jīng)各坡位地表徑流量

從不同坡位分析，順坡壟作產(chǎn)流量的92.5%和產(chǎn)沙量的81.0%流經(jīng)坡頂至坡趾的整個(gè)坡面區(qū)域(圖4)，說明農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作無法對(duì)集中降雨時(shí)產(chǎn)生的徑流進(jìn)行有效攔截，大部分徑流及其所裹挾的泥沙遷移至坡趾部位甚至流出耕地，長(zhǎng)此以往造成坡耕地坡上部位侵蝕、坡下部位沉積的空間格局。橫坡壟作94.7%的產(chǎn)流量和99%的產(chǎn)沙量流經(jīng)坡頂至坡肩和坡頂至坡背位置，而流出坡趾部位的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量分別占總量的0.5%和1.0%，說明橫坡壟作坡肩與坡背位置體現(xiàn)出對(duì)地表徑流及坡面產(chǎn)沙的主要攔截功能。

圖4 2種壟作措施各坡位單位面積泥沙遷移量

2.2 不同壟作措施土壤有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳的遷移流失

不同壟作措施下土壤有機(jī)碳(SOC)及可溶性有機(jī)碳(DOC)遷移流失量差別顯著，橫坡壟作SOC遷移總量為25.0 kg/hm，僅為順坡壟作SOC遷移總量354.3 kg/hm的0.7%(圖5)；橫坡壟作隨水體遷移的DOC總量為1.6 kg/hm，僅為順坡壟作隨水體遷移DOC總量13.2 kg/hm的12.1%(圖6)，表明橫坡壟作相對(duì)于順坡壟作可明顯減少SOC與DOC的遷移總量。

圖5 2種壟作措施各坡位單位面積SOC流失量

圖6 2種壟作措施各坡位單位面積DOC流失量

按不同坡位分析，順坡壟作由坡頂流經(jīng)坡趾，最終從耕地流失的SOC量為283.2 kg/hm，占順坡壟作SOC遷移總量的79.9%，DOC流失量為12.4 kg/hm占DOC遷移總量的94.0%；而橫坡壟作措施下僅有SOC遷移量1.2%的和DOC遷移量5.6%流失出耕地，遷移總量98.8%的SOC和94.4%的DOC則被攔截在坡肩和坡背區(qū)域，表明橫坡壟作相對(duì)于農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作，在坡肩和坡背位置能有效防止因集中降雨導(dǎo)致的SOC及DOC的遷移流失。

2.3 不同壟作措施土壤有機(jī)碳的空間分布

經(jīng)過3年的不同壟作措施試驗(yàn)可以看出，橫坡壟作和順坡壟作1 m土體SOC含量均呈現(xiàn)隨土層加深而逐漸降低的態(tài)勢(shì)(圖7)。2019年秋收后測(cè)得4個(gè)坡位SOC含量為坡趾>坡頂>坡背>坡肩的空間分布特征，0—20 cm土層，橫坡壟作在坡頂、坡肩和坡趾土壤有機(jī)碳含量分別高于順坡壟作2.1%，4.3%和10.0%(>0.05)，而在坡背區(qū)域顯著高于順坡壟作12.4%(<0.05)(圖8)，表明橫坡壟作相對(duì)于順坡壟作在坡背區(qū)域表現(xiàn)出一定的固碳能力。

圖7 2019年2種壟作措施有機(jī)碳空間分布

注：圖中不同字母表示不同壟作措施間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.4 不同壟作措施黑土坡耕地玉米產(chǎn)量

橫坡壟作3年玉米的平均產(chǎn)量高于順坡壟作12.7%，表明將農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作改為橫坡壟作可以提高產(chǎn)量。橫坡壟作相較于順坡壟作玉米產(chǎn)量的提高主要體現(xiàn)在坡肩與坡背區(qū)域(圖9)，分別顯著提高21.2%，19.4%(<0.05)。在3年試驗(yàn)過程中，產(chǎn)量并不隨改壟年限的增加而呈逐漸增高的態(tài)勢(shì)，每年的產(chǎn)量均有所波動(dòng)，尤其是改壟后第1年橫坡壟作坡趾的產(chǎn)量低于順坡壟作，第2年和第3年橫坡壟作高于順坡壟作產(chǎn)量的幅度也不相同。

圖9 2017-2020年2種壟作措施各坡位平均產(chǎn)量

3 討 論

方華軍等利用Cs技術(shù)探究黑土坡耕地侵蝕特征的結(jié)果表明，順坡壟作坡肩和坡背區(qū)域Cs含量最低侵蝕最為強(qiáng)烈；魏守才通過野外定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，坡耕地0—30 cm土層中坡肩部位SOC含量最低，且與其他坡位有顯著性差異，這與本試驗(yàn)順坡壟作坡肩和坡背部位侵蝕最為強(qiáng)烈、SOC含量最低的結(jié)果基本一致。不同學(xué)者基于室內(nèi)模擬或小區(qū)試驗(yàn)探究東北黑土坡耕地不同雨強(qiáng)下橫順坡壟作土壤侵蝕特征時(shí)表明，在<50 mm/h(保證橫坡壟作不斷壟)的雨強(qiáng)下試驗(yàn)結(jié)果與本試驗(yàn)基本相同，均說明橫坡壟作對(duì)比順坡壟作可以極顯著減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量及土壤有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳的流失，但由于室內(nèi)模擬及小區(qū)試驗(yàn)面積的限制，無法在較短長(zhǎng)度的模擬降雨裝置和小面積的區(qū)試驗(yàn)上體現(xiàn)出2種壟作方式坡位間的差異，尤其是無法確定橫坡壟作對(duì)水土流失的主要攔截區(qū)域。而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在田間試驗(yàn)條件下，橫坡壟作對(duì)徑流、泥沙及二者所裹挾SOC和DOC的主要攔截坡位是坡肩和坡背區(qū)域，經(jīng)過3年的改壟試驗(yàn)，從橫坡壟作坡肩和坡背位置SOC變化中也證實(shí)了這一點(diǎn)。試驗(yàn)進(jìn)行的3年中，橫坡壟作對(duì)比順坡壟作玉米的產(chǎn)量也在坡肩和坡背2個(gè)區(qū)域有顯著提升，坡肩部位提升9.7%～23.5%，坡背部位提升10.1%～28.0%，說明橫坡壟作對(duì)比順坡壟作，減少土壤侵蝕、有機(jī)碳流失和提升耕地生產(chǎn)力的主要作用部位是坡肩和坡背。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，在>75 mm/h強(qiáng)降雨下，橫坡壟作會(huì)發(fā)生“斷壟”現(xiàn)象，并出現(xiàn)十分劇烈的水土流失，加大泥沙損失量。但本試驗(yàn)在田間監(jiān)測(cè)的條件下，橫坡壟作未出現(xiàn)斷壟現(xiàn)象，這是由于室內(nèi)模擬試驗(yàn)未充分考慮實(shí)際耕作中作物對(duì)雨水的攔截作用，由于東北地區(qū)強(qiáng)降雨事件多集中于7，8月，而此時(shí)東北地區(qū)玉米正值大喇叭口期，玉米葉面積指數(shù)(LAI)達(dá)到5～6，地表土壤的透光率僅為葉片上層的14%，作物葉片有效攔截降雨避免雨滴直接沖擊土壤表層，削弱雨滴對(duì)土壤的剪切力，因此在實(shí)際耕作過程中未出現(xiàn)斷壟現(xiàn)象。未來氣候變化下，極端降雨事件頻率和降雨量都將增加，這種降雨變化對(duì)東北地區(qū)坡耕地土壤侵蝕及土壤有機(jī)碳遷移流失特征的影響還有待于長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測(cè)研究。

4 結(jié) 論

(1)橫坡壟作相對(duì)于順坡壟作可有效減少黑土坡耕地產(chǎn)生地表徑流和泥沙總量，減少SOC和DOC損失。橫坡壟作相對(duì)于順坡壟作能顯著減少年徑流總量97.1%，泥沙總量93.1%，SOC損失總量99.9%和DOC損失總量99.3%。

(2)橫坡壟作相比于順坡壟作，坡肩與坡背是攔截SOC和DOC的主要坡位，分別攔截兩者遷移量的98.8%和94.4%。

(3)橫坡壟作相對(duì)于順坡壟作提高玉米產(chǎn)量，突出表現(xiàn)在坡肩與坡背部位，分別顯著提高21.2%，19.4%(<0.05)。