耕作措施對玉米生長期黃壤坡耕地徑流及可溶性有機(jī)碳流失的影響

安龍龍， 鄭子成， 王永東， 李廷軒， 楊李嬌

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130)

可溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)是土壤碳素中極為活躍的化學(xué)組分之一，易受徑流對土壤的浸提作用而發(fā)生遷移，從而造成土壤碳庫的損失，加速土壤“碳排放”，致使大氣CO濃度升高。坡耕地是水土流失的主要策源地，坡面水土資源及有機(jī)碳流失受到降雨特征、植被覆蓋和耕作措施等方面的影響顯著。有研究表明，降雨是誘發(fā)徑流產(chǎn)生和養(yǎng)分流失的主要驅(qū)動(dòng)力。隨降雨強(qiáng)度的增大，坡面徑流中碳素流失量增大，碳素流失量與降雨強(qiáng)度之間存在明顯線性關(guān)系。降雨過程中，植被可以對坡面起到良好的保護(hù)作用。提高植被覆蓋度，可以抑制徑流沖刷，減輕降雨對土壤顆粒有機(jī)碳的浸提作用，植被覆蓋度的提高有效防止了土壤中有機(jī)碳的流失。合理的耕作措施不僅可有效減少坡面水土流失，也有利于土壤碳固持。橫壟措施作為良好的保護(hù)性耕作措施之一，能夠有效控制地表徑流，減少坡面養(yǎng)分流失。黃壤是四川省旱坡耕地第二大土壤類型，主要分布在東部盆地及其盆周山區(qū)，區(qū)域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重。玉米作為該區(qū)域主栽作物，具有生育期與降雨期相重疊的特點(diǎn)。目前學(xué)者雖開展了大量相關(guān)研究，但多集中于紫色土區(qū)、紅壤區(qū)、黃土區(qū)等，且多采用人工模擬降雨的方法，而針對山地黃壤區(qū)的研究較少，且自然降雨、植被覆蓋存在動(dòng)態(tài)變化差異，不同耕作措施下坡耕地DOC流失特征尚不明確。鑒于此，本研究以黃壤坡耕地為對象，采用野外徑流小區(qū)定位監(jiān)測與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，開展自然降雨條件下不同耕作措施下玉米生長期坡耕地有機(jī)碳流失特征研究，并就不同耕作措施間徑流及DOC流失差異進(jìn)行分析，以期服務(wù)于山地黃壤區(qū)坡耕地有機(jī)碳流失有效防控與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研園內(nèi)(31°00′34″N，103°36′52″E)，地處岷江上游與中游結(jié)合部的出山口，隸屬于都江堰市灌口鎮(zhèn)。屬中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量1 218.4 mm，夏玉米為當(dāng)?shù)刂髟宰魑铩?/p>

土壤類型為黃壤，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為36.30%，22.50%，41.20%，pH為6.92，土壤有機(jī)碳、全氮含量分別為11.69，1.46 g/kg，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為26.18，67.92，69.19 mg/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區(qū) 基于研究區(qū)野外實(shí)地調(diào)查，結(jié)合當(dāng)?shù)仄赂胤植继攸c(diǎn)，設(shè)置試驗(yàn)小區(qū)為4 m×2 m，坡度設(shè)置為15°。基于研究區(qū)降雨特征和黃壤特點(diǎn)，徑流小區(qū)設(shè)置地表徑流和壤中流(0-20，20-40 cm)收集裝置(圖1)。

圖1 徑流小區(qū)示意

根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣，設(shè)置順坡壟作、平作和橫坡壟作3種措施，壟高20 cm，壟寬50 cm，壟距90 cm。每種措施設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)徑流小區(qū)。于2020年4月上旬，供試玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N“資玉22號”，采用壟面穴播，單行雙株種植。每個(gè)小區(qū)栽種16株，株距45 cm，行距90 cm。播種前施基肥尿素(N 46.4%)140 kg/hm，過磷酸鈣(PO12%)75 kg/hm和氯化鉀(KO 60.0%)75 kg/hm，于玉米拔節(jié)期追施尿素140 kg/hm，其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣一致。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法 降雨特征：降雨測量采用雨量筒法；根據(jù)中國氣象局頒布的降雨等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 28592—2012)劃分雨量等級。

徑流量：采用體積法測定地表徑流量和壤中流量。待水體靜置澄清后用250 mL聚乙烯塑料瓶分別采集地表徑流與壤中流樣。

DOC質(zhì)量濃度測定：經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，采用總有機(jī)碳分析儀(Vario TOC)測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理及分析 可溶性有機(jī)碳流失通量的計(jì)算公式為：

=×

式中：為徑流可溶性有機(jī)碳遷移通量(mg/m)；為徑流可溶性有機(jī)碳遷移質(zhì)量濃度(mg/L)；為單位面積徑流量(L/m)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇LSD法進(jìn)行多重比較，采用Origin 2018和Excel 2016軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生長期坡耕地徑流特征

2.1.1 坡耕地降雨特征 研究區(qū)玉米全生育期共監(jiān)測到侵蝕性降雨17場，其中4場中雨、7場大雨、3場暴雨和3場大暴雨。由圖2可知，中雨主要出現(xiàn)于玉米苗期，大雨主要出現(xiàn)于抽雄期，暴雨除玉米成熟期外均有出現(xiàn)，大暴雨全部出現(xiàn)于玉米成熟期。玉米生長期次降雨量7.45～273.27 mm，累計(jì)降雨量達(dá)1 005.70 mm，拔節(jié)期降雨場次最少，降雨量最?。怀墒炱诮涤陥龃巫疃?，降雨量最大，成熟期降雨量占總降雨量的69.27%。

注：MI表示中雨等級;HI表示大雨等級;RI表示暴雨等級;DI表示大暴雨等級。下同。圖2 玉米生長期降雨特征

2.1.2 地表徑流特征 由圖3可知，隨玉米生育期推進(jìn)，地表徑流總體表現(xiàn)為成熟期>抽雄期>拔節(jié)期、苗期，玉米各生育期地表徑流受雨量等級影響顯著。玉米苗期，中雨等級下順坡壟作地表徑流顯著高于其他耕作措施。玉米成熟期，大雨等級下平作地表徑流顯著高于橫坡壟作，大暴雨等級下則呈現(xiàn)出順坡壟作>平作>橫坡壟作的趨勢，其中順坡壟作與平作地表徑流分別是橫坡壟作的1.18，1.11倍。

注：圖柱上不同小寫字母表示同一生育期內(nèi)不同耕作措施差異顯著(p<0.05)；上標(biāo)不同小寫字母表示同一生育期不同雨量等級間差異顯著(p<0.05)。下同。圖3 不同耕作措施下玉米季地表徑流量變化特征

2.1.3 壤中流特征 由圖4可知，隨玉米生育期推進(jìn)，0-20 cm壤中流總體表現(xiàn)為成熟期>抽雄期、苗期>拔節(jié)期。順坡壟作0-20 cm壤中流表現(xiàn)出隨雨量等級增加而增加的趨勢，平作除抽雄期、橫坡壟作在成熟期表現(xiàn)出相同的變化趨勢。玉米苗期，暴雨等級下0-20 cm壤中流呈現(xiàn)出平作>橫坡壟作的現(xiàn)象。玉米拔節(jié)期暴雨、抽雄期和成熟期大暴雨等級下0-20 cm壤中流表現(xiàn)出順坡壟作>平作、橫坡壟作的趨勢，順坡壟作分別是平作的2.02，1.73，1.57倍，是橫坡壟作的2.10，2.38，1.55倍。

圖4 不同耕作措施下玉米季0-20 cm壤中流量變化特征

由圖5可知，隨玉米生育期推進(jìn)，20-40 cm壤中流呈現(xiàn)出成熟期顯著大于其他生育期的現(xiàn)象。順坡壟作20-40 cm壤中流表現(xiàn)出隨雨量等級增加而增加的趨勢，平作與橫坡壟作僅在成熟期表現(xiàn)出隨雨量等級增加而增加。玉米抽雄期，暴雨等級下20-40 cm壤中流呈現(xiàn)出順坡壟作>平作的現(xiàn)象，順坡壟作是平作的3.26倍。玉米成熟期中雨、大雨等級下表現(xiàn)為順坡壟作>平作的現(xiàn)象。玉米成熟期大暴雨等級下表現(xiàn)出順坡壟作>平作、橫坡壟作的趨勢，順坡壟作是平作的1.79倍，是橫坡壟作的1.77倍。

圖5 不同耕作措施下玉米季20-40 cm壤中流量變化特征

2.2 玉米生長期坡耕地DOC流失特征

2.2.1 地表徑流DOC流失通量 由圖6可知，玉米生長期地表徑流DOC通量與地表徑流的變化趨勢較為一致，玉米各生育期地表徑流DOC流失通量受雨量等級影響顯著，均隨雨量等級的增加而呈增加的趨勢。玉米苗期，大雨、暴雨等級下順坡壟作DOC流失通量顯著高于其他耕作措施。玉米拔節(jié)期，中雨等級下平作DOC流失通量顯著低于其他耕作措施。玉米抽雄期，大雨等級下順坡壟作DOC流失通量顯著高于其他耕作措施。玉米成熟期，中雨等級下DOC流失通量表現(xiàn)為平作>橫坡壟作的現(xiàn)象，大雨等級下DOC流失通量卻表現(xiàn)為平作>順坡壟作、橫坡壟作的現(xiàn)象。經(jīng)分析可知，大暴雨等級下順坡壟作DOC流失通量是橫坡壟作的1.19倍。

圖6 不同耕作措施下玉米季地表徑流可溶性有機(jī)碳流失通量特征

2.2.2 壤中流DOC流失通量 由圖7可知，0-20 cm壤中流DOC通量呈現(xiàn)成熟期顯著大于其他生育期的現(xiàn)象。除抽雄期外，玉米各生育期DOC通量隨雨量等級增加而呈增加趨勢。玉米苗期，大雨等級下DOC通量表現(xiàn)為平作>順坡壟作、橫坡壟作，暴雨等級下表現(xiàn)為順坡壟作>橫坡壟作。玉米拔節(jié)期，暴雨等級下DOC通量表現(xiàn)為順坡壟作>平作、橫坡壟作。玉米抽雄期，大雨等級下橫坡壟作顯著小于其他耕作措施，暴雨等級下順坡壟作顯著大于其他耕作措施。玉米成熟期，大雨等級下表現(xiàn)為順坡壟作>平作、橫坡壟作，順坡壟作流失量分別是平作的2.22倍，是橫坡壟作的1.86倍。

圖7 不同耕作措施下玉米季0-20 cm壤中流可溶性有機(jī)碳流失通量特征

由圖8可知，20-40 cm壤中流DOC通量呈現(xiàn)成熟期顯著大于其他生育期的現(xiàn)象。順坡壟作DOC通量隨雨量等級增加而增加，平作在拔節(jié)期，橫坡壟作在苗期、成熟期表現(xiàn)出相同的趨勢。玉米拔節(jié)期，暴雨等級下20—40 cm壤中流DOC通量表現(xiàn)為順坡壟作顯著大于橫坡壟作。玉米成熟期，中雨、大暴雨等級下順坡壟作DOC通量顯著大于其他措施，順坡壟作徑流量分別是平作的2.15，1.90倍，是橫坡壟作的1.93，2.06倍。

圖8 不同耕作措施下玉米季20-40 cm壤中流可溶性有機(jī)碳流失通量特征

2.3 玉米生長期徑流與DOC通量的關(guān)系

由表1可知，玉米全生育期地表徑流DOC流失量占總流失量的66.07%～82.64%，0-20 cm壤中流DOC流失量占總流失量的7.04%～21.86%，20-40 cm壤中流的DOC流失量占總流失量的6.80%～17.84%。順坡壟作與橫坡壟作坡面通過地表徑流流失的DOC在玉米拔節(jié)期最高，平作坡面通過地表徑流流失的DOC在玉米成熟期最高。

表1 不同途徑DOC流失量及流失比例

由圖9可知，玉米生育期內(nèi)DOC通量表現(xiàn)出隨降雨量、徑流量增加而增加的趨勢，總DOC通量與降雨量、徑流量均呈現(xiàn)線性關(guān)系，擬合系數(shù)均大于0.81，擬合度較高，均呈極顯著正相關(guān)。

圖9 降雨量和徑流量與坡面DOC通量的關(guān)系

3 討 論

徑流量隨雨量等級的增加而增加，在玉米成熟期徑流量最大。有研究表明，坡面水土流失主要受到極強(qiáng)雨強(qiáng)、極大降雨量的降雨類型所致，小雨量條件下黃壤坡面徑流與降雨特征相關(guān)性極低，隨降雨級別增加，徑流與降雨特征呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)大暴雨等級降雨全部發(fā)生于玉米成熟期，且成熟期內(nèi)降雨場次最多，高強(qiáng)度的降雨是造成坡面水土及養(yǎng)分流失的主要驅(qū)動(dòng)因素。隨玉米生育期推進(jìn)，植被覆蓋度在抽雄期達(dá)到最大，玉米成熟期，一方面植株及葉片逐漸枯萎，截留降雨作用減弱，穿透雨量增加，致使坡面徑流量增加；另一方面，玉米成熟期莖稈流現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生的莖稈流加劇了地表徑流的形成，加快了地表徑流的匯集速度，上述因素共同作用導(dǎo)致成熟期徑流量明顯增加。地表徑流量總體表現(xiàn)為順坡壟作、平作>橫坡壟作的趨勢，這可能是由于順坡壟作壟溝方向與坡面水流方向一致，形成了良好的坡面徑流通道，且壟面高于坡面，徑流加速向壟溝匯聚，使得徑流量增加。而橫坡壟作坡面壟溝方向垂直于水流方向，對地表徑流起到了良好的阻擋作用，使得降雨與徑流在壟溝內(nèi)匯集，促進(jìn)了坡面徑流的下滲，減少了地表徑流量，這與鄭江坤等研究結(jié)果相似。壤中流需經(jīng)土壤充分下滲，且變化較為復(fù)雜，受降雨強(qiáng)度和降雨再分配作用影響較小，不同耕作措施間變化趨勢與地表徑流基本一致。有研究表明，坡面水分下滲受到土壤容重的影響顯著，通過對不同耕作措施的土壤容重測定發(fā)現(xiàn)，順坡壟作壟面土壤容重分別為平作、橫坡壟作的0.88，0.86倍，這使得順坡壟作坡面具有較好的水分下滲條件，故壤中流也呈增加的變化趨勢。

DOC流失量隨雨量等級增加而增加，在玉米成熟期最大。DOC流失量由徑流量與濃度共同決定，除上述玉米成熟期徑流量增加顯著外，DOC主要由簡單的碳水化合物、氨基酸及有機(jī)酸組成，吸附能力受土壤溫度影響明顯，升溫有助于土壤對可溶性有機(jī)酸的吸附，本研究中玉米成熟期已處于秋季，相較于抽雄期溫度有所下降，土壤對DOC吸附能力衰減，DOC易于流失。土壤水分是影響DOC含量及其儲量的重要因素，在玉米成熟期降雨頻繁、降雨量大，土壤含水率高，土壤含水率較高時(shí)加劇了溶解性有機(jī)質(zhì)流動(dòng)的和滲出。根系分泌物是土壤有機(jī)碳的主要來源，隨玉米生育期推進(jìn)根系分泌物逐漸增加，土壤有機(jī)碳含量顯著提高，加劇了徑流對土壤有機(jī)碳的浸提作用，上述因素共同作用導(dǎo)致成熟期DOC流失量加劇。地表徑流DOC流失量表現(xiàn)為順坡壟作>平作、橫坡壟作，這可能是由于平作坡面相較于順坡壟作坡面，地表粗糙度較小，相同的徑流小區(qū)下地表徑流與土壤的接觸面積減小，降低了徑流的浸提作用；而橫坡壟作坡面較低徑流量是導(dǎo)致橫坡壟作坡面DOC流失量小的主要原因。地表徑流DOC流失量占總流失量的74.90%，0-20 cm壤中流和20-40 cm壤中流分別只占11.97%，13.13%。地表徑流是本研究中DOC流失的主要途徑，0-20 cm壤中流和20-40 cm壤中流DOC流失量無顯著差異，但隨土層深度增加DOC濃度呈現(xiàn)增加的趨勢。這可能是由于徑流下滲過程中，增加了與土壤的接觸時(shí)間，對土壤的浸提作用加強(qiáng)，20-40 cm壤中流DOC濃度增加。這與王雙等對于該地區(qū)土壤氮素流失的研究具有相似之處。

4 結(jié) 論

(1)玉米季坡耕地徑流量及DOC流失量隨雨量等級增加而增加。研究區(qū)玉米成熟期以大暴雨降雨為主，且降雨場次最多，應(yīng)注意玉米成熟期坡耕地水土資源與有機(jī)碳流失。

(2)地表徑流量占總徑流量的78.98%，地表徑流DOC流失量占總流失量的74.90%；壤中流量與DOC流失通量占比較小，研究區(qū)徑流及DOC流失的主要途徑為地表徑流。

(3)玉米全生育期內(nèi)，坡面徑流量及DOC流失量受耕作措施影響顯著，總體表現(xiàn)為順坡壟作>平作、橫坡壟作。各耕作措施下DOC通量與降雨量、徑流量均呈線性正相關(guān)。橫坡壟作可以有效減少坡面水土及可溶性有機(jī)碳流失，是研究區(qū)內(nèi)較好的保護(hù)性耕作措施之一。