耕作措施對玉米生長期黃壤坡耕地徑流及可溶性有機碳流失的影響

安龍龍， 鄭子成， 王永東， 李廷軒， 楊李嬌

(四川農業大學資源學院，成都 611130)

可溶性有機碳(dissolved organic carbon，DOC)是土壤碳素中極為活躍的化學組分之一，易受徑流對土壤的浸提作用而發生遷移，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，降雨是誘發徑流產生和養分流失的主要驅動力。隨降雨強度的增大，坡面徑流中碳素流失量增大，碳素流失量與降雨強度之間存在明顯線性關系。降雨過程中，植被可以對坡面起到良好的保護作用。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碳的浸提作用，植被覆蓋度的提高有效防止了土壤中有機碳的流失。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性耕作措施之一，能夠有效控制地表徑流，減少坡面養分流失。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，區域內水土流失較為嚴重。玉米作為該區域主栽作物，具有生育期與降雨期相重疊的特點。目前學者雖開展了大量相關研究，但多集中于紫色土區、紅壤區、黃土區等，且多采用人工模擬降雨的方法，而針對山地黃壤區的研究較少，且自然降雨、植被覆蓋存在動態變化差異，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，采用野外徑流小區定位監測與室內分析相結合的方法，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流失差異進行分析，以期服務于山地黃壤區坡耕地有機碳流失有效防控與農業可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川農業大學教學科研園內(31°00′34″N，103°36′52″E)，地處岷江上游與中游結合部的出山口，隸屬于都江堰市灌口鎮。屬中亞熱帶濕潤氣候區，多年平均降水量1 218.4 mm，夏玉米為當地主栽作物。

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 基于研究區野外實地調查，結合當地坡耕地分布特點，設置試驗小區為4 m×2 m，坡度設置為15°?；谘芯繀^降雨特征和黃壤特點，徑流小區設置地表徑流和壤中流(0-20，20-40 cm)收集裝置(圖1)。

圖1 徑流小區示意

根據當地農耕習慣，設置順坡壟作、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3個重復，共計9個徑流小區。于2020年4月上旬，供試玉米品種為當地主栽品種“資玉22號”，采用壟面穴播，單行雙株種植。每個小區栽種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，于玉米拔節期追施尿素140 kg/hm，其他管理措施與當地農耕習慣一致。

1.2.2 測定項目及方法 降雨特征：降雨測量采用雨量筒法；根據中國氣象局頒布的降雨等級劃分標準(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質量濃度測定：經0.45 μm濾膜過濾后，采用總有機碳分析儀(Vario TOC)測定。

1.2.3 數據處理及分析 可溶性有機碳流失通量的計算公式為：

=×

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

試驗數據采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，選擇LSD法進行多重比較，采用Origin 2018和Excel 2016軟件進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 玉米生長期坡耕地徑流特征

2.1.1 坡耕地降雨特征 研究區玉米全生育期共監測到侵蝕性降雨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，中雨主要出現于玉米苗期，大雨主要出現于抽雄期，暴雨除玉米成熟期外均有出現，大暴雨全部出現于玉米成熟期。玉米生長期次降雨量7.45～273.27 mm，累計降雨量達1 005.70 mm，拔節期降雨場次最少，降雨量最??；成熟期降雨場次最多，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，地表徑流總體表現為成熟期>抽雄期>拔節期、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不同耕作措施差異顯著(p<0.05)；上標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，0-20 cm壤中流總體表現為成熟期>抽雄期、苗期>拔節期。順坡壟作0-20 cm壤中流表現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壤中流呈現出平作>橫坡壟作的現象。玉米拔節期暴雨、抽雄期和成熟期大暴雨等級下0-20 cm壤中流表現出順坡壟作>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，20-40 cm壤中流呈現出成熟期顯著大于其他生育期的現象。順坡壟作20-40 cm壤中流表現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壤中流呈現出順坡壟作>平作的現象，順坡壟作是平作的3.26倍。玉米成熟期中雨、大雨等級下表現為順坡壟作>平作的現象。玉米成熟期大暴雨等級下表現出順坡壟作>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流失通量表現為平作>橫坡壟作的現象，大雨等級下DOC流失通量卻表現為平作>順坡壟作、橫坡壟作的現象。經分析可知，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通量呈現成熟期顯著大于其他生育期的現象。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通量表現為平作>順坡壟作、橫坡壟作，暴雨等級下表現為順坡壟作>橫坡壟作。玉米拔節期，暴雨等級下DOC通量表現為順坡壟作>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壤中流可溶性有機碳流失通量特征

由圖8可知，20-40 cm壤中流DOC通量呈現成熟期顯著大于其他生育期的現象。順坡壟作DOC通量隨雨量等級增加而增加，平作在拔節期，橫坡壟作在苗期、成熟期表現出相同的趨勢。玉米拔節期，暴雨等級下20—40 cm壤中流DOC通量表現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壤中流可溶性有機碳流失通量特征

2.3 玉米生長期徑流與DOC通量的關系

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DOC通量表現出隨降雨量、徑流量增加而增加的趨勢，總DOC通量與降雨量、徑流量均呈現線性關系，擬合系數均大于0.81，擬合度較高，均呈極顯著正相關。

圖9 降雨量和徑流量與坡面DOC通量的關系

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雨強、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性極低，隨降雨級別增加，徑流與降雨特征呈現良好的線性關系。研究區內大暴雨等級降雨全部發生于玉米成熟期，且成熟期內降雨場次最多，高強度的降雨是造成坡面水土及養分流失的主要驅動因素。隨玉米生育期推進，植被覆蓋度在抽雄期達到最大，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象明顯，產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致成熟期徑流量明顯增加。地表徑流量總體表現為順坡壟作、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匯集，促進了坡面徑流的下滲，減少了地表徑流量，這與鄭江坤等研究結果相似。壤中流需經土壤充分下滲，且變化較為復雜，受降雨強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現，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，土壤含水率較高時加劇了溶解性有機質流動的和滲出。根系分泌物是土壤有機碳的主要來源，隨玉米生育期推進根系分泌物逐漸增加，土壤有機碳含量顯著提高，加劇了徑流對土壤有機碳的浸提作用，上述因素共同作用導致成熟期DOC流失量加劇。地表徑流DOC流失量表現為順坡壟作>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間，對土壤的浸提作用加強，20-40 cm壤中流DOC濃度增加。這與王雙等對于該地區土壤氮素流失的研究具有相似之處。

4 結 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。研究區玉米成熟期以大暴雨降雨為主，且降雨場次最多，應注意玉米成熟期坡耕地水土資源與有機碳流失。

(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，研究區徑流及DOC流失的主要途徑為地表徑流。

(3)玉米全生育期內，坡面徑流量及DOC流失量受耕作措施影響顯著，總體表現為順坡壟作>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。橫坡壟作可以有效減少坡面水土及可溶性有機碳流失，是研究區內較好的保護性耕作措施之一。