耕作措施对玉米生长期黄壤坡耕地径流及可溶性有机碳流失的影响

安龙龙， 郑子成， 王永东， 李廷轩， 杨李娇

(四川农业大学资源学院，成都 611130)

可溶性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)是土壤碳素中极为活跃的化学组分之一，易受径流对土壤的浸提作用而发生迁移，从而造成土壤碳库的损失，加速土壤“碳排放”，致使大气CO浓度升高。坡耕地是水土流失的主要策源地，坡面水土资源及有机碳流失受到降雨特征、植被覆盖和耕作措施等方面的影响显著。有研究表明，降雨是诱发径流产生和养分流失的主要驱动力。随降雨强度的增大，坡面径流中碳素流失量增大，碳素流失量与降雨强度之间存在明显线性关系。降雨过程中，植被可以对坡面起到良好的保护作用。提高植被覆盖度，可以抑制径流冲刷，减轻降雨对土壤颗粒有机碳的浸提作用，植被覆盖度的提高有效防止了土壤中有机碳的流失。合理的耕作措施不仅可有效减少坡面水土流失，也有利于土壤碳固持。横垄措施作为良好的保护性耕作措施之一，能够有效控制地表径流，减少坡面养分流失。黄壤是四川省旱坡耕地第二大土壤类型，主要分布在东部盆地及其盆周山区，区域内水土流失较为严重。玉米作为该区域主栽作物，具有生育期与降雨期相重叠的特点。目前学者虽开展了大量相关研究，但多集中于紫色土区、红壤区、黄土区等，且多采用人工模拟降雨的方法，而针对山地黄壤区的研究较少，且自然降雨、植被覆盖存在动态变化差异，不同耕作措施下坡耕地DOC流失特征尚不明确。鉴于此，本研究以黄壤坡耕地为对象，采用野外径流小区定位监测与室内分析相结合的方法，开展自然降雨条件下不同耕作措施下玉米生长期坡耕地有机碳流失特征研究，并就不同耕作措施间径流及DOC流失差异进行分析，以期服务于山地黄壤区坡耕地有机碳流失有效防控与农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川农业大学教学科研园内(31°00′34″N，103°36′52″E)，地处岷江上游与中游结合部的出山口，隶属于都江堰市灌口镇。属中亚热带湿润气候区，多年平均降水量1 218.4 mm，夏玉米为当地主栽作物。

土壤类型为黄壤，砂粒、粉粒和黏粒含量分别为36.30%，22.50%，41.20%，pH为6.92，土壤有机碳、全氮含量分别为11.69，1.46 g/kg，土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为26.18，67.92，69.19 mg/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 径流小区 基于研究区野外实地调查，结合当地坡耕地分布特点，设置试验小区为4 m×2 m，坡度设置为15°。基于研究区降雨特征和黄壤特点，径流小区设置地表径流和壤中流(0-20，20-40 cm)收集装置(图1)。

图1 径流小区示意

根据当地农耕习惯，设置顺坡垄作、平作和横坡垄作3种措施，垄高20 cm，垄宽50 cm，垄距90 cm。每种措施设3个重复，共计9个径流小区。于2020年4月上旬，供试玉米品种为当地主栽品种“资玉22号”，采用垄面穴播，单行双株种植。每个小区栽种16株，株距45 cm，行距90 cm。播种前施基肥尿素(N 46.4%)140 kg/hm，过磷酸钙(PO12%)75 kg/hm和氯化钾(KO 60.0%)75 kg/hm，于玉米拔节期追施尿素140 kg/hm，其他管理措施与当地农耕习惯一致。

1.2.2 测定项目及方法 降雨特征：降雨测量采用雨量筒法；根据中国气象局颁布的降雨等级划分标准(GB/T 28592—2012)划分雨量等级。

径流量：采用体积法测定地表径流量和壤中流量。待水体静置澄清后用250 mL聚乙烯塑料瓶分别采集地表径流与壤中流样。

DOC质量浓度测定：经0.45 μm滤膜过滤后，采用总有机碳分析仪(Vario TOC)测定。

1.2.3 数据处理及分析 可溶性有机碳流失通量的计算公式为：

=×

式中：为径流可溶性有机碳迁移通量(mg/m)；为径流可溶性有机碳迁移质量浓度(mg/L)；为单位面积径流量(L/m)。

试验数据采用SPSS 22.0软件进行统计分析，选择LSD法进行多重比较，采用Origin 2018和Excel 2016软件进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 玉米生长期坡耕地径流特征

2.1.1 坡耕地降雨特征 研究区玉米全生育期共监测到侵蚀性降雨17场，其中4场中雨、7场大雨、3场暴雨和3场大暴雨。由图2可知，中雨主要出现于玉米苗期，大雨主要出现于抽雄期，暴雨除玉米成熟期外均有出现，大暴雨全部出现于玉米成熟期。玉米生长期次降雨量7.45～273.27 mm，累计降雨量达1 005.70 mm，拔节期降雨场次最少，降雨量最小；成熟期降雨场次最多，降雨量最大，成熟期降雨量占总降雨量的69.27%。

注：MI表示中雨等级;HI表示大雨等级;RI表示暴雨等级;DI表示大暴雨等级。下同。图2 玉米生长期降雨特征

2.1.2 地表径流特征 由图3可知，随玉米生育期推进，地表径流总体表现为成熟期>抽雄期>拔节期、苗期，玉米各生育期地表径流受雨量等级影响显著。玉米苗期，中雨等级下顺坡垄作地表径流显著高于其他耕作措施。玉米成熟期，大雨等级下平作地表径流显著高于横坡垄作，大暴雨等级下则呈现出顺坡垄作>平作>横坡垄作的趋势，其中顺坡垄作与平作地表径流分别是横坡垄作的1.18，1.11倍。

注：图柱上不同小写字母表示同一生育期内不同耕作措施差异显著(p<0.05)；上标不同小写字母表示同一生育期不同雨量等级间差异显著(p<0.05)。下同。图3 不同耕作措施下玉米季地表径流量变化特征

2.1.3 壤中流特征 由图4可知，随玉米生育期推进，0-20 cm壤中流总体表现为成熟期>抽雄期、苗期>拔节期。顺坡垄作0-20 cm壤中流表现出随雨量等级增加而增加的趋势，平作除抽雄期、横坡垄作在成熟期表现出相同的变化趋势。玉米苗期，暴雨等级下0-20 cm壤中流呈现出平作>横坡垄作的现象。玉米拔节期暴雨、抽雄期和成熟期大暴雨等级下0-20 cm壤中流表现出顺坡垄作>平作、横坡垄作的趋势，顺坡垄作分别是平作的2.02，1.73，1.57倍，是横坡垄作的2.10，2.38，1.55倍。

图4 不同耕作措施下玉米季0-20 cm壤中流量变化特征

由图5可知，随玉米生育期推进，20-40 cm壤中流呈现出成熟期显著大于其他生育期的现象。顺坡垄作20-40 cm壤中流表现出随雨量等级增加而增加的趋势，平作与横坡垄作仅在成熟期表现出随雨量等级增加而增加。玉米抽雄期，暴雨等级下20-40 cm壤中流呈现出顺坡垄作>平作的现象，顺坡垄作是平作的3.26倍。玉米成熟期中雨、大雨等级下表现为顺坡垄作>平作的现象。玉米成熟期大暴雨等级下表现出顺坡垄作>平作、横坡垄作的趋势，顺坡垄作是平作的1.79倍，是横坡垄作的1.77倍。

图5 不同耕作措施下玉米季20-40 cm壤中流量变化特征

2.2 玉米生长期坡耕地DOC流失特征

2.2.1 地表径流DOC流失通量 由图6可知，玉米生长期地表径流DOC通量与地表径流的变化趋势较为一致，玉米各生育期地表径流DOC流失通量受雨量等级影响显著，均随雨量等级的增加而呈增加的趋势。玉米苗期，大雨、暴雨等级下顺坡垄作DOC流失通量显著高于其他耕作措施。玉米拔节期，中雨等级下平作DOC流失通量显著低于其他耕作措施。玉米抽雄期，大雨等级下顺坡垄作DOC流失通量显著高于其他耕作措施。玉米成熟期，中雨等级下DOC流失通量表现为平作>横坡垄作的现象，大雨等级下DOC流失通量却表现为平作>顺坡垄作、横坡垄作的现象。经分析可知，大暴雨等级下顺坡垄作DOC流失通量是横坡垄作的1.19倍。

图6 不同耕作措施下玉米季地表径流可溶性有机碳流失通量特征

2.2.2 壤中流DOC流失通量 由图7可知，0-20 cm壤中流DOC通量呈现成熟期显著大于其他生育期的现象。除抽雄期外，玉米各生育期DOC通量随雨量等级增加而呈增加趋势。玉米苗期，大雨等级下DOC通量表现为平作>顺坡垄作、横坡垄作，暴雨等级下表现为顺坡垄作>横坡垄作。玉米拔节期，暴雨等级下DOC通量表现为顺坡垄作>平作、横坡垄作。玉米抽雄期，大雨等级下横坡垄作显著小于其他耕作措施，暴雨等级下顺坡垄作显著大于其他耕作措施。玉米成熟期，大雨等级下表现为顺坡垄作>平作、横坡垄作，顺坡垄作流失量分别是平作的2.22倍，是横坡垄作的1.86倍。

图7 不同耕作措施下玉米季0-20 cm壤中流可溶性有机碳流失通量特征

由图8可知，20-40 cm壤中流DOC通量呈现成熟期显著大于其他生育期的现象。顺坡垄作DOC通量随雨量等级增加而增加，平作在拔节期，横坡垄作在苗期、成熟期表现出相同的趋势。玉米拔节期，暴雨等级下20—40 cm壤中流DOC通量表现为顺坡垄作显著大于横坡垄作。玉米成熟期，中雨、大暴雨等级下顺坡垄作DOC通量显著大于其他措施，顺坡垄作径流量分别是平作的2.15，1.90倍，是横坡垄作的1.93，2.06倍。

图8 不同耕作措施下玉米季20-40 cm壤中流可溶性有机碳流失通量特征

2.3 玉米生长期径流与DOC通量的关系

由表1可知，玉米全生育期地表径流DOC流失量占总流失量的66.07%～82.64%，0-20 cm壤中流DOC流失量占总流失量的7.04%～21.86%，20-40 cm壤中流的DOC流失量占总流失量的6.80%～17.84%。顺坡垄作与横坡垄作坡面通过地表径流流失的DOC在玉米拔节期最高，平作坡面通过地表径流流失的DOC在玉米成熟期最高。

表1 不同途径DOC流失量及流失比例

由图9可知，玉米生育期内DOC通量表现出随降雨量、径流量增加而增加的趋势，总DOC通量与降雨量、径流量均呈现线性关系，拟合系数均大于0.81，拟合度较高，均呈极显著正相关。

图9 降雨量和径流量与坡面DOC通量的关系

3 讨 论

径流量随雨量等级的增加而增加，在玉米成熟期径流量最大。有研究表明，坡面水土流失主要受到极强雨强、极大降雨量的降雨类型所致，小雨量条件下黄壤坡面径流与降雨特征相关性极低，随降雨级别增加，径流与降雨特征呈现良好的线性关系。研究区内大暴雨等级降雨全部发生于玉米成熟期，且成熟期内降雨场次最多，高强度的降雨是造成坡面水土及养分流失的主要驱动因素。随玉米生育期推进，植被覆盖度在抽雄期达到最大，玉米成熟期，一方面植株及叶片逐渐枯萎，截留降雨作用减弱，穿透雨量增加，致使坡面径流量增加；另一方面，玉米成熟期茎秆流现象明显，产生的茎秆流加剧了地表径流的形成，加快了地表径流的汇集速度，上述因素共同作用导致成熟期径流量明显增加。地表径流量总体表现为顺坡垄作、平作>横坡垄作的趋势，这可能是由于顺坡垄作垄沟方向与坡面水流方向一致，形成了良好的坡面径流通道，且垄面高于坡面，径流加速向垄沟汇聚，使得径流量增加。而横坡垄作坡面垄沟方向垂直于水流方向，对地表径流起到了良好的阻挡作用，使得降雨与径流在垄沟内汇集，促进了坡面径流的下渗，减少了地表径流量，这与郑江坤等研究结果相似。壤中流需经土壤充分下渗，且变化较为复杂，受降雨强度和降雨再分配作用影响较小，不同耕作措施间变化趋势与地表径流基本一致。有研究表明，坡面水分下渗受到土壤容重的影响显著，通过对不同耕作措施的土壤容重测定发现，顺坡垄作垄面土壤容重分别为平作、横坡垄作的0.88，0.86倍，这使得顺坡垄作坡面具有较好的水分下渗条件，故壤中流也呈增加的变化趋势。

DOC流失量随雨量等级增加而增加，在玉米成熟期最大。DOC流失量由径流量与浓度共同决定，除上述玉米成熟期径流量增加显著外，DOC主要由简单的碳水化合物、氨基酸及有机酸组成，吸附能力受土壤温度影响明显，升温有助于土壤对可溶性有机酸的吸附，本研究中玉米成熟期已处于秋季，相较于抽雄期温度有所下降，土壤对DOC吸附能力衰减，DOC易于流失。土壤水分是影响DOC含量及其储量的重要因素，在玉米成熟期降雨频繁、降雨量大，土壤含水率高，土壤含水率较高时加剧了溶解性有机质流动的和渗出。根系分泌物是土壤有机碳的主要来源，随玉米生育期推进根系分泌物逐渐增加，土壤有机碳含量显著提高，加剧了径流对土壤有机碳的浸提作用，上述因素共同作用导致成熟期DOC流失量加剧。地表径流DOC流失量表现为顺坡垄作>平作、横坡垄作，这可能是由于平作坡面相较于顺坡垄作坡面，地表粗糙度较小，相同的径流小区下地表径流与土壤的接触面积减小，降低了径流的浸提作用；而横坡垄作坡面较低径流量是导致横坡垄作坡面DOC流失量小的主要原因。地表径流DOC流失量占总流失量的74.90%，0-20 cm壤中流和20-40 cm壤中流分别只占11.97%，13.13%。地表径流是本研究中DOC流失的主要途径，0-20 cm壤中流和20-40 cm壤中流DOC流失量无显著差异，但随土层深度增加DOC浓度呈现增加的趋势。这可能是由于径流下渗过程中，增加了与土壤的接触时间，对土壤的浸提作用加强，20-40 cm壤中流DOC浓度增加。这与王双等对于该地区土壤氮素流失的研究具有相似之处。

4 结 论

(1)玉米季坡耕地径流量及DOC流失量随雨量等级增加而增加。研究区玉米成熟期以大暴雨降雨为主，且降雨场次最多，应注意玉米成熟期坡耕地水土资源与有机碳流失。

(2)地表径流量占总径流量的78.98%，地表径流DOC流失量占总流失量的74.90%；壤中流量与DOC流失通量占比较小，研究区径流及DOC流失的主要途径为地表径流。

(3)玉米全生育期内，坡面径流量及DOC流失量受耕作措施影响显著，总体表现为顺坡垄作>平作、横坡垄作。各耕作措施下DOC通量与降雨量、径流量均呈线性正相关。横坡垄作可以有效减少坡面水土及可溶性有机碳流失，是研究区内较好的保护性耕作措施之一。