侵蚀地貌中土壤团聚体碳、氮、磷含量变化及其环境风险

乔林明， 韩 慧， 贺高航， 王润泽， 王 蕊,2， 郭胜利,2

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

黄土高原是我国古老农业区，也是我国水土流失严重的地区。川地和塬面是黄土高原粮食生产的重要地貌类型，分别占黄土高原总生产面积的58.7%和41.3%。黄土高原土壤肥力贫瘠，“缺碳低氮贫磷”曾是黄土区土壤养分含量的主要特征，从而导致化肥大量投入。目前，我国化肥用量超过全球的30%，其中，黄河流域化肥用量占全国30%以上。随着化肥的持续投入，黄土高原塬面和川地农田土地生产力得到显著提高，粮食单产可达6 886～7 867 kg/hm，年产量约占全国粮食总产量的7.6%。但同时也增加了氮磷的面源污染和水体富营养化的风险。故而，了解塬面和川地农田土壤养分积累及其流失对水体环境的潜在威胁对确保区域的持续发展具有重要意义。

黄土高原土壤贫瘠，土壤养分含量在全国属于较低水平。80年代土壤普查数据表明，黄土高原大部分地区土壤为贫氮缺磷土壤。但80年代以来，随着化肥用量的增加，土壤养分逐渐提高改善，出现土壤氮磷积累问题。土壤养分随时间变化逐年升高，碳、氮、磷分别以每年0.84～3.76，0.06～0.22 g/kg和2.3～44.1 mg/kg的速率积累，致使个别土壤有效磷高达157.14 mg/kg。已有研究发现，塬面磷用量增加到233 kg/hm时，土壤磷残留就会超过90%，有效磷严重超过农学阈值，存在潜在环境风险，目前，土壤磷素已经开始由塬面向坡面和沟道扩展进入到水体环境中。贾珺杰等研究表明，该区域水体中的碳、氮流失量每月为11.52，2.19 kg/km；韩凤朋等发现，黄河中氮、磷高于53%来自上游面源污染，尤其在潼关断面处氮、磷高达90%以上；韩谞等进一步证明了黄河氮、磷负荷更多的是来自于农业生产。虽然，近期黄河输沙量有日益减缓的趋势，总氮和总磷排放量仍高达7.9万，1.1万t。更多研究也证实，河流水体中氮、磷含量与农田土壤氮、磷的积累有显著正相关关系，是河流水库水体富营养化的主要原因。综上可见，塬面与川地土壤碳氮磷的积累和流失对于黄土高原和黄河现有的水体环境至关重要。但目前大多数研究集中黄土区农田土壤肥力的改善，缺乏对黄土高原塬面和川地整个侵蚀地貌链条中土壤养分积累变化及其对水体环境风险的研究。

本研究以高塬沟壑区的典型小流域—王东沟小流域为对象，通过对比塬面系统(塬面—坡地—沟道系统)和川地系统(川地—河漫滩—河道)中不同侵蚀地貌类型土壤养分的变化，从土壤团聚体粒级的角度探讨黄土高原经过40多年的长期施肥后塬面和川地土壤养分利用和积累情况，讨论土壤养分积累及其流失对水体环境造成的潜在风险。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于陕西省长武县王东沟小流域(35°12′00″N，107°40′00″E)，该流域是高塬沟壑区的典型代表。流域面积为8.3 km，主沟控制面积6.3 km，沟壑密度为2.78条/km，土壤侵蚀模数已由治理前的1 860 t/km下降到895 t/km以下。塬面地势平坦，是粮果主要种植区，塬坡土壤侵蚀严重，是水土流失主要治理段，到沟底最大高差为280 m。塬面土地利用方式主要以果园和农田为主，坡面主要以林草地为主，靠近村庄附近也有果园。川地与塬坡和沟道相接，主要土地利用方式为农田和大棚，分布在河道两岸。流域内年平均降水量584 mm，多集中于7—9月，占全年降水量的57%，年平均气温9.1 ℃，无霜期171天，属于半干旱半湿润性季风气候。土壤主要类型为黑垆土，母质为深厚的中壤质马兰黄土，pH 8.4，有机质为11.2 g/kg，CaCO含量10.5%，黏粒含量24.0%，田间持水量25%，凋萎湿度10%。该流域为“陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站”所在地，1984年建站初，有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和有效磷(Olsen—P)含量分别为6.09，0.80，0.70 g/kg和3.00 mg/kg。

1.2 土壤样品采集与处理

1.2.1 样品采集 基于高塬沟壑区的地貌特征进行样品采集。塬面系统沿侵蚀链：塬面—坡地—沟道，采集塬面果园、农田和坡地果园土壤样品及沟道泥沙(王东村附近)，记为塬面果园、塬面农田、坡地果园和沟道泥沙。川地系统沿侵蚀链：川地—河漫滩—河道，采集设施大棚、农田和河漫滩土壤样品及河道泥沙(刘家河村和陈刘河村附近)，记为川地大棚、川地农田、河漫滩和河道泥沙。所有土壤样品均采集于2020年5—7月。果园采样在长势良好的相邻行的2棵果树连线上等距采5个样混为1个样品，可有效避免条带状施肥带来的养分分布不均问题，确保样品具有代表性。每个果园采5个混合样作为重复，共选取5个果园，采样深度为0—20 cm。农田和大棚采样按照“S”形5点采样法用土钻进行采集，大致以地块的中轴线或对角线画5个不同“S”形进行采样，将5个“S”形的各自混合样作为重复，采样深度和果园相同，每个塬面农田、川地大棚和川地农田各5个样地。沟道从沟头到出口设5个采样点，每个采样点5个重复。河道在邻近王东沟小流域的黑河上下游段设5个采样点，每个采样点5个重复，沿黑河河道采样，具体范围是从刘家河村(黑河流经王东沟小流域的上游段)到陈刘河村(黑河流经王东沟小流域的下游段)，选取河段长约4.5 km。共计采集土壤样品150个。为保证土壤团聚体不被破坏，所有样品均装入方形铝盒中带回实验室，过8 mm筛，自然风干备用，用以进行沉降分级，SOC、TN、TP和Olsen—P的测定。此外，在塬面采集了不同含磷梯度土壤，进行CaCl—P测定。

1.2.2 团聚体分级 试验采用沉降管法(settling tube)进行不同粒级土壤团聚体分级。沉降管主要由3部分组成，分别为沉降管、样品投放器、旋转水槽，其工作原理为斯托克斯定律(公式)。根据侵蚀环境条件下土壤团聚体迁移能力的大小将其分为3级，分别为<63，63～250，>250 μm。具体操作步骤：取200 g风干土样置于500 mL烧杯中，加入250 mL蒸馏水静置15 min，然后将水土混合样倒入样品投放器，使土壤颗粒在重力作用下沿静止水柱自上而下进行沉降，根据沉降时间转动旋转水槽来收集不同粒级团聚体颗粒，然后将收集到的土壤团聚体颗粒转移至塑料饭盒中静置待风干。

式中：为沉降速度(m/s)；为沉降管高度(m)，本研究为1 m；为沉降时间(s)，本试验中>250，63～250 μm粒级团聚体所需沉降时间分别为18，280 s，<63 μm团聚体通过静置收集。为沉降颗粒的直径(mm)；为重力加速度(N/kg)，本研究为9.81 N/kg；为固体颗粒平均密度(kg/m)，此处取值为2.65×10kg/m；为水的密度(kg/m)，1.0×10kg/m；为20 ℃时水的黏滞系数(Ns/m)，此处取值为1×10Ns/m。

1.2.3 样品测定和数据处理 SOC和TN用碳氮元素分析仪测定(Vario MAXCN, Elementar Co，德国)。TP用硫酸高氯酸消解—钼锑抗比色法测定，Olsen—P用NaHCO浸提—钼锑抗比色法测定，CaCl—P用CaCl浸提—钼锑抗比色法测定。用Excel 2019和SPSS 26.0软件进行数据处理和统计分析，Origin 2018软件进行绘图，CaCl—P和Olsen—P关系用SigmaPlot 14中的Piecewise函数进行分段拟合。

2 结果与分析

2.1 不同侵蚀地貌土壤养分含量与团聚体分布

土壤碳、氮、磷含量沿塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道变化存在显著差异(表1)。土壤有机碳随塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道呈现降低趋势，塬面显著高于坡地、沟道(8.49，6.72，4.52 g/kg)，川地显著高于河漫滩、河道(6.80，1.55，1.27 g/kg)；全氮表现出降低趋势，但塬面—坡地—沟道系统各地貌间无显著性差异(1.19，1.05，0.69 g/kg)，川地—河漫滩—河道系统中川地显著高于河漫滩、河道(1.00，0.36，0.38 g/kg)；全磷与有机碳变化相似，塬面显著高于坡地和沟道(1.23，0.88，0.60 g/kg)，川地显著高于河漫滩、河道(1.07，0.65，0.67 g/kg)；Olsen—P对地貌变化更敏感，沿侵蚀部位变化降低，塬面、坡地、沟道为51.80，18.80，5.92 mg/kg，川地、河漫滩、河道为27.40，4.35，5.73 mg/kg，且各地貌间差异显著。2个系统中塬面和川地土壤SOC、TN、TP、Olsen—P积累最高的，分别是上世纪80年代初的1.39，1.49，1.76，16.27倍和1.12，1.25，1.52，8.13倍，其中磷素积累最为明显。

塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道系统不同侵蚀地貌之间团聚体颗粒分布差异较大(表1)。塬面—坡地—沟道系统中<63 μm团聚体质量百分比沿塬面—坡地—沟道逐渐升高，由塬面最低(24.55%)升至沟道最高(39.65%)，增加了62%；63～250 μm团聚体质量百分比沿塬面—坡地—沟道降低，由塬面最高(59.93%)降低至沟道最低(42.17%)，降低了29%。川地—河漫滩—河道系统中<63 μm质量百分比沿川地—河漫滩—河道升高，在河漫滩中最高占51.15%；63～250，>250 μm聚体质量百分比沿川地—河漫滩—河道降低，其中，63～250 μm河漫滩最低，>250 μm河道最低。大团聚体含量的高低可作为判断土壤团聚体稳定性的指标之一，对比塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道系统发现，塬面—坡地—沟道系统大团聚体质量百分比明显高于川地—河漫滩—河道系统，而川地—河漫滩—河道系统小团聚体质量百分比明显大于川地—河漫滩—河道系统，这说明塬面—坡地—沟道系统的土壤团聚体稳定性高于川地—河漫滩—河道系统。

表1 不同侵蚀地貌类型土壤养分含量与团聚体分布特征

2.2 不同粒级团聚体有机碳含量变化

各侵蚀地貌单元中SOC含量沿塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道递减，与粒级大小关联紧密，除沟道、河漫滩和河道外，其他都随团聚体粒径减小而降低(图1)。塬面系统不同侵蚀地貌各粒级团聚体SOC含量随粒径减小差异缩小，>250 μm粒级团聚体各侵蚀地貌间差异显著，而63～250，<63 μm粒级无显著性差异。沟道SOC含量随粒径减小而升高，其中63～250，<63 μm粒级含量最高，这一粒级与其他侵蚀地貌间差异不显著，说明沟道中较小粒级颗粒或来源于塬面和坡地，也是沟道中SOC含量随粒径减小而升高的主要原因。川地系统中SOC含量随团聚体粒径减小而降低，但不同于塬面系统，河漫滩和河道中大团聚体SOC含量最高。塬面系统SOC含量整体高于川地系统，尤其是沟道中明显高于河漫滩和河道，具有较高的流失风险。

注：表示25%～75%，表示1.5IQR内的范围，——表示中位线，□表示均值；图柱上方不同大写字母表示同一侵蚀等级不同粒级间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一粒级不同侵蚀等级间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 不同粒级团聚体全氮含量变化

各侵蚀地貌中TN含量变化也沿塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道递减，沟道和河道TN含量最低(图2)。塬面系统同一侵蚀地貌下，TN含量随粒径减小而降低，但坡地中<63 μm粒级含量略高于63～250 μm粒级。同样，塬面系统不同侵蚀地貌同一粒级团聚体TN含量随粒径减小差异减小，>250 μm粒级团聚体各侵蚀地貌间差异显著，而63～250，<63 μm粒级无显著性差异。川地系统各侵蚀地貌部位TN含量变化与SOC一致，随团聚体粒径减小而降低，但河漫滩和河道大小团聚体中TN含量变化不同于川地大棚和川地农田，这可能与河漫滩和河道复杂的侵蚀—沉积条件变化相关。塬面系统和川地系统TN含量在塬面和川地较为接近，但沟道明显高于河漫滩和河道，也具有较高的流失风险。

2.4 不同粒级团聚体磷素含量变化

各侵蚀地貌中TP含量随塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道变化和团聚体粒径减小而降低，塬面和川地最高(1.87，1.38 g/kg)，沟道、河漫滩和河道最低(0.59，0.60，0.60 g/kg)，各侵蚀地貌间差异显著(图3)。塬面系统TP含量在团聚体粒级变化上表现为随粒径减小而降低，但塬面农田中<63 μm粒级含量却高于63～250 μm粒级。川地系统塬面TP含量也随粒径减小而降低，不同的是，河漫滩和河道TP<63 μm粒级含量也略高于63～250 μm粒级。

图2 不同侵蚀地貌类型团聚体土壤全氮含量变化

Olsen—P含量与TP有较好的一致性，各粒级团聚体中Olsen—P含量随塬面—坡地—沟道和川地—河漫滩—河道变化和粒径减小逐渐降低，在塬面系统最高积累可达99.02 mg/kg，川地系统最高积累达44.56 mg/kg(图4)。塬面系统中除塬面农田外，其他侵蚀地貌都随粒径减小而降低，塬面果园中>250，63～250，<63 μm粒级Olsen—P含量是沟道的12.18，13.49，15.42倍。川地系统中川地中Olsen—P含量随粒径减小而降低，但河漫滩和河道中中间粒级最低，川地大棚中>250，63～250，<63 μm粒级Olsen—P含量是河漫滩和河道的8.79，9.30，9.20倍和5.93，6.25，7.26倍。塬面系统Olsen—P含量明显高于川地系统，3种粒级塬面果园是川地大棚的2.06，2.36，2.22倍，沟道是河漫滩的1.49，1.63，1.33倍。上述结果表明，塬面系统积累严重。

图3 不同侵蚀地貌类型团聚体土壤全磷含量变化

图4 不同侵蚀地貌类型团聚体土壤有效磷含量变化

3 讨 论

3.1 不同侵蚀地貌下土壤养分积累特征

“米粮上塬下川”是黄土高原农业用地的主要分布模式，侵蚀环境中，塬面和川地中的碳、氮、磷含量显著高于坡地等其他侵蚀地貌，其中，大粒级团聚体中养分的含量显著高于小粒级团聚体。本研究结果与Liu等研究结果一致，可能与不同粒径团聚体有机质含量、微生物活性、酶活性等相关。上世纪80年代以来，化肥的持续大量投入，导致碳、氮、磷的积累显著高于其他侵蚀地貌。塬面SOC，TN，TP和Olsen—P积累最高，分别是坡地的1.26，1.13，1.40，2.76倍，沟道的1.88，1.72，2.05，8.75倍，这一积累值已显著高于先前已有研究结果。川地SOC、TN、TP和Olsen—P积累最高(图1～图4)，分别是河漫滩的4.39，2.78，1.65，6.30倍和河道的5.44，2.63，1.60，4.78倍，略低于塬面。总之，塬面和川地的土壤养分积累已经成为黄土高原农业面源污染的重要问题，威胁该区域的可持续发展，但黄土高原在这方面的研究较少，应广泛关注并采取措施。

3.2 不同侵蚀地貌下土壤团聚体分布特征

本研究发现，不同侵蚀地貌团聚体粒级分布差异明显，<63 μm粒级团聚体质量百分比在沟道、河道和河漫滩这些沉积部位显著升高，且川地系统<63 μm粒级质量百分比显著高于塬面系统(表1)。本研究中团聚体粒级分布特征与Zhong等用湿筛法分级结果基本一致，不同的是根据研究问题的不同，在最小粒级划分稍有区别，整体结果可以表明黄土高原土壤团聚体颗粒主要以<250 μm粒级的微团聚体为主。本研究结果表明，土壤颗粒在塬面—坡地—沟道或川地—河道系统中进行了重新分布，由于侵蚀过程对团聚体迁移具有一定的分选作用，大团聚体迁移性较弱，而小团聚体迁移性较强，是导致沉积部位沟道、河道和河漫滩中<63 μm粒级显著高于其他部位的主要原因，也解释了为什么川地系统<63 μm粒级质量百分比显著高于塬面系统。此外，研究区的团聚体分布特征也可能受到土地利用方式、耕作等其他条件的影响。

3.3 塬面和川地中磷素积累、迁移及其环境风险

侵蚀环境中，地表物质的迁移、重新分布是影响团聚体分布的重要因素，而土壤团聚体颗粒携带的氮磷元素迁移是导致水体富营养化的主要原因。在高塬沟壑区中，塬面和川地上农田土壤养分的积累为河流中富营养化带来了潜在威胁。已有研究表明，黄土区土壤有效磷缺乏，农田土壤Olsen—P一般低于5 mg/kg，目前，有效磷积累已是先前的3倍以上，甚至，沟道泥沙中的有效磷含量都达到5.92 mg/kg，接近塬面农田土壤80年代初的含量水平。这一结果表明，塬面小颗粒泥沙中磷素的迁移和积累，导致了沟道泥沙中磷素含量升高。

研究区塬面和川地中果园、大棚、农田土壤Olsen—P积累(>17.60 mg/kg)已经超过研究区农学阈值(13.96～22.05 mg/kg)，且TP和Olsen—P最小粒级含量已超过环境阈值，对环境危害极大。此外，发生水体富营养化的总氮和总磷阈值较低，总氮0.84～1.405 mg/L，总磷0.033～0.059 mg/L，高含量养分微团聚体颗粒迁移到水体中很容易达到这一临界值。作物产量随Olsen—P的增加而升高，但达到一定值后便不再增加，只会使磷在土壤中积累。土壤Olsen—P积累初期土壤可溶性磷较低，但随着积累量增加到环境阈值后，CaCl—P会激增，进而对水体环境产生危害(图5)。本研究表明，当Olsen—P低于31.23 mg/kg时，CaCl—P就会迅速增加，是之前增速的10.28倍(图6)。所以，如何确定既满足作物生长又无环境风险的施肥措施是黄土高原此方面研究的重要部分，应将土壤土壤养分含量控制在农学阈值和环境阈值之间，确保作物高产的同时缓解环境压力。

图5 土壤磷素含量与作物产量和CaCl2-P的关系

图6 土壤Olsen—P含量与CaCl2-P关系

4 结 论

(1)各侵蚀地貌土壤SOC、TN、TP、Olsen—P含量均为塬面系统>川地系统，塬面>坡地>沟道，川地>河漫滩>河道。

(2)塬面和川地SOC、TN、TP、Olsen—P积累最高，分别为8.49，1.19，1.23 g/kg，51.80 mg/kg和6.80，1.00，1.07 g/kg，27.40 mg/kg，且磷素积累更为明显。

(3)各粒级团聚体SOC、TN、TP、Olsen—P含量由高到低依次为>250 μm粒级，63～250 μm粒级，<63 μm粒级，但63～250，<63 μm质量百分比较大，迁移风险最高。