玉米季横垄坡面径流及可溶性有机碳流失特征

武万华，何淑勤†，宫渊波，郑子成

(1.四川农业大学林学院，611130，成都；2.四川省水土保持与荒漠化防治重点实验室，611130，成都；3.四川农业大学资源学院，611130，成都)

玉米季横垄坡面径流及可溶性有机碳流失特征

武万华1,2，何淑勤1,2†，宫渊波1,2，郑子成3

(1.四川农业大学林学院，611130，成都；2.四川省水土保持与荒漠化防治重点实验室，611130，成都；3.四川农业大学资源学院，611130，成都)

为了探明紫色土坡耕地玉米各生育期可溶性有机碳流失特征与迁移途径，为玉米种植过程中有机碳流失有效防控提供科学依据。通过采用野外径流小区和人工模拟降雨相结合的方法，探讨紫色土玉米季坡耕地地表径流、壤中流及其可溶性有机碳的流失特征。结果表明，地表径流量受降雨再分配作用明显，表现为苗期最大，抽雄期最小；壤中流则受降雨强度和降雨再分配作用的影响较小。地表径流DOC质量浓度均呈现逐渐降低的趋势，且2.0 mm/min降雨强度下DOC质量浓度初值相对较高；而壤中流DOC质量浓度呈现先升后降的趋势，在1.0 mm/min降雨强度下变化最为显著。自产流开始30 min内，地表径流DOC迁移负荷表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期，且受降雨强度影响较大；而壤中流DOC迁移负荷表现为苗期>拔节期>抽雄期>成熟期，且受降雨强度影响不明显。同一生育期，壤中流DOC质量浓度高于地表径流，且壤中流产生晚于地表径流，但壤中流DOC迁移负荷却是地表径流DOC迁移负荷的1.35倍。玉米生育期对地表径流量影响明显，壤中流是紫色土坡耕地DOC迁移的主要方式，径流DOC质量浓度的变化取决于产流时间和生育期的变化。

玉米； 生育期； 可溶性有机碳； 地表径流； 壤中流； 迁移负荷

可溶性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)不仅是水陆生态系统中活跃的化学组分之一，易于造成土壤有机碳库的损失[1-2]，影响全球土壤碳平衡[3]，而且是养分和环境污染物迁移的载体[4]，其迁移过程会加剧与农药、重金属的络合和吸附作用，进而对水质产生不同程度的影响[5]。土壤有机质DOC质量浓度和土壤水通量间存在显著相关性，集水区可溶性有机碳通量的增加主要受降雨量增加的驱动[6]，有研究表明降雨强度与降雨量大小对DOC最显著的影响发生在降雨初期，全年36%～50%的DOC输出量是由高强度短历时降雨时间引起[7]，更有研究表明暴雨造成流域内DOC流失量占其全年流失量的31%～66%[8]。目前，对土壤DOC迁移的研究较多，主要集中在森林和沼泽湿地生态系统，对农田生态系统DOC含量及迁移的研究相对较少[9]，由于农田生态系统作物生长的季节性变化明显，在降雨驱动下，土壤DOC含量变化也会随季节有明显变化[10]。紫色土结构松散、易风化，故其极易发生水土流失，严重的水土流失往往伴随了大量的养分元素随径流流失。玉米(Zeamays)作为紫色土区坡耕地主栽作物，对降雨有着较为复杂的再分配作用[11]，马波等[12]研究表明，茎干流量随玉米生育期推进呈显著增长趋势，并在抽雄后期达到最大，成熟期随叶片枯萎茎秆流量呈减少趋势，茎秆流量的变化在一定程度上影响了径流和养分流失的方式。横坡垄作作为研究区主推农耕措施，不仅能有效拦截地表径流，而且对养分流失起到相应的防控作用[13]。鉴于此，笔者以紫色土横垄坡面为研究对象，系统探讨不同降雨强度下玉米季坡耕地径流及径流DOC质量浓度动态变化特征，弄清径流方式对DOC迁移负荷的影响，阐明DOC迁移的主要方式，以期为坡耕地有机碳流失预测和防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩上端(E104°34′12″～104°35′19″，N 30°05′12″～30°06′44″)，隶属四川省资阳市雁江区松涛镇，平均海拔395 m，年降雨量的80%集中于5—10月，且年均降雨量为965.8 m。研究区坡耕地以玉米种植为主，辅以种植白菜(Beassicapekinensis)、芋头(Colocasiaesculenta)等。研究区为典型丘陵地貌，土壤为遂宁组母质发育的红棕紫泥，有机质质量分数8.86 g/kg，有机碳质量分数5.14 g/kg，可溶性有机碳质量浓度12.68 mg/L，全氮、碱解氮质量分数分别为0.82 g/kg、39.68 mg/kg，有效磷13.74 mg/kg，速效钾84.52 mg/kg，土壤质地较轻，肥力较低。

1.2 试验设计

基于野外实地调查，结合研究区分布零散的特点，试验小区设计为4 m×2 m，每个小区由4个1 m×2 m微小区构成，其中3个微小区为实验重复，一个作为空白对照(图1)。小区下垫面用混泥土固化防渗形成相对不透水层，并铺10 cm厚石英砂，上面覆土60 cm。各小区坡面底部由水泥砌成V字形集水槽，且与PVC管连接，以便收集径流。小区布设横坡垄作，垄高25 cm，垄宽40 cm，垄距90 cm。2016年4月，选用玉米正红6号，采用垄上直播，每个微小区栽种8株。株距25 cm，行距80 cm。播种前基施氯化钾和过磷酸钙均为150 kg/hm2，于4、5月下旬分别追施尿素130和140 kg/hm2。其他管理措施与当地农耕习惯一致。

采用野外人工模拟降雨法，降雨装置采用中国科学院水土保持研究所生产的SR型降雨机，喷头系统为V-80100型，降雨高度为6 m，有效降雨面积为35 m2，降雨均匀系数超过85%。根据研究区坡度的分布特点，试验坡度设置为15°，基于多年降雨特点及频率，设计降雨强度分别为1.0、1.5和2.0 mm/min，降雨历时从地表径流产流开始计时分别为60、40和30 min，分别在玉米苗期、拔节期、抽雄期和成熟期进行，共计12场降雨。

图1 紫色土坡耕地径流小区设计示意图Fig.1 Schematic illustration of runoff plot structure on sloping cropland of purple soil

1.3 测定项目及方法

自产流开始每6 min为一时间段，用塑料桶收集地表径流及壤中流，至降雨结束。采用体积法测定径流体积，待径流澄清后收集250 mL于用去离子水润洗好的塑料瓶，加硫酸调节pH≤2，待测。可溶性有机碳采用TOC(TOC-V CPH)分析仪进行测定。

1.4 数据处理及分析

径流样品中测定的 DOC 质量浓度及迁移通量均为3个小区的平均值，以大降雨强度下产流时间为标准，大、中、小降雨强度下，地表径流、壤中流均取自地表径流产生开始30 min内DOC迁移负荷作为分析的依据，不同降雨时间段下DOC迁移通量

Qi=Ciqi[14]。

(1)

式中：Qi为地表径流或壤中流迁移通量，mg/m2；Ci为地表径流或壤中流DOC质量浓度，mg/L；qi为地表径流或壤中流单位面积径流量，L/m2。次降雨过程地表径流和壤中流DOC累积迁移负荷为次降雨过程不同时间段地表径流和壤中流 DOC 迁移通量累加：

(2)

式中：n为次降雨过程径流收集的时间段数；Q为地表径流或壤中流迁移负荷，mg/m2。

试验数据统计分析采用SPSS 17.0软件，图表制作采用Origin 9.0和Excel 2007。

2 结果与分析

2.1 玉米季坡耕地径流特征

由表1可知：玉米全生育期均表现为2.0 mm/min降雨强度下的地表径流显著高于其他降雨强度，地表径流量最大值、最小值分别为15.72和6.05 L/m2，依次出现于苗期2.0 mm/min降雨强度与抽雄期1.0 mm/min降雨强度。不同降雨强度下，均表现为苗期、成熟期地表径流显著高于抽雄期。玉米各生育期壤中流则表现为1.5 mm/min降雨强度显著高于其他降雨强度，最大值为25.18 L/m2，出现于苗期，可见1.5 mm/min降雨强度更有利于研究区壤中流的发育。2.0 mm/min降雨强度下壤中流最小，最小值仅为1.47 L/m2，出现于成熟期。不同降雨条件下，玉米各生育期壤中流均表现为苗期>拔节期>抽雄期>成熟期。1.0和2.0 mm/min降雨强度下，拔节期、抽雄期壤中流与苗期、成熟期之间差异显著，成熟期壤中流显著低于其他生育期。

表1不同降雨强度下玉米生长阶段坡耕地径流量变化特征

Tab.1Changing characteristics of runoff at maize growth stages under different rainfall intensities

降雨强度Rainfallintensity/(mm·min-1)地表径流量Surfacerunoff/(L·m-2)壤中流径流量Interflow/(L·m-2)苗期拔节期抽雄期成熟期苗期拔节期抽雄期成熟期SeedlingJointingTasselingMatureSeedlingJointingTasselingMature1.010.90±0.23Ba8.14±0.59Bbc6.05±0.23Bc9.41±0.26Bab13.14±0.56Ba9.41±0.49Bb9.35±0.75Bb2.64±0.36Bc1.513.20±0.16Ba9.22±0.63Bbc7.76±0.36Bc10.82±0.31Bab25.18±1.62Aa23.55±0.53Aa18.13±1.38Ab4.43±0.56Ac2.015.72±0.49Aa12.69±0.16Abc10.19±0.54Ac14.03±1.08Aab8.95±1.02Ca5.32±0.28Cb6.34±0.92Cb1.47±0.21Cc

注：同列A、B、C表示降雨强度对径流量的影响，同行a、b、c表示玉米生育期对径流量的影响，相同字母表示差异不显著，不同字母表示显著(P<0.05)。Note: A, B and C in the same row indicate the effect of rainfall intensity on runoff, and a, b and c of the same period indicate that the growth stage of maize has an effect on runoff, and the same letters refer to not significant(P<0.05).

2.2 径流DOC质量浓度变化特征

图2 玉米生育期不同降雨强度下地表径流DOC质量浓度变化特征Fig.2 Variation characteristics of DOC mass concentration in surface runoff under different rainfall intensities and mazie different growth stages

2.2.1 地表径流DOC质量浓度变化特征 图2示出：1.0 mm/min降雨强度，随玉米生育期的推进，地表径流DOC质量浓度表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期，DOC质量浓度的最大值、最小值分别出现于苗期(4.8 mg/L)和抽雄期(1.4 mg/L)。1.5 mm/min降雨强度，随降雨历时的延长，地表径流DOC质量浓度逐渐降低，玉米不同生育期地表径流DOC质量浓度变化表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期，最大值为4.6 mg/L，出现在苗期产流开始的18 min左右，最小值为1.1 mg/L，出现在抽雄期产流开始42 min左右。2.0 mm/min降雨强度，随玉米生育期的推进，地表径流DOC质量浓度变化与1.0 mm/min降雨强度相似，但其变化范围为0.1～2.5 mg/L，DOC质量浓度的最大值、最小值分别为7.1和0.9 mg/L。

2.2.2 壤中流DOC质量浓度变化特征 由图3可看出：1.0 mm/min降雨强度，自地表径流开始，玉米各生育期壤中流产流时间依次为6、12、24和30 min左右；壤中流DOC质量浓度变化整体呈现出先升高后降低的趋势，其质量浓度的变化范围为2.6～5.8 mg/L。1.5 mm/min降雨强度，其DOC质量浓度变化范围为1.7～7.0 mg/L，苗期、拔节期壤中流产流时间均晚于地表径流12 min左右，抽雄期、成熟期分别晚于24和30 min左右；苗期和拔节期壤中流DOC质量浓度变化呈先升高后降低的趋势。1.0 和1.5 mm/min降雨强度下，壤中流DOC质量浓度均表现为苗期>拔节期>成熟期>抽雄期。2.0 mm/min降雨强度，苗期、拔节期壤中流产流时间均晚于地表径流18 min左右，而抽雄期、成熟期晚于24 min左右；玉米苗期和拔节期壤中流DOC质量浓度先呈现陡增的趋势，随后降低，而抽雄期和成熟期壤中流DOC质量浓度仅表现出递增的变化趋势，不同生育期壤中流DOC质量浓度变化范围为2.3～8.7 mg/L。

图3 玉米生育期不同降雨强度下壤中流DOC质量浓度变化特征Fig.3 Variation characteristics of DOC mass concentration in interflow under different rainfall intensities and mazie different growth stages

2.3 径流DOC迁移负荷变化特征

2.3.1 地表径流DOC迁移负荷变化特征 由图4可以看出：自产流开始30 min内玉米各生育期地表径流DOC迁移负荷大小均表现为2.0>1.5>1.0 mm/min，且2.0 mm/min降雨强度下地表径流DOC迁移负荷显著高于其他降雨强度。整个玉米生育期，2.0、1.5和1.0 mm/min降雨强度下产流30 min内地表径流DOC迁移负荷分别为151.91、114.39和95.64 mg/m2，其中2.0 mm/min降雨强度下的迁移负荷分别是1.5和1.0 mm/min降雨强度下迁移负荷的1.33和1.59倍。随玉米生育期推进，不同降雨强度地表径流DOC迁移负荷均表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期。1.0和2.0 mm/min降雨强度下，玉米各生育期之间地表径流DOC迁移负荷差异显著；1.5 mm/min降雨强度下，拔节期、成熟期与苗期、抽雄期地表径流DOC迁移负荷间差异显著。

大写字母表示降雨强度对DOC迁移负荷的影响，小写字母表示玉米生育期对DOC迁移负荷的影响，相同字母表示不显著，不同字母表示显著(P<0.05)，下同。The capital letters in the Figure indicate the effect of rainfall intensity on DOC migration load, and the lower case letters indicate the effect of maize growth period on DOC migration load, the same letters refer to not significant, and different letters indicate significant (P<0.05).The same below图4 玉米生育期不同降雨强度下地表径流DOC迁移负荷变化特征Fig.4 Variation characteristics of DOC migration load in surface runoff under different rainfall intensities and different growth stages of maize

2.3.2 壤中流DOC迁移负荷变化特征 由图5可以看出：自产流开始30 min内玉米各生育期壤中流DOC迁移负荷大小均表现为1.5>1.0>2.0 mm/min，且1.5 mm/min降雨强度下壤中流DOC迁移负荷显著高于其他降雨强度。壤中流DOC迁移负荷的变化范围为6.19～103.26 mg/m2，1.0、1.5和2.0 mm/min降雨强度下玉米生育期壤中流DOC迁移负荷分别为137.84、240.32 和112.18 mg/m2。玉米苗期、拔节期，1.0 和1.5 mm/min降雨强度下壤中流DOC迁移负荷均显著高于抽雄期和成熟期，玉米生育期壤中流DOC迁移负荷表现为苗期>拔节期>抽雄期>成熟期。

图5 玉米生育期不同降雨强度下壤中流DOC迁移负荷变化特征Fig.5 Variation characteristics of DOC migration load in interflow under different rainfall intensities and different growth stages of maize

3 讨论

研究结果表明，随玉米生育期推进，地表径流量在抽雄期最小，苗期最大，主要是因为苗期植株冠幅、叶表面积较小，截留和茎干流作用较弱，抽雄期则最大，从而延缓地表径流产生。成熟期部分枯萎下垂叶片平铺地表，降低了土壤入渗作用，地表径流量呈现增加的趋势[15]。地表径流量与降雨强度呈正相关，而壤中流变化较为复杂，在1.5 mm/min降雨强度下壤中流发育更好，主要是因为2.0 mm/min降雨强度下，雨滴击溅作用较强，使得土壤细小颗粒阻塞土壤孔隙，降水下渗作用减弱，以地表径流为主；而1.0 mm/min降雨强度下主要受降雨量的限制，土壤充分下渗后才形成壤中流。

不同降雨强度下玉米各生育期地表径流DOC质量浓度变化呈现逐渐降低的趋势，而壤中流DOC质量浓度呈现先升高后降低，最后趋于稳定的趋势。这主要与壤中流组成有关，一般认为壤中流由基质流和土壤中大孔隙流组成，且基质流形成速率远远小于大孔隙流[16]。降雨初期，由于壤中流产生以大孔隙流为主，且大孔隙入渗水与土壤DOC间溶解交互作用较小，随降雨持续，基流的形成，入渗水携带土壤DOC增加，故DOC质量浓度呈升高趋势；而当DOC质量浓度产生峰值时，降雨量的增加反而对DOC质量浓度起到稀释作用。地表径流DOC质量浓度表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期。可见，玉米生育期对地表径流DOC质量浓度影响较大，可能原因有2方面：一是与玉米株高、叶面积有关，株高、叶面积一定程度影响了径流的产生和发育，进而影响DOC质量浓度；二是受温度影响，本实验研究整个玉米生育期DOC质量浓度变化，季节性变化一定程度影响DOC质量浓度。DOC主要组成为简单的碳水化合物、有机酸及氨基酸[17]，DOC的吸附能力对土层温度的变化较为敏感[18]，升温有利于土壤对可溶性有机酸的吸附能力[19]。壤中流DOC质量浓度表现为苗期>拔节期>成熟期>抽雄期，抽雄期是研究区玉米全生育期温度最高的一个时期，温度的升高一定程度增强了土壤对DOC的吸附能力，淋洗作用减弱，故导致壤中流DOC质量浓度降低。

地表径流DOC迁移负荷表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期。这是因为地表径流DOC迁移负荷主要由地表径流量和DOC质量浓度大小共同决定，两者随玉米生育期推进受降雨再分配作用明显，使得降雨到达地表的时间延长，进而减少了地表径流量及降雨与土壤表面接触的面积和时间[20]，导致DOC质量浓度降低。壤中流DOC迁移负荷表现为苗期>拔节期>抽雄期>成熟期。主要因为随玉米生育期推进，植株冠幅增加，截留和茎干流作用加强，直接到达地面的降雨减少，从而延缓了壤中流产流时间；玉米成熟期，由于叶片枯萎、下垂，延缓了壤中流的发育。壤中流DOC迁移负荷则表现为1.5 mm/min降雨强度下最大，2.0 mm/min降雨强度下最小，主要由于壤中流与降雨历时、降雨量有关[21]。壤中流产生较地表径流晚，迁移负荷却高于地表径流，这与Zhu Bo等[22]研究表明紫色土坡耕地硝酸盐淋失以壤中流为主要方式相一致。主要有2方面原因：一是由于紫色土独特的土壤-母岩二元结构体，水分下渗至透水性较弱的紫色泥页岩极易汇集产生壤中流[16]；二是由于采用横垄的耕作方式，垄沟内蓄水，使得壤中流产生时间有所提前。

4 结论

1)地表径流量主要受降雨再分配作用影响，径流量表现为苗期最大，抽雄期最小，且降雨强度越大径流量越大，壤中流则受降雨强度和降雨再分配作用影响较小。

2)随降雨历时的延长，玉米不同生育期地表径流DOC质量浓度呈逐渐降低而后趋于稳定的趋势，壤中流DOC质量浓度呈现出先升后降，渐趋于稳定的趋势；地表径流DOC质量浓度表现为苗期>成熟期>拔节期>抽雄期，壤中流DOC质量浓度表现为苗期>拔节期>成熟期>抽雄期，表明产流时间和生育期对径流DOC质量浓度的影响较为明显。

3)降雨强度和玉米生育期对不同径流方式下DOC迁移负荷的影响与对径流量的影响一致。同一条件下，壤中流DOC质量浓度高于地表径流，且壤中流产生晚于地表径流；但壤中流DOC迁移负荷却是地表径流DOC迁移负荷的1.35倍，DOC随壤中流迁移是紫色土坡耕地DOC径流迁移的主要方式。

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Characteristicsofrunoffanddissolvedorganiccarbonlossinslopefarmlandwithcontourridgesduringmaizegrowthstages

WU Wanhua1,2, HE Shuqin1,2, GONG Yuanbo1,2, ZHENG Zicheng3

(1.College of Forestry, Sichuan Agricultural University, 611130, Chengdu, China;2.Key Laboratory of Soil & Water Conservation and Desertification Combating, Sichuan Agricultural University, 611130, Chengdu, China;3.College of Resource Science, Sichuan Agricultural University, 611130, Chengdu, China)

BackgroundThe purple soil region is one of the typical areas suffering serious soil erosion in Southwest China. At the same time, the growth periods of the maize coincide with the timing of rainstorms. Serious soil erosion would surely result in the loss of runoff and organic carbon. Our aims are to investigate the characteristics of the loss and the migration of dissolved organic carbon (DOC) during the growth period of maize in the slope farmland of purple soil, providing a scientific basis for the effective prevention and control of organic carbon loss during the maize planting.MethodsSurface runoff, interflow and its loss characteristics of dissolved organic carbon of the whole growth period of maize were studied by the combination methods of field runoff plots and artificial rainfall simulation in slope farmland of purple soil areas. Contour ridge is designed according to local agricultural customs. A total of 12 rainfall simulation experiments are conducted in two 1 m by 2 m boxes under three rainfall intensities (1.0, 1.5, and 2.0 mm/min) on a typical slope gradient of 15°.ResultsThe surface runoff was obviously affected by rainfall redistribution, and surface runoff presented the maximum in seedling stage and the minimum in tasseling stage. However, the interflow was less affected by rainfall intensity and rainfall redistribution. Although the DOC mass concentration of surface runoff showed a decreasing trend gradually, and the initial value of the DOC mass concentration was relatively higher under rainfall intensity of 2.0 mm/min. The interflow DOC mass concentration showed a trend of rising first and then decreasing and it was most significant under rainfall intensity of 1.0 mm/min. In the first 30 minutes of the runoff generation, the DOC migration load of surface runoff displayed an order of seedling stage > mature stage > jointing stage > tasseling stage, and it was affected greatly by rainfall intensity. However, the DOC migration load of interflow displayed an order of seedling stage > jointing stage > tasseling stage > mature stage, and the effect of rainfall intensity on the transfer load of the interflow DOC was not obvious. During the same growth period, the mass concentration of interflow DOC was higher than that of the surface runoff, besides, but interflow occurrence was later than that of surface runoff. The interflow DOC migration load was 1.35 times of the surface runoff DOC.ConclusionsThe growth period of maize had an obvious influence on surface runoff. Interflow was the main mode of the DOC migration in slope farmland of purple soil. The variation of mass concentration of DOC depended on the time of runoff generation and the change of maize growth stage.

maize; growth period; dissolved organic carbon; surface runoff; interflow; migration load

S157.1; S513

A

2096-2673(2017)05-0031-08

10.16843/j.sswc.2017.05.005

2017-04-13

2017-08-07

项目名称： 国家自然科学基金“紫色土坡耕地侵蚀演化特征及其对作物防蚀的响应机制”(41271307)；四川省教育厅项目“紫色土区玉米季横垄坡面片蚀过程研究”(15ZB0009)

武万华(1991—)，男，硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀。E-mail：919582094@qq.com

†

何淑勤(1976—)，女，副教授。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：angelhsq@163.com