红壤坡耕地地表径流和壤中流中可溶性有机碳的迁移特征

2020-07-07余小芳肖胜生徐铭泽房焕英

水土保持研究 2020年4期

余小芳, 肖胜生, 徐铭泽, 张杰, 房焕英

(1.江西师范大学地理与环境学院, 南昌 330022; 2.江西省水土保持科学研究院, 南昌 330029; 3.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室, 南昌 330029; 4.江西农业大学园林与艺术学院, 南昌 330045)

土壤有机碳库的相对稳定在维持碳素平衡和应对全球气候变化方面发挥着重要作用，同时有机碳也是土壤质量和耕地生产力的关键指标，因此土壤侵蚀与土壤有机碳的相互关系在全球范围内受到持续关注[1-3]。降雨—产流—产沙过程中有机碳的迁移主要通过地表径流、壤中流和泥沙3种途径。其中，地表径流和泥沙驱动下有机碳的迁移研究已趋于成熟，得到了相对明确的结论[3-5]，而壤中流驱动下碳素的迁移研究尚处于探索阶段。随壤中流迁移的碳素主要是可溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)。DOC测量的可溶性有机质(DOM)是土壤有机质的动态流动和高活性组分，DOC的流失以土壤和水为介质，迁移过程中会造成土壤有机碳库的损失，此外DOC可以吸附重金属和农药[6-7]，加剧水环境的污染，影响水体质量。

国际上对耕地等主要生态系统DOC迁移研究较早，如Kindler[8]和Walmsley[9]等得到耕地中DOC迁移年通量值分别达到(4 800±1 300)，(3 000±1 300) mg/m2，并且指出农业生态系统中可溶性碳的淋溶(包括可溶性有机碳DOC和可溶性无机碳DIC)占据25%的比例，需要引起更多重视[8]。国内以耕地为研究对象关于土壤侵蚀过程中DOC的迁移研究主要集中于紫色土，在区域上存在明显的不平衡，如Hua等[10]通过四川紫色土坡耕地径流小区连续3年(2010—2012年)的监测表明，地表径流和壤中流DOC浓度没有显著差异，但由于壤中流发育活跃(壤中流年均累积量达到289 mm，是地表径流的4.9倍)，地表径流和壤中流携带的DOC年通量负荷分别为163.6，865.5 mg/m2，壤中流是紫色土坡耕地DOC迁移损失的主要方式。Hua等[11]进一步结合泥沙迁移损失研究，得到紫色土坡耕地通过地表径流损失的有机碳只有5%，而通过壤中流和泥沙损失的有机碳则分别达到24%，71%。部分研究还指出了紫色土坡耕地上作物不同成长期内DOC的损失状况[12]。

南方红壤丘陵区作为我国水土流失较为严重的地区，目前DOC流失关注较少，相关研究相对薄弱[13-14]。南方红壤丘陵区水土流失的特点是强度大、范围广[15-16]，坡耕地是主要的水土流失策源地[17]。同时由于丰沛的降雨和特殊的土体构型，红壤坡地壤中流发育也相对活跃，如谢颂华等[18]利用大型土壤渗漏装置，连续3年监测自然降雨条件下地表径流与壤中流的径流迁移，表明红壤坡地渗透作用强，径流以壤中流为主，但本研究没有涉及到有机碳的迁移。零星研究表明南方红壤区可溶性有机碳主要集中在20—30 cm土层，可溶性有机碳的流失与降雨强度有显著相关性[13]，且暴雨情况下，可溶性有机碳的流失更应该引起注意，但主要还是针对地表径流驱动下的相关迁移研究。总体上，南方红壤区坡耕地土体中DOC分布数据还比较缺乏，鲜有研究进行地表径流和不同层次壤中流中DOC的协同观测，从而缺乏对壤中流驱动下DOC下渗淋溶的损失占有机碳侵蚀损失的比例以及外界条件的影响效应和影响机制等科学问题的认识。

鉴于此，本研究以江西省典型第四季红黏土发育的红壤坡耕地为研究对象，采用人工模拟降雨试验，结合野外原位径流小区，开展地表径流和不同土壤层次壤中流驱动下DOC迁移的同步观测，明确次降雨条件下坡面产流产沙及DOC随地表径流和不同层次壤中流的迁移特征，特别是DOC在地表径流和不同层次壤中流中的分配比例问题，量化壤中流和地表径流对碳素运移损失的贡献，加深红壤区土壤侵蚀与碳循环相互关系的科学认识。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西水土保持生态科技园。科技园地处江西省北部的德安县燕沟小流域(东经115°42′38″—115°43′06″，北纬29°16′37″—29°17′40″)，属亚热带湿润季风气候，年均温16.7℃，多年平均降水量1 400 mm，平均海拔30～90 m。土壤主要为第四纪红黏土发育的红壤，土壤厚度范围为0.5～1.5 m。科技园位于我国红壤的中心区域，属全国土壤侵蚀二级类型区划中的南方红壤区，在江西省和南方红壤丘陵区具有典型代表性。

1.2 试验方案

1.2.1 径流小区设计在科技园中选择野外原位坡耕地径流小区作为研究对象。径流小区修建于2017年，土壤状况为原状土，规格为5 m(顺坡方向)×2 m，坡度设置为5°(赣中赣北大部分坡耕地坡度范围为5°～8°)。小区处理措施为顺坡耕作，作物种植方式为油菜—花生轮作，即5月上旬种植花生，8月下旬收花生后种植油菜，于次年4月底收割油菜。为方便收集整个土体的径流，设置了3个不同土体深度的径流收集池，即地表径流、30 cm壤中流和60 cm壤中流收集池，30，60 cm处均设有L型集流槽，并由PVC塑料管引流至收集池。

在种植花生前进行了一次翻耕，深度为20 cm，同时用土钻采集不同深度土壤样品，其理化性质见表1。于2018年5月开始种植花生，花生种植方式为穴施，即一穴两颗花生种子，种植行间距均为20 cm。为降低施肥对土壤有机碳的影响，仅在花生种植前施加一次底肥(磷肥0.075 kg/m2，复合肥0.037 5 kg/m2)，花生生长期间做不施肥、不打农药。

1.2.2 野外人工模拟降雨设计与样品采集人工模拟降雨试验在花生成熟期(8月)进行，此时花生叶面覆盖度为85%。前期有研究表明，小雨强情况下红壤坡耕地模拟降雨试验中不易产生壤中流[13]。本研究中为更好说明侵蚀过程中DOC的变化过程，故采用固定雨强，强度为120 mm/h，降雨时间为60 min，选择晴朗无风天气开始试验，共进行3次。人工模拟降雨装置如图1所示，喷头采用美国SPRACO喷头，喷头距地面4.75 m，供水压力为0.08 MPa，有效范围为半径2 m的圆，小区上、下坡位各设置一个模拟降雨装置，并用麻绳系紧支撑装置于3处不同方向的地桩，使之呈三角固定，通过前期降雨测试，降雨均匀度可达90%以上，满足降雨试验需要。

模拟降雨前用铝盒各采集上、中、下坡位表层土壤样品，通过烘干法测得坡面土壤前期含水量平均为16.91%。开始降雨后，在坡底径流出口用已事先标记好体积刻度的大红桶(17 000 ml)收集地表径流，用小红桶(5 000 ml)收集30，60 cm处的壤中流，每3 min更换一次。若地表径流量较小则改用量杯进行补充读数。壤中流体积则直接用量筒进行读数。地表径流读数后充分搅拌水样，立即用250 ml的量杯取浑水样放入铝盒中，用于测泥沙含量；取完浑水样后用100 ml的聚氯乙烯瓶取清水样，用于测定地表径流中DOC含量。壤中流读数后直接用100 ml聚氯乙烯瓶取水样，用于测定壤中流中DOC含量。降雨停止后，考虑产流的滞后效应，地表径流与壤中流继续接样，地表径流低于10 ml时不再接样，壤中流接样至产流结束。

图1 野外人工模拟降雨装置

试验结束后将收集的径流过程DOC样品带回实验室，用0.45 um孔径滤膜进行过滤，后采用TOC-L CPH分析仪测定径流中DOC含量；铝盒中泥沙样静置24 h后倒掉上层清液，放入105°烘箱中待完全烘干后称其泥沙质量计算泥沙量。

1.3 数据处理与分析

单次降雨产流事件DOC随地表径流、壤中流迁移通量Qi的计算式为：

Qi=Ci×qi

(1)

式中：Qi为次降雨过程中壤中流DOC迁移通量(mg/m2)；Ci为壤中流中DOC质量浓度(mg/L)；qi为次降雨壤中流径流量，以径流深代替(mm)。利用Excel 2010版对数据进行分析处理，并利用Origin 8.5制图。

2 结果与分析

2.1 坡面产流产沙特征

2.1.1 地表产流产沙过程在模拟降雨过程中，地表径流量表现为先增大后趋于稳定；降雨开始后，泥沙流失强度逐步增加，在22 min时达到峰值，之后则逐步降低(图2)。由此说明降雨初期，径流入渗较快，并携带少量的泥沙，随着降雨时间的增加，入渗率减少，径流在地表汇集、流失，并且携带了更多的泥沙。模拟降雨停止后，地表径流存在13 min左右的滞后期，这可能是由于降雨时期的选择在花生的成熟期，花生枝叶比较茂盛，大雨强下对径流有一定的阻拦作用。该阶段前5 min内地表径流量与泥沙量缓慢下降，后8 min表现为快速消退，10 min后地表径流量低于100 ml，故未收集泥沙样，13 min后坡面地表径流停止产生。

图2 地表径流产流过程与产沙过程线

2.1.2 壤中流产流过程监测结果显示，在历时60 min的模拟降雨过程中，30 cm层次壤中流与60 cm层次壤中流产流量的变化趋势基本一致，均表现为先增大后减小的单峰曲线模式(图3)。初始产流时间方面，30 cm层次壤中流在降雨开始后40 min开始产流，滞后于60 cm层次壤中流(22 min)。两个层次壤中流量到达峰值的时间基本一致，均在65 min左右。模拟降雨停止后两个层次壤中流消退过程存在差异，即30 cm层次壤中流表现为快速消退，而60 cm层次壤中流消退较为缓慢，总历时长达139 min。壤中流量方面，60 cm层次壤中流量峰值(2 495 ml)远大于30 cm层次壤中流(400 ml)，可知该条件下红壤坡面壤中流对降雨的响应以深层次壤中流产流为主，表现出径流垂直输出的特点。

图3 不用层次壤中流产流过程

2.1.3 坡面径流组分模拟降雨过程中，地表径流和两个层次壤中流的变化有所差异，具体见表2。初始产流时间表现为地表径流[(1±0.4) min]>60 cm壤中流[(19±2.5) min]>30 cm壤中流[(40±2.8) min)]。坡面径流主要以地表径流为主[(857 500±142.9) ml)]，占径流总量的95.86%，其次为60 cm壤中流[(32 565±121.4) ml)]，占径流总量的3.71%，30 cm壤中流流量最少[(3 670±50.2) ml)]，仅占径流总量的0.43%。相对于小雨强条件下有利于红壤坡面水分入渗，模拟降雨雨强较大的情况下，雨滴对土壤表面的团聚体打击力度较大，影响土壤的入渗效率，影响壤中流的出流。

表2 模拟降雨过程中坡面径流过程

2.2 坡面可溶性有机碳迁移特征

2.2.1 DOC迁移在不同径流组分中的分配模拟降雨过程中DOC随径流的迁移过程见表3。该降雨强度下红壤坡地径流中DOC迁移主要是以地表径流为主(98.16%)，其次是60 cm壤中流所驱动(1.539%)，30 cm壤中流所携带的DOC最少，只占0.301%。尽管3个组分所携带的DOC浓度没有显著差异，都处于同一个数量级上，但由于地表径流总量远远大于两个层次的壤中流产流量(地表径流量是壤中流量的23倍)，因此总体上的迁移通量还是以地表径流为主。

不同层次壤中流驱动下DOC的流失过程也不一致。总体上，30 cm壤中流中DOC浓度[(104.17±8.5) mg/L]与60 cm壤中流中DOC浓度[(151.51±27.6) mg/L]差别不大，但由于60 cm壤中流出流量明显高于30 cm层次壤中流，导致二者的迁移通量不一致。壤中流是土壤溶质垂向迁移的主要驱动力，土壤内的水分运动就是DOC下渗淋溶的关键因素，因此以后需要更多关注深层次壤中流驱动下DOC等土壤溶质的迁移损失。

表3 DOC在不同径流组分中的分配

2.2.2 地表径流驱动下DOC的迁移过程地表径流中DOC迁移通量波动范围为(5.62±1.71)～(156.64±10.04) mg/m2，平均值为(41.51±3.52) mg/m2。模拟降雨过程中地表径流量与DOC迁移通量的关系如图4所示，DOC迁移通量在降雨前期呈现小幅度的上升趋势，但是在34 min时突然出现了一个峰值(139.02 mg/m2)，后DOC迁移通量回到了突变前的数值并继续呈现上升趋势，在52 min时达到了第2个峰值(156.64 mg/m2)，后随降雨历时的增加，DOC迁移通量逐渐降低。总体上地表径流量与DOC迁移通量并无明显的相关关系，说明地表径流所携带的DOC浓度没有明显规律。

图4 地表径流中DOC迁移通量随降雨历时的变化

2.2.3 壤中流驱动下DOC的迁移过程模拟降雨过程中不同层次壤中流DOC迁移通量随降雨历时的变化均呈现双峰型(图5)，30 cm壤中流的DOC迁移通量在43 min开始产流，并在3 min后有第一个数值，30 cm壤中流量随降雨历时的变化表现为先递增达到峰值后递减的趋势，但是30 cm壤中流的DOC迁移通量随降雨历时的变化却分别在62，67 min出现两个峰值，到达峰值的时间也不一致，可见30 cm壤中流的DOC迁移通量与30 cm壤中流量之间是否存在相关，还有待商榷。

60 cm壤中流量随降雨历时表现为先增加后减小，60 cm壤中流DOC的迁移通量随降雨历时的变化表现出波动性起伏，分别在43，67，76 min出现3个较高的值。且67 min时60 cm壤中流中DOC迁移通量出现第2个峰值，同时60 cm壤中流量也达到最大。如此分析，在67 min前60 cm壤中流中DOC迁移通量除在43 min出现了一个较大的值[(1.676±0.04) mg/m2]外，DOC的迁移通量整体都表现随降雨历时而增加即随着60 cm壤中流量的增多，迁移通量也增多。67 min后约10 min内DOC迁移通量达到第3个峰值[(1.52±0.07) mg/m2]，降雨结束后60 cm壤中流所有出流量的的迁移总量累积达到11.531 1 mg/m2，60 cm层次DOC迁移通量全部的变化范围为(0.06±0.03)～(1.68±0.04) mg/m2，平均值为0.45 mg/m2。

图5 不同层次壤中流DOC迁移通量随降雨历时的变化

3 讨论

3.1 不同组分径流分配格局

本研究表明坡面径流主要以地表径流为主，占比达到95.86%，60 cm壤中流和30 cm壤中流分别只占3.71%,0.43%。之前的研究表明，红壤坡地壤中流发育活跃，如Liu等[19]通过393场自然降雨的监测数据得到红壤裸露坡地地表径流只有总径流量的18.12%，生草全园覆盖后地表径流则只有1.19%。这种差异很有可能主要是由降雨特性造成的。有研究表明，坡地水分下渗过程与雨强存在密切关系，特别是小雨强会促进下渗[4]，本试验中较高的雨强(120 mm/h)会使得水分下渗减少，增加地表径流。因此在后续的研究中需要增加不同雨强梯度的研究，以加深壤中流产生以及不同径流组分格局对雨强的响应关系认识。

本研究发现60 cm壤中流初始产流时间较30 cm壤中流早。已有研究表明南方红壤区地表径流蓄满产流为主[20]，当降雨满足了蒸发、植被截留、填洼和土壤缺水量后方产生径流，且之后的降雨全部都形成径流；下渗的水分将成为自由重力水，且满足上层下渗的水量大于下层下渗的水量才会产生壤中流。本试验在第四纪红黏土发育的红壤坡地原位进行，土层内部结构不透明，且修建小区时发现有较多的蚂蚁窝分布在不同的土层里，因此极有可能是30 cm处存在空洞，导致下渗率较大，土壤含水量升高较慢，直至下层土壤都达到饱和含水量后，30 cm处土壤含水量才慢慢积累直至出流。另外，土层越深，容重越大，土壤越紧实，径流优先将表层颗粒土壤带走，随着降雨历时的增加，表层土壤被冲刷后，径流只能浸提深层土壤溶质[19]，所以泥沙量变化会呈现单峰曲线的模式。

3.2 DOC随不同径流组分的迁移格局

虽然地表径流水相(主要是溶解态)和侵蚀泥沙相(主要是颗粒态)是碳素等养分迁移的重要途径与形态，但壤中流驱动下有机碳的垂向迁移也是土壤碳素损失的重要途径。本研究中，30 cm与60 cm层次中DOC质量浓度总和比地表径流多25.11 mg/L，相比之下壤中流中DOC的质量浓度比地表径流稍大。这与Hua等[10]在紫色土坡耕地上的研究结论一致。但由于紫色土中壤中流发育更为活跃，导致紫色土坡耕地中通过地表径流和壤中流迁移损失的DOC分别占到5%，24%(其余71%为泥沙迁移)[11]。Kindler等[8]也指出耕地中壤中流驱动下DOC迁移年通量值达到4 800 mg/m2，占有机碳侵蚀损失的25%。鄱阳湖及其支流周边的主要土壤性质为红壤，红壤中DOC吸附的各种重金属、农药等污染物进入鄱阳湖五大支流，可能加重鄱阳湖甚至长江中游段的水质污染。

本研究发现红壤坡地暴雨情况下，地表径流DOC迁移通量占比达到98.16%，60 cm层次壤中流和30 cm层次壤中流所迁移的DOC占比分别只有1.54%,0.30%。DOC的淋溶是土壤中DOC与径流运动相互作用的结果，因此要分析DOC的迁移差异，需首先弄清楚壤中流的运动机制。壤中流通常由大孔隙流(Macropore flow)和基质流(Matrix flow)两部分组成[21]。小雨强情况下，壤中流主要由大孔隙流构成；随着降雨的继续进行，基质流逐渐形成并带动DOC输出；大雨强情况下，降雨对地表的打击作用较强，土壤颗粒分散产生的细颗粒会阻塞大孔隙流通道，造成壤中流生成相对较少。如Ma等[13]在湖南红壤坡耕地上的模拟降雨试验也证实，降雨强度是壤中流驱动下DOC淋溶迁移的主导因子，并且受到耕作的共同影响，翻耕和小雨强共同作用下呈现出最大的DOC输出浓度。四川紫色土壤中流中DOC浓度与雨强之间也呈现出显著的负线性相关关系[11]。而本模拟降雨试验下采用了较大的降雨强度，因此DOC输出的差异可能主要是由降雨特性，特别是不同的雨强决定的。另外，Long等[22]发现亚热带酸性粘性红壤农田的DOC输出浓度也处于较低水平，并认为酸性红壤中丰富的铁铝氧化物/氢氧化物和黏粒对可溶性有机质的吸附可能是造成这种现象的主要原因。因此对花生坡耕地而言是否也存在这种吸附机制也需要在以后的工作中加强探讨。同时，Ma等[13]研究还表明红壤坡耕地20—30 cm土层DOC含量最高。土层中DOC的流失，一方面是随着下渗的水分到达了下层土壤，另一方面是随着侧向的壤中流流失，本文表明30 cm处土壤的下渗能力较强，因此土壤中可溶性有机碳极有可能是随着下渗的水流，积攒到了60 cm处的土层中，并随着60 cm处的壤中流流出。