2. 重庆地质矿产研究院, 重庆 401120
2. Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 401120, China
土壤有机碳是衡量土壤肥力的重要指标之一, 也是全球碳循环的重要组成部分[1].土壤有机碳主要富集在土壤表层, 容易以吸附态和溶解态的形式随泥沙和径流迁移出土体, 其中, 可溶性有机碳是主要的流失形式[2].据国际碳循环计划组织(IPPC)估算, 土壤有机碳的损失有50%~70%是土壤侵蚀造成的[3].土壤有机碳的流失不仅会导致土壤肥力下降, 还会促进温室气体的排放, 造成全球气候变暖等环境问题.紫色土旱坡地是三峡库区的主要耕地类型, 该区地形坡度大, 降雨丰富, 暴雨集中, 是土壤侵蚀的主要策源地, 由于紫色土土层浅薄且土壤下伏透水性极差, 降雨时土壤中的养分易随径流和泥沙进入水体, 造成环境污染[4~6].因此, 减少紫色土旱坡地可溶性有机碳的流失对提升三峡库区的耕地质量和减轻土壤碳流失造成的环境污染具有重要意义.
培肥是改良土壤结构、提高土壤肥力和减少水土流失的重要途径[7]. Gholami等[8]关于秸秆覆盖对土壤径流流失量和产沙量影响的研究表明, 秸秆覆盖能显著地改善土壤侵蚀状况. Gómez等[9]的研究发现, 秸秆处理的径流流失量和径流泥沙携带的养分流失量均低于传统耕作处理.范亚琳等[10]的研究结果表明, 秸秆覆盖配施化肥较单施化肥不仅能显著降低红壤坡耕地的地表径流量和泥沙流失量, 还能有效减少土壤有机碳的流失.相关研究均表明秸秆还田能显著提高土壤的抗侵蚀能力, 对减少养分流失有积极的作用[11, 12], 但是不同学者对生物炭还田能否减少水土流失和土壤养分流失持不同看法, 一些研究认为施用生物炭能有效减少水土流失和土壤养分流失[13~16], 但也有研究认为生物炭的施用会加剧土壤侵蚀和养分流失, 特别是在雨强较大的情况下[17].范亚琳等[10]通过研究不同培肥措施对红壤有机碳流失的影响发现, 生物炭配施化肥处理与单施化肥处理相比, 阻控土壤侵蚀的效果不显著, 且生物炭配施化肥处理的泥沙有机碳流失总量最多.
目前, 许多学者对土壤有机碳的流失规律等进行了研究, 但内容主要集中在土壤有机碳随地表径流及泥沙的流失特征, 对壤中流的研究很少, 且对象主要是红壤坡耕地[18~20].因此, 本文依托中国科学院三峡库区水土保持与环境研究试验站, 以壤中流发达的紫色土旱坡地为研究对象, 通过观测不同施肥处理(不施肥、常规施肥、优化施肥、85%优化施肥配施生物炭和85%优化施肥配施秸秆)条件下紫色土旱坡地的产流产沙情况和土壤有机碳流失特征, 探讨适合紫色土旱坡地的养分管理方式, 以期为提高紫色土旱坡地的土壤肥力和减少三峡库区的土壤碳排放提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于重庆市忠县石宝镇新政村(E108°10′, N30°22′)的中国科学院三峡库区水土保持与环境研究试验站内, 具体地理位置见图 1.试验站地处万州、石柱和忠县这3个县(区)的交界处, 距离忠县县城大约32 km, 是三峡库区的腹心地带.三峡库区是典型的丘陵地貌, 山地面积超过70%, 属于亚热带东南季风区山地气候, 日照充足, 雨量充沛, 降雨主要集中在5~10月, 年均降雨量1150.0 mm, 年均温度19.2℃, 无霜期320 d左右, 森林覆盖率为19.5%, 主要植被是常绿阔叶林和针叶林, 以马尾松林为主, 当地天然林破坏严重, 多为次生林, 土壤类型主要包括紫色土、黄壤、水稻土和冲积土等, 分布最广且比较具有代表性的是紫色土, 占耕地总面积的78.7%.
供试土壤是由沙溪庙组泥岩、粉砂岩和砂岩风化形成的紫色土, 土壤的基本理化性质见表 1.试验所用的生物炭购自南京勤丰众成生物质新材料有限公司, 生物炭的碳含量为614.46 g·kg-1, 全氮含量为5.20 g·kg-1, 全磷含量为3.10 g·kg-1.玉米秸秆购自研究区周围的农户, 玉米秸秆的有机碳含量为452.78 g·kg-1, 全氮含量为8.23 g·kg-1, 全磷含量为3.15 g·kg-1.
1.2 试验设计
本试验采用的是坡度为15°的标准人工径流小区, 各小区平行排列, 投影面积均为100 m2(长20 m, 宽5 m), 底部及四周均由混凝土修筑, 地表径流和壤中流的出水口处均设有汇流沟, 各小区外均安装地表径流和壤中流的收集桶, 为应对雨季过大的产流量, 在收集桶旁边添加分流桶, 具体装置见图 2.
本试验共设置5个处理:①不施肥处理、②常规施肥处理、③优化施肥处理、④85%优化施肥配施生物炭处理和⑤85%优化施肥配施秸秆处理, 各处理依次标记为CK、常规、优化、生物炭和秸秆, 每个处理3次重复.试验的种植模式采用“油菜-玉米两熟”制, 油菜于2018年10月15日种植, 2019年4月30日收获, 玉米于2019年4月10日移栽至油菜的行间, 2019年8月2日收获.油菜和玉米的施肥在当地施肥习惯的基础上进行减量施用, 田间管理依照当地习惯进行.油菜季的氮肥分为两次施用, 第一次于2018年10月27日作为基肥施用(施用量是油菜季氮肥施用总量的80%), 第二次于2018年11月20日作为薹肥施用, 磷肥、钾肥和硼肥作为基肥一次性施用.玉米季的氮肥也分为两次施入, 第一次在玉米移栽时作为基肥施用(施用量是玉米季氮肥施用总量的80%), 第二次于2019年5月3日作为薹肥施用, 磷肥和钾肥作为基肥一次性施用, 肥料均在小雨前后撒施.秸秆和生物炭在种植油菜前2 d均匀覆盖在地表, 生物炭按10000 kg·hm-2的施用量施用, 秸秆切成10 cm左右按4500 kg·hm-2的施用量均匀覆盖在小区地表.同一处理的各小区施肥量和田间管理均相同, 具体的施肥量见表 2.
1.3 样品采集与测定
本试验的观测期为2018年10月15日至2019年10月14日.在观测期内, 每次降雨产流后进行采样.采样时先测量各小区地表径流和壤中流收集桶中的水位以计算地表径流和壤中流径流量, 若分流桶中有水样, 也需要测定.将地表径流收集桶中的水样搅拌均匀, 用塑料瓶采集两瓶混合水样, 若分流桶中有水样, 要将两个桶中的水样混合均匀后采样, 一瓶用来测定径流泥沙量, 一瓶用来测定径流养分含量.将壤中流收集桶中的水样搅拌均匀, 待水样静置至悬浮物沉淀后采集一瓶水样以测定径流养分含量, 若分流桶中有水样, 需要先将两桶水样混合均匀后采样.水样采集后立即测定可溶性有机碳(DOC)含量, 或在样品中加入硫酸至pH小于2后储存在低于4℃的冰箱里, 待测.将水样过0.45 μm滤膜, 用Multi N/C 2100分析仪(耶拿, 德国)测定水样中的可溶性有机碳(DOC)含量.
采用梅花形多点取样法在各小区取0~20 cm的土壤, 四分法混合后保留1.0 kg土样, 将土样带回实验室保存.土样去除杂物后自然风干、研磨、过筛, 用于测定土壤有机碳(SOC)含量和土壤基本理化性质, 土壤有机碳(SOC)含量采用K2CrO7外加热容量法测定, 土壤基本理化性质的测定方法见文献[21].试验过程中采集两次土样, 第一次是采集试验处理前的基础土样, 第二次是玉米收获后进行采样.降雨量数据由试验站人工气象降雨观测平台提供, 观测的仪器是虹吸式雨量计.
1.4 数据处理数据分析和图表绘制用SPSS 23.0和Microsoft Excel 2016软件进行.所有的结果用3次重复的平均值表示.采用LSD最小显著差数法进行不同处理间的多重比较(P < 0.05).
2 结果与分析 2.1 紫色土旱坡地的产流产沙特征由图 3可知, 在观测期内有36次产生径流(径流包括地表径流和壤中流)的降雨, 累计降雨847.7 mm, 降雨主要集中在6、7和8月, 降雨量峰值出现在8月8日, 达到84.8 mm. CK、常规、优化、生物炭和秸秆处理的紫色土旱坡地分别产生了10、6、9、5、4次地表径流和32、15、26、27、30次壤中流, 壤中流径流量占径流总量的52.84%~92.23%, 说明壤中流是紫色土旱坡地径流的主要流失方式.秸秆处理的地表径流总量最小(1311.9 L), 较CK、常规和优化处理分别降低了76.20%、65.68%和30.39%, 生物炭处理的地表径流总量为4146.15 L, 仅低于CK处理.秸秆处理能显著减少紫色土旱坡地的地表径流量, 生物炭处理在降雨量较小时能阻控地表径流的产生, 在降雨量大时反而起促进作用, 相比于其它4个处理, 生物炭处理在整体上显著增加了紫色土旱坡地的地表径流量.在降雨量较小的3月和4月, 只有CK处理产生了壤中流, 随着降雨量的增大, 各处理的壤中流径流量也在不断增加.不同施肥处理的壤中流径流量表现为:秸秆>生物炭>优化>CK>常规, 施用生物炭和秸秆对紫色土旱坡地壤中流的产生均有促进作用.
如表 3所示, 不同施肥处理的产沙量呈现:生物炭>常规>CK>优化>秸秆, 秸秆处理的产沙量较CK、常规、优化和生物炭处理分别降低了48.61%、76.47%、39.41%和93.30%.各施肥处理的泥沙流失主要集中在降雨量较大的8月8日和8月30日, 其中, 生物炭处理在这两天的产沙量占观测期间总产沙量的99.53%, 显著高于其它4个处理, 但生物炭处理在6、7和9月的产沙量显著低于CK、常规和优化处理(P < 0.05).施用秸秆能显著减少紫色土旱坡地的泥沙流失, 而施用生物炭在降雨量较小的时候能减少泥沙流失量, 在降雨量大时会导致泥沙流失更加严重.
2.2 不同施肥处理条件下可溶性有机碳(DOC)的流失特征
在图 4(a)中, CK处理的地表径流DOC流失浓度变化范围为5.41~11.85 mg·L-1, 显著小于其它施肥处理(常规、优化、生物炭和秸秆).地表径流DOC流失浓度的最小值出现在8月8日的秸秆处理, 为1.91 mg·L-1, 同期的CK、常规、优化和生物炭处理较秸秆处理分别提高了324.67%、563.78%、579.27%和325.72%.生物炭和秸秆处理的地表径流DOC流失浓度在8月30日达到峰值, 分别为21.14 mg·L-1和17.74 mg·L-1, CK、常规和优化处理的峰值分别为11.85、16.96和13.53 mg·L-1.在图 4(b)中, 从平均值来看, 各施肥处理的地表径流DOC平均流失浓度大小呈现:生物炭>优化>秸秆>常规>CK, 生物炭处理显著高于其它4个处理, 常规、优化和秸秆处理之间的差异并不显著.就其极值范围来看, 秸秆处理的变化范围最大.
图 5(a)是各施肥处理壤中流DOC流失浓度的变化情况, 各施肥处理壤中流DOC流失浓度的最小值均出现在2018年11月.施肥后的第1 d, 生物炭处理的壤中流DOC流失浓度达到了最大值, 为20.74 mg·L-1, 秸秆处理为20.27 mg·L-1, 分别是同期CK处理的9.38和9.17倍, 生物炭和秸秆处理的壤中流DOC流失浓度随着降雨过程出现了多次峰值.从图 5(b)中可以看出, 生物炭处理的壤中流DOC平均流失浓度最大, 为8.75 mg·L-1, CK处理的最小, 为5.14 mg·L-1, 常规、优化、生物炭和秸秆处理的DOC平均流失浓度均显著高于CK处理, 但这4个处理之间无显著性差异.秸秆处理的极值范围最大, 生物炭处理次之, CK处理的最小.
从表 4可以看出, 各施肥处理的地表径流DOC流失通量之间均存在显著差异, 生物炭处理的地表径流DOC流失通量最大, 其次为CK、常规和优化处理, 秸秆处理的地表径流DOC流失通量显著低于其它4个处理(P < 0.05).优化、生物炭和秸秆处理的壤中流DOC流失通量均显著高于CK处理, 但这3个处理之间不存在显著性差异.不同施肥处理的DOC总流失通量大小依次为:生物炭>优化>秸秆>常规>CK, 生物炭处理的DOC总流失通量显著高于其它4个处理, 优化和秸秆处理之间差异不显著.各施肥处理的壤中流DOC流失通量占DOC总流失通量的43.64%~87.35%, 地表径流DOC流失通量占DOC总流失通量的12.65%~56.36%.说明壤中流是紫色土旱坡地可溶性有机碳(DOC)流失的主要途径.
2.3 不同施肥处理条件下泥沙有机碳的流失特征
在图 6中, 不同施肥处理的泥沙有机碳流失通量呈现:生物炭>常规>优化>秸秆>CK, 生物炭处理的泥沙有机碳流失通量为0.130 kg·(hm2·a)-1, 显著高于其它4个处理, CK、优化和秸秆处理的泥沙有机碳流失通量之间不存在显著性差异, 但是均显著低于常规处理.秸秆处理的泥沙有机碳流失通量较常规处理降低了61.60%, 相比于常规施肥, 秸秆还田能显著减少紫色土旱坡地侵蚀泥沙中有机碳的流失, 而施用生物炭会增加侵蚀泥沙中的有机碳流失(P < 0.05).
土壤有机碳流失包括DOC流失和泥沙有机碳流失, CK、常规、优化、生物炭和秸秆处理的泥沙有机碳流失通量分别占土壤有机碳总流失通量的0.08%、0.23%、0.08%、0.69%和0.06%, 各施肥处理的DOC流失通量占土壤有机碳总流失通量的99.31%~99.94%, 说明可溶性有机碳(DOC)是紫色土旱坡地土壤有机碳流失的主要形式.
2.4 不同施肥处理条件下土壤有机碳(SOC)的含量图 7是不同施肥处理条件下SOC的含量, 生物炭处理的SOC含量最大(6.61 g·kg-1), 其次是秸秆处理(4.46 g·kg-1), CK处理的SOC含量最低(2.73 g·kg-1).生物炭处理的SOC含量较CK、常规和优化处理分别提高了142.45%、68.04%和95.79%, 秸秆处理的SOC含量较CK、常规和优化处理分别提高了63.66%、13.43%和32.16%, 常规和优化处理的SOC含量较CK处理分别提高了44.28%和23.83%.相比于CK处理, 其它4个施肥处理(常规、优化、生物炭和秸秆)均能显著提高土壤有机碳(SOC)含量, 以施用生物炭的效果最佳.
本研究表明, 壤中流径流量占径流总量的52.84%~92.23%, 是紫色土旱坡地径流的主要流失方式.这与Zhu等[22]对紫色土壤中流和地表径流流失特征的研究结果一致.紫色土区降雨丰富, 紫色土土层浅薄, 具有风化成土速度快、质地疏松、孔隙度大、入渗能力强等特点, 土壤水分在降雨时极易下渗至土壤-岩石界面, 而紫色泥页岩透水性弱, 水分到达岩层后难以继续下渗, 沿坡侧向流动汇集成壤中流, 因此紫色土旱坡地的壤中流极为发育, 是雨季径流的主要方式[23, 24].本研究发现, 秸秆和生物炭处理均显著增加了紫色土旱坡地的壤中流径流量, 与龙天渝等[25]和刘海涛等[26]的研究结果一致.因为秸秆和生物炭质轻, 施入土壤后会使土壤更加疏松, 显著降低了土壤容重(图 8), 提高了土壤的水分入渗能力和入渗速率[27], 入渗的水分侧向流动汇集形成壤中流, 导致壤中流增多.
土壤培肥是改良土壤结构、提高土壤肥力和减少水土流失的有效措施[7].本研究发现, 相比于CK、常规和优化处理, 秸秆处理能显著减少紫色土旱坡地的地表径流量和产沙量, 与孔樟良等[28]和林超文等[29]的研究结果一致.因为秸秆作为地被防护物覆盖在农田地表, 能有效阻挡雨滴对土壤的冲击和溅蚀, 防止地表土壤形成结皮, 推迟地表径流产生的时间, 秸秆覆盖还能提高地表糙度, 增强地表的蓄水能力, 拦蓄随径流迁移的土壤颗粒, 从而减少地表径流量和泥沙流失量[30, 31].本研究还发现, 生物炭处理在降雨量较小的时候能减少紫色土旱坡地的地表径流量和产沙量, 但是在强降雨条件下, 反而会加剧地表径流和泥沙流失, 与范亚琳等[10]的研究结果一致.因为生物炭具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积和较多的含氧官能团, 在降雨量较小时施入土壤中能改善土壤的吸附性和持水性[32], 但是在强降雨时, 由于雨滴具有很大的动能, 对土壤和生物炭产生较大的击打和溅蚀作用, 会破坏土壤结构, 促进坡面地表结皮, 加速地表径流的产生, 质轻的生物炭容易随地表径流和泥沙一起流失, 导致地表径流量和泥沙流失量增加.
3.2 秸秆和生物炭处理对可溶性有机碳(DOC)流失的影响降雨过程中, 水分通过溶解土壤中的可溶性有机碳(DOC)并汇入壤中流中, 成为紫色土旱坡地DOC流失的主要驱动力.在本文中, CK、常规、优化、生物炭和秸秆处理的壤中流DOC流失通量分别占总流失通量的43.64%、54.56%、83.08%、71.84%和87.35%, 说明壤中流是紫色土旱坡地DOC流失的主要途径, 武万华等[33]对紫色土坡耕地玉米各生育期DOC流失特征的研究也得出了相同的结论.
本研究发现, 秸秆处理能显著减少紫色土旱坡地地表径流DOC流失通量, 但是无法阻控壤中流DOC的流失, 生物炭处理的地表径流DOC流失通量和壤中流DOC流失通量均高于其它处理, 不同施肥处理的DOC总流失通量大小依次为:生物炭>优化>秸秆>常规>CK.因为DOC是通过地表径流和壤中流的形式流失的, 所以地表径流和壤中流DOC流失通量表现出和径流流失量一致的规律.
3.3 秸秆和生物炭处理对泥沙有机碳流失的影响在本文中, 秸秆处理能显著减少紫色土旱坡地泥沙有机碳的流失, 而生物炭处理会增加泥沙有机碳的流失.因为覆盖在地表的秸秆能拦蓄随径流流失的土壤颗粒, 减少泥沙流失量和随泥沙流失的养分含量, 而生物炭质轻且含碳量很高, 容易随地表径流和泥沙一起流失, 成为泥沙有机碳流失的重要来源, 导致泥沙有机碳流失通量的增加.
肖胜生等[34]通过研究自然降雨条件下红壤坡面有机碳的选择性迁移发现, 不同坡面的土壤有机碳随泥沙迁移的比例为36.03%~64.67%, 泥沙有机碳是土壤有机碳流失的重要来源.郭太龙等[2]的研究也认为土壤有机碳流失主要以泥沙为承载体, 随径流流失的有机碳只是很少一部分.这些研究只关注随地表径流流失的部分有机碳, 忽略了壤中流DOC的流失, 因此对土壤有机碳流失特征的分析出现了偏差, 本研究充分考虑了随壤中流流失的DOC, 发现可溶性有机碳(DOC)流失通量占土壤有机碳总流失通量的99.31%~99.94%, 是紫色土旱坡地土壤有机碳流失的主要形式, 与李太魁等[35]的研究结果一致.
3.4 秸秆和生物炭处理对土壤有机碳(SOC)含量的影响本研究表明, 秸秆和生物炭处理均能显著提高土壤有机碳(SOC)含量, 以生物炭处理的效果最好, 这和徐国鑫等[36]的研究结果一致.施用秸秆一方面能减少紫色土旱坡地的DOC流失通量和泥沙有机碳流失通量, 另一方面, 玉米秸秆中大约含有40%~50%的碳元素, 施入土壤后成为土壤有机碳的来源[37], 秸秆还田在减少土壤有机碳流失的同时为土壤提供了新的碳源, 从而提高SOC含量, 是一种经济又环保的土壤培肥措施.生物炭含碳量高达60%以上, 加入土壤中能显著提高SOC含量[38], 但是生物炭在降雨时会成为紫色土旱坡地有机碳流失的重要来源, 加剧碳流失造成的环境污染问题, 不适合作为最佳养分管理方式在紫色土区推广施用.
4 结论(1) 秸秆处理的地表径流量和产沙量较优化处理分别降低了30.39%和39.41%, 但是壤中流径流量显著高于优化处理, 生物炭处理的产流产沙量均显著高于优化处理, 各处理的壤中流径流量占径流总量的52.84%~92.23%, 壤中流是紫色土旱坡地径流流失的主要方式.
(2) 各处理的壤中流DOC流失通量占DOC总流失通量的43.64%~87.35%, 壤中流是土壤可溶性有机碳(DOC)流失的主要途径.秸秆和生物炭处理的壤中流DOC流失通量和优化处理之间的差异不显著, 秸秆处理的地表径流DOC流失通量较优化处理减少了28.71%, 生物炭处理的地表径流DOC流失通量最高, 显著高于其它4个施肥处理.
(3) 不同施肥处理的泥沙有机碳流失通量呈现:生物炭>常规>优化>秸秆>CK, DOC流失通量呈现:生物炭>优化>秸秆>常规>CK, 各处理的DOC流失通量占土壤有机碳总流失通量的99.31%~99.94%, 可溶性有机碳(DOC)是紫色土旱坡地土壤有机碳流失的主要形式, 秸秆处理较优化处理能减少紫色土旱坡地的土壤有机碳流失通量, 生物炭处理则加剧了紫色土旱坡地的土壤有机碳流失.
(4) 生物炭处理的SOC含量最大(6.61 g·kg-1), 其次是秸秆处理(4.46 g·kg-1), 生物炭和秸秆处理的SOC含量较优化处理分别提高了95.79%和32.16%, 施用生物炭和秸秆均能显著提高紫色土旱坡地的土壤有机碳(SOC)含量.
(5) 综上所述, 85%优化施肥配施秸秆(秸秆处理)是减少紫色土旱坡地产流产沙量和土壤有机碳流失通量并提高土壤有机碳含量的最佳养分管理方式, 是既经济又环保的土壤培肥措施, 对实现农田土壤的可持续发展具有重要意义, 因此, 在三峡库区应该大力提倡减量化肥配施秸秆.
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