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        黑土坡耕地橫坡壟作對減少徑流及土壤有機(jī)碳流失的作用

        2022-04-08 03:35:12劉平奇張夢璇陳柏旭王迎春王立剛
        水土保持學(xué)報(bào) 2022年2期

        蓋 浩,劉平奇,張夢璇,陳柏旭,王迎春,王立剛

        (1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心,北京 100122)

        東北黑土區(qū)作為國家重要的商品糧基地,承擔(dān)著糧食安全“穩(wěn)壓器”的角色,同時(shí)也是重要的生態(tài)屏障。目前東北坡耕地土壤侵蝕日益加重,其水土流失面積占東北黑土區(qū)水土流失總面積的80.3%。據(jù)研究表明,東北黑土區(qū)水土流失導(dǎo)致土壤有機(jī)碳(SOC)以每年0.1%的速度遞減,由于漫川漫崗地形的特點(diǎn),農(nóng)民多采用順坡壟作的耕作模式,進(jìn)一步加劇水土流失,增加土壤有機(jī)碳的損失。

        針對東北黑土坡耕地土壤侵蝕及有機(jī)碳流失的問題,近年來諸多學(xué)者探索實(shí)踐了一系列保護(hù)性耕作措施,以緩解坡耕地土壤侵蝕越發(fā)嚴(yán)重的現(xiàn)狀,在眾多的保護(hù)性措施中,橫坡壟作被認(rèn)為是應(yīng)用范圍最廣,且最有效的保護(hù)性耕作措施,其主要通過改變坡面局部地形和壟臺與坡面夾角有效攔截地表徑流,增加土壤入滲,防止土壤侵蝕引起的碳流失,最終實(shí)現(xiàn)固土保水的功能,同時(shí)橫坡壟作可有效提高作物產(chǎn)量,增產(chǎn)幅度為10%~30%。

        東北黑土坡耕地在侵蝕作用下土壤有機(jī)碳以泥沙結(jié)合態(tài)和徑流溶解態(tài)2種形式流失,通過土壤侵蝕作用搬運(yùn)、堆積埋藏及輸出流域等過程對坡耕地土壤有機(jī)碳產(chǎn)生影響,以往對黑土區(qū)土壤有機(jī)碳的研究主要集中于碳素空間分布格局、固碳潛力和保護(hù)性耕作措施的可行性上,對于坡耕地土壤有機(jī)碳流失特征的研究則多基于模擬降雨等室內(nèi)試驗(yàn),缺乏野外田間條件下坡耕地水土流失和土壤有機(jī)碳變化特征的探究。因此,本試驗(yàn)選擇東北黑土典型坡耕地,探究橫坡壟作和順坡壟作在自然降雨驅(qū)動下水土流失和土壤有機(jī)碳變化特征,為明確橫坡壟作保水固土,減少土壤有機(jī)碳損失的效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù),為東北黑土坡耕地的保護(hù)提供技術(shù)支撐。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在黑龍江省綏化市青岡縣民政鎮(zhèn)進(jìn)化村(126°11′3.14″N,46°42′42.11″E)。該地處于松嫩平原腹地,是典型東北黑土區(qū)域,溫帶大陸性季風(fēng)氣候,平均海拔457 m,2018年最高氣溫22.1 ℃,最低氣溫-20.9 ℃,全年無霜期130天左右,年平均降水量約為477 mm。試驗(yàn)開始于2017年4月,供試土壤為黏壤質(zhì)黑鈣土。供試坡耕地坡度約為7°,長為85 m,寬為16 m,總面積1 360 m。本試驗(yàn)實(shí)施期為2017—2019年,日平均溫度和降雨量見圖1。不同坡位土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

        圖1 試驗(yàn)點(diǎn)2017-2019年日均氣溫和降水量

        表1 坡耕地土壤基礎(chǔ)理化性狀

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)坡耕地設(shè)置為農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作與保護(hù)性耕作措施的橫坡壟作2種耕作措施,根據(jù)試驗(yàn)地坡度變化,將長為85 m,寬為16 m,總面積1 360 m的試驗(yàn)坡耕地從坡上到坡下劃分為坡頂、坡肩、坡背和坡趾4個(gè)坡位,其中坡頂長15 m,坡肩長25 m,坡背長30 m,坡趾長15 m,在坡頂至坡肩位置、坡肩至坡背位置和坡址外安裝翻斗式徑流裝置(圖2),用來收集從坡頂?shù)狡录?、坡頂?shù)狡卤?、坡頂流出坡址的徑流樣品?/p>

        圖2 坡耕地試驗(yàn)示意 徑流量(L)=V×N

        1.3 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

        (1)水土流失監(jiān)測:本試驗(yàn)采用的翻斗式徑流儀翻斗大小為1.5 L,并連接降雨驅(qū)動的徑流水事件計(jì)數(shù)器,按照計(jì)數(shù)器記錄翻斗反轉(zhuǎn)次數(shù)與翻斗體積計(jì)算徑流量;在翻斗計(jì)下方安裝帶濾網(wǎng)的水桶收集泥沙及徑流水樣,按次降雨事件收集泥沙合為每年總產(chǎn)沙量。在2017—2019年為期3年的實(shí)時(shí)監(jiān)測中,僅有2018年獲得了完整降雨驅(qū)動下的水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此,本文選取2018年的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        式中:為翻斗儀的體積(1.5 L);為計(jì)數(shù)器儲存的翻斗翻動次數(shù)。

        (2)泥沙中有機(jī)碳含量和徑流水中可溶性有機(jī)碳碳(DOC)的測定:每次降雨后立即取回裝置中收集的泥沙及徑流水樣。將泥沙風(fēng)干后,過100目篩,采用重鉻酸鉀容量法測定泥沙中有機(jī)碳含量。將徑流水樣品搖勻以5 000 r/min的速度用離心機(jī)離心1 h,上層清液過0.45 μm濾膜抽濾,濾液用于測定DOC含量。

        (3)玉米產(chǎn)量及土壤有機(jī)碳含量測定:秋收后采用五點(diǎn)取樣法,用土鉆分0—20,20—40 cm土層取土,曬干過100目篩,采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)碳含量。

        (4)玉米產(chǎn)量測定:作物成熟期后在每個(gè)坡位隨機(jī)采集玉米10株,計(jì)算平均穗粒數(shù)后,105 ℃殺青30 min,55 ℃恒溫烘干測干重,并通過各坡位面積估算每公頃產(chǎn)量。

        采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、多重比較(Duncan法),Excel 2019和OriginPro 2019軟件進(jìn)行制圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同壟作措施地表徑流量及泥沙流失量

        通過監(jiān)測顯示,坡耕地地表徑流主要集中產(chǎn)生于6—8月的雨季(圖3),順坡壟作地表徑流總量為8 479.7 L,橫坡壟作的地表徑流總量僅為順坡壟作的3.2%,為274.5 L。順坡壟作遷移泥沙總量為8 455.1 kg/hm,橫坡壟作遷移泥沙總量為587.1 kg/hm,僅為順坡壟作的6.9%。說明橫坡壟作對比農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作可以有效減少東北黑土坡耕地的地表產(chǎn)流量及遷移泥沙量。

        圖3 2種壟作措施流經(jīng)各坡位地表徑流量

        從不同坡位分析,順坡壟作產(chǎn)流量的92.5%和產(chǎn)沙量的81.0%流經(jīng)坡頂至坡趾的整個(gè)坡面區(qū)域(圖4),說明農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作無法對集中降雨時(shí)產(chǎn)生的徑流進(jìn)行有效攔截,大部分徑流及其所裹挾的泥沙遷移至坡趾部位甚至流出耕地,長此以往造成坡耕地坡上部位侵蝕、坡下部位沉積的空間格局。橫坡壟作94.7%的產(chǎn)流量和99%的產(chǎn)沙量流經(jīng)坡頂至坡肩和坡頂至坡背位置,而流出坡趾部位的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量分別占總量的0.5%和1.0%,說明橫坡壟作坡肩與坡背位置體現(xiàn)出對地表徑流及坡面產(chǎn)沙的主要攔截功能。

        圖4 2種壟作措施各坡位單位面積泥沙遷移量

        2.2 不同壟作措施土壤有機(jī)碳及可溶性有機(jī)碳的遷移流失

        不同壟作措施下土壤有機(jī)碳(SOC)及可溶性有機(jī)碳(DOC)遷移流失量差別顯著,橫坡壟作SOC遷移總量為25.0 kg/hm,僅為順坡壟作SOC遷移總量354.3 kg/hm的0.7%(圖5);橫坡壟作隨水體遷移的DOC總量為1.6 kg/hm,僅為順坡壟作隨水體遷移DOC總量13.2 kg/hm的12.1%(圖6),表明橫坡壟作相對于順坡壟作可明顯減少SOC與DOC的遷移總量。

        圖5 2種壟作措施各坡位單位面積SOC流失量

        圖6 2種壟作措施各坡位單位面積DOC流失量

        按不同坡位分析,順坡壟作由坡頂流經(jīng)坡趾,最終從耕地流失的SOC量為283.2 kg/hm,占順坡壟作SOC遷移總量的79.9%,DOC流失量為12.4 kg/hm占DOC遷移總量的94.0%;而橫坡壟作措施下僅有SOC遷移量1.2%的和DOC遷移量5.6%流失出耕地,遷移總量98.8%的SOC和94.4%的DOC則被攔截在坡肩和坡背區(qū)域,表明橫坡壟作相對于農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作,在坡肩和坡背位置能有效防止因集中降雨導(dǎo)致的SOC及DOC的遷移流失。

        2.3 不同壟作措施土壤有機(jī)碳的空間分布

        經(jīng)過3年的不同壟作措施試驗(yàn)可以看出,橫坡壟作和順坡壟作1 m土體SOC含量均呈現(xiàn)隨土層加深而逐漸降低的態(tài)勢(圖7)。2019年秋收后測得4個(gè)坡位SOC含量為坡趾>坡頂>坡背>坡肩的空間分布特征,0—20 cm土層,橫坡壟作在坡頂、坡肩和坡趾土壤有機(jī)碳含量分別高于順坡壟作2.1%,4.3%和10.0%(>0.05),而在坡背區(qū)域顯著高于順坡壟作12.4%(<0.05)(圖8),表明橫坡壟作相對于順坡壟作在坡背區(qū)域表現(xiàn)出一定的固碳能力。

        圖7 2019年2種壟作措施有機(jī)碳空間分布

        注:圖中不同字母表示不同壟作措施間差異顯著(p<0.05)。下同。

        2.4 不同壟作措施黑土坡耕地玉米產(chǎn)量

        橫坡壟作3年玉米的平均產(chǎn)量高于順坡壟作12.7%,表明將農(nóng)民習(xí)慣的順坡壟作改為橫坡壟作可以提高產(chǎn)量。橫坡壟作相較于順坡壟作玉米產(chǎn)量的提高主要體現(xiàn)在坡肩與坡背區(qū)域(圖9),分別顯著提高21.2%,19.4%(<0.05)。在3年試驗(yàn)過程中,產(chǎn)量并不隨改壟年限的增加而呈逐漸增高的態(tài)勢,每年的產(chǎn)量均有所波動,尤其是改壟后第1年橫坡壟作坡趾的產(chǎn)量低于順坡壟作,第2年和第3年橫坡壟作高于順坡壟作產(chǎn)量的幅度也不相同。

        圖9 2017-2020年2種壟作措施各坡位平均產(chǎn)量

        3 討 論

        方華軍等利用Cs技術(shù)探究黑土坡耕地侵蝕特征的結(jié)果表明,順坡壟作坡肩和坡背區(qū)域Cs含量最低侵蝕最為強(qiáng)烈;魏守才通過野外定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),坡耕地0—30 cm土層中坡肩部位SOC含量最低,且與其他坡位有顯著性差異,這與本試驗(yàn)順坡壟作坡肩和坡背部位侵蝕最為強(qiáng)烈、SOC含量最低的結(jié)果基本一致。不同學(xué)者基于室內(nèi)模擬或小區(qū)試驗(yàn)探究東北黑土坡耕地不同雨強(qiáng)下橫順坡壟作土壤侵蝕特征時(shí)表明,在<50 mm/h(保證橫坡壟作不斷壟)的雨強(qiáng)下試驗(yàn)結(jié)果與本試驗(yàn)基本相同,均說明橫坡壟作對比順坡壟作可以極顯著減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量及土壤有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳的流失,但由于室內(nèi)模擬及小區(qū)試驗(yàn)面積的限制,無法在較短長度的模擬降雨裝置和小面積的區(qū)試驗(yàn)上體現(xiàn)出2種壟作方式坡位間的差異,尤其是無法確定橫坡壟作對水土流失的主要攔截區(qū)域。而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在田間試驗(yàn)條件下,橫坡壟作對徑流、泥沙及二者所裹挾SOC和DOC的主要攔截坡位是坡肩和坡背區(qū)域,經(jīng)過3年的改壟試驗(yàn),從橫坡壟作坡肩和坡背位置SOC變化中也證實(shí)了這一點(diǎn)。試驗(yàn)進(jìn)行的3年中,橫坡壟作對比順坡壟作玉米的產(chǎn)量也在坡肩和坡背2個(gè)區(qū)域有顯著提升,坡肩部位提升9.7%~23.5%,坡背部位提升10.1%~28.0%,說明橫坡壟作對比順坡壟作,減少土壤侵蝕、有機(jī)碳流失和提升耕地生產(chǎn)力的主要作用部位是坡肩和坡背。

        室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明,在>75 mm/h強(qiáng)降雨下,橫坡壟作會發(fā)生“斷壟”現(xiàn)象,并出現(xiàn)十分劇烈的水土流失,加大泥沙損失量。但本試驗(yàn)在田間監(jiān)測的條件下,橫坡壟作未出現(xiàn)斷壟現(xiàn)象,這是由于室內(nèi)模擬試驗(yàn)未充分考慮實(shí)際耕作中作物對雨水的攔截作用,由于東北地區(qū)強(qiáng)降雨事件多集中于7,8月,而此時(shí)東北地區(qū)玉米正值大喇叭口期,玉米葉面積指數(shù)(LAI)達(dá)到5~6,地表土壤的透光率僅為葉片上層的14%,作物葉片有效攔截降雨避免雨滴直接沖擊土壤表層,削弱雨滴對土壤的剪切力,因此在實(shí)際耕作過程中未出現(xiàn)斷壟現(xiàn)象。未來氣候變化下,極端降雨事件頻率和降雨量都將增加,這種降雨變化對東北地區(qū)坡耕地土壤侵蝕及土壤有機(jī)碳遷移流失特征的影響還有待于長時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測研究。

        4 結(jié) 論

        (1)橫坡壟作相對于順坡壟作可有效減少黑土坡耕地產(chǎn)生地表徑流和泥沙總量,減少SOC和DOC損失。橫坡壟作相對于順坡壟作能顯著減少年徑流總量97.1%,泥沙總量93.1%,SOC損失總量99.9%和DOC損失總量99.3%。

        (2)橫坡壟作相比于順坡壟作,坡肩與坡背是攔截SOC和DOC的主要坡位,分別攔截兩者遷移量的98.8%和94.4%。

        (3)橫坡壟作相對于順坡壟作提高玉米產(chǎn)量,突出表現(xiàn)在坡肩與坡背部位,分別顯著提高21.2%,19.4%(<0.05)。

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