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，承擔著糧食安全“穩(wěn)壓器”的角色，同時也是重要的生態(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)水土流失導致土壤有機碳(SOC)以每年0.1%的速度遞減，由于漫川漫崗地形的特點，農(nóng)民多采用順坡壟作的耕作模式，進一步加劇水土流失，增加土壤有機碳的損失。

針對東北黑土坡耕地土壤侵蝕及有機碳流失的問題，近年來諸多學者探索實踐了一系列保護性耕作措施，以緩解坡耕地土壤侵蝕越發(fā)嚴重的現(xiàn)狀，在眾多的保護性措施中，橫坡壟作被認為是應用范圍最廣，且最有效的保護性耕作措施，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，最終實現(xiàn)固土保水的功能，同時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、堆積埋藏及輸出流域等過程對坡耕地土壤有機碳產(chǎn)生影響，以往對黑土區(qū)土壤有機碳的研究主要集中于碳素空間分布格局、固碳潛力和保護性耕作措施的可行性上，對于坡耕地土壤有機碳流失特征的研究則多基于模擬降雨等室內(nèi)試驗，缺乏野外田間條件下坡耕地水土流失和土壤有機碳變化特征的探究。因此，本試驗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碳變化特征，為明確橫坡壟作保水固土，減少土壤有機碳損失的效應提供科學依據(jù)，為東北黑土坡耕地的保護提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點設在黑龍江省綏化市青岡縣民政鎮(zhèn)進化村(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。本試驗實施期為2017—2019年，日平均溫度和降雨量見圖1。不同坡位土壤基礎理化性狀見表1。

圖1 試驗點2017-2019年日均氣溫和降水量

表1 坡耕地土壤基礎理化性狀

1.2 試驗設計

試驗坡耕地設置為農(nóng)民習慣的順坡壟作與保護性耕作措施的橫坡壟作2種耕作措施，根據(jù)試驗地坡度變化，將長為85 m，寬為16 m，總面積1 360 m的試驗坡耕地從坡上到坡下劃分為坡頂、坡肩、坡背和坡趾4個坡位，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)動的徑流水事件計數(shù)器，按照計數(shù)器記錄翻斗反轉(zhuǎn)次數(shù)與翻斗體積計算徑流量；在翻斗計下方安裝帶濾網(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年的實時監(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年的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

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

(2)泥沙中有機碳含量和徑流水中可溶性有機碳碳(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。將泥沙風干后，過100目篩，采用重鉻酸鉀容量法測定泥沙中有機碳含量。將徑流水樣品搖勻以5 000 r/min的速度用離心機離心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)量及土壤有機碳含量測定：秋收后采用五點取樣法，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碳含量。

(4)玉米產(chǎn)量測定：作物成熟期后在每個坡位隨機采集玉米10株，計算平均穗粒數(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軟件進行單因素方差分析、多重比較(Duncan法)，Excel 2019和OriginPro 2019軟件進行制圖。

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)坡頂至坡趾的整個坡面區(qū)域(圖4)，說明農(nóng)民習慣的順坡壟作無法對集中降雨時產(chǎn)生的徑流進行有效攔截，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碳及可溶性有機碳的遷移流失

不同壟作措施下土壤有機碳(SOC)及可溶性有機碳(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致的SOC及DOC的遷移流失。

2.3 不同壟作措施土壤有機碳的空間分布

經(jīng)過3年的不同壟作措施試驗可以看出，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烈；魏守才通過野外定位試驗發(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，這與本試驗順坡壟作坡肩和坡背部位侵蝕最為強烈、SOC含量最低的結(jié)果基本一致。不同學者基于室內(nèi)模擬或小區(qū)試驗探究東北黑土坡耕地不同雨強下橫順坡壟作土壤侵蝕特征時表明，在<50 mm/h(保證橫坡壟作不斷壟)的雨強下試驗結(jié)果與本試驗基本相同，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)沙量及土壤有機碳和可溶性有機碳的流失，但由于室內(nèi)模擬及小區(qū)試驗面積的限制，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，從橫坡壟作坡肩和坡背位置SOC變化中也證實了這一點。試驗進行的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)試驗結(jié)果表明，在>75 mm/h強降雨下，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)模擬試驗未充分考慮實際耕作中作物對雨水的攔截作用，由于東北地區(qū)強降雨事件多集中于7，8月，而此時東北地區(qū)玉米正值大喇叭口期，玉米葉面積指數(shù)(LAI)達到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碳遷移流失特征的影響還有待于長時間的持續(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)。