旋耕机耕作对紫色土碳氮垂直分布过程的影响

巨 莉, 李富程

(1.四川省水利科学研究院, 成都 610072; 2.西南科技大学 环境与资源学院, 四川 绵阳 621010)

耕作侵蚀是紫色土坡耕地主要侵蚀方式之一[1-4]。与水蚀土壤再分配模式不同，耕作侵蚀呈现出3个典型特征：深层剥离、无分选性搬运和边界效应。单次耕作对土壤的剥离深度可达到耕作工具入土深度，对于典型的薄层紫色土，耕作可将坡顶母质甚至母岩破碎混入耕层；耕作侵蚀不像水蚀那样优先搬运细粒和轻质物质，而是非分选性地将耕层土壤向下坡或凹坡搬运；边界效应是指耕作导致土壤在靠近坡顶(凸坡)和坡趾(凹坡)部位分别发生土壤侵蚀和沉积[5-7]。大量研究表明耕作侵蚀对坡面土壤有机碳的迁移和变异性具有重要影响[8-10]。耕层土壤有机碳随着耕作侵蚀而向下坡迁移，致使耕作侵蚀区耕层土壤有机碳浓度降低，而耕作沉积区耕层土壤有机碳浓度增加[8-10]。目前，研究集中于耕作对土壤有机碳等主要元素顺坡方向迁移的作用，较少考虑耕作对垂直方向再分布的影响。

示踪法是耕作侵蚀过程研究最主要的方法，物理示踪剂和化学示踪剂最早用于耕作侵蚀研究，后来又兴起低电磁感应示踪技术[11]和磁性示踪技术[4]。耕作侵蚀磁性示踪法以其灵敏度高、重现性好、速度快、样品不需作化学处理、无危害等优点已成功应用于耕作位移测定。 磁性示踪剂类型多样，如粉煤灰、砖瓦渣、煤渣以及钛铁矿粉等，钛铁矿粉以其磁性强、用量少、粒径小、吸附性强被广泛使用[12-19]。目前，磁性示踪法主要用于耕作对土壤顺坡搬运过程研究，而未用于垂直迁移过程研究。

紫色土耕作对土壤碳氮再分布影响研究主要集中于人工锄和家畜犁2种传统耕作机具，而对小型旋耕机的相关研究较少。国外对大型机械化耕作机具的耕作侵蚀与土壤碳氮迁移的关系进行了较多研究，小型旋耕机的动力连接方式不同于大型机械化耕作机具，这可能产生不同的土壤再分配模式，进而影响土壤碳氮的顺坡和垂直迁移过程。因此，本研究利用人为在土壤表面添加钛铁矿粉以示踪表层土壤垂直和顺坡再分配过程，通过对比耕作前与模拟耕作20次、40次土壤有机碳和全氮垂直分布特征，研究紫色土旋耕机等高耕作所产生的土壤顺坡和垂直搬运耦合作用对有机碳、全氮垂直分布过程的影响机制，为全面认识紫色土耕作产生的土壤再分配过程与土壤变异性提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于四川省绵阳市游仙区新桥镇(31°33′14′′N，104°47′50′′E)。该区地形以低矮丘陵为主，海拔介于500～638 m。土壤类型为城墙岩群组(K1c)石灰性紫色土。气候类型为亚热带湿润季风气候，年均温度16.1℃，年均降水量986.5 mm。坡地农作物主要有油菜(BrassicacampestrisL.)、玉米(ZeamaysL.)、红薯(IpomoeabatatasL. Lam.var.batatas)、花生(ArachishypogaeaLinn.)等。传统耕作方式为牛拉犁耕作，耕作方向分为等高耕作和顺坡耕作。近年来，耕作方式逐渐从传统的牛拉犁耕作转变成旋耕机耕作，旋耕机耕作方向较为灵活，依据坡耕地的坡度坡长可选择等高耕作、顺坡耕作或者环状耕作。

1.2 试验设计与采样分析

模拟耕作试验开展于2015年1月。选择一块坡长为18 m、坡度为15.12%的坡地，供试样地耕层土壤基本理化性质见表1。将坡地沿顺坡分成2部分，一部分作为磁性示踪区研究表层土壤垂直和顺坡再分配过程，另一部分作为土壤采样区研究有机碳和全氮再分布过程。磁性示踪剂选择粒径200目的钛铁矿粉，已有研究证实钛铁矿粉作为耕作侵蚀磁性示踪剂是可行的[13-19]。磁性示踪区宽度为2 m，土壤采样区宽度为5 m，两者间距为2 m。磁性示踪区采用方格布设法(1 m×1 m)从坡顶连续铺设至坡趾，铺设厚度为1 cm，即在长18 m、宽2 m的磁性示踪区表面均匀地人为投加一层磁性示踪剂。方格布设法具体操作方法为：将长×宽×高=1 m×1 m×0.01 m的铁框垂直插入土壤，将框内土壤铲出放置在塑料布上，称量13 kg土壤，加入1 kg磁性示踪剂，混合均匀后按原容重回填于铁框内。铺完后从坡顶到坡趾每米范围内测定12次土壤磁化率(表2)。由表2可知土壤磁化率变异性较弱，土壤磁性示踪剂布设较均匀。

试验用旋耕机主要技术参数如下：外形尺寸1 700 mm×1 350 mm×900 mm，总重120 kg，旋耕刀直径33.5 cm，总安装刀数32把，发动机功率6.3 kW，转速3 600 rpm。采用等高耕作连续耕作40次，从下坡开犁，沿等高线方向来回耕作，耕至坡顶，然后从空地返回到坡趾再进行耕作，保持每次耕作的路径一致，耕作深度约为10～12 cm。模拟耕作在2 d内完成，期间无降雨。

对于磁性示踪区和土壤采样区，分别在耕作前、20次耕作和40次耕作后利用土壤采样器(Eijkelkamp，荷兰)对坡顶(1 m)、肩坡(5 m)、背坡(10 m)、坡脚(15 m)、坡趾(18 m)进行土壤剖面采样，从土壤表面一直采到母岩，每个坡位设2个采样点，按5 cm取土壤分层样，将相同深度的2个样品合为1个混合样。基于土壤采样点土壤表面到母岩距离的测量，确定耕作前后土壤剖面厚度。利用GPS(T4GNSS，中国)测定耕作前后地形变化。土壤有机碳和全氮分别采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法和半微量凯氏法测定。土壤磁化率应用高精度磁化率仪(SM-30，捷克)测定，灵敏度达10-7SI。需要说明的是用于验证示踪剂铺设是否均匀的试验中，将磁化率仪直接放在土壤表面测定；而用于分析表层土壤再分配过程的试验中，用磁化率仪对土壤磁性示踪区采集的分层样品进行测定，测定时需将样品混匀并堆至超过5 cm厚。土壤磁化率背景值介于(0.15～0.29)×10-3SI，平均值为0.22×10-3SI(SD-0.03×10-3SI)。

表1 供试样地耕层土壤基本理化性质

表2 磁性示踪区表层土壤磁化率强度

注：平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 等高耕作土壤顺坡搬运特征

旋耕机等高耕作40次后，坡顶(1 m)高程下降了0.17 m，超过了耕作前原土壤剖面厚度(0.16 m)，坡趾(18 m)高程升高了0.08 m，耕作前后肩坡、背坡和坡脚高程变化较小(图1A)。旋耕机等高耕作导致距坡顶0～5 m的上坡部位土壤流失，距坡顶5～15 m的坡中部位微地貌基本保持稳定，距坡顶15～18 m的下坡部位土壤累积。耕作后坡面相对高程从2.34 m减小为2.09 m，旋耕机等高耕作导致坡面变得平缓。旋耕机等高耕作40次前后土壤剖面厚度分别为15.5～70.4 cm和10.6～80.7 cm，等高耕作导致土壤剖面厚度发生明显变化(图1B)。坡顶和坡趾土壤剖面厚度变化最为显著，坡顶土壤剖面厚度减小31.61%，而坡趾土壤剖面厚度增加14.67%。肩坡、背坡和坡脚土壤剖面厚度变化相对较小，肩坡增加1.20%，而背坡和坡脚分别减小7.33%和7.80%。这些结果显示出旋耕机等高耕作导致的土壤再分布具有明显的边界效应。

图1 模拟耕作前后高程和土壤剖面厚度变化

2.2 等高耕作表层土壤垂直搬运特征

紫色土原土壤磁化率在垂直分布上较为一致(图2)，且不同坡位耕作前无明显差异(表3)。耕作前在土壤表层人为铺设1 cm磁性示踪剂，模拟耕作20次和40次后，不同坡位土壤磁化率呈现显著不同的变化。与耕作前相比，模拟耕作20次坡顶、肩坡和背坡表层0—10 cm土壤磁化率明显增强，而坡脚和坡趾0—20 cm土壤磁化率均明显增强。对于模拟耕作40次，坡顶和肩坡0—10 cm土壤磁化率与耕作前相比明显增强，背坡和坡脚0—15 cm土壤磁化率明显增强，而坡趾0—20 cm土壤磁化率明显增强。模拟耕作40次与20次相比，除背坡5—15 cm外，各坡位土壤磁化率均明显减小。对于土壤表层0—15 cm，模拟耕作20次后，坡顶土壤磁化率显著小于坡脚(p=0.047)和坡趾(p=0.027)。模拟耕作40次后，坡顶土壤磁化率显著小于坡趾(p=0.02)(表3)。

表3 模拟耕作前后土壤表层(0-15 cm)磁化率、有机碳和全氮变化

注：(1) 表内数字表示平均值±标准差；(2) 同列不同小写字母表示不同坡位在p<0.05水平上差异显著。

2.3 等高耕作土壤有机碳和全氮再分布特征

不同坡位土壤有机碳、全氮在等高模拟耕作前、耕作20次和40次后的变化如图2所示。与耕作前相比，坡顶、坡脚、坡趾有机碳和全氮浓度的垂直变化较为明显。对于坡顶，土壤有机碳和全氮浓度随着耕作次数的增加总体上呈现逐渐减小的趋势。对于坡脚，土壤有机碳深度分布的变化与坡顶相似，与有机碳不同，表层5—30 cm全氮浓度在耕作20次和40次后相比耕作前呈增加趋势。对于坡趾，耕作20次后表层0—25 cm有机碳浓度与耕作前相比呈现减小趋势，但耕作40次后5—20 cm有机碳浓度呈增大趋势。与有机碳不同，耕作20次和40次后5—30 cm全氮浓度与耕作前相比都呈增大趋势。

模拟耕作前不同坡位土壤表层(0—15 cm)有机碳和全氮无显著性差异(表3)。耕作20次后，不同坡位土壤有机碳浓度与耕作前相比均发生明显减小，平均减小3.7%～10%，导致坡顶和坡趾土壤有机碳浓度差异显著(p=0.044)。耕作40次后，坡顶、肩坡、背坡和坡脚土壤有机碳与耕作前相比分别减小7.2%～26.1%，而坡趾却增加5.6%，导致坡顶(p=0.006)、肩坡(p=0.047)与坡趾有机碳浓度均达到显著性差异。与有机碳变化略有不同，耕作20次和40次后全氮在坡顶显著减小，肩坡和背坡略微减小，而在坡脚和坡趾都呈增加趋势，这导致坡顶与坡脚、坡趾全氮浓度耕作20次和40次后差异都达到显著性(p<0.05)。

模拟耕作前后土壤表层(0—15 cm)磁化率与有机碳、全氮浓度的相关分析结果见表4。耕作前原土壤磁化率与有机碳、全氮无显著相关性(p=0.54和p=0.69)。人为添加磁性示踪剂模拟耕作20次后，土壤磁化率与有机碳呈极显著正相关(p<0.001)，土壤磁化率与全氮也呈现显著正相关(p=0.014)。耕作40次后，土壤磁化率与有机碳、全氮相关性增强，都达到极显著正相关(p<0.001)。

3 讨 论

旋耕机等高耕作40次后坡顶侵蚀深度(0.17 m)超过了原土壤剖面厚度(0.16 m)，但并没有使坡顶土层消失，而是保持与耕作深度相当的土壤剖面厚度，表明耕作深度对于维持紫色土坡顶土壤剖面厚度具有重要作用。这是由于紫色泥页岩沉积松散，当耕作侵蚀使土壤剖面厚度小于耕作深度时，旋耕机就会直接将耕层下的母岩剥离而混入耕层，进而补充耕层损失的土壤。耕作对坡顶土壤起着顺坡搬运(耕作侵蚀)和垂直搬运(破碎母岩)的双重作用，在这种作用下紫色土坡顶土壤剖面厚度总是处于动态平衡中。虽然增加耕作深度有助于增大母岩破碎量，有望提高土壤剖面厚度，但同时也会增大耕作侵蚀，提高土壤顺坡搬运量[14,19]。本研究结果与锄耕结果明显不同，锄耕多次模拟耕作后坡顶土层完全消失[7-8,20]，这主要是由于锄耕顺坡耕作导致土壤单方向地向下坡移动，锄耕顺坡耕作的耕作侵蚀强度明显大于旋耕机等高耕作。此外，耕作工具本身的差异也有一定影响，人力锄耕对母岩的剥离破碎作用弱于旋耕机。

表4 模拟耕作前后土壤表层(0-15 cm)磁化率与有机碳、全氮的相关性

在顺坡方向上，旋耕机等高耕作导致土壤在上坡流失，在下坡累积，表明旋耕机等高耕作顺坡搬运土壤作用显著。耕作对土壤顺坡搬运可分为耕作侵蚀区、耕作传输区和耕作沉积区。对于本研究坡地，距坡顶0～5 m的上坡部位为耕作侵蚀区，耕作导致该区域土壤流失；距坡顶5～15 m的坡中部位为耕作传输区，在耕作过程中扮演着“传输带”的作用[7]；距坡顶15～18 m的下坡部位为耕作沉积区，耕作导致土壤在该区域累积。在垂直方向上，旋耕机等高耕作引起表层土壤磁性示踪剂垂直向下迁移，但土壤磁性示踪剂在不同坡位呈现出不同的垂直分布特征。对于耕作侵蚀区，模拟耕作后坡顶土壤磁化率显著小于坡趾，而且坡顶耕层下部(5—10 cm)土壤磁化率明显小于耕层上部(0—5 cm)。这种差异主要归因于耕层以下母岩碎屑向上迁移对耕层土壤的稀释作用和耕作对土壤顺坡传输作用的综合作用。对于耕作传输区，耕作的混匀作用导致土壤磁性示踪剂在整个耕层分布较均匀。对于耕作沉积区，表层0—20 cm土壤磁性强度都显著增大，相当于耕作深度的2倍。这主要是由于旋耕机等高耕作引起来自上坡的土壤在坡趾堆积，导致原耕层土壤被埋藏在“新耕层”之下。

图2 等高模拟耕作前、20次和40次后0-30 cm土壤磁化率、有机碳和全氮变化

旋耕机等高耕作导致坡面土壤有机碳和全氮垂直分布发生明显变化。模拟耕作20次和40次后，坡顶土壤有机碳和全氮明显减小。这主要是由于耕作侵蚀使坡顶表层土壤向下坡迁移，同时，耕作将土壤有机碳含量极低的母岩破碎补充至耕层，稀释了原耕层土壤有机碳浓度。背坡和坡脚表层(0—10 cm)土壤有机碳浓度明显减少，这是由于耕作的混匀作用和耕作传输作用使上坡低浓度有机碳向下传输。耕作40次后坡趾表层0—5 cm土壤有机碳和全氮略有减小，但是5—20 cm明显增加。这主要是来自上坡土壤的有机碳和全氮浓度低于原耕层土壤，同时原坡趾有机碳和全氮浓度较高的土壤被埋藏于“新耕层”之下。本研究结果与紫色土区锄耕模拟结果相似[20]，但是由于坡耕地坡度和耕作机具不同，不同景观部位的有机碳和全氮垂直分布有所不同。黄土区犁耕模拟研究也显示强烈耕作后上坡和中坡土壤有机质含量显著减小，而下坡明显增加[21]。

本研究采用人为在土壤表面添加钛铁矿粉以示踪表层土壤垂直和顺坡再分配过程，这对于研究耕作对土壤碳氮再分布过程的影响具有重要作用。这主要体现在以下几方面：首先，钛铁矿粉磁性强，在土壤表层铺设1 cm，浓度为7.1%条件下，耕作20次后土壤磁性强度为原土壤磁性强度的20倍，耕作40次后土壤磁性强度为原土壤磁性强度的17倍；其次，采用方格布设法铺设土壤磁性示踪剂后，铺设较均匀，空间变异性较小(<10%)；第三，紫色土原土壤磁性强度较弱(土壤磁化率背景值介于0.15～0.29×10-3SI)，且土壤磁化率的垂直分布较均匀，人为在土壤表面添加钛铁矿粉给各坡位创造完全一致的土壤初始条件，土壤磁性示踪剂的再分布过程有利于更好地反映耕作对土壤垂直和顺坡分布的影响；最后，模拟耕作后，土壤磁化率与土壤有机碳和全氮呈显著正相关(p<0.05)，说明耕作对土壤碳氮和土壤磁性示踪剂再分布过程的作用是一致的。

4 结 论

(1) 旋耕机等高模拟耕作后坡顶侵蚀深度超过原土壤剖面厚度，但土壤剖面厚度依然保持与耕作深度相当，耕作对坡顶土壤起着顺坡搬运(耕作侵蚀)和垂直搬运(破碎母岩)的双重作用，从而使土壤剖面厚度处于动态平衡。耕作深度对于紫色土坡顶土壤剖面厚度起着至关重要的作用，研发能增加耕作深度同时减少耕作位移的耕作机具是未来重要的发展方向。

(2) 耕作对土壤顺坡搬运过程可分为耕作侵蚀区、耕作传输区和耕作沉积区；耕作引起表层土壤磁性示踪剂垂直向下迁移，但不同坡位垂直分异明显：对于耕作侵蚀区，母岩碎屑向上迁移的稀释作用和耕作对土壤的顺坡传输作用下，土壤磁性强度明显减弱；对于耕作传输区，耕作的混匀作用导致土壤磁性示踪剂在整个耕层分布较均匀；对于耕作沉积区，耕作引起来自上坡的土壤堆积在原耕层之上，导致土壤磁性强度相比上坡明显增大，但随着耕作次数的增加呈减小趋势。

(3) 耕作对土壤的顺坡和垂直迁移作用引起土壤有机碳和全氮也发生顺坡传输与垂直迁移，两者相互影响，强烈耕作后导致坡顶土壤有机碳和全氮浓度明显减小，坡趾表层0—5 cm减小，而表层0—5 cm以下呈现明显增加。

(4) 采用方格布设法在坡耕地表层人为投加钛铁矿粉作为土壤磁性示踪剂，使整个坡面形成完全一致的土壤初始条件，土壤磁性示踪剂的再分布过程有利于更好地反映耕作对土壤垂直和顺坡分布的影响，这对于研究耕作对土壤碳氮再分布过程的影响具有重要作用。