黑土坡耕地横坡垄作对减少径流及土壤有机碳流失的作用

盖 浩，刘平奇，张梦璇，陈柏旭，王迎春，王立刚

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.农业农村部科技发展中心，北京 100122)

东北黑土区作为国家重要的商品粮基地，承担着粮食安全“稳压器”的角色，同时也是重要的生态屏障。目前东北坡耕地土壤侵蚀日益加重，其水土流失面积占东北黑土区水土流失总面积的80.3%。据研究表明，东北黑土区水土流失导致土壤有机碳(SOC)以每年0.1%的速度递减，由于漫川漫岗地形的特点，农民多采用顺坡垄作的耕作模式，进一步加剧水土流失，增加土壤有机碳的损失。

针对东北黑土坡耕地土壤侵蚀及有机碳流失的问题，近年来诸多学者探索实践了一系列保护性耕作措施，以缓解坡耕地土壤侵蚀越发严重的现状，在众多的保护性措施中，横坡垄作被认为是应用范围最广，且最有效的保护性耕作措施，其主要通过改变坡面局部地形和垄台与坡面夹角有效拦截地表径流，增加土壤入渗，防止土壤侵蚀引起的碳流失，最终实现固土保水的功能，同时横坡垄作可有效提高作物产量，增产幅度为10%～30%。

东北黑土坡耕地在侵蚀作用下土壤有机碳以泥沙结合态和径流溶解态2种形式流失，通过土壤侵蚀作用搬运、堆积埋藏及输出流域等过程对坡耕地土壤有机碳产生影响，以往对黑土区土壤有机碳的研究主要集中于碳素空间分布格局、固碳潜力和保护性耕作措施的可行性上，对于坡耕地土壤有机碳流失特征的研究则多基于模拟降雨等室内试验，缺乏野外田间条件下坡耕地水土流失和土壤有机碳变化特征的探究。因此，本试验选择东北黑土典型坡耕地，探究横坡垄作和顺坡垄作在自然降雨驱动下水土流失和土壤有机碳变化特征，为明确横坡垄作保水固土，减少土壤有机碳损失的效应提供科学依据，为东北黑土坡耕地的保护提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点设在黑龙江省绥化市青冈县民政镇进化村(126°11′3.14″N，46°42′42.11″E)。该地处于松嫩平原腹地，是典型东北黑土区域，温带大陆性季风气候，平均海拔457 m，2018年最高气温22.1 ℃，最低气温-20.9 ℃，全年无霜期130天左右，年平均降水量约为477 mm。试验开始于2017年4月，供试土壤为黏壤质黑钙土。供试坡耕地坡度约为7°，长为85 m，宽为16 m，总面积1 360 m。本试验实施期为2017—2019年，日平均温度和降雨量见图1。不同坡位土壤基础理化性状见表1。

图1 试验点2017-2019年日均气温和降水量

表1 坡耕地土壤基础理化性状

1.2 试验设计

试验坡耕地设置为农民习惯的顺坡垄作与保护性耕作措施的横坡垄作2种耕作措施，根据试验地坡度变化，将长为85 m，宽为16 m，总面积1 360 m的试验坡耕地从坡上到坡下划分为坡顶、坡肩、坡背和坡趾4个坡位，其中坡顶长15 m，坡肩长25 m，坡背长30 m，坡趾长15 m，在坡顶至坡肩位置、坡肩至坡背位置和坡址外安装翻斗式径流装置(图2)，用来收集从坡顶到坡肩、坡顶到坡背、坡顶流出坡址的径流样品。

图2 坡耕地试验示意 径流量(L)=V×N

1.3 样品采集与数据处理

(1)水土流失监测：本试验采用的翻斗式径流仪翻斗大小为1.5 L，并连接降雨驱动的径流水事件计数器，按照计数器记录翻斗反转次数与翻斗体积计算径流量；在翻斗计下方安装带滤网的水桶收集泥沙及径流水样，按次降雨事件收集泥沙合为每年总产沙量。在2017—2019年为期3年的实时监测中，仅有2018年获得了完整降雨驱动下的水土流失监测数据。因此，本文选取2018年的实时监测数据进行分析。

式中：为翻斗仪的体积(1.5 L)；为计数器储存的翻斗翻动次数。

(2)泥沙中有机碳含量和径流水中可溶性有机碳碳(DOC)的测定：每次降雨后立即取回装置中收集的泥沙及径流水样。将泥沙风干后，过100目筛，采用重铬酸钾容量法测定泥沙中有机碳含量。将径流水样品摇匀以5 000 r/min的速度用离心机离心1 h，上层清液过0.45 μm滤膜抽滤，滤液用于测定DOC含量。

(3)玉米产量及土壤有机碳含量测定：秋收后采用五点取样法，用土钻分0—20，20—40 cm土层取土，晒干过100目筛，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量。

(4)玉米产量测定：作物成熟期后在每个坡位随机采集玉米10株，计算平均穗粒数后，105 ℃杀青30 min，55 ℃恒温烘干测干重，并通过各坡位面积估算每公顷产量。

采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析、多重比较(Duncan法)，Excel 2019和OriginPro 2019软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同垄作措施地表径流量及泥沙流失量

通过监测显示，坡耕地地表径流主要集中产生于6—8月的雨季(图3)，顺坡垄作地表径流总量为8 479.7 L，横坡垄作的地表径流总量仅为顺坡垄作的3.2%，为274.5 L。顺坡垄作迁移泥沙总量为8 455.1 kg/hm，横坡垄作迁移泥沙总量为587.1 kg/hm，仅为顺坡垄作的6.9%。说明横坡垄作对比农民习惯的顺坡垄作可以有效减少东北黑土坡耕地的地表产流量及迁移泥沙量。

图3 2种垄作措施流经各坡位地表径流量

从不同坡位分析，顺坡垄作产流量的92.5%和产沙量的81.0%流经坡顶至坡趾的整个坡面区域(图4)，说明农民习惯的顺坡垄作无法对集中降雨时产生的径流进行有效拦截，大部分径流及其所裹挟的泥沙迁移至坡趾部位甚至流出耕地，长此以往造成坡耕地坡上部位侵蚀、坡下部位沉积的空间格局。横坡垄作94.7%的产流量和99%的产沙量流经坡顶至坡肩和坡顶至坡背位置，而流出坡趾部位的产流、产沙量分别占总量的0.5%和1.0%，说明横坡垄作坡肩与坡背位置体现出对地表径流及坡面产沙的主要拦截功能。

图4 2种垄作措施各坡位单位面积泥沙迁移量

2.2 不同垄作措施土壤有机碳及可溶性有机碳的迁移流失

不同垄作措施下土壤有机碳(SOC)及可溶性有机碳(DOC)迁移流失量差别显著，横坡垄作SOC迁移总量为25.0 kg/hm，仅为顺坡垄作SOC迁移总量354.3 kg/hm的0.7%(图5)；横坡垄作随水体迁移的DOC总量为1.6 kg/hm，仅为顺坡垄作随水体迁移DOC总量13.2 kg/hm的12.1%(图6)，表明横坡垄作相对于顺坡垄作可明显减少SOC与DOC的迁移总量。

图5 2种垄作措施各坡位单位面积SOC流失量

图6 2种垄作措施各坡位单位面积DOC流失量

按不同坡位分析，顺坡垄作由坡顶流经坡趾，最终从耕地流失的SOC量为283.2 kg/hm，占顺坡垄作SOC迁移总量的79.9%，DOC流失量为12.4 kg/hm占DOC迁移总量的94.0%；而横坡垄作措施下仅有SOC迁移量1.2%的和DOC迁移量5.6%流失出耕地，迁移总量98.8%的SOC和94.4%的DOC则被拦截在坡肩和坡背区域，表明横坡垄作相对于农民习惯的顺坡垄作，在坡肩和坡背位置能有效防止因集中降雨导致的SOC及DOC的迁移流失。

2.3 不同垄作措施土壤有机碳的空间分布

经过3年的不同垄作措施试验可以看出，横坡垄作和顺坡垄作1 m土体SOC含量均呈现随土层加深而逐渐降低的态势(图7)。2019年秋收后测得4个坡位SOC含量为坡趾>坡顶>坡背>坡肩的空间分布特征，0—20 cm土层，横坡垄作在坡顶、坡肩和坡趾土壤有机碳含量分别高于顺坡垄作2.1%，4.3%和10.0%(>0.05)，而在坡背区域显著高于顺坡垄作12.4%(<0.05)(图8)，表明横坡垄作相对于顺坡垄作在坡背区域表现出一定的固碳能力。

图7 2019年2种垄作措施有机碳空间分布

注：图中不同字母表示不同垄作措施间差异显著(p<0.05)。下同。

2.4 不同垄作措施黑土坡耕地玉米产量

横坡垄作3年玉米的平均产量高于顺坡垄作12.7%，表明将农民习惯的顺坡垄作改为横坡垄作可以提高产量。横坡垄作相较于顺坡垄作玉米产量的提高主要体现在坡肩与坡背区域(图9)，分别显著提高21.2%，19.4%(<0.05)。在3年试验过程中，产量并不随改垄年限的增加而呈逐渐增高的态势，每年的产量均有所波动，尤其是改垄后第1年横坡垄作坡趾的产量低于顺坡垄作，第2年和第3年横坡垄作高于顺坡垄作产量的幅度也不相同。

图9 2017-2020年2种垄作措施各坡位平均产量

3 讨 论

方华军等利用Cs技术探究黑土坡耕地侵蚀特征的结果表明，顺坡垄作坡肩和坡背区域Cs含量最低侵蚀最为强烈；魏守才通过野外定位试验发现，坡耕地0—30 cm土层中坡肩部位SOC含量最低，且与其他坡位有显著性差异，这与本试验顺坡垄作坡肩和坡背部位侵蚀最为强烈、SOC含量最低的结果基本一致。不同学者基于室内模拟或小区试验探究东北黑土坡耕地不同雨强下横顺坡垄作土壤侵蚀特征时表明，在<50 mm/h(保证横坡垄作不断垄)的雨强下试验结果与本试验基本相同，均说明横坡垄作对比顺坡垄作可以极显著减少坡面产流产沙量及土壤有机碳和可溶性有机碳的流失，但由于室内模拟及小区试验面积的限制，无法在较短长度的模拟降雨装置和小面积的区试验上体现出2种垄作方式坡位间的差异，尤其是无法确定横坡垄作对水土流失的主要拦截区域。而本研究结果发现，在田间试验条件下，横坡垄作对径流、泥沙及二者所裹挟SOC和DOC的主要拦截坡位是坡肩和坡背区域，经过3年的改垄试验，从横坡垄作坡肩和坡背位置SOC变化中也证实了这一点。试验进行的3年中，横坡垄作对比顺坡垄作玉米的产量也在坡肩和坡背2个区域有显著提升，坡肩部位提升9.7%～23.5%，坡背部位提升10.1%～28.0%，说明横坡垄作对比顺坡垄作，减少土壤侵蚀、有机碳流失和提升耕地生产力的主要作用部位是坡肩和坡背。

室内试验结果表明，在>75 mm/h强降雨下，横坡垄作会发生“断垄”现象，并出现十分剧烈的水土流失，加大泥沙损失量。但本试验在田间监测的条件下，横坡垄作未出现断垄现象，这是由于室内模拟试验未充分考虑实际耕作中作物对雨水的拦截作用，由于东北地区强降雨事件多集中于7，8月，而此时东北地区玉米正值大喇叭口期，玉米叶面积指数(LAI)达到5～6，地表土壤的透光率仅为叶片上层的14%，作物叶片有效拦截降雨避免雨滴直接冲击土壤表层，削弱雨滴对土壤的剪切力，因此在实际耕作过程中未出现断垄现象。未来气候变化下，极端降雨事件频率和降雨量都将增加，这种降雨变化对东北地区坡耕地土壤侵蚀及土壤有机碳迁移流失特征的影响还有待于长时间的持续监测研究。

4 结 论

(1)横坡垄作相对于顺坡垄作可有效减少黑土坡耕地产生地表径流和泥沙总量，减少SOC和DOC损失。横坡垄作相对于顺坡垄作能显著减少年径流总量97.1%，泥沙总量93.1%，SOC损失总量99.9%和DOC损失总量99.3%。

(2)横坡垄作相比于顺坡垄作，坡肩与坡背是拦截SOC和DOC的主要坡位，分别拦截两者迁移量的98.8%和94.4%。

(3)横坡垄作相对于顺坡垄作提高玉米产量，突出表现在坡肩与坡背部位，分别显著提高21.2%，19.4%(<0.05)。