紫色土坡耕地可溶性有機碳淋失特征

李太魁，楊小林，花可可，寇長林

1. 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2. 河南理工大學安全與應急管理研究中心，河南 焦作 454000；3. 安徽省農業科學院土壤肥料研究所，安徽 合肥 230031

可溶性有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）是陸地和水生生態系統中一類重要的、十分活躍的化學組分，在操作上被定義為能夠通過0.45 μm濾膜的有機分子連續統一體，主要由碳水化合物、氨基酸、蛋白質、有機酸和腐植酸組成（Tranvik et al.，2009）。它可以充當很多有機和無機污染物的主要遷移載體，諸多難溶污染物，如重金屬和有機物等在DOC存在條件下才得以在土壤和水體中產生明顯的遷移和擴散（Li et al.，2005；Bolan et al.，2011）。陸地生態系統中DOC通過地表徑流和土壤滲濾可能污染地表水和地下水體，其結果會造成水體化學需氧量升高和促進有機或無機污染物擴散的雙重污染（Boyer et al.，2006）。此外，DOC作為生態系統碳循環的基本組成部分，是土壤有機碳損失的重要途徑，其遷移動態變化對土壤碳庫源匯功能亦有著重要的影響（楊玉盛等，2003；Pacheco et al.，2013）。因此，土壤DOC從陸地向水體遷移不僅加劇水環境污染，還造成土壤有機碳庫損失（Tranvik et al.，2002；Song et al.，2018）。研究土壤 DOC的遷移及淋失特性，對于評價土壤有機碳平衡和水環境敏感地區污染物控制有重要意義。

DOC遷移通量是其在土壤中產生、吸附和解吸等過程后的凈結果（McDowell，2003；Martin，2003），即單位面積內流失的DOC的質量。研究證實，土壤發生 DOC遷移須滿足兩個基本條件，其一是土壤中 DOC的產生與累積；其二是土壤水分運動（Michalzik et al.，2003）。其中，水分運動存在是農田物質遷移的必要條件。降雨和灌溉是引起土壤水分運動的主要因素，也是土壤養分隨徑流遷移的主要動力。Dusek et al.（2017）研究表明，森林土壤DOC遷移濃度與降雨量存在顯著的相關關系，并應用淋失模型解釋了DOC遷移淋失的季節變化。Herbrich et al.（2017）認為DOC遷移通量與土壤質地類型及擾動程度有很大關系。盡管有關土壤DOC淋溶的研究較多，也獲得了大量的科學數據與結論，但很多是基于實驗室模擬試驗完成的（Gerke et al.，2016；Rieckh et al.，2014），這些方法測得的DOC遷移通量與田間實際結果存在一定差異，并不能準確反映農田土壤DOC遷移通量。農田土壤由于受人為干擾較頻繁（施肥、耕作），DOC的遷移淋失受降雨驅動可能更為敏感，其含量變化也會更加劇烈（Nele et al.，2014）。

紫色土是長江上游極為重要的耕地資源，僅四川盆地紫色土面積就達 16萬平方千米。由于紫色土發育尚淺，土層厚度一般為30～60 cm，且下伏透水性較弱的泥頁巖（李仲明等，1991），土壤有機質偏低。該區域多年觀測數據表明，常規耕作下的農田土壤有機質含量呈現下降趨勢，其原因除與該地區地處溫暖濕潤的亞熱帶，物質循環強烈等有關外，長期隨徑流遷移的土壤 DOC損失是否也是一個重要原因尚不清楚，降雨對農田土壤 DOC徑流遷移的影響及通量等研究較缺乏，加之紫色土雨季壤中流極易在坡地發生，土壤 DOC的淋失過程較為復雜。鑒于此，本研究擬利用紫色土坡耕地徑流小區進行野外觀測試驗，對DOC淋失過程進行同步觀測研究，旨在探索紫色土坡耕地 DOC遷移途徑與通量，為調控紫色土坡耕地DOC流失及增強土壤固碳能力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

研究依托中國科學院鹽亭紫色土農業生態試驗站（105°27′E，31°16′N），該站位于四川省鹽亭縣林山鄉。該區處于川中丘陵區北部，嘉陵江一級支流涪江的支流——獼江、湍江分水嶺上。本區屬于亞熱帶季風氣候，全區受東南季風控制，氣候溫和，四季分明。年平均溫度 17.3 ℃，極端最高氣溫40 ℃，極端最低氣溫-5.1 ℃，大于10 ℃的積溫5000～6000 ℃。多年平均降雨量826 mm，且分布不均，春季占5.9%，夏季占65.5%，秋季占19.7%，冬季占8.9%，汛期暴漲暴落，無霜期294 d，具有四川盆地典型亞熱帶濕潤季風氣候特征。

1.2 徑流小區試驗設計

田間試驗在自行設計建造的坡度為7°（紫色土丘陵區緩坡地最普遍的坡度）的可測壤中流的徑流觀測小區中進行，土層厚度為60 cm，面積為8 m×4 m，3次重復，重復小區設計、構建與觀測小區完全一致。為防止下滲水分通過巖層裂隙損失以及各小區之間水分的側滲，小區四周及底部澆筑混凝土以簡化水量平衡過程。坡底60 cm深處壤中流出水處鋪設一排5 cm寬、4 cm高的鵝卵石作為反濾層，并以直徑為 8.3 cm的 PVC管引水到壤中流收集池。徑流觀測小區坡底建有兩個長2 m、寬2 m、高1.5 m的徑流收集池，分別收集地表徑流和壤中流。供試土壤為蓬萊鎮石灰性鈣質紫色土，質地為中壤，土壤容重為 1.30～1.40 g·cm-3，pH 值為 8.63，有機質含量為 8.75 g·kg-1，全 N 含量為 0.62 g·kg-1，全 P 含量為 0.64 g·kg-1，全 K 含量為 20.12 g·kg-1，田間持水量為31.0%，凋萎系數為5.0%～8.0%。小區冬季種植小麥，小麥季施氮肥（N計）130 kg·hm-2，磷肥（P2O5計）90 kg·hm-2、鉀肥（K2O計）36 kg·hm-2；夏季種植玉米，玉米季施氮肥（N計）150 kg·hm-2，磷肥（P2O5計）90 kg·hm-2、鉀肥（K2O 計）36 kg·hm-2。

1.3 徑流樣品采集及測定方法

壤中流過程樣：觀測與采樣逢降雨產流必測，測定時間為 2009—2011年。壤中流過程采樣頻率先密后疏，初始產流至徑流穩定期間，分別按5、10、15、30、60 min間隔進行采樣，直至降雨產流結束。采樣時，統一用秒表精確記錄采樣時刻和采樣歷時，徑流樣品均收集于250 mL聚乙烯塑料瓶中，計算徑流速率，即單位時間內產生的壤中流徑流量（mL·s-1）。

徑流總樣：待降雨停止、產流結束后，用卷尺測定壤中流徑流收集桶中水位，為減少人工測量帶來的誤差，每個徑流桶水位測量3次，取平均值。水位測量后，用250 mL聚乙烯塑料瓶采集壤中流池中徑流水樣，采集樣品之前，需將徑流桶中水樣攪拌混勻后靜置，待懸浮物沉淀后進行采樣。

徑流樣品 DOC質量濃度測定：水樣采集結束后帶回實驗室，馬上過0.45 μm孔徑濾膜，濾液用 AutoAnalyzer-3連續流動分析儀（德國BRAN+LUEBBE）DOC分析模塊進行在線測定，儀器主要技術參數：UV消化器，滲透過硅膜，測定波長為550 nm，氮氣純度為99.9999%，進樣速率為每小時 30個樣品。來不及測定的樣品放入冰箱4℃條件下保存（不超過3 d）。

1.4 降雨量及土壤DOC含量測定

降雨量與雨強均從人工氣象站降雨觀測平臺獲取，觀測儀器為虹吸式雨量計。2009—2011年，在玉米播種前、苗期、拔節、抽雄、成熟和收獲等主要生育期采集土壤表層（0～15 cm及15～30 cm）樣品，每個重復小區用直徑 3 cm的土鉆隨機采集5個樣品，混合均勻后去除可見的植物根系與殘體，測定土壤DOC含量，文中數據為3年測定結果平均值。土壤中 DOC的測定參考李太魁等（2017）的方法，即稱取5.0 g過2 mm篩的新鮮土樣于50 mL離心管中，每份土樣3次重復，加入25 mL去離子水，常溫下振蕩3 h，然后在3500 r·min-1條件下離心20 min，上清液過0.45 μm孔徑濾膜，用Auto Analyzer-3連續流動分析儀測定濾液DOC濃度。

1.5 數據處理與分析

土壤DOC的質量分數ω（mg·kg-1）計算公式如下：

式中，ρ為提取液中 DOC的質量濃度（mg·L-1）；V為溶液體積（mL）；m 為土壤質量（g）；x為土壤含水量。

單次降雨產流事件DOC隨壤中流遷移通量Qi的計算式為：

式中，Qi為壤中流遷移通量（mg·m-2）；Ci為壤中流DOC質量濃度（mg·L-1）；qi為單位面積徑流深（mm）。

年或季DOC遷移負荷Q為年內相應歷次降雨壤中流DOC遷移通量累加，計算公式為：

式中，i=1-n，n為年或季降雨產流事件數。

運用Excel 2007進行數據處理，采用SPSS 16.0統計軟件用Pearson相關系數分析法進行相關性分析，運用Origin 8.0進行圖形制作。

2 結果與分析

2.1 土壤DOC含量動態變化特征

圖1 紫色土坡地玉米生長期內DOC含量變化Fig. 1 Changes of DOC in soil of slope land of purple soil during corn growth

結果表明，播種前0～15 cm土層土壤DOC含量較低，為19.7 mg·kg-1，而后隨著作物的生長逐漸升高，至抽雄期達到峰值（28.6 mg·kg-1），成熟期又大幅下降，至收獲期繼續下降至播種前土壤DOC的含量水平（圖1）。15～30 cm土層土壤DOC含量變化趨勢與 0～15 cm土層基本一致。土壤中DOC含量受作物生長、溫度和降水的影響明顯，各處理從玉米播種至灌漿期，由于溫度升高，降水增多，一方面作物迅速生長，另一方面促使土壤吸附的DOC通過解吸向土壤溶液中移動，并隨徑流水移出土體或隨水下滲到土體下部或地下水中。玉米在抽雄期生長旺盛，植物殘體和根系分泌物增多，導致進入土壤的新鮮有機物質顯著增加，土壤DOC含量在這一時期達到峰值（Singh et al.，2007）。

2.2 紫色土坡耕地壤中流產流特征

2009—2011 年平均降雨量為946 mm，其中玉米季降雨量平均達695 mm，小麥季平均降雨量為251 mm，不足全年的27%，形成壤中流的次數相對較少。3年內玉米季共觀測到壤中流20次，徑流量在1.4～127.8 mm范圍內，2009年、2010年、2011年壤中流累積徑流量在225.3～299.6 mm之間，平均為264.2 mm，平均徑流系數為38%，占夏季徑流量的68%（表1），說明壤中流是紫色土坡耕地徑流的主要形式。統計分析表明，壤中流徑流量與降雨量呈現極顯著線性正相關性（P＜0.01），而與平均雨強相關性不顯著（圖2），說明降雨量是形成壤中流的主要驅動因子。

表1 降雨量及壤中流徑流量的季節性變化Table 1 Annual rainfall distribution, seasonal interflow discharge and contribution to total runoff in the different year

圖2 壤中流徑流量與降雨量（a）和平均降雨強度（b）的關系Fig. 2 Relationship between interflow discharge and (a) precipitation and (b) average rainfall intensity

2.3 DOC淋失過程

為揭示單次降雨壤中流產流過程 DOC質量濃度變化特征，以2009年8月3日小雨（降雨量19.2 mm，平均雨強3.3 mm·h-1）和2010年7月17日中雨（降雨量60 mm，平均雨強為8.6 mm·h-1）兩次典型降雨為基礎，分析壤中流產流過程 DOC質量濃度與徑流速率的變化特征。如圖3所示，在產流初期，DOC濃度較低，之后緩慢上升至最大值，然后略有降低，并逐漸趨于穩定，直至產流停止。徑流速率與 DOC濃度變化過程基本一致，均表現為產流初期徑流速率較小，之后逐漸上升達到頂峰。峰值出現后，徑流速率逐漸降低直至壤中流結束。壤中流 DOC濃度與壤中流徑流速率呈極顯著正相關關系，隨著徑流速率的增大而增大（R2=0.492，P＜0.01，n=33）。

2.4 DOC淋失濃度與通量

圖3 典型降雨事件中壤中流過程及DOC含量變化Fig. 3 Characteristics of interflow and the DOC concentrations of the interflow water in typical rain events

圖4 2009—2011年歷次壤中流DOC質量濃度及淋失通量Fig. 4 DOC concentration and leaching loss flux of each interflow event from 2009 to 2011

圖 4所示為2009—2011年夏玉米季歷次降雨產流事件中壤中流 DOC質量濃度及淋失通量的變化特征。3年內壤中流 DOC質量濃度在 1.7～4.6 mg·L-1之間，平均值為 3.2 mg·L-1。3 年內次降雨壤中流DOC遷移通量為12.3～359.1 mg·m-2，通量變化幅度較為寬廣，2009年、2010年和2011年壤中流DOC遷移負荷分別為565.5、802.1和1090.1 mg·m-2，平均年累積遷移負荷為 819.2 mg·m-2（表 2），年際差異較為明顯，主要是壤中流徑流量和 DOC質量濃度差異所致。

表2 2009—2011年玉米生長不同時期DOC淋失通量Table 2 DOC leaching flux at different maize grown seasons from 2009 to 2011

研究結果表明，DOC淋失主要發生在抽雄期至成熟期，淋失量分別為 366.7 mg·m-2和 291.7 mg·m-2，約占年平均淋失負荷的45%和 36%（表 2）。原因可能是這些階段作物生長旺盛和根系分泌物增加，導致土壤中 DOC含量增加，而降雨頻繁導致壤中流增強可能是DOC淋失量較高的直接原因。

3 討論

3.1 紫色土坡地可溶性有機碳淋失過程與機制

紫色土由紫色頁巖發育而成，具有土層淺薄、孔隙度大、入滲能力高等特點。土壤水分垂向運動劇烈，持續降雨時，水分極易下滲至土壤-巖石界面，而紫色泥頁巖滲透性弱，水分難以垂直入滲而沿坡向匯集成壤中流（朱波等，2008；花可可等，2013）。本研究結果表明，壤中流平均徑流量為264 mm，占夏季徑流量的68%。這說明，壤中流為紫色土坡地徑流損失的主要形式。紫色土坡耕地壤中流極為發達，是養分淋失的重要途徑和驅動力。Zhu et al.（2009）對紫色土地表徑流和壤中流特征進行了研究，發現紫色土坡耕地壤中流徑流量占夏季徑流量（地表徑流和壤中流）的 63%以上，這與本研究結論基本一致。水分通過對土壤累積 DOC的沖刷并匯入壤中流成為紫色土 DOC遷移的主要驅動力。旱季降雨量少，紫色土下滲水不足以形成壤中流，因此，雨季 DOC隨壤中流遷移是其淋失的重要形式。壤中流通常由大孔隙流（Macropore flow）和基質流（Matrix flow）兩部分組成（Petry et al.，2002），其中大孔隙流是優先流的一種表現形式（Hornberger et al.，1991），它的形成速度比基質流快。在降雨強度較小的情況下，壤中流產流初期主要為大孔隙流，但大孔隙流形成時入滲水和土壤養分之間的交互作用非常弱，故此時壤中流 DOC濃度較低。隨著降雨的進行，基質流在土壤和巖石界面之間形成，并攜帶土壤中的部分 DOC以壤中流的形式流出，故 DOC濃度有一定程度增加。當壤中流徑流速率峰值過后，DOC濃度也逐漸趨于穩定。雨強較大時，降雨對表土的打擊作用強烈，細顆粒大量產生，阻塞了大孔隙流通道，基質流形成速度相對變快（汪濤，2007），因此壤中流DOC達到最大濃度所用時間比小雨強短。

3.2 紫色土坡地可溶性有機碳淋失通量

紫色土坡地不同降雨條件壤中流 DOC淋失過程存在明顯差異。兩次降雨產流過程中，DOC濃度均出現峰值，而且與徑流速率峰值出現的時間基本一致。Hope et al.（2004）研究了北美小流域有機碳的遷移，結果表明可溶性有機碳流失濃度與徑流速率有顯著的正相關關系，而且降雨過程中 DOC濃度變化與徑流速率有較好的相關性，這與本研究結論一致。紫色土坡地DOC淋失受壤中流驅動，壤中流淋失是紫色土DOC遷移損失的主要途徑，通過對紫色土坡地 3年定位觀測，發現紫色土坡地DOC壤中流年均淋失量為819.2 mg·m-2，Hope et al.（2004）研究發現森林生態系統DOC年淋失量約為 4.84×104mg·m-2，而草地 DOC 年淋失量在160～500 mg·m-2之間，Long et al.（2015）研究發現紅壤農田土壤的DOC年淋失量為630 mg·m-2，造成這種差異的主要原因可能是土壤有機質含量、土層厚度、植被類型不同。一般而言，森林土壤有機碳含量較高，而DOC在土壤中的含量隨著土壤有機碳的增加而明顯增加，DOC含量的升高勢必增加其流失的風險（Gaelen et al.，2014）。本研究發現，玉米不同生長期土壤DOC含量變化較大，在抽雄期至成熟期含量達到最大，此時，DOC平均淋失負荷、為 366.7 mg·m-2和 291.7 mg·m-2，分別占雨季淋失總量的 45%和 36%，這不僅與該階段土壤DOC含量較高有關，還與該階段降雨頻繁導致壤中流流量增大有關（Veum et al.，2009；Hua et al.，2014）。

目前，已有一些研究認識到了降雨徑流對土壤有機碳和流域有機碳流失的貢獻。如郭太龍等（2015）通過室內人工模擬降雨對華南典型侵蝕區有機碳流失進行了研究，認為土壤有機碳流失率隨降雨雨強的增加而增大，而土壤有機碳流失主要以泥沙為承載體被帶走，隨徑流被帶走的只是很少的一部分。張永領等（2007）研究了西江干流雨季降雨徑流對DOC輸出量的影響，結果表明DOC的輸出量主要受徑流深的影響，二者之間存在著顯著的線性相關關系。然而，這些研究僅關注有機碳地表流失過程與通量，而未考慮壤中流 DOC的遷移，本研究結果表明忽視壤中流 DOC遷移可能造成有機碳降雨徑流損失負荷評估的巨大偏差，因此本研究結果為紫色土坡地有機碳損失評估提供了重要參考。

3.3 紫色土坡地可溶性有機碳淋失的環境風險

DOC是土壤中氮磷等營養元素向水體遷移的重要載體，另外，水體中藻類繁殖的許多養分得益于水體微生物轉化，而 DOC是微生物生長所需要的重要能源物質。由于 DOC主要隨壤中流遷移，而壤中流作為徑流的重要組成部分，將不斷匯入溪流（Soulsby et al.，2003），因此，DOC的淋失可能會間接造成水體富營養化的發生。許多研究表明DOC的遷移對各種重金屬及有機無機污染物的活化遷移和淋濾有很大的促進作用，從而造成水域生態系統的污染（Fleming-Lehtinen et al.，2015）。紫色土丘陵區處于長江上游生態屏障的最前沿，是長江流域、三峽水庫水環境的重要影響區，而壤中流DOC攜帶各種污染物匯入河流后經長途遷移可能加重三峽水庫的水質惡化。未來應加強 DOC與土壤氮磷等營養元素和有機污染物（農藥）相互影響機制的研究，進一步評估 DOC遷移的環境效應，為保護長江上游特別是三峽庫區水環境提供科學數據。

4 結論

（1）紫色土區雨季降雨豐富，坡地壤中流極為發達，3年平均徑流量為264 mm，占夏季徑流量的68%，表明壤中流是紫色土坡耕地徑流的主要形式。壤中流徑流量與降雨量呈現極顯著線性正相關性，與降水強度的相關性不顯著。

（2）壤中流遷移是 DOC淋失的主要形式。壤中流過程 DOC質量濃度表現為先升后降再趨于穩定的趨勢，且與徑流速率呈極顯著正相關，隨著徑流速率的增大而增大。2009—2011年次降雨產流事件中壤中流平均DOC質量濃度為3.2 mg·L-1。壤中流 DOC 遷移負荷為 565.5～1090.1 mg·m-2，平均年累積遷移負荷為819.2 mg·m-2，DOC淋失量季節變化較為明顯，主要發生在玉米抽雄期至成熟期，淋失總量約占年平均淋失負荷的81%。

（3）紫色土坡耕地 DOC淋失不僅影響著農田土壤有機碳庫平衡狀況，而且可能造成水體富營養化，未來應重點研究 DOC隨壤中流淋失的去向以及與土壤氮磷等營養元素和有機污染物的相互影響機制，為保護長江上游特別是三峽庫區水環境提供科學依據。