不同培肥措施對紅壤坡耕地土壤有機碳流失的影響*

范亞琳 劉賢趙 高 磊 汪亞及 彭新華?

（1 湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南湘潭 411201）

（2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

南方紅壤丘陵區受季風氣候的影響，加之雨季來臨前農田翻耕導致土壤結構破壞，水土流失嚴重，成為我國第二大水土流失區[1-2］。目前紅壤區水土流失面積60萬km2，主要發生在坡耕地[2］。水土流失加劇了土壤貧瘠，使有機碳累積更加困難。土壤有機碳（Soil organic carbon, SOC）作為評價土壤肥力的重要指標，其在土壤中固持一方面可以減少碳排放和維持全球碳平衡[3］，一方面可以改良土壤結構、提高土壤生產力[4］。土壤有機碳通常以溶解態和吸附態的形式隨徑流和泥沙遷移出土體，造成土壤肥力下降[5］。許多研究發現有機碳流失以吸附態為主，肖勝生等[6］報道裸地坡面隨泥沙流失的有機碳占比為65%，而聶小東等[7］發現坡耕地泥沙所攜帶有機碳流失量占總有機碳流失量的84%以上，最高可達98%。有機碳富集在土壤表層，降雨誘發侵蝕時優先搬運了表層的細顆粒土壤，導致有機碳大量流失[8］。

紅壤坡耕地有機碳的固持和流失一直備受研究者的廣泛關注，并在有機培肥和水土保持促進坡耕地有機碳積累方面取得了一些進展。例如，孟祥天等[9］基于不同有機物等碳量投入的定位試驗，發現生物質炭和秸稈不僅可以增加紅壤有機碳含量，還能顯著提高紅壤機械穩定性團聚體的數量；柳開樓等[10］報道長期施用豬糞較常規施肥增加了18.8%～23.7%有機碳含量。陳敏全和王克勤[11］指出坡面林草和等高反坡階措施顯著提高了土壤有機質含量，阻控了土壤有機碳流失。研究表明，培肥是改良土壤結構、減少水土流失、維持土壤肥力水平，進而實現農業可持續發展的重要措施[12］。但是，我國土壤培肥定位試驗一般建立在平坦的地塊上，很少考慮侵蝕方面的影響，從而關于不同培肥措施對土壤侵蝕所導致的有機碳流失的報道較少。因此，本研究以水土流失較為嚴重的紅壤坡耕地為研究對象，基于不同培肥措施下侵蝕小區尺度水土流失量和泥沙中有機碳含量的監測，分析不同培肥措施下泥沙攜帶的有機碳流失規律，以期為紅壤坡耕地土壤培肥和水土流失阻控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究依托位于江西省鷹潭市的中國科學院鷹潭紅壤生態實驗站（28 °15 ′N，116 °55 ′E）。該地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，年均氣溫17.8 ℃，年均降雨量1795 mm，但降水季節分配不均，50%的降水集中在4—6月份，而夏秋之間高溫少雨，7—9月份蒸發量接近全年的1/2，為季節性干旱期。土壤為第四紀紅黏土發育的典型紅壤，試驗前土壤有機碳為7.44 g·kg-1。

1.2 試驗設計

侵蝕試驗地建于2 0 11年[13］，在坡度為5°～8°的坡耕地上共設有15個長20 m、寬6 m的侵蝕小區，共有5個處理：不施肥（CK）、單施化肥（NPK）、化肥與秸稈覆蓋（NPK+Str）、化肥與生物質炭（NPK+BC）、化肥與豬糞培肥（NPK+OM），每個處理三個重復，小區采用隨機區組設計[14］。區內順坡壟作種植花生。4—8月份為花生生長季，其他月份為農耕休閑期，即非生長季。每季N肥（尿素）、P肥（過磷酸鈣）、K肥（氯化鉀）用量分別為N 172.5 kg·hm-2、P2O590.0 kg·hm-2、K2O 180.0 kg·hm-2。同時施用硼（B）肥0.162 kg·hm-2。水稻秸稈、生物質炭和豬糞按碳投入量2 t·hm-2計算，施用量分別為5、4和8 t·hm-2（干重）。施肥時間為每年4月初，水稻秸稈曬干后，切碎至3～5 cm長度。水稻制生物質炭由烘干水稻秸稈在反應爐（專利號：ZL200920232191.9）中400 ℃厭氧焚燒4 h制備，豬糞提前一月堆放至田間，漚肥待用。花生播種前，豬糞、水稻制生物質炭均以撒施的方式施入，翻耕混勻，基肥N、P、K和B肥撒施，然后起壟種植花生。秸稈在花生播種后4 d，以覆蓋的方式還田。

1.3 樣品采集與數據處理

產流產沙監測：在每一小區下端挖坑砌池（長×寬×高=1.5 m×1.0 m×0.5 m），安裝翻斗式徑流儀，翻斗大小為2 L，連接事件計數器（Onset computer corporation, Bourne, USA），2015—2017年實時監測徑流事件的全過程。在翻斗計下方安裝孔徑為300目的濾網收集泥沙，2015年按次降雨事件收集泥沙合并為每月產沙量，2016年和2017年均在每月月底收集當月所產泥沙。降雨數據來源于中國紅壤生態試驗站翻斗式雨量計。

式中，V為翻斗儀的體積（2 L），N為翻動的次數，A為小區面積（120 m2）。

式中，Mw為泥沙濕重，Md為0.5 kg泥沙干重，A為小區面積（120 m2）。

有機碳含量的測定及流失量計算：將泥沙風干后，過100目篩，采用重鉻酸鉀容量法測定泥沙有機碳含量，進而獲得流失有機碳總量。

采用Excel 2016軟件對試驗數據進行統計整理，采用SPSS 24.0軟件進行單因素方差分析、多重比較（Duncan法）和相關性檢驗。

2 結 果

2.1 不同培肥措施下地表徑流動態變化

如圖1所示，2015—2017年降雨量分別為2162、1944、1699 mm，57.1%～61.4%的降雨發生在花生生長季（即4—8月份）。

2015年全年徑流量為222～321 mm，除NPK+Str地表產流峰值出現在11月外（60.6 mm），其他培肥處理產流峰值均出現在6月份（122～177 mm），NPK+Str花生生長季產流86.3 mm，僅占全年產流的38.9%，其他培肥措施花生生長季產流均在66%以上。

2016年全年徑流量196～306 mm，CK處理下徑流峰值出現在11月（79.7 mm），NPK、NPK+Str和NPK+OM徑流峰值均出現在5月份，分別為53.6、52.1和96.3 mm，NPK+BC峰值出現在6月份（77.8 mm），花生生長季地表產流占全年徑流量的60%～88%。

2017年全年徑流量為140～255 mm，地表徑流峰值均出現在6月份（60.4～130.4 mm），花生生長季產流量占全年的66%～96%。地表產流除了與降水量和雨強有關外，同時還受當地產流機制的影響，紅壤區雨季多以蓄滿產流為主，旱季則以超滲產流為主。

由表1可知，3年平均地表產流由高到低依次為：NPK+BC（297.1 mm）、CK（265.2 mm）、NPK（242.9 mm）、NPK+OM（217.0 mm）、NPK+Str（188.8 mm）。除NPK+Str處理外，約有69%～83%的地表徑流產生于花生生長季。2015年產流系數為10.3%～14.8%，CK處理下花生生長季徑流系數為20.3%，為NPK+Str處理的3倍。2016年和2017年分別有10.1%～17.4%、8.2%～15.0%的降雨轉化為地表徑流，花生生長季均以NPK+BC徑流系數最高（21.5%、18.9%），NPK+Str徑流系數最低（10.9%、8.9%）。

圖1 2015—2017年不同培肥措施下降雨和徑流的動態變化Fig. 1 Dynamic of rainfall and runoff during the period of 2015—2017 relative to soil fertility building practice

2.2 不同培肥措施下土壤侵蝕的動態變化

圖2 所示為2015—2017年不同培肥措施下土壤侵蝕的動態變化，2015年全年土壤侵蝕量為291～3644 t·km-2，CK、NPK和NPK+OM處理下侵蝕峰值出現在5月份（1 445、1 467、871 t·km-2），NPK+BC侵蝕峰值出現在6月份（1 126 t·km-2），NPK+Str侵蝕峰值則出現在10月份（110 t·km-2），各培肥處理在1月、2月、7月和12月均未觀測到土壤侵蝕，生長季侵蝕量占全年侵蝕量的38.1%～86.2%。

2016年土壤侵蝕動態與2015年相似，全年侵蝕量為258～4 131 t·km-2，侵蝕峰值均出現在5月份（115～1 427 t·km-2），花生生長季侵蝕量占全年侵蝕量的94%以上。

表1 2015—2017年不同培肥措施下地表產流狀況Table 1 Generation of surface runoff during the period of 2015—2017 relative to soil fertility building practice

圖2 2015—2017年不同施肥措施下侵蝕量的動態變化Fig. 2 Dynamic of soil erosion during the period of 2015—2017 relative to soil fertility building practice

2017年全年侵蝕量為448～5 235 t·km-2，除NPK+BC侵蝕峰值出現在6月外（1 895 t·km-2），其他培肥措施的侵蝕峰值均出現在8月份（1 610、1 344、295和544 t·km-2），花生生長季土壤侵蝕量占全年侵蝕量的77%～89%。

不同培肥處理下，土壤侵蝕以C K、NPK+BC、NPK最多，再次為NPK+OM，最后為NPK+Str，有70%～90%的侵蝕發生在花生生長季。2015年和2016年土壤侵蝕動態主要受降雨和地表產流的影響，2017年土壤侵蝕除與降雨和徑流存在一定的響應關系外，還受降雨強度的影響，8月降雨強度為3.42 mm·h-1，對土壤侵蝕峰值影響明顯。由表2可知，CK處理下，2015-2017年的年均土壤侵蝕模數為3 995 t·km-2·a-1，相當于每年有3.20 mm表層土壤流失，且主要發生在花生生長季（84.5%）。NPK處理下土壤流失量為3 745 t·km-2·a-1，NPK+BC處理與之基本持平（3 931 t·km-2·a-1），但是NPK+Str和NPK+OM均極顯著減少了土壤侵蝕（P＜ 0.001），分別為332和1 455 t·km-2·a-1。

表2 2015—2017年不同培肥措施下土壤侵蝕狀況Table 2 Soil erosion in the peanut field during the period of 2015—2017 relative to soil fertility building practice

2.3 不同培肥措施下有機碳流失動態

圖3為不同培肥措施下泥沙有機碳含量的變化狀況，與土壤侵蝕量的動態變化不同，有機碳含量并無明顯的季節變化。2015—2017年泥沙有機碳含量總體以NPK+OM 最高，順次為NPK+BC，再次為NPK+Str 和NPK ，最后為CK。與NPK相比，NPK+Str、NPK+BC和NPK+OM均顯著提高了有機碳含量（P＜ 0.05），分別增加6.2、7.1、10.2 g·kg-1。

2015年CK處理下泥沙有機碳平均含量為8.6 g·kg-1，與CK相比，NPK、NPK+Str、NPK+BC和NPK+OM培肥處理分別增加了1.3、3.4、6.9、12.0 g·kg-1有機碳。各培肥處理并無明顯峰值。

相較2015年，2016年CK處理下泥沙有機碳平均含量降低2.2 g·kg-1，但與NPK相比，NPK+Str、NPK+BC和NPK+OM三種有機培肥處理有機碳分別增加3.3、3.8、5.3 g·kg-1。

2017年CK處理下泥沙有機碳平均含量為6.8 g·kg-1，與NPK相比，NPK+Str、NPK+BC和NPK+OM有機培肥處理有機碳分別增加10.3、11.6、13.2 g·kg-1。CK和NPK+OM有機碳峰值均出現在4月（10.9和41.0 g·kg-1），NPK和NPK+BC有機碳峰值出現在12月（14.1和30.3 g·kg-1），NPK+Str有機碳峰值出現在8月（36.1 g·kg-1）。

從2015—2017年際間變化來看，以2017年泥沙有機碳含量差異最大，不同處理間泥沙有機碳含量相差25.1 g·kg-1，NPK+Str處理下泥沙有機碳含量顯著高于其他處理（P＜ 0.05），2015年NPK+OM處理下泥沙有機碳含量顯著高于其他處理（P＜0.05），2016年泥沙有機碳含量則以NPK+Str最高，與NPK+BC和NPK+OM處理間差異不顯著（P＞0.05）。

如圖4所示，2015—2017年不同培肥措施下，泥沙攜帶有機碳流失總量由高到低依次為NPK+BC（33.2～78.8 t·km-2）、NPK（21.4～34.8 t·km-2）、CK（23.7～29.0 t·km-2）、NPK+OM（10.6～23.4 t·km-2）、NPK+Str（2.5～10.2 t·km-2）。泥沙攜帶有機碳流失總量受侵蝕量的影響，表現出明顯的季節變化，花生生長季泥沙攜帶有機碳流失總量在4.0～44.6 t·km-2之間，占全年流失總量的78%以上。從年際變化來看，除 NPK+Str外，2015年其他培肥處理下的有機碳流失主要發生在花生生長季，占全年流失總量的比重分別為80.2%、79.8%、79.9%、76.5%，而2016、2017年各處理下泥沙有機碳流失均發生在花生生長季，占比分別為94.0%～95.6%、79.4～89.9%。通過相關分析可知，CK、NPK、NPK+BC和NPK+OM處理下泥沙有機碳流失總量與降雨量、降雨強度和徑流量均呈極顯著正相關（P＜ 0.01），NPK+Str培肥措施下泥沙有機碳流失總量除與降雨強度顯著相關外（P＜ 0.05），與降雨量和地表徑流量相關性均不顯著（P＞ 0.05）（表3）。

圖3 2015—2017年不同培肥措施下泥沙有機碳含量Fig. 3 Content of SOC in sediment during the period of 2015—2017 relative to soil fertility building practice

圖4 2015—2017年不同施肥措施下泥沙有機碳流失總量Fig. 4 Total SOC loss in sediment during the period of 2015—2017 relativeto soil fertility building practice

表3 泥沙有機碳流失總量影響因素相關分析Table 3 Correlation analysis of influencing factors of total SOC loss in sediments

3 討 論

3.1 培肥措施對土壤侵蝕的影響

本研究表明，紅壤坡耕地降雨主要發生花生生長季，降雨與徑流、侵蝕之間均存在一定的響應關系。常規施肥條件下，紅壤坡耕地平均土壤侵蝕模數為3 745 t·km-2·a-1（表2），是紅壤區土壤容許流失量的7倍以上，侵蝕模數僅低于湘中贛中丘陵區和贛南閩西南低山區，與湘西中低山黃壤區基本持平，在土壤潛在危險性分級中為危險型[15］，說明常規施肥條件下紅壤坡耕地防治土壤侵蝕面臨嚴峻挑戰。

與常規施肥相比，秸稈覆蓋和豬糞培肥土壤侵蝕模數分別降低了91%和61%，顯著地阻控了土壤侵蝕（P＜ 0.05）（圖2、表2）。施用秸稈覆蓋減少了地表產流（圖1、表1），主要是因為秸稈覆蓋不僅能夠改善下墊面狀況，增加地表入滲，滯后坡面產流時間，還能有效削弱雨滴濺蝕，減緩土壤結皮的形成，此外秸稈覆蓋可以有效攔蓄土壤顆粒隨徑流遷移，減少土壤侵蝕量[16］。豬糞培肥改善土壤侵蝕僅次于秸稈覆蓋，主要是因為豬糞培肥能夠顯著增加花生生物量（P＜ 0.05）[17］，地上生物量增多有利于地表植被截留降雨，降低雨滴動能，進而減緩徑流對地表的沖刷，同時地下生物量的增加和植物根系在土體中的生長，在一定程度上提高了土壤抗濺蝕的能力，起到了抑制地表侵蝕的作用[18］。另有研究表明，豬糞培肥能夠顯著提高土壤有機碳和團聚體水穩定性，改善土壤結構，有利于減少地表產流[13］。相關研究表明，生物質炭豐富的孔隙結構和表面官能團，使其具有一定的持水性[19］，施用生物質炭可以增加主導產流作用的有效孔隙度，提高土壤飽和導水率，有利于削減地表徑流，減少土壤侵蝕[20］。但本研究發現，與對照處理相比，添加水稻生物質炭并沒有起到減少徑流和抑制土壤侵蝕的作用，這與吳昱[21］、魏永霞[22］等的研究不符，除與秸稈生物質炭本身質量輕、顆粒小、團聚能力弱等物理性質有關外，還可能受紅壤坡耕地降雨特征和地形的影響，使土體中水稻生物質炭極易隨地表徑流和侵蝕土壤損失[17］。在本研究中，泥沙有機碳以施肥加生物質炭處理流失最多，進一步佐證了大量生物質炭極易流失，說明水稻生物質炭并不適宜作為水土流失的阻控措施在紅壤坡耕地實施。

3.2 培肥措施對土壤有機碳流失的影響

不同培肥措施下泥沙有機碳含量存在差異，有機碳含量以豬糞培肥處理最高，再次為秸稈覆蓋和水稻生物質炭處理（圖3），但有機碳流失總量以水稻生物質炭流失最多，豬糞培肥和秸稈覆蓋處理下有機碳流失總量均低于對照和常規施肥處理（圖4），說明施用豬糞培肥和秸稈覆蓋不僅可以增加土體中有機碳含量，同時相較其他培肥處理，還可以有效減少有機碳隨侵蝕土壤流失。已有研究表明，坡面侵蝕過程中，由于土壤有機碳的選擇性遷移，有機碳在泥沙中存在明顯富集現象[6,23］，降雨特征和土壤侵蝕量是決定侵蝕過程中有機碳流失量關鍵因子[7,24］，這與本文研究結果相一致（表3）。

泥沙中有機碳含量以豬糞培肥最高，這主要是因為豬糞本身富含有機碳，施入后能夠顯著增加土壤團聚體含量，增強土壤團聚體的穩定性[25］，但由于紅壤坡耕地降雨主要發生在花生生長季，暴雨集中出現在花生出苗期、苗期和開花下針期（4-6月份），該時段花生地上部分生長緩慢，葉面積指數較低[16］，未能有效攔截降雨，導致豬糞培肥處理下泥沙有機碳含量偏高；而在花生生長季后期，花生地上冠層生長旺盛，滯留降雨作用凸顯，減少了雨滴對地面的侵蝕，地下根系的生長在一定程度上增加了地表入滲，減少了地表徑流。總體而言，施用豬糞培肥，增加了流失土壤的有機碳含量，但由于其地上冠層的滯流作用、地下根系對徑流的入滲作用以及豬糞促進土壤團聚體穩定性多種作用疊加，使豬糞培肥下泥沙有機碳流失總量低于對照和常規施肥處理，有效抑制了土壤中有機碳隨侵蝕遷移出土體。秸稈還田是促進團聚體形成和增加表層土壤有機碳的重要措施[9］，本研究中，秸稈覆蓋處理下有機碳含量高于常規施肥處理，但徑流系數遠低于其他培肥措施（圖3，表1），雖然秸稈覆蓋處理下泥沙細顆粒富含有機碳，但由于流失泥沙量最少（圖2，表2），因而有機碳流失總量低（圖4）。水稻生物質炭雖然也在一定程度上增加了流失土壤的有機碳含量，但水稻生物質炭質量輕、顆粒小，在南方強降雨條件下，地表徑流又以蓄滿產流為主[26］，使生物質炭極易被帶出土體。因此，生物炭處理下土壤侵蝕量大（圖2，表2），有機碳總流失量大（圖4）。

總之，紅壤坡耕地主要以水力侵蝕為主，在降雨和徑流的共同作用下，土體遭受侵蝕，養分在泥沙中富集，土壤侵蝕一方面破壞當地生態環境，另一方面流失泥沙攜帶養分遷移進入水體，導致原坡面養分流失，土壤肥力下降，造成受納水體富營養化，形成非點源污染[27］。本研究表明，秸稈覆蓋和豬糞培肥在阻控紅壤坡耕地水土流失、改善當地生態環境、保持土壤肥力方面效果顯著。秸稈覆蓋能夠極大地改善下墊面狀況，降低地表徑流對土壤的侵蝕，同時由于秸稈能夠在水熱條件下快速分解并釋放養分，促進作物生長[28］。本研究水稻秸稈覆蓋效果最好，但是從稻田到旱地的秸稈運輸成本高。紅壤旱地一般種植經濟作物，就地取材的秸稈資源貧乏，秸稈覆蓋措施難以大范圍推廣。調查發現，紅壤地區畜禽養殖業發達，豬糞資源豐富[17］，豬糞不僅能夠有效增加土壤養分，還能增加水穩性大團聚體數量、提高團聚體穩定性，有效改良土壤結構，促進作物地上部分生長，在雨季后期截留降雨，阻控水土流失效果明顯。因此，施用豬糞是紅壤坡耕地培肥土壤和阻控水土流失有效且適宜的措施。

4 結 論

紅壤坡耕地降雨主要發生花生生長季，降雨與徑流、侵蝕之間均存在一定的響應關系。秸稈覆蓋和豬糞培肥減流減沙效果明顯優于單施化肥和添加水稻生物質炭，能夠改善紅壤坡耕地土壤侵蝕狀況。泥沙有機碳含量以施肥加豬糞培肥最高，有機碳流失總量以施肥加水稻生物質炭最高，常規施肥和不施肥次之，再次為施肥加豬糞培肥，以施肥加秸稈覆蓋措施下流失最少，且泥沙有機碳流失主要發生在花生生長季。秸稈和豬糞作為高含碳量物質，分別以覆蓋和施入土體的形式作用于紅壤坡耕地，有效抑制了泥沙攜帶土壤有機碳流失，在防治紅壤坡耕地土壤侵蝕，減少土壤養分流失方面作用顯著。水稻生物質炭受當地自然特征和自身質地的影響，極易隨地表徑流和侵蝕土壤大量流失，在紅壤區水土保持方面并無顯著作用。

致 謝感謝中國科學院鷹潭紅壤生態實驗站提供降雨數據。