喬林明， 韓 慧， 賀高航， 王潤澤， 王 蕊,2， 郭勝利,2

(1.西北農林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

黃土高原是我國古老農業(yè)區(qū)，也是我國水土流失嚴重的地區(qū)。川地和塬面是黃土高原糧食生產的重要地貌類型，分別占黃土高原總生產面積的58.7%和41.3%。黃土高原土壤肥力貧瘠，“缺碳低氮貧磷”曾是黃土區(qū)土壤養(yǎng)分含量的主要特征，從而導致化肥大量投入。目前，我國化肥用量超過全球的30%，其中，黃河流域化肥用量占全國30%以上。隨著化肥的持續(xù)投入，黃土高原塬面和川地農田土地生產力得到顯著提高，糧食單產可達6 886～7 867 kg/hm，年產量約占全國糧食總產量的7.6%。但同時也增加了氮磷的面源污染和水體富營養(yǎng)化的風險。故而，了解塬面和川地農田土壤養(yǎng)分積累及其流失對水體環(huán)境的潛在威脅對確保區(qū)域的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

黃土高原土壤貧瘠，土壤養(yǎng)分含量在全國屬于較低水平。80年代土壤普查數據表明，黃土高原大部分地區(qū)土壤為貧氮缺磷土壤。但80年代以來，隨著化肥用量的增加，土壤養(yǎng)分逐漸提高改善，出現土壤氮磷積累問題。土壤養(yǎng)分隨時間變化逐年升高，碳、氮、磷分別以每年0.84～3.76，0.06～0.22 g/kg和2.3～44.1 mg/kg的速率積累，致使個別土壤有效磷高達157.14 mg/kg。已有研究發(fā)現，塬面磷用量增加到233 kg/hm時，土壤磷殘留就會超過90%，有效磷嚴重超過農學閾值，存在潛在環(huán)境風險，目前，土壤磷素已經開始由塬面向坡面和溝道擴展進入到水體環(huán)境中。賈珺杰等研究表明，該區(qū)域水體中的碳、氮流失量每月為11.52，2.19 kg/km；韓鳳朋等發(fā)現，黃河中氮、磷高于53%來自上游面源污染，尤其在潼關斷面處氮、磷高達90%以上；韓谞等進一步證明了黃河氮、磷負荷更多的是來自于農業(yè)生產。雖然，近期黃河輸沙量有日益減緩的趨勢，總氮和總磷排放量仍高達7.9萬，1.1萬t。更多研究也證實，河流水體中氮、磷含量與農田土壤氮、磷的積累有顯著正相關關系，是河流水庫水體富營養(yǎng)化的主要原因。綜上可見，塬面與川地土壤碳氮磷的積累和流失對于黃土高原和黃河現有的水體環(huán)境至關重要。但目前大多數研究集中黃土區(qū)農田土壤肥力的改善，缺乏對黃土高原塬面和川地整個侵蝕地貌鏈條中土壤養(yǎng)分積累變化及其對水體環(huán)境風險的研究。

本研究以高塬溝壑區(qū)的典型小流域—王東溝小流域為對象，通過對比塬面系統(tǒng)(塬面—坡地—溝道系統(tǒng))和川地系統(tǒng)(川地—河漫灘—河道)中不同侵蝕地貌類型土壤養(yǎng)分的變化，從土壤團聚體粒級的角度探討黃土高原經過40多年的長期施肥后塬面和川地土壤養(yǎng)分利用和積累情況，討論土壤養(yǎng)分積累及其流失對水體環(huán)境造成的潛在風險。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于陜西省長武縣王東溝小流域(35°12′00″N，107°40′00″E)，該流域是高塬溝壑區(qū)的典型代表。流域面積為8.3 km，主溝控制面積6.3 km，溝壑密度為2.78條/km，土壤侵蝕模數已由治理前的1 860 t/km下降到895 t/km以下。塬面地勢平坦，是糧果主要種植區(qū)，塬坡土壤侵蝕嚴重，是水土流失主要治理段，到溝底最大高差為280 m。塬面土地利用方式主要以果園和農田為主，坡面主要以林草地為主，靠近村莊附近也有果園。川地與塬坡和溝道相接，主要土地利用方式為農田和大棚，分布在河道兩岸。流域內年平均降水量584 mm，多集中于7—9月，占全年降水量的57%，年平均氣溫9.1 ℃，無霜期171天，屬于半干旱半濕潤性季風氣候。土壤主要類型為黑壚土，母質為深厚的中壤質馬蘭黃土，pH 8.4，有機質為11.2 g/kg，CaCO含量10.5%，黏粒含量24.0%，田間持水量25%，凋萎濕度10%。該流域為“陜西長武農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站”所在地，1984年建站初，有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和有效磷(Olsen—P)含量分別為6.09，0.80，0.70 g/kg和3.00 mg/kg。

1.2 土壤樣品采集與處理

1.2.1 樣品采集 基于高塬溝壑區(qū)的地貌特征進行樣品采集。塬面系統(tǒng)沿侵蝕鏈：塬面—坡地—溝道，采集塬面果園、農田和坡地果園土壤樣品及溝道泥沙(王東村附近)，記為塬面果園、塬面農田、坡地果園和溝道泥沙。川地系統(tǒng)沿侵蝕鏈：川地—河漫灘—河道，采集設施大棚、農田和河漫灘土壤樣品及河道泥沙(劉家河村和陳劉河村附近)，記為川地大棚、川地農田、河漫灘和河道泥沙。所有土壤樣品均采集于2020年5—7月。果園采樣在長勢良好的相鄰行的2棵果樹連線上等距采5個樣混為1個樣品，可有效避免條帶狀施肥帶來的養(yǎng)分分布不均問題，確保樣品具有代表性。每個果園采5個混合樣作為重復，共選取5個果園，采樣深度為0—20 cm。農田和大棚采樣按照“S”形5點采樣法用土鉆進行采集，大致以地塊的中軸線或對角線畫5個不同“S”形進行采樣，將5個“S”形的各自混合樣作為重復，采樣深度和果園相同，每個塬面農田、川地大棚和川地農田各5個樣地。溝道從溝頭到出口設5個采樣點，每個采樣點5個重復。河道在鄰近王東溝小流域的黑河上下游段設5個采樣點，每個采樣點5個重復，沿黑河河道采樣，具體范圍是從劉家河村(黑河流經王東溝小流域的上游段)到陳劉河村(黑河流經王東溝小流域的下游段)，選取河段長約4.5 km。共計采集土壤樣品150個。為保證土壤團聚體不被破壞，所有樣品均裝入方形鋁盒中帶回實驗室，過8 mm篩，自然風干備用，用以進行沉降分級，SOC、TN、TP和Olsen—P的測定。此外，在塬面采集了不同含磷梯度土壤，進行CaCl—P測定。

1.2.2 團聚體分級 試驗采用沉降管法(settling tube)進行不同粒級土壤團聚體分級。沉降管主要由3部分組成，分別為沉降管、樣品投放器、旋轉水槽，其工作原理為斯托克斯定律(公式)。根據侵蝕環(huán)境條件下土壤團聚體遷移能力的大小將其分為3級，分別為<63，63～250，>250 μm。具體操作步驟：取200 g風干土樣置于500 mL燒杯中，加入250 mL蒸餾水靜置15 min，然后將水土混合樣倒入樣品投放器，使土壤顆粒在重力作用下沿靜止水柱自上而下進行沉降，根據沉降時間轉動旋轉水槽來收集不同粒級團聚體顆粒，然后將收集到的土壤團聚體顆粒轉移至塑料飯盒中靜置待風干。

式中：為沉降速度(m/s)；為沉降管高度(m)，本研究為1 m；為沉降時間(s)，本試驗中>250，63～250 μm粒級團聚體所需沉降時間分別為18，280 s，<63 μm團聚體通過靜置收集。為沉降顆粒的直徑(mm)；為重力加速度(N/kg)，本研究為9.81 N/kg；為固體顆粒平均密度(kg/m)，此處取值為2.65×10kg/m；為水的密度(kg/m)，1.0×10kg/m；為20 ℃時水的黏滯系數(Ns/m)，此處取值為1×10Ns/m。

1.2.3 樣品測定和數據處理 SOC和TN用碳氮元素分析儀測定(Vario MAXCN, Elementar Co，德國)。TP用硫酸高氯酸消解—鉬銻抗比色法測定，Olsen—P用NaHCO浸提—鉬銻抗比色法測定，CaCl—P用CaCl浸提—鉬銻抗比色法測定。用Excel 2019和SPSS 26.0軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析，Origin 2018軟件進行繪圖，CaCl—P和Olsen—P關系用SigmaPlot 14中的Piecewise函數進行分段擬合。

2 結果與分析

2.1 不同侵蝕地貌土壤養(yǎng)分含量與團聚體分布

土壤碳、氮、磷含量沿塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道變化存在顯著差異(表1)。土壤有機碳隨塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道呈現降低趨勢，塬面顯著高于坡地、溝道(8.49，6.72，4.52 g/kg)，川地顯著高于河漫灘、河道(6.80，1.55，1.27 g/kg)；全氮表現出降低趨勢，但塬面—坡地—溝道系統(tǒng)各地貌間無顯著性差異(1.19，1.05，0.69 g/kg)，川地—河漫灘—河道系統(tǒng)中川地顯著高于河漫灘、河道(1.00，0.36，0.38 g/kg)；全磷與有機碳變化相似，塬面顯著高于坡地和溝道(1.23，0.88，0.60 g/kg)，川地顯著高于河漫灘、河道(1.07，0.65，0.67 g/kg)；Olsen—P對地貌變化更敏感，沿侵蝕部位變化降低，塬面、坡地、溝道為51.80，18.80，5.92 mg/kg，川地、河漫灘、河道為27.40，4.35，5.73 mg/kg，且各地貌間差異顯著。2個系統(tǒng)中塬面和川地土壤SOC、TN、TP、Olsen—P積累最高的，分別是上世紀80年代初的1.39，1.49，1.76，16.27倍和1.12，1.25，1.52，8.13倍，其中磷素積累最為明顯。

塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道系統(tǒng)不同侵蝕地貌之間團聚體顆粒分布差異較大(表1)。塬面—坡地—溝道系統(tǒng)中<63 μm團聚體質量百分比沿塬面—坡地—溝道逐漸升高，由塬面最低(24.55%)升至溝道最高(39.65%)，增加了62%；63～250 μm團聚體質量百分比沿塬面—坡地—溝道降低，由塬面最高(59.93%)降低至溝道最低(42.17%)，降低了29%。川地—河漫灘—河道系統(tǒng)中<63 μm質量百分比沿川地—河漫灘—河道升高，在河漫灘中最高占51.15%；63～250，>250 μm聚體質量百分比沿川地—河漫灘—河道降低，其中，63～250 μm河漫灘最低，>250 μm河道最低。大團聚體含量的高低可作為判斷土壤團聚體穩(wěn)定性的指標之一，對比塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道系統(tǒng)發(fā)現，塬面—坡地—溝道系統(tǒng)大團聚體質量百分比明顯高于川地—河漫灘—河道系統(tǒng)，而川地—河漫灘—河道系統(tǒng)小團聚體質量百分比明顯大于川地—河漫灘—河道系統(tǒng)，這說明塬面—坡地—溝道系統(tǒng)的土壤團聚體穩(wěn)定性高于川地—河漫灘—河道系統(tǒng)。

表1 不同侵蝕地貌類型土壤養(yǎng)分含量與團聚體分布特征

2.2 不同粒級團聚體有機碳含量變化

各侵蝕地貌單元中SOC含量沿塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道遞減，與粒級大小關聯緊密，除溝道、河漫灘和河道外，其他都隨團聚體粒徑減小而降低(圖1)。塬面系統(tǒng)不同侵蝕地貌各粒級團聚體SOC含量隨粒徑減小差異縮小，>250 μm粒級團聚體各侵蝕地貌間差異顯著，而63～250，<63 μm粒級無顯著性差異。溝道SOC含量隨粒徑減小而升高，其中63～250，<63 μm粒級含量最高，這一粒級與其他侵蝕地貌間差異不顯著，說明溝道中較小粒級顆?；騺碓从谲婧推碌?，也是溝道中SOC含量隨粒徑減小而升高的主要原因。川地系統(tǒng)中SOC含量隨團聚體粒徑減小而降低，但不同于塬面系統(tǒng)，河漫灘和河道中大團聚體SOC含量最高。塬面系統(tǒng)SOC含量整體高于川地系統(tǒng)，尤其是溝道中明顯高于河漫灘和河道，具有較高的流失風險。

注：表示25%～75%，表示1.5IQR內的范圍，——表示中位線，□表示均值；圖柱上方不同大寫字母表示同一侵蝕等級不同粒級間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一粒級不同侵蝕等級間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同粒級團聚體全氮含量變化

各侵蝕地貌中TN含量變化也沿塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道遞減，溝道和河道TN含量最低(圖2)。塬面系統(tǒng)同一侵蝕地貌下，TN含量隨粒徑減小而降低，但坡地中<63 μm粒級含量略高于63～250 μm粒級。同樣，塬面系統(tǒng)不同侵蝕地貌同一粒級團聚體TN含量隨粒徑減小差異減小，>250 μm粒級團聚體各侵蝕地貌間差異顯著，而63～250，<63 μm粒級無顯著性差異。川地系統(tǒng)各侵蝕地貌部位TN含量變化與SOC一致，隨團聚體粒徑減小而降低，但河漫灘和河道大小團聚體中TN含量變化不同于川地大棚和川地農田，這可能與河漫灘和河道復雜的侵蝕—沉積條件變化相關。塬面系統(tǒng)和川地系統(tǒng)TN含量在塬面和川地較為接近，但溝道明顯高于河漫灘和河道，也具有較高的流失風險。

2.4 不同粒級團聚體磷素含量變化

各侵蝕地貌中TP含量隨塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道變化和團聚體粒徑減小而降低，塬面和川地最高(1.87，1.38 g/kg)，溝道、河漫灘和河道最低(0.59，0.60，0.60 g/kg)，各侵蝕地貌間差異顯著(圖3)。塬面系統(tǒng)TP含量在團聚體粒級變化上表現為隨粒徑減小而降低，但塬面農田中<63 μm粒級含量卻高于63～250 μm粒級。川地系統(tǒng)塬面TP含量也隨粒徑減小而降低，不同的是，河漫灘和河道TP<63 μm粒級含量也略高于63～250 μm粒級。

圖2 不同侵蝕地貌類型團聚體土壤全氮含量變化

Olsen—P含量與TP有較好的一致性，各粒級團聚體中Olsen—P含量隨塬面—坡地—溝道和川地—河漫灘—河道變化和粒徑減小逐漸降低，在塬面系統(tǒng)最高積累可達99.02 mg/kg，川地系統(tǒng)最高積累達44.56 mg/kg(圖4)。塬面系統(tǒng)中除塬面農田外，其他侵蝕地貌都隨粒徑減小而降低，塬面果園中>250，63～250，<63 μm粒級Olsen—P含量是溝道的12.18，13.49，15.42倍。川地系統(tǒng)中川地中Olsen—P含量隨粒徑減小而降低，但河漫灘和河道中中間粒級最低，川地大棚中>250，63～250，<63 μm粒級Olsen—P含量是河漫灘和河道的8.79，9.30，9.20倍和5.93，6.25，7.26倍。塬面系統(tǒng)Olsen—P含量明顯高于川地系統(tǒng)，3種粒級塬面果園是川地大棚的2.06，2.36，2.22倍，溝道是河漫灘的1.49，1.63，1.33倍。上述結果表明，塬面系統(tǒng)積累嚴重。

圖3 不同侵蝕地貌類型團聚體土壤全磷含量變化

圖4 不同侵蝕地貌類型團聚體土壤有效磷含量變化

3 討 論

3.1 不同侵蝕地貌下土壤養(yǎng)分積累特征

“米糧上塬下川”是黃土高原農業(yè)用地的主要分布模式，侵蝕環(huán)境中，塬面和川地中的碳、氮、磷含量顯著高于坡地等其他侵蝕地貌，其中，大粒級團聚體中養(yǎng)分的含量顯著高于小粒級團聚體。本研究結果與Liu等研究結果一致，可能與不同粒徑團聚體有機質含量、微生物活性、酶活性等相關。上世紀80年代以來，化肥的持續(xù)大量投入，導致碳、氮、磷的積累顯著高于其他侵蝕地貌。塬面SOC，TN，TP和Olsen—P積累最高，分別是坡地的1.26，1.13，1.40，2.76倍，溝道的1.88，1.72，2.05，8.75倍，這一積累值已顯著高于先前已有研究結果。川地SOC、TN、TP和Olsen—P積累最高(圖1～圖4)，分別是河漫灘的4.39，2.78，1.65，6.30倍和河道的5.44，2.63，1.60，4.78倍，略低于塬面?？傊?，塬面和川地的土壤養(yǎng)分積累已經成為黃土高原農業(yè)面源污染的重要問題，威脅該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，但黃土高原在這方面的研究較少，應廣泛關注并采取措施。

3.2 不同侵蝕地貌下土壤團聚體分布特征

本研究發(fā)現，不同侵蝕地貌團聚體粒級分布差異明顯，<63 μm粒級團聚體質量百分比在溝道、河道和河漫灘這些沉積部位顯著升高，且川地系統(tǒng)<63 μm粒級質量百分比顯著高于塬面系統(tǒng)(表1)。本研究中團聚體粒級分布特征與Zhong等用濕篩法分級結果基本一致，不同的是根據研究問題的不同，在最小粒級劃分稍有區(qū)別，整體結果可以表明黃土高原土壤團聚體顆粒主要以<250 μm粒級的微團聚體為主。本研究結果表明，土壤顆粒在塬面—坡地—溝道或川地—河道系統(tǒng)中進行了重新分布，由于侵蝕過程對團聚體遷移具有一定的分選作用，大團聚體遷移性較弱，而小團聚體遷移性較強，是導致沉積部位溝道、河道和河漫灘中<63 μm粒級顯著高于其他部位的主要原因，也解釋了為什么川地系統(tǒng)<63 μm粒級質量百分比顯著高于塬面系統(tǒng)。此外，研究區(qū)的團聚體分布特征也可能受到土地利用方式、耕作等其他條件的影響。

3.3 塬面和川地中磷素積累、遷移及其環(huán)境風險

侵蝕環(huán)境中，地表物質的遷移、重新分布是影響團聚體分布的重要因素，而土壤團聚體顆粒攜帶的氮磷元素遷移是導致水體富營養(yǎng)化的主要原因。在高塬溝壑區(qū)中，塬面和川地上農田土壤養(yǎng)分的積累為河流中富營養(yǎng)化帶來了潛在威脅。已有研究表明，黃土區(qū)土壤有效磷缺乏，農田土壤Olsen—P一般低于5 mg/kg，目前，有效磷積累已是先前的3倍以上，甚至，溝道泥沙中的有效磷含量都達到5.92 mg/kg，接近塬面農田土壤80年代初的含量水平。這一結果表明，塬面小顆粒泥沙中磷素的遷移和積累，導致了溝道泥沙中磷素含量升高。

研究區(qū)塬面和川地中果園、大棚、農田土壤Olsen—P積累(>17.60 mg/kg)已經超過研究區(qū)農學閾值(13.96～22.05 mg/kg)，且TP和Olsen—P最小粒級含量已超過環(huán)境閾值，對環(huán)境危害極大。此外，發(fā)生水體富營養(yǎng)化的總氮和總磷閾值較低，總氮0.84～1.405 mg/L，總磷0.033～0.059 mg/L，高含量養(yǎng)分微團聚體顆粒遷移到水體中很容易達到這一臨界值。作物產量隨Olsen—P的增加而升高，但達到一定值后便不再增加，只會使磷在土壤中積累。土壤Olsen—P積累初期土壤可溶性磷較低，但隨著積累量增加到環(huán)境閾值后，CaCl—P會激增，進而對水體環(huán)境產生危害(圖5)。本研究表明，當Olsen—P低于31.23 mg/kg時，CaCl—P就會迅速增加，是之前增速的10.28倍(圖6)。所以，如何確定既滿足作物生長又無環(huán)境風險的施肥措施是黃土高原此方面研究的重要部分，應將土壤土壤養(yǎng)分含量控制在農學閾值和環(huán)境閾值之間，確保作物高產的同時緩解環(huán)境壓力。

圖5 土壤磷素含量與作物產量和CaCl2-P的關系

圖6 土壤Olsen—P含量與CaCl2-P關系

4 結 論

(1)各侵蝕地貌土壤SOC、TN、TP、Olsen—P含量均為塬面系統(tǒng)>川地系統(tǒng)，塬面>坡地>溝道，川地>河漫灘>河道。

(2)塬面和川地SOC、TN、TP、Olsen—P積累最高，分別為8.49，1.19，1.23 g/kg，51.80 mg/kg和6.80，1.00，1.07 g/kg，27.40 mg/kg，且磷素積累更為明顯。

(3)各粒級團聚體SOC、TN、TP、Olsen—P含量由高到低依次為>250 μm粒級，63～250 μm粒級，<63 μm粒級，但63～250，<63 μm質量百分比較大，遷移風險最高。