耕作方式和土層厚度深度對紫色土膠體遷移的影響
2020-06-11 00:57:12徐婭玲劉海濤林超文
灌溉排水學報 2020年3期
王 宏，徐婭玲，劉海濤，林超文，張 奇
（四川省農業科學院 土壤肥料研究所，成都 610066）
0 引 言
【本研究的意義】紫色土是川中丘陵區典型分布的土壤，土層淺薄、土質疏散、抗侵蝕能力弱，有利于土壤膠體的遷移。紫色土的抗侵蝕能力較弱，極大地制約了紫色土在農業發展中的應用。因此，對丘陵區紫色土開展田間試驗研究，對提供良好的田間管理措施具有重要的意義。【前人研究進展】膠體被認為是1 nm 到10 μm 之間的顆粒，具有顆粒小、比表面積大等特點，對污染物（重金屬、氮磷、農藥等）有較強的吸附能力，從而能夠攜帶污染物移動較遠的距離[1-5]。在過去二十年中，大部分的研究都是通過小尺度土柱試驗，通過改變背景溶液的物理性質（孔隙結構、流速、表面粗糙度等）和化學性質（pH、離子強度、表面活性劑等），研究膠體、膠體攜帶污染物在多孔介質（玻璃珠、石英砂、土壤等）中的遷移[6-8]，從而根據相應的試驗結果預測膠體和污染物在水土環境中遷移。
天然膠體顆粒大部分來源于土壤，會隨著地表徑流、壤中流、裂隙潛流進行移動，而且顆粒濃度、粒徑分布、礦物組成等影響土壤膠體的移動[9-10]。此外，自然環境中，膠體顆粒原位釋放、遷移會受到外界環境如降雨、陽離子交換量、二價離子、有機質等的影響[10-12]。例如，降雨和用離子強度較低的灌溉水進行灌溉就會對土壤進行擾動，進而促進土壤膠體的釋放[9,11,13]。地表和壤中流膠體濃度進行研究發現，地表徑流膠體濃度大于壤中流膠體濃度，而且有將近80%的膠體粒徑小于10 μm[14]。【本研究的切入點】地表徑流和壤中流中不同粒徑范圍（例如0.45～2、0.22～0.45 μm、＜0.22 μm）膠體的流出質量濃度和出流量在不同的耕作措施以及有無秸稈覆蓋條件下的遷移情況的研究還比較少。膠體粒徑對土壤膠體遷移以及對土壤膠體攜帶污染物遷移的影響比較顯著[15-16]。
因此，本研究擬采取不同的耕作和秸稈措施，通過研究2016 年7、9 月2 場比較大的降雨中地表徑流和壤中流膠體的變化，探討能夠減少川中丘陵區紫色土不同粒徑范圍膠體流失的最佳耕作措施，從而為川中丘陵區污染物的流失治理提供依據。
1 材料與方法
1.1 研究區概況
研究區位于川中丘陵區資陽市雁江區雁江鎮響水村（30°6′17＂N，104°35′38＂E），海拔395 m，屬于亞熱帶季風氣候，多年平均降水量為939 mm，最多年1 289 mm，最少年為633 mm，主要集中在6—9月，占全年降雨量的70%；年均溫為16.8 ℃，極端最低溫是-3.6 ℃，極端最高溫為36.5 ℃。供試土壤為遂寧組母質發育的紫色紅砂土，土壤質地較輕，保水性差，土壤pH 值為7.91，總體屬于石灰性紫色土。
徑流小區觀測設施的基本設置如圖1 所示。徑流小區獨立于周邊水文，面積為8 m2（4 m×2 m），平均坡度為10°。徑流小區剖面自上而下依次為紫色土層、石英砂、紫色砂頁巖母質層。紫色土層厚度分別修建為20、40、60、80、100、120 cm。紫色土層下墊10 cm 厚的石英砂，能夠方便壤中流的快速流出。最下面一層紫色砂頁巖裂隙發育顯著，易于滲漏。在徑流小區下端修建了地表徑流和壤中流（土壤-石英砂界面上心土層底層的水平向出流）收集槽（壤中流收集槽根據紫色土層深度進行設置）。通過連接管道，將收集槽中地表徑流和壤中流收集到集流桶中。然后在每次降雨之后，測定集流桶中地表徑流和壤中流流量，并充分混合之后進行樣品收集，用于測定其中不同粒徑膠體質量濃度。徑流小區四周用磚上敷水泥砌成，下墊面用混凝土，以確保降雨為唯一的外來水源。
圖1 坡耕地徑流場監測系統及剖面示意圖 Fig. 1 Schematic diagram of field monitoring system in sloping farmland plot and representative profile
1.2 試驗設計
本次研究進行了不同耕作措施、不同紫色土層厚度條件對土壤膠體遷移的影響。耕作措施共包括6 個處理：平作（T1）、壟作（T2）、平作+完整秸稈還田覆蓋（T3）、壟作+完整秸稈還田覆蓋（T4）、平作+粉碎秸稈還田覆蓋（T5）、壟作+粉碎秸稈還田覆蓋（T6），紫色土土層厚度均為60 cm；土層厚度包括20 cm（D20）、40 cm（D40）、60 cm（D60）、80 cm（D80）、100 cm（D100）、120 cm（D120），耕作措施為平作，每個處理重復3 次，采用隨機區組方式進行排列。壟作處理即在玉米拔節期時，每個雙行玉米起30 cm 高壟；完整秸稈覆蓋處理即按照4 500 kg/hm2的完整小麥秸稈覆蓋于地表；粉碎秸稈覆蓋即按照相同的量將小麥秸稈粉碎之后覆蓋于地表。試驗種植作物為玉米，除試驗耕作措施和深度不同之外，其他田間管理措施每個小區都是相同的。
1.3 樣品收集及測定方法
圖2 表示的是2016 年全年每月的降雨量。從圖2 可以看出，2016 年6、7、9 月降雨量是最高的，分別為139.0、136.5 和138.8 mm。6 月可能是因為前期降雨較少以及降雨強度比較小，大部分的降雨留到了土壤當中，并沒有收集到地表徑流和壤中流。僅在7月15 日和9 月18 日收集到了地表徑流和壤中流。因此本次研究著重對這2 次降雨的地表徑流和壤中流產流進行分析。在試驗小區下端修建的在試驗小區地表和壤中適當位置修建地表徑流、壤中流收集槽，通過連接管道分別在2016 年7 月15 日和9 月18 日2次降雨之后收集地表徑流和壤中流到集流桶中，測定集流桶中的流量之后攪拌均勻進行取樣，并在4 ℃條件下保存在玻璃瓶中，等待測定其中膠體量。不同土層厚度處理均測定紫色土底部的壤中流。
圖2 2016 年全年降雨 Fig. 2 Rainfall amount in 2016
液體中小于0.45 μm 的顆粒被認為是可溶性的，而0.22 μm 與納米粒徑接近具有納米顆粒的性質[17-18]。因此，本次研究顆粒粒徑分布選擇小于0.22 μm、0.22～0.45、0.45～2 μm 進行研究，分析不同小粒徑的膠體顆粒在大田環境下的歸趨行為。通過收集地表徑流和壤中流流失泥沙，稱取一定重量的泥沙進行溶解，按照離心法，控制轉速為3 500 rpm，離心時間為3 min，得到顆粒粒徑小于2 μm 的上清液，然后取部分上述50 mL 離心之后的上清液，過0.45 μm 濾膜，提取其中粒徑大于0.45 μm 且小于2 μm 的顆粒，烘干后配置不同質量濃度的膠體顆粒標準樣品；然后取過0.45 μm 的濾液繼續通過0.22 μm 濾膜，分別將濾膜和濾液烘干后配置不同質量濃度的膠體顆粒標準樣品[19-20]，最后使用紫外分光光度計（Beckman Instruments, Inc., Fullerton, California, United States）在400 nm 處進行測定，建立線性的膠體顆粒標準曲線。對本研究中采集到的地表徑流和壤中流，同樣按照上述方法，提取粒徑范圍為0.45～2、0.22～0.45 μm、＜0.22 μm 的膠體顆粒進行測定。
試驗數據利用 Excel 2007 軟件處理計算，Sigmaplot 10.0 軟件繪圖，SPSS 20.0 軟件對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗。
膠體流出量的計算式為：
式中：M 為地表徑流或者壤中流中膠體量（kg/hm2）；C 為地表徑流或者壤中流中膠體質量濃度（mg/L）；L為地表徑流或者壤中流產流量（mm）。
2 結果與分析
2.1 產流分析
圖3 表示的是2016 年7 月15 日和9 月18 日2次較大降雨情形下收集到的地表徑流和壤中流流量情況。2 次降雨中，收集到地表徑流產流最大的處理為T2（圖3（a1）），產流量均值為11.5 mm；收集到壤中流產流最大的T3 處理，產流量均值為54.9 mm（圖3（a2））。此外，同一處理壤中流的產流量大于地表徑流的產流量。例如，T3 處理7 月15 日壤中流的產流量是地表徑流產流量的5 倍，而在9 月18 日壤中流的產流量達到了地表徑流產流量的6 倍之多。對于不同處理，2 次降雨對于地表徑流的影響，產流量較少的為T5、T6 處理，產流量較多的為T1、T2處理。而壤中流與地表徑流呈現的趨勢不同，T1、T5、T6 處理產流量較少，而T3 處理產流量最多。總之秸稈還田覆蓋與單純地平作或者壟作相比能夠顯著減少地表徑流的產流量，但是卻能增加壤中流的產流量，特別是完整秸稈還田覆蓋。
圖3 2016 年不同耕作措施條件下7 月15 日和9 月18日降雨地表徑流和壤中流產流量 Fig.3 Surface and subsurface runoff on July 15th and Septemper 18th rainfall under different tillage methods in 2016
2.2 耕作和秸稈覆蓋措施對膠體流出影響的分析
圖4 表示的2016 年7 月15 日和9 月18 日2 次較強降雨收集到的地表徑流和壤中流中不同粒徑范圍膠體質量濃度。從圖4 可以看出，地表徑流和壤中流中對于不同粒徑范圍膠體分布不同，而且膠體濃度對于同一處理同一粒徑范圍來講相差也比較大。地表徑流中質量濃度最大的為圖4（b1）中的T1 處理粒徑范圍為0.22～0.45 μm，質量濃度為5.14 mg/L，質量濃度最小的為圖4（a1）中的T6 處理粒徑范圍為0.45～2 μm，質量濃度為0.12 mg/L；壤中流中質量濃度最大的為圖b2 中的T4 處理粒徑范圍為0.22～0.45 μm，質量濃度為3.75 mg/L，質量濃度最小的為圖4（a2）中的T6 處理粒徑范圍為0.45～2 μm，質量濃度為0。2 次降雨收集到的地表徑流，除7 月15 日降雨T1 和T5 處理之外，0.22～0.45 μm 的膠體分布最多，說明對于這一范圍的膠體顆粒，容易隨著地表徑流的流出而產生流失；粒徑范圍小于0.22 μm 的膠體流出量僅次于0.22～0.45 μm，而粒徑范圍在0.45～2 μm 的膠體2 次降雨中流出量最少。壤中流中2 次降雨同一處理，處于0.45～2 μm 粒徑范圍的膠體流出質量濃度最低，0.22～0.45 μm 范圍粒徑的膠體流出最多，特別是對于第2 次降雨更加明顯。雖然第1 次降雨中小于0.22 μm 粒徑范圍的膠體流出量比較多，但是在第2 次降雨中這一范圍粒徑的膠體流出量最少，特別是T5 和T6 處理沒有監測到這一范圍膠體的流出。Sepehrnia 等[21]研究發現有機質量會影響表層和亞表層膠體的遷移，表層土壤有機質量較高時即使土壤含水量比較高也不會解吸太大的土壤膠體。通過顯著性分析發現，壟作和秸稈還田覆蓋處理與平作相比，特別是壟作+粉碎秸稈還田處理，能夠降低地表徑流粒徑范圍大于2 μm 的膠體顆粒流出質量濃度和壤中流中粒徑范圍大于2 μm 以及粒徑范圍小于0.22 μm 的膠體顆粒質量濃度。
圖4 不同耕作措施下降雨地表徑流和 壤中流不同粒徑膠體質量濃度 Fig.4 Surface and subsurface colloid concentration rainfall under different tillage methods
表1 表示的是2016 年7 月15 日和9 月18 日2次降雨從不同耕作方式處理收集到的地表徑流和壤中流中不同粒徑范圍膠體的量總和。從表1 可以看出，除T1（0.22～0.45 μm）之外，其余處理對于同一個粒徑范圍而言，壤中流中膠體量大于地表徑流膠體量。地表徑流中，粒徑范圍在0.22～0.45 μm 之間的膠體量大于粒徑范圍小于0.22 μm 的膠體，粒徑范圍為0.45～2 μm 之間的膠體流出量最小。此外，地表徑流中，每一個粒徑范圍的膠體量表現為T2 處理
表1 2016 年不同耕作措施全年地表徑流和壤中流中不同粒徑范圍膠體量 Table 1 Amount of various colloid range for surface runoff and subsurface flows under different tillage methods in 2016 kg/hm2
2.3 不同深度產流分析
圖5 表示的是2016 年7、9 月2 次較大降雨從不同深度土層收集到的地表徑流和壤中流產流量。從圖5 可以看出，7 月15 日地表徑流中產流量最大的處理為D20（a1），產流量為17.1 mm；9 月18 日壤中流中產流量最大的處理為D80，產流量為51.3 mm。除7 月15 日D100、D120 處理之外，其余同一處理壤中流的產流量相比地表徑流的產流量更多，如圖5（a2）中D40壤中流產流量約為地表徑流產流量的3倍左右。通過顯著性分析發現，2 次降雨地表徑流除D20 之外，其余處理產流量基本上相差不大，因為不同土層深度取樣對地表徑流影響很小。。從圖5（a2）和圖5（b2）中可以看出，隨著測定深度的增加，壤中流的產流量會減少，特別是圖5（a2）中處理D120，壤中流產流量僅為1.63 mm。
圖5 不同深度處地表徑流和壤中流產流量 Fig.5 Surface runoff and subsurface flows amount at different depths
2.4 不同深度膠體流出分析
圖6 為2016 年7、9 月2 次降雨收集到的地表徑流和壤中流中不同粒徑范圍膠體量。從圖6 可以看出，對于地表徑流來講，2 次降雨對于不同處理同一粒徑范圍，膠體的出流質量濃度基本相差不大，但也有部分處理某一粒徑范圍質量濃度偏高的現象，如圖6（b1）中D100 處理粒徑范圍小于0.22 μm 的膠體出流質量濃度能夠達到17.1 mg/L。對于壤中流而言，2 次降雨隨著測樣深度的增加，小于0.22 μm 的膠體量呈逐漸減少的趨勢，特別是7 月15 日降雨D80、D100、D120的3 個處理基本上測不到小于0.22 μm 的膠體。壤中流中其他粒徑范圍的膠體受深度的影響比較小，并沒有隨著深度的增加而呈顯著降低的趨勢。
圖 6 不同深度處地表徑流和壤中流中膠體質量濃度 Fig.6 Surface runoff and subsurface flows colloid concentration at different depths
表2 為2016 年7、9 月2 次降雨收集到不同深度處理地表徑流和壤中流中流出膠體量。從表2 可以看出，對于深度比較小的處理，相同粒徑范圍條件下壤中流中膠體的流出量大于地表徑流中膠體的流出量，如D20 處理，壤中流中0.45～2 μm 膠體量相當于地表徑流中膠體量將近于4 倍；而深度比較深時，特別是粒徑范圍小于0.22 μm 的膠體流出量壤中流是小于地表徑流。對于地表徑流而言，不同深度處理地表徑流中膠體流出的量相差不大，特別是范圍在0.22～0.45 μm 的膠體，各個處理流出基本上相當。對于壤中流而言，基本上隨著深度的增加，各個范圍的膠體都是呈減少的趨勢，而且小顆粒的膠體受深度的影響相比于大顆粒膠體更加顯著。整體來講，壤中流粒徑范圍較大的膠體（0.45～2 μm）的流出量都大于其他。一方面可能是因為沒有秸稈覆蓋，降雨更容易進入土壤對壤中流中大粒徑范圍膠體的流動造成較大影響；另一方面可能是因為平作條件下，大粒徑范圍膠體的擴散作用較強從而流出也較多[15,22]。
表 2 不同深度處理地表徑流和壤中流中不同粒徑膠體量 Table 2 Amount of various colloid range for surface runoff and subsurface flows at different depths in 2016 kg/hm2
3 討 論
本文通過微區試驗對比分析了不同耕作和深度處理對紫色土丘陵區地表徑流和壤中流產流以及其中不同范圍粒徑膠體流出濃度和流出量的影響。不管是不同耕作處理還是不同深度處理對地表徑流和壤中流產流量的影響趨勢都是相同的，都是壤中流大于地表徑流的產流量。土層厚度一方面是因為2016 年這2 次降雨整體而言降雨量和降雨強度都比較小，對地表的沖刷作用比較小，大部分雨水進入到地下隨壤中流流出；另一方面是由于紫色土土層淺薄、結構比較疏松、有機質量低、土壤大孔隙發育豐富，有利于雨水下滲隨壤中流流失[23-25]。秸稈覆蓋能夠有效地減少雨水對地表的沖刷，從而能夠減少地表徑流的產生，而且粉碎秸稈覆蓋的效果優于完整秸稈覆蓋。但是，秸稈覆蓋對于平作而言，卻能夠增加壤中流的產生，特別是完整秸稈覆蓋。這一結果與林超文等[26]發現秸稈覆蓋能夠減少地表徑流，增加壤中流的試驗結果是相一致的。徐勤學等[21]同樣也發現粉碎秸稈覆蓋在中雨強的條件下，能夠減少地表徑流系數和徑流強度，增加壤中流的徑流系數和徑流強度。
不同耕作方式處理條件下，地表徑流中小顆粒的膠體相比于大顆粒的膠體更加容易隨著地表徑流流失，原因可能是小顆粒膠體易受到水動力和布朗運動的聯合作用，而大顆粒膠體容易發生聚沉從而不利于隨地表徑流發生遷移[14,28-30]。壟作相比于平作而言，對地表徑流的攔截更有效以至于膠體的流出質量濃度和流量都比較偏低。此外，秸稈覆蓋對地表徑流中膠體的攔截也比較明顯，壟作加秸稈覆蓋的效果更佳明顯，但是部分粉碎秸稈覆蓋出現了膠體流出質量濃度和流出量的增大，可能是粉碎秸稈覆蓋受到地表徑流影響更大從而解吸更多膠體。白永會等[31]研究指出秸稈覆蓋能夠減少徑流剪切力，從而降低顆粒態物質隨地表遷移。此外，粉碎秸稈覆蓋壤中流中，粒徑范圍為0.22～0.45 μm 之間的膠體顆粒無論是從流出質量濃度還是流出量都是最多的，而且壟作加完整秸稈覆蓋最多，可能是由于雨水下滲導致更多的膠體顆粒發生解吸而流失的原因（李勇等，2017）。而粒徑范圍在0.45～2 μm 之間的膠體顆粒雖然容易發生解吸，但是由于膠體粒徑偏大，因此可能由于膠體阻塞的原因而不容易從土壤中流出。顆粒較大的膠體與土壤之間的相互作用次級勢阱占優，降雨較大、pH 值變大或者是離子強度降低等會發生解吸，但是由于較大顆粒粒徑的膠體還容易發生阻塞因此流出比較少[18,32]。而粒徑范圍小于0.22 μm 的膠體顆粒第1 次降雨流出較多，而且粉碎秸稈覆蓋流出質量濃度更大，說明部分粒徑在這一范圍的膠體顆粒也發生了流失。張維等[9]研究發現雨水與土壤混合前期能夠有效地促進土壤膠體釋放，從而攜帶土壤膠體進行遷移。在第2 次降雨中粉碎秸稈覆蓋的處理幾乎沒有這一范圍的膠體顆粒流出。可能是部分小顆粒膠體大部分會吸附在初級勢阱，降雨較大、pH 值變大或者是離子強度降低不能夠將其解吸[32]。
不同紫色土土層厚度處理條件下，地表徑流中同樣是粒徑比較小的膠體顆粒不管是流出質量濃度方面還是流出量方面都是占優的。第2 次降雨地表徑流中膠體的質量濃度將近于壤中流中膠體質量濃度的1～2 倍左右，這可能是因為第2 次降雨的雨強較大，從而對平作地表造成更大的沖擊[25]。壤中流中，對于粒徑較大的膠體而言，在不同深度處膠體質量濃度幾乎相差不是很大，而對于小粒徑的膠體而言，隨著測定深度的增加膠體的質量濃度是降低的。Zhang 等[27]研究指出在地表徑流中小顆粒膠體的遷移占優，而在壤中流中大顆粒膠體更加容易遷移。通過流出量同樣可以看到大粒徑的膠體顆粒更加容易隨著壤中流而發生流失。如粒徑范圍為0.45～2 μm 的膠體顆粒，在深度為100 cm 時，流出量仍然能達到1.32 kg/hm2。因為在壤中流中，大膠體顆粒更加容易受到降雨導致土壤溶液流速、pH 值、電導率等的影響從而發生解吸遷移的現象[18]。
4 結 論
1）壟作相比平作能夠顯著減少地表徑流增加壤中流，秸稈覆蓋加壟作處理特別是粉碎秸稈覆蓋對地表徑流的減少和壤中流的增加更加顯著。對于不同深度處理而言，隨著深度的增加，壤中流的產生會減少。
2）地表徑流中，小顆粒受到沉降作用和堵塞效應影響更小，與大顆粒相比更加容易隨著地表徑流進行遷移。壟作和秸稈覆蓋會降低0.45～2 μm 和小于0.22 μm 粒徑范圍膠體的流出質量濃度和流出量，但是壟作處理由于增加壤中流的產生從而會增大3 個粒徑范圍膠體的流出量。顯著性分析表明，壟作加粉碎秸稈覆蓋處理能夠顯著減少地表徑流和壤中流中3個粒徑范圍膠體的流出量。
3）壤中流中，大顆粒的遷移能力相比于小顆粒而言更加容易，受測定紫色土土層厚度的影響沒有小顆粒那么顯著，但是隨著厚度的增加大顆粒的出流質量濃度和流出量會相應地減少。小顆粒膠體，特別是粒徑范圍小于0.22 μm 時，出流質量濃度會隨著深度的增加呈現快速地下降趨勢。
致謝:感謝四川省農業科學院土壤肥料研究所資陽水土保持試驗站對本研究的支持。
