李太魁，杨小林，花可可，寇长林

1. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2. 河南理工大学安全与应急管理研究中心，河南 焦作 454000；3. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽 合肥 230031

可溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）是陆地和水生生态系统中一类重要的、十分活跃的化学组分，在操作上被定义为能够通过0.45 µm滤膜的有机分子连续统一体，主要由碳水化合物、氨基酸、蛋白质、有机酸和腐植酸组成（Tranvik et al.，2009）。它可以充当很多有机和无机污染物的主要迁移载体，诸多难溶污染物，如重金属和有机物等在DOC存在条件下才得以在土壤和水体中产生明显的迁移和扩散（Li et al.，2005；Bolan et al.，2011）。陆地生态系统中DOC通过地表径流和土壤渗滤可能污染地表水和地下水体，其结果会造成水体化学需氧量升高和促进有机或无机污染物扩散的双重污染（Boyer et al.，2006）。此外，DOC作为生态系统碳循环的基本组成部分，是土壤有机碳损失的重要途径，其迁移动态变化对土壤碳库源汇功能亦有着重要的影响（杨玉盛等，2003；Pacheco et al.，2013）。因此，土壤DOC从陆地向水体迁移不仅加剧水环境污染，还造成土壤有机碳库损失（Tranvik et al.，2002；Song et al.，2018）。研究土壤 DOC的迁移及淋失特性，对于评价土壤有机碳平衡和水环境敏感地区污染物控制有重要意义。

DOC迁移通量是其在土壤中产生、吸附和解吸等过程后的净结果（McDowell，2003；Martin，2003），即单位面积内流失的DOC的质量。研究证实，土壤发生 DOC迁移须满足两个基本条件，其一是土壤中 DOC的产生与累积；其二是土壤水分运动（Michalzik et al.，2003）。其中，水分运动存在是农田物质迁移的必要条件。降雨和灌溉是引起土壤水分运动的主要因素，也是土壤养分随径流迁移的主要动力。Dusek et al.（2017）研究表明，森林土壤DOC迁移浓度与降雨量存在显著的相关关系，并应用淋失模型解释了DOC迁移淋失的季节变化。Herbrich et al.（2017）认为DOC迁移通量与土壤质地类型及扰动程度有很大关系。尽管有关土壤DOC淋溶的研究较多，也获得了大量的科学数据与结论，但很多是基于实验室模拟试验完成的（Gerke et al.，2016；Rieckh et al.，2014），这些方法测得的DOC迁移通量与田间实际结果存在一定差异，并不能准确反映农田土壤DOC迁移通量。农田土壤由于受人为干扰较频繁（施肥、耕作），DOC的迁移淋失受降雨驱动可能更为敏感，其含量变化也会更加剧烈（Nele et al.，2014）。

紫色土是长江上游极为重要的耕地资源，仅四川盆地紫色土面积就达 16万平方千米。由于紫色土发育尚浅，土层厚度一般为30～60 cm，且下伏透水性较弱的泥页岩（李仲明等，1991），土壤有机质偏低。该区域多年观测数据表明，常规耕作下的农田土壤有机质含量呈现下降趋势，其原因除与该地区地处温暖湿润的亚热带，物质循环强烈等有关外，长期随径流迁移的土壤 DOC损失是否也是一个重要原因尚不清楚，降雨对农田土壤 DOC径流迁移的影响及通量等研究较缺乏，加之紫色土雨季壤中流极易在坡地发生，土壤 DOC的淋失过程较为复杂。鉴于此，本研究拟利用紫色土坡耕地径流小区进行野外观测试验，对DOC淋失过程进行同步观测研究，旨在探索紫色土坡耕地 DOC迁移途径与通量，为调控紫色土坡耕地DOC流失及增强土壤固碳能力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

研究依托中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站（105°27′E，31°16′N），该站位于四川省盐亭县林山乡。该区处于川中丘陵区北部，嘉陵江一级支流涪江的支流——猕江、湍江分水岭上。本区属于亚热带季风气候，全区受东南季风控制，气候温和，四季分明。年平均温度 17.3 ℃，极端最高气温40 ℃，极端最低气温-5.1 ℃，大于10 ℃的积温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%，汛期暴涨暴落，无霜期294 d，具有四川盆地典型亚热带湿润季风气候特征。

1.2 径流小区试验设计

田间试验在自行设计建造的坡度为7°（紫色土丘陵区缓坡地最普遍的坡度）的可测壤中流的径流观测小区中进行，土层厚度为60 cm，面积为8 m×4 m，3次重复，重复小区设计、构建与观测小区完全一致。为防止下渗水分通过岩层裂隙损失以及各小区之间水分的侧渗，小区四周及底部浇筑混凝土以简化水量平衡过程。坡底60 cm深处壤中流出水处铺设一排5 cm宽、4 cm高的鹅卵石作为反滤层，并以直径为 8.3 cm的 PVC管引水到壤中流收集池。径流观测小区坡底建有两个长2 m、宽2 m、高1.5 m的径流收集池，分别收集地表径流和壤中流。供试土壤为蓬莱镇石灰性钙质紫色土，质地为中壤，土壤容重为 1.30～1.40 g·cm-3，pH 值为 8.63，有机质含量为 8.75 g·kg-1，全 N 含量为 0.62 g·kg-1，全 P 含量为 0.64 g·kg-1，全 K 含量为 20.12 g·kg-1，田间持水量为31.0%，凋萎系数为5.0%～8.0%。小区冬季种植小麦，小麦季施氮肥（N计）130 kg·hm-2，磷肥（P2O5计）90 kg·hm-2、钾肥（K2O计）36 kg·hm-2；夏季种植玉米，玉米季施氮肥（N计）150 kg·hm-2，磷肥（P2O5计）90 kg·hm-2、钾肥（K2O 计）36 kg·hm-2。

1.3 径流样品采集及测定方法

壤中流过程样：观测与采样逢降雨产流必测，测定时间为 2009—2011年。壤中流过程采样频率先密后疏，初始产流至径流稳定期间，分别按5、10、15、30、60 min间隔进行采样，直至降雨产流结束。采样时，统一用秒表精确记录采样时刻和采样历时，径流样品均收集于250 mL聚乙烯塑料瓶中，计算径流速率，即单位时间内产生的壤中流径流量（mL·s-1）。

径流总样：待降雨停止、产流结束后，用卷尺测定壤中流径流收集桶中水位，为减少人工测量带来的误差，每个径流桶水位测量3次，取平均值。水位测量后，用250 mL聚乙烯塑料瓶采集壤中流池中径流水样，采集样品之前，需将径流桶中水样搅拌混匀后静置，待悬浮物沉淀后进行采样。

径流样品 DOC质量浓度测定：水样采集结束后带回实验室，马上过0.45 µm孔径滤膜，滤液用 AutoAnalyzer-3连续流动分析仪（德国BRAN+LUEBBE）DOC分析模块进行在线测定，仪器主要技术参数：UV消化器，渗透过硅膜，测定波长为550 nm，氮气纯度为99.9999%，进样速率为每小时 30个样品。来不及测定的样品放入冰箱4℃条件下保存（不超过3 d）。

1.4 降雨量及土壤DOC含量测定

降雨量与雨强均从人工气象站降雨观测平台获取，观测仪器为虹吸式雨量计。2009—2011年，在玉米播种前、苗期、拔节、抽雄、成熟和收获等主要生育期采集土壤表层（0～15 cm及15～30 cm）样品，每个重复小区用直径 3 cm的土钻随机采集5个样品，混合均匀后去除可见的植物根系与残体，测定土壤DOC含量，文中数据为3年测定结果平均值。土壤中 DOC的测定参考李太魁等（2017）的方法，即称取5.0 g过2 mm筛的新鲜土样于50 mL离心管中，每份土样3次重复，加入25 mL去离子水，常温下振荡3 h，然后在3500 r·min-1条件下离心20 min，上清液过0.45 µm孔径滤膜，用Auto Analyzer-3连续流动分析仪测定滤液DOC浓度。

1.5 数据处理与分析

土壤DOC的质量分数ω（mg·kg-1）计算公式如下：

式中，ρ为提取液中 DOC的质量浓度（mg·L-1）；V为溶液体积（mL）；m 为土壤质量（g）；x为土壤含水量。

单次降雨产流事件DOC随壤中流迁移通量Qi的计算式为：

式中，Qi为壤中流迁移通量（mg·m-2）；Ci为壤中流DOC质量浓度（mg·L-1）；qi为单位面积径流深（mm）。

年或季DOC迁移负荷Q为年内相应历次降雨壤中流DOC迁移通量累加，计算公式为：

式中，i=1-n，n为年或季降雨产流事件数。

运用Excel 2007进行数据处理，采用SPSS 16.0统计软件用Pearson相关系数分析法进行相关性分析，运用Origin 8.0进行图形制作。

2 结果与分析

2.1 土壤DOC含量动态变化特征

图1 紫色土坡地玉米生长期内DOC含量变化Fig. 1 Changes of DOC in soil of slope land of purple soil during corn growth

结果表明，播种前0～15 cm土层土壤DOC含量较低，为19.7 mg·kg-1，而后随着作物的生长逐渐升高，至抽雄期达到峰值（28.6 mg·kg-1），成熟期又大幅下降，至收获期继续下降至播种前土壤DOC的含量水平（图1）。15～30 cm土层土壤DOC含量变化趋势与 0～15 cm土层基本一致。土壤中DOC含量受作物生长、温度和降水的影响明显，各处理从玉米播种至灌浆期，由于温度升高，降水增多，一方面作物迅速生长，另一方面促使土壤吸附的DOC通过解吸向土壤溶液中移动，并随径流水移出土体或随水下渗到土体下部或地下水中。玉米在抽雄期生长旺盛，植物残体和根系分泌物增多，导致进入土壤的新鲜有机物质显著增加，土壤DOC含量在这一时期达到峰值（Singh et al.，2007）。

2.2 紫色土坡耕地壤中流产流特征

2009—2011 年平均降雨量为946 mm，其中玉米季降雨量平均达695 mm，小麦季平均降雨量为251 mm，不足全年的27%，形成壤中流的次数相对较少。3年内玉米季共观测到壤中流20次，径流量在1.4～127.8 mm范围内，2009年、2010年、2011年壤中流累积径流量在225.3～299.6 mm之间，平均为264.2 mm，平均径流系数为38%，占夏季径流量的68%（表1），说明壤中流是紫色土坡耕地径流的主要形式。统计分析表明，壤中流径流量与降雨量呈现极显著线性正相关性（P＜0.01），而与平均雨强相关性不显著（图2），说明降雨量是形成壤中流的主要驱动因子。

表1 降雨量及壤中流径流量的季节性变化Table 1 Annual rainfall distribution, seasonal interflow discharge and contribution to total runoff in the different year

图2 壤中流径流量与降雨量（a）和平均降雨强度（b）的关系Fig. 2 Relationship between interflow discharge and (a) precipitation and (b) average rainfall intensity

2.3 DOC淋失过程

为揭示单次降雨壤中流产流过程 DOC质量浓度变化特征，以2009年8月3日小雨（降雨量19.2 mm，平均雨强3.3 mm·h-1）和2010年7月17日中雨（降雨量60 mm，平均雨强为8.6 mm·h-1）两次典型降雨为基础，分析壤中流产流过程 DOC质量浓度与径流速率的变化特征。如图3所示，在产流初期，DOC浓度较低，之后缓慢上升至最大值，然后略有降低，并逐渐趋于稳定，直至产流停止。径流速率与 DOC浓度变化过程基本一致，均表现为产流初期径流速率较小，之后逐渐上升达到顶峰。峰值出现后，径流速率逐渐降低直至壤中流结束。壤中流 DOC浓度与壤中流径流速率呈极显著正相关关系，随着径流速率的增大而增大（R2=0.492，P＜0.01，n=33）。

2.4 DOC淋失浓度与通量

图3 典型降雨事件中壤中流过程及DOC含量变化Fig. 3 Characteristics of interflow and the DOC concentrations of the interflow water in typical rain events

图4 2009—2011年历次壤中流DOC质量浓度及淋失通量Fig. 4 DOC concentration and leaching loss flux of each interflow event from 2009 to 2011

图 4所示为2009—2011年夏玉米季历次降雨产流事件中壤中流 DOC质量浓度及淋失通量的变化特征。3年内壤中流 DOC质量浓度在 1.7～4.6 mg·L-1之间，平均值为 3.2 mg·L-1。3 年内次降雨壤中流DOC迁移通量为12.3～359.1 mg·m-2，通量变化幅度较为宽广，2009年、2010年和2011年壤中流DOC迁移负荷分别为565.5、802.1和1090.1 mg·m-2，平均年累积迁移负荷为 819.2 mg·m-2（表 2），年际差异较为明显，主要是壤中流径流量和 DOC质量浓度差异所致。

表2 2009—2011年玉米生长不同时期DOC淋失通量Table 2 DOC leaching flux at different maize grown seasons from 2009 to 2011

研究结果表明，DOC淋失主要发生在抽雄期至成熟期，淋失量分别为 366.7 mg·m-2和 291.7 mg·m-2，约占年平均淋失负荷的45%和 36%（表 2）。原因可能是这些阶段作物生长旺盛和根系分泌物增加，导致土壤中 DOC含量增加，而降雨频繁导致壤中流增强可能是DOC淋失量较高的直接原因。

3 讨论

3.1 紫色土坡地可溶性有机碳淋失过程与机制

紫色土由紫色页岩发育而成，具有土层浅薄、孔隙度大、入渗能力高等特点。土壤水分垂向运动剧烈，持续降雨时，水分极易下渗至土壤-岩石界面，而紫色泥页岩渗透性弱，水分难以垂直入渗而沿坡向汇集成壤中流（朱波等，2008；花可可等，2013）。本研究结果表明，壤中流平均径流量为264 mm，占夏季径流量的68%。这说明，壤中流为紫色土坡地径流损失的主要形式。紫色土坡耕地壤中流极为发达，是养分淋失的重要途径和驱动力。Zhu et al.（2009）对紫色土地表径流和壤中流特征进行了研究，发现紫色土坡耕地壤中流径流量占夏季径流量（地表径流和壤中流）的 63%以上，这与本研究结论基本一致。水分通过对土壤累积 DOC的冲刷并汇入壤中流成为紫色土 DOC迁移的主要驱动力。旱季降雨量少，紫色土下渗水不足以形成壤中流，因此，雨季 DOC随壤中流迁移是其淋失的重要形式。壤中流通常由大孔隙流（Macropore flow）和基质流（Matrix flow）两部分组成（Petry et al.，2002），其中大孔隙流是优先流的一种表现形式（Hornberger et al.，1991），它的形成速度比基质流快。在降雨强度较小的情况下，壤中流产流初期主要为大孔隙流，但大孔隙流形成时入渗水和土壤养分之间的交互作用非常弱，故此时壤中流 DOC浓度较低。随着降雨的进行，基质流在土壤和岩石界面之间形成，并携带土壤中的部分 DOC以壤中流的形式流出，故 DOC浓度有一定程度增加。当壤中流径流速率峰值过后，DOC浓度也逐渐趋于稳定。雨强较大时，降雨对表土的打击作用强烈，细颗粒大量产生，阻塞了大孔隙流通道，基质流形成速度相对变快（汪涛，2007），因此壤中流DOC达到最大浓度所用时间比小雨强短。

3.2 紫色土坡地可溶性有机碳淋失通量

紫色土坡地不同降雨条件壤中流 DOC淋失过程存在明显差异。两次降雨产流过程中，DOC浓度均出现峰值，而且与径流速率峰值出现的时间基本一致。Hope et al.（2004）研究了北美小流域有机碳的迁移，结果表明可溶性有机碳流失浓度与径流速率有显著的正相关关系，而且降雨过程中 DOC浓度变化与径流速率有较好的相关性，这与本研究结论一致。紫色土坡地DOC淋失受壤中流驱动，壤中流淋失是紫色土DOC迁移损失的主要途径，通过对紫色土坡地 3年定位观测，发现紫色土坡地DOC壤中流年均淋失量为819.2 mg·m-2，Hope et al.（2004）研究发现森林生态系统DOC年淋失量约为 4.84×104mg·m-2，而草地 DOC 年淋失量在160～500 mg·m-2之间，Long et al.（2015）研究发现红壤农田土壤的DOC年淋失量为630 mg·m-2，造成这种差异的主要原因可能是土壤有机质含量、土层厚度、植被类型不同。一般而言，森林土壤有机碳含量较高，而DOC在土壤中的含量随着土壤有机碳的增加而明显增加，DOC含量的升高势必增加其流失的风险（Gaelen et al.，2014）。本研究发现，玉米不同生长期土壤DOC含量变化较大，在抽雄期至成熟期含量达到最大，此时，DOC平均淋失负荷、为 366.7 mg·m-2和 291.7 mg·m-2，分别占雨季淋失总量的 45%和 36%，这不仅与该阶段土壤DOC含量较高有关，还与该阶段降雨频繁导致壤中流流量增大有关（Veum et al.，2009；Hua et al.，2014）。

目前，已有一些研究认识到了降雨径流对土壤有机碳和流域有机碳流失的贡献。如郭太龙等（2015）通过室内人工模拟降雨对华南典型侵蚀区有机碳流失进行了研究，认为土壤有机碳流失率随降雨雨强的增加而增大，而土壤有机碳流失主要以泥沙为承载体被带走，随径流被带走的只是很少的一部分。张永领等（2007）研究了西江干流雨季降雨径流对DOC输出量的影响，结果表明DOC的输出量主要受径流深的影响，二者之间存在着显著的线性相关关系。然而，这些研究仅关注有机碳地表流失过程与通量，而未考虑壤中流 DOC的迁移，本研究结果表明忽视壤中流 DOC迁移可能造成有机碳降雨径流损失负荷评估的巨大偏差，因此本研究结果为紫色土坡地有机碳损失评估提供了重要参考。

3.3 紫色土坡地可溶性有机碳淋失的环境风险

DOC是土壤中氮磷等营养元素向水体迁移的重要载体，另外，水体中藻类繁殖的许多养分得益于水体微生物转化，而 DOC是微生物生长所需要的重要能源物质。由于 DOC主要随壤中流迁移，而壤中流作为径流的重要组成部分，将不断汇入溪流（Soulsby et al.，2003），因此，DOC的淋失可能会间接造成水体富营养化的发生。许多研究表明DOC的迁移对各种重金属及有机无机污染物的活化迁移和淋滤有很大的促进作用，从而造成水域生态系统的污染（Fleming-Lehtinen et al.，2015）。紫色土丘陵区处于长江上游生态屏障的最前沿，是长江流域、三峡水库水环境的重要影响区，而壤中流DOC携带各种污染物汇入河流后经长途迁移可能加重三峡水库的水质恶化。未来应加强 DOC与土壤氮磷等营养元素和有机污染物（农药）相互影响机制的研究，进一步评估 DOC迁移的环境效应，为保护长江上游特别是三峡库区水环境提供科学数据。

4 结论

（1）紫色土区雨季降雨丰富，坡地壤中流极为发达，3年平均径流量为264 mm，占夏季径流量的68%，表明壤中流是紫色土坡耕地径流的主要形式。壤中流径流量与降雨量呈现极显著线性正相关性，与降水强度的相关性不显著。

（2）壤中流迁移是 DOC淋失的主要形式。壤中流过程 DOC质量浓度表现为先升后降再趋于稳定的趋势，且与径流速率呈极显著正相关，随着径流速率的增大而增大。2009—2011年次降雨产流事件中壤中流平均DOC质量浓度为3.2 mg·L-1。壤中流 DOC 迁移负荷为 565.5～1090.1 mg·m-2，平均年累积迁移负荷为819.2 mg·m-2，DOC淋失量季节变化较为明显，主要发生在玉米抽雄期至成熟期，淋失总量约占年平均淋失负荷的81%。

（3）紫色土坡耕地 DOC淋失不仅影响着农田土壤有机碳库平衡状况，而且可能造成水体富营养化，未来应重点研究 DOC随壤中流淋失的去向以及与土壤氮磷等营养元素和有机污染物的相互影响机制，为保护长江上游特别是三峡库区水环境提供科学依据。