耕作措施与降雨特征对西南地区坡耕地径流溶解性有机碳流失的响应机制

本研究针对农业径流导致土壤溶解性有机碳（DOC）流失引发水体污染和土壤碳库失衡的问题，通过3种耕作措施（常规耕作CT、横垄耕作CR、顺垄耕作DR）下34场自然降雨的径流监测，揭示了地表径流是DOC主要流失途径（占比57.3–74.2%），发现壤中流DOC浓度存在2.25–11.4 L的突变阈值，明确CR可有效削减DOC流失（最高降低70.9%），为坡耕地碳流失防控提供了理论依据。

　　

在西南地区独特的山地环境中，坡耕地是重要的农业生产资源，但频繁的降雨事件导致严重的土壤侵蚀和碳流失问题。溶解性有机碳（DOC）作为土壤有机碳（SOC）中最活跃的组分，其通过径流迁移不仅造成土壤碳库损耗，更会作为污染物载体引发下游水体富营养化。目前针对DOC流失的研究多基于人工模拟降雨，难以真实反映自然降雨的变异性，且对不同耕作措施调控机制的量化不足，制约了坡耕地碳流失精准防控策略的制定。

为揭示自然条件下DOC流失规律，四川农业大学资源学院安龙龙课题组在《Agricultural Water Management》发表了为期三年的田间观测研究。团队在四川都江堰教学科研基地建立了15°坡度的径流小区，设置常规耕作（CT）、横垄耕作（CR）和顺垄耕作（DR）三种处理，通过系统收集2020–2022年间34场侵蚀性降雨事件的地表径流、0–20 cm和20–40 cm壤中流样本，结合K-means聚类分析降雨模式、Pettitt突变点检验和多元线性回归（MLR）等方法，解析了DOC流失路径特征及驱动因素。

研究主要采用以下关键技术方法：首先通过混凝土径流小区（4 m×2 m）构建不同耕作措施的原位观测平台，利用U型集水槽和PVC管分层收集径流样本；其次采用TOC分析仪（Vario TOC）测定0.45-μm滤膜过滤后水样的DOC浓度；进而运用K-means聚类将降雨事件按历时、总量和强度划分为A（中历时-低雨量）、B（短历时-中雨量-高强度）和C（长历时-大雨量-中强度）三种模式；最后通过Pettitt's检验识别DOC浓度突变点，并利用MLR量化降雨特征对DOC通量的贡献率。

3.1 降雨事件特征

34场降雨中，C模式虽仅出现5次，但其长历时（平均23.50 h）和大雨量（平均62.35 mm）特性导致径流量显著高于其他模式。聚类分析显示三种降雨模式在历时、雨量和强度上差异显著（p<0.01），为后续分析奠定基础。

3.2 径流特征

地表径流是坡耕地径流主要形式，尤其在C模式苗期，DR处理下地表径流量达CT的2.35倍。CR则通过垄沟垂直布设有效阻滞径流，促进雨水下渗，显著降低地表径流量。壤中流在深层土壤中占比随深度增加而递减，且DR处理在抽雄期显著促进0–20 cm壤中流生成。

3.3 DOC通量特征

地表径流携带的DOC通量占比最高（57.3–74.2%），且与径流量呈线性正相关。在B模式拔节期，地表径流DOC通量较A模式增加4.5倍以上；C模式成熟期，DR处理下DOC通量显著高于CR。CR在各类降雨模式下均表现出稳定的DOC削减效果，尤其在C模式中对地表径流DOC的减排率可达70.9%。

4.1 不同流失路径的DOC差异

Pettitt's检验揭示壤中流DOC浓度存在明显突变点（0–20 cm层为2.25–6.18 L，20–40 cm层为3.15–11.40 L），初期高浓度源于土壤孔隙水的长期溶蚀作用，后期随径流增大而稀释稳定。地表径流DOC浓度则随径流增加持续下降，无突变点。值得注意的是，尽管壤中流与土壤接触时间更长，但受表层SOC含量显著高于深层（0–20 cm层DOC含量为20–40 cm层的1.6倍）的限制，其DOC浓度并未显著高于地表径流。

4.2 DOC对耕作措施的响应

DR因垄沟走向与径流方向一致，加剧地表径流冲刷和DOC流失；CR则通过拦截径流、促进下渗，有效降低DOC通量。MLR分析表明，耕作措施对地表径流DOC的调控作用尤为突出，其中CR的减排效应在长历时降雨下最为显著。

4.3 DOC对降雨特征的响应

MLR模型显示，地表径流DOC主要受降雨量影响（贡献率CT为11.0%，DR为14.0%），而壤中流DOC更依赖降雨历时（0–20 cm层贡献率达28.1–35.5%）。C模式（长历时-大雨量-中强度）是DOC流失的高风险降雨类型，其产生的地表径流和壤中流DOC通量均显著高于其他模式。

本研究明确了西南坡耕地DOC流失以地表径流为主导路径，CR耕作可通过改变微地形有效截留径流、促进下渗，从而显著降低DOC流失风险。研究创新性地量化了自然降雨下不同路径DOC的响应阈值，揭示了长历时降雨是区域碳流失的关键驱动因子，为构建基于降雨模式的坡耕地碳流失预警体系和优化耕作措施提供了科学依据。成果对保障区域水资源安全、推动农业碳中和具有重要实践意义。