紅壤坡地泡桐林地表徑流和養(yǎng)分流失研究

李恩堯， 彭佩欽*，吳建平，侯紅波

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，湖南 長沙 410004； 2. 湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南 長沙 410004)

紅壤坡地泡桐林地表徑流和養(yǎng)分流失研究

李恩堯1， 彭佩欽1*，吳建平2，侯紅波1

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，湖南 長沙 410004； 2. 湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南 長沙 410004)

在紅壤坡地泡桐林地設(shè)置3個不同處理研究施肥對地表徑流和養(yǎng)分流失的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：林下植被覆蓋能有效的降低紅壤坡地產(chǎn)流、產(chǎn)沙量以及氮、磷流失量；氮的流失主要以徑流水溶性氮為主，磷的流失則是以泥沙攜帶為主；林地施肥增加了徑流水溶性總氮、總磷濃度，而對泥沙結(jié)合態(tài)氮、磷濃度影響不大；氮素的流失濃度和流失量都比磷素高；在降雨過程中，地表徑流中氮、磷濃度變化均為徑流形成后的20min左右濃度達(dá)到高峰，然后逐漸降低，在60～80min后趨于穩(wěn)定；現(xiàn)有泡桐林施肥方式對地表水環(huán)境的影響較小。

紅壤坡地；泡桐林地；施肥；地表徑流；氮流失；磷流失

紅壤丘陵地區(qū)光、熱、水資源豐富，具有發(fā)展林業(yè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)越條件。由于長期以來進(jìn)行不合理的開墾[1]，部分紅壤丘崗地區(qū)水土流失嚴(yán)重、土壤肥力下降、季節(jié)性干旱等環(huán)境資源退化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。為了重建該類地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)，迅速恢復(fù)植被，各地種植了大量的人工林。泡桐是重要的速生用材林樹種，具有生長快、分布廣、材質(zhì)好、用途多、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。近幾年來，江西省一些縣在丘陵山地大力營造泡桐林已獲成功[2]。隨著紅壤丘陵地營造泡桐林的效益日益顯現(xiàn)，發(fā)展泡桐速生豐產(chǎn)林成為一些南方紅壤丘陵地區(qū)經(jīng)濟(jì)收益的新來源。但目前紅壤坡地林地利用時多不施肥，生產(chǎn)力水平低下，且人工林對水土流失的影響如何，目前尚存在不同的意見[3-6]。我們對紅壤坡地泡桐林地進(jìn)行定位研究，試圖為林地施肥對地表徑流和養(yǎng)分流失影響的評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選在株洲市茶陵縣黃泥塘村。茶陵縣位于湖南省東部，地理位置為東經(jīng)113°20′—113°65′，北緯26°30′—27°07′；屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，其氣候溫和，雨量充沛，冬寒期短，無霜期286d，年平均氣溫17.9℃，降雨量1500mm，日照時數(shù)1718h；土壤類型為第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅壤，土壤質(zhì)地為粘土。其土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)組成和養(yǎng)分含量見表1～2。

表1 土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)組成Tab1 Thecompositionofsoilaggregatestructure團(tuán)粒類型規(guī)格(mm)含量(%)砂粒0．100～2．008．7極細(xì)砂粒0．050～0．102．7粉(砂)粒0．020～0．055．0粉(砂)粒0．002～0．0223．6粘粒<0．00260．0

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2007年冬選擇地勢南高北低，坡度為8°的地段，設(shè)置林地不施肥(CK)、林地施肥+林下無植被(A)和林地施肥+林下植被(B)3個試驗(yàn)小區(qū)(3種處理)(見表3)。各小區(qū)長、寬都為21cm和14m，上方及兩側(cè)用地上部分長15cm、地下部分長40cm的鋼筋混凝土板(頂部為5cm高的三角形) 圍隔；外方建導(dǎo)流溝，溝深10～20cm；中部下方建1m×1m×1 m的沉沙池和0.5m ×0.5 m×0.5m徑流池(鋼筋混凝土現(xiàn)澆) 等集水測流設(shè)施。沉沙池上部留5cm口與徑流池連接。徑流池內(nèi)部設(shè)計(jì)標(biāo)尺刻度，下部設(shè)計(jì)出水口，出水口安裝水表。

小區(qū)內(nèi)種有泡桐樹，種植密度為4m×4m。CK為對照區(qū)，未做任何處理；試驗(yàn)時間為2008—2010年。其中2008年、2009年處理不涉及林下植被；2010年A區(qū)3、5、7月人工清除林下地表雜草、灌木等植被，B區(qū)林下灌木和雜草等植被未清除。

表2 土壤養(yǎng)分含量Tab2 Thecontentsofsoilnutrients土層/Soillayer(cm)pH有機(jī)質(zhì)/OM(g·kg-1)全氮(g·kg-1)全磷(g·kg-1)Olsen?P(mg·kg-1)全鉀(g·kg-1)0～206．030．260．661．120．221．1

3種處理施肥情況見表3。每個處理施用20g豬糞作為基肥，追肥為尿素，含氮46%；磷肥為鈣鎂磷肥，含磷12%；鉀肥為氯化鉀，含鉀60%。基肥、追肥均以40cm環(huán)形溝方式施用，隨即覆土。施基肥的時間為冬季，施追肥時間為3—5月。

1.3測定方法

(1) 地表徑流量測定。采取徑流場實(shí)測，全年連續(xù)監(jiān)測，記載降雨起止時間，對每1次降雨(間歇超過12h)產(chǎn)生的徑流量進(jìn)行計(jì)量。

(2) 地表徑流水養(yǎng)分含量測定。采用《水環(huán)境要素觀測與分析》中的方法測定法見表4。

表3 各試驗(yàn)小區(qū)施肥設(shè)計(jì)Tab3 Thefertilizationtreatmentsindifferentexperi?mentalplots(kg/株)年份試驗(yàn)小區(qū)NPKCK0000000002008A035050010B040060012CK0000000002009A035050010B040060012CK0000000002010A040060012B040060012

表4 土樣、水樣、泥沙樣各項(xiàng)指標(biāo)的測定方法Tab4 Thedeterminationmethodsforeachindexofsoilsample，watersampleandsedimentsample樣品指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)檢測方法標(biāo)準(zhǔn)號質(zhì)量稱量法土樣TN半微量開氏法GB7173—87TP氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法GB9837—88流量容積法HJ/T91—2002TP過硫酸鉀消解分光光度法水樣TN堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法GB11894—89氨氮納氏試劑比色法GB7479—87硝態(tài)氮酚二磺酸比色法質(zhì)量稱量法泥沙樣TP氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法GB7173—87TN半微量開氏法GB9837—88

2 結(jié)果與分析

2.1徑流量和泥沙流失量

降雨滲入不及時導(dǎo)致大量的地表徑流產(chǎn)生，土壤養(yǎng)分也隨著地表徑流及泥沙流失，造成土壤退化。2008—2010年各小區(qū)徑流量和泥沙流失量見表5。由表5可以看出，小區(qū)A和B的徑流量與泥沙流失量都比CK要高，泥沙流失量與徑流量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(見圖1，R2=0.7851)。由于施肥需人工翻動土壤，改變了土壤的物理性狀，使表土變得疏松，更易于產(chǎn)流產(chǎn)沙。而2010年由于A區(qū)清除了林下植被，徑流量和泥沙量倍增。2008—2009年A區(qū)徑流量是CK的2.2～2.6倍，泥沙量是CK的1.3～1.4倍，2010年徑流量則增加到3.3倍，泥沙量增加到1.9倍?？梢钥闯鍪┓试谝欢ǔ潭壬显黾恿藦搅髁亢湍嗌沉魇Я浚c農(nóng)田、草地相比等其他利用方式相比，林地利用的產(chǎn)流產(chǎn)沙量還是相對較低的[8]；林下保留植被能有效的降低產(chǎn)流產(chǎn)沙量，對于土壤侵蝕的防治作用顯著。

表5 2008—2010年各小區(qū)徑流量和泥沙流失量Tab5 Theamountsofrunoffandsedimentindifferentplotsduring2008-2010試驗(yàn)小區(qū)2008年2009年2010年徑流量(L)泥沙流失量(kg)徑流量(L)泥沙流失量(kg)徑流量(L)泥沙流失量(kg)CK12003010153219704．21A26003926754664268．1B17003114003528304．0

圖1 徑流量與泥沙流失量的關(guān)系 Fig.1 The relationship between runoff amount and sediment amount

2.2地表徑流中氮、磷濃度

由表6可以看出，林地施肥對徑流總氮濃度的影響比較明顯，施肥的2個小區(qū)徑流總氮濃度都要比對照區(qū)高出至少7%；水溶性氮中氨態(tài)氮濃度明顯大于硝態(tài)氮濃度；與徑流總氮濃度相比，徑流總磷濃度則小很多，最高的僅為0.66mg/L，而徑流總氮濃度最高可達(dá)4.492mg/L；泥沙結(jié)合態(tài)氮、磷濃度相差不明顯。

2.3降雨過程中氮、磷濃度變化規(guī)律

圖2和圖3是2008年6月初的一場暴雨過程中徑流氮、磷濃度變化情況?？梢钥闯觯乇韽搅魉锌偟?、 磷濃度均為徑流形成后的20min左右達(dá)到高峰，然后逐漸降低，在徑流形成后的60～80min趨于穩(wěn)定。此次降雨是在追肥后的3周左右。由于剛施肥不久，在降雨初期地表累積的溶解性氮、磷迅速釋放到徑流中，使得產(chǎn)流前期的氮、磷濃度很高。隨著降雨量和徑流量的增加，土壤顆粒的吸附作用也逐漸加強(qiáng)，徑流中氮、磷濃度也就逐漸降低。在降雨中、后期，降雨量和徑流量趨于穩(wěn)定，溶解性氮、磷和吸附態(tài)氮、磷處于相對平衡，徑流中氮、磷濃度也趨于穩(wěn)定。因此在施肥時，應(yīng)根據(jù)周或旬天氣預(yù)報(bào)選擇時期，以避免施肥不久后遇降雨，從而減少土壤徑流中氮的流失。

表6 氮、磷流失濃度Tab6 Thelossconcentrationsofnitrogenandphosphorus測定年份試驗(yàn)小區(qū)徑流水總氮(mg·L-1)徑流水氨態(tài)氮(mg·L-1)徑流水硝態(tài)氮(mg·L-1)泥沙結(jié)合態(tài)氮(g·kg-1)徑流水總磷(mg·L-1)泥沙結(jié)合態(tài)磷(g·kg-1)CK25971082058106700450422008A4492165905760440334039B2745119605260780077044CK20281218045107501680272009A2496140604470940232058B2957087301280460055012CK1369078305706305060912010A20680728082050066060B187309020470420112051

2.4地表徑流中氮、磷流失量

2008—2010年3個小區(qū)單位面積氮素的流失量見表7。從表7可以看出，施肥增加了氮的流失量。而 2010年無植被覆蓋的A區(qū)氮流失量最大，為588.78g·hm-2，分別是CK和B區(qū)的3.2倍和2.5倍。流失量占肥料中氮的百分?jǐn)?shù)也最高，達(dá)到0.18%。已有研究表明[9]，不同林地水分和養(yǎng)分徑流損失量隨著植被生長量增加而減少?？梢姡脖桓采w可以有效減少林地養(yǎng)分流失，而且較其他土地利用方式的林地養(yǎng)分流失量低[10]。

從流失的氮的形態(tài)看，氮素主要以徑流水溶性氮為主，而水溶性氮又以氨態(tài)氮流失為主。

圖2 暴雨徑流中總氮濃度變化Fig.2 The change of total nitrogen concentration in storm runoff

圖3 暴雨徑流中總磷濃度變化Fig.3 The change of total phosphorus concentration in storm runoff

從表8可看出，施肥對磷流失的影響不是很明顯，甚至2008—2009年CK區(qū)的流失比B區(qū)還高。這可能是由于可溶性磷濃度很低，而2008—2009年所有小區(qū)都覆蓋有植被，有效的減少了徑流和泥沙的流失，徑流量和泥沙流失量的大小決定了磷流失量的大小。2010年的數(shù)據(jù)還是可以看出植被在控制磷素流失方面效果顯著。從流失的磷的形態(tài)看，磷的流失主要是以泥沙攜帶流失為主。舒英格[11]等在對黃壤旱坡地磷素流失研究中，也得出旱地磷流失明顯大于林地?？梢?，合理調(diào)整土地利用方式，進(jìn)行退耕還林以及提高坡地植被覆蓋是防止土壤磷素大量流失的有效途徑。

表7 氮素流失量Tab7 Theamountofnitrogenloss測定年份試驗(yàn)小區(qū)徑流總氮流失量(g·hm-2)徑流氨氮流失量(g·hm-2)徑流硝態(tài)氮流失量(g·hm-2)泥沙結(jié)合態(tài)氮流失量(g·hm-2)流失總氮(g·hm-2)氮流失量占肥料中氮的比例(%)CK10600441623718204188042008A39725146715094523844963016B1587269163041822424096008CK7001420515578163151642009A227101279340671470737417014B140814157610547619557006CK9175524838209000181752010A4513115888178961374758878018B1802986834524571423743008

表8 磷素流失量Tab8 Theamountofphosphorusloss測定年份試驗(yàn)區(qū)徑流總磷流失量(g·hm-2)泥沙結(jié)合態(tài)磷流失量(g·hm-2)流失總磷(g·hm-2)磷流失量占肥料磷的百分?jǐn)?shù)(%)CK184514353272008A1153464357960010B516463951550010CK1486293944252009A21119075111860020B678142921070005CK2926130．0159262010A557216531221020040B1078693980170020

2.5施肥對附近池塘水質(zhì)的影響

紅壤坡地施肥活動導(dǎo)致坡地泥沙流失量有一定程度的增加；泡桐林地施肥地表徑流水中總氮、總磷濃度和流失量有一定程度的提高，但與相關(guān)地區(qū)和稻田氮磷流失相比，仍然處于較低水平?，F(xiàn)有監(jiān)測表明：泡桐林地施肥對附近水質(zhì)的影響較小(見表9)，其原因可能與泡桐施肥林地占該池塘集水區(qū)比例小(20%)，池塘水體(深3m，面積1hm2)緩沖了泡桐林地施肥對水塘水質(zhì)的影響有關(guān)。林地施肥對水環(huán)境影響可能仍然需要長期的定位監(jiān)測。

表9 附近池塘水中氮磷濃度Tab9 Theconcentrationsofnitrogenandphosphorusinthenearbypondwater(mg·L-1)試驗(yàn)區(qū)徑流水氨氮徑流水硝態(tài)氮徑流水總磷施肥前032544200242施肥后035343530253

3 結(jié)論與討論

南方紅壤坡地的主要利用方式為農(nóng)業(yè)耕作利用、林業(yè)利用等，農(nóng)業(yè)利用的研究較多，而林業(yè)利用，尤其是紅壤坡林地土壤養(yǎng)分流失的研究相對較少。紅壤坡地土壤養(yǎng)分流失是一個極其復(fù)雜的問題，降雨的季節(jié)特征、降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨方式、土壤母質(zhì)和耕作層土壤、土壤侵蝕程度、地形地貌、植被覆蓋度和植被類型、農(nóng)林利用方式和農(nóng)作施肥措施對土壤養(yǎng)分的流失和流失的形態(tài)均產(chǎn)生影響。

本研究得出林下植被覆蓋能有效的降低紅壤坡地產(chǎn)流、產(chǎn)沙量以及氮、磷流失量。氮的流失主要以徑流水溶性氮為主，磷則是以泥沙攜帶為主。從氮素和磷素比較看，氮素的流失濃度和流失量都比磷素高，這說明磷素較氮素難流失，這可能與磷肥的性質(zhì)有關(guān)。磷肥進(jìn)入土壤后較難溶解，且溶解的磷容易被土壤膠粒吸附，形成比較穩(wěn)定的物質(zhì)，在土壤中不易被釋放和移動。然而普遍認(rèn)為，磷素是引起水體富營養(yǎng)化的限制性因子，因此磷素的損失也不容忽視。林地施肥增加了徑流水溶性總氮、總磷濃度，而對泥沙結(jié)合態(tài)氮、磷濃度影響不大。在降雨過程中，地表徑流水中氮、磷濃度變化，均為徑流形成后的20min左右氮磷濃度達(dá)到高峰，然后逐漸降低，在60～80min后趨于穩(wěn)定。

李高明等[12]研究得出湖南地區(qū)氮的損失率占湖南常規(guī)施氮量的7.49%～22.50%，磷的損失率占常規(guī)施磷量的0.948%～3.394%，而該試驗(yàn)中氮的徑流損失率占施氮量的0.08%～0.14%，磷的徑流損失率占施氮量的0.005%～0.02%，明顯低于湖南地區(qū)氮、磷流失的平均水平，這可能是該試驗(yàn)低施肥水平、氣候條件、土壤性質(zhì)以及作物種類等因素造成的。

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Studyonsurfacerunoffandnutrientlossinpaulowniaforestonred-soilslope-land

LI Enyao1, PENG Peiqin1*, WU Jianping2, HOU Hongbo1

(1.Environmental Science and Engineering Research Center, Central South University of Forestry and Technology,

Changsha 410004, China； 2.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

The effect of fertilization on surface runoff and nutrient loss in paulownia forest on red-soil slope-land was studied by setting three experimental areas with different treatments. The results showed that understory vegetation could effectively reduce the runoff and sediment yield, nitrogen and phosphorus loss. Dissolved nitrogen was the main form of nitrogen loss, while phosphorus was removed with sediment. The fertilization in paulownia forest increased the concentrations of total nitrogen and total phosphorus in runoff, but had no significant effect on the concentrations of nitrogen and phosphorus in sediment. The loss concentration and loss amount of nitrogen were higher than those of phosphorus. During the rainfall, the concentrations of nitrogen and phosphorus in surface runoff reached the peak at 20 min after runoff being formed, and then decreased gradually, got stable phase after 60～80 min. This study indicated that the fertilization in paulownia forest had little influence on surface water.

red-soil slope-land; paulownia forest; fertilization; surface runoff; nitrogen loss;phosphorus loss

2011 — 01 — 07

2011 — 03 — 28

中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2008SX11)，泡桐大徑材速生豐產(chǎn)林養(yǎng)分定量控制關(guān)鍵技術(shù)研究與示范(2006BAD24B05)。

李恩堯(1985 — )，男，湖南省懷化市人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥了廴九c控制。

* 為通訊作者。

S 792.43

A

1003 — 5710(2011)02 — 0021 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2011. 02. 006

(責(zé)任編輯：唐效蓉)