紅壤坡耕地土壤污染物的輸出特征

徐 悅，王克勤，李太興，崔富剛，王麗媛，江 紅

(1.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南昆明650224;

2.玉溪市水利局，云南玉溪653100;3.澄江縣水利局，云南澄江 653102)

坡耕地土壤養(yǎng)分流失與土壤侵蝕發(fā)生過程及面源污染的產(chǎn)生息息相關(guān)。土壤養(yǎng)分流失過程實際上是表層土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過程，土壤養(yǎng)分流失的多少主要受相互作用程度的限制。本研究以澄江縣尖山河小流域為例，研究在2010年5場自然降雨條件下，坡耕地土壤養(yǎng)分輸出和泥沙遷移特征，希望能為山區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防治提供科學依據(jù)。

1 流域概況

尖山河小流域介于北緯 24°32'00″—24°37'38″、東經(jīng) 102°47'21″—102°52'02″之間，流域總面積 35.42 km2，平均海拔1 773 m，多年平均降水量1 050 mm，雨季(5月下旬到10月下旬)降水量占年降水量的75%，年均蒸發(fā)量900 mm，多年平均洪峰流量36 m3/s，年均徑流深300 mm。流域內(nèi)土壤主要有紅紫壤土和紅壤，主要土地類型有天然次生林、人工林、灌草叢、坡耕地和梯田，其中坡耕地面積較大，占耕地面積的58.35%，是農(nóng)民種植烤煙的主要地類。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗地選在尖山河小流域出口附近，為坡耕地，主要種植烤煙。試驗地位于山坡中下部，坡度18°58'，坡向南北向，土壤為紅紫壤土，土壤含水率3.71%。在試驗地順坡設(shè)置徑流小區(qū)，小區(qū)水平面積為20 m×5 m，用24 cm的單磚隔開，上方設(shè)排水渠，防止來水進入小區(qū)，下方修筑集流槽并且用水泥抹面，通過集流槽將徑流和泥沙匯入集流池，集流池尺寸為1 m×1 m×1 m。徑流泥沙采用4分法觀測，3/4排出徑流池外，剩余1/4匯入徑流池供泥沙取樣。

2.2 樣品采集與測定方法

降雨產(chǎn)生地表徑流后，取徑流池中的徑流泥沙，沉淀風干后帶回實驗室，測定其中的養(yǎng)分含量。采用5點取樣法，采集土壤表層0～20 cm的土樣約1 kg，帶回實驗室風干磨細過篩測定其中養(yǎng)分的含量，以獲取土壤養(yǎng)分含量的背景值。降水量采用翻斗式自記雨量計進行觀測。全氮采用濃硫酸—高氯酸消解法測定;堿解氮采用堿解擴散法測定;全磷采用濃硫酸—高氯酸消化，抗壞血酸還原比色法測定;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定;速效磷采用鹽酸—氟化銨法和鉬銻抗比色法測定。

3 結(jié)果分析

3.1 降雨量和泥沙遷移量的關(guān)系

2010 年尖山河小流域共降雨117 d，降雨量856.35 mm。選取雨季5—8月的5場典型降雨(表1)。經(jīng)相關(guān)性分析，試驗地降雨量和產(chǎn)沙量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.974，說明降雨量對泥沙遷移量影響十分顯著［1］，這與白文忠等［2］、楊芳等［3］的研究成果基本一致。

表1 試驗地5場典型降雨的降雨量和泥沙遷移量

3.2 氮素流失特征

圖1 試驗地土壤全氮和堿解氮流失量

表2 試驗地土壤全氮和堿解氮流失特征及其相關(guān)性

氮素是反映土壤肥力的重要指標。土壤水解性氮或稱堿解氮，也叫有效氮，能反映土壤近期氮素供應情況。由坡耕地土壤全氮和堿解氮的流失特征(圖1)可知，兩者流失量變化規(guī)律相似。經(jīng)相關(guān)性分析(表2)，全氮、堿解氮流失量相關(guān)系數(shù)達到0.974(P＜0.01)，呈顯著相關(guān)。由表2知，土壤全氮流失量平均值為337.39 mg/kg，堿解氮流失量平均值為40.52 mg/kg，全氮流失量是堿解氮流失量的8.33倍;全氮流失量的標準差是134.649，堿解氮流失量的標準差是8.232，說明每場降雨后全氮流失量的變化幅度大于堿解氮流失量的變化幅度。

3.3 磷素流失特征

圖2 試驗地土壤全磷和速效磷流失量

磷素是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，磷素流失會導致土壤退化、養(yǎng)分循環(huán)失衡［4-5］。由坡耕地土壤全磷和速效磷流失特征(圖2)可知，兩者流失規(guī)律相近。經(jīng)相關(guān)性分析(表3)，全磷、速效磷流失量相關(guān)系數(shù)達0.932(P＜0.05)，呈顯著相關(guān)。由表3知，試驗地土壤全磷流失量平均值為3 108.036 mg/kg，速效磷流失量平均值為61.176 mg/kg，全磷流失量是速效磷流失量的50.8倍。全磷流失量的標準差為1 888.364，速效磷流失量的標準差為10.562，說明降雨后全磷流失量的變化幅度遠大于速效磷流失量的變化幅度。

表3 試驗地土壤全磷和速效磷流失特征及其相關(guān)性

3.4 有機質(zhì)流失特征

土壤有機質(zhì)是存在于土壤中所有含碳有機化合物的總稱，其組成元素主要是碳、氫、氧、氮，主要來自于土壤中的植物枝葉、根系、動物和微生物的殘體、生物的分泌物與排泄物、施用的有機肥等。土壤有機質(zhì)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量高低影響著土壤的物理、化學性質(zhì)和肥力水平，是土壤養(yǎng)分的主要來源［6］。試驗地土壤有機質(zhì)流失特征見圖3。由圖3知，有機質(zhì)流失量變化幅度較小，數(shù)值介于1.52% ～2.01%之間，平均值為1.776%;有機質(zhì)流失量的標準差為0.217，是所有流失養(yǎng)分中最小的，說明有機質(zhì)的流失量最穩(wěn)定，受其他因素影響較小。

圖3 試驗地土壤有機質(zhì)流失量

3.5 土壤養(yǎng)分流失量與降雨量、泥沙遷移量的關(guān)系

表4為降雨量、產(chǎn)沙量和泥沙養(yǎng)分流失量相關(guān)關(guān)系。由表4知，降雨量、產(chǎn)沙量和全氮、全磷、速效磷流失量呈顯著相關(guān)，說明磷素和氮素的流失量受降雨量和產(chǎn)沙量的影響顯著，降雨量越大，產(chǎn)沙量越大，磷素和氮素的流失量就越多。全磷、速效磷和降雨量、產(chǎn)沙量之間的相關(guān)系數(shù)大于全氮、堿解氮、有機質(zhì)和降雨量、產(chǎn)沙量之間的相關(guān)系數(shù)，這說明降雨量和產(chǎn)沙量對磷素流失的影響大于對氮素和有機質(zhì)流失的影響。分析其原因，磷素的流失形態(tài)主要是泥沙結(jié)合態(tài)，泥沙流失越多，顆粒態(tài)磷流失越多，磷的流失量也就越多。而有機質(zhì)的流失量和降雨量、產(chǎn)沙量之間不呈顯著相關(guān)性，說明有機質(zhì)的流失受降雨量和產(chǎn)沙量影響較小。

3.6 泥沙養(yǎng)分富集特征

大量研究表明，養(yǎng)分在泥沙中存在富集現(xiàn)象，即泥沙中的養(yǎng)分含量高于源地土壤中的養(yǎng)分含量［7］，其原因在于土壤侵蝕是一個選擇性的過程，土壤表層的細顆粒等最容易受侵蝕，這些物質(zhì)比表面積大，極易吸附養(yǎng)分元素，因此泥沙中的養(yǎng)分相對于土壤中的養(yǎng)分含量大，產(chǎn)生養(yǎng)分富集［8］。為了表征養(yǎng)分在泥沙中的富集程度，Massey等［9］在1952年提出了富集率(Enrichment Ratio，ER)的概念，某種養(yǎng)分的富集率等于它在泥沙中的含量和在源地土壤中的含量之比。富集率是進行非點源污染評價與預報的重要參數(shù)。

表4 降雨量、產(chǎn)沙量和泥沙養(yǎng)分流失量相關(guān)關(guān)系

表5為試驗地泥沙養(yǎng)分富集率。由表5知，全氮的富集率為1.15、堿解氮1.03、全磷3.00、速效磷2.07，這與葉芝菡等［7］的研究結(jié)果，即氮富集率變化主要集中在1.11～2.99、磷富集率變化主要集中在1.26～7.17的結(jié)論基本一致。泥沙養(yǎng)分富集率大小依次為全磷＞速效磷＞有機質(zhì)＞全氮＞堿解氮，其中全磷的富集率最高，是全氮的2.61倍、有機質(zhì)的2.88倍，速效磷的富集率是堿解氮的2倍，說明泥沙態(tài)的磷素流失量遠遠高于泥沙態(tài)的氮素和有機質(zhì)流失量，即土壤中的磷素多以泥沙形態(tài)流失。

表5 泥沙養(yǎng)分富集率

4 討論

(1)尖山河小流域的降雨量與紅壤坡耕地的泥沙遷移量之間存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.974，這與白文忠、楊芳等人的研究結(jié)果相一致，說明降雨量和泥沙遷移量之間有緊密的關(guān)系。

(2)尖山河小流域土壤養(yǎng)分流失量大小依次為全磷＞全氮＞堿解氮＞速效磷＞有機質(zhì)。其中，土壤全氮流失量平均值為337.39 mg/kg，堿解氮流失量平均值為40.52 mg/kg，全氮和堿解氮流失量之間存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.974;全磷流失量平均值為3 108.036 mg/kg，速效磷流失量平均值為61.176 mg/kg，全磷和速效磷流失量之間存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.932;土壤有機質(zhì)流失量的變化幅度較小，流失量平均值為1.776%。尖山河小流域試驗地氮磷流失規(guī)律與苑韶峰等［10］的研究結(jié)果基本一致，說明紅壤坡耕地氮、磷流失多是通過地表徑流的作用完成。

(3)尖山河小流域土壤養(yǎng)分流失量與降雨量、泥沙遷移量之間存在相關(guān)關(guān)系。降雨量、產(chǎn)沙量和全氮、全磷、速效磷流失量呈相關(guān)性。磷素多以泥沙形態(tài)流失，因此降雨量、產(chǎn)沙量對磷素流失量影響最為明顯。有機質(zhì)的流失量與降雨量和產(chǎn)沙量相關(guān)性不顯著。

(4)泥沙具有養(yǎng)分富集的特性。暴雨條件下尖山河小流域紅壤坡耕地的泥沙養(yǎng)分富集率大小依次為全磷＞速效磷＞有機質(zhì)＞全氮＞堿解氮，其中全磷的富集率最大，達到3.00。

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