尖山河小流域不同土地利用類型土壤養(yǎng)分特征及水土保持效益

郭玲梅，王克勤，李太興，崔富剛

(1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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)

水土流失不僅降低土地生產(chǎn)力，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，其實也是在與人類“爭奪”土地資源和其他自然資源，因此成為當(dāng)今世界資源和環(huán)境問題研究的重點。有研究顯示，土地利用變化能夠影響土壤養(yǎng)分的分布[1-2]、遷移以及水土流失狀況，進而影響土壤的性質(zhì)和水土保持效益。也有研究證明，合理的土地利用可以改善土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力，不合理的土地利用會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，增加水土流失[3]。

本研究以云南省尖山河小流域不同土地利用類型表層土壤性質(zhì)為出發(fā)點，觀測總結(jié)了標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)內(nèi)地表徑流和泥沙的流失規(guī)律，旨在為該流域的生態(tài)恢復(fù)及進一步提高土壤質(zhì)量和水土保持效果提供參考。

1 試驗地概況

試驗地尖山河小流域位于珠江南北盤江上游巖溶區(qū)域的玉溪市澄江縣西南部，距離縣城16 km，北接龍街鎮(zhèn)廣龍村委會，南接祿充管委會，東臨撫仙湖，西接晉寧縣，地理位置為東經(jīng)102°47′21″—102°52′02″、北緯24°32′00″—24°37′38″，海拔1 722—2 347.4 m，流域總面積35.42 km2。尖山河是撫仙湖的一條入湖河流[4]，河道全長8.5 km。

尖山河小流域?qū)俚途暥雀咴瓪夂?，地貌類型為中山高原地帶，多年平均降水? 050 mm，雨季為5—9月，降水量占全年總降水量的75%，年平均徑流深300 mm，年均蒸發(fā)量為900 mm。流域土壤主要是紅紫泥土和紅壤，主要土地利用類型有云南松天然次生林地、桉樹人工林地、灌草叢地、坡耕地和梯田等，農(nóng)作物以種植烤煙和玉米為主。監(jiān)測結(jié)果顯示，山地開墾和磷礦開采引起森林植被的嚴重破壞和大面積水土流失，區(qū)內(nèi)林地覆蓋率僅為27.1%，荒山荒地和坡耕地面積占55%，水土流失中度侵蝕面積達64.9 km2，每年流失入湖的泥沙約為34.6萬t。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)和雨量計的布設(shè)

根據(jù)小流域地形條件，選擇云南松天然次生林地、坡耕地、桉樹人工林地和灌草叢地4種不同土地利用類型，在小流域典型地段布設(shè)了水平投影面積為5 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，觀測其每次降雨后地表徑流量和土壤侵蝕量。在4個小區(qū)的中央布設(shè)了一個重慶水文儀器廠制造的JDZ-1型數(shù)字自記雨量計測定每場降雨的降雨量、降雨歷時。不同土地利用類型徑流小區(qū)區(qū)域特征見表1。

表1 不同土地利用類型徑流小區(qū)區(qū)域特征

2.2 取樣與測定

降雨過程使用數(shù)字自記雨量計測定并計算每次的降雨量和降雨強度。徑流、泥沙的測定基于標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，每次降雨產(chǎn)流后測量4個徑流場的徑流量和泥沙量。徑流量是在量水池中用體積法求得；泥沙量測定是在每次產(chǎn)流后進行取樣，取樣方法是把集流池中的水充分攪拌均勻，用3個標(biāo)準(zhǔn)取樣容器取泥沙和水的混合水樣，再利用置換法求泥沙含量[5]。

于2012年9—10月在每種土地利用類型內(nèi)按S形布設(shè)5個土壤取樣點，取0—20 cm 表層土樣品帶回室內(nèi)，揀去石礫、植物根系和碎屑，在室內(nèi)通風(fēng)處風(fēng)干，研磨，分別過1、0.25 mm篩，以備養(yǎng)分測定。

土壤全氮采用濃硫酸-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、抗壞化血酸還原比色法測定；速效磷采用鹽酸-氟化銨法和鉬銻抗比色法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定。每個土壤樣品進行3次平行測定。

本研究采用SPSS 11.5實用統(tǒng)計軟件和Excel 2003數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

2012年尖山河小流域共有95場降雨，降雨量共計659.6 mm，其中降雨量最大的為32.2 mm，其每月降雨量見表2。從表2中可以看出，降雨主要集中在5—9月，這5個月的降雨量占年降雨量的82.4%，旱季僅占17.6%，所以選擇5—9月進行徑流小區(qū)的觀測是具有代表性的。由于年內(nèi)降雨量分配不均，夏季降雨過分集中易形成大雨或暴雨，故容易產(chǎn)生大的地表徑流并沖刷地表，造成水土的流失[6]。

3.2 土地利用變化對表層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同土地利用類型表層土壤養(yǎng)分含量測定結(jié)果見表3。由表3數(shù)據(jù)看出，不同土地利用類型間土壤全氮含量無明顯的變化規(guī)律，其含量表現(xiàn)為坡耕地(0.294 g/kg)>灌草叢地(0.260 g/kg)>人工林地(0.196 g/kg)>次生林地(0.127 g/kg)。土壤中的氮是保證作物、林木正常生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)與改善土壤質(zhì)量的重要元素。由于坡耕地上種植烤煙，人為施肥使得該土地利用類型土壤全氮含量大于其他土地利用類型。灌草叢地的全氮含量大于次生林地和人工林地，這主要是由于灌草叢地有機質(zhì)豐富，光照充足，濕度適宜，有機質(zhì)分解過程中未發(fā)生反硝化作用。人工林地由于種植時人工施有肥料，因而土壤中的全氮含量高于次生林地。

表3 不同土地利用類型徑流小區(qū)表層土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤全磷以灌草叢地含量較高且與其他土地利用類型間差異顯著(P<0.05)，不同土地利用類型按土壤全磷含量大小排序為灌草叢地(0.252 g/kg)>坡耕地(0.132 g/kg)>人工林地(0.099 g/kg)>次生林地(0.052 g/kg)。

不同土地利用類型間土壤堿解氮含量差異不顯著(P>0.05)，堿解氮含量表現(xiàn)為坡耕地 (101.680 mg/kg)>次生林地(99.645 mg/kg)>灌草叢地(86.001 mg/kg)>人工林地(69.488 mg/kg)。坡耕地的堿解氮含量高于其他地類，是人為施肥補充了大量堿解氮的緣故，而次生林地和灌草叢地的堿解氮含量較高則是因為次生林和灌草叢土壤含有較豐富的有機質(zhì)。

土壤速效磷含量在不同土地利用類型間差異顯著(P<0.05)，按其含量排序為灌草叢地(1 579.036 mg/kg)>坡耕地(914.014 mg/kg)>人工林地(561.406 mg/kg)>次生林地(59.609 mg/kg)。人為施肥致坡耕地土壤速效磷含量大于人工林地和次生林地。灌草叢地土壤速效磷含量最大，且是其他土地利用類型的1.73～26.49倍。

土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為次生林地(2.049 g/kg)>灌草叢地(1.850 g/kg)>人工林地(1.537 g/kg)>坡耕地(1.145 g/kg)。次生林地土壤有機質(zhì)含量最大，是因為次生林地土壤表面有大量的凋落物積聚。人工林地土壤有機質(zhì)含量較低是由于植被的吸收且得不到補充所導(dǎo)致的[7]。坡耕地地上部分被移出土壤系統(tǒng)，減少了有機質(zhì)歸還量[8]，同時地表溫度高及農(nóng)田耕作的物理效應(yīng)破壞了土壤的團聚體結(jié)構(gòu)[9]等可能加速土壤有機質(zhì)的分解，造成有機質(zhì)含量下降。由此看出，次生林地土壤有機質(zhì)含量遠高于其他地類土壤，這是因為次生林和其林下植被在土壤表層積聚了大量的枯落物從而能不斷為土壤補充有機質(zhì)。

用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對各類養(yǎng)分進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。由表4可知，全氮和全磷呈顯著相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.728，P=0.040)，全氮和速效磷呈極顯著相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.861，P=0.006)，全磷和速效磷呈極顯著相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.926，P=0.001)，全氮、堿解氮和有機質(zhì)之間的相關(guān)性不明顯(P>0.05)。

表4 表層土壤養(yǎng)分含量相關(guān)性分析

3.3 不同土地利用類型的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量

從表5可以看出，2012年6—8月5場產(chǎn)流降雨總計降雨量92.3 mm，坡耕地、人工林地、次生林地和灌草叢地小區(qū)總產(chǎn)流量分別為22 500、11 400、7 700、5 800 m3/km2，坡耕地的產(chǎn)流量最多，次生林地產(chǎn)流量最少。坡耕地的總產(chǎn)流量分別是人工林地、次生林地和灌草叢地的1.97、3.88和2.92倍。次生林地和灌草叢地分別比坡耕地多涵養(yǎng)水分16 700和14 800 m3/km2，比人工林地多涵養(yǎng)水分5 600和3 700 m3/km2。次生林的產(chǎn)流量遠遠小于坡耕地和人工林，與灌草叢相差不大。坡耕地和人工林持續(xù)了較長時間的產(chǎn)流，灌草地和次生林在降雨強度減小后產(chǎn)流過程隨即停止。究其原因，植被對地表徑流的影響是由植被的冠層、枯枝落葉層和土壤層綜合效能決定的。天然次生林小區(qū)與灌草叢小區(qū)植被蓋度分別達到90%和95%，其林冠、下層植被以及枯枝落葉層對降水有截持和緩沖作用，都有助于這兩個小區(qū)減小地表徑流量。而坡耕地和人工林小區(qū)的產(chǎn)流量隨降雨的增加而增加，而且總產(chǎn)流量也較大，這是由于植被覆蓋度低、結(jié)構(gòu)單一、地表裸露、土壤容易板結(jié)等，不利于雨水下滲，從而導(dǎo)致徑流量增加。

表5 不同土地利用類型的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量

從表5還可以看出，2012年6—8月所統(tǒng)計的5場降雨中，坡耕地、人工林地、灌草叢地和次生林地的總產(chǎn)沙量(土壤侵蝕量)分別為91.86、25.06、12.95、8.99 t/km2，坡耕地的總產(chǎn)沙量遠大于其余幾種土地利用類型，分別是人工林地的3.67倍、灌草叢地的7.09倍、次生林地的10.22倍。次生林和灌草叢減少土壤侵蝕效果較好，次生林地比坡耕地減少土壤侵蝕量90.21%，比人工林地減少土壤侵蝕量64.13%，比灌草叢地減少土壤侵蝕量30.58%；灌草叢地比坡耕地減少土壤侵蝕量85.90%，比人工林地減少土壤侵蝕量48.32%。在相同的降雨條件下，次生林和灌草叢地都有較好的調(diào)節(jié)徑流和減少土壤侵蝕及流失的作用，說明植被的覆蓋有保護地表減少土壤侵蝕的作用。坡耕地土層深厚，地表覆蓋少，種植的煙草根系不發(fā)達，再加上人為活動的擾動，其產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大。可見，次生林和灌草叢攔蓄徑流和泥沙的效果要比人工林好，坡耕地的開墾和種植加大了坡面水土流失量。

4 討 論

(1)研究區(qū)內(nèi)不同的土地利用類型深刻地影響了土壤性狀及肥力。已有的研究[10-11]表明，土地利用類型對土壤養(yǎng)分有重要的影響。土壤有機質(zhì)含量對土壤氮磷含量影響較大，土壤有機質(zhì)含量越豐富，土壤氮磷含量越高。灌草叢地土壤有機質(zhì)含量較高，其土壤全氮、堿解氮、全磷和速效磷的含量也較大，說明植被覆蓋度對土壤養(yǎng)分的保持有一定的促進作用。

(2)土壤侵蝕受植被覆蓋度、坡度、土地利用類型、土壤結(jié)構(gòu)、水文氣象、土地空間利用、人為干擾等因素的影響[12-13]。由于研究區(qū)地類的坡度、坡位、坡向、海拔、土壤類型等相似，因此土地利用類型和覆蓋度是影響地表徑流和產(chǎn)沙的主要因素。

對4種不同土地利用類型的研究表明，不同植被類型對減流減沙的影響程度不一[14]。植被冠層和枯落物截留蓄持降雨，有效減少了地表徑流以及降雨對地表的直接沖擊，這與前人的研究結(jié)果類似[15-16]。劉卉芳等[13]的研究也證實，坡耕地是坡面侵蝕的主要土地利用類型，天然次生林與灌草叢的防蝕效應(yīng)大于人工林。因此，建議在以后的進一步治理和土地管理中，首先要加強對現(xiàn)存次生林的保護和對灌草地的管理，排除人為干擾，使其正向演替得以進行，充分發(fā)揮其水土保持功能；其次，在建立人工林時應(yīng)考慮合適的復(fù)層結(jié)構(gòu)，以達到水土保持的最佳效果；最后，建議采取保土耕作、坡改梯、退耕還林等措施對坡耕地進行治理，從根本上解決水土流失問題。

5 結(jié) 論

(1)不同土地利用類型間土壤全氮含量坡耕地>灌草叢地>人工林地>次生林地，土壤全磷和速效磷含量灌草叢地>坡耕地>人工林地>次生林地，土壤堿解氮含量坡耕地>次生林地>灌草叢地>人工林地，土壤有機質(zhì)含量次生林地>灌草叢地>人工林地>坡耕地，次生林地土壤有機質(zhì)含量遠高于其他地類土壤。全氮和全磷之間呈顯著相關(guān)關(guān)系，全氮和速效磷、全磷和速效磷之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系，說明土壤各化學(xué)因子之間的關(guān)系不是單一的，而是相互影響，有一定的關(guān)聯(lián)性。

(2)不同土地利用類型因植被類型以及蓋度等因子不同，其蓄水保土、調(diào)節(jié)徑流和抗侵蝕能力存在差異，產(chǎn)流產(chǎn)沙量坡耕地>人工林地>次生林地>灌草叢地。從4個小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律可以看出，次生林地和灌草叢地防止水土流失的效果最好，植被結(jié)構(gòu)單一、枯枝落葉少的人工林地和坡耕地土壤侵蝕較嚴重。

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