不同水土保持措施對黑土區(qū)坡耕地氮、磷流失的影響

馮 洋，郭成久，李 勇，郝冬寧，鄭 帥

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽110866；2.桓仁滿族自治縣水土保持站，遼寧 桓仁滿族自治縣117200）

坡耕地土壤養(yǎng)分流失可造成土壤質(zhì)量退化，大量的泥沙以及氮、磷、農(nóng)藥等面源污染物匯入受納水體，造成水體富營養(yǎng)化，加劇了東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水環(huán)境質(zhì)量之間的矛盾。近年來，東北黑土區(qū)由水土流失帶來的水體面源污染問題也日漸突出［1－3］。嚴(yán)重的水土流失是生態(tài)惡化的集中反映，是水環(huán)境質(zhì)量惡化的重要助推劑。由于化肥的不合理施用，坡耕地被認(rèn)為是流域面源污染的主要來源［4］。水土保持措施對土壤、徑流、植被及化學(xué)物質(zhì)輸入、輸出具有重要影響，因而不同水土保持措施下面源污染差距較大。

坡耕地約占遼寧省耕地總面積的1／3，坡耕地土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重制約著遼寧省的農(nóng)業(yè)發(fā)展。目前，大量的研究集中于強調(diào)水保措施“截流減沙”的雙重效益，缺乏面源污染防治方面的考慮，結(jié)果導(dǎo)致水源地流域水質(zhì)惡化，影響下游河流和湖泊的水生態(tài)環(huán)境。為了探尋水土保持綜合措施下土壤養(yǎng)分流失的規(guī)律，突破以往水土保持措施單一，綜合效果不佳的局限，研究集水保林、水平梯田、地埂植物帶為一體的坡面綜合控制技術(shù)對總氮（TN）和總磷（TP）等面源污染物的削減作用，為遏制坡耕地養(yǎng)分流失，改善小流域水質(zhì)提供參考依據(jù)與技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究選擇遼寧省本溪市桓仁滿族自治縣渾江流域雅河鄉(xiāng)大泉眼小流域為典型試驗區(qū)，地理位置東經(jīng)125°15′25″，北緯41°11′24″。雅河鄉(xiāng)大泉眼小流域位于桓仁縣南部，屬渾江流域，流域內(nèi)有一條河流大泉眼河，全長6.5km，匯入渾江。流域面積28.67 km2，水土流失面積956.5hm2，水土流失面積占總面積的33.36%。雅河鄉(xiāng)大泉眼小流域?qū)匍L白山系龍崗支脈的中低山區(qū)，流域內(nèi)最高海拔為753m，地貌屬低山丘陵區(qū)，氣候類型上屬北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量808.8mm，年均蒸發(fā)量1 282.3mm，每年7—9月為暴雨集中期，其降雨量約占全年的69.3%。流域內(nèi)種植的主要作物為玉米（Zea mays）和大豆（Glycine max）。坡上水保林植被主要以紅松和落葉松為主；坡中水平梯田田面凈寬為8m，田坎高度1.45m；地埂植物帶栽植紫穗槐，株行距20cm×20cm。

1.2 試驗設(shè)計

為使研究結(jié)果能代表該小流域坡耕地不同水保措施下面源污染物含量變化的實際情況，設(shè)置研究區(qū)域坡面從上到下的防治措施依次為水保林、水平梯田、地埂植物帶，集為一體的綜合防治技術(shù)體系，如表1所示。

采樣時需充分考慮治理措施因素，采用分層次采樣方法，將坡耕地條件下的綜合防治措施作為一級層次，將同一防治措施的不同坡位作為二級層次。采樣時利用GPS定位，選取不同水保措施坡上、坡中及坡下樣點，并記錄相關(guān)信息，2013年3月至9月共采集不同防治措施的土壤樣品336個，為充分體現(xiàn)樣點布置的全面性和代表性，分別將水保林、水平梯田、地埂植物帶和無措施坡耕地分為坡上、坡中、坡下三個帶，每種措施在坡上、坡中、坡下三個帶均設(shè)采樣點4個，采樣點采用等距采樣法采集樣品，研究區(qū)域共設(shè)置采樣點48個，本研究在流域降雨期且農(nóng)事管理活動較多的3—9月逐月采樣，每個采樣點采集表層土壤（0—15cm）5個重復(fù)樣，充分均勻混合作為1個樣品，在采樣點上先刮去0.5cm左右的表層土，剔除礫石、動植物殘體，取1kg左右裝入自封袋。樣品帶回實驗室自然風(fēng)干后，四分法取樣，用缽碾磨成粉末，過20目和100目尼龍篩后，用于測定土壤TN和TP。土壤TN采用開氏消煮—常量蒸餾—納氏試劑光度法（GB7173—87），土壤TP采樣濃硫酸—高氯酸高溫消解—鉬銻抗比色法（GB9837—88）［5］。實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行回歸分析。

表1 大泉眼小流域坡耕地水土保持措施及植被概況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水土保持措施對土壤全氮的影響

坡耕地面源污染物氮素動態(tài)變化的主要因素為農(nóng)作物種植周期內(nèi)不科學(xué)的氮肥投入和降雨造成的水土流失［6］。對研究區(qū)不同水保措施所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析土壤TN含量隨時間的變化趨勢，如圖1所示。

典型坡耕地不同措施、不同坡位土壤TN含量變化范圍為1.68～2.39g／kg，對3種不同措施下土壤TN含量的顯著分析表明，水平梯田措施、地埂植物帶措施和水保林土壤全氮含量無顯著差異，但均與無措施對照區(qū)土壤TN含量差異顯著，在研究期3—9月水保林與坡耕地相比土壤TN含量提高了31%～17%，水平梯田與坡耕地相比土壤TN含量提高了28%～16%，地埂植物帶與坡耕地相比土壤TN含量提高了22%～13%。水平梯田措施與地埂植物帶措施相比，土壤TN含量減少9%～5%，水保林與地埂植物帶措施相比，土壤TN含量減少13%～6%。

圖1 坡耕地不同水保措施對土壤全氮的影響

研究期3—7月水保林措施土壤TN含量顯著高于水平梯田措施和地埂置物帶措施，水保林措施土壤TN含量比水平梯田措施土壤TN含量高7.2%，水保林措施土壤TN含量比地埂植物帶措施土壤TN含量高9.8%；監(jiān)測期8—9月水平梯田措施土壤TN含量高于水保林措施、地埂植物帶措施和無措施對照區(qū)，因7—8月研究區(qū)出現(xiàn)3次降雨量超過150mm的大暴雨，水平梯田措施因減緩坡耕地坡度，減少降雨徑流產(chǎn)生，控制水平梯田措施土壤TN流失；監(jiān)測期3月水保林措施土壤TN含量分別是水平梯田措施和地埂植物帶措施土壤TN含量的1.09倍和1.06倍。監(jiān)測期水保林措施在5月土壤全氮含量達到最大值，而水平梯田措施和地埂植物帶措施均在6月土壤全氮含量達到最大值，主要因為栽植作物施撒的化肥造成。3種不同措施下土壤TN含量均值由高至低依次是水保林＞水平梯田＞地埂植物帶＞無措施對照區(qū)，主要原因是水保林由于植被覆蓋度較高，有效控制降雨產(chǎn)生的徑流，減少徑流攜帶的泥沙，土壤中氮素主要以有機氮為主，從而減少土壤氮素的流失，截留沉積在坡耕地坡上流失的大量營養(yǎng)物，使得其土壤氮素含量處于3種水保措施的較高水平，有效控制土壤中氮素的流失；水平梯田措施因改變坡耕地坡度，減少氮素流失；地埂植物帶措施通過坡耕地坡下植物固氮作用，降低徑流攜帶泥沙而損失大量氮素流失，但降雨下滲也會攜帶一定量氮素。

2.2 不同水土保持措施對土壤全磷（TP）的影響

小流域觀測期內(nèi)，對不同防治措施下所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析土壤TP含量隨時間的變化趨勢，如圖2所示。

由圖2可知，典型坡耕地不同措施下土壤TP含量變化范圍為0.34～0.69g／kg，在3—9月，水保林措施的TP含量比無措施坡耕地含量提高了29.8%；水平梯田措施的TP含量比無措施坡耕地含量提高了35.7%；地埂植物帶措施的TP含量比無措施坡耕地含量提高了37.4%；在研究區(qū)域3種綜合防治措施與無措施坡耕地相比土壤TP含量提高了30.6%。在研究期地埂植物帶措施與水保林措施相比，土壤TP含量減少7.9%，水平梯田措施與地埂植物帶措施相比，土壤TP含量變化無顯著差異。

圖2 坡耕地不同水保措施對土壤全磷的影響

5月水平梯田措施與林地措施相比土壤TP含量提高了19%，水平梯田措施與地埂植物帶措施相比土壤TP含量提高了4.6%，5月土壤TP達到了觀測期的最高值0.63g／kg，造成土壤TP含量升高的主要因素是施用磷肥。6—9月土壤TP含量呈下降趨勢，但整體上土壤TP含量變化范圍浮動較小，主要由于磷素在土壤中的固持能力較強［7］，在土壤中不易移動。對3種不同措施下土壤TP含量的顯著分析表明，水平梯田措施與地埂植物帶措施土壤TP含量無顯著差異，但均與無措施坡耕地土壤TP含量差異顯著，3種不同措施下土壤TP含量由高至低依次是地埂植物帶＞水平梯田＞水保林＞無措施區(qū)。地埂植物帶措施優(yōu)于其它措施，這可能是因為地埂植物帶措施除了種植大豆外，在地埂上還栽植了紫穗槐，紫穗槐為典型的水土保持植物，其根系和大豆根系與玉米根系相比，其穿插更利于土壤結(jié)構(gòu)和孔隙的改善，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，減少侵蝕產(chǎn)沙，同時在一定程度上可攔截上游泥沙，因此地埂植物帶措施的土壤TP要高于水平梯田措施。

2.3 不同坡位土壤TN、TP的影響

近些年來國內(nèi)外學(xué)者針不同坡面位置上土壤的化學(xué)物理性質(zhì)以及對水土流失和土壤營養(yǎng)物流失的影響展開了大量工作［8－10］。在小流域坡耕地從坡上水保林、坡中水平梯田到坡下地埂植物帶分別設(shè)置順坡采樣點，形成從坡上到坡下的順坡采樣帶，坡耕地順坡方向土壤TN、TP含量變化如圖3所示。

研究期內(nèi)水保林措施不同坡位土壤TN含量在坡下處達到最大值2.46g／kg，與上坡位相比，下坡位土壤TN含量提高了12.4%；中坡位TN含量提高了10.4%，水保林措施土壤TN含量在坡中處含量最低，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)土壤TN在水保林坡段較低坡下處表現(xiàn)為積累；而水保林措施在不同坡位土壤TP含量呈降低趨勢，平均降幅為10.7%，下坡位與上坡位相比土壤TP含量降低18.5%，中坡位TP含量提高了11.8%。水平梯田措施在順坡方向土壤TN含量呈增大趨勢，在研究期內(nèi)水平梯田措施在不同坡位控制土壤TN流失0.13g／kg，中坡位TN含量提高了10.4%，下坡位TN含量提高了22.1%；而水平梯田措施在不同坡位土壤TP含量平均降幅9.3%。地埂植物帶措施在不同坡位土壤TN含量呈小幅度減小后增大的趨勢，地埂植物帶措施在順坡方向土壤TP含量呈降低趨勢，下坡位與上坡位相比土壤TP含量降低8.9%，土壤TP在地埂植物帶坡段的順坡變化幅度較水平梯田大，表明TP受坡位的影響較大。上述結(jié)果表明，流域不同防治措施在不同坡位上，土壤TN和TP均呈現(xiàn)中、下坡位＞上坡位的趨勢，一方面是因為不同措施土壤TN含量受農(nóng)田管理影響不同，順坡向呈曲折變化趨勢，同時坡耕地從上坡位至下坡位坡度逐漸減小，水保林地坡段坡上坡度大，土壤侵蝕與水土流失較下坡位嚴(yán)重，不利于土壤TN、TP的積累，也是導(dǎo)致坡耕地不同措施土壤TN、TP含量順坡逐漸增加的原因，而地埂植物帶措施下土壤TN、TP變化趨勢較小，表明地埂植物帶措施可以減緩降雨引起的徑流，起到攔截、沉降徑流中攜帶的TN的作用，一定程度上可以減緩?fù)寥繲N流失。另一方面，不同坡位土壤含水量不同，上坡位的潛在蒸散量大于中坡位，而下坡位最小，由于土壤上坡位光照多和通風(fēng)好，使土壤水分蒸發(fā)量大，水分含量較低，有利于有機質(zhì)分解，造成土壤表層TN含量低；而中坡位與下坡位恰好相反，TN含量較高，在林地研究系統(tǒng)中，同一坡向上土壤TN呈現(xiàn)下坡位＞中坡位＞上坡位的趨勢，這與以往的研究結(jié)果一致［10－12］。

圖3 坡耕地不同水保措施對不同坡位土壤全氮、全磷的影響

3 結(jié)論

水平梯田措施、水保林措施和地埂植物帶措施均能夠發(fā)揮顯著的保水保土作用，3種水土保持坡面綜合措施與無措施坡耕地對照分別提高土壤中TN、TP含量29.2%，30.6%，可有效控制土壤養(yǎng)分流失，減輕降雨和徑流沖刷作用造成的面源污染。與坡耕地相比，水平梯田措施、水保林措施、地埂植物帶措施對TP和TN影響顯著，整體研究期3種水保措施土壤TN和TP含量隨季節(jié)性差異明顯。

在研究區(qū)坡耕地從坡上水保林到坡下地埂植物帶順坡方向上，不同水土保持措施在不同坡位土壤TN、TP隨坡向變化較為明顯，在坡下地埂植物帶措施的TP含量高于坡上措施，水保林和水平梯田措施下土壤TN含量從坡上到坡下均呈減少趨勢；流域不同防治措施在不同坡位上土壤TN和TP含量呈現(xiàn)下坡位＞中坡位＞上坡位的趨勢；不同的水土保持措施在渾江流域已經(jīng)顯示出較為明顯的減少面源污染物流失的作用，水平梯田因改變了坡面形態(tài)，形成不同層次的集水平臺；地埂植物帶因有固持土壤的作用［13］，客觀上起到保持水土和減少污染物流失的作用。

研究區(qū)域土壤樣品采集深度為0—15cm表層土壤，即僅對3種綜合措施的表層土壤TN、TP含量的變化規(guī)律做了研究，而未對不同深度土壤TN、TP含量進行監(jiān)測，這部分將在后續(xù)研究中繼續(xù)深入探討。

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