不同土地利用方式下片麻巖坡面養(yǎng)分流失規(guī)律的研究

張佳琪, 王 紅, 張瑞芳, 朱子龍, 周大邁

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北省山區(qū)研究所, 河北 保定 071000;3.國(guó)家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 河北 保定 071001;4.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 河北 保定 071001)

不同土地利用方式下片麻巖坡面養(yǎng)分流失規(guī)律的研究

張佳琪1, 王 紅2,3,4, 張瑞芳2,3,4, 朱子龍1, 周大邁2,3,4

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北省山區(qū)研究所, 河北 保定 071000;3.國(guó)家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 河北 保定 071001;4.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 河北 保定 071001)

通過室內(nèi)模擬人工降雨試驗(yàn)，研究不同土地利用方式片麻巖坡面水土流失和養(yǎng)分流失特征。結(jié)果表明：谷子地、草地坡面產(chǎn)沙量產(chǎn)流量遠(yuǎn)小于裸地產(chǎn)沙產(chǎn)流量；不同土地利用方式片麻巖坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙變化過程不同，草地、谷子地達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流的時(shí)間滯后于裸地。3種土地利用方式坡面養(yǎng)分流失隨時(shí)間的變化過程基本相同，降雨起始各種養(yǎng)分濃度較高，隨著時(shí)間的持續(xù)，養(yǎng)分流失濃度趨于穩(wěn)定。不同土地利用方式下片麻巖坡面養(yǎng)分流失量表現(xiàn)為鉀流失總量>氮流失總量>磷流失總量，養(yǎng)分流失總量與產(chǎn)沙產(chǎn)流之間有著極顯著的正相關(guān)性，裸地養(yǎng)分流失量最大，其次是谷子地，草地的養(yǎng)分流失量最小，但是徑流中硝態(tài)氮含量和泥沙總磷量谷子地流失量最大，裸地次之，草地最小。3種土地利用方式片麻巖坡面磷鉀流失主要是泥沙態(tài)養(yǎng)分，氮素流失主要以溶解態(tài)氮為主或者二者共同作用。

片麻巖; 水土流失; 徑流; 養(yǎng)分流失量; 土地利用方式

近年來很多專家通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)對(duì)水土流失規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了大量研究[1-2]。自20世紀(jì)末，土壤侵蝕引起的養(yǎng)分流失現(xiàn)象受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，有研究表明徑流和侵蝕被認(rèn)為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分流失的重要途徑[3]。養(yǎng)分流失過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,涉及的影響因素眾多[4-5]。針對(duì)降雨、地形、土壤性質(zhì)和植被覆蓋與管理因子等多方面分析土壤侵蝕與養(yǎng)分流失特征，但多集中在水土流失嚴(yán)重區(qū)域[6-8]，對(duì)于片麻巖山區(qū)研究很少。河北省太行山區(qū)土壤主要由花崗片麻巖、砂質(zhì)巖和石灰?guī)r等風(fēng)化形成，土壤結(jié)構(gòu)不良，石礫含量大且多屬粗骨土，土壤侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重[9]。本試驗(yàn)通過室內(nèi)人工模擬降雨，研究不同土地利用方式下片麻巖土壤水土流失和養(yǎng)分流失規(guī)律，對(duì)于該區(qū)域坡耕地治理問題具有重要的理論依據(jù)和實(shí)踐意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)用土為片麻巖新成土，土壤類型為褐土性土，取自河北唐縣片麻巖山區(qū)。取土?xí)r將土壤分為0—30 cm和30—50 cm兩層，并按順序填裝進(jìn)土槽。填土?xí)r不進(jìn)行過篩操作，所用土槽規(guī)格為1.5 m×0.5 m×0.5 m。在填土過程中，為了使填土均一且容重接近自然坡面,采用容重隨機(jī)實(shí)測(cè)法，為保證試驗(yàn)的土壤前期含水條件一致,控制在7%～10%，首先進(jìn)行30 mm/h小雨強(qiáng)濕潤(rùn)降雨,至產(chǎn)生地表徑流時(shí)即停止降雨，濕潤(rùn)降雨6 h后進(jìn)行正式試驗(yàn)。降雨前于坡面的坡腳、坡腰、坡頂三處隨機(jī)取土樣，測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)，不同土地利用方式下土壤的物理性質(zhì)見表1。

表1 降雨前不同利用方式土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法，在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心降雨大廳進(jìn)行，所采用的降雨設(shè)備為噴射型仿真降雨設(shè)備(QYJY-503)，降雨高度11 m，效降雨面積約144 m2，降雨均勻度達(dá)到90%以上。試驗(yàn)設(shè)計(jì)土槽坡度為5°，降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為80 mm/h。每個(gè)處理重復(fù)三次，降雨開始記錄產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流后開始計(jì)時(shí)，降雨歷時(shí)60 min，連續(xù)采集徑流段的徑流泥沙樣，每次采樣時(shí)間為10 min。降雨結(jié)束后測(cè)量徑流總體積，并用濾紙將徑流分離為水樣和泥沙。測(cè)量泥沙風(fēng)干后的重量，并分別對(duì)其中的養(yǎng)分含量進(jìn)行測(cè)定。谷子和草地于2013年6月15日進(jìn)行播種，谷子品種為晉谷29號(hào)，按20 cm行距條播，株距為6 cm，由于小區(qū)長(zhǎng)1.5 m，谷子實(shí)行合理密植。為達(dá)到水土保持效果草籽選用雜草，按照野外原狀草地進(jìn)行撒播，覆蓋度達(dá)到100%，不施用肥料。谷子播種前按推薦施肥量施肥：N為120 kg/hm2，P2O5為120 kg/hm2，K2O為45 kg/hm2，翻耕同時(shí)進(jìn)行施肥，7月11日追施尿素N為8 kg/hm2，8月25日進(jìn)行降雨，此時(shí)谷子覆蓋度最大為80%。裸地和谷子地同時(shí)施用等量基肥。8月26日測(cè)定水樣中養(yǎng)分含量，一周后測(cè)定泥沙中養(yǎng)分含量。水樣中的總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷采用鉬酸銨分光光度法，溶解態(tài)鉀采用火焰光度法。泥沙中的全氮采用半微量凱氏法，全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法，全鉀采用NaOH熔融—火焰光度法。每次試驗(yàn)結(jié)束后，深翻20 cm土壤并部分回填新土。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

片麻巖坡面為超滲產(chǎn)流，降水量大于植物截留量、填洼量、雨期蒸發(fā)量及下滲量等的總和時(shí)，多余出來的水量產(chǎn)生了地面徑流。通過試驗(yàn)得出不同土地利用方式產(chǎn)沙產(chǎn)流存在差異，產(chǎn)流時(shí)間表現(xiàn)為谷子地<裸地<草地，草地產(chǎn)流時(shí)間是裸地的3.7倍，是谷子地的4.7倍。這是因?yàn)楫a(chǎn)流時(shí)間與土壤理化性質(zhì)和地表狀況等因素有關(guān)，地表覆蓋減弱了侵蝕性降雨對(duì)地表的直接拍打和沖刷[10]。由表2看出，三種不同土地類型中裸地的產(chǎn)流量、徑流系數(shù)、產(chǎn)沙模數(shù)和土壤流失率均最大，草地最小。與裸地相比，草地有效減少了50%的徑流損失和78%泥沙流失量；谷子地減少了13%的泥沙流失和13%的徑流損失。原狀草地其冠層覆蓋度和地表覆蓋度都很大，能有效地減少侵蝕性降雨造成的徑流和泥沙的損失。裸地和谷子地徑流系數(shù)均超過90%，片麻巖土壤裸地徑流系數(shù)達(dá)到0.98，裸地產(chǎn)沙模數(shù)達(dá)到237.32 g/m2，說明片麻巖山坡地原始植被遭到破壞后，水土流失現(xiàn)象非常嚴(yán)重，急需治理，而谷子地徑流系數(shù)0.92，產(chǎn)沙模數(shù)206.28 g/m2，同樣說明片麻巖風(fēng)化形成的山坡地土壤，從水土保持的角度出發(fā)，不應(yīng)只進(jìn)行簡(jiǎn)單的農(nóng)作物種植。將片麻巖不同土地利用方式下侵蝕產(chǎn)沙(X)與徑流量(Y)擬合成回歸方程：Y=5.7705e91.877x，R2=0.99。由此得出，片麻巖坡面不同土地利用方式下產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量存在極顯著的正相關(guān)性，產(chǎn)沙量越大，產(chǎn)流量越大，水和土流失需要同等重視。

表2 不同利用方式產(chǎn)沙產(chǎn)流情況

2.2 不同土地利用方式下片麻巖坡面養(yǎng)分流失特征

2.2.1 坡面養(yǎng)分流失量 徑流是造成養(yǎng)分流失的動(dòng)力，徑流和泥沙是養(yǎng)分的載體。由表3看出，在雨強(qiáng)為80 mm/h時(shí)，片麻巖不同土地利用方式氮磷鉀養(yǎng)分流失總量存在很大差異，裸地養(yǎng)分流失總量最大，谷子地次之，草地養(yǎng)分流失量最?。桓黟B(yǎng)分流失量之間磷素流失量最少，鉀素流失量最大；徑流帶走的泥沙對(duì)養(yǎng)分的富集是養(yǎng)分流失的主要因素，尤其是磷和鉀的流失，不同土地利用情況下泥沙態(tài)磷鉀占總流失量的比例均在85%以上。谷子地氮素流失主要是溶解態(tài)氮和泥沙態(tài)氮共存，氮素由于自身活性較大，極易遷移；草地氮素主要隨地表徑流以溶解態(tài)氮流失，裸地以泥沙態(tài)氮為主。有研究表明養(yǎng)分流失量與產(chǎn)沙產(chǎn)流存在著密切的關(guān)系[11-13]，將片麻巖不同土地利用方式下侵蝕產(chǎn)沙(X)與氮、磷、鉀流失量(Y1，Y2，Y3)擬合呈線性方程：Y1=33.278e0.0262x，R2=0.85；Y2=4.6353e0.0219x，R2=0.97；Y3=459.62e0.0305x，R3=0.91。由此看出，3種土地利用方式下，坡面氮磷鉀養(yǎng)分流失量與產(chǎn)沙量之間同樣具有顯著的正相關(guān)性。片麻巖坡面產(chǎn)沙量產(chǎn)流量越大，養(yǎng)分流失總量越大。

表3 不同利用方式下養(yǎng)分流失情況

2.2.2 徑流中氮素養(yǎng)分變化規(guī)律 由圖1可以看出，不同土地利用方式氮流失程度不同，但是養(yǎng)分變化規(guī)律基本相同。在整場(chǎng)降雨過程中，裸地溶解態(tài)氮濃度始終高于其他兩種利用方式，但是不同利用方式下坡面在降雨初期氮濃度均較高，隨著降雨的持續(xù)，溶解在徑流中氮濃度不斷降低，直到降雨結(jié)束時(shí)趨于穩(wěn)定，谷子地和草地溶解態(tài)氮濃度均穩(wěn)定在3.00 mg/L，上下波動(dòng)0.1 mg/L，裸地直到降雨結(jié)束氮濃度仍在下降，但是下降幅度明顯降低。由于產(chǎn)流到達(dá)峰值后坡面形成均勻的徑流[14]，同時(shí)大部分養(yǎng)分在降雨初期隨徑流沖刷被粒徑較小的細(xì)顆粒和水樣帶走[15]，大量粗骨粒沉積在坡面表面，使得降雨后期各養(yǎng)分濃度基本穩(wěn)定。谷子地流量是草地的2.15倍，谷子地氮素流失總量是草地的2.79倍，但是谷子地的溶解態(tài)氮濃度卻是最低的。表3得出養(yǎng)分流失量與產(chǎn)流產(chǎn)沙呈正相關(guān)，但是養(yǎng)分濃度與養(yǎng)分本身性質(zhì)、土壤性質(zhì)等因素有關(guān)，與土壤侵蝕情況沒有相關(guān)性。徑流中不同養(yǎng)分形態(tài)流失規(guī)律不同，銨態(tài)氮濃度變化規(guī)律與溶解態(tài)氮相似，3種利用方式銨態(tài)氮濃度呈降低趨勢(shì)，裸地濃度高于草地，谷子地銨態(tài)氮濃度最低。3種土地利用方式下硝態(tài)氮濃度隨降雨時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，但是由圖1看出，谷子地流失的硝態(tài)氮濃度最高，裸地次之，草地最低，坡耕地硝酸鹽流失嚴(yán)重，由于谷子地氮素含量高于其他兩種方式，氮素自身遷移能力較強(qiáng)。由圖1得出，不同利用方式徑流氮流失主要以硝態(tài)氮形態(tài)流失，谷子地和草地中銨態(tài)氮流失量所占比例較小，裸地氮素流失以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮共同存在。

2.2.3 泥沙中養(yǎng)分變化特征 由圖2看出，不同土地利用方式下，泥沙對(duì)氮磷鉀大量元素的富集程度均不同，草地流失的泥沙氮磷鉀負(fù)荷量均最少且基本保持穩(wěn)定，谷子地次之，裸地泥沙的養(yǎng)分富集量最多。但是養(yǎng)分變化規(guī)律基本一致，隨著降雨歷時(shí)增加，泥沙負(fù)荷養(yǎng)分的能力逐漸減弱。在不同處理中泥沙富集磷表現(xiàn)為谷子地>裸地>草地，在整場(chǎng)降雨中谷子地泥沙中磷損失量為27.05 mg，裸地為23.82 mg，草地流失的泥沙態(tài)磷僅為6.14 mg。磷易被土壤固定，遷移能力弱，導(dǎo)致泥沙帶走的磷較低，泥沙中磷富集量最小。由于谷子從土壤中吸收養(yǎng)分，根系對(duì)磷截獲促使土壤磷遷移能力增強(qiáng)，徑流擾動(dòng)地表時(shí)谷子地流失磷量高于裸地和草地。草地泥沙中有效磷含量為0.18 mg，谷子地有效磷含量1.07 mg，裸地泥沙有效磷負(fù)荷量為2.23 mg，由此看出，相較于有效態(tài)磷，泥沙中有機(jī)態(tài)磷更易于流失。

圖1 不同土地利用方式徑流中氮流失規(guī)律

圖2 不同土地利用方式泥沙中養(yǎng)分流失規(guī)律

3 結(jié) 論

(1) 三種不同土地利用方式中裸地的產(chǎn)流量、徑流系數(shù)、產(chǎn)沙模數(shù)和土壤流失率均最大，坡耕地(谷子)次之，草地遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裸地和坡耕地，原狀草地對(duì)于水土保持效果最為明顯。

(2) 片麻巖土壤養(yǎng)分流失總量與產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量存在極為顯著的正相關(guān)性。

(3) 三種不同土地利用方式氮磷鉀養(yǎng)分流失規(guī)律基本相同，降雨初期養(yǎng)分濃度較大，隨著降雨的持續(xù)，養(yǎng)分流失量逐漸降低。片麻巖土壤鉀流失總量>氮流失總量>磷流失總量；除了泥沙中總磷和徑流中硝酸鹽這兩種養(yǎng)分谷子地流失量大于裸地外，各種養(yǎng)分類型和養(yǎng)分不同形態(tài)養(yǎng)分流失量均表現(xiàn)出裸地流失量>谷子地>草地。片麻巖坡面磷鉀流失主要以泥沙態(tài)為主；氮素流失由溶解態(tài)氮和泥沙態(tài)氮共同作用，草地氮素流失主要是溶解態(tài)氮為主。泥沙中磷以有效態(tài)形式流失很少，有機(jī)磷更易流失。

[1] 張金池,莊家堯,林杰.不同土地利用類型土壤侵蝕量的坡度效應(yīng)[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2004,2(3):6-9.

[2] 林超文,陳一兵,黃晶晶,等.不同耕作方式和雨強(qiáng)對(duì)紫色土養(yǎng)分流失的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,40(10):2241-2249.

[3] Hugus V B, Chantal G O, Fabienne T, et al. Impact of terrestrial sewage sludge disposal on dissolved and particulate phosphorus in surface runoff[J]. Hydrological Sciences Journal,2003,48(2):221-233.

[4] 王全九,張江輝.黃土區(qū)土壤溶質(zhì)徑流遷移過程影響因素淺析[J].西北水資源與水工程,1999,10(1):9-13.

[5] 江韜,鄧麗莉,魏世強(qiáng),等.聚丙烯酰胺與強(qiáng)化劑聯(lián)用對(duì)土—水界面磷素遷移的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2010,47(3):473-482.

[6] 王輝,王全九,邵明安.PAM對(duì)黃土坡地水分養(yǎng)分遷移特性影響的室內(nèi)模擬試驗(yàn)(簡(jiǎn)報(bào))[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(6):85-88.

[7] 王輝,王全九,邵明安.表層土壤容重對(duì)黃土坡面養(yǎng)分隨徑流遷移的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2007,21(3):10-13,18.

[8] 李進(jìn)鵬,王飛,穆興民,等.延河流域土地利用變化對(duì)其生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響[J].水土保持研究,2010,17(3):110-114.

[9] 徐學(xué)華,張金柱,張慧,等.太行山片麻巖區(qū)植被恢復(fù)過程中物種多樣性與土壤水分效益分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2007,21(2):133-136,174.

[10] 劉承,王玉寬,傅斌,等.紫色土不同土地利用方式下降雨入滲試驗(yàn)研究[J].水土保持研究,2009,16(3):20-23.

[11] 王亮.人工模擬降雨條件下紫色土養(yǎng)分流失研究[M].重慶:西南大學(xué),2009.

[12] 趙偉,楊培嶺,李海山,等.呼倫湖流域3種利用方式草場(chǎng)水土及氮磷流失特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(9):220-225.

[13] 付偉章,史衍璽.模擬降雨條件下肥料品種與施肥方式對(duì)氮素徑流流失的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2013,27(3):14-17.

[14] 張會(huì)茹,鄭粉莉,耿曉東.地面坡度對(duì)紅壤坡面土壤侵蝕過程的影響研究[J].水土保持研究,2009,16(4):52-54,59.

[15] 黃滿湘,章申,張國(guó)梁,等.北京地區(qū)農(nóng)田氮素養(yǎng)分隨地表徑流流失機(jī)理[J].地理學(xué)報(bào),2003,58(1):147-154.

StudyontheLawofNutrientLossofDifferentLandUsePatternsinSlopingGneissArea

ZHANG Jia-qi1, WANG Hong2,3,4, ZHANG Rui-fang2,3,4, ZHU Zi-long1, ZHOU Da-mai2,3,4

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China; 2.AgriculturalUniversityofHebeiMountainousAreaResearchInstitute,Baoding,Hebei071000,China; 3.NationalEngineeringResearchCenterforAgriculturalinNorthernMountainousAreas,Baoding,Hebei071000,China; 4.AgriculturalEngineeringTechnologyResearchCenterofMountaininHebeiProvince,Baoding,Hebei071000,China)

Indoor rainfall experiment was conducted to evaluate the effects of land use patterns on the surface soil and nutrient loss in gneiss area. Results showed that runoff and sediment yield of millet land, grassland were far less than those of the bared; the rates of runoff and sediment yields were different among different land uses. Meanwhile, the stable runoff time of millet land and grassland lagged in the bare land. The process of nutrient loss was basically same in the three kinds of land use types: at the beginning nutrient concentration was higher, nutrient concentration tends to be stable over time. The nutrient loss is significantly positively correlated to the cumulative runoff and sediment yield. The amounts of nutrient loss under in the three kinds of land use types represented the cumulative loss oder of potassium>nitrogen>phosphorus. In addition, the nutrient loss of bare land was the largest, followed by millet land and grassland, except nitrate nitrogen concentration in the runoff and the phosphorus concentration in the sediment, of which were the largest in millet land, followed in the bare land. Nutrient losses from gneiss area are mainly in the form of sediment combination state especially for phosphorus and potassium, N loss is mainly in dissolved nitrogen or both dissolved nitrogen and sediment-associated nitrogen.

gneiss; soil and water loss; runoff; amount of nutrient loss; different land use patterns

2014-03-12

：2014-04-27

河北省科技廳資助項(xiàng)目(11227102D);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(C2009000565)

張佳琪(1988—),女,河北遵化人,碩士研究生,研究方向:植物營(yíng)養(yǎng)生態(tài)。E-mail:zhangjiaqi0517@sina.cn

周大邁(1957—),男,河北安平人,博士生導(dǎo)師,研究員,主要從事山區(qū)生態(tài)治理、土壤改良方面的研究。E-mail:hnkt@hebau.edu.cn

S157.1;S153

：A

：1005-3409(2014)05-0122-04