片麻巖坡面花生不同生長時期水土及養(yǎng)分流失規(guī)律

馬 悅,郭年冬,張瑞芳,周大邁,王 紅,張愛軍

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院,河北 保定071000; 2.河北省山區(qū)研究所,河北 保定 071001; 3.國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心,河北 保定071000; 4.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心,河北 保定071000)

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片麻巖坡面花生不同生長時期水土及養(yǎng)分流失規(guī)律

馬 悅1,2,郭年冬1,張瑞芳2,3,4,周大邁2,3,4,王 紅2,3,4,張愛軍2,3,4

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院,河北 保定071000; 2.河北省山區(qū)研究所,河北 保定 071001; 3.國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心,河北 保定071000; 4.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心,河北 保定071000)

通過室內(nèi)人工模擬降雨的方法，研究了花生不同生長時期片麻巖坡面水土流失和養(yǎng)分流失特征。結果表明：花生不同生長時期產(chǎn)流產(chǎn)沙量不同，總體流失量均呈現(xiàn)出0 d>20 d>40 d>60 d，與對照(0 d)相比，花生60 d坡面產(chǎn)流量減少了38%，產(chǎn)沙量減少了47%；不同生長時期坡面養(yǎng)分流失量隨生長天數(shù)的增加而減少，與對照(0 d)相比，60 d坡面氮磷鉀養(yǎng)分流失量分別減少了75%，45%，70%，降雨過程中硝態(tài)氮流失量始終高于銨態(tài)氮流失量；不同生長時期坡面養(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)沙量之間方程擬合系數(shù)均達0.98以上，有著顯著的正相關性；花生不同生長時期片麻巖坡面磷鉀的流失主要以泥沙結合態(tài)為主，氮素流失為溶解態(tài)氮與泥沙態(tài)氮共存。

片麻巖; 水土流失; 徑流; 養(yǎng)分流失量; 不同時期

土壤質(zhì)地退化、地表結構破壞、土壤肥力下降均由坡面徑流侵蝕造成，徑流所攜帶的土壤養(yǎng)分流失也加速了地表水體的富營養(yǎng)化[1]。養(yǎng)分從土壤中流失的途徑，一是隨地表徑流水和沉積物的橫向遷移；二是隨水分下滲形成的縱向遷移，即養(yǎng)分的淋失。我國對土壤養(yǎng)分流失的研究較多，近年來多表現(xiàn)在不同種植模式及不同地貌的養(yǎng)分流失情況，但這些研究沒有同時考慮坡面地表徑流、泥沙與養(yǎng)分流失之間的關系[2]。不同生長時期下不同的植被覆蓋狀況與地表徑流關系密切，增加地表覆蓋能有效地減少地表徑流量，防止水土流失[3]。河北省太行山區(qū)面積占全省總面積的24%，低山片麻巖區(qū)是太行山區(qū)的重要類型區(qū)，約占太行山區(qū)面積的62%[3]，主要由花崗片麻巖、砂質(zhì)巖和石灰?guī)r等風化形成，由于片麻巖類巖石易風化成土，土壤侵蝕現(xiàn)象嚴重[4]，且長期受到人類活動的影響，使該區(qū)山地森林生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞[5]，水土流失現(xiàn)象頻繁發(fā)生[6]，植被覆蓋度急劇降低。本試驗通過室內(nèi)人工模擬降雨，研究花生不同生長時期片麻巖坡面徑流、泥沙及其中養(yǎng)分流失規(guī)律，為該區(qū)域坡耕地治理提供重要的科學理論依據(jù)。

1　試驗材料與方法

1.1供試土壤

試驗用土為河北省唐縣片麻巖山坡地的新成土，土壤類型為褐土性土。唐縣地理坐標為東經(jīng)114°28′—115°03′，北緯38°38′—39°10′，暖溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度12.2℃，最高氣溫41.4℃，最低氣溫-14.5℃，無霜期195 d，常年降水量539.2 mm。采用分層方式取土，分為0—30 cm和30—50 cm兩層，并按順序填裝進試驗用鋼槽。填土時不進行過篩操作，以原狀土放置1年進行自然密實。模擬降雨前土壤基本理化性質(zhì)及基礎地力分別為：全氮1.37 g/kg，全磷0.51 g/kg，全鉀44.11 g/kg，有效磷7.08 mg/kg，含水量8%～9%，容重1.24 g/cm3。

試驗所用鋼槽規(guī)格為1.5 m×0.5 m×0.5 m，可調(diào)坡度為0°～30°，在鋼槽底部和側面設有滲流孔，防止土壤積水，在鋼槽尾端接連“V”型徑流收集槽[7]。

1.2試驗設計

試驗花生品種為冀花4號，實行兩粒穴播，種植密度為16穴/m2，同時設置裸地對照。播種前按推薦施肥量統(tǒng)一進行合理施肥：N為106 kg/hm2，P2O5為106 kg/hm2，K2O為40 kg/hm2，將肥料進行撒施，同時深耕覆土。試驗設置3次重復，裸地、花生地為1次重復，于2015年6月10日進行播種，播種后分別在裸地期(0 d)、苗期(20 d)、結莢期(40 d)和莢果成熟期(60 d)進行降雨[8]。降雨地點在河北農(nóng)業(yè)大學國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心降雨大廳進行，采用降雨設備為噴射型仿真降雨設備(QYJY-503)。降雨高度11 m，有效降雨面積約72 m2，降雨強度變化范圍為10～200 mm/h，降雨均勻度在90%以上，依據(jù)太行山片麻巖山區(qū)自然降雨強度，采用降雨強度為80 mm/h，設計鋼槽坡度為8°。降雨前測定植被覆蓋度，降雨歷時60 min，產(chǎn)流開始后開始計時，每10 min收集1次徑流，連續(xù)收集6次，直至降雨結束，測量徑流總體積，并用濾紙將徑流分離為泥沙和水樣，計算每場降雨的總泥沙量和徑流量，降雨次日測定水樣中養(yǎng)分，1周后測量泥沙風干后的重量，并分別對其中的養(yǎng)分含量進行測定。

1.3測定方法

分別測定水樣中溶解態(tài)氮磷鉀、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和泥沙中顆粒態(tài)氮磷鉀和有效磷的含量。水樣中的總氮采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定，水溶態(tài)鉀采用火焰光度法測定。泥沙中的全氮采用半微量凱氏法測定，全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定，全鉀采用NaOH熔融—火焰光度法測定[9]。

2　結果與分析

2.1花生不同生長時期坡面土壤侵蝕過程

由表1可知，隨著花生生長天數(shù)的增加，地表覆蓋度隨之增加，坡面產(chǎn)流時間表現(xiàn)為0 d<20 d<40 d<60 d。地表覆蓋度增大，使葉片攔截的雨量增多，雨滴對地表的擾動能力減弱，延緩了產(chǎn)流時間[5]?；ㄉ煌L時期坡面的產(chǎn)沙模數(shù)、徑流系數(shù)和土壤流失率不同，都隨著生長天數(shù)的增加而有不同程度減少?；ㄉ?0 d坡面產(chǎn)沙模數(shù)和土壤流失率最小，由此說明植被覆蓋度的增加能有效防止土壤侵蝕造成的水土流失。與對照(0 d)相比較，花生20 d坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別減少了8%，13%；40 d坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別減少了31%和39%；60 d坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別減少了38%和47%，水土保持效果顯著。

表1　花生不同生長時期產(chǎn)沙產(chǎn)流情況

注：相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

由圖1可以看出，片麻巖坡面在花生不同生長時期有著相似的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律。在降雨初期產(chǎn)流率處于上升趨勢，隨著降雨歷時，產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定。除對照坡面(0 d)降雨初期產(chǎn)沙率處于穩(wěn)定趨勢外，其他坡面產(chǎn)沙率一直處于先升高后下降的趨勢。降雨過程中，花生60 d坡面產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率均低于40 d和20 d坡面?；ㄉ?0 d坡面最大產(chǎn)沙率產(chǎn)生在降雨初期20 min時，為1.28 g/min，在歷時50 min后產(chǎn)沙率迅速降低，到降雨接近結束產(chǎn)沙率仍有下降的趨勢；40 d坡面在降雨20～40 min期間產(chǎn)沙率維持在0.92 g/min；花生60 d坡面降雨初期20 min時產(chǎn)沙率達到最大，40 d和60 d坡面產(chǎn)沙率達到峰值的時間均在降雨初期產(chǎn)生。

圖1　花生不同時期坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

2.2花生不同生長時期坡面養(yǎng)分流失過程

2.2.1徑流氮素流失特征由圖2可以看出，花生不同生長時期坡面氮素流失程度不同，但養(yǎng)分流失規(guī)律大致相同：氮素濃度從降雨開始一直呈現(xiàn)出下降趨勢，最終濃度變化趨于穩(wěn)定。降雨的不同時期坡面溶解態(tài)氮濃度不同，呈現(xiàn)出0 d>20 d>40 d>60 d的規(guī)律。降雨初期花生40 d坡面溶解態(tài)氮濃度下降速度最快，0 d和20 d次之，溶解態(tài)氮濃度降低速度最慢的是60 d坡面，降雨后期溶解態(tài)氮濃度均趨于穩(wěn)定。這是由于花生60 d生長時期植被覆蓋度最大，植物葉片攔截雨滴，降低了雨滴對地表土壤的擊打作用，雨滴到達地面的動能降低，導致徑流攜帶泥沙及養(yǎng)分的能力減弱[10]。同時，大部分養(yǎng)分在降雨初期被團粒結構較小的細土粒隨徑流帶走，留下大量粗骨粒在坡面表面，使得降雨后期各養(yǎng)分濃度趨于穩(wěn)定[11]。

2.2.2徑流溶解態(tài)磷鉀流失特征花生不同生長時期徑流流失的溶解態(tài)磷變化規(guī)律不同(圖3)，花生0 d坡面徑流磷濃度表現(xiàn)為持續(xù)降低的趨勢，在20～50 min降雨期間下降速度最快；花生20，40，60 d生長時期坡面磷流失濃度差異性較小，且磷流失濃度低于0 d徑流磷濃度。在沒有坡面覆蓋的情況下，降雨初期土壤溶液和土壤表層顆粒吸附的磷較易被徑流攜帶，且含量相對較高，隨著降雨的持續(xù)，表層磷素不斷被淋洗至土壤深層或隨徑流遷移，養(yǎng)分含量逐步降低并趨于穩(wěn)定；坡面種植花生增加了覆蓋度，減緩了徑流對坡面的沖刷作用，增強入滲，減少了磷的損失量。

圖2　不同生長時期徑流氮流失規(guī)律

圖3　徑流磷流失規(guī)律

由圖4可知，徑流鉀損失濃度隨時間波動不大，在降雨后期趨于穩(wěn)定?；ㄉ? d坡面溶解態(tài)鉀濃度最高，在降雨20 min之后濃度始終維持在5.69～5.74 mg/L，花生20 d和40 d坡面溶解態(tài)鉀流失濃度差異不大，60 d坡面溶解態(tài)鉀濃度在整個降雨過程中表現(xiàn)為最低，始終維持在2.79～3.07 mg/L。徑流鉀養(yǎng)分攜帶量最高，這是由于片麻巖新成土中鉀含量本身較其他巖性土較高[8]。

圖4　徑流鉀流失規(guī)律

2.3花生不同生長時期泥沙養(yǎng)分流失特征

由圖5可以看出，泥沙氮負荷量在花生不同生長時期變化規(guī)律基本相同，由降雨初期氮流失量最大，到降雨后期氮流失量不斷下降且趨于穩(wěn)定?；ㄉ? d坡面泥沙氮負荷量最大為58.14 mg，是20 d坡面泥沙最大氮負荷量的1.3倍，是40 d坡面泥沙最大氮負荷量的4.0倍，60 d坡面泥沙氮負荷量變化基本趨于穩(wěn)定。說明隨著花生的生長，植被覆蓋度的增加有效地減少了氮素養(yǎng)分的流失。

圖5　泥沙中氮磷鉀負荷量變化規(guī)律

片麻巖坡面在產(chǎn)沙過程中除花生40 d坡面顆粒態(tài)磷流失量呈下降趨勢外，花生0，20，60 d坡面顆粒態(tài)磷流失量均有小幅度上升趨勢后再下降；花生20 d坡面顆粒態(tài)磷流失量最大，60 d坡面顆粒態(tài)磷流失量最少，且流失泥沙中有效磷含量極小，在0.05～0.17 mg波動。由于土壤中的磷主要以有機無機體結合的方式存在于土壤團粒中，極易被土壤固定，并且片麻巖形成的土壤磷含量較低，所以溶解態(tài)磷含量極低[13]。花生20 d坡面顆粒態(tài)磷和有效磷流失量較其他生長時期異常增加，是因為土壤侵蝕首先是土壤細顆粒的流失，20 d植被覆蓋度較低，雨滴對土壤的打擊使細顆粒的侵蝕量較40，60 d坡面增多，同時細顆粒對養(yǎng)分的吸附作用較強，導致養(yǎng)分富集程度較高[14]。

泥沙中鉀含量的損失遠遠高于泥沙中氮磷含量的損失，且在降雨過程中含量變化較為平穩(wěn)，顆粒態(tài)鉀流失量依次為0 d>20 d>40 d>60 d。組成片麻巖的礦物中鉀含量很高，因此巖石風化形成的土壤中鉀含量也很高，降雨過程中由于徑流沖刷和侵蝕作用，泥沙所攜帶的鉀含量也很高[15]；同時片麻巖中的鉀主要以無機態(tài)吸附在土壤顆粒表面，不會因為徑流對不同坡面土壤黏粒的選擇性搬運而導致各時段含量有較大差異[16]。

2.4花生不同生長時期與養(yǎng)分流失量的關系

由表2可以看出，在80 mm/h的特大雨強下，花生不同生長時期氮磷鉀流失量不同，隨著生長天數(shù)的增加，各養(yǎng)分含量逐漸減少并趨于穩(wěn)定，鉀流失量最多，其次是氮、磷流失量最小。土壤自身理化性質(zhì)與養(yǎng)分流失密切相關，片麻巖特性即巖石風化土壤的鉀含量較其他土壤高，且氮容易被淋失和在徑流中損失，但磷容易被土壤所固定[17]，所以徑流損失中鉀最多，磷最少。隨著生長天數(shù)的增加，氮流失量也逐漸減少，與生長天數(shù)表現(xiàn)出明顯的負相關。氮自身活性較大，花生0 d坡面流失量最大為432.49 mg，是60 d坡面氮流失量的4倍；磷在土壤中移動性較差，與對照(0 d)相比，花生20 d坡面磷損失量有效減少了1.6%，40 d坡面磷損失量有效減少了44%，60 d坡面磷損失量有效減少了45%，花生不同生長時期磷流失量變化較小。由表4可知，顆粒態(tài)氮流失量所占比例為40%～62%，可知氮流失過程中溶解態(tài)氮和顆粒態(tài)氮共存；而磷鉀的顆粒形態(tài)所占含量一直在85%左右，因此流失的磷鉀主要以泥沙結合態(tài)為主，且花生不同生長時期的不同覆蓋情況變化與磷鉀養(yǎng)分流失形態(tài)相關性不大。

表2　花生不同時期坡面養(yǎng)分流失情況

2.5坡面養(yǎng)分流失模擬對比分析

研究表明產(chǎn)流產(chǎn)沙量與養(yǎng)分流失量之間有著密切的關系[18]。由表3可以看出，花生不同生長天數(shù)產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量之間存在著極顯著的正相關性[19]。隨著花生生長天數(shù)增加產(chǎn)流量減少，產(chǎn)沙量也隨之減少；氮流失量與產(chǎn)沙量方程擬合系數(shù)達到0.999 5，呈高度相關，隨著產(chǎn)沙量的減少，氮養(yǎng)分流失量也隨之降低；對磷鉀流失量與產(chǎn)沙量進行方程擬合，擬合系數(shù)達到了0.98以上，呈顯著相關。

表3　產(chǎn)流量、養(yǎng)分流失量(y)與產(chǎn)沙量(x)之間回歸方程

3　結 論

(1)隨著花生的生長，產(chǎn)流時間隨地表覆蓋度的增加而延長，表現(xiàn)為0 d<20 d<40 d<60 d。與對照(0 d)相比，花生60 d坡面產(chǎn)流時間增加了46%，產(chǎn)沙模數(shù)、徑流系數(shù)和土壤流失率分別減少了47%，42%，48%，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別減少了38%和47%，不同生長時期坡面的產(chǎn)沙模數(shù)、徑流系數(shù)和土壤流失率也不同，都隨著花生生長天數(shù)的增加而有不同程度減少，水土保持效果顯著。

(2)花生不同生長時期徑流中氮磷鉀養(yǎng)分流失都呈現(xiàn)出降雨初期波動較大，降雨后期濃度變化趨于穩(wěn)定。除對照(0 d)外，坡面溶解態(tài)氮濃度呈現(xiàn)出0 d>20 d>40 d>60 d；銨態(tài)氮濃度變化規(guī)律與溶解態(tài)氮相似，但花生不同時期硝態(tài)氮濃度依次為60 d>20 d>40 d，花生40 d坡面流失的硝態(tài)氮含量最??；因土壤團粒對正負電荷的吸附和排斥作用導致硝態(tài)氮的流失量總是高于銨態(tài)氮的流失量?；ㄉ煌L時期溶解態(tài)鉀流失量最大，溶解態(tài)磷流失量最小。氮素流失過程中顆粒態(tài)氮流失量所占比例為40%～62%，故溶解態(tài)氮和顆粒態(tài)氮共存，而磷鉀的顆粒形態(tài)所占含量一直在85%左右，因此流失的磷鉀主要是泥沙結合態(tài)。

(3)花生不同生長時期產(chǎn)流量、氮磷鉀養(yǎng)分流失量都與產(chǎn)沙量呈顯著正相關，這與趙宇等[20]在紫色土壤坡面養(yǎng)分流失規(guī)律研究中表明的侵蝕泥沙養(yǎng)分與產(chǎn)沙產(chǎn)流量可用二次函數(shù)表達是一致的。氮養(yǎng)分流失量與產(chǎn)沙量方程擬合系數(shù)達到0.999 5以上，呈高度相關；對磷鉀流失量與產(chǎn)沙量進行方程擬合，擬合系數(shù)均達到了0.98以上，呈顯著相關。

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Study on Soil and Nutrient Losses on Gneiss in Different Growth Periods of Peanut

MA Yue1,2,GUO Niandong1,ZHANG Ruifang2,3,4,ZHOU Damai2,3,4,WANG Hong2,3,4,ZHANG Aijun2,3,4

(1.College of Resources and Environment Science,Agricultural University of Hebei,Baoding,Hebei 071000, China; 2.Mountain Area Research Institute of Hebei Province,Baoding,Hebei 071001,China; 3.National Engineering Research Center for Agricultural in Northern Mountainous Areas,Baoding,Hebei 071000,China; 4.Agricultural Engineering Technology Research Center of Hebei Province Mountain,Baoding,Hebei 071000,China)

Indoor simulation rainfall experiment was conducted to evaluate the effects of peanut at different growth stages on the surface soil and nutrient losses in gneiss area.The results showed that the yields of runoff and sediment during different growth periods peanut were different,and the loss amounts decreased in the order: 0 d>20 d>40 d>60 d.Compared with the control (0 d),runoff slope with 60-day-peanut decreased by 38%,sediment production slope with 60-day-peanut decreased by 47%.The losses of nutrients during different growth stages decreased with the increase of the growth days,compared with the control (0 d),the losses of nitrogen,phosphorus,potassium in the 60 days decreased by 75%,45%,70%,respectively,the loss of nitrate during the rainfall was always higher than ammonium.The amounts of nutrient loss at the different growth stages represented the cumulative loss order: potassium>nitrogen>phosphorus.The equation fitting factor of total nutrient loss and sediment yield was more than 0.98,and there was a significant positive correlation; nutrient losses from gneiss area were mainly in the form of sediment combination state especially for phosphorus and potassium,nitrogen loss was mainly in the form of dissolved nitrogen or both dissolved nitrogen and sediment-associated nitrogen.

gneiss; soil and water loss; runoff; amount of nutrient loss; different growth stage

2016-03-14

2016-03-24

河北省自然科學基金項目“人工模擬降雨條件下的片麻巖山坡地土壤氮素流失研究”(C2015204155)

馬悅(1992—),女,吉林白城人,碩士研究生,研究方向為植物營養(yǎng)生態(tài)研究。E-mail:mayuehebau@163.com

張愛軍(1970—),女,河北承德人,碩士生導師,研究員,主要從事植物營養(yǎng)生態(tài)與山區(qū)數(shù)字化研究。E-mail:zhangaijun@hebau.edu.cn

S157.1; S565.2

A

1005-3409(2016)05-0304-06