石灰?guī)r坡面花生不同覆蓋度水土及養(yǎng)分流失規(guī)律

馬悅+郭年冬+張瑞芳+王紅+周大邁+張愛軍

摘要：通過室內(nèi)人工模擬降水的方法，研究花生不同覆蓋度石灰?guī)r坡面水土流失和養(yǎng)分流失特征。結(jié)果表明：隨著覆蓋度的增加，坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙量減少，養(yǎng)分流失量與產(chǎn)流產(chǎn)沙量成正比關(guān)系；與對照相比，20%覆蓋度徑流量、泥沙量分別減少22.22%、44.07%；覆蓋度增加到95%，徑流量、泥沙量分別減少61.11%、80.49%；與對照相比，95%覆蓋度坡面有效減少了86.25%氮損失量、91.38%磷損失量、89.57%鉀損失量；徑流泥沙中各養(yǎng)分含量隨著覆蓋度的增加而減少。通過對不同處理因素下坡面養(yǎng)分流失量變化進行方程擬合，結(jié)果表明：采用三項式方程模擬石灰?guī)r坡面土壤養(yǎng)分流失比較適宜，且20%覆蓋度的全效養(yǎng)分與泥沙量擬合系數(shù)均超過0.99，呈顯著相關(guān)。

關(guān)鍵詞：石灰?guī)r坡面；花生；水土流失；徑流；養(yǎng)分流失量；土壤覆蓋度

中圖分類號： S158.3 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0429-06

河北省內(nèi)太行山巖石裸露面積較大，在漫長的地殼構(gòu)造運動中造成巖層破損嚴(yán)重，在夏季暴雨季節(jié)，泥石流發(fā)生頻繁，屬泥石流發(fā)生高危區(qū)[1]。太行山區(qū)森林覆蓋率低，土壤干旱貧瘠，裸巖區(qū)比例高，山地較陡[2]，山區(qū)巖石類型以石灰?guī)r、花崗巖、片麻巖為主，其中石灰?guī)r占30.2%。多年來，由于自然因素及人類活動干擾，石灰?guī)r區(qū)坡地水土流失情況日益加重。蔡崇法等對紫色土坡地養(yǎng)分流失的研究中發(fā)現(xiàn)，在影響?zhàn)B分流失的植被覆蓋度、坡度、降水強度3個因子中，植被覆蓋度是影響土壤侵蝕及養(yǎng)分流失程度最大的因子，其次是降水強度，坡度的影響程度相對最小[3]。本試驗采用室內(nèi)人工模擬降水裝置，對降水條件下石灰?guī)r坡地不同覆蓋度水土、養(yǎng)分流失情況進行分析，以期為太行山區(qū)石灰?guī)r坡耕地水土流失治理、小流域面源污染的防控和山區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)[4]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土為河北省滿城縣石灰?guī)r山坡土壤，填土?xí)r不進行過篩操作，以原狀土放置進行自然密實。降水采用河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心的QYJY-503人工模擬降水裝置，該裝置降水高度為11 m，采用旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，降水強度變化范圍為10～200 mm/h，降水均勻度在90%以上。待測土壤全氮含量1.58 g/kg，全磷含量0.59 g/kg，全鉀含量50.62 g/kg，含水量7%～9%，土壤容重1.41 g/cm3。

作物品種為冀花4號，是由河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所選育的花生品種。試驗所用鋼槽規(guī)格為1.5 m×0.5 m×0.5 m，可調(diào)坡度在0°～30°之間，詳見圖1。為了防止各小區(qū)間發(fā)生土壤顆粒和養(yǎng)分交換，降水時在每個鋼槽兩側(cè)加上高出土面15 cm的木板；同時，為防止雨滴濺蝕造成的水、泥沙側(cè)面損失，在鋼槽尾端接連“V”形徑流收集槽[5]，用以收集徑流、泥沙。

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗共設(shè)4個處理：CK（不種植作物，植被覆蓋度為0）；植被覆蓋度為20%；植被覆蓋度為60%；植被覆蓋度為95%。播種后，隨著作物的生長，在其苗期、結(jié)莢期、莢果成熟期，根據(jù)其莖葉對地面的投影面積測算覆蓋度為0、20%、60%、95%時進行降水[6]。試驗共3次重復(fù)。

試驗方法中包括鋼槽設(shè)置、種植作物、土壤施肥、收集徑流等。試驗初始設(shè)置各個處理小區(qū)土壤養(yǎng)分情況基本一致，試驗鋼槽坡度設(shè)為10°，降水強度為80 mm/h。花生實行2粒穴播，同時設(shè)置裸地對照，各坡面均等養(yǎng)分施肥。5月20日進行花生播種，施肥量為N 68.18 kg/hm2，P2O5 45.45 kg/hm2， K2O 68.18 kg/hm2。在花生不同時期進行降水，降水開始后記錄每個坡面的產(chǎn)流時間，10 min換1次徑流收集桶，連續(xù)收集6次，降水徑流收集歷時60 min。降水結(jié)束后靜置徑流收集桶，并將徑流中的水樣與泥沙進行分離，測量各時間段內(nèi)的徑流總量，將泥沙風(fēng)干后測定其質(zhì)量，并分別測定水樣中各養(yǎng)分含量。

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)氮濃度和泥沙中顆粒態(tài)氮磷鉀、有效磷濃度。水樣中的總氮濃度采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法測定，水溶態(tài)鉀濃度采用火焰光度法測定。泥沙中的全氮濃度采用半微量凱氏法測定，全磷濃度采用NaOH熔融-銻抗比色法測定，全鉀濃度采用NaOH熔融-火焰光度法測定[7]。覆蓋度的計算公式：

覆蓋度=多個單位面積被測點投影面積的平均值×總植被面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生不同覆蓋度坡面土壤侵蝕特征

花生不同生長期的坡面呈現(xiàn)出不同的覆蓋度，從產(chǎn)流時間上分析可知，隨著覆蓋度的增加，產(chǎn)流時間逐漸增加；作物葉片攔截雨滴，降低雨滴動能，減弱雨滴對坡面土壤的擊濺作用，致使坡面產(chǎn)沙產(chǎn)流特征存在明顯差異[8]。隨著作物覆蓋度逐漸增加，降水對地表的侵蝕沖刷作用也逐漸減弱，從產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、產(chǎn)沙模數(shù)和產(chǎn)流率的差異上得以體現(xiàn)，并且與覆蓋度存在顯著負(fù)相關(guān)性。由表1可以看出，與對照相比，20%覆蓋度產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量分別減少22.22%、44.07%；95%覆蓋度產(chǎn)流量減少61.11%，產(chǎn)沙量減少80.49%。從水土保持的蓄水保沙效益分析可知，坡面覆蓋度的增加能有效減少坡面泥沙流失，在一定程度上削弱侵蝕強度。

由圖2可知，在花生不同覆蓋度下坡面產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率呈現(xiàn)出的規(guī)律差異較大。圖2-a坡面產(chǎn)流率在不同覆蓋度下的變化相似，在降水初期產(chǎn)流率升高，到降水40～50 min產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定；隨著覆蓋度的進一步增加，坡面產(chǎn)流率降低。覆蓋度的增加改變了雨滴從空中落下后的接觸面，雨滴先降落在葉面上，在葉面的緩沖作用下雨滴動能減弱，削弱了雨滴對表層土壤結(jié)構(gòu)的破壞，維持了土壤下滲速率，因此前期降水產(chǎn)流率較低[9]；隨著降水時間增加，土壤含水量逐漸達到飽和，開始產(chǎn)生地表徑流且產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定[10]。

由圖2-b可知，產(chǎn)沙率隨著坡面覆蓋度的增加而逐漸減小，對照坡面產(chǎn)沙率始終維持在8.79～9.99 g/min；20%覆蓋度與60%覆蓋度產(chǎn)沙率變化規(guī)律相似，即降水初產(chǎn)沙率開始降低，在50 min后產(chǎn)沙率趨于平穩(wěn)。由以上結(jié)果可知，覆蓋度的增加在降水后期明顯體現(xiàn)出對坡面產(chǎn)沙的防治效果。

2.2 花生不同覆蓋度坡面養(yǎng)分流失過程

2.2.1 徑流氮素流失特征分析 由圖3-a可見，不同覆蓋度下坡面徑流總氮流失的波動幅度不大，總體呈現(xiàn)下降趨勢；與對照相比，隨著覆蓋度的增加，坡面徑流總氮含量逐漸降低；20%覆蓋度下總氮含量下降最快，60%覆蓋度徑流總氮含量在7.18～7.71 mg/L間平穩(wěn)波動，95%覆蓋度坡面徑流總氮含量呈現(xiàn)出小幅度先升后降的趨勢，在40 min達到最大值6.91 mg/L，至降水結(jié)束下降到5.10 mg/L。坡面硝態(tài)氮濃度隨著覆蓋度的增加而降低，各覆蓋度下濃度變化各有差異，但總體趨勢保持一致；對照坡面與20%覆蓋度坡面初始徑流中硝態(tài)氮含量很高，隨著降水進行，硝態(tài)氮含量逐漸趨于穩(wěn)定；60%、95%覆蓋度坡面徑流中硝態(tài)氮含量變化相似，且濃度范圍相差不大，差值分別為0.43、0.30 mg/L（圖3-b）。如圖3-c所示，對照坡面在降水過程中銨態(tài)氮含量整體上表現(xiàn)出連續(xù)性下降趨勢；而在3種不同覆蓋度下，銨態(tài)氮含量都表現(xiàn)出較平穩(wěn)的波動，與徑流全氮、硝態(tài)氮含量不同的是銨態(tài)氮含量未表現(xiàn)出隨著覆蓋度的增加而減少的規(guī)律；在95%覆蓋度下，徑流中銨態(tài)氮含量變化規(guī)律與20%覆蓋度相似，60%覆蓋度下徑流中銨態(tài)氮含量最低。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是由于作物95%覆蓋度可以減緩?fù)寥浪终舭l(fā)，使得含水量高于其他覆蓋度坡面，造成土壤中氧氣含量較低，反硝化作用增強，分子態(tài)氮濃度升高[11]。

2.2.2 徑流磷流失特征分析 由圖4可見，在不同覆蓋度下，水樣中總磷濃度變化與顆粒態(tài)磷負(fù)荷量變化規(guī)律相似。從對照坡面磷濃度變化規(guī)律來看，圖4-a中前期磷濃度較高，隨著降水的進行，濃度開始下降，直至趨于平穩(wěn)，20%、60%覆蓋度坡面呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律。在最高覆蓋度下，坡面磷濃度大致呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，變化不大，主要是因為作物生長后期土壤表層磷濃度的下降以及覆蓋度的增加減弱了雨滴對土壤顆粒的作用，隨徑流流失的可溶態(tài)磷隨之減少。

2.2.3 徑流鉀流失特征分析 通過對不同覆蓋度坡面徑流總鉀含量變化的分析發(fā)現(xiàn)，各坡面鉀含量從降水初期到降水結(jié)束一直處于下降趨勢（圖5-a）。20%、60%覆蓋度坡面鉀濃度及變化規(guī)律相似，其波動范圍分別為3.20～5.13、3.01～4.40 mg/L；20%覆蓋度坡面初始徑流鉀含量與對照坡面降水結(jié)束時鉀濃度相近，第1次降水使得坡面土壤可溶態(tài)鉀大量流失，到第2次降水時土壤中可溶態(tài)鉀含量基本穩(wěn)定。在覆蓋度為95%的坡面，徑流鉀含量基本呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢，覆蓋度的增加使得雨滴對土壤擾動能力減弱，加上土壤表層存留的可溶態(tài)鉀含量降低[12]，導(dǎo)致徑流中鉀濃度保持在一個平穩(wěn)狀態(tài)。圖5-b中徑流鉀負(fù)荷量與含量變化相似，二者呈明顯正相關(guān)。

2.3 花生不同覆蓋度坡面泥沙養(yǎng)分流失特征

2.3.1 泥沙氮素流失特征分析 由圖6-a可見，各坡面泥沙中氮含量呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律；對照坡面與20%覆蓋度坡面氮含量變化規(guī)律相似，與對照坡面相比，20%覆蓋度在一定程度上對坡面土壤顆粒起到攔截作用；隨著覆蓋度達到60%，坡面泥沙氮濃度始終呈現(xiàn)下降趨勢，與20%覆蓋度最低濃度0.90 g/kg相比，60%覆蓋度最低濃度降至0.51 g/kg；95%覆蓋度坡面泥沙氮濃度維持在0.39～0.48 g/kg之間，波動幅度不大。較高覆蓋度降低了表層土壤結(jié)構(gòu)被雨滴的損壞程度，同時增強了坡面蓄水能力，提高了土壤入滲率。由圖6-b可見，對照坡面硝態(tài)氮濃度在30 min有1個較大的波動，這是因為隨著降水對土壤顆粒長時間作用，表層土壤大量細(xì)小顆粒遭到破壞，隨著泥沙量增加，泥沙中硝態(tài)氮含量也隨之增加[13]；20%覆蓋度坡面硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為先下降后上升趨勢，雖然其濃度略低于對照，但表明20%的覆蓋度在一定程度上制約了坡面的水土流失程度；60%、95%覆蓋度坡面與對照相比，硝態(tài)氮含量大幅度下降，表明較高覆蓋度能有效減緩養(yǎng)分流失。對照坡面銨態(tài)氮含量在30 min 時達到最高值197.73 mg/kg，是95%覆蓋度坡面銨態(tài)氮最高含量69.65 mg/kg 的2.8倍，同樣表明覆蓋度的增加大幅減少了養(yǎng)分的流失（圖6-c）。

2.3.2 泥沙磷、鉀流失特征分析 由圖7-a可見，隨著降水的進行，各坡面泥沙中磷含量整體呈現(xiàn)下降趨勢；20%覆蓋度坡面磷濃度在30 min達到最大值0.76 g/kg，與對照坡面降水結(jié)束出現(xiàn)的最低濃度0.80 g/kg相比相差0.04 g/kg，表明20%覆蓋度沒有使坡面泥沙磷含量有較快的下降，但在一定程度上穩(wěn)定了坡面土壤中的磷含量；60%、95%覆蓋度下磷濃度變化趨勢相似，表明坡面在達到60%覆蓋度之后，繼續(xù)增大覆蓋度，對坡面泥沙磷濃度影響不大。磷負(fù)荷量變化規(guī)律與濃度相似，95%覆蓋度坡面前期泥沙量要遠(yuǎn)低于60%覆蓋度坡面，更高的覆蓋度可以更好地保護泥沙，免于流失（圖7-b）。如圖7-c所示，各覆蓋度坡面泥沙鉀濃度呈現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢，雖然鉀濃度會隨著覆蓋度的增加而有所下降，但降水各時段濃度波動幅度不大，尤其是60%、95%覆蓋度坡面表現(xiàn)出與全磷含量相似的變化規(guī)律。通過對鉀負(fù)荷量的分析發(fā)現(xiàn)，降水前期坡面泥沙量較高，但隨著坡面覆蓋度的增加，后期降水對坡面泥沙量的影響越來越小（圖7-d）。

2.4 花生不同覆蓋度與坡面養(yǎng)分流失量的關(guān)系

由表2可見，隨著坡面覆蓋度的增加，坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙量隨之減少，養(yǎng)分流失量與產(chǎn)沙產(chǎn)流量成正比。與對照相比，20%覆蓋度泥沙量減少44.07%，覆蓋度增加到95%時，泥沙量減少80.49%；20%覆蓋度徑流量減少了22.22%，95%覆蓋度徑流量減少了61.11%。從作物蓄水保沙效益分析來看，覆蓋度的增加對坡面泥沙流失的作用更為明顯。在降水過程中，各坡面全效養(yǎng)分流失量表現(xiàn)為：鉀流失量>氮流失量>磷流失量。與對照相比，坡面氮、磷、鉀養(yǎng)分總流失量隨著覆蓋度的增加而降低，95%覆蓋度分別使氮、磷、鉀損失量有效減少86.25%、91.38%、89.57%。從覆蓋度保肥效益來看，覆蓋度的增加對坡面磷素的保肥效益最顯著，其次為鉀素、氮素。土壤中鉀的基數(shù)較高，主要以無機態(tài)吸附在土壤顆粒表面，不會因為徑流對土壤黏粒的選擇性搬運而導(dǎo)致各時段中的含量有較大差異，因此各個時段中的全鉀含量都比較穩(wěn)定，且含量均較高[14]。氮自身活性較大，在土壤中易隨水移動，損失量大[15]。磷在土壤中的吸附能力很強，主要以無機態(tài)為主，易被土壤固持，不易在土壤中移動，且含量較低。針對氮磷鉀本身特性，在施肥時應(yīng)遵守施氮保磷控鉀的原則[16]。

在降水過程中，60%覆蓋度坡面銨態(tài)氮占總氮比例最低，為12.17%；95%覆蓋度銨態(tài)氮占總氮比例最高，為22.03%。在達到最高覆蓋度之前，銨態(tài)氮流失量占總氮比例隨覆蓋度增加而降低，達到最高覆蓋度時比例升高。95%覆蓋度坡面硝態(tài)氮流失量占總氮比例最高，為40.11%；對照坡面硝態(tài)氮流失量占總氮比例最低，為24.63%。隨著覆蓋度的增加，坡面硝態(tài)氮流失量占總氮比例隨之增大，這與硝態(tài)氮在土壤中的存在形態(tài)有關(guān)。通過對顆粒態(tài)養(yǎng)分分析可知，各坡面顆粒態(tài)氮占總氮比例變化范圍為25.99%～53.15%，坡面氮素流失以顆粒態(tài)養(yǎng)分、溶解態(tài)養(yǎng)分共存形式存在，而且隨著覆蓋度的增加，顆粒態(tài)氮含量會隨之下降。顆粒態(tài)磷流失量占總磷比例變化范圍為65.29%～78.46%，坡面磷流失主要以顆粒態(tài)為主，而覆蓋度的增加與顆粒態(tài)磷所占比例沒有相關(guān)性。顆粒態(tài)鉀流失量占總鉀比例變化范圍在96.84%～98.29%之間，無論坡面覆蓋度達到多少，坡面鉀流失主要以顆粒態(tài)為主，且占總鉀比例均在90%以上。

2.5 坡面養(yǎng)分流失模型模擬對比分析

坡面不同覆蓋度下降水養(yǎng)分流失量變化與泥沙量擬合方程見表3，花生不同覆蓋度坡面養(yǎng)分流失適合采用一元三次方程擬合。60%覆蓋度氮流失的擬合方程系數(shù)、95%覆蓋度磷流失的系數(shù)為負(fù)數(shù)，表明方程曲線為先下降后上升的趨勢；系數(shù)為正的方程曲線為先上升后下降，后期再上升的趨勢。擬合結(jié)果顯示：在20%覆蓋度下，氮磷鉀流失擬合呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.99以上；在60%覆蓋度下，氮磷鉀流失擬合方程效果顯著，相關(guān)系數(shù)均達到0.87以上。在95%覆蓋度下，氮素流失方程擬合系數(shù)達到了0.90以上；磷、鉀流失量方程擬合效果與20%～60%覆蓋度下的坡面相比，其相關(guān)性減弱，擬合系數(shù)在0.7以上。整體而言，在花生的整個生長期內(nèi)，采用一元三次方程擬合坡面養(yǎng)分流失是非?？尚械?。

3 討論

在對花生不同覆蓋度坡面水土流失的研究中，試驗數(shù)據(jù)顯示：隨著覆蓋度的增加，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量及各全效養(yǎng)分流失量會隨之減少；李松在對植被與土壤侵蝕關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度與產(chǎn)流產(chǎn)沙量之間呈顯著相關(guān)，當(dāng)覆蓋度增到90%時，土壤侵蝕量基本達到穩(wěn)定狀態(tài)且侵蝕量最少[9]。隨著覆蓋度的增加，坡面顆粒態(tài)氮流失量占氮流失總量比例會越來越??；而對于顆粒態(tài)磷、鉀占養(yǎng)分總流失量比例影響不大。袁東海等在紅壤小流域恢復(fù)保護性植被試驗區(qū)采用水土保持的綜合農(nóng)林措施，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與裸露的試驗區(qū)相比，其水土流失量及氮磷流失量最小[17]。各坡面全效養(yǎng)分流失量表現(xiàn)為：鉀流失量>氮流失量>磷流失量。陳光榮等通過在隴中黃土高原半干旱區(qū)的坡耕地上建立天然降水徑流小區(qū)，對糧、草、豆隔帶種植保護性耕作防治水土流失效應(yīng)進行定位研究，結(jié)果表明：免耕秸稈覆蓋可顯著減少徑流量和侵蝕量，且徑流量、侵蝕量與降水量的回歸關(guān)系十分顯著[18]。地表覆蓋使土壤免受雨滴的直接打擊，增加了土壤抗蝕能力和降水入滲，減小了地表徑流、水流流速和水流挾沙率。王曉燕等研究均表明，秸稈覆蓋率越高，坡面形成徑流的速度越慢，雨水下滲能力越高[19]。

Wischmeier等將植被覆蓋作為土壤侵蝕的1個影響因子引入土壤流失估算方程，提出了通用流失方程（USLE）[20]。增大植被覆蓋面積，促進植被生長期，充分發(fā)揮植被對坡面的保護系數(shù)，充分利用植被對降水、徑流的緩沖、攔蓄作用是治理水土流失的重要措施[21]。坡面植被覆蓋是坡面養(yǎng)分流失的重要影響因素，通過研究不同作物種植類型，對比不同覆蓋度下坡面養(yǎng)分流失規(guī)律，對于制定石灰?guī)r區(qū)土壤耕作種植制度、減輕坡面養(yǎng)分流失有著重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

與裸地相比，花生植被覆蓋能夠減小地表徑流及泥沙流失量，隨著植被覆蓋度的增加，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少；最高覆蓋度（95%）與對照相比較，產(chǎn)流量減少了61.11%，產(chǎn)沙量減少了80.49%。坡面徑流泥沙中各養(yǎng)分濃度與覆蓋度呈負(fù)相關(guān)性，與對照相比，最高覆蓋度（95%）分別有效減少了86.25%、91.38%、89.57%氮、磷、鉀各養(yǎng)分損失量；植被覆蓋增加了坡面粗糙度，使得匯流速度減慢，增加了徑流在坡面入滲和作物吸收量，養(yǎng)分元素性質(zhì)的不同和植被的覆蓋度都影響其在土壤、徑流中的遷移。

本研究中不同養(yǎng)分流失形態(tài)各不相同。坡面氮素流失主要以溶解態(tài)氮為主，顆粒態(tài)氮較少；磷素流失為顆粒態(tài)和溶解態(tài)共存；坡面鉀素流失以顆粒態(tài)為主，且占90%以上，溶解態(tài)鉀流失量非常少。在不同覆蓋度下，顆粒態(tài)養(yǎng)分流失量所占比例與覆蓋度呈負(fù)相關(guān)，覆蓋度越大，顆粒態(tài)養(yǎng)分流失量越少。采用一元三次擬合坡面養(yǎng)分流失方程，在20%覆蓋度下，氮磷鉀流失擬合呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.99以上。

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