不同水保措施對(duì)土壤可蝕性及速效養(yǎng)分的影響研究

金云杰

(遼寧省沈陽水文局，沈陽 110094)

0 引 言

棕壤是一類發(fā)育于濕潤(rùn)氣候區(qū)中生型落葉林下的土壤，其心土層呈鮮棕色，且以微酸性反應(yīng)特征為主，成土母質(zhì)多酸性母巖風(fēng)化物，多分布于中國(guó)遼東半島，山東半島及其東南不等地[1]。棕壤土具有生產(chǎn)性能高、土壤礦物質(zhì)含量高、風(fēng)化成土速率較快等特點(diǎn)[2]，分布地區(qū)年降水量600-900mm，平均氣溫8-12℃，干燥度0.1-1.1。然而，由于棕壤土母巖裸露，土層淺薄，有機(jī)質(zhì)含量低且保水保肥能力差，加之不合理的開發(fā)利用極易產(chǎn)生水土流失[3]。

一般地，土壤速效養(yǎng)分包括速效磷(AP)、速效鉀(AK)、速效氮(AN)、硝態(tài)氮(NO3-—N)和銨態(tài)氮(NH4+—N)等各類供給植物生長(zhǎng)吸收的營(yíng)養(yǎng)成分，速效養(yǎng)分能夠?yàn)樯鷳B(tài)修復(fù)和土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)提供指示作用[4]。土壤速效養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比能夠揭示生態(tài)系統(tǒng)的變異性、穩(wěn)定性，并反映土壤的有效性以及多元素循環(huán)平衡的特征[5-6]。近年來，有關(guān)研究多集中于土壤速效養(yǎng)分含量受農(nóng)作物種植、外物添加、速效養(yǎng)分時(shí)空變異等因素的影響[7]。土壤可蝕性是土壤侵蝕預(yù)報(bào)與定量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，也是反映土壤受外力搬運(yùn)、侵蝕的敏感性和土壤被沖蝕難易程度的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。土壤供給速效養(yǎng)分的差異和土壤養(yǎng)分的流失程度在很大程度上取決于土壤可蝕性的強(qiáng)弱，為有效降低土壤可蝕性、提升土壤的速效養(yǎng)分及減輕水土流失程度有必要實(shí)施水土保持措施。目前，針對(duì)土壤可蝕性的相關(guān)研究多側(cè)重于評(píng)價(jià)模型的適用性分析、可蝕性因子估算和土壤空間變異等領(lǐng)域[9-11]，而對(duì)土壤可蝕性特征、速效養(yǎng)分含量受水保措施的影響研究還鮮有報(bào)道，對(duì)土壤可蝕性特征與速效養(yǎng)分之間相互關(guān)系的研究更加少見。

丹東市寬甸縣地貌類型總體上屬于低山丘陵區(qū)，境內(nèi)山體連貫，形態(tài)各異，谷間寬闊、山勢(shì)低緩，溝壑發(fā)育，河谷兩側(cè)有小型平地，河流下切較弱，溝壑密度4.6km/km2，水土流失率達(dá)到18.52%。近年來，大面積的經(jīng)濟(jì)林開發(fā)與建設(shè)致使資源破壞嚴(yán)重，植被覆蓋度逐年降低，水土流失程度不斷加劇，土壤肥力及有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)下降，土地資源和生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。因此，文章以丹東市寬甸縣振江項(xiàng)目區(qū)棕壤土徑流小區(qū)為例，探討了5種水保措施下土壤可蝕性特征、速效養(yǎng)分以及兩者間的相互關(guān)系，通過對(duì)比棕壤土坡地的整治效果，以期為遼東地區(qū)水保方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，為小流域治理效果評(píng)價(jià)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 小流域概況

研究樣地位于丹東市寬甸縣東北部，地理坐標(biāo)為E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′之間，為丹東市典型的棕壤土流失區(qū)之一。該區(qū)域?qū)儆谶|東石質(zhì)山區(qū)，海拔高度100-600m之間，地帶性土壤為棕壤土，土層厚0.3-1.5m，植被溫暖帶、溫帶落葉闊葉林和針闊混交林。氣候?qū)倌蠝貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，平均降水量1140mm，多集中于6-8月，平均氣溫6.7℃/a，日照時(shí)數(shù)2473h，≥10°積溫3200℃，無霜期160d，太陽總輻射量5344kJ，平均風(fēng)速1.6m/s。

研究區(qū)內(nèi)原生植物有紅松、落葉松、伴生有榭樹、山槐、花曲梠、赤楊、蠟樹、椴樹等，灌木有荊條、胡枝子、映山紅等，草木植物有白頭翁、秸梗、天南星等。草本和木本植物種類繁多，共有10科、22屬、54種，中藥材50多種，具有龐大的生物基因庫(kù)，在涵養(yǎng)水源和保持水土等方面發(fā)揮著重要的作用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)寬甸縣以往實(shí)施的水保措施和遼東山地耕作模式，并結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展特色布設(shè)10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)。設(shè)置的對(duì)照組(DK)為地表裸露的無水保措施小區(qū)，試驗(yàn)組為白喜草+桃樹+梯田(D1)、山菊花+魚鱗坑+山邊溝(D2)、荊條+魚鱗坑+隔坡梯田(D3)、荊條+魚鱗坑(D4)、喬灌草+竹節(jié)溝(D5)五種水保措施下的小區(qū)。各徑流小區(qū)的坡向相同、坡度為20°、長(zhǎng)20m、寬5m，面積100m2，2018年3月布設(shè)相應(yīng)的水保措施。徑流小區(qū)水保措施的布設(shè)，見表1。

表1 徑流小區(qū)水保措施的布設(shè)

2020年11月對(duì)每個(gè)徑流小區(qū)采集土壤樣品，即沿等高線方向采集坡面上、中、下部的土樣，以相同的距離取每條等高線上3點(diǎn)處的土樣，在此基礎(chǔ)上將所取的等量土樣混合成1個(gè)土樣，由此以來可在徑流小區(qū)的上、中、下部各獲取1個(gè)混合土樣，采樣深度0-20cm且采樣點(diǎn)應(yīng)最大程度的避開樹木，用聚乙烯自封袋收集所取的土樣，為便于識(shí)別還要貼上標(biāo)簽。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)剔除土樣中的植物根系、礫石等雜物，取一部分土樣過2mm篩以備土壤粒徑組成、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的測(cè)定。自然風(fēng)干其余兩份土樣，其中一份研磨過10目篩以備速效鉀、速效磷的測(cè)定，另一份研磨過100目篩以備土壤有機(jī)碳的測(cè)定。

采用Master Sizer 2000激光粒度分析儀、Elementar Vario MAX碳元素分析儀直接測(cè)定有機(jī)碳含量和土壤粒徑組成；對(duì)土壤速效氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)、速效磷和速效鉀含量的測(cè)定，應(yīng)先用2mol/L的KCL、Mehlich 3法、1mol/L的NH4OAc浸提，再用Skalar san++連續(xù)流動(dòng)分析儀和FP640火焰光度計(jì)測(cè)定[12]。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤可蝕性K值

土壤可蝕性K值是準(zhǔn)確反映土壤可侵蝕狀況及其抗侵蝕性的重要參數(shù)，其中Shirzai公式、EPIC模型、RUSLE通用土壤流失方程等為國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的土壤可蝕性K值估算方法，因存在測(cè)定方便、可操作性強(qiáng)、物理意義明確等特點(diǎn)，對(duì)土壤可蝕性K值的估算EPIC模型具有較強(qiáng)的適用性與可靠性[13]。研究表明，對(duì)中國(guó)北方土石質(zhì)山區(qū)土壤抗侵蝕能力利用EPCI模型評(píng)價(jià)，能夠客觀準(zhǔn)確的反映土壤的真實(shí)情況[14-15]。因此，文章擬應(yīng)用EPIC模型評(píng)價(jià)棕壤土土壤可蝕性，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：KEPIC為土壤可蝕性K值，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Sa、Si、Cl為砂粒(0.05-2mm)、粉粒(0.002-0.05mm)、黏粒(<0.002mm)含量，%；C為有機(jī)質(zhì)含量，%；Sn為除砂粒外的其它顆粒含量，%，并且Sn=1-Sa/100。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

所用的數(shù)據(jù)處理軟件有SPSS22.0、Excel2013，對(duì)不同水保措施下棕壤土的可蝕性K值、粒徑組成、有機(jī)碳含量、AP/AK、AN/AK、AN/AP、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、速效氮(AN)、硝態(tài)氮(NO3-—N)和銨態(tài)氮(NH4+—N)利用單因素方差分析法進(jìn)行多重顯著性檢驗(yàn)，采用Pearson法分析AP/AK、AN/AK、AN/AP、AK、AP、、NO3-—N、NH4+—N與土壤可蝕性K值的相關(guān)性，最后用Origin8.0軟件制圖。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤速效養(yǎng)分特征

1)速效養(yǎng)分含量。土壤速效養(yǎng)分含量，見表2。從表2可以看出，D2水保措施下土壤銨態(tài)氮含量最高，其次為D3，銨態(tài)氮含量最低的為DK對(duì)照組；其中，銨態(tài)氮含量顯著高于DK(P<0.05)的有D2、D3、D4水保措施，D2、D3、D4為DK銨態(tài)氮含量的2.05倍、1.73倍、1.66倍，此外DK與D1、D5措施的銨態(tài)氮含量差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤硝態(tài)氮含量處于0.25-0.26mg/kg之間，并且達(dá)到極顯著差異水平(P<0.01)，與其它水保措施相比D2措施的土壤硝態(tài)氮含量明顯較高(P<0.05)，除D2外其它措施的硝態(tài)氮含量差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤速效磷含量處于5.76-52.47mg/kg間，并且達(dá)到極顯著差異水平(P<0.01)，其中D2的速效磷含量最高，DK的含量最低，D1、D2、D5的速效磷含量均顯著高于DK(P<0.05)，與DK相比高出11.06、50.87、20.65mg/kg，DK與D3、D4水保措施下的速效磷含量差異不顯著(P>0.05)。不同水保措施下土壤速效鉀含量處于80.60-210.86mg/kg之間，并且達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，其中D2的速效鉀含量最高，其次為D1，DK的含量最低，D1、D2、D3的速效鉀含量均顯著高于DK(P<0.05)，依次為DK速效鉀含量的4.30倍、5.49倍、4.17倍，DK與D4、D5水保措施下的速效鉀含量差異不顯著(P>0.05)。

表2 土壤速效養(yǎng)分含量

2)速效養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比。速效養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比，見表3。由表3可知，不同水保措施下土壤AN/AK值處于0.08-0.24之間，達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)；與DK相比5種水保措施下土壤的AN/AK均明顯較低(P<0.05)，與DK相比低于0.16、0.15、0.15、0.06、0.12，D1、D2、D3、D5水保措施下土壤的AN/AK均未達(dá)到顯著差異水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤AN/AP值處于0.33-3.15之間，達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)；與DK相比5種水保措施下土壤的AN/AP均明顯較低(P<0.05)，且D1、D2、D3、D5水保措施下土壤的AN/AP均未達(dá)到顯著差異水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤AP/AK值處于0.04-0.25之間，達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，其中AP/AK最大者為D2，其次為D5的0.21，AP/AK最小值為D3的0.04；與DK相比D2、D5水保措施下土壤的AP/AK值高出5.0倍、4.2倍，并且DK與D1、D3、D4之間均未達(dá)到顯著差異水平(P>0.05)。

表3 速效養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比

2.2 土壤可蝕性特征

按照從低到高的次序排列各徑流小區(qū)的土壤有機(jī)碳含量：DK

表4 土壤可蝕性K值、粒徑組成及有機(jī)碳含量

2.3 土壤可蝕性與速效養(yǎng)分的相關(guān)性

采用Pearson法分析不同水保措施下土壤可蝕性特征指標(biāo)、速效養(yǎng)分指標(biāo)、粒徑組成、有機(jī)碳含量與土壤可蝕性K值的相關(guān)性，粒徑組成、有機(jī)碳與土壤可蝕性K值的相關(guān)性，見表5；土壤可蝕性與速效養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)性，見表6。研究發(fā)現(xiàn)，土壤可蝕性K值與黏粒無顯著相關(guān)性，與粉粒呈極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，與砂粒、有機(jī)碳呈極顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.01)；砂粒與AP/AK、粉粒與AN/AK、砂粒與速效磷、黏粒與土壤銨態(tài)氮呈顯著的正相關(guān)性(P<0.05)，粉粒與AN/AP、黏粒與速效鉀、有機(jī)碳與速效磷、有機(jī)碳與土壤銨態(tài)氮呈極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)。K值和粉粒與AP/AK、黏粒和有機(jī)碳與AN/AK、有機(jī)碳和砂粒與AN/AP、K值與速效鉀、粉粒與速效磷呈顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，K值與速效磷呈極顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.01)，土壤可蝕性指標(biāo)與硝態(tài)氮之間未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。

續(xù)表4 土壤可蝕性K值、粒徑組成及有機(jī)碳含量

表5 粒徑組成、有機(jī)碳與土壤可蝕性K值的相關(guān)性

表6 土壤可蝕性與速效養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)性

3 結(jié) 論

1)在遼東棕壤土坡地上，不同水保措施下土壤的速效鉀、速效磷、銨態(tài)氮含量均大于裸露空白對(duì)照小區(qū)，并且AN/AK、AN/AP均低于空白對(duì)照小區(qū)，水土保持措施能夠較好的保持棕壤土速效養(yǎng)分，水保措施有利于增強(qiáng)速效養(yǎng)分之間的協(xié)調(diào)性及促進(jìn)土壤速效養(yǎng)分比例的平衡。

2)5種水保措施能夠明顯提高棕壤土的抗侵蝕能力和有機(jī)碳含量，其中降低棕壤土可蝕性效果最好、提高有機(jī)碳含量最高的為D2水保措施。因此，在遼東棕壤土坡地中山菊花+魚鱗坑+山邊溝的治理措施具有廣泛的應(yīng)用前景。

3)遼東棕壤土可蝕性特征與速效養(yǎng)分之間存在復(fù)雜的聯(lián)系，土壤可蝕性特征指標(biāo)與除硝態(tài)氮外的速效養(yǎng)分指標(biāo)具有一定關(guān)聯(lián)。隨著可蝕性K值的增大土壤的抗侵蝕能力逐漸減弱，土壤速效養(yǎng)分流失加劇且含量不斷減少。