坡地土壤侵蝕與養(yǎng)分富集作用研究

劉培靜，李苗苗，王帥兵

（西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

1 引言

徑流是坡面土壤泥沙流失的動(dòng)力和載體，沖刷過程是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程。在此過程中土壤顆粒隨徑流流失，而土壤養(yǎng)分氮、磷、有機(jī)質(zhì)多與土壤細(xì)顆粒結(jié)合，又導(dǎo)致養(yǎng)分的流失。比較流失泥沙與表土的養(yǎng)分含量，可知有機(jī)質(zhì)和氮、磷等養(yǎng)分在流失泥沙中含量均高于表土中的含量，主要由侵蝕泥沙顆粒富集造成，而坡面水蝕動(dòng)力學(xué)特征決定了侵蝕徑流優(yōu)先搬運(yùn)較細(xì)土粒，侵蝕是泥沙養(yǎng)分富集的動(dòng)力和條件。因此，防止水土流失對(duì)減少土壤養(yǎng)分流失至關(guān)重要。另外坡面降雨徑流攜帶的大量泥沙、營養(yǎng)物、有毒有害物質(zhì)進(jìn)入江河、湖庫，成為非點(diǎn)源污染的主要來源。大量研究表明［1－3］，坡耕地的水土流失所導(dǎo)致的土壤表層流失及表層土壤富含的氮磷鉀營養(yǎng)物質(zhì)流失是土壤質(zhì)量退化的主要原因。

2 研究現(xiàn)狀

坡地土壤侵蝕過程在土粒運(yùn)移、降低土地生產(chǎn)力、物理性淤積水庫渠道、抬高河床的同時(shí)，還伴隨著土壤養(yǎng)分的流失。流失過程實(shí)際上是表層土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過程，土壤養(yǎng)分流失的多少主要受相互作用的限制［4］。20世紀(jì)50年代以前，在把土壤侵蝕作為是無機(jī)土壤顆粒移動(dòng)的時(shí)候，很大程度上就忽略了養(yǎng)分問題［5］。50年代至70年代的養(yǎng)分流失調(diào)查顯示了養(yǎng)分流失的危害，養(yǎng)分的遷移造成了肥料投入增加和部分湖泊的嚴(yán)重污染，70年代初期養(yǎng)分流失問題才引起人們的廣泛重視。60年代末期模擬降雨裝置的研制成功和測(cè)試技術(shù)的改進(jìn)，成為土壤侵蝕定量化研究方便快捷的手段，然而在初始階段很少見其應(yīng)用于養(yǎng)分流失方面的研究，對(duì)于坡地養(yǎng)分流失的研究仍停留在小流域定量觀測(cè)試驗(yàn)方面［6～8］。坡面降雨徑流攜帶的大量泥沙、營養(yǎng)物、有毒有害物質(zhì)進(jìn)入江河、湖庫，成為非點(diǎn)源的主要來源，在80年代末期，坡地養(yǎng)分流失的加劇和非點(diǎn)源研究的深入，模擬降雨試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于坡地土壤養(yǎng)分流失的研究［9］，從而克服了野外徑流小區(qū)進(jìn)行定位觀測(cè)耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，縮短試驗(yàn)周期，加速了坡面侵蝕、養(yǎng)分流失規(guī)律研究的進(jìn)程。

坡耕地氮磷的流失具有隨機(jī)性、廣泛性、時(shí)空性、滯后性和復(fù)雜性［10］。由于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的隨機(jī)性、污染物排放及污染途徑的不確定性污染負(fù)荷的時(shí)空差異性大的特征，錯(cuò)綜復(fù)雜的內(nèi)容以及數(shù)量級(jí)變化的尺度范圍，加大了農(nóng)業(yè)面源污染控制的難度［11］。非點(diǎn)源污染在總體水污染中所占的比例不斷增加。我國地表水的非點(diǎn)源污染也占很大比重，湖泊的氮磷以上來自于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。近年來，我國內(nèi)陸水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象普遍，引發(fā)了大量的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)問題。對(duì)于內(nèi)陸水體，磷通常是初級(jí)生產(chǎn)力限制因子，有效地控制磷素進(jìn)入湖庫水體，是減緩水體富營養(yǎng)化進(jìn)程的關(guān)鍵因素之一。

徑流是坡面土壤泥沙流失的動(dòng)力和載體，沖刷過程是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程。在此過程中，徑流先選擇攜帶土壤細(xì)顆粒。使侵蝕泥沙中細(xì)顆粒特別是粘粒的含量明顯增加，而土壤養(yǎng)分氮、磷、有機(jī)質(zhì)多與土壤細(xì)顆粒結(jié)合，又導(dǎo)致泥沙養(yǎng)分的富集［4］。水土流失過程中，泥沙徑流的養(yǎng)分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于徑流中的含量。同一徑流小區(qū)的同次徑流流失和泥沙流失分析，泥沙養(yǎng)分含量是徑流養(yǎng)分濃度的若干倍。研究表明泥沙有機(jī)質(zhì)和全氮在泥沙中的富集現(xiàn)象主要由侵蝕泥沙顆粒富集造成，而坡面水蝕動(dòng)力學(xué)特征決定了侵蝕徑流優(yōu)先搬運(yùn)較細(xì)土粒，侵蝕是泥沙養(yǎng)分富集的動(dòng)力和條件。因此，防止水土流失對(duì)減少土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷等養(yǎng)分流失至關(guān)重要。

3 養(yǎng)分流失途徑分析

伴隨坡地降雨發(fā)生過程，土壤養(yǎng)分流失途徑主要表現(xiàn)為兩種形式，徑流泥沙攜帶和徑流水?dāng)y帶，前者養(yǎng)分多為可礦化的養(yǎng)分，而后者主要是可溶性養(yǎng)分［12］，由于地表狀況的不同使二者在養(yǎng)分流失當(dāng)中起著不同的主導(dǎo)作用。

在不同的土壤類型研究區(qū)，蔡崇法［15］，黃麗［16］在對(duì)三峽庫區(qū)紫色土坡地研究的基礎(chǔ)上，指出養(yǎng)分流失量以徑流泥沙為主，王洪杰［17］，傅濤［18］等在研究四川及三峽庫區(qū)紫色土?xí)r得出同樣結(jié)論。以上研究均是針對(duì)坡耕地或低覆蓋度的紫色土研究區(qū)所作的分析，對(duì)覆蓋度較大的紫色土區(qū)小流域徑流養(yǎng)分和泥沙含量的分析卻表明土壤養(yǎng)分流失的主要途徑是徑流的流失，而隨泥沙攜帶的潛在土壤養(yǎng)分，由于產(chǎn)沙量較少，其流失總量并不多［19］。部分學(xué)者在對(duì)紅壤進(jìn)行研究時(shí)同樣指出了坡面養(yǎng)分以泥沙結(jié)合態(tài)流失為主，磷、鉀的水溶態(tài)是養(yǎng)分流失的重要途徑［20］，氮、磷、鉀在流失泥沙中有明顯的養(yǎng)分富集現(xiàn)象［21］，紅壤旱地的淋溶是氮素?fù)p失的重要途徑［22］。

外界條件以及土壤本身的性質(zhì)會(huì)對(duì)坡地養(yǎng)分流失途徑有所影響，有研究表明，紅壤在雨強(qiáng)較大情況下，土壤養(yǎng)分以泥沙形式隨徑流遷移，當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)，隨徑流遷移的可溶態(tài)養(yǎng)分流失量占流失泥沙養(yǎng)分量的比例較高［21］。對(duì)黃土性土壤［23］、黃色石灰土［24］的研究均表明雨強(qiáng)與養(yǎng)分流失量呈正相關(guān)關(guān)系，泥沙中的養(yǎng)分濃度遠(yuǎn)高于徑流水中的養(yǎng)分濃度。劉文國［25］在進(jìn)行坡面養(yǎng)分滲透模擬研究時(shí)認(rèn)為硝態(tài)氮入滲快、數(shù)量多，速效鉀入滲慢、數(shù)量少，由于坡面不同位置的水分運(yùn)動(dòng)情況不同，坡頂?shù)狡履_水分入滲深度和入滲量都在增加，從而影響到養(yǎng)分的入滲情況。人為施肥作用會(huì)改變坡地土壤的養(yǎng)分含量和肥力作用，黃滿湘［26］研究暴雨徑流中農(nóng)田氮素養(yǎng)分流失及施肥處理的影響時(shí)表明，農(nóng)田暴雨徑流氮養(yǎng)分的流失量與累積徑流量成正相關(guān)，施用NH4HCO3顯著地增大了農(nóng)田徑流中溶解態(tài)氮濃度及流失量，侵蝕泥沙有富集氮養(yǎng)分的特點(diǎn)，其富集系數(shù)與侵蝕泥沙累積量存在對(duì)數(shù)線性關(guān)系。

從以上研究中可以得出，降雨所誘發(fā)的侵蝕過程是水土流失的主要原因。坡耕地在雨水的分散、沖刷下，表土極易流失，土壤侵蝕量較大，流失土壤的表面吸附的養(yǎng)分物質(zhì)成為了養(yǎng)分流失的主體，其中尤其細(xì)顆粒的吸附作用更為強(qiáng)烈，使泥沙中的養(yǎng)分流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于徑流水中的養(yǎng)分流失量。表層土壤養(yǎng)分的大量流失，使部分養(yǎng)分物質(zhì)，如有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀在流失泥沙中的含量高出了表土中的含量，產(chǎn)生了富集現(xiàn)象。在有有效植被保護(hù)覆蓋度較大的坡地，降雨過程中雨滴對(duì)土壤顆粒的分散、沖刷能力較弱，隨著土壤由濕潤到水分飽和，入滲量逐漸減小，表層徑流量增大，雨水對(duì)地表的沖刷能力增強(qiáng)，徑流水的養(yǎng)分濃度也相應(yīng)發(fā)生變化，就可能導(dǎo)致徑流水成為養(yǎng)分流失的主要途徑。但高植被覆蓋度的地表在流失土壤養(yǎng)分濃度高的情況下，泥沙攜帶的養(yǎng)分流失量也不容忽視［27］。

4 影響因素分析

降雨是土壤侵蝕的動(dòng)力，雨水是可溶性養(yǎng)分的溶劑，當(dāng)雨水匯集成徑流后，它又是攜帶其它形態(tài)養(yǎng)分的介質(zhì)［28］，所以降雨強(qiáng)度應(yīng)是坡地養(yǎng)分流失的主要影響因素之一，而地面坡度、降雨時(shí)間、土壤性質(zhì)、地表狀況、土地利用方式等直接影響到坡面徑流，所以也構(gòu)成了影響坡面養(yǎng)分流失的主要因素［29～33］。

4.1 降雨強(qiáng)度、坡度、降雨時(shí)間的影響

在對(duì)三峽庫區(qū)紫色土和黃色石灰土養(yǎng)分流失研究時(shí)得出徑流養(yǎng)分含量與雨強(qiáng)和坡度無關(guān)，與產(chǎn)流過程一致，雨強(qiáng)與養(yǎng)分流失量呈正相關(guān)，泥沙中養(yǎng)分含量與雨強(qiáng)無關(guān)，但隨坡度增加而降低［18～23］。康鈴鈴［23］，馬琨［21］等在研究黃土性土壤養(yǎng)分流失規(guī)律時(shí)同樣指出了養(yǎng)分流失量與雨強(qiáng)成正比，李光錄等［33］通過大量的調(diào)查和試驗(yàn)，在對(duì)養(yǎng)分流失機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出養(yǎng)分流失量隨坡度增大而增加，劉秉正［34］在對(duì)黃土高原南部養(yǎng)分流失研究時(shí)，得出養(yǎng)分流失總量隨地面坡度增加呈冪函數(shù)增加。

坡面降雨時(shí)間是降雨過程始末的標(biāo)志，通過降雨量直接影響到坡面徑流量與養(yǎng)分流失量的變化。在降雨初期，表層土壤干燥，水分入滲量較大，坡面徑流量小，隨著土壤水分的飽和與雨滴濺蝕作用堵塞部分土壤孔隙，使水分入滲量明顯減少，坡面徑流量加大，水土流失加劇，養(yǎng)分流失量也相應(yīng)增加。

4.2 土壤性質(zhì)、地表狀況、土地利用方式的影響

研究顯示［35］，土壤孔隙和水分狀況共同影響著土壤中養(yǎng)分的淋溶過程，紅壤坡地中氮鉀養(yǎng)分易于淋失，磷素由于強(qiáng)烈的固定作用淋失量很小。地表狀況對(duì)養(yǎng)分流失的影響，主要包括植被類型、覆蓋度等，在對(duì)丘陵區(qū)黃綿土土壤肥力進(jìn)行研究時(shí)就指出了植被和土地利用因素的重要性。植被主要是通過調(diào)節(jié)徑流來間接影響?zhàn)B分流失［31］。張興昌［36，37］利用模擬降雨對(duì)小流域氮素流失進(jìn)行研究時(shí)得出，植被覆蓋度增加時(shí)，有機(jī)質(zhì)、全氮流失量減少，而土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均增加，說明植被覆蓋在有效地減少土壤全氮流失的同時(shí)卻增加了礦質(zhì)氮的流失。

土地利用方式對(duì)養(yǎng)分的影響主要表現(xiàn)在土地種植結(jié)構(gòu)上，坡面作物種植在施肥處理下，部分元素養(yǎng)分流失會(huì)高于休閑裸坡處理［22］，三峽庫區(qū)5種代表性土地利用方式對(duì)養(yǎng)分流失年輸出總量影響［18］，結(jié)果顯示坡地農(nóng)田＞梯田農(nóng)田＞梯田果園＞坡地果園。農(nóng)林系統(tǒng)的比較中，農(nóng)作物區(qū)域由于養(yǎng)分投入較高，土壤養(yǎng)分水平明顯高于林區(qū)［20］，不同的造林方式［38］、林地開墾［39］以及農(nóng)作物種植對(duì)養(yǎng)分的吸收［35］都會(huì)對(duì)養(yǎng)分流失起到影響。

綜合以上可以看出，影響坡地土壤侵蝕的因素與養(yǎng)分流失存在著密切關(guān)系，有研究表明養(yǎng)分流失強(qiáng)度隨坡長呈指數(shù)增加［32］，雨強(qiáng)、坡度、降雨時(shí)間、地表狀況以及土地利用方式等共同作用于養(yǎng)分流失，在不同的制約條件下，各因素發(fā)揮的主導(dǎo)作用也各不相同［27］。

5 坡耕地氮磷流失與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治對(duì)策

在坡耕地上，推行各種水土保持耕作措施，能攔截地表徑流，減少土壤沖刷，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保土保水保肥。一般來說水土保持措施可以分為兩大類：一類是以改變地面微地形、增加地面粗糙度為主的耕作措施，如等高種植、溝壟種植、水平溝種植、橫坡種植，另一類是以增加地面覆蓋和改良土壤為主的耕作措施，如秸稈還田，少耕免耕、間套混復(fù)種和草田輪作等。美國環(huán)保局提出非點(diǎn)源污染的控制首先應(yīng)盡量將污染物控制在產(chǎn)生源區(qū)，以盡量提高控制效率和減少控制成本。

美國提出的“最佳管理措施（best management practices，BMPs）［40］”是目前防治或減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染最行之有效的措施之一，該措施實(shí)現(xiàn)了個(gè)人收益、社會(huì)收益、環(huán)境收益三者的均衡，因此得到了全世界廣泛運(yùn)用，在此之后美國又出臺(tái)了清潔水法案（CWA）、非點(diǎn)源污染實(shí)施計(jì)劃－CWA319條款、最大日負(fù)荷（TMDL）計(jì)劃、國家河口實(shí)施計(jì)劃等法案及措施進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的防控管理。同時(shí)英國、荷蘭、瑞典等歐洲國家也制定了相關(guān)政策及法規(guī)來有效控制和減少農(nóng)業(yè)氮、磷排放量。我國在這方面起步較晚，利用外國已有成型的技術(shù)和模式，也相應(yīng)進(jìn)行了一系列體系建設(shè)和技術(shù)研究。包括建立強(qiáng)有力的法規(guī)體系，結(jié)合監(jiān)測(cè)和普查完善農(nóng)業(yè)安全評(píng)估體系，推廣成熟的施肥體系和在重點(diǎn)農(nóng)業(yè)地區(qū)建立污染監(jiān)測(cè)站等控制由農(nóng)業(yè)氮磷流失而導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。

生態(tài)工程技術(shù)主要包括植被過濾帶、人工濕地、多水塘等，目前也是解決農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要措施。應(yīng)用濕地工程治理水域污染及其對(duì)去除機(jī)理方面進(jìn)行了大量深入的研究，要求水域的被污染面積應(yīng)與濕地面積有合適比例，這樣才可以有效去除水域內(nèi)的污染物，還可以應(yīng)用水塘來攔截雨水灌溉農(nóng)田也是減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染狀況的簡便可行措施。

結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥婪柿η闆r，調(diào)整施肥結(jié)構(gòu)和改進(jìn)施肥方式，重點(diǎn)應(yīng)用測(cè)土配方施肥體系，建立氮、磷、鉀平衡優(yōu)化施肥模式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田養(yǎng)分科學(xué)管理；應(yīng)用緩釋肥料及土壤酶抑制劑減少肥料氮的損失，提高化肥利用率；加強(qiáng)水層管理，實(shí)現(xiàn)控水灌溉。

伴隨坡地土壤侵蝕過程的發(fā)生，徑流成為養(yǎng)分流失的主要載體，泥沙與徑流水是養(yǎng)分流失的主要途徑。土壤養(yǎng)分與泥沙、徑流相互作用過程中，在自身地形條件、土壤性質(zhì)及外界因素的綜合作用下共同影響著養(yǎng)分的流失狀況。同時(shí)，養(yǎng)分的流失，導(dǎo)致部分營養(yǎng)物質(zhì)的富集和面源污染的產(chǎn)生，從控制養(yǎng)分流失途徑入手，在有效控制水土流失的基礎(chǔ)上減少養(yǎng)分流失，依據(jù)區(qū)域特點(diǎn)和坡地基本狀況采取合理有效的種植技術(shù)，是兼顧經(jīng)濟(jì)效益一舉三得的坡地土地利用方法。

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