坡地土壤侵蚀与养分富集作用研究
2011-08-15刘培静李苗苗王帅兵
刘培静,李苗苗,王帅兵
(西南林业大学 环境科学与工程学院,云南 昆明 650224)
1 引言
径流是坡面土壤泥沙流失的动力和载体,冲刷过程是径流与坡面土壤颗粒相互作用的过程。在此过程中土壤颗粒随径流流失,而土壤养分氮、磷、有机质多与土壤细颗粒结合,又导致养分的流失。比较流失泥沙与表土的养分含量,可知有机质和氮、磷等养分在流失泥沙中含量均高于表土中的含量,主要由侵蚀泥沙颗粒富集造成,而坡面水蚀动力学特征决定了侵蚀径流优先搬运较细土粒,侵蚀是泥沙养分富集的动力和条件。因此,防止水土流失对减少土壤养分流失至关重要。另外坡面降雨径流携带的大量泥沙、营养物、有毒有害物质进入江河、湖库,成为非点源污染的主要来源。大量研究表明[1-3],坡耕地的水土流失所导致的土壤表层流失及表层土壤富含的氮磷钾营养物质流失是土壤质量退化的主要原因。
2 研究现状
坡地土壤侵蚀过程在土粒运移、降低土地生产力、物理性淤积水库渠道、抬高河床的同时,还伴随着土壤养分的流失。流失过程实际上是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程,土壤养分流失的多少主要受相互作用的限制[4]。20世纪50年代以前,在把土壤侵蚀作为是无机土壤颗粒移动的时候,很大程度上就忽略了养分问题[5]。50年代至70年代的养分流失调查显示了养分流失的危害,养分的迁移造成了肥料投入增加和部分湖泊的严重污染,70年代初期养分流失问题才引起人们的广泛重视。60年代末期模拟降雨装置的研制成功和测试技术的改进,成为土壤侵蚀定量化研究方便快捷的手段,然而在初始阶段很少见其应用于养分流失方面的研究,对于坡地养分流失的研究仍停留在小流域定量观测试验方面[6~8]。坡面降雨径流携带的大量泥沙、营养物、有毒有害物质进入江河、湖库,成为非点源的主要来源,在80年代末期,坡地养分流失的加剧和非点源研究的深入,模拟降雨试验被广泛应用于坡地土壤养分流失的研究[9],从而克服了野外径流小区进行定位观测耗时费力的缺点,缩短试验周期,加速了坡面侵蚀、养分流失规律研究的进程。
坡耕地氮磷的流失具有随机性、广泛性、时空性、滞后性和复杂性[10]。由于农业非点源污染的随机性、污染物排放及污染途径的不确定性污染负荷的时空差异性大的特征,错综复杂的内容以及数量级变化的尺度范围,加大了农业面源污染控制的难度[11]。非点源污染在总体水污染中所占的比例不断增加。我国地表水的非点源污染也占很大比重,湖泊的氮磷以上来自于农业非点源污染。近年来,我国内陆水体的富营养化现象普遍,引发了大量的环境、经济及社会问题。对于内陆水体,磷通常是初级生产力限制因子,有效地控制磷素进入湖库水体,是减缓水体富营养化进程的关键因素之一。
径流是坡面土壤泥沙流失的动力和载体,冲刷过程是径流与坡面土壤颗粒相互作用的过程。在此过程中,径流先选择携带土壤细颗粒。使侵蚀泥沙中细颗粒特别是粘粒的含量明显增加,而土壤养分氮、磷、有机质多与土壤细颗粒结合,又导致泥沙养分的富集[4]。水土流失过程中,泥沙径流的养分含量远远高于径流中的含量。同一径流小区的同次径流流失和泥沙流失分析,泥沙养分含量是径流养分浓度的若干倍。研究表明泥沙有机质和全氮在泥沙中的富集现象主要由侵蚀泥沙颗粒富集造成,而坡面水蚀动力学特征决定了侵蚀径流优先搬运较细土粒,侵蚀是泥沙养分富集的动力和条件。因此,防止水土流失对减少土壤有机质和氮磷等养分流失至关重要。
3 养分流失途径分析
伴随坡地降雨发生过程,土壤养分流失途径主要表现为两种形式,径流泥沙携带和径流水携带,前者养分多为可矿化的养分,而后者主要是可溶性养分[12],由于地表状况的不同使二者在养分流失当中起着不同的主导作用。
在不同的土壤类型研究区,蔡崇法[15],黄丽[16]在对三峡库区紫色土坡地研究的基础上,指出养分流失量以径流泥沙为主,王洪杰[17],傅涛[18]等在研究四川及三峡库区紫色土时得出同样结论。以上研究均是针对坡耕地或低覆盖度的紫色土研究区所作的分析,对覆盖度较大的紫色土区小流域径流养分和泥沙含量的分析却表明土壤养分流失的主要途径是径流的流失,而随泥沙携带的潜在土壤养分,由于产沙量较少,其流失总量并不多[19]。部分学者在对红壤进行研究时同样指出了坡面养分以泥沙结合态流失为主,磷、钾的水溶态是养分流失的重要途径[20],氮、磷、钾在流失泥沙中有明显的养分富集现象[21],红壤旱地的淋溶是氮素损失的重要途径[22]。
外界条件以及土壤本身的性质会对坡地养分流失途径有所影响,有研究表明,红壤在雨强较大情况下,土壤养分以泥沙形式随径流迁移,当雨强较小时,随径流迁移的可溶态养分流失量占流失泥沙养分量的比例较高[21]。对黄土性土壤[23]、黄色石灰土[24]的研究均表明雨强与养分流失量呈正相关关系,泥沙中的养分浓度远高于径流水中的养分浓度。刘文国[25]在进行坡面养分渗透模拟研究时认为硝态氮入渗快、数量多,速效钾入渗慢、数量少,由于坡面不同位置的水分运动情况不同,坡顶到坡脚水分入渗深度和入渗量都在增加,从而影响到养分的入渗情况。人为施肥作用会改变坡地土壤的养分含量和肥力作用,黄满湘[26]研究暴雨径流中农田氮素养分流失及施肥处理的影响时表明,农田暴雨径流氮养分的流失量与累积径流量成正相关,施用NH4HCO3显著地增大了农田径流中溶解态氮浓度及流失量,侵蚀泥沙有富集氮养分的特点,其富集系数与侵蚀泥沙累积量存在对数线性关系。
从以上研究中可以得出,降雨所诱发的侵蚀过程是水土流失的主要原因。坡耕地在雨水的分散、冲刷下,表土极易流失,土壤侵蚀量较大,流失土壤的表面吸附的养分物质成为了养分流失的主体,其中尤其细颗粒的吸附作用更为强烈,使泥沙中的养分流失量远远高于径流水中的养分流失量。表层土壤养分的大量流失,使部分养分物质,如有机质、氮、磷、钾在流失泥沙中的含量高出了表土中的含量,产生了富集现象。在有有效植被保护覆盖度较大的坡地,降雨过程中雨滴对土壤颗粒的分散、冲刷能力较弱,随着土壤由湿润到水分饱和,入渗量逐渐减小,表层径流量增大,雨水对地表的冲刷能力增强,径流水的养分浓度也相应发生变化,就可能导致径流水成为养分流失的主要途径。但高植被覆盖度的地表在流失土壤养分浓度高的情况下,泥沙携带的养分流失量也不容忽视[27]。
4 影响因素分析
降雨是土壤侵蚀的动力,雨水是可溶性养分的溶剂,当雨水汇集成径流后,它又是携带其它形态养分的介质[28],所以降雨强度应是坡地养分流失的主要影响因素之一,而地面坡度、降雨时间、土壤性质、地表状况、土地利用方式等直接影响到坡面径流,所以也构成了影响坡面养分流失的主要因素[29~33]。
4.1 降雨强度、坡度、降雨时间的影响
在对三峡库区紫色土和黄色石灰土养分流失研究时得出径流养分含量与雨强和坡度无关,与产流过程一致,雨强与养分流失量呈正相关,泥沙中养分含量与雨强无关,但随坡度增加而降低[18~23]。康铃铃[23],马琨[21]等在研究黄土性土壤养分流失规律时同样指出了养分流失量与雨强成正比,李光录等[33]通过大量的调查和试验,在对养分流失机理进行分析的基础上,总结出养分流失量随坡度增大而增加,刘秉正[34]在对黄土高原南部养分流失研究时,得出养分流失总量随地面坡度增加呈幂函数增加。
坡面降雨时间是降雨过程始末的标志,通过降雨量直接影响到坡面径流量与养分流失量的变化。在降雨初期,表层土壤干燥,水分入渗量较大,坡面径流量小,随着土壤水分的饱和与雨滴溅蚀作用堵塞部分土壤孔隙,使水分入渗量明显减少,坡面径流量加大,水土流失加剧,养分流失量也相应增加。
4.2 土壤性质、地表状况、土地利用方式的影响
研究显示[35],土壤孔隙和水分状况共同影响着土壤中养分的淋溶过程,红壤坡地中氮钾养分易于淋失,磷素由于强烈的固定作用淋失量很小。地表状况对养分流失的影响,主要包括植被类型、覆盖度等,在对丘陵区黄绵土土壤肥力进行研究时就指出了植被和土地利用因素的重要性。植被主要是通过调节径流来间接影响养分流失[31]。张兴昌[36,37]利用模拟降雨对小流域氮素流失进行研究时得出,植被覆盖度增加时,有机质、全氮流失量减少,而土壤铵态氮和硝态氮均增加,说明植被覆盖在有效地减少土壤全氮流失的同时却增加了矿质氮的流失。
土地利用方式对养分的影响主要表现在土地种植结构上,坡面作物种植在施肥处理下,部分元素养分流失会高于休闲裸坡处理[22],三峡库区5种代表性土地利用方式对养分流失年输出总量影响[18],结果显示坡地农田>梯田农田>梯田果园>坡地果园。农林系统的比较中,农作物区域由于养分投入较高,土壤养分水平明显高于林区[20],不同的造林方式[38]、林地开垦[39]以及农作物种植对养分的吸收[35]都会对养分流失起到影响。
综合以上可以看出,影响坡地土壤侵蚀的因素与养分流失存在着密切关系,有研究表明养分流失强度随坡长呈指数增加[32],雨强、坡度、降雨时间、地表状况以及土地利用方式等共同作用于养分流失,在不同的制约条件下,各因素发挥的主导作用也各不相同[27]。
5 坡耕地氮磷流失与农业非点源污染防治对策
在坡耕地上,推行各种水土保持耕作措施,能拦截地表径流,减少土壤冲刷,为农业生产保土保水保肥。一般来说水土保持措施可以分为两大类:一类是以改变地面微地形、增加地面粗糙度为主的耕作措施,如等高种植、沟垄种植、水平沟种植、横坡种植,另一类是以增加地面覆盖和改良土壤为主的耕作措施,如秸秆还田,少耕免耕、间套混复种和草田轮作等。美国环保局提出非点源污染的控制首先应尽量将污染物控制在产生源区,以尽量提高控制效率和减少控制成本。
美国提出的“最佳管理措施(best management practices,BMPs)[40]”是目前防治或减少农业非点源污染最行之有效的措施之一,该措施实现了个人收益、社会收益、环境收益三者的均衡,因此得到了全世界广泛运用,在此之后美国又出台了清洁水法案(CWA)、非点源污染实施计划-CWA319条款、最大日负荷(TMDL)计划、国家河口实施计划等法案及措施进行农业非点源污染的防控管理。同时英国、荷兰、瑞典等欧洲国家也制定了相关政策及法规来有效控制和减少农业氮、磷排放量。我国在这方面起步较晚,利用外国已有成型的技术和模式,也相应进行了一系列体系建设和技术研究。包括建立强有力的法规体系,结合监测和普查完善农业安全评估体系,推广成熟的施肥体系和在重点农业地区建立污染监测站等控制由农业氮磷流失而导致的农业非点源污染。
生态工程技术主要包括植被过滤带、人工湿地、多水塘等,目前也是解决农业非点源污染的重要措施。应用湿地工程治理水域污染及其对去除机理方面进行了大量深入的研究,要求水域的被污染面积应与湿地面积有合适比例,这样才可以有效去除水域内的污染物,还可以应用水塘来拦截雨水灌溉农田也是减少农业非点源污染状况的简便可行措施。
结合当地土壤肥力情况,调整施肥结构和改进施肥方式,重点应用测土配方施肥体系,建立氮、磷、钾平衡优化施肥模式,实现农田养分科学管理;应用缓释肥料及土壤酶抑制剂减少肥料氮的损失,提高化肥利用率;加强水层管理,实现控水灌溉。
伴随坡地土壤侵蚀过程的发生,径流成为养分流失的主要载体,泥沙与径流水是养分流失的主要途径。土壤养分与泥沙、径流相互作用过程中,在自身地形条件、土壤性质及外界因素的综合作用下共同影响着养分的流失状况。同时,养分的流失,导致部分营养物质的富集和面源污染的产生,从控制养分流失途径入手,在有效控制水土流失的基础上减少养分流失,依据区域特点和坡地基本状况采取合理有效的种植技术,是兼顾经济效益一举三得的坡地土地利用方法。
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