不同土地利用方式下片麻岩坡面养分流失规律的研究

张佳琪, 王 红, 张瑞芳, 朱子龙, 周大迈

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院, 河北 保定 071000; 2.河北农业大学 河北省山区研究所, 河北 保定 071000;3.国家北方山区农业工程技术研究中心, 河北 保定 071001;4.河北省山区农业工程技术研究中心, 河北 保定 071001)

不同土地利用方式下片麻岩坡面养分流失规律的研究

张佳琪1, 王 红2,3,4, 张瑞芳2,3,4, 朱子龙1, 周大迈2,3,4

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院, 河北 保定 071000; 2.河北农业大学 河北省山区研究所, 河北 保定 071000;3.国家北方山区农业工程技术研究中心, 河北 保定 071001;4.河北省山区农业工程技术研究中心, 河北 保定 071001)

通过室内模拟人工降雨试验，研究不同土地利用方式片麻岩坡面水土流失和养分流失特征。结果表明：谷子地、草地坡面产沙量产流量远小于裸地产沙产流量；不同土地利用方式片麻岩坡面产流产沙变化过程不同，草地、谷子地达到稳定产流的时间滞后于裸地。3种土地利用方式坡面养分流失随时间的变化过程基本相同，降雨起始各种养分浓度较高，随着时间的持续，养分流失浓度趋于稳定。不同土地利用方式下片麻岩坡面养分流失量表现为钾流失总量>氮流失总量>磷流失总量，养分流失总量与产沙产流之间有着极显著的正相关性，裸地养分流失量最大，其次是谷子地，草地的养分流失量最小，但是径流中硝态氮含量和泥沙总磷量谷子地流失量最大，裸地次之，草地最小。3种土地利用方式片麻岩坡面磷钾流失主要是泥沙态养分，氮素流失主要以溶解态氮为主或者二者共同作用。

片麻岩; 水土流失; 径流; 养分流失量; 土地利用方式

近年来很多专家通过长期监测和室内模拟试验对水土流失规律和机理进行了大量研究[1-2]。自20世纪末，土壤侵蚀引起的养分流失现象受到国内外学者的关注，有研究表明径流和侵蚀被认为农业生态系统养分流失的重要途径[3]。养分流失过程是一个复杂的物理化学过程,涉及的影响因素众多[4-5]。针对降雨、地形、土壤性质和植被覆盖与管理因子等多方面分析土壤侵蚀与养分流失特征，但多集中在水土流失严重区域[6-8]，对于片麻岩山区研究很少。河北省太行山区土壤主要由花岗片麻岩、砂质岩和石灰岩等风化形成，土壤结构不良，石砾含量大且多属粗骨土，土壤侵蚀现象严重[9]。本试验通过室内人工模拟降雨，研究不同土地利用方式下片麻岩土壤水土流失和养分流失规律，对于该区域坡耕地治理问题具有重要的理论依据和实践意义。

1 试验材料与方法

1.1 供试土壤

试验用土为片麻岩新成土，土壤类型为褐土性土，取自河北唐县片麻岩山区。取土时将土壤分为0—30 cm和30—50 cm两层，并按顺序填装进土槽。填土时不进行过筛操作，所用土槽规格为1.5 m×0.5 m×0.5 m。在填土过程中，为了使填土均一且容重接近自然坡面,采用容重随机实测法，为保证试验的土壤前期含水条件一致,控制在7%～10%，首先进行30 mm/h小雨强湿润降雨,至产生地表径流时即停止降雨，湿润降雨6 h后进行正式试验。降雨前于坡面的坡脚、坡腰、坡顶三处随机取土样，测定土壤基础理化性质，不同土地利用方式下土壤的物理性质见表1。

表1 降雨前不同利用方式土壤基本理化性质

1.2 试验方法

试验采用室内人工模拟降雨的方法，在河北农业大学北方山区农业工程技术研究中心降雨大厅进行，所采用的降雨设备为喷射型仿真降雨设备(QYJY-503)，降雨高度11 m，效降雨面积约144 m2，降雨均匀度达到90%以上。试验设计土槽坡度为5°，降雨强度设计为80 mm/h。每个处理重复三次，降雨开始记录产流时间，产流后开始计时，降雨历时60 min，连续采集径流段的径流泥沙样，每次采样时间为10 min。降雨结束后测量径流总体积，并用滤纸将径流分离为水样和泥沙。测量泥沙风干后的重量，并分别对其中的养分含量进行测定。谷子和草地于2013年6月15日进行播种，谷子品种为晋谷29号，按20 cm行距条播，株距为6 cm，由于小区长1.5 m，谷子实行合理密植。为达到水土保持效果草籽选用杂草，按照野外原状草地进行撒播，覆盖度达到100%，不施用肥料。谷子播种前按推荐施肥量施肥：N为120 kg/hm2，P2O5为120 kg/hm2，K2O为45 kg/hm2，翻耕同时进行施肥，7月11日追施尿素N为8 kg/hm2，8月25日进行降雨，此时谷子覆盖度最大为80%。裸地和谷子地同时施用等量基肥。8月26日测定水样中养分含量，一周后测定泥沙中养分含量。水样中的总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法，溶解态钾采用火焰光度法。泥沙中的全氮采用半微量凯氏法，全磷采用NaOH熔融—钼锑抗比色法，全钾采用NaOH熔融—火焰光度法。每次试验结束后，深翻20 cm土壤并部分回填新土。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下坡面产流产沙特征

片麻岩坡面为超渗产流，降水量大于植物截留量、填洼量、雨期蒸发量及下渗量等的总和时，多余出来的水量产生了地面径流。通过试验得出不同土地利用方式产沙产流存在差异，产流时间表现为谷子地<裸地<草地，草地产流时间是裸地的3.7倍，是谷子地的4.7倍。这是因为产流时间与土壤理化性质和地表状况等因素有关，地表覆盖减弱了侵蚀性降雨对地表的直接拍打和冲刷[10]。由表2看出，三种不同土地类型中裸地的产流量、径流系数、产沙模数和土壤流失率均最大，草地最小。与裸地相比，草地有效减少了50%的径流损失和78%泥沙流失量；谷子地减少了13%的泥沙流失和13%的径流损失。原状草地其冠层覆盖度和地表覆盖度都很大，能有效地减少侵蚀性降雨造成的径流和泥沙的损失。裸地和谷子地径流系数均超过90%，片麻岩土壤裸地径流系数达到0.98，裸地产沙模数达到237.32 g/m2，说明片麻岩山坡地原始植被遭到破坏后，水土流失现象非常严重，急需治理，而谷子地径流系数0.92，产沙模数206.28 g/m2，同样说明片麻岩风化形成的山坡地土壤，从水土保持的角度出发，不应只进行简单的农作物种植。将片麻岩不同土地利用方式下侵蚀产沙(X)与径流量(Y)拟合成回归方程：Y=5.7705e91.877x，R2=0.99。由此得出，片麻岩坡面不同土地利用方式下产沙量与产流量存在极显著的正相关性，产沙量越大，产流量越大，水和土流失需要同等重视。

表2 不同利用方式产沙产流情况

2.2 不同土地利用方式下片麻岩坡面养分流失特征

2.2.1 坡面养分流失量 径流是造成养分流失的动力，径流和泥沙是养分的载体。由表3看出，在雨强为80 mm/h时，片麻岩不同土地利用方式氮磷钾养分流失总量存在很大差异，裸地养分流失总量最大，谷子地次之，草地养分流失量最小；各养分流失量之间磷素流失量最少，钾素流失量最大；径流带走的泥沙对养分的富集是养分流失的主要因素，尤其是磷和钾的流失，不同土地利用情况下泥沙态磷钾占总流失量的比例均在85%以上。谷子地氮素流失主要是溶解态氮和泥沙态氮共存，氮素由于自身活性较大，极易迁移；草地氮素主要随地表径流以溶解态氮流失，裸地以泥沙态氮为主。有研究表明养分流失量与产沙产流存在着密切的关系[11-13]，将片麻岩不同土地利用方式下侵蚀产沙(X)与氮、磷、钾流失量(Y1，Y2，Y3)拟合呈线性方程：Y1=33.278e0.0262x，R2=0.85；Y2=4.6353e0.0219x，R2=0.97；Y3=459.62e0.0305x，R3=0.91。由此看出，3种土地利用方式下，坡面氮磷钾养分流失量与产沙量之间同样具有显著的正相关性。片麻岩坡面产沙量产流量越大，养分流失总量越大。

表3 不同利用方式下养分流失情况

2.2.2 径流中氮素养分变化规律 由图1可以看出，不同土地利用方式氮流失程度不同，但是养分变化规律基本相同。在整场降雨过程中，裸地溶解态氮浓度始终高于其他两种利用方式，但是不同利用方式下坡面在降雨初期氮浓度均较高，随着降雨的持续，溶解在径流中氮浓度不断降低，直到降雨结束时趋于稳定，谷子地和草地溶解态氮浓度均稳定在3.00 mg/L，上下波动0.1 mg/L，裸地直到降雨结束氮浓度仍在下降，但是下降幅度明显降低。由于产流到达峰值后坡面形成均匀的径流[14]，同时大部分养分在降雨初期随径流冲刷被粒径较小的细颗粒和水样带走[15]，大量粗骨粒沉积在坡面表面，使得降雨后期各养分浓度基本稳定。谷子地流量是草地的2.15倍，谷子地氮素流失总量是草地的2.79倍，但是谷子地的溶解态氮浓度却是最低的。表3得出养分流失量与产流产沙呈正相关，但是养分浓度与养分本身性质、土壤性质等因素有关，与土壤侵蚀情况没有相关性。径流中不同养分形态流失规律不同，铵态氮浓度变化规律与溶解态氮相似，3种利用方式铵态氮浓度呈降低趋势，裸地浓度高于草地，谷子地铵态氮浓度最低。3种土地利用方式下硝态氮浓度随降雨时间增加呈下降趋势，但是由图1看出，谷子地流失的硝态氮浓度最高，裸地次之，草地最低，坡耕地硝酸盐流失严重，由于谷子地氮素含量高于其他两种方式，氮素自身迁移能力较强。由图1得出，不同利用方式径流氮流失主要以硝态氮形态流失，谷子地和草地中铵态氮流失量所占比例较小，裸地氮素流失以铵态氮和硝态氮共同存在。

2.2.3 泥沙中养分变化特征 由图2看出，不同土地利用方式下，泥沙对氮磷钾大量元素的富集程度均不同，草地流失的泥沙氮磷钾负荷量均最少且基本保持稳定，谷子地次之，裸地泥沙的养分富集量最多。但是养分变化规律基本一致，随着降雨历时增加，泥沙负荷养分的能力逐渐减弱。在不同处理中泥沙富集磷表现为谷子地>裸地>草地，在整场降雨中谷子地泥沙中磷损失量为27.05 mg，裸地为23.82 mg，草地流失的泥沙态磷仅为6.14 mg。磷易被土壤固定，迁移能力弱，导致泥沙带走的磷较低，泥沙中磷富集量最小。由于谷子从土壤中吸收养分，根系对磷截获促使土壤磷迁移能力增强，径流扰动地表时谷子地流失磷量高于裸地和草地。草地泥沙中有效磷含量为0.18 mg，谷子地有效磷含量1.07 mg，裸地泥沙有效磷负荷量为2.23 mg，由此看出，相较于有效态磷，泥沙中有机态磷更易于流失。

图1 不同土地利用方式径流中氮流失规律

图2 不同土地利用方式泥沙中养分流失规律

3 结 论

(1) 三种不同土地利用方式中裸地的产流量、径流系数、产沙模数和土壤流失率均最大，坡耕地(谷子)次之，草地远远小于裸地和坡耕地，原状草地对于水土保持效果最为明显。

(2) 片麻岩土壤养分流失总量与产沙量和产流量存在极为显著的正相关性。

(3) 三种不同土地利用方式氮磷钾养分流失规律基本相同，降雨初期养分浓度较大，随着降雨的持续，养分流失量逐渐降低。片麻岩土壤钾流失总量>氮流失总量>磷流失总量；除了泥沙中总磷和径流中硝酸盐这两种养分谷子地流失量大于裸地外，各种养分类型和养分不同形态养分流失量均表现出裸地流失量>谷子地>草地。片麻岩坡面磷钾流失主要以泥沙态为主；氮素流失由溶解态氮和泥沙态氮共同作用，草地氮素流失主要是溶解态氮为主。泥沙中磷以有效态形式流失很少，有机磷更易流失。

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StudyontheLawofNutrientLossofDifferentLandUsePatternsinSlopingGneissArea

ZHANG Jia-qi1, WANG Hong2,3,4, ZHANG Rui-fang2,3,4, ZHU Zi-long1, ZHOU Da-mai2,3,4

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China; 2.AgriculturalUniversityofHebeiMountainousAreaResearchInstitute,Baoding,Hebei071000,China; 3.NationalEngineeringResearchCenterforAgriculturalinNorthernMountainousAreas,Baoding,Hebei071000,China; 4.AgriculturalEngineeringTechnologyResearchCenterofMountaininHebeiProvince,Baoding,Hebei071000,China)

Indoor rainfall experiment was conducted to evaluate the effects of land use patterns on the surface soil and nutrient loss in gneiss area. Results showed that runoff and sediment yield of millet land, grassland were far less than those of the bared; the rates of runoff and sediment yields were different among different land uses. Meanwhile, the stable runoff time of millet land and grassland lagged in the bare land. The process of nutrient loss was basically same in the three kinds of land use types: at the beginning nutrient concentration was higher, nutrient concentration tends to be stable over time. The nutrient loss is significantly positively correlated to the cumulative runoff and sediment yield. The amounts of nutrient loss under in the three kinds of land use types represented the cumulative loss oder of potassium>nitrogen>phosphorus. In addition, the nutrient loss of bare land was the largest, followed by millet land and grassland, except nitrate nitrogen concentration in the runoff and the phosphorus concentration in the sediment, of which were the largest in millet land, followed in the bare land. Nutrient losses from gneiss area are mainly in the form of sediment combination state especially for phosphorus and potassium, N loss is mainly in dissolved nitrogen or both dissolved nitrogen and sediment-associated nitrogen.

gneiss; soil and water loss; runoff; amount of nutrient loss; different land use patterns

2014-03-12

：2014-04-27

河北省科技厅资助项目(11227102D);河北省自然科学基金资助项目(C2009000565)

张佳琪(1988—),女,河北遵化人,硕士研究生,研究方向:植物营养生态。E-mail:zhangjiaqi0517@sina.cn

周大迈(1957—),男,河北安平人,博士生导师,研究员,主要从事山区生态治理、土壤改良方面的研究。E-mail:hnkt@hebau.edu.cn

S157.1;S153

：A

：1005-3409(2014)05-0122-04