不同改良剂对黄土坡耕豆地水土及氮磷流失的影响

李虎军，王全九，2，陶汪海，柴晶，赵光旭

我国土壤侵蚀分布面积广、侵蚀类型多，已成为不可忽视的生态环境问题。黄土高原地区由于地理位置特殊，暴雨集中，植被稀少，土壤抗侵蚀能力差，导致水土流失问题更为突出［1］。严重的水土流失造成耕地表层土壤有机质、氮和磷等养分大量流失，不仅导致耕地土壤质量下降，直接危害农业生产，而且由于诸多养分随径流汇入河道，也造成江河湖泊严重的面源污染问题［2］。此外，大量泥沙在河道堆积，抬高水位，对下游人民生命财产造成巨大威胁。因此，控制黄土高原地区水土和养分流失意义重大。

多年来，众多学者围绕着水土流失开展了大量的科学研究，也提出了防治水土和养分流失的有效措施［3-6］。其中，施加改良剂，是现代农业中从源头控制水土和养分流失的一种有效途径［7］。改良剂的施用不但可以改善土壤结构，增强土壤保水保肥能力，减少环境污染和降低水环境富营养风险，还可以增加土壤肥力，促进作物生长，进而提高农民经济收入［8］;然而由于不同改良剂的结构、性质和作用机理之间存在差异，导致其改良效果存在差异，因此，寻求能够适宜当地土壤和作物、生态环保的改良剂对农业可持续发展至关重要。目前，改良剂在水土保持和农业面源污染防控方面具有较多的研究［9-11］，其中，聚丙烯酰胺(PAM)作为高效的土壤结构改良剂，溶于水后能够形成较强的黏聚作用，从而改善土壤结构、提高土壤抗蚀能力、减少水土流失［12-14］。腐殖酸(HA)作为新型的土壤生物改良剂，能够促进土壤团粒结构的形成，提高土壤肥力，刺激作物和根系的生长，从而达到固持土壤的效果［15-17］。羧甲基纤维素钠(CMC)属于水溶性高聚物，对调节土壤pH，增加土壤水稳性团聚体质量分数，促进作物生长，提高土壤抗蚀性能均有一定作用［18-20］。由于各种改良剂作用机制不同，对保水保土保肥效果也存在差异。笔者以坡耕大豆为例，通过野外人工模拟降雨试验，探究暴雨条件下不同改良剂对坡地产流、产沙及氮磷流失特征的影响，以期为黄土坡耕地区土壤改良剂的应用效果评价、防治水土及养分流失提供理论参考。

1 研究区概况

试验在中国科学院长武农业生态试验站野外模拟降雨小区进行。试验站位于黄土高原中南部的陕甘交界处(E 107°40'～107°42'，N 35°12'～35°16')，海拔1 207 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候。年均降水量584 mm，7—9月降水量占全年的55%以上;地下水埋深50～80 m，无农业灌溉设施，属于典型的旱作雨养农业。沟、梁和塬土地类型各占1/3左右，土壤母质为马兰黄土。试验地土壤类型为粉砂质壤土，其中，黏粒、粉粒和砂粒所占比例分别为9.27%、51.43%和39.3%。表层25 cm以上土壤平均密度为1.23 g/m3。

2 材料与方法

根据当地农民的种植习惯，坡面植被选取抗旱能力强的大豆。结合前人研究结果，供试改良剂选取聚丙烯酰胺 PAM(阴离子型，相对分子质量400 万 ～1 200 万)，施量 3 g/m2［21］;腐殖酸 HA(成分:腐植酸55%，黄腐酸15%及其他)，施量6 g/m2，于播种期施3 g/m2，结荚期追施3 g/m2;羧甲基纤维素钠CMC，施量3 g/m2［19］。试验设置3个改良剂处理和1个对照处理CK，每个处理3个重复。作物种植日期为2016年5月初，种植行距20 cm，各处理间其他田间管理措施无差异。

小区周围安装挡板防止水分流失，并在径流出口处安装V型槽收集径流。于7月初(结荚期)，将改良剂按设计施量溶于水中，充分搅拌待其完全溶解后，均匀的喷洒在地表，待改良剂与土壤充分结合，于8月份(鼓粒期)进行模拟降雨，试验时植被的基本特征见表1。降雨装置采用中国科学院水利部水土保持研究所研发的针头式野外人工降雨设备，降雨高度1.5 m。

表1 降雨前各改良剂处理中大豆基本生长状况Tab．1 Growth status of soybean(Glycine max L．)under different amendment before rainfall

试验前1天，喷施养分为NH4Cl和KH2PO4的水溶液(NH4－-N和PO4－-P施量均为5 g/m2)，喷施后静置24 h，使养分有充分时间在土壤表层一定深度分布。试验前，采用烘干法测定20 cm深PAM、CMC、HA和 CK处理土壤初始含水率分别为15.2%、15.3%、14.7%和14.4%，各处理之间差别不大。根据黄土高原地区汛期暴雨的高强度、短历时特点，并结合多年来当地暴雨资料，设计降雨强度为100 mm/h。于试验开始前进行率定，当雨强满足设计要求时，开始模拟降雨试验。试验开始后，记录初始产流时间。产流前 10 min，按 1、2、4、7和10 min收集径流水样，之后每间隔5 min收集1次，直至降雨结束，降雨历时为1 h。

用称量法测定各时段径流水样质量(计算净流量时换算为体积)。用容积为100 mL的塑料瓶从径流桶内采集澄清的径流液，测定径流中铵态氮和水溶性磷浓度。收集并风干径流桶内泥沙，用来测定泥沙流失量。降雨结束后，钻取土壤剖面土样，测定土壤养分质量分数，表层10 cm按照0～1、1～3、3～5和5～10 cm取样，10 cm以下每隔5 cm取一次土样，采样深度35 cm。采样结束后，用小区周围土壤进行回填，并压实至与原土壤相近。

水样中铵态氮和水溶性磷采用紫外光分光光度计测定;土壤有效磷质量分数采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;土壤铵态氮通过1 mol/L的KCl溶液浸提，采用纳氏试剂法测定。每个样品测定3次，取均值进行分析。

3 结果与分析

3.1 改良剂对径流率和产沙量的影响

降雨条件下，雨滴击溅和径流冲刷作用是造成黄土坡耕地土壤结构破坏，导致水土流失的重要原因，而改良剂的施用能改善土壤物理状况，增强土壤抗蚀能力;但改良剂类型不同，坡耕地产流产沙过程也有所差异，其变化见图1。

图1 不同改良剂处理的坡耕豆地产流情况Fig．1 Characteristics of runoff under different amendment type in soybean farmland

由图1可知，施加不同改良剂的黄土坡耕豆地径流率变化特征相似，即各处理产流初期，径流量随着产流时间变化均先迅速增加，15～20 min后，径流量趋于稳定值。产流稳定后，施加PAM和CMC的坡耕豆地径流率较对照处理均显著增加(P＜0.01)。PAM处理径流率最大，CMC处理次之，分别达到(1.13±0.02)和(1.05±0.03)L/min，较CK处理径流率分别增加19.6%和14.1%;HA处理和CK处理差别较小，分别为(0.96±0.04)和(0.92±0.02)L/min。改良剂处理的径流总量较CK处理均显著增加(P＜0.05)，这是由于施加的PAM和CMC与水相互作用后，坡面表层逐渐形成胶凝层，降低土壤的入渗能力，从而增加坡面的径流率。PAM处理在产流后径流率很快就高于CMC处理，说明PAM较CMC更易与水结合，较早形成胶凝层，加速地表径流的形成。HA处理径流率略大，这是由于该处理植被生长旺盛，叶面积较大，使得土壤有效承雨面积和入渗面积相比对照处理减少，进而导致HA处理径流率略微增加。

累积泥沙量的大小是反映土壤受降雨侵蚀严重程度的重要指标。从表2可知，不同改良剂处理下，各小区累积泥沙流失顺序表现为CK＞HA＞CMC＞PAM。与对照处理相比，PAM和CMC处理对累积泥沙量影响显著(P＜0.05)，施加PAM处理的累积泥沙量减少34.8%，而施加CMC处理的累积泥沙量减少22.5%，施加HA处理也达到7.9%。结合累积径流量来看，一般情况下，累积径流量大造成的土壤侵蚀量也大［22］;但施用改良剂均增加径流量，土壤侵蚀量却没有大幅增加，进一步说明施用改良剂增加了土壤抗侵蚀能力，且 PAM效果最佳，CMC次之，HA最小。这是因为PAM吸水溶解后，在坡面上形成网状结构，其絮凝效果将土壤颗粒黏结在一起，使表层土壤结构更加稳定，从而不易被径流剥蚀。CMC原理与PAM相似，溶于水后能够形成较强的黏聚力，起到保持土壤的作用，但该试验施量下，其水土保持效果却不如PAM。HA作为生物改良剂可能是通过促进大豆根系的生长，使得根土黏结和根系生化作用增加，进而提高土壤抗蚀能力［23］，但减沙效益不如PAM和CMC。对照处理土壤表层没有改良剂保护，根系固持土壤能力较弱，表土更容易被侵蚀。

表2 不同改良剂处理径流总量和累积泥沙量及统计结果Tab．2 Total runoff and accumulative sediment under different amendment type，and statistical result of variation characteristic

3.2 不同改良剂对径流养分浓度的影响

径流和泥沙是土壤养分流失的动力和载体，施加改良剂后影响坡耕地产流产沙过程，进而对土壤养分流失过程也有不同程度的影响。此外，养分存在的形式不同，流失过程也有差异。径流中铵态氮和水溶性磷浓度随时间变化过程见图2。

从图2可知，不同改良剂处理下，铵态氮和水溶性磷随时间变化的总体趋势相同，其中，铵态氮浓度均在产流初期10 min内迅速降低，随着产流时间的延续，15～20 min后，各养分浓度趋于稳定，稳定值均在3 mg/L附近波动。产流初期的7 min内，施加PAM和CMC处理的铵态氮浓度均高于HA和CK处理，之后PAM和CMC处理的浓度则低于HA和CK处理。这是因为PAM和CMC产流相对早于HA和CK，此时表层土壤的铵态氮质量分数较高，造成初始径流养分流失浓度较高。随着PAM和CMC的絮凝作用增强，表层养分浓度降低，径流中铵态氮质量分数也逐渐降低，而此时HA和CK处理表层土壤随径流大量流失，一方面增加了泥沙中的铵态氮的释放，另一方面下层土壤向径流提供新的养分源，导致径流浓度大于PAM和CMC处理。

不同处理径流中，水溶性磷浓度随产流时间延续逐渐衰减，但变化趋势比铵态氮较为平缓，且3种改良剂处理的径流磷浓度值都非常接近，说明改良剂对水溶性磷流失过程的影响并不明显。CK处理径流中，水溶性磷浓度略高于改良剂处理的磷浓度，这是因为对照处理的土壤表层没有改良剂的保护，且在雨滴击溅和紊动水流冲刷的共同作用下，表层吸附有磷的土壤随径流大量流失，进而使泥沙中的磷不断向径流中释放，从而导致径流中水溶性磷浓度升高。

图2 径流养分浓度随时间变化特征Fig．2 Changing characteristics of runoff nutrient concentration with time

3.3 不同改良剂条件下径流养分流失率变化特征

坡面土壤养分随径流流失过程与径流率和径流中养分浓度密切相关。不同改良剂处理的铵态氮和水溶性磷随产流时间的流失特征见图3。

图3 铵态氮和水溶性磷流失率变化特征Fig．3 Characteristics of ammonium nitrogen and soluble phosphoncs loss rate

由图3可知，铵态氮和水溶性磷流失过程与其浓度变化过程并不一致，养分流失率均在0～4 min内升高，之后逐渐降低。这是由于0～4 min内，初始径流养分浓度较大，且径流率迅速增加造成的;而4 min后则是径流率虽然增大，但径流养分浓度却很小。产流0～7 min内，PAM处理铵态氮流失率高于其他处理，PAM处理最高达到16.75 mg/min，其他处理仅为11.22 mg/min左右，这是由于此时PAM处理径流率大，且径流养分浓度也高造成的。7 min之后，PAM处理铵态氮流失率小于对照处理，且流失过程较平稳。这是由于PAM在土壤表层的胶凝层完全形成，对土壤和养分的充分黏结，虽然径流量增大;但是养分浓度却维持较低水平，且养分流失波动较小。而对照处理铵态氮流失率保持较高水平，是由于该处理的土壤结构稳定性相对较差，容易被侵蚀，使得泥沙和下层新的土壤能为径流提供更多养分，造成径流率小，但养分浓度高的情况。HA处理出现较大波动，与该处理泥沙流失的间断性密切相关。产流初期PAM处理水溶性磷流失率最大，其他处理差别较小，这是由于产流初期PAM处理径流率较大导致的。

不同改良剂处理下，径流中铵态氮和水溶性磷的流失总量见表3。由此可知，各改良剂处理对铵态氮累积流失量影响均达到显著水平(P＜0.05)，铵态氮流失总量依次表现为CK＞PAM＞CMC＞HA。以HA处理铵态氮流失总量为对照，CK、PAM、CMC处理铵态氮流失总量分别为HA处理的1.31、1.16和1.05倍。PAM处理可溶性磷流失总量最大，且较对照处理显著增加(P＜0.05)，其他处理变化较小，CMC和CK处理对磷流失影响不显著(P＞0.05)。之所以出现此种情况，是由于各个处理径流磷浓度、累积径流量和磷的强吸附性共同影响的结果。

表3 铵态氮和水溶性磷累积流失量统计结果Tab．3 Cumulative loss of ammonium nitrogen and soluble phosphorus and statistical result of variation characteristic

3.4 不同改良剂对土壤剖面养分分布特征的影响

降雨条件下，表层土壤养分与雨水混合，一部分随着地表径流流失，另一部分伴随入渗水分向深层土壤迁移。由于不同改良剂作用效果存在差异，导致土壤养分迁移特征也不尽相同。

降雨后不同处理土壤剖面铵态氮质量分数的分布情况见图4a。由图可知，改良剂处理与对照处理的土壤剖面铵态氮分布趋势一致，但质量分数却发生有较大差异。0～15 cm深度内，PAM处理铵态氮质量分数均高于其他处理，CMC和CK处理次之，HA处理最小。这是因为施加PAM和CMC形成的阻水层影响了土壤水分的再分配过程，通过有效地减少土壤水分入渗，进而影响铵态氮随水分淋溶状况。结合土壤剖面铵态氮分布和累计径流量分析，再次证明，施用PAM和CMC有减小入渗，增加径流的作用。结合HA处理地下干物质量来看，HA处理表层铵态氮质量分数最低，这是由于HA促进根系生长，使得根层土壤孔隙结构和透水性都得到较好的改善，进而加速入渗水分和铵态氮向根区附近的淋溶。其他处理铵态氮在15～20 cm处发生锐减，而HA处理铵态氮在20～25 cm处迅速降低，说明HA处理在20 cm处应该是铵态氮发生了累积。30 cm以下根系较少，CK处理和HA处理铵态氮质量分数又都趋于一致，进一步证明改良剂影响根系分布，进而对水分入渗和养分迁移产生了重要影响。

图4 不同改良剂类型土壤剖面养分质量分数分布Fig．4 Distribution of nutrient mass fraction in soil profile under different amendment type

不同处理条件下土壤剖面有效磷质量分数分布见图4b。从图可知，不同改良剂处理下，土壤有效磷在湿润层内分布状况一致，均在表层10 cm土壤内急剧减少，而在10 cm以下土壤内质量分数很低，且各个处理波动很小。这是因为磷在土壤中有固定性强、移动性差的特点，使得其很难向深层土壤运移，从而在表层土壤大量积聚。该结果与王全九等［4］通过不同植被放水冲刷试验得到的结论一致。结合径流中水溶性磷流失特征，进一步表明PAM、CMC和HA改良剂对磷的运移过程影响并不明显。

4 讨论

降雨和径流是造成坡面土壤侵蚀的主要驱动力，而改良剂的施用能有效减少水土和养分流失。PAM属于水溶性高分子聚合物，Levin等［24］研究认为，PAM与水结合形成的长分子链不仅絮凝土颗粒，其尾部也堵塞了土壤孔隙，会降低土壤水力传导度。王丽等［25］通过室内无植被模拟降雨试验，也发现缓坡地表施用PAM，能够使表层土壤变得稳定，降低泥沙流失量和土壤入渗量，增加径流量。笔者野外田间试验结果也进一步证明了以上结论，但研究还发现，施加PAM的坡耕豆地径流中，水溶性磷流失量大于对照处理。该结论与王辉等［26］在塿土和砂黄土坡面的降雨试验结论一致，而与王丽等结论存在差异，原因可能是试验条件不同或者改良剂施量存在差异所致。因此，对于土壤侵蚀严重的黄土坡耕地，可以采用表施PAM来达到保持土壤的效果，而在干旱贫瘠的农田，表施PAM对阻止水分和养分流失的效果不佳，实际应用中应根据不同区域的土壤条件，采用适宜的PAM施量和施用方式。

CMC具有优良的水溶性和黏聚性，吴军虎等［19］发现，CMC能够降低土壤入渗能力，促进土壤团聚体形成［27］，从而影响土壤抗蚀性。笔者发现:坡耕地施用CMC后，径流量增加，而泥沙流失量减少，说明CMC能够提高土壤抗蚀能力;此外，还发现施用CMC后，植被长势优于对照处理，养分流失量也有所降低。这是由于早期施入的CMC不仅具有良好的保水性能［28］，还能通过胶凝作用与土壤和养分复合，达到保水保肥的效果［29］，为作物生长创造良好的水分养分环境;降雨时CMC溶于水，并在土表形成的黏性层通过吸附和截留养分，进而降低养分随水分迁移速率，该结果说明CMC对保持土壤养分和促进作物生长能发挥一定作用。

腐殖酸是一种复杂的可溶性有机胶体，李春越等［30］认为，其不仅能够改良土壤结构，增加团聚体质量分数，间接提高土壤肥力，而且能刺激植物和根系生长［31］，提高土壤养分利用率［32］。笔者发现施用腐殖酸后，坡地大豆株高、叶面积都较对照处理有不同程度增加，说明腐殖酸能够促进坡地大豆的生长。降雨试验结果表明，施用腐殖酸的大豆地不仅对土壤固持效果较好，还能降低坡地土壤养分流失量，出现这种结果的原因可能有2点:一是腐殖酸处理植被长势较好，叶面积大，使得坡面有效降雨面积减少，从而降低土壤侵蚀量;另一方面，腐殖酸处理促进植被根系生长，增强根土黏结效应和土壤抗蚀能力。该结果表明，可以将腐殖酸和施肥结合起来，在黄土坡耕地推广应用。

笔者着重研究了暴雨条件下，黄土坡耕豆地施加3种改良剂对鼓粒期水土和养分流失的影响，结合试验结论，在后续研究中，可以调节改良剂施量，并结合植被生长阶段，来控制黄土坡地水土养分再分布过程。

5 结论

1)黄土坡耕豆地在大豆生长期施加PAM和CMC改良剂，均能明显增加径流量，HA处理效果并不明显;与对照相比，PAM、CMC和HA处理的减沙率分别为34.8%、22.5%和7.9%，表明改良剂能降低坡耕豆地土壤侵蚀的风险，且PAM效果最佳，CMC次之，HA最小。

2)径流中铵态氮累积流失量的表现为CK＞PAM＞CMC＞HA，表明改良剂施用能够减少铵态氮流失量;PAM处理水溶性磷流失总量最大，约为对照处理的1.13倍，其他处理差异较小。

3)PAM和CMC处理土壤铵态氮在表层15 cm内维持较高质量分数;HA处理促进大豆根系生长，改善土壤渗透性，使铵态氮向深层运移;土壤有效磷主要积聚在表层10 cm内，改良剂对土壤有效磷的迁移影响不明显。

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