不同水保措施对土壤可蚀性及速效养分的影响研究

金云杰

(辽宁省沈阳水文局，沈阳 110094)

0 引 言

棕壤是一类发育于湿润气候区中生型落叶林下的土壤，其心土层呈鲜棕色，且以微酸性反应特征为主，成土母质多酸性母岩风化物，多分布于中国辽东半岛，山东半岛及其东南不等地[1]。棕壤土具有生产性能高、土壤矿物质含量高、风化成土速率较快等特点[2]，分布地区年降水量600-900mm，平均气温8-12℃，干燥度0.1-1.1。然而，由于棕壤土母岩裸露，土层浅薄，有机质含量低且保水保肥能力差，加之不合理的开发利用极易产生水土流失[3]。

一般地，土壤速效养分包括速效磷(AP)、速效钾(AK)、速效氮(AN)、硝态氮(NO3-—N)和铵态氮(NH4+—N)等各类供给植物生长吸收的营养成分，速效养分能够为生态修复和土壤质量评价提供指示作用[4]。土壤速效养分化学计量比能够揭示生态系统的变异性、稳定性，并反映土壤的有效性以及多元素循环平衡的特征[5-6]。近年来，有关研究多集中于土壤速效养分含量受农作物种植、外物添加、速效养分时空变异等因素的影响[7]。土壤可蚀性是土壤侵蚀预报与定量评价的重要参数，也是反映土壤受外力搬运、侵蚀的敏感性和土壤被冲蚀难易程度的关键指标[8]。土壤供给速效养分的差异和土壤养分的流失程度在很大程度上取决于土壤可蚀性的强弱，为有效降低土壤可蚀性、提升土壤的速效养分及减轻水土流失程度有必要实施水土保持措施。目前，针对土壤可蚀性的相关研究多侧重于评价模型的适用性分析、可蚀性因子估算和土壤空间变异等领域[9-11]，而对土壤可蚀性特征、速效养分含量受水保措施的影响研究还鲜有报道，对土壤可蚀性特征与速效养分之间相互关系的研究更加少见。

丹东市宽甸县地貌类型总体上属于低山丘陵区，境内山体连贯，形态各异，谷间宽阔、山势低缓，沟壑发育，河谷两侧有小型平地，河流下切较弱，沟壑密度4.6km/km2，水土流失率达到18.52%。近年来，大面积的经济林开发与建设致使资源破坏严重，植被覆盖度逐年降低，水土流失程度不断加剧，土壤肥力及有机质含量持续下降，土地资源和生态环境受到严重威胁。因此，文章以丹东市宽甸县振江项目区棕壤土径流小区为例，探讨了5种水保措施下土壤可蚀性特征、速效养分以及两者间的相互关系，通过对比棕壤土坡地的整治效果，以期为辽东地区水保方案的优化设计提供数据支持，为小流域治理效果评价提供科学指导。

1 研究方法

1.1 小流域概况

研究样地位于丹东市宽甸县东北部，地理坐标为E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′之间，为丹东市典型的棕壤土流失区之一。该区域属于辽东石质山区，海拔高度100-600m之间，地带性土壤为棕壤土，土层厚0.3-1.5m，植被温暖带、温带落叶阔叶林和针阔混交林。气候属南温带大陆性季风气候，平均降水量1140mm，多集中于6-8月，平均气温6.7℃/a，日照时数2473h，≥10°积温3200℃，无霜期160d，太阳总辐射量5344kJ，平均风速1.6m/s。

研究区内原生植物有红松、落叶松、伴生有榭树、山槐、花曲梠、赤杨、蜡树、椴树等，灌木有荆条、胡枝子、映山红等，草木植物有白头翁、秸梗、天南星等。草本和木本植物种类繁多，共有10科、22属、54种，中药材50多种，具有庞大的生物基因库，在涵养水源和保持水土等方面发挥着重要的作用。

1.2 试验设计

根据宽甸县以往实施的水保措施和辽东山地耕作模式，并结合区域农业发展特色布设10个标准径流小区。设置的对照组(DK)为地表裸露的无水保措施小区，试验组为白喜草+桃树+梯田(D1)、山菊花+鱼鳞坑+山边沟(D2)、荆条+鱼鳞坑+隔坡梯田(D3)、荆条+鱼鳞坑(D4)、乔灌草+竹节沟(D5)五种水保措施下的小区。各径流小区的坡向相同、坡度为20°、长20m、宽5m，面积100m2，2018年3月布设相应的水保措施。径流小区水保措施的布设，见表1。

表1 径流小区水保措施的布设

2020年11月对每个径流小区采集土壤样品，即沿等高线方向采集坡面上、中、下部的土样，以相同的距离取每条等高线上3点处的土样，在此基础上将所取的等量土样混合成1个土样，由此以来可在径流小区的上、中、下部各获取1个混合土样，采样深度0-20cm且采样点应最大程度的避开树木，用聚乙烯自封袋收集所取的土样，为便于识别还要贴上标签。实验室内剔除土样中的植物根系、砾石等杂物，取一部分土样过2mm筛以备土壤粒径组成、硝态氮、铵态氮的测定。自然风干其余两份土样，其中一份研磨过10目筛以备速效钾、速效磷的测定，另一份研磨过100目筛以备土壤有机碳的测定。

采用Master Sizer 2000激光粒度分析仪、Elementar Vario MAX碳元素分析仪直接测定有机碳含量和土壤粒径组成；对土壤速效氮(硝态氮、铵态氮)、速效磷和速效钾含量的测定，应先用2mol/L的KCL、Mehlich 3法、1mol/L的NH4OAc浸提，再用Skalar san++连续流动分析仪和FP640火焰光度计测定[12]。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤可蚀性K值

土壤可蚀性K值是准确反映土壤可侵蚀状况及其抗侵蚀性的重要参数，其中Shirzai公式、EPIC模型、RUSLE通用土壤流失方程等为国内外普遍应用的土壤可蚀性K值估算方法，因存在测定方便、可操作性强、物理意义明确等特点，对土壤可蚀性K值的估算EPIC模型具有较强的适用性与可靠性[13]。研究表明，对中国北方土石质山区土壤抗侵蚀能力利用EPCI模型评价，能够客观准确的反映土壤的真实情况[14-15]。因此，文章拟应用EPIC模型评价棕壤土土壤可蚀性，计算公式为：

(1)

(2)

式中：KEPIC为土壤可蚀性K值，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Sa、Si、Cl为砂粒(0.05-2mm)、粉粒(0.002-0.05mm)、黏粒(<0.002mm)含量，%；C为有机质含量，%；Sn为除砂粒外的其它颗粒含量，%，并且Sn=1-Sa/100。

1.3.2 统计分析方法

所用的数据处理软件有SPSS22.0、Excel2013，对不同水保措施下棕壤土的可蚀性K值、粒径组成、有机碳含量、AP/AK、AN/AK、AN/AP、速效磷(AP)、速效钾(AK)、速效氮(AN)、硝态氮(NO3-—N)和铵态氮(NH4+—N)利用单因素方差分析法进行多重显著性检验，采用Pearson法分析AP/AK、AN/AK、AN/AP、AK、AP、、NO3-—N、NH4+—N与土壤可蚀性K值的相关性，最后用Origin8.0软件制图。

2 结果分析

2.1 土壤速效养分特征

1)速效养分含量。土壤速效养分含量，见表2。从表2可以看出，D2水保措施下土壤铵态氮含量最高，其次为D3，铵态氮含量最低的为DK对照组；其中，铵态氮含量显著高于DK(P<0.05)的有D2、D3、D4水保措施，D2、D3、D4为DK铵态氮含量的2.05倍、1.73倍、1.66倍，此外DK与D1、D5措施的铵态氮含量差异未达到显著水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤硝态氮含量处于0.25-0.26mg/kg之间，并且达到极显著差异水平(P<0.01)，与其它水保措施相比D2措施的土壤硝态氮含量明显较高(P<0.05)，除D2外其它措施的硝态氮含量差异均未达到显著水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤速效磷含量处于5.76-52.47mg/kg间，并且达到极显著差异水平(P<0.01)，其中D2的速效磷含量最高，DK的含量最低，D1、D2、D5的速效磷含量均显著高于DK(P<0.05)，与DK相比高出11.06、50.87、20.65mg/kg，DK与D3、D4水保措施下的速效磷含量差异不显著(P>0.05)。不同水保措施下土壤速效钾含量处于80.60-210.86mg/kg之间，并且达到显著差异水平(P<0.05)，其中D2的速效钾含量最高，其次为D1，DK的含量最低，D1、D2、D3的速效钾含量均显著高于DK(P<0.05)，依次为DK速效钾含量的4.30倍、5.49倍、4.17倍，DK与D4、D5水保措施下的速效钾含量差异不显著(P>0.05)。

表2 土壤速效养分含量

2)速效养分化学计量比。速效养分化学计量比，见表3。由表3可知，不同水保措施下土壤AN/AK值处于0.08-0.24之间，达到显著差异水平(P<0.05)；与DK相比5种水保措施下土壤的AN/AK均明显较低(P<0.05)，与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均未达到显著差异水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤AN/AP值处于0.33-3.15之间，达到显著差异水平(P<0.05)；与DK相比5种水保措施下土壤的AN/AP均明显较低(P<0.05)，且D1、D2、D3、D5水保措施下土壤的AN/AP均未达到显著差异水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤AP/AK值处于0.04-0.25之间，达到显著差异水平(P<0.05)，其中AP/AK最大者为D2，其次为D5的0.21，AP/AK最小值为D3的0.04；与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与D1、D3、D4之间均未达到显著差异水平(P>0.05)。

表3 速效养分化学计量比

2.2 土壤可蚀性特征

按照从低到高的次序排列各径流小区的土壤有机碳含量：DK

表4 土壤可蚀性K值、粒径组成及有机碳含量

2.3 土壤可蚀性与速效养分的相关性

采用Pearson法分析不同水保措施下土壤可蚀性特征指标、速效养分指标、粒径组成、有机碳含量与土壤可蚀性K值的相关性，粒径组成、有机碳与土壤可蚀性K值的相关性，见表5；土壤可蚀性与速效养分指标间的相关性，见表6。研究发现，土壤可蚀性K值与黏粒无显著相关性，与粉粒呈极显著的正相关性(P<0.01)，与砂粒、有机碳呈极显著的负相关性(P<0.01)；砂粒与AP/AK、粉粒与AN/AK、砂粒与速效磷、黏粒与土壤铵态氮呈显著的正相关性(P<0.05)，粉粒与AN/AP、黏粒与速效钾、有机碳与速效磷、有机碳与土壤铵态氮呈极显著的正相关性(P<0.01)。K值和粉粒与AP/AK、黏粒和有机碳与AN/AK、有机碳和砂粒与AN/AP、K值与速效钾、粉粒与速效磷呈显著的负相关性(P<0.05)，K值与速效磷呈极显著的负相关性(P<0.01)，土壤可蚀性指标与硝态氮之间未表现出显著的相关性。

续表4 土壤可蚀性K值、粒径组成及有机碳含量

表5 粒径组成、有机碳与土壤可蚀性K值的相关性

表6 土壤可蚀性与速效养分指标间的相关性

3 结 论

1)在辽东棕壤土坡地上，不同水保措施下土壤的速效钾、速效磷、铵态氮含量均大于裸露空白对照小区，并且AN/AK、AN/AP均低于空白对照小区，水土保持措施能够较好的保持棕壤土速效养分，水保措施有利于增强速效养分之间的协调性及促进土壤速效养分比例的平衡。

2)5种水保措施能够明显提高棕壤土的抗侵蚀能力和有机碳含量，其中降低棕壤土可蚀性效果最好、提高有机碳含量最高的为D2水保措施。因此，在辽东棕壤土坡地中山菊花+鱼鳞坑+山边沟的治理措施具有广泛的应用前景。

3)辽东棕壤土可蚀性特征与速效养分之间存在复杂的联系，土壤可蚀性特征指标与除硝态氮外的速效养分指标具有一定关联。随着可蚀性K值的增大土壤的抗侵蚀能力逐渐减弱，土壤速效养分流失加剧且含量不断减少。