东大河小流域林地土壤侵蚀及养分特征研究

王永平 周子柯 滕昊蔚 牛晓音 马艳飞 李梦红 卢 杰

(1 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；2 山东理工大学资源与环境工程学院，山东 淄博 255049)

近年来，我国西南滇池流域的水土流失问题受到广泛关注[1-2]，土壤流失引发的一系列环境问题会对当地生态、社会经济发展产生诸多不利影响，治理水土流失问题已迫在眉睫。面对严峻的水土流失状况，滇池流域大力推进退耕还林工程，1999―2014年间，滇池流域的土壤侵蚀面积逐年降低[3]，以晋宁县为例，自2000年起实施退耕还林工程，至2009年，九年间坡度在25°以下的耕地退耕面积为5 106.04 hm2，森林覆盖率不断提高[4]。2000―2014年间，晋宁县用地类型变化以林草变化为主，在2000―2007年间由草地向林地过渡，2007―2014年间逐渐稳定，形成以林地为主的土地利用方式[5]，这种土地利用变化引起的覆被变化过程对该区域的水土流失和面源污染问题会产生影响，此前已有部分学者对滇池典型小流域内土地利用变化下的土壤侵蚀开展定量研究，牛晓音等[6]揭示了滇池南部双龙流域土地利用方式改变对土壤侵蚀及养分流失的影响，宋一民[7]研究了滇池小流域尺度下，土地利用方式对土壤侵蚀及营养盐分布的影响，崔骏[8]探究了滇池北部小流域不同土地利用方式下土壤侵蚀量与养分流失量之间的关系，庄艳等[9]研究了滇池南部柴河小流域草地土壤侵蚀的特征。但在滇池流域，针对小流域内林地结构变化对土壤侵蚀及养分流失的影响研究相对较少，从林地侵蚀变化角度科学评估退耕还林工程效益的研究有待加强。

因此，为探究林地土壤侵蚀和土壤养分流失特征，本研究在滇池西南部的东大河流域，通过137Cs核素示踪技术对该流域内林地土壤侵蚀进行定量化分析及评价，科学评价林地土壤及养分侵蚀特征，分析侵蚀程度变化的主要影响因素，以便采取更科学的水土流失治理措施，为减少当地水土流失，恢复生态以及继续推动退耕还林工程提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

东大河流域是滇池西南部的一个小流域(102°29′E～102°39′E，24°31′N～25°42′N)，发源于海孜白泥箐，流入滇池，河道全长21 km，流域面积188 km2。气候为亚热带湿润季风气候，多年平均气温15℃左右，年平均降水量900 mm。流域境内主要行政区为晋宁区，土壤含磷丰富，是我国“四大磷都”之一。土壤以酸性、微酸性为主，土壤类型主要有红壤、黄棕壤、黄红壤、紫色土、冲积土、水稻土。主要植被类型以林草地为主，原始植被、阔叶林分布较少，现存植被多为云南松(Pinusyunnanensis)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)等乔灌混交林，林下植被多为杜鹃(RhododendronsimsiiPlanch.)、木姜子(LitseapungensHemsl.)、小石积(OsteomelesanthyllidifoliaLindl.)等灌木。利用ArcGIS软件，通过解译计算，确定东大河流域林地面积约为102 km2。

1.2 试验设计

2018年8月在东大河小流域内山坡林地进行土壤采样，每个样点根据采样地区地形地貌划定1 m×1 m样方，按对角线法平行采样3次，经过GPS定位，确定样点坐标，共采集林地样点38个，其中包含3个剖面分层样点(S1、S2、S3)，样地基本情况见表1。采样类型分为土壤全样和土壤分层样，利用内径5 cm的取样器垂直入土层采集40 cm土层土壤全样。按照对角线法，平行采样3次，取混合样；土壤分层样，在挖出的剖面上取样8层，每层10 cm×10 cm×5 cm，总采样深度为40 cm。每个样点通过现场测量及遥感解译确定其坡度及植被覆盖率，采样位置见图1。所采土样用于测定137Cs比活度及总有机碳(total organic carbon，TOC)、总氮(total organic carbon，TN)、总磷(total phosphorus，TP)含量等指标。

表1 采样地基本情况

图1 采样点位置图

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤侵蚀模数137Cs比活度的测定：参照文献[10]，在南京师范大学γ谱仪实验室测定土壤样品比活度。将土壤样品自然风干后、经研磨过0.150 mm筛，于105℃烘干，去除残余水分。蜡封一个月后，采用GWL-120-15高纯锗探测器γ谱议(美国 ORTEC)在661.6 keV处测定137Cs的比活度。

土壤137Cs的背景值：研究表明，滇池流域137Cs含量背景值为1 269[11]、918 Bq·m-2[12]，本研究采用张燕等[13]方法确定滇池流域137Cs背景值为906 Bq·m-2。

土壤侵蚀模数模型：基于所取剖面样点呈指数型分布，本研究采用非耕地类型的模型[14]：

T(l)=Tref(1-e-λl)

(1)

式中，T(l)为土壤在深度l以上137Cs的总面积活度，Bq·m-2；Tref为137Cs面积活度背景值，Bq·m-2；λ为137Cs深度分布的剖性指数，0.27。

假设137Cs的垂直分布与时间因素无关，可根据公式计算侵蚀点年侵蚀厚度：

(2)

式中，hi为年侵蚀厚度，cm；t为采样年份。

根据公式计算土壤侵蚀模数：

ERi=10000×hi×Bi

(3)

式中，ERi为第i采样区域的侵蚀模数，t·km-2·a-1；Bi为第i采样区域的土壤容重，g·cm-3。

根据公式计算平均侵蚀模数及总侵蚀量：

(4)

E=A×Pi×EA

(5)

式中，EA为区域平均侵蚀模数，t·km-2·a-1；E为不同侵蚀强度的总侵蚀量，t·a-1；A为研究流域内林地总面积，km2；Pi为i侵蚀强度的林地面积相对于流域林地面积的百分比，%。根据《SL190-2007 土壤侵蚀分类分级标准》[15]可将土壤侵蚀分为微度侵蚀(<1 000 t·km-2·a-1)、轻度侵蚀(1 000～2 500 t·km-2·a-1)、 中度侵蚀(2 500～5 000 t·km-2·a-1)、强烈侵蚀(5 000～8 000 t·km-2·a-1)、极强烈侵蚀(8 000～15 000 t·km-2·a-1)和剧烈侵蚀(>15 000 t·km-2·a-1)6个等级。

1.3.2 养分流失量 采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定土样TOC含量[16]；采用过硫酸钾消解法测定土壤TN含量，采用过硫酸钾消解+钼锑抗比色法测定土壤TP含量[17]。

采用张燕等[18]建立的模型计算单位面积土壤养分流失量：

Li=Ni×B×h×10

(6)

式中，Li为第i种养分的流失量，t·km-2·a-1；Ni为第i种养分在土壤中的含量，g·kg-1；B为土壤的容重，g·cm-3；h为年均流失土壤的厚度，cm·a-1。

根据公式计算养分平均流失量：

(7)

式中，LAi为第i种养分平均流失量，t·km-2·a-1；Lij为第i种养分第j采样点养分流失量，t·km-2·a-1；n为采样区域数量。

再根据公式计算流域林地养分总流失量：

R=A×LAi

(8)

式中，R为林地养分总流失量，t·a-1；A为研究流域林地面积，km2。

1.3.3 土壤粒度 采用MicrotracS 3500激光粒度仪(美国Microtrac)测定土壤粒度。依据中国土壤质地分类标准[19],将土壤颗粒分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～1.0 mm)。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 22.0软件对数据进行作图及分析处理，采用SPSS 22.0软件对土壤TOC含量、TN含量、TP含量、137Cs比活度以及土壤侵蚀模数进行Pearson相关性分析，并对养分流失量及土壤侵蚀量进行线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 土壤中137Cs比活度及土壤侵蚀特征

137Cs比活度的剖面分布及变化规律，可以反映不同样点的土壤侵蚀或沉积随时间变化的差异。由图2可知，S1剖面的137Cs比活度垂直分布特征自表层向下呈指数型降低，表层0～5 cm土层中137Cs比活度最高，5～15 cm土层中的137Cs比活度急剧降低，在25～30 cm土层中137Cs比活度略有增加；S2与S1趋势较为一致，表层0～5 cm土层中137Cs比活度最高，随土壤深度的增加，整体呈下降趋势，5～20 cm土层中137Cs比活度迅速下降，20～30 cm土层中137Cs比活度出现回升，30～35 cm又迅速降低，35～40 cm土层中未检出；S3表层0～5 cm土层中，137Cs比活度最高，但在5～15 cm土层中137Cs比活度下降较缓慢，20～35 cm土层中分布较为均匀，减少十分缓慢，35～40 cm土层中再次降低，整体随深度呈指数型降低。S1剖面取自坡顶位置且植被覆盖率较高，土壤137Cs面积比活度明显高于S2、S3。各剖面垂直迁移规律虽有不同，但三处剖面137Cs比活度均随土壤深度垂直分布特征呈指数降低的趋势。

图2 林地土壤中137Cs垂直分布特征

由表2可知，林地土壤中的137Cs面积比活度介于38.42～2 347.61 Bq·m-2之间，其中65.8%采样区域的137Cs比活度低于背景值906 Bq·m-2，介于38.42～902.89 Bq·m-2之间，平均面积比活度为404.92 Bq·m-2，变异系数为77.07%，表明各点处于侵蚀状态且变化幅度较大。仅有34%左右采样区域的137Cs含量大于906 Bq·m-2，介于931.58～2 347.61 Bq·m-2之间，平均值为1 712.57 Bq·m-2， 且变异系数相对较小(23.41%)。

表2 林地土壤137Cs面积比活度

由式(2)～(5)计算流域内的土壤侵蚀模数及总侵蚀量，并根据水利部制定的土壤侵蚀分类分级标准划分侵蚀程度等级，结果如表3所示。其中有13个样点林地土壤的沉积量介于23.35～621.41 t·km-2·a-1，平均沉积量为342.11 t·km-2·a-1， 研究流域林地土壤总沉积量约为11.9×103t·a-1。 研究流域内林地土壤侵蚀量介于47.10～2 729.62 t·km-2·a-1，研究区大部分划为轻度侵蚀以下，微度侵蚀、轻度侵蚀分别占比44%和52%，结合流域林地面积(102 km2)测算，该研究流域林地微度侵蚀和轻度侵蚀总侵蚀量分别为12.37×103和56.91×103t·a-1。

表3 土壤侵蚀模数及土壤侵蚀分级

2.2 土壤碳、氮、磷分布特征

土壤养分的剖面特征，能够准确反映养分随深度的变化趋势。由图3-A和表4可知，在三处剖面中，TOC含量自表层向下逐渐降低，0～5 cm土层中TOC含量均为最大，S2最为明显，S1各土层土壤中TOC含量下降幅度较为均匀，变化范围为22.78～49.08 mg·g-1， 均值为33.87 mg·g-1，明显高于其余两样点，接近全样样地平均值，表明该剖面TOC含量处于研究区内林地的平均水平；S2土壤的TOC含量于0～5 cm到5～10 cm土层降幅较大，10 cm之后含量分布较为均匀，降幅趋于平缓；S3与S2变化较为相似，0～15 cm土层降幅较大，后降幅趋于平缓，含量逐渐呈均匀分布。由图3-B可知，S1、S2点TN最大值均在0～5 cm的表层土壤中，随深度呈递减趋势，S3点随深度呈先增大后减小的趋势，最大值出现在15～20 cm处，与其他剖面分布略有差异。由图3-C可知，S1、S2 TP含量变化趋势十分平缓，0～20 cm TP含量分布稍有波动，20 cm以下TP含量分布逐渐均匀，S3中各层的TP含量均大于其余两处样点，TP含量变化范围为1.03～2.76 mg·g-1，均值为1.52 mg·g-1，是其余两处样点平均含量的2.2～6.3倍(表4)，该点更靠近磷矿，致使土壤中含磷量较高，且变化幅度较大，0～25 cm下降速度较快，25 cm后下降平缓，含量分布均匀。

图3 林地样点土壤中C、N、P垂直分布特征

由表4可知，除剖面样地外，其他样地土壤TOC含量介于2.94～50.56 mg·g-1之间，平均值为30.24 mg·g-1， 土壤TN含量介于0.55～6.78 mg·g-1之间，平均值为3.38 mg·g-1，土壤TP含量介于0.32～1.64 mg·g-1之间，平均值为0.71 mg·g-1。3种养分变异系数大小为TN(45.89%)>TP(38.83%)>TOC(33.58%)。根据式(6)～(7)计算出流域内林地土壤TOC、TN、TP平均流失量分别为19.25、2.05、0.97 t·km-2·a-1，结合流域面积102 km2可知研究区林地内TOC、TN、TP总流失量分别为1963.5、98.94 t·a-1(表4)。

S1、S2土壤TN含量随土层深度垂直变化趋势与TOC含量基本相同，结合其他样地的TOC、TN含量进行相关分析，二者具有极显著的正相关关系(P<0.01)(表5)，并且二者均与土壤侵蚀模数呈极显著的负相关关系(P<0.01)。TP含量与137Cs比活度、TOC含量、TN含量之间并无显著相关性，虽然与土壤侵蚀模数之间负相关关系，但相关性并不显著，由此表明TP与TOC、TN迁移及赋存特征明显不同，且土壤侵蚀模数对土壤TP含量的影响并不明显。

表5 137Cs比活度与土壤养分及土壤侵蚀模数的相关分析

2.3 坡度、植被覆盖率及土壤粒径分布对土壤侵蚀的影响

如图4所示，林地的土壤侵蚀量与坡度之间波动较大，土壤侵蚀模数在坡度5～15°范围内逐渐增加，在坡度15～38°整体呈降低趋势，坡度大于38°后又呈增加趋势，整体呈三次多项式的关系(R2=0.585 3，n=19)。受采样地形的限制，40°以上坡度的侵蚀数据较少，轻度侵蚀以上(>1 000 t·km-2·a-1)的区域多集中在坡度为10～25°的林间坡地上。由图5可知，植被覆盖率与侵蚀模数之间具有明显的负相关关系(R2=0.660 4，n=25)，轻度侵蚀以上(>1 000 t·km-2·a-1)的区域，其植被覆盖率在40%以下。有研究表明137Cs与土壤细颗粒紧密结合，并随着土壤颗粒发生机械迁移，对土壤流失具有较好的指示作用[20-21]。且土壤黏粒多以团聚体形式存在，对土壤抗蚀性具有一定的促进作用[22]。由表6相关性分析可知，黏粒比例与137Cs比活度及土壤侵蚀模数之间均呈极显著负相关，而土壤粉粒、砂粒比例均与137Cs比活度及土壤侵蚀模数之间无显著相关关系。如图6所示，土壤黏粒(<0.002 mm)含量范围为2.8%～18.57%，与侵蚀模数之间呈负相关关系(R2=0.666 5，n=25)，随着黏粒含量的增加，土壤侵蚀模数逐渐降低，土壤黏粒含量低于10%时，侵蚀程度普遍较高，多数侵蚀程度在轻度侵蚀以上。

图4 坡度与土壤侵蚀模数的关系

图5 植被覆盖率与土壤侵蚀模数的关系

图6 土壤黏粒含量与土壤侵蚀模数的关系

表6 137Cs比活度与土壤粒度及土壤侵蚀模数的相关分析

植被及坡度在一定范围内对土壤侵蚀影响明显。在10～25°坡度范围内，植被覆盖率低于40%，并且土壤黏粒(<0.002 mm)低于10%时，侵蚀强度在轻度侵蚀以上，侵蚀模数相对较大，侵蚀状况较为严重，结合表3可知，该范围内平均侵蚀量约为1 709.85 t·km-2·a-1， 总侵蚀量可达到64.43×103t·a-1。

3 讨论

人为扰动较少的土壤剖面中，随土层深度增加其137Cs比活度一般呈指数下降的趋势[23-24]。本研究中三处剖面137Cs比活度总体上均随土层深度增加呈指数下降趋势，表明三处剖面样地受人为影响较小，侵蚀情况主要受坡度、植被覆盖率等自然因素的影响。S2、S3剖面137Cs比活度低于S1，尤其是S2剖面，坡度与S1剖面接近(表1)，但土壤137Cs比活度明显低于S1剖面，主要原因是S1植被覆盖率高于S2、S3，S2、S3两处剖面地表相对裸露，致使137Cs随土壤颗粒流失。三处剖面以及其他采样区域之间137Cs比活度空间差异较大，且无明显规律，表明各采样区域土壤侵蚀空间分布差异较大，其主要原因可能是137Cs与土壤细颗粒紧密结合，在长期侵蚀或沉积过程中，随土壤的迁移而运动，而土壤的迁移又受多种因素影响，从而表现出其分布的空间异质性。相关研究表明，不同地貌部位137Cs含量不同，一般坡下部137Cs含量高于坡中上部[25]。本研究中林地土壤侵蚀以轻度侵蚀为主，其平均侵蚀量为1 631.41 t·km-2·a-1，是西南土石山区容许土壤侵蚀量[15]3倍以上，可见研究区林地中水土流失状况依然严峻。

土壤TOC含量随土层深度降低而下降，主要是由于林地地表枯落物腐化后致使土壤有机碳含量也随之增加[26]，并且137Cs比活度和土壤有机碳与细小根系的根密度显著正相关[27]。而本研究中土壤137Cs比活度、TOC含量与土壤侵蚀模数呈极显著负相关关系(表5)，土壤137Cs比活度越高、TOC含量越丰富，其土壤侵蚀模数越小。地表枯落物分解，部分氮被分解释放到土壤中[28]，对土壤TN含量及分布产生影响，除此之外，林下植被根系分布、生物固氮作用、林地间伐、林窗大小等因素均能对林间土壤氮素含量的变化产生影响[29-30]。土壤TN含量随深度变化趋势(除S3)与TOC基本相同，并且土壤TOC含量与土壤TN含量呈极显著正相关关系(表5)，这与前人研究基本一致[31-33]，表明地表枯落物分解对土壤TN含量及分布的影响高于其他因素。三处剖面土壤TP表层变化幅度较大，土壤下层分布较均匀，变化幅度较小，其主要原因是上层土壤受土壤迁移影响较大，而下层土壤受侵蚀影响较小，且磷素在地壳中迁移速度较慢[34]。

Martinez等[35]研究指出，土壤有机碳含量与137Cs比活度无明显相关性，土壤有机碳分布受生物呼吸、氧化、矿化的影响高于土壤侵蚀。而本研究中，土壤TOC、TN含量与137Cs比活度呈极显著正相关关系，由此推断在本研究中，相对于植物吸收利用的影响，TOC、TN的分布可能更多的受土壤侵蚀影响。土壤养分与137Cs均会随土壤颗粒发生机械迁移，TOC、TN与137Cs可能具有相似的物理运移特征[36-37]，有研究基于137Cs与土壤碳氮的相关性提出设想，可通过监测137Cs变化，预测土壤碳氮流失量[38]。本研究中，TOC、TN及137Cs在土壤中的含量与土壤侵蚀模数呈极显著负相关关系，说明土壤侵蚀对土壤中TOC、TN含量分布的影响明显，并且随土壤侵蚀的加剧，土壤中TOC、TN含量明显降低。土壤TP含量与土壤TOC含量、TN含量、137Cs比活度以及侵蚀模数均无显著相关性，垂直分布特征也与土壤TOC、TN有明显区别，可能受当地土壤本身较高的含磷量影响较大。通过对土壤养分(TOC、TN、TP)流失量与土壤侵蚀/沉积量的线性拟合可知(表7)，土壤TOC、TN、TP流失量与土壤侵蚀/沉积量之间R2值分别为0.857 8、0.727 7、0.724 2，土壤侵蚀或沉积与养分流失之间具有较好的相关性，进一步证明了土壤侵蚀是致使养分流失的主要因素[8,39]。

表7 土壤养分流失量与土壤侵蚀量线性拟合

坡度是研究土壤侵蚀或沉积必须考虑的因子之一。部分研究认为在一定范围内，坡度越大，土壤侵蚀程度越强[40]。针对坡度对土壤侵蚀的影响，有研究指出，坡面土壤侵蚀存在临界坡度范围，且不同坡面侵蚀类型的临界坡度不同，一般而言，随着侵蚀程度的加强，其临界坡度也随之增加。以溅蚀为主时，临界坡度一般小于22°[41]，本研究中，在一定的坡度范围内，土壤侵蚀模数随坡度增加呈先增加后减小的趋势，临界坡度在15°左右，结合137Cs剖面特征可知，林地侵蚀主要以自然侵蚀为主，表明研究区内林地侵蚀形式以降雨引起的溅蚀为主。另有研究表明，云南滇池土壤侵蚀主要集中在8～35°范围内，其中15～25°区域的侵蚀贡献量最大[42]，与本研究结果较为吻合。本研究中侵蚀强度在轻度侵蚀以上(>1 000 t·km-2·a-1)的多集中在10～25°范围内，由于养分流失与土壤侵蚀具有较好的相关性，由此推断，在10～25°范围的山坡林地中，养分流失也较为严重。

植被覆盖率对水土保持具有重要作用，植被能够增加水的渗透，拦截降雨，减少径流量和流速，并能利用根系的固土能力来减少侵蚀[43]。植被覆盖率一般与土壤侵蚀模数呈负相关关系[44-45]，本研究与之相似，随植被覆盖率的增加，土壤侵蚀模数呈降低趋势。植被覆盖率增加，使地表枯落物增加，土壤养分的外源输入也会随之增加，能够对地表土壤起到一定的保护作用，并且土壤覆被类型不同，地表凋落物分解情况、根系分布等均存在一定差异，从而造成养分输入及理化性质的不同[46]。本研究中植被覆盖率低于40%时，侵蚀强度较大，皆处于轻度侵蚀以上，主要是地表相对裸露，易受到水力等外营力的影响。

土壤黏粒及细粉粒比表面积较大，可以改善土壤吸湿量及持水性等物理性质，对137Cs也具有极强的吸附作用[47]。另外土壤细颗粒之间容易相互吸附形成土壤团聚体，有利于土壤有机碳的积累[48]，使土壤结构更为稳定，从而增加土壤抗蚀性[22]，相关分析和回归分析也表明，随着黏粒含量的增加，土壤侵蚀有所减缓。但研究区内土壤黏粒含量介于2.8%～18.57%之间，相对含量较低，可能与当地地质条件或成林前的自然侵蚀有关。另有研究表明，林龄对土壤侵蚀也具有一定影响，随林龄增长，林木对土壤颗粒及团粒结构具有显著改良作用，使土壤抗蚀性增强[49]。本研究中，不同样地侵蚀差异较大，树龄多以中龄林为主，林龄区分并不明显，林龄以及树种、林下植被、林分结构等因素对土壤侵蚀及养分流失的影响有待深入研究。

4 结论

本研究表明，退耕还林以来研究区内土壤侵蚀状况有所减缓，人为扰动较少，主要以自然侵蚀为主，在坡度10～25°以及植被覆盖率低于40%的山坡林地中侵蚀状况相对严峻，并且土壤黏粒含量较低，土壤质地有待改善。研究区内以轻度侵蚀(1 000～2 500 t·km-2·a-1) 为主，土壤沉积模数远小于侵蚀模数，且侵蚀范围较广，研究区域内林地侵蚀状况依然严重。养分流失量与土壤流失量，具有明显的线性拟合关系，土壤侵蚀仍是影响养分流失的主要因素。土壤TOC、TN含量与137Cs比活度呈极显著正相关关系，土壤TOC、TN与137Cs可能具有相似物理迁移特征。后续研究可通过137Cs的指示作用，完善土壤养分流失方面的模型。本研究的研究对象为林地，但对林地结构、树种、林龄并未进行细致划分，针对不同林地结构、树种、林龄的土壤侵蚀以及养分流失特征有待进一步研究。