南方红壤丘陵区公路工程建设对土壤养分流失的影响

2022-06-07周一龙刘克非

公路工程 2022年2期

赵青，周一龙，周佳，刘克非

(1. 湖南省高速公路集团有限公司，湖南长沙 410022；2. 湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410018；3.中南林业科技大学，湖南长沙 410004)

0 引言

红壤丘陵区是我国热带和亚热带经济和粮食作物的重要生产基地，主要分布于南方地区，涉及国土面积218×104 km2，占总面积的22.7%。然而，这类土壤黏粒含量高，通透性差，pH一般为5～6，属酸性土壤，有机质含量少，蓄水保肥能力和抗侵蚀能力较差，水土流失较为严重。因此合理开发利用这类土地，改善土壤性质，防治水土流失和面源污染对实现红壤丘陵区生态可持续发展具有重要意义[1-2]。

本文以湖南省“五纵七横”高速公路网的第三纵岳阳(湘鄂界)至临武(湘粤界)高速公路为研究对象，项目走廊带位于典型的红壤丘陵区。通过室内试验研究公路路域表土和养分流失的机理和规律，研究成果对南方红壤丘陵地区生态脆弱区公路工程建设中的土地资源保护，及路域生态恢复具有重要参考价值[3-4]。

1 研究方法

1.1 红壤丘陵区土壤养分含量调查

分别在湖南省长沙市、衡阳市、湘潭市选取公路路域有代表性的表土堆放防护和利用方式的样地和边坡作为样地，在每个地区分别选取经济林地、山地、弃土场、取土场和农耕地5种土地利用类型，每种类型设置2～3块样地。在各采样点沿垂直土壤剖面进行表层和亚表层土壤的取样，最大取样深度不大于1 m。取样深度间隔：0～30 cm，每隔10 cm取一个样;30～100 cm，每隔20 cm取一个样。采用环刀取样，牛皮纸袋封存样品[5-6]。

分别采用土壤粒度分析仪、扩散法和NaOH熔融-钼锑抗比色法测定土样的粒度、氮素和磷素含量。

1.2 人工模拟降雨淋蚀试验

首先，在降雨前分上、下层测定表土堆养分含量、含水量、粒度等技术指标；然后，采用弱(小于0.5 mm/min)、强(大于1 mm/min)2种雨强分别进行淋蚀试验，试验区设置方法和编号见表1。降雨过程中，采用便携式土壤养分测定仪和土壤含水量仪实时测定土堆上、下层养分和含水量。最后，总结表土堆养分含量随降雨过程的变化规律。

根据当地年降水资料，按照实际年降雨量和降雨强度进行模拟淋溶。降雨强度为140～180 mm/hr，降雨雨滴达到的终点速度满足天然降雨特性，降雨均匀度大于80%。测定不同降雨量和降雨强度下，土堆上、下层养分和含水量的变化。

表1 人工模拟降雨淋蚀试验区设置和编号Table 1 Setting and number of artificial rainfall erosion test area试验区坡度/(°)表面裸露植草(苜蓿、三叶草)完全覆盖30a-lla-zca-fg18b-llb-zcb-fg

2 自然降雨条件下土壤养分变化规律

样品测试结果表明，年季内变化中农田的土壤表层养分流失最为严重，其中溶解态、有效态营养元素变化最为明显。表现为表层土(0～10 cm)总氮雨季后0.09%<雨季前0.148 1%，有机质雨季后2.67%<雨季前5.03%，有效态的氮雨季后同比减少43%，而速效磷则在雨季后减少了87.2%。测试土壤中除钾元素因含量较高而变化较小外，雨季后其余营养物质含量均明显降低。

自然降雨条件下，弃土场样地土壤紧实度增加，表层土壤养分含量相比雨季前有所减少，但减少趋势明显好于农耕地组，表明改变紧实度对土壤养分的保护有促进作用，这与农耕区表层耕作、人为翻耕、播种等情况有关。红壤丘陵区降雨量大、降雨集中、水蚀严重，因此对表层土壤的侵蚀加剧，而改变表层土壤的紧实度可提高土壤的抗风化能力，减轻表面水流冲刷。

自然降雨条件下，取土场样地表层土壤养分含量减少较为明显，但其氮、磷、有机质等土壤养分指标较弃土场样地和恢复林地有所增加。表层养分流失严重：速效氮雨季后含量7.9 mg/kg<雨季前含量19.7 mg/kg，有效磷雨季后含量1.43 mg/kg<雨季前含量2.99 mg/kg。这可能与取土施工对植被破坏较大、增大了裸露面积，植物在初期生长阶段对土壤的附着能力较差、植株较小对雨水的冲刷作用抵抗能力弱有关。

经济林地土壤养分测定结果表明，恢复林地对土壤养分的保护作用较为明显，土壤的有机质含量由雨季前的2.29%变为雨季后的2.21%，这一结果尚未加入植被生长周期结束后对土壤的归还作用。表明乔木植被对保护土壤侵蚀具有双重作用：一是在根际，良好的根系能固持土壤，减少侵蚀易发性；二是植物茎杆可降低流水速率，进而减弱径流的挟沙量。

综上，可初步判定表土堆放方式中，养分保护的效果由强到弱依次为：经济林地>山地>弃土场>取土场>农耕地[7-8]。

3 人工模拟降雨条件下土壤养分变化规律

人工模拟降雨条件下土壤养分的变化主要研究试验土槽内部的表层土壤在各个降雨时段内不同坡位处的养分变化、径流泥沙中的养分变化和降雨径流中的养分变化。

3.1 有机质变化特征

不同坡度条件下有机质含量测试结果见图1和图2。

人工模拟降雨试验结果表明：①在不同的坡面位置，土壤中有机质的流失随着降雨历程的进行逐渐减少，其中完全覆盖试验组有机质含量变化最小，其次为植草组，流失最为严重的是表面裸露组。②同一坡面中，坡上端有机质流失最少，下端流失较为严重，最严重时达0.028 1 g·h/(kg·mm)，

(a) 坡上部

(b) 坡中部

(a) 坡上部

(b) 坡中部

说明表面无覆盖的坡面下端是有机质流失的敏感区域。虽然植草实验组保护效果不如完全覆盖组，但不可否认植被可有效防止土壤侵蚀和养分流失。植被可在改善土壤理化性质、水文性质和土壤结构的基础上改良微地形，进而有效阻止水土流失，并切实提高土壤的可蚀性和入渗能力。③模拟降雨共经历5次降雨试验，其中第2、3次养分流失比例较高，从第4次模拟降雨试验开始流失速率逐渐降低，说明在前期降雨过程土壤溶液的可溶性养分逐渐释放于雨水中，吸附于土粒中的养分也同时扩散，结合在土粒表面中的有机态养分随不同粒径团聚体的溅蚀而分离于土体。溅蚀发生于土壤养分流失的起始阶段，而后会在降雨过程中进一步出现面状水流冲刷，进而发展为细沟浅沟状侵蚀。④不同降雨强度对径流作用下土壤养分浓度的影响不大，但对养分浓度出现峰值的时间有一定影响。在较强的降雨强度下，各养分浓度出现峰值的时间提前，而泥沙中的养分含量则与降雨强度无关。坡面表层土壤养分含量在人工降雨试验后逐渐衰减，并表现出随降雨强度增大，养分含量衰减幅度也随之增大的规律。⑤当坡度由30°放缓至18°时，完全覆盖试验组和植草试验组养分流失量与30°陡坡相比差别不大，均呈现出有机质含量变化较小的趋势。30°陡坡条件下，表面裸露试验组有机质流失比例降低明显，表明在无保护措施的情况下，地形条件对土壤养分流失影响较大。

3.2 氮素变化特征

不同坡度条件下氮素含量测试结果见图3和图4。

人工模拟降雨试验结果表明：①人工模拟降雨试验中土壤的氮素变化规律与有机质非常类似，在坡顶位置氮素呈现持续下降，其下降速率为0.000 63 g·h/(kg·mm)，流失量由坡上向坡下逐渐升高，在坡底部为全氮流失最敏感区域。②当

(a) 坡上部

(b) 坡中部

(a) 坡上部

(b) 坡中部

试验坡度为30°时，氮素流失变化速率大小为ll>zc>fg，且植草试验组氮素含量变化也比裸露组平缓得多，植草对土壤的保护作用较为明显。③当试验坡度为18°时，氮素的流失曲线明显变缓，除裸露组在坡顶部位置第1次降雨时氮素值出现了1次骤降外，其余试验过程中无论是植草还是完全覆盖组，在坡中、坡底均未呈现氮含量随雨量骤减的情况。另外，植草组、完全覆盖组试验中氮素的减小比例极低，说明坡面植被覆盖情况影响降雨在坡面的再分配，不同植被覆盖条件下降雨沿坡面各断面的径流量不尽相同。由坡顶至坡脚，径流量沿程增加，径流侵蚀作用逐步叠加，侵蚀加剧，土壤养分流失也愈加严重。

3.3 磷素变化特征

由于模拟降雨测试土壤中的磷素含量结果差异不显著，在此不列出测试数据，仅给出结果如下：①本研究中磷的含量在各试验组中均未显示出明显变化，30°坡裸露组磷含量由初始的0.041%～0.052%，至第2次人工降雨时为0.030%～0.059%；完全覆盖组磷含量由初始的0.028%～0.063%，至第2次人工降雨时为0.031%～0.052%，表明覆盖作用对土壤磷素的影响变化不大，说明本试验中水溶态磷含量较低，在经历降雨试验后水溶态磷损失对磷总量变化贡献较小。②在坡度降低后，由于土壤自身水溶性磷含量较低，磷素的变化值依然较小，且没有表现出明显规律。③需要强调说明的是，本研究应用的土壤为耕作土壤，上下层营养盐含量相当，故土壤中磷含量在降雨过程中变化趋势不显著。而在野外的自然条件，土壤表层由于植被生长富集，通常磷素含量较为充分，在表土剥离后存放过程中，如不加以保护，表层土壤长时间受径流冲刷，土壤团粒结构随汇水流失受影响变化较大，土壤磷素吸附态成分将流失殆尽，进而影响土壤的营养状况[9-10]。