广西集约化甘蔗种植小流域土壤侵蚀及养分流失时空特征

刘小梅，李 勇，黄智刚，王 旭，黎静宜，黄俣晴

(广西大学农学院，530004，南宁)

甘蔗(Saccharumofficinarum)是全球重要的糖料作物和能源作物[1]，中国作为甘蔗的第3大生产国，近70%的甘蔗种植在坡耕地上[2]。中国甘蔗种植主要分布在广西、广东、云南、海南等省(区)。其中广西2020年甘蔗种植面积和产量分别占全国约65%和70%[3]。甘蔗主要种植于土层较薄的赤红壤和红壤的旱作坡耕地上，生长周期较长，6—9月是快速生长期，与雨季同步，农民为了增产过度施肥及顺坡等不合理的耕作措施，在降雨径流的冲刷下，极易诱发土壤侵蚀，氮、磷等养分随径流进入水体，导致毗邻受纳水体受到危害。因此，快速定量估算甘蔗坡地土壤侵蚀与养分流失对区域经济可持续发展和农业非点源污染防控具有重要意义。但目前针对甘蔗不同生长期坡地的土壤侵蚀、养分流失等方面研究不够明晰，有必要进一步探究其侵蚀、养分流失特征及其影响因素，为防治甘蔗坡地土壤侵蚀、养分流失提供依据。

目前，有关甘蔗土壤侵蚀和养分流失的研究主要集中在田间监测和径流小区，谢如林等[4]利用田间监测法，发现广西旱坡地甘蔗种植增施N、P肥均可提高径流水的N、P含量，绝对值增加50%，流失系数略有增加。区惠平等[5]通过长期肥料径流定位监测，分析不同施肥下甘蔗产量稳定性、肥料贡献率及氮、磷养分地表径流流失量的影响，发现过量施入氮、磷肥显著增加氮、磷流失量，但对氮、磷肥径流流失率无显著影响。秦芳等[6]利用径流小区法，探究广西旱坡地不同施肥和种植经营模式对养分径流总量、流失率和利用率的影响，筛选出适合南方旱坡地推广的经营模式。然而这些方法野外工作较繁杂，在大尺度如区域尺度研究中受限。随着水土保持数字化发展，基于GIS技术并结合评价水土流失量的模型进行土壤侵蚀定量研究，经验模型USLE、RUSLE因其机制较简单且数据易获取，在国内外广泛应用。利用土壤侵蚀模型可以快速有效估算土壤侵蚀和养分流失[7-9]，但是利用土壤侵蚀模型估算广西集约化甘蔗种植小流域土壤侵蚀和养分流失的研究鲜有报道。为此，笔者在GIS技术的支持下，利用RUSLE模型和野外采样相结合，以广西典型赤红壤集约化甘蔗种植那辣小流域为研究对象，定量估算流域甘蔗坡地的年均土壤侵蚀速率和土壤侵蚀强度，探究各子流域甘蔗不同生长期坡地的土壤侵蚀、养分流失特征，以及降雨、植被覆盖对土壤侵蚀的影响，并分析甘蔗坡地土壤全氮、全磷流失与施肥量的关系。研究结果可为明晰广西集约化甘蔗种植小流域甘蔗坡地土壤侵蚀、养分流失及农业非点源污染治理提供理论依据。

1 研究区概况

那辣小流域位于广西崇左市扶绥县境内，地理坐标为E 107°39′29″～107°40′17″，N 22°20′36″～22°20′50″，流域总面积为1.29 km2(子流域SW1、SW2和SW3面积分别为0.22、0.62和0.45 km2)，流域流向连接左江流域的客兰水库。它为广西最大水库之一(图1)。流域为山地丘陵地貌，坡度在0～33°之间(子流域SW1、SW2和SW3的平均坡度分别为7.29°、8.81°和9.16°)，属南亚热带湿热气候区，年平均气温20 ℃～25 ℃，雨量充沛，全年降雨主要集中在5—9月，年降雨量在1 100 mm左右，土壤类型为赤红壤(表土质地为粉质壤土)，第四纪红土母质，土壤呈酸性，pH值为4.7～5.2。流域坡耕地全种植甘蔗，面积占土地利用总面积的83%，林地种植桉树，占土地利用总面积的11%，道路和沟渠共占土地利用总面积的6%(图2)。该小流域3月左右种植甘蔗并在12月—翌年2月收割，一般连续种植3～4 a再翻耕新种。那辣小流域甘蔗在整个生长期，一般苗期3、4月施基肥，分蘖期5、6月施追肥(表1)。

图1 那辣小流域在广西地理位置及采样点分布Fig.1 Geographical location and distribution of sampling points of Nala watershed in Guangxi

表1 那辣小流域甘蔗施肥情况

2 数据与方法

2.1 模型计算与数据来源

采用RUSLE模型[10]来估算那辣小流域的土壤侵蚀速率：

A=RKLSCP。

式中:A为土壤侵蚀速率，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；LS为地形因子(L为坡长因子，S为坡度因子)，量纲为1；C为植被覆盖与作物管理因子，量纲为1，取值范围0～1；P为水土保持措施因子，量纲为1，取值范围0～1。

图2 那辣小流域土地利用类型图Fig.2 Land use types in Nala watershed

1)降雨侵蚀力因子R的计算采用Wischmeier等[11]提出的基于月降雨数据的简化算法，数据来源于那辣流域在线监测站收集的2020年的月降雨和年降雨数据，按甘蔗4个生长期划分并计算得到流域4个时期的降雨侵蚀力因子。流域甘蔗4个生长期坡地的降雨侵蚀力值如表2所示。

表2 2020年那辣小流域甘蔗不同生长期降雨侵蚀力

2)土壤可蚀性因子K的计算采用Williams等[12]在EPIC模型中的方法。流域土壤类型数据来源于寒区旱区科学大数据中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)的1∶100万全国土壤类型数据并通过实地调查和采样分析研究区土壤类型情况，土壤粒径数据和有机碳含量数据主要参考土壤属性数据库中研究区所在扶绥县的土壤属性数据和流域土壤样品的实测数据。

3)坡度坡长因子LS的计算，坡长因子采用Wischmeier等[11]提出的计算公式，坡度因子的计算，缓坡运用McCool等[13]提出的坡度计算公式，陡坡采用刘宝元的计算公式[14]。数据来源于流域测绘所得约为3 m空间分辨率的DEM数据。

4)植被覆盖与管理因子C的计算，先利用过绿减过红植被指数算出植被覆盖度[15]，再根据蔡崇法等[16]的植被覆盖度与C因子的关系式计算出C因子。流域植被覆盖度数据获取来源于2020年用无人机在甘蔗4个生长期(苗期：3月；分蘖期：6月；伸长期：8月；成熟期：11月)拍摄的4景影像图，影像分辨率为5 cm，将4景影像图按公式计算得到流域4个时期的植被覆盖与管理因子。

5)水土保持措施因子P的计算根据流域土地利用现状和相关研究报道[17]，对每一种土地利用类型赋予P值，坡耕地P值为0.4，林地为1，沟渠为0，道路为0.2。流域2020年土地利用类型图，由无人机航拍影像图进行人工解译及实地调查获得。在ArcGIS中把各因子栅格图通过叠加分析得到那辣流域4个时期的土壤侵蚀速率图，再把流域土地利用类型图与4个时期的土壤侵蚀速率图进行叠加分析，提取流域甘蔗坡地的土壤侵蚀速率即得到流域甘蔗4个时期坡地的土壤侵蚀状况。

2.2 土壤采样及养分流失估算

由于流域甘蔗坡地4个生长期的土壤侵蚀变化较大，而养分含量变化不大，采样在2021年1月进行，在3个子流域各选取2个典型甘蔗坡地坡面采集的土壤样品(子流域SW1的采样坡面编号为H1和H2，子流域SW2的采样坡面编号为H3和H4，子流域SW3的采样坡面编号为H5和H6)。土壤样品采集方法：每个甘蔗坡面按坡顶、坡上、坡中上、坡中下、坡下和坡底6个坡位采样(子流域SW2的坡面H4只采坡中下、坡下和坡底3个坡位的样品，SW3的坡面H5除了坡顶，其余坡位都采了样品)，在每个坡位，按一定间距沿着等高线设计3个采样点，采集深度为0～15 cm的表层土柱样品。样品用于测定土壤密度、有机碳(soil organic carbon,SOC)、全氮(total nitrogen,TN)、全磷(total phosphorus,TP)含量。测定方法：土壤密度采用烘干称量法，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法，土壤全氮采用全自动凯氏定氮法，土壤全磷采用HClO4-H2SO4法。本研究根据流域SOC、TN和TP含量和土壤流失速率估算SOC、TN和TP流失速率[18]。

2.3 土壤侵蚀强度分类分级

利用ArcGIS的空间分析工具，将流域各土壤侵蚀因子进行连乘，得到各像元年土壤侵蚀速率图，再把流域土地利用类型图与土壤侵蚀速率图进行叠加分析，提取流域甘蔗的土壤侵蚀速率(用流域甘蔗坡地年平均土壤侵蚀速率)并根据水利部制定的SL190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》[19]进行等级划分，获得那辣小流域甘蔗坡地土壤侵蚀强度分级状况。

3 结果与分析

3.1 流域甘蔗坡地土壤侵蚀等级

由表3可知，2020年，那辣小流域甘蔗坡地平均土壤侵蚀速率为18.86 t/(hm2·a)，属轻度侵蚀，流域甘蔗坡地轻度侵蚀等级以下的侵蚀面积比例为80.42%，土壤侵蚀量为471.54 t/a，侵蚀量占侵蚀总量的23.43%，中度侵蚀面积占总面积的10.37%，强烈侵蚀等级以上的面积占总面积的9.20%，土壤侵蚀量为1 146.40 t/a，侵蚀量占侵蚀总量的56.95%。

表3 那辣小流域甘蔗坡地土壤侵蚀统计特征

3.2 土壤侵蚀及有机碳、总氮、总磷流失时空变化

由表4可知，流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率在不同生长期的变化特征为分蘖期>伸长期>苗期>成熟期，分蘖期的土壤侵蚀速率最大，3个子流域的甘蔗坡地在分蘖期土壤侵蚀总量占全生长期的95.66%～97.40%，苗期、伸长期和成熟期的土壤侵蚀总量均处于很低水平，占全生长期的0～4%。流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率在3个子流域的变化特征为SW3>SW1>SW2，子流域SW3的甘蔗坡地土壤侵蚀速率比SW1、SW2分别高0.01～3.53 t/hm2和0.01～3.89 t/hm2。流域甘蔗坡地土壤SOC、TN和TP流失速率与土壤侵蚀速率的时间变化特征一致，但与土壤侵蚀速率的空间变化特征不一致。分蘖期甘蔗坡地土壤SOC和TN流失速率为SW3>SW2>SW1，其中，子流域SW3的甘蔗坡地土壤SOC流失速率比SW1、SW2分别高42.96%、33.46%，子流域SW3的甘蔗坡地土壤TN流失速率比SW1、SW2分别高48.61%、26.11%，甘蔗坡地土壤TP流失速率子流域SW1比SW2、SW3皆高8.07%，这与子流域施肥和土壤的本底值有关。

表4 那辣小流域甘蔗坡地土壤侵蚀与SOC、TN、TP流失的时空变化特征

3.3 土壤侵蚀变化与降雨、植被盖度的关系

流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率与降雨量和植被盖度的关系如图3所示。结果表明，3个子流域甘蔗坡地土壤侵蚀、降雨量和植被覆盖度在苗期变化规律一致，均显著小于分蘖期和伸长期，处于较低水平；3个子流域甘蔗坡地在分蘖期的土壤侵蚀与降雨量均呈最大值，土壤侵蚀分别是苗期、伸长期和成熟期的294、29和3588倍，降雨量比苗期、伸长期、成熟期分别提高275.8%、53.5%和552.8%，但植被覆盖度与土壤侵蚀的关系在整个生长期的变化规律不一致，分蘖期的植被覆盖度显著大于苗期，处于中等水平，比伸长期、成熟期分别低8%、12%；伸长期和成熟期的甘蔗坡地土壤侵蚀速率与降雨量呈显著正相关，随降雨量的减小急剧下降，但甘蔗坡地土壤侵蚀速率与植被覆盖度相关性不大。

图3 甘蔗不同生长期坡地土壤侵蚀速率与降雨量和植被盖度的关系Fig.3 Relationship between soil erosion rate and rainfall and vegetation coverage on the sloping fields of sugarcane in different growth periods

3.4 TN、TP侵蚀流失与施肥量的关系

在分析流域非点源污染影响因素中，探讨了甘蔗不同生长期坡地化肥施用量与养分流失速率的相关关系。由图4可知，甘蔗坡地氮肥施用量与TN流失速率呈显著正相关(R2=0.988 8，P<0.01)，磷肥施用量与TP流失速率也呈显著正相关关系(R2=0.890 3，P<0.01)。

图4 那辣小流域甘蔗坡地全氮、全磷流失速率与氮、磷肥施用量的关系Fig.4 Relationship between the rate of total nitrogen and total phosphorus loss and the amount of nitrogen and phosphorus fertilizer applied on the sugarcane sloping fields in Nala watershed

4 讨论

4.1 模型精度及其计算结果比较

利用RUSLE模型计算2020年那辣小流域甘蔗坡地平均土壤侵蚀速率为18.86 t/(hm2·a)，属轻度侵蚀，远高于水利部规定的南方红壤丘陵区土壤允许流失量5 t/(hm2·a)的标准。流域甘蔗坡地轻度侵蚀等级以下的侵蚀面积比例为80.42%，侵蚀量占侵蚀总量的23.43%，而强烈侵蚀等级以上的面积占总面积的9.2%，侵蚀量占侵蚀总量的56.95%，因此流域内水土流失治理任务依然艰巨。根据实测那辣小流域2017—2019年甘蔗坡面蚀沟速率为18.9～32.0 t/(hm2·a)[20]，与本研究用RUSLE模型估算的流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率(18.86 t/(hm2·a))相接近，说明该模型的土壤侵蚀估算结果较准确。

4.2 甘蔗土壤侵蚀与养分的时空变化

流域甘蔗坡地的土壤侵蚀速率在不同生长期的变化特征为分蘖期>伸长期>苗期>成熟期，分蘖期的土壤侵蚀速率最大，由于流域大的降雨事件主要集中在分蘖期，降雨多，此时植被覆盖不能有效阻挡降雨对表层土壤的冲刷，引发严重的土壤侵蚀。流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率在3个子流域的变化特征为SW3>SW1>SW2，这可能与各子流域的坡度，甘蔗新植、宿根面积，横坡、顺坡种植面积等有关。各子流域坡度为SW3>SW2>SW1，可能由于SW3坡度大，导致侵蚀更严重，表明子流域坡度的差异影响土壤侵蚀速率。向宇国等[21]研究表明植烟坡耕地临界坡度随降雨强度变化而变化，坡度显著影响土壤侵蚀强度。侯宁等[22]用人工降雨探究了当坡度从5°增加到25°时，耕作侵蚀坡面产沙量增加，15°可能是耕地- 水复合侵蚀坡面产沙的临界坡度。根据调查，2020年子流域SW1、SW2和SW3甘蔗新植面积比例分别为43.97%、32.36%和32.89%，流域甘蔗横坡种植比例较大。新植甘蔗的地面凋落物覆盖度及甘蔗根系密度均低于宿根甘蔗，坡面沟蚀速率随地面凋落物覆盖度、根系密度的增大而减小[20]，顺坡蔗地坡面径流量和侵蚀量是横坡蔗地的1.9，2.3倍[23]。流域甘蔗坡地SOC、TN和TP流失速率与甘蔗坡地土壤侵蚀速率的时间变化特征一致。甘蔗分蘖期坡地SOC、TN流失速率为子流域SW3>SW2>SW1，而TP流失速率为子流域SW1大于SW2、SW3。这与子流域施肥和土壤的本底值有关。各子流域氮肥施用量为SW3>SW2>SW1，磷肥施用量为SW1>SW3>SW2，各子流域全氮含量为SW3>SW2>SW1，全磷含量为SW1>SW2>SW3。Li等[24]研究那辣小流域表明来自子流域SW1的泥沙沉积物和颗粒态氮、颗粒态磷大于SW2、SW3，并发现子流域SW1道路和河道侵蚀的沉积物和相关养分输出比SW2、SW3的贡献更大。这与本研究结果有不同之处，可能原因是研究方法和研究对象不同，本文研究的是流域甘蔗坡地土壤侵蚀和养分流失，而且流域甘蔗坡地土壤侵蚀和养分流失受降雨、植被覆盖、种植模式和肥料施用量等多尺度驱动因素的影响。

4.3 甘蔗坡地土壤侵蚀的影响因素

3个子流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率、降雨量和植被覆盖度在苗期变化规律一致，均显著小于分蘖期和伸长期，处于较低水平。降雨强度和降雨量共同影响土壤侵蚀的变化，降雨达到一定强度才会产生径流，雨量则会改变降雨强度[25]。由于苗期降雨较少，产流小，较少发生土壤侵蚀。3个子流域在分蘖期的土壤侵蚀速率与降雨量均呈最大值，植被覆盖度与土壤侵蚀速率的关系在整个生长期的变化规律不一致，主要受降雨影响。分蘖期降雨量多且强度大，过分集中的雨水使土壤含水量常处于较高水平，甘蔗为剑形叶片及冠层结构简单。植被覆盖不足以抵挡降雨对地表的冲刷，导致土壤侵蚀较严重。伸长期和成熟期的甘蔗坡地土壤侵蚀速率与降雨量呈显著正相关，随降雨量的减小急剧下降，甘蔗在伸长期，植被覆盖较大，行间隙减小，拦截降雨能力增强。赵娅君等[26]研究发现随着作物生长，玉米对坡面产流产沙的抵御作用增强，幼苗期效果微弱，抽雄期最盛，不同生育期玉米地坡面的土壤流失比率与叶面积指数有较好的指数相关关系。Abdalla等[27]研究发现，甘蔗种植区地表覆盖与土壤侵蚀呈负相关关系，为了减轻土壤侵蚀，要采取适当的土地管理措施来增加植被覆盖。宋嘉等[28]研究表明，坡度、降雨量、降雨强度与水土及养分流失呈正相关关系，这与本研究结果有相似之处。但降雨强度达到一定值才会产生径流，产沙、输沙受降雨强度和径流量影响大于降雨量[29]。本研究考虑了降雨量，没有考虑雨强和径流，在今后的研究中可以适当改进模型的参数。

4.4 甘蔗坡地施肥对TN、TP流失的影响

经走访调查，2020年流域甘蔗坡地氮肥、磷肥(纯氮、纯磷)平均施用量分别为220.20和19.60 kg/hm2。 由表5可知，各子流域甘蔗坡地TN和TP流失量占施肥量的比值分别为8.73%～13.27%和11.16%～13.17%。其中，子流域SW3的甘蔗坡地TN和TP平均流失量最大，原因是受各子流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率、养分含量和施肥量差异的影响。各子流域甘蔗坡地TN、TP流失速率分别与氮肥和磷肥施用量呈显著正相关关系，原因是流域甘蔗坡地苗期施基肥。加上对地表的扰动较大，植被覆盖度较低，降雨容易冲刷地表，导致水土、养分流失。而分蘖期大量施追肥，此时流域降雨多且强度大，地表径流把土壤携带养分冲走，导致土壤、养分流失速率较大。有研究表明，坡面氮、磷流失量与降雨量和雨强呈显著正相关[30]，与本研究结论一致。区惠平等[5]研究南方赤红壤蔗区表明，施肥显著提高氮、磷养分地表径流流失量。Li等[31]研究了那辣小流域地块面积增大，导致河道侵蚀造成的养分流失，与流域化肥施用量的减少效益相互抵消了。这表明土壤侵蚀造成的养分流失在减少施肥的环境效益评估中不可忽略。为提高集约化蔗区的经济效益和减少农业非点源污染对环境的影响，要科学调整农事活动管理措施，尽量避免在短历时强降雨极端事件频发期前进行翻耕、施肥等。

表5 不同子流域甘蔗坡地TN、TP流失量及其占化肥施用量的比例

5 结论

1)2020年那辣小流域甘蔗坡地平均土壤侵蚀速率为18.86 t/(hm2·a)，属轻度侵蚀；2)流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率在不同生长期的变化特征为分蘖期>伸长期>苗期>成熟期，流域甘蔗坡地土壤SOC、TN和TP流失速率与土壤侵蚀速率的时间变化特征一致；3)流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率在不同生长期的变化受降雨影响比较大。因此，要注重流域甘蔗坡地土壤侵蚀的防治，根据流域甘蔗坡地土壤侵蚀和养分流失特征，采取有效的防治措施。例如合理的种植方式，适当增加地表覆盖，科学施肥等。