坡地土壤侵蝕與養分富集作用研究

劉培靜，李苗苗，王帥兵

（西南林業大學 環境科學與工程學院，云南 昆明 650224）

1 引言

徑流是坡面土壤泥沙流失的動力和載體，沖刷過程是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程。在此過程中土壤顆粒隨徑流流失，而土壤養分氮、磷、有機質多與土壤細顆粒結合，又導致養分的流失。比較流失泥沙與表土的養分含量，可知有機質和氮、磷等養分在流失泥沙中含量均高于表土中的含量，主要由侵蝕泥沙顆粒富集造成，而坡面水蝕動力學特征決定了侵蝕徑流優先搬運較細土粒，侵蝕是泥沙養分富集的動力和條件。因此，防止水土流失對減少土壤養分流失至關重要。另外坡面降雨徑流攜帶的大量泥沙、營養物、有毒有害物質進入江河、湖庫，成為非點源污染的主要來源。大量研究表明［1－3］，坡耕地的水土流失所導致的土壤表層流失及表層土壤富含的氮磷鉀營養物質流失是土壤質量退化的主要原因。

2 研究現狀

坡地土壤侵蝕過程在土粒運移、降低土地生產力、物理性淤積水庫渠道、抬高河床的同時，還伴隨著土壤養分的流失。流失過程實際上是表層土壤養分與降雨、徑流相互作用的過程，土壤養分流失的多少主要受相互作用的限制［4］。20世紀50年代以前，在把土壤侵蝕作為是無機土壤顆粒移動的時候，很大程度上就忽略了養分問題［5］。50年代至70年代的養分流失調查顯示了養分流失的危害，養分的遷移造成了肥料投入增加和部分湖泊的嚴重污染，70年代初期養分流失問題才引起人們的廣泛重視。60年代末期模擬降雨裝置的研制成功和測試技術的改進，成為土壤侵蝕定量化研究方便快捷的手段，然而在初始階段很少見其應用于養分流失方面的研究，對于坡地養分流失的研究仍停留在小流域定量觀測試驗方面［6～8］。坡面降雨徑流攜帶的大量泥沙、營養物、有毒有害物質進入江河、湖庫，成為非點源的主要來源，在80年代末期，坡地養分流失的加劇和非點源研究的深入，模擬降雨試驗被廣泛應用于坡地土壤養分流失的研究［9］，從而克服了野外徑流小區進行定位觀測耗時費力的缺點，縮短試驗周期，加速了坡面侵蝕、養分流失規律研究的進程。

坡耕地氮磷的流失具有隨機性、廣泛性、時空性、滯后性和復雜性［10］。由于農業非點源污染的隨機性、污染物排放及污染途徑的不確定性污染負荷的時空差異性大的特征，錯綜復雜的內容以及數量級變化的尺度范圍，加大了農業面源污染控制的難度［11］。非點源污染在總體水污染中所占的比例不斷增加。我國地表水的非點源污染也占很大比重，湖泊的氮磷以上來自于農業非點源污染。近年來，我國內陸水體的富營養化現象普遍，引發了大量的環境、經濟及社會問題。對于內陸水體，磷通常是初級生產力限制因子，有效地控制磷素進入湖庫水體，是減緩水體富營養化進程的關鍵因素之一。

徑流是坡面土壤泥沙流失的動力和載體，沖刷過程是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程。在此過程中，徑流先選擇攜帶土壤細顆粒。使侵蝕泥沙中細顆粒特別是粘粒的含量明顯增加，而土壤養分氮、磷、有機質多與土壤細顆粒結合，又導致泥沙養分的富集［4］。水土流失過程中，泥沙徑流的養分含量遠遠高于徑流中的含量。同一徑流小區的同次徑流流失和泥沙流失分析，泥沙養分含量是徑流養分濃度的若干倍。研究表明泥沙有機質和全氮在泥沙中的富集現象主要由侵蝕泥沙顆粒富集造成，而坡面水蝕動力學特征決定了侵蝕徑流優先搬運較細土粒，侵蝕是泥沙養分富集的動力和條件。因此，防止水土流失對減少土壤有機質和氮磷等養分流失至關重要。

3 養分流失途徑分析

伴隨坡地降雨發生過程，土壤養分流失途徑主要表現為兩種形式，徑流泥沙攜帶和徑流水攜帶，前者養分多為可礦化的養分，而后者主要是可溶性養分［12］，由于地表狀況的不同使二者在養分流失當中起著不同的主導作用。

在不同的土壤類型研究區，蔡崇法［15］，黃麗［16］在對三峽庫區紫色土坡地研究的基礎上，指出養分流失量以徑流泥沙為主，王洪杰［17］，傅濤［18］等在研究四川及三峽庫區紫色土時得出同樣結論。以上研究均是針對坡耕地或低覆蓋度的紫色土研究區所作的分析，對覆蓋度較大的紫色土區小流域徑流養分和泥沙含量的分析卻表明土壤養分流失的主要途徑是徑流的流失，而隨泥沙攜帶的潛在土壤養分，由于產沙量較少，其流失總量并不多［19］。部分學者在對紅壤進行研究時同樣指出了坡面養分以泥沙結合態流失為主，磷、鉀的水溶態是養分流失的重要途徑［20］，氮、磷、鉀在流失泥沙中有明顯的養分富集現象［21］，紅壤旱地的淋溶是氮素損失的重要途徑［22］。

外界條件以及土壤本身的性質會對坡地養分流失途徑有所影響，有研究表明，紅壤在雨強較大情況下，土壤養分以泥沙形式隨徑流遷移，當雨強較小時，隨徑流遷移的可溶態養分流失量占流失泥沙養分量的比例較高［21］。對黃土性土壤［23］、黃色石灰土［24］的研究均表明雨強與養分流失量呈正相關關系，泥沙中的養分濃度遠高于徑流水中的養分濃度。劉文國［25］在進行坡面養分滲透模擬研究時認為硝態氮入滲快、數量多，速效鉀入滲慢、數量少，由于坡面不同位置的水分運動情況不同，坡頂到坡腳水分入滲深度和入滲量都在增加，從而影響到養分的入滲情況。人為施肥作用會改變坡地土壤的養分含量和肥力作用，黃滿湘［26］研究暴雨徑流中農田氮素養分流失及施肥處理的影響時表明，農田暴雨徑流氮養分的流失量與累積徑流量成正相關，施用NH4HCO3顯著地增大了農田徑流中溶解態氮濃度及流失量，侵蝕泥沙有富集氮養分的特點，其富集系數與侵蝕泥沙累積量存在對數線性關系。

從以上研究中可以得出，降雨所誘發的侵蝕過程是水土流失的主要原因。坡耕地在雨水的分散、沖刷下，表土極易流失，土壤侵蝕量較大，流失土壤的表面吸附的養分物質成為了養分流失的主體，其中尤其細顆粒的吸附作用更為強烈，使泥沙中的養分流失量遠遠高于徑流水中的養分流失量。表層土壤養分的大量流失，使部分養分物質，如有機質、氮、磷、鉀在流失泥沙中的含量高出了表土中的含量，產生了富集現象。在有有效植被保護覆蓋度較大的坡地，降雨過程中雨滴對土壤顆粒的分散、沖刷能力較弱，隨著土壤由濕潤到水分飽和，入滲量逐漸減小，表層徑流量增大，雨水對地表的沖刷能力增強，徑流水的養分濃度也相應發生變化，就可能導致徑流水成為養分流失的主要途徑。但高植被覆蓋度的地表在流失土壤養分濃度高的情況下，泥沙攜帶的養分流失量也不容忽視［27］。

4 影響因素分析

降雨是土壤侵蝕的動力，雨水是可溶性養分的溶劑，當雨水匯集成徑流后，它又是攜帶其它形態養分的介質［28］，所以降雨強度應是坡地養分流失的主要影響因素之一，而地面坡度、降雨時間、土壤性質、地表狀況、土地利用方式等直接影響到坡面徑流，所以也構成了影響坡面養分流失的主要因素［29～33］。

4.1 降雨強度、坡度、降雨時間的影響

在對三峽庫區紫色土和黃色石灰土養分流失研究時得出徑流養分含量與雨強和坡度無關，與產流過程一致，雨強與養分流失量呈正相關，泥沙中養分含量與雨強無關，但隨坡度增加而降低［18～23］。康鈴鈴［23］，馬琨［21］等在研究黃土性土壤養分流失規律時同樣指出了養分流失量與雨強成正比，李光錄等［33］通過大量的調查和試驗，在對養分流失機理進行分析的基礎上，總結出養分流失量隨坡度增大而增加，劉秉正［34］在對黃土高原南部養分流失研究時，得出養分流失總量隨地面坡度增加呈冪函數增加。

坡面降雨時間是降雨過程始末的標志，通過降雨量直接影響到坡面徑流量與養分流失量的變化。在降雨初期，表層土壤干燥，水分入滲量較大，坡面徑流量小，隨著土壤水分的飽和與雨滴濺蝕作用堵塞部分土壤孔隙，使水分入滲量明顯減少，坡面徑流量加大，水土流失加劇，養分流失量也相應增加。

4.2 土壤性質、地表狀況、土地利用方式的影響

研究顯示［35］，土壤孔隙和水分狀況共同影響著土壤中養分的淋溶過程，紅壤坡地中氮鉀養分易于淋失，磷素由于強烈的固定作用淋失量很小。地表狀況對養分流失的影響，主要包括植被類型、覆蓋度等，在對丘陵區黃綿土土壤肥力進行研究時就指出了植被和土地利用因素的重要性。植被主要是通過調節徑流來間接影響養分流失［31］。張興昌［36，37］利用模擬降雨對小流域氮素流失進行研究時得出，植被覆蓋度增加時，有機質、全氮流失量減少，而土壤銨態氮和硝態氮均增加，說明植被覆蓋在有效地減少土壤全氮流失的同時卻增加了礦質氮的流失。

土地利用方式對養分的影響主要表現在土地種植結構上，坡面作物種植在施肥處理下，部分元素養分流失會高于休閑裸坡處理［22］，三峽庫區5種代表性土地利用方式對養分流失年輸出總量影響［18］，結果顯示坡地農田＞梯田農田＞梯田果園＞坡地果園。農林系統的比較中，農作物區域由于養分投入較高，土壤養分水平明顯高于林區［20］，不同的造林方式［38］、林地開墾［39］以及農作物種植對養分的吸收［35］都會對養分流失起到影響。

綜合以上可以看出，影響坡地土壤侵蝕的因素與養分流失存在著密切關系，有研究表明養分流失強度隨坡長呈指數增加［32］，雨強、坡度、降雨時間、地表狀況以及土地利用方式等共同作用于養分流失，在不同的制約條件下，各因素發揮的主導作用也各不相同［27］。

5 坡耕地氮磷流失與農業非點源污染防治對策

在坡耕地上，推行各種水土保持耕作措施，能攔截地表徑流，減少土壤沖刷，為農業生產保土保水保肥。一般來說水土保持措施可以分為兩大類：一類是以改變地面微地形、增加地面粗糙度為主的耕作措施，如等高種植、溝壟種植、水平溝種植、橫坡種植，另一類是以增加地面覆蓋和改良土壤為主的耕作措施，如秸稈還田，少耕免耕、間套混復種和草田輪作等。美國環保局提出非點源污染的控制首先應盡量將污染物控制在產生源區，以盡量提高控制效率和減少控制成本。

美國提出的“最佳管理措施（best management practices，BMPs）［40］”是目前防治或減少農業非點源污染最行之有效的措施之一，該措施實現了個人收益、社會收益、環境收益三者的均衡，因此得到了全世界廣泛運用，在此之后美國又出臺了清潔水法案（CWA）、非點源污染實施計劃－CWA319條款、最大日負荷（TMDL）計劃、國家河口實施計劃等法案及措施進行農業非點源污染的防控管理。同時英國、荷蘭、瑞典等歐洲國家也制定了相關政策及法規來有效控制和減少農業氮、磷排放量。我國在這方面起步較晚，利用外國已有成型的技術和模式，也相應進行了一系列體系建設和技術研究。包括建立強有力的法規體系，結合監測和普查完善農業安全評估體系，推廣成熟的施肥體系和在重點農業地區建立污染監測站等控制由農業氮磷流失而導致的農業非點源污染。

生態工程技術主要包括植被過濾帶、人工濕地、多水塘等，目前也是解決農業非點源污染的重要措施。應用濕地工程治理水域污染及其對去除機理方面進行了大量深入的研究，要求水域的被污染面積應與濕地面積有合適比例，這樣才可以有效去除水域內的污染物，還可以應用水塘來攔截雨水灌溉農田也是減少農業非點源污染狀況的簡便可行措施。

結合當地土壤肥力情況，調整施肥結構和改進施肥方式，重點應用測土配方施肥體系，建立氮、磷、鉀平衡優化施肥模式，實現農田養分科學管理；應用緩釋肥料及土壤酶抑制劑減少肥料氮的損失，提高化肥利用率；加強水層管理，實現控水灌溉。

伴隨坡地土壤侵蝕過程的發生，徑流成為養分流失的主要載體，泥沙與徑流水是養分流失的主要途徑。土壤養分與泥沙、徑流相互作用過程中，在自身地形條件、土壤性質及外界因素的綜合作用下共同影響著養分的流失狀況。同時，養分的流失，導致部分營養物質的富集和面源污染的產生，從控制養分流失途徑入手，在有效控制水土流失的基礎上減少養分流失，依據區域特點和坡地基本狀況采取合理有效的種植技術，是兼顧經濟效益一舉三得的坡地土地利用方法。

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