坡地養分流失研究現狀及控制技術

王帥兵，劉 華，朱朝輝，趙普天，趙云永

(1.西南林業大學，云南 昆明 650224;2.云南省富源縣水務局，云南 富源 655500;3.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000)

1 引言

中國是個多山的國家，坡地在農業生產中占據了重要的地位。坡地水土流失和土壤侵蝕直接導致養分最為豐富的表土流失，使土地退化、生產力水平降低，另外徑流所攜帶的泥沙淤積河道與水庫，泥沙中的養分會導致受納水體的富營養化［1～3］，造成面源污染。人們為了達到增產的目的，在農業生產中施用過量的化肥，這些化肥在耕地表面大量釋放和遷移，不僅是經濟上的浪費，而且也對地表水和地下水的水質構成嚴重的威脅。因此，研究坡地養分流失不僅是一個農業問題，而且還是一個生態環境問題［4］。據聯合國糧農組織(FAO)統計，發展中國家施肥可使糧食作物單產提高 35% ～57%，總產提高 30% ～50%［5］。目前，我國大部分耕地都需補充氮素，1/2以上耕地需補充磷肥，但農田土壤對養分的利用率均較低，損失率較大［6］。

2 坡面產流產沙研究現狀

降雨是地表徑流的本源，坡地表面徑流及侵蝕產沙在很大程度上取決于降雨強度［7］。地表徑流的形成是坡面供水與下滲的矛盾產物［8］，它反映了流域植被、土壤、氣候和其他一些綜合水文特征，是衡量植被保持水土、涵養水分、減少洪峰等效益的一個基本指標［9］。影響地表徑流的因素復雜多樣，植被類型、降水特征、覆蓋層的厚度及其持水能力、土壤攔蓄入滲能力等都直接或間接影響著產流與否和產流的多少［10］。

我國學者在產沙和產流方面進行了很多的研究。陳奇伯，王克勤等［11］運用坡面徑流泥沙小區定位觀測方法，2003年雨季對金沙江元謀干熱河谷水土流失封禁管護措施的坡面產流產沙特征進行了對比研究，結果顯示:封禁管護措施有較好的調節徑流和減少土壤流失的作用。徐秋寧等［12］對陜北、渭北多個小型積水區降雨徑流量進行了分析與計算，袁藝、史培軍等［13］對深圳市部分流域進行降雨－徑流過程的模擬，E.Klaghofer等［14］研究了影響水土流失的主要因子，都一致認為降雨是產生徑流和泥沙的重要因素。

我國20世紀90年代初以來也對等高植物籬模式在坡耕地土壤氮、磷、經濟效益和水土保持等方面進行了一些研究。申元村［15］指出，三峽庫區紫色土陡坡地徑流小區大雨模擬降雨實驗表明，以等高植物籬為代表的坡地能有效地減少坡面侵蝕量、徑流量，明顯提高控制坡面產沙、產流和氮、磷流失。在黃壤旱坡耕地通過種植香根草植物籬發展橫坡種植，對防治土壤侵蝕和維持耕地土壤肥力具有良好的效應［16］。

裸露地與草地的土壤侵蝕跟地表徑流的情況不同，即使裸露地和長期草地在模擬降雨時地表徑流幾乎相同，但土壤侵蝕卻有很大的差別，在長期草地上土壤侵蝕幾乎為零［17］。秦富倉等［18］從坡面水動力學角度研究了坡面喬木林、草本植物和林地枯落物對坡面徑流流速和動能的影響機理，結果表明:林草植被在小流域中的涵養水源、保持水土的作用明顯。

3 坡耕地養分流失特征研究現狀

坡耕地氮、磷的流失是伴隨著降雨產流產生，因此坡耕地氮、磷流失具有隨機性，與區域降水過程密切相關。坡耕地氮、磷流失隨時間變化(降雨徑流過程、季節間和年際間降雨)和空間(不同地點)變化幅度大，具有時空性。坡耕地中的氮磷主要是農業生產中投入使用，所以坡耕地氮、磷流失遍及廣大農業生產地區，具有廣泛性。坡耕地氮、磷流失的過程是一個量的積累過程，只有達到一定數量才反映出土壤的貧瘩和退化，因此具有滯后性。坡耕地流失的氮、磷分散在徑流和泥沙中，增加了監測和處理的困難，又具有復雜性［19］。由于農業面源污染的隨機性、污染負荷的時空差異性大、污染范圍大、污染物排放及污染途徑的不確定性和復雜性的特點，加大了農業面源污染控制的難度［20］。

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［21］。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黏粒的含量明顯增加，結果導致了泥沙黏粒的富集。而土壤養分氮、磷、有機質與土壤細顆粒結合，又導致泥沙養分的富集［22］。李光錄等［23］的研究表明，同一徑流小區的同次徑流過程中，泥沙養分含量是徑流養分濃度的若干倍，其中全磷高出1.3倍，全氮最高為50.8倍，其它(有機質%、堿解氮mg/kg、速效磷mg/kg)高出兩個數量級。比較泥沙與表土(0～20cm)養分含量，可知氮素和有機質在流失泥沙中含量均高于表土，稱為“富集現象”，但磷素“富集現象”不明顯。邵明安、張興昌等［24］的研究也表明:泥沙全氮和有機質在泥沙中的富集現象主要由侵蝕泥沙黏粒富集造成，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。

4 坡面養分流失控制技術

4.1 耕作措施

在山區和丘陵地區，在坡耕地上進行耕作，極易造成嚴重的水土流失，但是不同的耕作方式可能導致的水土流失強度不同。袁東海等［25，26］2000年在浙江省蘭溪市的研究表明:與順坡耕作處理土壤氮磷年流失總量相比，水平草帶處理能減少土壤氮素流失總量的43.46%和磷素流失總量40.73%，等高處理能減少土壤氮素流失總量的71.36%和磷素流失總量的73.84%，休閑處理能減少土壤氮素流失總量的77.05%和磷素流失總量的84.70%，等高土埂處理能減少土壤氮素流失總量的87.92%和磷素流失總量的84.33%，由此可見，水平溝、等高處理、休閑、等高土埂等農作方式均具有明顯減少土壤氮磷養分流失的效果。

吳發啟等［27］報道:在黃土高原地區，水平梯田具有明顯的蓄水保土作用。次降雨條件下水平梯田蓄水效益的最大值為97.5%，最小值為70.5%，平均值為86.7%;其保土效益最大值為98.4%，最小值為71.3% ，平均值為 87.7% 。

根據邢鵬遠等人［28］的研究，在坡耕地上布設反坡水平階，首先能夠有效地攔截地表徑流，攔截效率可達到34.14%;其次，有效控制土壤流失量，控制效率可達到57.17%。被攔蓄的地表徑流和泥沙為坡耕地上農作物的生長提供了較為充足的水分和養分，減輕了對坡面的沖刷作用，更好的起到了水土保持和控制養分流失的功效。

4.2 等高植物籬

等高植物籬的主要作用是通過地表覆蓋和地下發達根系系統，改善土壤理化性質，改變微地形，有效地攔擋坡面徑流，減緩坡面水流速度，增加入滲，有效攔截沙土，減少水土侵蝕量和養分流失量。

國內外學者研究了等高植物籬對坡耕地土壤養分的影響，認為植物籬起到“養分泵”的作用，可促進養分循環，提高土壤有機質、全氮和有效磷的含量［29］。另外，等高植物籬還能提供薪炭、綠肥、飼料等有經濟價值的產品，這些特有的優勢是工程措施無法比擬的。許峰等人在三峽庫區研究了植物籬帶間距對坡面表土養分流失的影響，得出等高植物籬－農作系統能在較低的投入下顯著增加土地產出，并且能夠顯著減少坡面養分流失［30］。姚桂枝等人研究表明，紫穗槐、金銀花、黃花菜及龍須草4種植物籬均能有效減少坡耕地上的徑流泥沙流失量［31］。朱遠達等人則研究了植物籬對坡面局部地形、土壤顆粒空間分布、土壤碳和養分含量的空間分布的影響，結果表明，植物籬對粒徑較大的顆粒流失的控制效果更加明顯，植物籬對土壤全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀均有良好的攔截效應，但對全鉀攔截效應不明顯［32］。

4.3 化學措施

近年來，化學措施防治水土壤侵蝕和養分流失已成為一個新的研究領域，并且取得了一定的進展。化學措施對于養分流失的控制作用在于使不良土壤結構得以改善，進而使這種改善后的結構得以穩定。

Mostaghimietal在Virginia的壤土所做的試驗表明，施用結構改良劑與對照相比，土壤產生的可推移泥沙由27.7kg減少到19.3kg，而徑流量則沒有顯著變化［33］。我國學者夏海江等在遼寧的坡地上施用聚丙烯酰胺，發現能使土壤侵蝕量減少56%以上，主要原因是聚丙烯酰胺能改善土壤結構、促進土壤沉降、增強土壤水穩性，提高土壤的持水性和抗蝕性［34］。據于素華報道，聚丙烯酰胺能夠有效減少徑流和控制水土流失［35］。

5 結語

坡耕地養分流失導致土地退化、養分流失、土地生存力下降等問題，進而靠補充化肥來補充耕地養分低。目前我國大部分耕地都需補充氮素，1/2以上耕地需補充磷肥，但農田土壤對養分的利用率均較低，損失率較大，并引發一系列環境問題。國內外學者通過對坡地養分流失成因制定相應的養分流失控制措施，而對特定地區土壤的特性和降雨地區特性采取相應的措失研究的不夠系統。對于國內相關領域的研究者如果能針對我國土壤和降雨的地區特性來研究更具有理論指導和應用價值。

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