擾動地表及不同坡位土壤養分特征分析

賀小容，何丙輝，秦 偉，左長清

（1.西南大學 資源環境學院 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.中國水利水電科學研究院 泥沙研究所，北京 100048）

紫色土是重慶典型的土壤類型。紫色土風化速度快、養分儲量豐富，歷來是農業發展的主要區域［1－2］。而紫色土侵蝕嚴重，侵蝕模數高達3798 ～9831 t／（km2·a），是長江上游的主要侵蝕產沙區之一［3］。養分流失是土壤退化的本質，流失的養分又影響水庫、湖泊的水質。土壤養分的流失途徑包括揮發、垂直淋洗、徑流和泥沙攜帶流失等。傅濤等［4］的研究結果表明，紫色土坡面養分流失的主要途徑是隨徑流和泥沙攜帶而流失。因此，水土流失嚴重時，土壤養分流失量也隨之增加。煤礦開采、開荒等人為擾動地面活動頻繁，植被破壞，造成大量的土地疏松裸露，加劇了土壤侵蝕。經調查統計，近年來我國各類生產建設項目等人為活動所造成的水土流失問題十分突出，就“十五”期間開發建設項目水土流失量就達9.46億t。一些研究［5－8］表明，開發建設中擾動地面加劇了水土流失。近幾年，重慶房建工程、農林開發等項目活動頻繁，擾動地表，造成了嚴重水土流失。而以往在重慶所作相關研究較少，由于不同地方土壤類型、氣候條件等不同，因此其養分流失規律有所不同。可見，研究重慶地區人為擾動地表對土壤養分含量的影響，對該區開發建設活動中治理水土流失具有指導意義。

此外，許多研究表明:坡位對土壤養分的分布有著重要影響，不同的坡面位置其土壤的化學物理性質變異明顯，且不同坡位土壤養分分布的差異主要是由坡面土壤性質和坡面養分在降雨侵蝕過程中的再分配所造成的［9－13］。但是所得到的結論有所不同:一些學者認為下坡位是坡面養分的匯集處，其土壤養分含量高于中坡位和上坡位；另一些學者則認為土壤養分含量在不同坡位上的變化無明顯規律；還有一種觀點認為上坡、中坡、下坡的土壤養分含量差別不大，差異不顯著。我國南方紫色土區關于坡位對土壤養分含量的影響研究極少。本研究擬探討重慶紫色土區人為擾動地表后不同坡位的土壤養分含量特征，為以后農業開發、開荒等人為活動更好地防治水土流失提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于重慶市北碚區歇馬鎮（106°18′2.46″—106°25′0.5″E，29°43′50.51″—29°48′59.12″N），該鎮距重慶主城30km，屬亞熱帶溫暖濕潤季風氣候區，年平均氣溫18.6℃，全年日照時效1006 .2h，無霜期359d，年降雨量1173 .6mm，氣候溫和，光雨熱同季，熱量豐富，雨量充沛。地貌為淺丘地貌類型，海撥高度175～1312 m，土壤以侏羅紀沙溪廟組母質發育的中性紫色水稻土和灰棕紫泥土為主。供試土壤的基本化學性質見表1。

表1 供試土壤的基本化學性質

1.2 小區設置

為了研究人為擾動地表及坡位對土壤養分的影響，本試驗共設置了兩個處理，每個處理設兩次重復，小區隨機排列。徑流小區設計為長方形，規格為1m×20m。為了防止各小區間發生土壤顆粒和養分的交換，小區之間用水泥墻體的田埂隔開，田埂寬15 cm，墻體埋設在地下30cm，高出地面20cm。在徑流小區與徑流池相連一端，沿小區寬度方向挖一個集流槽，在集流槽中間位置設“V”型徑流入水口。每一個小區的徑流入水口高度保持一致。各小區基本情況見表2。根據試驗需要，對徑流小區的空間位置進行劃分:上坡位置距離坡頂5m；中坡位置距離坡頂10 m；下坡位置距離坡頂15m。4個小區樣地作處理前，其土壤條件、土壤養分情況基本一致。試驗開始前，人為擾動1，3號小區表土:人工翻松表土約30 cm，并拔去荒草植被，表面耙平。2，4號對照小區不作松土及拔草處理，保持自然坡面，其上長有雜草，覆蓋度約為60%。

表2 徑流小區基本情況

1.3 樣品采集與分析方法

試驗于2012年4月開始進行，經過1個雨季后，于2012年10月中旬開始采樣，采樣時先將每個小區土壤表面雜草小心鏟除，露出土壤，采集表層土（0—30cm），分別在每個小區的上坡、中坡、下坡位置選取三個點采集混合土樣，混合均勻后用四分法分取1kg左右組成1個土壤樣品，測定土壤養分，每個坡位重復測定3次，取其平均值。野外采集的土壤樣品，在硬紙板上攤開成均勻的薄層，并將土壤掰成直徑1cm左右的小土塊，放在通風的室內風干后，去掉植物殘體及其他雜物，按分析要求研磨成不同粒度，裝磨口玻璃瓶備用。

土壤養分主要測定土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和有效鉀含量7個指標。具體分析方法是:有機質采用重鉻酸鉀容量法；全氮采用半微量開氏蒸餾法；全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻鈧比色法；全鉀采用火焰分光光度計法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻鈧比色法；速效鉀采用火焰分光光度計法。采用Excel 2007及SPSS 18.0分析軟件進行數據的處理和統計對比分析。

2 結果與分析

2.1 人為擾動地表及不同坡位土壤有機質及氮素含量

土壤有機質是土壤最重要的組成成分，也是決定土壤性質和土壤生產力的最重要因素［14］。由表3可知，上坡和下坡擾動地表小區土壤有機質含量均低于同一坡位自然坡面，且在上坡時含量差異達到極顯著水平，相差2.79g／kg，比自然坡面低21%；中坡人為擾動土壤有機質含量極顯著高于自然坡面小區，相差0.86g／kg，比自然坡面高7%。綜合3種坡位分析，人為擾動小區土壤有機質含量低于自然坡面小區。這是由于人為擾動清除了地表覆蓋物，形成的裸露疏松地表加劇了土壤侵蝕。對于不同坡位，人為擾動小區土壤養分含量高低依次為下坡（14.21g／kg）＞中坡（13.45g／kg）＞上坡（10.58g／kg），且不同坡位間土壤有機質含量差異達到了顯著或極顯著水平；自然坡面小區土壤有機質含量是下坡最高，上坡次之，中坡最低，且下坡和上坡有機質含量差異達極顯著水平，相差0.92g／kg，比上坡高7%。土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標，主要決定于有機質的積累和分解作用的相對強度［15］。分析可知，土壤全氮含量的變化規律與土壤有機質一致，即上坡和下坡人為擾動小區土壤養分含量均低于同一坡位自然坡面，且差異均達到極顯著水平，中坡人為擾動土壤全氮含量極顯著高于自然坡面，比自然坡面高44%；對于不同坡位，人為擾動小區土壤全氮含量從上坡到下坡逐漸增加，而自然坡面小區土壤全氮含量是下坡＞上坡＞中坡。據相關分析，土壤全氮含量與有機質含量呈極顯著的正相關關系（a＝0.01，R＝0.802＊＊）。從土壤堿解氮看，上坡、中坡和下坡三種坡位人為擾動小區土壤堿解氮含量均低于相應坡位自然坡面小區，且在上坡和下坡時含量差異達到極顯著水平，分別比自然坡面低37%和15%。對于不同坡位，土壤堿解氮含量變化規律與土壤全氮及有機質一致，即人為擾動小區土壤堿解氮含量是下坡最高，中坡次之，上坡最低，且不同坡位間堿解氮含量差異達到極顯著水平；自然坡面小區土壤堿解氮含量高低依次為下坡＞上坡＞中坡，且不同坡位間堿解氮含量差異達到極顯著水平，其中中坡與下坡相差29.56 mg／kg，比下坡低30%。從以上分析可知，土壤氮素和有機質都有向下坡匯集的趨勢，且由于人為擾動地表，改變了原狀土壤的理化性質，使得其土壤氮素與有機質含量變化規律與自然坡面有所不同。

表3 擾動地表及不同坡位土壤有機質、氮素含量及方差分析

2.2 人為擾動地表及不同坡位土壤磷素含量特征

土壤磷素是植物必需的大量營養元素，但與其它大量元素相比，土壤磷的含量相對較低。由圖1可知，上坡和下坡人為擾動土壤全磷含量均低于相應坡位自然坡面，且差異均達極顯著水平，在下坡位時差異最大，相差0.06g／kg，比自然坡面低17%；中坡人為擾動土壤全磷含量極顯著高于自然坡面，但差異比下坡位小，僅相差0.03g／kg。因此，從整個小區來說，人為擾動小區的土壤全磷含量低于自然坡面小區。從不同坡位看，人為擾動小區土壤全磷含量是中坡最高，為0.33g／kg，下坡次之，為0.30g／kg，上坡最低，為0.26g／kg，且不同坡位間土壤全磷含量差異達到極顯著水平；對于自然坡面小區，其土壤全磷含量高低依次為下坡＞中坡＞上坡，且中坡和下坡含量差異達到極顯著水平，相差0.06g／kg，比下坡低17%，上坡和中坡全磷含量差異不顯著，僅相差0.01g／kg。

由圖2可知，同一坡位時，人為擾動小區土壤有效磷含量均極顯著地低于同一坡位自然坡面小區，且在上坡和下坡時差異都較大，下坡位時差異最大，相差14.09mg／kg，比自然坡面低47%，上坡位相差11.01mg／kg，比自然坡面低55%。自然坡面小區的土壤有效磷含量極顯著高于人為擾動小區，這與自然坡面植被的阻擋作用而減少有效磷流失有關。另外，可能是雜草根系在生命活動中呼吸產生的CO2使土壤酸化，加快緩效磷的活化，也在一定程度上增加了有效磷含量。不同坡位時，人為擾動小區土壤有效磷含量變化規律與土壤全磷一致，即中坡位土壤有效磷含量最高，下坡次之，上坡最低，且上坡和下坡含量差異達到極顯著水平，相差7.09mg／kg，比下坡低45%，但中坡和下坡有效磷含量差異不顯著，僅相差1.71mg／kg；對于自然坡面小區，其土壤有效磷含量高低依次為下坡＞中坡＞上坡，分別為30.01mg／kg，21.14mg／kg和19.84mg／kg，且中坡與下坡有效磷含量差異達到極顯著水平，比下坡低30%，但上坡和中坡之間差異不顯著。

圖1 不同處理及坡位土壤全磷含量

圖2 不同處理及坡位土壤有效磷含量

2.3 人為擾動地表及不同坡位土壤鉀素含量特征

從圖3可以看出，同一坡位時，人為擾動小區土壤全鉀含量均極顯著地低于同一坡位自然坡面小區，且在上坡時差異最大，相差7.11g／kg，比自然坡面低37%。這可能是由于全鉀的移動主要是依靠泥沙帶動，而人為擾動小區由于松土除草，形成裸露疏松地表，疏松表土在沒有植被阻擋條件下，其泥沙流失量顯著增加，因此隨之流失的全鉀也顯著增加，使得自然坡面小區的全鉀含量極顯著高于人為擾動小區。從不同坡位看，人為擾動地表小區土壤全鉀含量高低依次為下坡＞中坡＞上坡，含量依次為15.81g／kg，13.49g／kg，11.95g／kg，且不同坡位間土壤全鉀含量差異達到極顯著水平，可見土壤全鉀有向下坡匯集的趨勢；對于自然坡面小區，土壤全鉀含量是下坡略高，上坡次之，中坡最低，但是不同坡位間土壤全鉀含量差異均不顯著，中坡和下坡全鉀含量僅相差0.44 g／kg，只比下坡低2%，這可能是由于雜草植被對全鉀的流失有很好的控制作用，阻擋了土壤大顆粒流失，而全鉀在土壤不同顆粒中分配較為平均，侵蝕作用只能將較細顆粒侵蝕走，對全鉀含量影響不明顯。

圖3 不同處理及坡位土壤全鉀含量

由圖4可知，同一坡位時，土壤速效鉀含量變化規律與土壤全鉀一致，即人為擾動小區土壤速效鉀含量均極顯著地低于同一坡位自然坡面小區，且在上坡和下坡時差異都較大，上坡時差異最大，相差38.22 mg／kg，比自然坡面低34%，下坡位相差34.12mg／kg，比自然坡面低24%。從不同坡位看，人為擾動小區土壤速效鉀含量變化規律與土壤全鉀一致，即土壤速效鉀含量是下坡最高，為106.77mg／kg，中坡次之，為90.23mg／kg，上坡最低，為75.83mg／kg，且不同坡位間土壤速效鉀含量差異達到極顯著水平；對于自然坡面，其土壤速效鉀含量變化規律也與土壤全鉀一致，即速效鉀含量高低依次為下坡＞上坡＞中坡，但不同坡位間土壤速效鉀含量差異達到極顯著水平，其中上坡和下坡速效鉀含量相差26.84mg／kg，比下坡低19%。可見土壤速效鉀含量變化規律與土壤全鉀基本一致，只是略有不同。

圖4 不同處理及坡位土壤速效鉀含量

3 結論與討論

人為擾動地表，清除地表覆蓋物，造成土地疏松裸露，降低了土壤保持養分的能力。另外，坡位也是影響土壤養分含量的重要因素。本文通過徑流小區試驗，探討了人為擾動地表后不同坡位的土壤養分含量特征。研究結果表明，同一坡位時，上坡和下坡人為擾動小區土壤養分含量均低于同一坡位自然坡面小區；中坡，除土壤全氮、有機質及全磷含量是人為擾動小區略高于自然坡面小區外，其他養分指標含量也是自然坡面小區高于人為擾動小區。全氮、有機質及全磷含量變化規律與其他土壤養分指標不一致的原因可能與其流失方式有關。全氮、有機質及全磷的移動主要依靠泥沙中最易流失的黏粒帶動［15］。擾動地表小區無植被攔擋作用，使得土壤全氮、有機質及全磷流失加劇，但是中坡位置由于有來自上坡徑流泥沙的養分補給，因此其養分含量變化不大；自然坡面小區，由于植被的攔擋作用，中坡位置來自上坡的養分補給比擾動地表小區少，因此使得中坡位置擾動地表小區土壤全氮、有機質及全磷含量比自然坡面小區高。而上坡位置，擾動地表小區由于既無植被攔擋作用，又無養分補給，因此其養分含量明顯低于自然坡面小區。下坡位置，雖然兩種處理都要來自坡上的養分補給，但是由于擾動地表小區地表疏松裸露，徑流沖刷嚴重，使得隨徑流泥沙流失的養分增多，因此其養分含量也低于自然坡面小區。但是綜合三種坡位，從整個徑流小區來看，人為擾動小區土壤養分含量明顯低于自然坡面小區。可見農業開發、開荒等人為活動擾動地表，破壞植被，加劇了土壤養分的流失。張茨林等［16］的研究也表明人為擾動地表后會造成嚴重的水土流失。地表覆蓋物可以顯著地減少侵蝕，保護土壤免受雨滴的直接沖擊；同時覆蓋還會減緩徑流速度，減少溝間侵蝕。由于人為擾動清除了地表覆蓋物，造成地表疏松裸露，為水土流失創造了條件。土壤失去植被保護，將直接遭受雨水的擊濺、剝蝕、沖刷，極易產生水力侵蝕［17］。另一方面，人為擾動還破壞了地表土壤結構，改變了原狀土壤的理化性質，影響土壤的透水性、抗蝕性等，使土壤的入滲、攔截、蓄水能力下降，從而加劇土壤養分隨徑流泥沙的流失。因此，在進行開荒、農業開發等人為活動時，除了要盡量降低對地面的擾動程度外，還要加強對裸露疏松地表的治理防護，比如可以用防雨布遮蓋，使其免受雨水沖刷，控制水土流失，維護土壤肥力。

不同坡位時，對于人為擾動小區，土壤全氮、有機質、堿解氮、全鉀及速效鉀含量是下坡＞中坡＞上坡；土壤全磷和有效磷是中坡＞下坡＞上坡。對于自然坡面小區，土壤全氮、有機質、堿解氮、全鉀及速效鉀含量是下坡＞上坡＞中坡；土壤全磷和有效磷是下坡＞中坡＞上坡。可見人為擾動小區土壤養分含量規律與自然坡面小區有所不同，這可能是由于人為擾動地面后形成的裸露疏松地表，改變了土壤養分流失規律。但是人為擾動小區和自然坡面小區土壤養分都有向下坡匯集的趨勢，其土壤養分含量高于中坡和上坡，且不同坡位間部分養分指標含量差異達到極顯著或顯著水平。這可能是由于徑流向下坡的沖刷作用，使得養分向下坡富集，加之徑流泥沙攜帶的養分在下坡的沉積作用，使得下坡的養分含量明顯高于中、上坡，可見下坡是養分的匯集處。這與以往的研究結論略有不同。陳曉燕［18］的研究表明，土壤養分含量在不同坡位上的變化沒有呈現出明顯規律。這可能是由于其設置的坡長較短（5m），且采用的人工降雨，使得土壤含量變化無明顯規律。高雪松等［9］的研究表明，下坡位是坡面養分的匯集處，其土壤養分含量高于中坡位和上坡位，但坡位間的養分含量差異不顯著。這可能是由于該研究區域的下墊面不同，植被覆蓋度較大，減緩了徑流速度，降低了徑流沖刷對土壤養分沿坡面再分配的作用。陳世品等［19］的研究結果表明，不同土層的土壤養分含量均為下坡＞中坡＞上坡，坡位效應明顯。這可能是此研究的坡長較長，且坡度較大，加之清除了林下植被使徑流向坡下沖刷作用增強，所以使養分隨徑流泥沙向下坡富集，養分含量明顯高于中、上坡。可見，人為擾動地表，清除植被后，加強了徑流沿坡面沖刷作用，尤其造成上坡土壤養分流失嚴重。今后在進行農林開發、開荒等人為活動時，特別要加強對上坡的治理防護，降低侵蝕作用，防止土壤退化。

本文研究了人為擾動地表后不同坡位的土壤養分含量特征，今后可進一步研究不同擾動方式對土壤養分含量的影響。另外，可增加在不同坡度、不同降雨強度條件下，人為擾動對土壤養分含量影響的研究，進一步揭示人為擾動地面后土壤養分沿坡面流失規律及其影響因素，為今后的農業開發、開荒等人為活動防治水土流失提供一定的科學依據。

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