黃土高原壩控小流域土壤C,N,P計量特征解析

周瑋瑩, 楊明義

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

用于探究生物系統能量和多種元素間平衡的科學稱為生態化學計量學，隨著其理論的發展和完善，該理論體系得到廣泛應用[1]。土壤作為陸地生態系統的重要組成部分，研究土壤C，N，P的化學計量特征對探究生態系統的物質循環和多元素平衡具有重要意義[2]。Wardle等[3]指出，土壤C，N，P物質循環過程因直接或間接受到土壤的母質、發育條件以及地理分布等環境因素的影響，而呈現出C，N，P化學計量特征比水生生態系統中更高的空間變異性。黃土高原作為我國土壤侵蝕較為劇烈的生態脆弱區，黃土高原地貌類型豐富，植被類型地帶性變化明顯，地形破碎，加上受人類活動擾動較大，土壤侵蝕嚴重，不同區域、不同土地利用類型對小流域土壤碳氮磷分布影響較大。近年來，國內學者對該區域土壤C，N，P化學計量特征開展的一系列研究[4-9]，研究結果表明溫度、海拔、土地利用類型、人類活動及土壤物理性質變化對土壤C，N，P化學計量特征均有明顯的影響。但目前，對遭受侵蝕較為嚴重的流域中，侵蝕源地的土壤與被搬運沉積的侵蝕物的泥沙二者間的C，N，P化學計量特征變化的研究還較少。

淤地壩是長期治理黃土高原小流域土壤侵蝕過程中創造出的一種工程措施[10]，是在水土流失地區溝道中為了攔泥淤地而修建的壩工筑物，攔泥淤成的地稱為壩地。以溝道小流域為單元修建多個不同規模的淤地壩是中國黃土高原水土流失嚴重區重要而獨特的治溝工程體系。作為小流域的“沉沙池”，淤地壩壩地內的沉積泥沙往往賦存著較多的小流域侵蝕產沙的信息，是研究小流域侵蝕環境演化過程的良好載體。目前，基于淤地壩泥沙的研究主要集中在空間和時間上對小流域侵蝕速率及泥沙來源上[11-13]。Zhang等[14]基于孢粉及137Cs定年等技術解析了小流域侵蝕速率時間尺度的變化特征；部分學者利用壩地泥沙的養分元素、金屬元素和穩定同位素研究了流域內不同源地在次降雨泥沙中的貢獻率[15]；薛凱等[16]用137Cs定年、結合降雨資料建立了淤地壩沉積泥沙旋回時間序列，利用指紋識別技術反演了小流域侵蝕歷史與泥沙來源變化。那么，黃土高原的小流域單元內，作為侵蝕產物匯集的壩地中泥沙的C，N，P化學計量特征是否對侵蝕源地的土地利用類型變化有良好的響應？結合泥沙量與降雨資料，是否能夠反映出小流域不同階段產沙中自然與人為兩大因素的作用？

因此，本研究主要以黃土丘陵區小流域王茂莊的典型淤地壩為研究對象，采集壩控流域內溝壁裸露地、荒草地及坡耕地3種土地利用類型土壤的表層樣共72個及壩地沉積泥沙剖面的76個樣品，對土樣進行C，N，P共3種元素的化學計量特征分析，并結合降雨侵蝕力與泥沙量解釋流域內自然因素及人為因素對小流域不同階段侵蝕產沙變化特征的影響。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

如圖1所示，研究區位于陜西省綏德縣韭園溝鄉王茂溝小流域。王茂溝是黃土丘陵區具有典型代表性的流域(110°20′26″—110°22′46″E，37°34′13″—37°36′03″N)，流域面積5.967 km2，形狀近似半圓形，平均寬1.456 km，海拔940～1 188 m，主溝長3.75 km，溝底比降為2.7%，溝壑密度5.63 km/km2，溝壑面積占流域面積的40.6%。王茂溝流域氣候類型為大陸性季風氣候，多年平均降雨量為513 mm，該區的汛期(6—9月)占年降雨量的70%以上，多以暴雨的形式出現。該流域上部為馬蘭黃土，厚5～20 m，抗蝕能力差，下部為離石黃土，再下為基巖。野外采樣點為王茂溝的支溝埝焉溝4#壩。該壩建成于1960年，1991年淤平。壩控流域面積0.181 km2，壩內現有淤地面積約6 000 m2，流域內主要分布有荒草地、耕地及溝壁。

圖1研究區地理位置

1.2　研究方法

1.2.1土樣采集及處理壩控流域不同利用類型土壤的采樣深度為5 cm，溝壁比較陡直，分別在上部、中部和下部取樣，小流域內共采集72個樣品；壩地沉積旋回泥沙樣品的采集是在距壩體30 m的壩地處挖一個垂直深度為11.325 m的剖面。剖面土壤樣品按沉積旋回由下而上逐層采集，每個沉積旋回均用木鏟取樣。取樣過程中保證每個沉積旋回厚度范圍內的土都能取到，較厚土層根據實際厚度適當分層。沉積旋回樣共采集76個樣品。采回后，于室內自然風干，磨細后過0.15 mm篩，裝入塑封袋中備用。土壤有機碳用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮用半微量開氏法測定，土壤全磷用HClO4-H2SO4法進行測定。

1.2.2降雨侵蝕力計算用次降雨指標EI30表征降雨侵蝕力的方法以次降雨過程資料為基礎，但由于一般很難獲得很長時間序列的降雨過程資料，且資料的摘錄整理十分繁瑣，因此一般建立降雨侵蝕力的簡易算法，即利用氣象站常規降雨統計資料來估算降雨侵蝕力。由于收集到研究區域附近氣象站的日降雨過程資料比較全面，因此本文采用章文波等[17]的模型方法以日降雨量計算降雨侵蝕力：

(1)

式中：M表示半月時段的降雨侵蝕力精確值(MJ·mm/hm2·h)；Pd表示日雨量(mm)，要求大于等于12 mm，否則以0計算；I10 d表示日10 min最大雨強(mm/h)；k為半月時段的日數；j表示日的序號。

1.2.3沉積泥沙旋回厚度及斷代分析依據薛凱等的研究結果[16]，根據1963年的137Cs核塵埃的沉降高峰期，大的降雨事件以及不同沉積旋回中泥沙顆粒分布特征，來建立各個沉積旋回層的時間序列。

1.2.4貢獻率計算為了消除量綱對數據分析結果的影響，先對數據進行標準化處理。本研究采用“最小—最大標準化”，即對原始數據進行線性變換，將標準化對象的原始值通過轉化后映射為在區間(0,1]中的變換值，其具體計算方法為：

標準化數據=(原始數據-極小值)/(極大值-極小值)

(2)

將標準化后的數據進行多元非線性回歸分析，根據霍洛特公式[18]計算各因子對因變量的貢獻率，計算公式如下：

(3)

式中：Pi為第i個因素的貢獻率；R2為復回歸平方；

1.3　數據處理

采用Excel 2010，Origin 7.5軟件中進行整理和作圖；采用SPSS 21.0(IBM)對數據進行正態分布檢驗和Pearson相關分析、單因素方差分析和多重比較分析。

2　結果與分析

2.1　土壤C，N，P化學計量特征

流域0—5 cm土壤C，N，P化學計量特征進行描述性統計及差異性分析結果見表1，表2。土壤中的C，N，P含量均值分別為3.36 g/kg，0.35 g/kg，0.68 g/kg；C∶N，C∶P，N∶P的均值分別為9.30，5.75及0.60；C∶N∶P的均值為9.58∶1∶1.67；其中，P元素含量以及C∶N分布呈負偏態，其余元素含量及計量值分布均為正偏態；P元素分布低闊，其余元素及其計量值分布高狹。變異系數是描述樣本觀測值空間變異程度的主要指標，在該小流域內的土壤C，N元素含量及其化學計量比的變異系數均處于0.1～1.0范圍內，屬中等變異程度；而P元素含量的變異系數為0.07，小于0.1，變異程度較弱。

壩控流域內分布有荒草地、耕地及溝壁裸露地3種利用類型，各利用類型土壤間的C，N，P化學計量特征見表2。3種利用類型土壤的C，N，C∶P，N∶P有顯著差異(p<0.05)，均表現為荒草地>耕地>溝壁，溝壁的C∶N，C∶N∶P顯著低于荒草地與耕地，耕地的P元素含量顯著(p<0.05)高于荒草地與溝壁。

表1　土壤C，N，P含量及化學計量特征的描述性統計特征

表2　不同利用類型土壤C、N、P 化學計量特征差異性

注：不同小寫字母表示在0.05水平上有顯著差異。

土壤C，N，P化學計量特征不僅能夠反映土壤系統功能的變異性，且元素間的計量比是反映土壤有機質構成、土壤質量狀況以及養分供給能力的一個重要指標。總的來說，研究區表層土壤的C，N，P元素的含量、C∶N，C∶P以及N∶P遠遠低于全國水平(C：24.56 g/kg，N：1.88 g/kg，P：0.78 g/kg，C∶N為14.4，C∶P為136，N∶P為9.3)。不同利用類型土地造成土壤C，N含量在流域內分布呈中等變異程度，這是因為土壤C，N主要都來源于有機質，而土壤有機質主要來源于外源的輸入，如：動、植物殘體經過微生物的分解，因此耕地與荒草地比溝壁有更高的有機質輸入。但耕地由于長期人為耕作擾動以及作物長期的養分消耗，因此耕地較荒草地土壤C，N含量略低。土壤全磷主要受到成土母質和施肥等農田措施管理的影響，研究區土壤的成土母質均為黃土母質，其中的農耕地幾乎不施用磷肥，因此土壤P含量的空間變異程度很弱。C∶N是一項能夠反映土壤質量的指標，當C∶N>25時，表示土壤有機碳的累積速率高于分解的速率，而較低的C∶N值表征著土壤的礦化作用較快[2]，N∶P往往能夠表征P的有效性[19]，C∶P小于200表明土壤中的營養元素得到礦化。對比表2可知，在研究區內，總體C∶N的范圍是4.66～12.6；C∶P的值在1.46～12.87之間，小于200；N∶P變化范圍為0.18～1.27，小于表征土壤氮素缺乏的最小值14，且遠低于全國的9.3水平[2,20]。研究區土壤C，N，P化學計量比特征反映出土壤的營養元素得到礦化且處于較快水平，土壤N供應不足。

2.2　壩地泥沙C，N，P化學計量特征

表3給出了沉積泥沙C，N，P含量及化學計量特征的描述性統計特征。壩地沉積泥沙的C，N，P含量均值分別為1.76 g/kg，0.20 g/kg及0.55 g/kg，C∶N，C∶P，N∶P均值分別為8.90，3.20，0.37，C∶N∶P為8.90∶1∶2.70；C含量在0.92～3.83 g/kg范圍內變化，變異系數為0.27，N含量范圍為0.12～0.43 g/kg，變異系數與C一致，P最小值為0.46 g/kg，最大值為0.61 g/kg，變異系數為0.04。在空間變異程度上，除了P處于弱變異程度外，其他變量均處于中等變異程度。其中，C與N，C∶P與N∶P的變異系數幾乎相等。

表3　沉積泥沙C，N，P含量及化學計量特征的描述性統計特征

圖2為各利用類型土壤與泥沙的C，N，P化學計量特征差異分布圖。

由圖2可看出，由于壩地沉積泥沙是壩控流域土壤遭受侵蝕的產物，經過搬運與堆積后的泥沙與各利用類型土壤中的C，N，P化學計量特征存在一定程度的差異。泥沙中的C，N含量顯著(p<0.05)低于流域耕地及荒草地土壤，而與溝壁的C，N含量無顯著差異；各利用類型土壤的C∶P與泥沙的均有顯著(p<0.05)差異，值得注意的是，泥沙的C∶N，N∶P與各利用類型土壤的差異性明顯不顯著。

圖2　各利用類型土壤與泥沙的C、N、P化學計量特征差異

結合表2和圖2對比可得出，C∶P這一指標對于土地利用方式變化有著明顯的響應，泥沙中的C∶P與各侵蝕源地土壤的C∶P有著顯著差異。國外基于沼澤、湖泊沉積物的研究[21-23]結果表明在每個大于2 cm的沉積旋回層中，泥沙的有機質、全磷等含量的變化非常微小，并且不受埋藏時長的顯著影響，因此泥沙中C∶P的變化主要受到不同土地利用類型的來源地的影響，故而C∶P這一指標可以作為土地利用方式的變化較為敏感的反映指標。

2.3　壩地沉積泥沙C，N，P對降雨侵蝕力的響應

不同沉積旋回厚度對應的降雨侵蝕力及泥沙量、不同旋回層中泥沙的C∶P分布見圖3。從圖中可以看出，C∶P隨著深度的變化，在總體上呈現出規律的鋸齒型變化特征，變化較平緩，在1 095.5～1 112.5 cm處有突變，達到最大值6.28。降雨侵蝕力、泥沙量和沉積旋回層厚度三者有著緊密的同步變化關系，降雨侵蝕力大，泥沙量大，相應的沉積旋回層厚。在189.5～321.5 cm范圍內降雨侵蝕力處于中等水平、C∶P較低，而對應的泥沙量較高。

為了更加直觀地表現降雨侵蝕力、泥沙量及泥沙中C∶P的變化關系，我們給出了三者的累積距平百分比隨著沉積旋回層變化的趨勢曲線，見圖4。沉積旋回層的數字越大說明沉積發生的時間越早，因此，橫坐標上76表示第1個旋回層。泥沙量累積距平在第13，49，57旋回層(對應橫坐標64，28，20)出現了明顯拐點，在第1～13旋回層(對應橫坐標76～64)，泥沙累積距平百分比呈上升趨勢，在第14～49旋回層(橫坐標63～28)總體上呈現下降的趨勢，第50～57旋回層(橫坐標27～20)有短暫的回升后在第58～76(橫坐標19～1)旋回層下降。降雨侵蝕力累積距平百分比曲線的變化趨勢與泥沙量的大致相同。而C∶P累積距平百分比的曲線在不同沉積層中大致劃為兩個階段，即在第1～49旋回層內遞減而在第50～76旋回層內遞增。累積曲線呈現規律的線性增長或降低說明該指標在這一階段內較為穩定地維持高于或低于均值的水平。

圖3　沉積泥沙旋回層對應的C∶P、降雨侵蝕力與泥沙量

圖4　C∶P降雨侵蝕力與泥沙量累積距平百分比變化趨勢

根據泥沙量累積距平百分比曲線明顯的拐點，結合薛凱等[16]對該壩地沉積旋回層的斷代結果將流域的侵蝕變化特征劃分成了4個階段，將各階段的泥沙量、降雨侵蝕力以及C∶P標準化后進行擬合，并根據霍羅特的公式計算降雨侵蝕力及C∶P對泥沙量的貢獻率，結果見表4。

由表4可知，小流域的侵蝕模數在1960—1964年及1984—1987年間顯著較大，反映這兩個階段小流域遭受的侵蝕劇烈；在1966—1983年的侵蝕模數在4個階段中最小。從貢獻率來看自然與人為兩大因素對小流域侵蝕產沙的影響：以1960—1964年間，降雨對于泥沙量的貢獻率為98.86，土地利用類型的變化對泥沙量的貢獻率較小，表明該階段小流域內土壤侵蝕主要由降雨造成；在1965—1983年間，土地利用的變化對整個小流域的侵蝕產沙過程表現出了減沙的作用，降雨侵蝕力對泥沙量的貢獻率依舊高達82.75%，自然因素依舊是造成小流域水土流失的主要原因。經過對當地記載材料的查驗，在該階段小流域內出現了許多水土保持措施，人為因素減少了侵蝕產沙。自1984年起至1990年，總體上，土地利用類型發生變化極大程度上促進了小流域的侵蝕產沙，1984—1986年間土地利用變化對泥沙量的貢獻率高達52.63%，1987—1990年則為40.08%。1984年起，雖有上一階段的水土保持措施的減沙效益，但該階段內隨著土地包產到戶政策的實施，農民在流域內進行的大面積開荒、陡坡開墾等生產活動極大程度促進了侵蝕的發生。

表4　各階段自然因素與人為因素在泥沙中的貢獻率

注：Y為泥沙量(t)；X1，X2分別為降雨侵蝕力及C∶P值；土地利用貢獻率(+)為減沙，(-)為增沙。

結合圖4中C∶P累積距平百分比曲線變化趨勢分析：在第一、二階段內，壩地泥沙C∶P總體上持續低于均值，可大致判斷該階段內的泥沙大部分來源于養分貧瘠的溝壁處土壤。從1984年起，泥沙中的C∶P含量持續高于均值，說明了該流域內人們的活動對小流域內的土地利用類型造成了較大影響，增大了對流域內土壤有機質等養分的輸入，從而提高了該階段內泥沙中的C∶P。根據泥沙中的C∶P累積變化可反映出小流域在1984年起人們開荒開展生產活動過程中，施肥等田間管理方法影響著小流域土壤養分的總體分布情況。

3　結 論

通過對研究區的土壤與壩地沉積泥沙的研究發現：土壤養分含量水平整體偏低，壩控流域土壤C∶N的均值為9.30，低于25；N∶P均值為0.60，小于表征土壤氮素缺乏的最小值14，說明該區土壤處于較快的礦化作用中，流域內土壤氮素缺乏，限制植物的生長。在各項化學計量特征指標中，僅C∶P在坡面上不同土地利用類型土壤間差異顯著，且泥沙中的C∶P與坡面上不同利用方式的土壤也有顯著差異，說明C∶P對于土地利用類型的變化相應敏感，因此它可作為對于人類活動造成土地利用方式變化的響應指標。結合泥沙量與降雨侵蝕力，該淤地壩泥沙在1960—1983年期間，主要來源于重力侵蝕造成的溝壁坍塌及溝道擴張。在此期間，1965—1983年小流域內出現的水土保持措施總體起到了很好的減沙作用。在1984—1986年間，人們大面積的開荒造田極大程度上促進了小流域內產沙。1987—1990年，坡面耕地面積的增加、田間管理措施影響著坡面表層土壤肥力，但壩地中的泥沙養分未表現出顯著的富集效應。

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