不同水保措施對土壤可蝕性及速效養分的影響研究

金云杰

(遼寧省沈陽水文局，沈陽 110094)

0 引 言

棕壤是一類發育于濕潤氣候區中生型落葉林下的土壤，其心土層呈鮮棕色，且以微酸性反應特征為主，成土母質多酸性母巖風化物，多分布于中國遼東半島，山東半島及其東南不等地[1]。棕壤土具有生產性能高、土壤礦物質含量高、風化成土速率較快等特點[2]，分布地區年降水量600-900mm，平均氣溫8-12℃，干燥度0.1-1.1。然而，由于棕壤土母巖裸露，土層淺薄，有機質含量低且保水保肥能力差，加之不合理的開發利用極易產生水土流失[3]。

一般地，土壤速效養分包括速效磷(AP)、速效鉀(AK)、速效氮(AN)、硝態氮(NO3-—N)和銨態氮(NH4+—N)等各類供給植物生長吸收的營養成分，速效養分能夠為生態修復和土壤質量評價提供指示作用[4]。土壤速效養分化學計量比能夠揭示生態系統的變異性、穩定性，并反映土壤的有效性以及多元素循環平衡的特征[5-6]。近年來，有關研究多集中于土壤速效養分含量受農作物種植、外物添加、速效養分時空變異等因素的影響[7]。土壤可蝕性是土壤侵蝕預報與定量評價的重要參數，也是反映土壤受外力搬運、侵蝕的敏感性和土壤被沖蝕難易程度的關鍵指標[8]。土壤供給速效養分的差異和土壤養分的流失程度在很大程度上取決于土壤可蝕性的強弱，為有效降低土壤可蝕性、提升土壤的速效養分及減輕水土流失程度有必要實施水土保持措施。目前，針對土壤可蝕性的相關研究多側重于評價模型的適用性分析、可蝕性因子估算和土壤空間變異等領域[9-11]，而對土壤可蝕性特征、速效養分含量受水保措施的影響研究還鮮有報道，對土壤可蝕性特征與速效養分之間相互關系的研究更加少見。

丹東市寬甸縣地貌類型總體上屬于低山丘陵區，境內山體連貫，形態各異，谷間寬闊、山勢低緩，溝壑發育，河谷兩側有小型平地，河流下切較弱，溝壑密度4.6km/km2，水土流失率達到18.52%。近年來，大面積的經濟林開發與建設致使資源破壞嚴重，植被覆蓋度逐年降低，水土流失程度不斷加劇，土壤肥力及有機質含量持續下降，土地資源和生態環境受到嚴重威脅。因此，文章以丹東市寬甸縣振江項目區棕壤土徑流小區為例，探討了5種水保措施下土壤可蝕性特征、速效養分以及兩者間的相互關系，通過對比棕壤土坡地的整治效果，以期為遼東地區水保方案的優化設計提供數據支持，為小流域治理效果評價提供科學指導。

1 研究方法

1.1 小流域概況

研究樣地位于丹東市寬甸縣東北部，地理坐標為E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′之間，為丹東市典型的棕壤土流失區之一。該區域屬于遼東石質山區，海拔高度100-600m之間，地帶性土壤為棕壤土，土層厚0.3-1.5m，植被溫暖帶、溫帶落葉闊葉林和針闊混交林。氣候屬南溫帶大陸性季風氣候，平均降水量1140mm，多集中于6-8月，平均氣溫6.7℃/a，日照時數2473h，≥10°積溫3200℃，無霜期160d，太陽總輻射量5344kJ，平均風速1.6m/s。

研究區內原生植物有紅松、落葉松、伴生有榭樹、山槐、花曲梠、赤楊、蠟樹、椴樹等，灌木有荊條、胡枝子、映山紅等，草木植物有白頭翁、秸梗、天南星等。草本和木本植物種類繁多，共有10科、22屬、54種，中藥材50多種，具有龐大的生物基因庫，在涵養水源和保持水土等方面發揮著重要的作用。

1.2 試驗設計

根據寬甸縣以往實施的水保措施和遼東山地耕作模式，并結合區域農業發展特色布設10個標準徑流小區。設置的對照組(DK)為地表裸露的無水保措施小區，試驗組為白喜草+桃樹+梯田(D1)、山菊花+魚鱗坑+山邊溝(D2)、荊條+魚鱗坑+隔坡梯田(D3)、荊條+魚鱗坑(D4)、喬灌草+竹節溝(D5)五種水保措施下的小區。各徑流小區的坡向相同、坡度為20°、長20m、寬5m，面積100m2，2018年3月布設相應的水保措施。徑流小區水保措施的布設，見表1。

表1 徑流小區水保措施的布設

2020年11月對每個徑流小區采集土壤樣品，即沿等高線方向采集坡面上、中、下部的土樣，以相同的距離取每條等高線上3點處的土樣，在此基礎上將所取的等量土樣混合成1個土樣，由此以來可在徑流小區的上、中、下部各獲取1個混合土樣，采樣深度0-20cm且采樣點應最大程度的避開樹木，用聚乙烯自封袋收集所取的土樣，為便于識別還要貼上標簽。實驗室內剔除土樣中的植物根系、礫石等雜物，取一部分土樣過2mm篩以備土壤粒徑組成、硝態氮、銨態氮的測定。自然風干其余兩份土樣，其中一份研磨過10目篩以備速效鉀、速效磷的測定，另一份研磨過100目篩以備土壤有機碳的測定。

采用Master Sizer 2000激光粒度分析儀、Elementar Vario MAX碳元素分析儀直接測定有機碳含量和土壤粒徑組成；對土壤速效氮(硝態氮、銨態氮)、速效磷和速效鉀含量的測定，應先用2mol/L的KCL、Mehlich 3法、1mol/L的NH4OAc浸提，再用Skalar san++連續流動分析儀和FP640火焰光度計測定[12]。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤可蝕性K值

土壤可蝕性K值是準確反映土壤可侵蝕狀況及其抗侵蝕性的重要參數，其中Shirzai公式、EPIC模型、RUSLE通用土壤流失方程等為國內外普遍應用的土壤可蝕性K值估算方法，因存在測定方便、可操作性強、物理意義明確等特點，對土壤可蝕性K值的估算EPIC模型具有較強的適用性與可靠性[13]。研究表明，對中國北方土石質山區土壤抗侵蝕能力利用EPCI模型評價，能夠客觀準確的反映土壤的真實情況[14-15]。因此，文章擬應用EPIC模型評價棕壤土土壤可蝕性，計算公式為：

(1)

(2)

式中：KEPIC為土壤可蝕性K值，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；Sa、Si、Cl為砂粒(0.05-2mm)、粉粒(0.002-0.05mm)、黏粒(<0.002mm)含量，%；C為有機質含量，%；Sn為除砂粒外的其它顆粒含量，%，并且Sn=1-Sa/100。

1.3.2 統計分析方法

所用的數據處理軟件有SPSS22.0、Excel2013，對不同水保措施下棕壤土的可蝕性K值、粒徑組成、有機碳含量、AP/AK、AN/AK、AN/AP、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、速效氮(AN)、硝態氮(NO3-—N)和銨態氮(NH4+—N)利用單因素方差分析法進行多重顯著性檢驗，采用Pearson法分析AP/AK、AN/AK、AN/AP、AK、AP、、NO3-—N、NH4+—N與土壤可蝕性K值的相關性，最后用Origin8.0軟件制圖。

2 結果分析

2.1 土壤速效養分特征

1)速效養分含量。土壤速效養分含量，見表2。從表2可以看出，D2水保措施下土壤銨態氮含量最高，其次為D3，銨態氮含量最低的為DK對照組；其中，銨態氮含量顯著高于DK(P<0.05)的有D2、D3、D4水保措施，D2、D3、D4為DK銨態氮含量的2.05倍、1.73倍、1.66倍，此外DK與D1、D5措施的銨態氮含量差異未達到顯著水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤硝態氮含量處于0.25-0.26mg/kg之間，并且達到極顯著差異水平(P<0.01)，與其它水保措施相比D2措施的土壤硝態氮含量明顯較高(P<0.05)，除D2外其它措施的硝態氮含量差異均未達到顯著水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤速效磷含量處于5.76-52.47mg/kg間，并且達到極顯著差異水平(P<0.01)，其中D2的速效磷含量最高，DK的含量最低，D1、D2、D5的速效磷含量均顯著高于DK(P<0.05)，與DK相比高出11.06、50.87、20.65mg/kg，DK與D3、D4水保措施下的速效磷含量差異不顯著(P>0.05)。不同水保措施下土壤速效鉀含量處于80.60-210.86mg/kg之間，并且達到顯著差異水平(P<0.05)，其中D2的速效鉀含量最高，其次為D1，DK的含量最低，D1、D2、D3的速效鉀含量均顯著高于DK(P<0.05)，依次為DK速效鉀含量的4.30倍、5.49倍、4.17倍，DK與D4、D5水保措施下的速效鉀含量差異不顯著(P>0.05)。

表2 土壤速效養分含量

2)速效養分化學計量比。速效養分化學計量比，見表3。由表3可知，不同水保措施下土壤AN/AK值處于0.08-0.24之間，達到顯著差異水平(P<0.05)；與DK相比5種水保措施下土壤的AN/AK均明顯較低(P<0.05)，與DK相比低于0.16、0.15、0.15、0.06、0.12，D1、D2、D3、D5水保措施下土壤的AN/AK均未達到顯著差異水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤AN/AP值處于0.33-3.15之間，達到顯著差異水平(P<0.05)；與DK相比5種水保措施下土壤的AN/AP均明顯較低(P<0.05)，且D1、D2、D3、D5水保措施下土壤的AN/AP均未達到顯著差異水平(P>0.05)。不同水保措施下土壤AP/AK值處于0.04-0.25之間，達到顯著差異水平(P<0.05)，其中AP/AK最大者為D2，其次為D5的0.21，AP/AK最小值為D3的0.04；與DK相比D2、D5水保措施下土壤的AP/AK值高出5.0倍、4.2倍，并且DK與D1、D3、D4之間均未達到顯著差異水平(P>0.05)。

表3 速效養分化學計量比

2.2 土壤可蝕性特征

按照從低到高的次序排列各徑流小區的土壤有機碳含量：DK

表4 土壤可蝕性K值、粒徑組成及有機碳含量

2.3 土壤可蝕性與速效養分的相關性

采用Pearson法分析不同水保措施下土壤可蝕性特征指標、速效養分指標、粒徑組成、有機碳含量與土壤可蝕性K值的相關性，粒徑組成、有機碳與土壤可蝕性K值的相關性，見表5；土壤可蝕性與速效養分指標間的相關性，見表6。研究發現，土壤可蝕性K值與黏粒無顯著相關性，與粉粒呈極顯著的正相關性(P<0.01)，與砂粒、有機碳呈極顯著的負相關性(P<0.01)；砂粒與AP/AK、粉粒與AN/AK、砂粒與速效磷、黏粒與土壤銨態氮呈顯著的正相關性(P<0.05)，粉粒與AN/AP、黏粒與速效鉀、有機碳與速效磷、有機碳與土壤銨態氮呈極顯著的正相關性(P<0.01)。K值和粉粒與AP/AK、黏粒和有機碳與AN/AK、有機碳和砂粒與AN/AP、K值與速效鉀、粉粒與速效磷呈顯著的負相關性(P<0.05)，K值與速效磷呈極顯著的負相關性(P<0.01)，土壤可蝕性指標與硝態氮之間未表現出顯著的相關性。

續表4 土壤可蝕性K值、粒徑組成及有機碳含量

表5 粒徑組成、有機碳與土壤可蝕性K值的相關性

表6 土壤可蝕性與速效養分指標間的相關性

3 結 論

1)在遼東棕壤土坡地上，不同水保措施下土壤的速效鉀、速效磷、銨態氮含量均大于裸露空白對照小區，并且AN/AK、AN/AP均低于空白對照小區，水土保持措施能夠較好的保持棕壤土速效養分，水保措施有利于增強速效養分之間的協調性及促進土壤速效養分比例的平衡。

2)5種水保措施能夠明顯提高棕壤土的抗侵蝕能力和有機碳含量，其中降低棕壤土可蝕性效果最好、提高有機碳含量最高的為D2水保措施。因此，在遼東棕壤土坡地中山菊花+魚鱗坑+山邊溝的治理措施具有廣泛的應用前景。

3)遼東棕壤土可蝕性特征與速效養分之間存在復雜的聯系，土壤可蝕性特征指標與除硝態氮外的速效養分指標具有一定關聯。隨著可蝕性K值的增大土壤的抗侵蝕能力逐漸減弱，土壤速效養分流失加劇且含量不斷減少。