紫色土陡坡地径流小区雨强模拟降雨试验研究

紫色土陡坡地径流小区雨强模拟降雨试验研究

生态边坡工程（slope生态结构，姚）主要是指以环境保护和城市规划为目标的边坡保护的植物技术措施。近年在我国南方诸多山区,以坡地等高植物篱技术(contourhedgerows)应用为代表的坡地生态工程获得了广泛的运用。其主要形式是在坡面沿等高线布设密植的灌木或草本的植物篱带,带间布置农作物。三峡库区地处亚热带湿润区,山地丘陵面积占96.2%,耕地的65.5%为坡耕旱地,46%的耕地坡度>25°。紫色土是库区主要的坡地土壤资源,面积占耕地的78.7%。三峡工程将淹没库区现有耕地的25.5%,且基本上是平地农田。耕地的减少和开发性移民将使库区坡地土壤资源的利用与保护成为不容忽视的重要问题。尤其在三峡库区这样人多地少,农业发展水平不高的陡坡地区,不适当的农业措施引起的表土养分流失能造成严重的土壤资源退化和面源污染。有效地控制表土养分流失乃是坡地土壤资源保护问题的核心之一。以坡地等高植物篱应用为代表的坡地生态工程对保持库区坡地土壤肥力,减少未来三峡水库的泥沙淤塞和减轻水体污染是颇具意义的。国外在等高植物篱改善坡地生态,减轻土壤侵蚀的效果与机理,植物篱-农作系统的养分流失等方面已有不少研究,目前国内的研究已涉及前两个领域,但在控制侵蚀方面多限于水沙效应,而对不同耕作措施下的坡面养分流失的研究仍为数不多。本文探讨了三峡库区紫色土坡地植物篱-农作系统不同耕作措施下的坡面养分流失,旨在研究应用坡地生态工程控制养分损失和面源污染、持续利用坡地土壤资源的有效途径。1实验设计及方法实验地为设在库区首县秭归县王家桥流域设立的植物篱实验区,植物篱品种为近年在南方山区普遍应用的香根草(Vetiveriazizanioides)。当地纬度31°05′36″,距长江干流约4km,多年平均降雨量1013.1mm,年均温16.7℃,海拔240m。土壤为侏罗纪上统逢莱镇组紫色砂泥岩发育的石灰性紫色土,质地轻壤。坡面土壤平均流失量3464t/km2·a。4号地6个小区及1号地5小区(1-5小区)均为标准径流小区,坡度25°。每个小区水平投影长度10m,宽2m(水平集雨面积20m2),除对照坡耕地外均于1996年3至4月等高定植了三带香根草植物篱,坡面间距2.8m;每带两行,行距20cm,株距20cm,篱带间种植黄豆(1997年5月至10月)。各小区处理及模拟降雨雨前土壤养分状况见表1。由于植物篱小区侵蚀泥沙样品用于物理分析后不足以作养分分析,实验采用规格及处理同4号地第2小区(4-2小区)的1-5小区作为侵蚀泥沙样品养分分析的补充小区。模拟降雨在上茬作物收获后进行。模拟降雨器采用美国SPRACO锥型喷头,喷头距地面垂直高度4.75m,供水压力0.08MPa,雨滴动能等当于天然降雨的90%,降雨均匀度约0.90,每小区沿长边相对布置8套立式模拟降雨器,降雨强度控制在相当于当地大暴雨的1.1~1.4mm/min左右。雨前测定0~2cm表土养分含量(实验区同条件模拟降雨实验表明径流与土壤有效作用层很浅,0~2cm表土雨前雨后养分含量变化最大),模拟降雨时在小区下方集水口测量径流量及径流含沙量。每3min取样1000ml用于测定含沙量,每次取样时间为蓄满1000ml为止,含沙量测定样过滤后清液用于养分分析。每3min间隔内的其它径流全部收集以测量径流量。所有样品的有机质测定均采用重铬酸钾容量法,全N采用开氏法、NO3-N采用2MKCl浸提/水杨酸比色法、NH4-N采用2MKCl浸提/柠檬酸钠-水杨酸钠-酒石酸钠比色法、速效氮采用NaOH碱解蒸馏法、全磷采用NaOH碱熔-钼锑抗比色法、速效磷采用0.5MNaHCO3浸提-钼锑抗比色法、全钾采用NaOH碱熔-火焰光度计法、速效钾采用1M中性NaOAC浸提-火焰光度计法、pH采用pH计测定。2结果与讨论2.1不同区域化植物篱-田坡面侵蚀泥沙养分分配特征蔡强国等研究表明,在三峡紫色土地区,一年中土壤侵蚀量的大部分由数次雨强较大的暴雨造成。大雨强模拟降雨条件下各小区侵蚀状况见表2。从表2可以看出,在模拟降雨雨强及雨量接近的情况下,单纯植物篱处理的4-2小区土壤侵蚀量仅相当于对照坡耕地4-1小区的16.9%、径流量相当于24.8%,产流时间明显延迟。其它小区的雨强相近,雨量更大,侵蚀量及径流量较4-2小区更小,产流时间都较4-1小区明显延迟。由表3可见,各小区的降雨累积产流量、产沙量与时间变量均呈较好的线性关系,各处理与对照小区的累积径流量过程线和累积侵蚀量过程线也体现了各处理减少坡面径流量和侵蚀量的效果是十分明显的,4-2小区的累积侵蚀量过程曲线斜率显著小于4-1小区,其它小区的斜率则远小于4-2小区,在80~120mm左右的大雨量降雨下,尤以4-5小区与4-6小区为甚。4-4小区与4-5小区雨强、雨量接近,而4-5小区径流量及侵蚀量远小于4-4小区,应为施用有机肥改善了土壤物理性质,尤其是增加了土壤渗透性能,减少坡面径流、提高土壤抗蚀性所致。可见,通过施肥改善坡面土壤性质或植物篱带间覆盖能够显著减轻坡面土壤侵蚀,其中植物篱带间施有机肥和配施有机、无机肥同时带间覆盖两种处理效果最好。各小区累积产沙量与累积产流量线性关系甚好,径流量越小,产沙越少,这符合植物篱通过拦滞坡面径流减弱径流侵蚀力来减少侵蚀量的机理。因侵蚀量小,4-2小区侵蚀泥沙样品量不足作养分分析,其它植物篱小区样品量则更少。研究表明,侵蚀泥沙的养分的富集特点(侵蚀泥沙中与雨前表土养分含量之比)与侵蚀泥沙的质地组成密切相关。在植物篱带间距、定植时间一致和篱前淤积带宽度接近的条件下,侵蚀泥沙的质地组成应是相近的。而侵蚀量越大,一般养分富集度越小,两者存在对数线形关系。各植物篱小区侵蚀量之间的差距远小于与坡耕地小区的差距,各植物篱小区侵蚀量均较小,因此各植物篱小区养分富集度比较接近,侵蚀泥沙中的流失养分可分别以相近雨强(1.39mm/min)、雨前表土养分含量及相同小区条件下香根草植物篱小区(1-5小区)和坡耕地小区的侵蚀泥沙养分富集度(见表4)来估算。结果见表5。在实验区侵蚀泥沙带走的土壤养分损失要与<0.02mm土壤细颗粒的流失密切相关,等高植物篱可以明显减少土壤细粒流失,但在对坡面径流的有效拦截作用下,径流动能被显著削弱,较粗颗粒的沉积比率相对较高,植物篱-农作系统中流失的土壤质地较细。1996年11月实验区相近雨强实验也表明,植物篱小区侵蚀泥沙中<0.02mm土细颗粒的平均富集度比对照坡耕地小区高17%以上。植物篱小区侵蚀泥沙养分富集度除全磷外均>1,其中有效钾最高,全磷最低(0.46)。这表明紫色土坡地植物篱-农作系统中流失的有效钾主要富集于土壤细颗粒中,土壤细颗粒的损失对土壤有效钾影响最大,有效氮次之;而全磷量主要存在于不易侵蚀的较粗颗粒中。2.2径流养分含量常规方法所测定的径流中携带养分基本都是可溶性的,均属可为植物直接吸收利用的有效养分。香根草植物篱冠幅小,占地面积很少,植物淋溶的养分有限,径流中养分主要来自土壤中养分的溶解流失。由表6可见,4-1小区径流中各养分含量,4-2、4-5、4-6小区径流中NH4-N均小于空白雨水(自来水)。而各小区在前一年(1996年11月,植物篱尚未密闭成型,对径流的阻滞作用有限)相近降雨强度的实验中所有小区的氮、磷养分亦小于空白雨水,表明这种现象并不孤立。笔者以为,可能的解释之一是因为土壤中水溶态及易交换吸附态的养分含量较低,而土壤粘粒对径流中的养分还有部分吸附作用,降低了径流中的养分含量,但这还有待进一步的实验研究以分析这种可能。由于密闭成型的植物篱(及带间覆盖物)对径流的阻滞作用,坡面产流时间明显延迟(表2),径流与表土混合,溶质溶解交换的过程比较充分,故除4-1外其它小区多数测定项目径流养分含量高于空白雨水。这从单纯植物篱处理的4-2小区径流养分高于4-1小区(两小区雨前表土有效养分含量接近)也可以得到解释。对比表1,雨前表土中NO3-N的含量远较NH4-N为低,但除4-1小区外径流中NO3-N含量远高于NH4-N,这表明紫色土植物篱-农作系统中无机氮的流失以NO3-N为主。这也符合中—弱碱反应下土壤胶体对阳离子的NH4-N和阴离子的NO3-N不同的吸附特性。4-3、4-5、4-6小区的雨量大于4-2小区,径流中NO3-N含量也高于4-2小区,而径流携带的NO3-N损失量较之为少,主要是带间覆盖和施用有机肥改善土壤渗透性减少坡面径流所致。4-5、4-6小区雨前表土有效磷高于4-2小区,在雨强更大的情况下,径流磷的损失少于4-2小区。因此,施用有机肥和配施有机、无机肥及带间覆盖比单纯植物篱处理更能减少有效磷的流失。同样施用无机肥的4-3、4-4小区雨前表土有效钾含量、雨量相去不远,而4-3小区径流钾含量和损失量远大于4-4小区,原因有待解释,但部份原因可能是覆盖麦秆中钾的淋溶。同样覆盖麦秆的4-6小区径流中钾的损失在雨强最大、雨前表土有效钾含量最高的条件下钾损失量最小,可能是施用有机肥,增加了径流下渗;另外,土壤胶体对交换性钾的吸附增强可能也是一个原因(径流中钾含量小于4-3小区)。2.3不同处理的土壤有机溶剂对有效养分流失的影响侵蚀泥沙携带的养分流失和坡面径流携带的养分流失是坡地养分流失的两个主要途径。根据各小区侵蚀泥沙中养分流失的估算值及径流携带的养分损失量计算的坡面养分损失量见表7。黄丽等研究表明,紫色土裸坡地、坡耕地养分流失以侵蚀泥沙携带的养分为主。但在不同的耕作措施下植物篱-农作系统中坡地养分流失表现出不同的特点。参比表6、表7,在雨强、雨量相近条件下4-2小区坡面养分损失量中总氮(不包括径流中有机氮)、总磷、有效磷、总钾、有效钾分别相当于对照坡耕地4-1小区的61.9%、18.4%、28.5%、100.0%、99.9%。这表明单纯植物篱处理在控制氮、磷流失方面效果明显,但由于对坡面径流的阻滞作用使土壤中易溶钾的淋溶增加(提高了径流中钾的含量),对于钾流失的控制无甚效果。同样,施肥或带间覆盖在减少坡面产流产沙的同时由于径流与表土混合,溶质溶解交换的过程更充分,土壤中易溶养分的淋溶增加,径流携带的养分损失占坡面养分损失总量的比例也有明显增加。尤其径流带走的养分都是有效养分坡面有效养分损失量的比例则更高。如坡面侵蚀量较小的4-4、4-5、4-6小区径流携带的无机氮(以NO3-N为主)远远超过侵蚀泥沙携带的有效氮损失。径流携带的磷素损失占坡面总磷损失量的比例不大,但占有效磷的比例明显增加,侵蚀量较小的4-5、4-6小区该比例超过50%。这两个小区径流携带的钾素占坡面总钾损失量的比例也较大。各小区径流携带的钾素均占坡面有效钾损失量的大部分,因此,在应用坡地生态工程的植物篱-农作系统中坡地土壤有效养分的主要流失途径是径流养分流失。由于这部分养分(尤氮、磷)易于为水中微生物利用,流失泥沙携带的养分中的相当部分不易解吸,径流带走的养分在形态上对水体影响最大,也最直接。从养分损失量上看,除4-4小区无机氮、4-3小区有效磷、有效钾损失较大外4-3、4-3、4-5、4-6小区养分损失均小于4-2小区,4-5、4-6小区的各养分损失量尤小。从养分流失控制的角度看,带间配施有、无机肥并覆盖稿秆和施用有机肥两种处理效果最佳。3不同植物植物篱-农作系统中养分流失的情况在三峡库区25°紫色土陡坡地相当于天然暴雨的大雨强模拟降雨实验表明,以等高植物篱应用为代表的坡地生态工程能有效地控制坡地侵蚀与养分流失,坡地植物篱-农作系统的养分流失具有不同于坡耕地的特点。(1)在雨强、雨量相近的条件下,单纯植物篱处理的小区坡面径流量、侵蚀量仅相当于对照坡耕地的24.8%、16.9%,控制侵蚀的效果明显。通过施肥改善土壤渗透性、抗蚀性和通过覆盖减少溅蚀、减轻片蚀侵蚀搬运能力能进一步减轻侵蚀。在更大的雨量条件下,其中施用有机肥和配施有、无机肥-带间麦秆覆盖两种处理的次降雨侵蚀量在对照坡耕地的0.3%以下,径流量在5.2%以下(由表2计算),控制侵蚀的效果最好。(2)由于植物篱和带间覆盖麦秆对径流的阻滞作用使坡面产流时间延长,径流与表土的混合、养分溶解交换过程更加充分,径流中养分含量较对照坡耕地(坡面径流连续,流速快,与表土混合作用较不充分)为高。紫色土坡地植物篱-农作系统中无机氮的流失以NO3-N为主,对无机氮、有效磷的流失控制效果以施用有机肥和配施有、无机肥-带间麦秆覆盖两种处理最好,这两种处理和施用无机肥处理对有效钾的流失控制效果都好于单纯植物篱处理。(3)从坡面养分流失总量及组成来看,坡地植物篱-农作系统中径流携带的养分流失是坡面养分流失的重要途径,尤其是坡面有效养分损失的主要途径,这不同于裸地和坡耕地。而径流携带的养分流失都是植物和水体微生物可直接利用的有效养分,其损失对作物营养吸收和水质污染有着直接的影响。通过改善土壤入渗性能和加速植物篱前淤积带形成可以减少坡面径流量,从而进一步减少植物篱-农作系统的养分流失量。单纯