張曉艷,李琴書

(1.云南經(jīng)濟管理學(xué)院， 昆明 650106; 2.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 昆明 650093)

水土流失是地表物質(zhì)在降雨、徑流、風(fēng)、凍融等外營力驅(qū)動下發(fā)生位移與再分配的一種自然過程，主要包括侵燭、剝離、搬運、沉積等環(huán)節(jié)[1-2]。土壤坡面水土流失是坡地表層土壤與降雨、徑流相互分散、剝離和搬運的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，也是大量營養(yǎng)元素流失的過程，受降雨特性、產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度等因素的影響[3-5]。在20世紀(jì)初期，國內(nèi)外對于土壤侵燭的研究多限于侵姓過程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙動態(tài)變化和機理分析，而忽略了由此帶來的養(yǎng)分流失問題。在降雨條件下，雨水在土壤剖面以入滲和徑流2種形式進行運移，當(dāng)雨水入滲量超過土壤最大蓄水量時，徑流產(chǎn)生，土壤表層易受降雨沖刷侵蝕，徑流隨后發(fā)展為泥沙流失，引起土壤養(yǎng)分流失，惡化生態(tài)環(huán)境[6-8]；另一方面導(dǎo)致土壤肥力下降，土地生產(chǎn)力降低，破壞土地資源，尤其是在人為活動頻繁，且不盡合理的強烈干擾下，水土流失過程進一步加劇，從而引發(fā)了各種各樣的資源與環(huán)境問題[9-10]。因此，防治坡地水土流失，減少養(yǎng)分損失，保護生態(tài)環(huán)境成為當(dāng)前中外學(xué)者共同關(guān)注的熱點之一。

川中丘陵區(qū)是中國典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，人地矛盾尤為突出，零散坡耕地較多，加之不合理的耕作管理，造成嚴(yán)重的水土流失，在降雨侵蝕過程中不僅形成地表徑流，同時也產(chǎn)生大量的壤中流，造成坡耕地大量的磷素隨之流失[11-12]。因此，深入研究川中丘陵區(qū)不同土地利用方式下水土流失及磷素流失狀況，可為該區(qū)尋求合理土地利用方式、養(yǎng)分流失預(yù)測評價以及防治提供理論依據(jù)。本研究通過降雨模擬試驗，研究不同土地利用方式下的地表徑流產(chǎn)流產(chǎn)沙及其磷素流失動態(tài)過程，將有助于明確該區(qū)水土流失及特征，為協(xié)調(diào)區(qū)域土地管理和改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

供試樣品采自川中丘陵區(qū)紫色坡耕地不同土地利用類型的土壤(農(nóng)田、果園、草地、灌叢、林地)，2016年6月，取0—20 cm的表層土壤，帶回室內(nèi)風(fēng)干，剔除石塊、植物根莖以及雜草，過2 mm粗篩備用，試供土壤理化性質(zhì)及肥力特征如表1所示?；谝巴鈱嵉卣{(diào)查，本研究將試驗小區(qū)設(shè)計為1.5 m×1.5 m的15個微小區(qū)(每種土地利用方式重復(fù)3次)，控制與原位土體一樣的容重，隨機每個小區(qū)下墊面用混泥土固化防滲形成相對不透水層(保持與土面相同坡度)，使?jié)B入土體中的水分到達此相對不透水層時，可通過擋板上直徑為2 cm的小孔流入集水槽，用于收集壤中流。相對不透水層上鋪10 cm厚石英砂，上面覆土60 cm。每個小區(qū)坡面下部用水泥砌成V形集水槽，集水槽通過PVC管連接到徑流收集桶，每種土地利用方式重復(fù)3次。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗裝置 目前國內(nèi)多數(shù)設(shè)備是依據(jù)黃土高原或華北地區(qū)的氣象條件設(shè)計的，而不同的氣象條件下降雨的各種參數(shù)是不同的。本文在分析其年內(nèi)分布規(guī)律和雨強范圍基礎(chǔ)上，設(shè)計適合該地區(qū)的降雨設(shè)備。2016年5—9月，設(shè)計本試驗降雨強度為80 mm/h，降雨歷時為60 min。模擬降雨裝置采用西安清遠(yuǎn)公司的QYJY-502型便攜式人工模擬降雨器，主要由降雨噴頭、供水管路、壓力表、回水閥、供水水泵、不銹鋼支架、開關(guān)閥等部分組成。降雨高度為4 m，雨強連續(xù)變化范圍為10～150 mm/h。裝置噴頭系統(tǒng)為美國V-80100，由噴頭體、出水孔板和碎流擋板等部件組成的變孔式噴頭。供水壓力由壓力表控制，雨強主要通過孔板的孔徑來調(diào)節(jié)，孔徑3～13 mm，可控制雨強30～165 mm/h，雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨相似，降雨均勻度大于80%。土槽由PVC板組成，尺寸1 400 mm ×600 mm ×400 mm，土槽徑流溢流孔(φ=5 mm)按棋盤式布局，土槽底部設(shè)有滲流溢流孔，土槽通過合頁與降雨器支架焊接，后端與降雨器支架后端的手動葫蘆相連，可手動調(diào)節(jié)坡度，調(diào)節(jié)范圍0°～15°，槽的一側(cè)設(shè)置延伸槽，高度5 cm，并開設(shè)孔徑1 cm的平行管孔，用于方便收集表面徑流。

1.2.2 降雨過程與分析測定 模擬降雨時選擇天晴、無風(fēng)日，不同土壤依次開展3場平行降雨試驗。用實驗室自來水作雨水，降雨前取樣分析本底作為徑流水樣對照。每次降雨結(jié)束，靜置一段時間，使土槽內(nèi)部土壤水分的再分配達到應(yīng)力均勻，以土壤表面不出現(xiàn)徑流為限。前期降雨24 h后進行降雨強度為60 mm/h的模擬降雨，降雨直至坡面即將發(fā)生產(chǎn)流為止，然后用塑料布覆蓋并靜置，使水分自由運動下滲以接近自然狀態(tài)下土壤水分分布狀況，同時又能保證各場次降雨的前期土壤含水率基本一致。從試驗土槽產(chǎn)流時開始記時，每場試驗前對降雨強度進行兩次率定，并且兩次的誤差不超過5%，以確保降雨的強度和均勻度達到試驗要求。降雨開始計時，記錄降雨開始時間和徑流產(chǎn)生時間，同時觀察坡面侵蝕過程，每場次降雨時間60 min(不含徑流產(chǎn)生前時間)；產(chǎn)生徑流后，每5 min采集1次徑流水樣，取樣時間為2 min，分別測量各時段徑流水體積，同時收集泥沙，所有泥沙樣品靜置48 h，傾倒上層清水，經(jīng)過自然風(fēng)干、稱重，測定泥沙中的總氮、總磷含量，以雨前土壤氮磷含量作為泥沙對照，然后置于烘箱中(105℃)烘至恒重，秤量得出徑流泥沙含量。降雨結(jié)束后，取土壤表層土測定氮磷含量。將收集的地表徑流水樣靜置后分為兩部分：一部分用于測定總氮(TN)、總磷(TP)；另一部分水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后用于測定溶解態(tài)氮(DN)、溶解態(tài)磷(DP)。

1.3 樣品測定及數(shù)據(jù)分析

TN，DN測定采用GB11894—89堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP，DP采用GB11893—89鉬酸銨分光光度法，徑流水相懸浮顆粒態(tài)氮(PN)和懸浮顆粒態(tài)磷(PP)利用差減法計算得出。土壤和泥沙中全氮的測定采用半微量凱氏法，全磷測定采用碳酸鈉熔融法[11-12]。

統(tǒng)計分析：利用Excel 2003和SPSS 18.00軟件對數(shù)據(jù)進行分析，采用Origin 7.5作圖，單因素方差進行分析(One-way ANOVA)，顯著性分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對地表徑流的影響

地表徑流攜帶養(yǎng)分是水土流失的主要途徑，因此在降雨過程中，徑流的變化必然導(dǎo)致了徑流中養(yǎng)分的變化特征。由圖1可知，5種不同土地利用方式下，地表徑流量的變化均隨著降雨的時間的增加呈對數(shù)變化趨勢，其相關(guān)方程分別為：

y灌叢=1.2225lnx+1.0112，R2=0.835，p<0.01

y草地=1.1218lnx-0.9705，R2=0.7994，p<0.01

y農(nóng)田=1.1604lnx-1.0869，R2=0.7826，p<0.01

y林地=1.0839lnx-1.0107，R2=0.7263，p<0.01

y果園=1.0873lnx-1.1008，R2=0.7825，p<0.01

式中：y表示地表徑流量；x表示降雨時間。由此可知，降雨開始后坡面產(chǎn)流量與降雨時間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，且5種土地利用方式的徑流量均在降雨產(chǎn)流初期增加幅度較大，后期緩慢增加逐漸趨于穩(wěn)定；由圖還可知，在同一降雨時間內(nèi)，地表徑流量均表現(xiàn)為：農(nóng)田>果園>草地>灌叢>林地。

圖1 不同土地利用方式對地表徑流的影響

2.2 不同土地利用方式對侵蝕產(chǎn)沙的影響

由圖2A可知，不同土地利用方式下侵蝕泥沙量隨降雨歷時的增加呈現(xiàn)出非線性的變化特征。農(nóng)田泥沙流失量隨時間的增加幅度較大，且在降雨后期出現(xiàn)陡增陡降的變化特征，在降雨后35～45 min達到峰值，其他4種土地利用方式下泥沙流失量的增加幅度較小，在降雨后35～45 min達到峰值，當(dāng)泥沙流失量達到峰值后隨產(chǎn)流時間的持續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)定增加趨勢，在降雨即將結(jié)束時泥沙流失量又有所減少，由此可見，其他5種土地利用方式對泥沙的調(diào)控作用要小于農(nóng)田，土地利用方式對產(chǎn)沙峰值出現(xiàn)的時間調(diào)控作用較大。不同土地利用下的降雨侵蝕產(chǎn)沙過程分異不明顯，由于降雨強度大，對地表瞬間產(chǎn)生的沖擊較大，開始時泥沙產(chǎn)生量很大，隨著降雨歷時的增加，土壤表層形成了一層水膜，起到緩沖作用，泥沙產(chǎn)生量就逐漸減少，并趨于平穩(wěn)，泥沙流失量大小順序為：農(nóng)田>果園>草地>灌叢>林地，泥沙流失量的大小反映了不同土地利用方式對水土流失的作用程度，試驗結(jié)果表明，農(nóng)田和果園的水土流失程度最大，其次是草地和灌叢，最后是林地。由圖2B可知，徑流中含沙量的變化一定程度上反映了徑流的攜沙能力，不同土地利用方式下徑流含沙量隨徑流過程逐漸降低，說明不同土地利用方式下徑流對坡面的沖刷力度是極強的。

2.3 不同土地利用方式對地表徑流及壤中流的影響

由圖3可知，農(nóng)田和草地徑流量顯著高于果園(p<0.05)，果園顯著高于灌叢和草地(p<0.05)，灌叢和草地徑流量差異不顯著(p>0.05)，主要是由于農(nóng)田和草地地表覆蓋度相對較小，坡面輸水量較大，加之在水流方向微地形起伏較小，積水順?biāo)芰^強，雨水到達坡面來不及下滲就已經(jīng)順坡面流下，同時對坡面形成高強度沖刷，這也是造成農(nóng)田和草地壤中流較小的主要原因。從整個降雨過程中產(chǎn)生的徑流總量來看，農(nóng)田總徑流量最大，果園和草地次之，從壤中流總量變化特征來看，果園與草地產(chǎn)生的壤中流差異不顯著，農(nóng)田、草地、灌叢產(chǎn)生的壤中流顯著高于林地(p<0.05)。

圖2 不同土地利用方式對侵蝕產(chǎn)沙的影響

圖3 不同土地利用方式對地表徑流及壤中流的影響

2.4 不同土地利用方式對泥沙累積量的影響

從圖4不同土地利用方式下泥沙累積流失量變化過程分析得出，泥沙的積累量在各個措施下均隨降雨時間的延續(xù)而呈線性增加，其相關(guān)方程分別為：

y草地=2.189e0.0758x，R2=0.952，p<0.01

y農(nóng)田=2.056e0.0624x，R2=0.941，p<0.01

y林地=1.823e0.0823x，R2=0.975，p<0.01

y果園=1.752e0.0836x，R2=0.907，p<0.01

Y灌叢=1.589e0.0755x，R2=0.923，p<0.01

式中：y表示泥沙累積量；x表示降雨時間，整個徑流過程中果園和農(nóng)田的泥沙流失最嚴(yán)重，且隨時間延續(xù)大幅度的增加，灌叢和林地的流失量均較小，灌叢和林地的攔截作用下土壤侵蝕量最小，控蝕效果最好，這與前人的研究結(jié)果一致。所以，灌叢和林地是減少水土流失的土地利用方式。

2.5 不同土地利用方式對降雨徑流中氮、磷流失特征的影響

2.5.1 徑流水相中氮磷流失特征 在降雨條件下，不同土地利用下的土壤氮磷遷移量受土壤中各種因素共同作用的影響，根據(jù)公式[13]：

式中：ci為徑流中氮磷濃度；Qi為徑流量，計算得到隨徑流輸出的氮磷總量見表2。在降雨條件下，不同土地利用方式下水相氮磷流失量、泥沙氮磷流失量和氮磷流失總量均表現(xiàn)為：農(nóng)田>果園>草地>灌叢>林地，這表明土壤表層氮素和磷素流失量的大小主要取決于地表土壤氮和磷的含量，徑流水相中氮磷的流失量與土壤氮和磷含量具有一致性。

圖4 不同土地利用方式對泥沙累積量的影響

2.5.2 侵蝕泥沙中氮磷流失特征 侵蝕泥沙是指徑流中粒徑比較大的顆粒，徑流水樣靜置一段時間后泥沙會沉淀下來。降雨徑流產(chǎn)生過程中，有相當(dāng)一部分氮磷是富集到泥沙中隨徑流流失的，對被侵蝕土壤的質(zhì)量和水體水質(zhì)有重要的影響，其在地表徑流氮磷流失中的作用應(yīng)予以重視。對泥沙中氮素和磷素的累積流失量進行統(tǒng)計，氮素和磷素流失總量大小均表現(xiàn)為農(nóng)田>果園>草地>灌叢>林地，農(nóng)田和果園差異不顯著(p>0.05)，顯著高于灌叢和林地(p<0.05)，灌叢和林地差異不顯著(p>0.05)；降雨前期農(nóng)田和果園土壤全磷含量差異不顯著(p>0.05)，顯著高于其他土地利用方式(p<0.05)，灌叢和林地土壤全磷含量差異不顯著(p>0.05)。經(jīng)過計算可知，不同土地利用方式下的泥沙氮磷含量比雨前土壤表層氮磷含量有所增加，說明侵蝕泥沙對氮、磷等營養(yǎng)鹽具有富集作用，可以用富集率來表示，即侵蝕泥沙中養(yǎng)分含量與被侵蝕土壤中養(yǎng)分含量之比。不同土地流失的泥沙對氮素的富集率分別為農(nóng)田1.23，果園1.21，草地1.13，灌叢0.91，林地0.89；對磷素的富集率分別為農(nóng)田1.16，果園1.15，草地0.76，灌叢0.53，林地0.61(圖5)。

表2 徑流水相中總氮和總磷隨徑流過程的變化

圖5 侵蝕泥沙中氮磷流失特征

3 討 論

土地利用方式是影響土壤侵蝕的重要因素之一，對土壤侵蝕的影響主要表現(xiàn)為，土地利用方式可以增加地表糙度，大量雨水匯集于坡面增加蓄水層深度、土壤孔隙率和地表產(chǎn)流阻力，農(nóng)田和果園匯水能力較強，坡面流流速最大，易匯集雨水，從而造成較大的侵蝕量[14-15]。本試驗條件模擬的是零散坡耕地，面積較小，無法將雨水均勻分散起到很好的控蝕效果，徑流匯集壟溝時間較短，當(dāng)徑流在壟溝中匯集后，隨著降雨的延續(xù)，積水界面延伸至斷壟處，導(dǎo)致大量積水流下，最終導(dǎo)致匯集大量的徑流[16-17]。但林地和灌叢具有明顯的蓄水作用，所以其產(chǎn)流時間最晚，雨水在坡面停留時間較長，減少地表侵蝕量的同時也增加了壤中流流量，且其壤中流中磷素含量較高，同時，其總徑流量較小。所以，從地表及地下全面分析來看，林地和灌叢在控制泥沙及泥沙中有效磷流失方面效果較好。

有研究指出，土磷素流失以泥沙攜帶為主，流失泥沙中的磷素遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑流中磷素，并且可以將泥沙中攜帶的磷素流失量看成坡面磷素流失量[18]。而本研究結(jié)果與此結(jié)論有一定的差異，可能是因為以往研究沒有考慮壤中流的影響，且本研究得出，壤中流中磷素含量較大，不容忽視。泥沙的變化與泥沙中有效磷含量的變化趨勢相反，在整個降雨過程中泥沙的流失量呈增加趨勢，而有效磷含量雖然呈下降趨勢，但下降幅度遠(yuǎn)沒有泥沙增幅大，所以有效磷的總流失量趨勢并沒有隨降雨時間的增加而降低，而與泥沙較一致，受泥沙影響較大[19]。綜合徑流泥沙來看，農(nóng)田和果園磷素流失量最大，主要是由于磷素作為一種沉積性元素，由母質(zhì)類型和成土條件決定，在土壤中的存在形式較穩(wěn)定、不易流失，因此短期的模擬降雨很難造成磷素的變化[20-22]。本研究表明，徑流損失主要是以地表徑流為主，壤中流只占到30%左右。磷素流失量也是以地表徑流攜帶較多，壤中流最高也只達到總量的40%，但壤中流中磷素濃度較高?？梢姡涤晁纬傻娜乐辛鲾y帶的磷素流失不容忽視。徑流中磷素流失以可溶性磷流失為主，與前人研究結(jié)果一致[23-24]。主要是因為，紫色土以蓄滿產(chǎn)流為主，土壤中大量的可溶性磷被蓄積徑流充分浸提出來后隨徑流流失。

4 結(jié) 論

(1) 不同土地利用方式下，地表徑流量的變化均隨著降雨時間的增加呈對數(shù)變化趨勢，在同一降雨時間內(nèi)，地表徑流量均表現(xiàn)為農(nóng)田>果園>草地>灌叢>林地。農(nóng)田泥沙流失量隨降雨時間的增加幅度較大，且在降雨后期出現(xiàn)陡增陡降的變化特征，其他土地利用方式下泥沙流失量的增加幅度較小。

(2) 農(nóng)田和果園地表徑流量和壤中流總量顯著高于灌叢和林地(p<0.05)，不同土地利用方式下泥沙積累量均隨降雨時間的延續(xù)而呈指數(shù)變化趨勢，不同土地利用方式下水相氮磷流失量、泥沙氮磷流失量和氮磷流失總量均表現(xiàn)為：農(nóng)田>果園>草地>灌叢>林地；不同土地利用方式下降雨徑流過程中，氮素的流失是以徑流水相為主，而磷的流失是以侵蝕泥沙相為主。

(3) 不同土地利用方式泥沙氮磷含量比雨前土壤表層氮磷含量有所增加，說明侵蝕泥沙對氮、磷具有富集作用，并且不同土地利用方式下侵蝕泥沙富集磷素能力高于富集氮素富集能力，綜合比較可知，農(nóng)田和果園侵蝕泥沙富集養(yǎng)分的能力最高，而灌叢和林地是減少水土流失的土地利用方式。然而，模擬降雨與土壤溶質(zhì)遷移關(guān)系的研究只是初步結(jié)果，模擬降雨對坡面侵蝕的影響較為復(fù)雜，模擬降雨對坡面土壤溶質(zhì)向徑流釋放機理影響及其動力學(xué)機制還有待深入研究。