坡耕地n、p流失的控制機制研究

坡耕地n、p流失的控制機制研究

傾斜土壤肥力流失是指降水對表土的影響，導致表土中氮、磷等養(yǎng)分的溶解損失，或由于累積沙和沉積物顆粒進入水體過程。坡耕地養(yǎng)分流失一方面造成了土壤質量退化、土地生產(chǎn)力下降,另一方面養(yǎng)分進入河流、湖泊等水體,引發(fā)了水體富營養(yǎng)化等一系列問題。而施肥量的逐年增加,養(yǎng)分利用率低下,更加劇了農(nóng)業(yè)面源污染,并直接威脅到居民飲用水安全。因此,開展坡耕地養(yǎng)分流失研究具有重要的現(xiàn)實意義。早在1905年,英國科學家Warrington就開始注意到土壤中N素淋失的問題,并在此后幾十年中一直沒有中斷對養(yǎng)分流失的研究。但當時偏重土壤侵蝕方面,養(yǎng)分流失沒有得到足夠重視。直到19世紀50~70年代,由于肥料投入的增加造成了湖泊污染,養(yǎng)分流失問題才受到關注。近年來,坡耕地養(yǎng)分流失的研究主要集中于人工模擬降雨探討不同土地利用方式下養(yǎng)分流失的機理,建立基于3S技術支撐的預測模型,通過農(nóng)業(yè)利用方式的調(diào)整和工程及管理技術的改進,控制N、P養(yǎng)分流失。本文主要針對坡耕地土壤N、P流失的特征,主要影響因素的作用機制以及控制技術的研究進展進行系統(tǒng)闡述,為下一步深入研究提供技術思路。1徑流養(yǎng)分流失坡面N、P流失是降雨和徑流驅動下,坡面土壤侵蝕及土壤N、P隨徑流遷移的過程。深入揭示降雨產(chǎn)流、徑流侵蝕和養(yǎng)分流失過程特征,剖析關鍵影響因素的作用機制,是探討坡面N、P流失控制技術的理論基礎。坡耕地土壤養(yǎng)分流失通過兩個途徑:一是土壤養(yǎng)分溶解于坡耕地表面的徑流,隨著徑流而損失;二是徑流攜帶的泥沙本身含有或吸附的有機無機養(yǎng)分。通過前者損失的養(yǎng)分稱為溶解態(tài),后者為顆粒態(tài)。黃土高原與長江中上游紫色土坡耕地的試驗表明,坡面徑流養(yǎng)分流失以顆粒態(tài)為主。從損失養(yǎng)分在不同粒徑分布結構體來看,泥沙中<0.02mm的微團聚體和<0.002mm的黏粒是養(yǎng)分流失的主要載體。而徑流攜帶的泥沙對P有富集作用,且不同粒徑團聚體對P的富集作用和富集系數(shù)也不同。徑流產(chǎn)生不同階段養(yǎng)分流失有規(guī)律性變化。在不同的產(chǎn)流階段中,以初始階段N、P流失嚴重,徑流中養(yǎng)分輸出濃度最高;并且土壤養(yǎng)分流失隨時間的變化與泥沙流失的趨勢一致,泥沙中速效養(yǎng)分的含量在降雨前期較高,而后逐漸減少,最后平穩(wěn)。在年際變化中,以每年第一次產(chǎn)流濃度最大?？梢?人們已經(jīng)認識到坡面徑流養(yǎng)分流失的形態(tài)、載體分布與流失規(guī)律,但對于影響坡面徑流養(yǎng)分流失過程的關鍵因素,尤其是可以人為調(diào)控影響要素的作用機理,缺乏深入的研究,不利于坡耕地農(nóng)業(yè)面源污染的有效控制。2降雨時降雨的分布影響坡面土壤養(yǎng)分流失關鍵因素有3個大方面:(1)降雨特征:包括降雨強度、降雨量及降雨時空分布等。(2)土壤性質及地形因素:包括土壤體積質量(容重)、滲透性、顆粒組成、微團聚體、坡度和坡長等。(3)耕作與管理措施:包括不同土地利用方式、坡地農(nóng)林復合經(jīng)營、地面覆蓋、耕作、施肥與管理等。2.1降雨產(chǎn)流過程降雨對土壤養(yǎng)分流失的作用有兩種形式,其一:雨滴濺蝕與徑流沖刷過程引起土壤侵蝕而造成養(yǎng)分流失;其二:表層土壤養(yǎng)分溶解釋放進入徑流。坡面徑流N、P流失以前者為主,而且降雨產(chǎn)流過程對前者尤其顯著。雨強、雨量與降雨時間分布是影響?zhàn)B分流失的重要降雨特征要素。研究表明,雨強不影響徑流和泥沙的養(yǎng)分含量,可影響其含量峰值出現(xiàn)時間,與土壤養(yǎng)分的流失量呈正相關,而且一年內(nèi)少數(shù)幾次的強降雨造成的養(yǎng)分流失可占全年流失量的60%。雨量是雨強和降雨歷時的作用總和,降雨時間分布是降雨在不同時期對養(yǎng)分流失的影響。二者對養(yǎng)分流失都有很大的影響,有待于更加深入的研究。2.2徑流泥沙養(yǎng)分流失規(guī)律土壤養(yǎng)分含量、形態(tài)與分布和養(yǎng)分流失有直接關系,而土壤的地表狀態(tài)、物理性質等通過地表徑流,間接影響?zhàn)B分流失。降雨后,表層土壤黏粒與粉粒含量減少,砂粒含量相對增加。而土壤全N、堿解N與粉粒含量呈顯著的正相關,與砂粒含量之間呈極顯著的負相關;土壤全P則相反。進一步的研究表明,在0~15cm耕作土層中,<0.01mm和<0.001mm微團聚體含量、<0.01mm黏粒團聚度與徑流泥沙中全N的含量有顯著的相關;<0.001mm黏粒團聚度與徑流泥沙中全P含量和速效P含量有顯著的正相關。土壤體積質量越大,總孔隙度和毛管孔隙度越小,侵蝕和養(yǎng)分流失量就越大。滲透性對養(yǎng)分流失的影響與降雨有很大的關系,在首次降雨過程中不同透水狀況的徑流養(yǎng)分濃度變化表現(xiàn)一致;二次降雨過程中徑流養(yǎng)分濃度存在顯著差異。地形因素主要是指坡耕地的坡度、坡長等指標。隨著坡度的增加,養(yǎng)分流失量增加,但在20°附近時存在轉折點,25°時養(yǎng)分流失量反而減小。劉秉正等則認為流失土壤的養(yǎng)分在坡度<12°時與坡度呈線性相關,>12°時呈冪函數(shù)相關;養(yǎng)分流失量隨地面坡度增大呈冪函數(shù)增加,而土壤養(yǎng)分的衰減速度減慢。Meng等的研究表明:坡耕地在20~30°流失的P素最多。坡長與單位面積養(yǎng)分流失量沒有關系,但與總流失量呈正相關;并且土壤流失量與坡長存在指數(shù)關系。從以上研究結論來看養(yǎng)分流失量隨坡度和坡長的增加而增加,但是其中還存在復雜的函數(shù)關系,有待深入的研究。2.3立地條件對養(yǎng)分流失的影響不同的耕作與管理措施主要包括土地利用和耕作方式、施肥、覆蓋、坡地農(nóng)林復合經(jīng)營等,且對養(yǎng)分流失的影響差異很大,這也是國內(nèi)外研究的熱點問題。不同的土地利用方式下,一般是林地的養(yǎng)分流失最小,草地次之,農(nóng)田最大。Fu等指出,在黃土高原丘陵區(qū)從山腳到山頂?shù)耐恋乩梅绞揭来螢檗r(nóng)田、草地和森林,能夠很好的保持土壤養(yǎng)分。三峽庫區(qū)的研究結果則表明,坡地果園是坡耕地較好的土地利用方式。當土地利用方式改變時,如由灌木叢林地變?yōu)橐荒晟莸貢r,會增加坡面養(yǎng)分的流失;在植被恢復過程中養(yǎng)分徑流損失隨植被生長而減少,滲漏損失則增加。耕作方式對養(yǎng)分流失的影響僅次于土地利用方式。一般來說,平作的地表徑流量最大,土壤侵蝕也最厲害;傳統(tǒng)的橫坡壟作會加大地下徑流量,從而加大N的流失;深耕與秸稈還田能增加滲透,降低徑流和養(yǎng)分流失;淺地表排水和免耕也可以減少養(yǎng)分流失。施肥是提高作物產(chǎn)量的一個重要手段,但增加了養(yǎng)分流失的可能性。肥料品種、施肥方式和施肥時期對N、P流失有顯著的影響。由于施肥后土壤中的養(yǎng)分含量很高,導致了大量的N、P產(chǎn)生遷移。土壤養(yǎng)分流失與施肥量呈顯著正相關。植被覆蓋能有效地減少土壤侵蝕和全N的流失,卻增加了土壤礦質N的流失。不同的降雨季節(jié),覆蓋的效果有很大差異。楊紅薇等研究得出在雨季種植覆蓋率大的作物,其控制水土和養(yǎng)分流失的效果比較明顯。與田間工程措施相比,坡地農(nóng)林復合經(jīng)營能更好的控制面源污染、增加產(chǎn)出,而且投入資金遠遠低于前者。研究表明:植物籬一方面能控制養(yǎng)分流失,另一方面造成滲透速率增大,引起大量N素淋失;但植物籬與覆蓋相結合,其養(yǎng)分利用率比傳統(tǒng)耕作顯著增大。植物籬還造成了籬上養(yǎng)分積累,籬下養(yǎng)分耗竭的現(xiàn)象。植物籬的帶間距以及農(nóng)林復合系統(tǒng)中的修剪枝條等措施也會對養(yǎng)分流失產(chǎn)生影響。可見,大部分耕作與管理措施能有效地控制養(yǎng)分流失,但又引起了增加滲漏損失等問題。PhilipWGassman等認為應該給農(nóng)民一些彈性建議以供選擇。而綜合以上各種措施,形成一種或幾種綜合性的耕作模式則是十分必要的。3降低地面覆蓋度根據(jù)坡耕地土壤N、P流失的特征和影響因素,控制養(yǎng)分流失可以從以下兩個方面著手:(1)盡量避免或減少降雨對坡地土壤的濺蝕,降低濺蝕動能,從而降低土壤流失,減少土壤養(yǎng)分溶蝕。提高地面覆蓋度是有效措施之一。(2)阻滯徑流,降低徑流系數(shù),消耗徑流沖擊能量,控制養(yǎng)分流失。主要的措施有采用坡地生態(tài)工程技術(植物籬技術)、保護性耕作和坡改梯工程技術等。3.1地面覆蓋質量好、土壤養(yǎng)分流失少通過增加地面覆蓋物、退耕還林還草等措施都可以顯著的控制養(yǎng)分流失。覆蓋度越高,土壤侵蝕和養(yǎng)分流失越小。例如生草覆蓋能明顯的降低徑流量和養(yǎng)分流失量;三熟制或與多年生植物(牧草、黃花菜)間作,地面的覆蓋率明顯大于兩熟制;花生的地面覆蓋率高于紅薯,其土壤及養(yǎng)分流失量亦相對較低。坡耕地退耕還林還草的作用也十分明顯。有研究指出地表徑流量、土壤流失和養(yǎng)分流失按照裸地>傳統(tǒng)單作玉米區(qū)>植物籬玉米秸稈覆蓋區(qū)>植物籬麻袋覆蓋區(qū)>植物籬牧草活覆蓋區(qū)依次降低。另外,天然的灌草叢有很高的滲漏能力,但經(jīng)輕微踐踏后,滲漏能力顯著降低,增加了表面徑流。雨季的土壤養(yǎng)分流失量可以占全年的一半以上,因此,在雨季種植覆蓋度高的作物、增加地面覆蓋等可以有效地減少養(yǎng)分流失。值得注意的是,地面覆蓋在減少養(yǎng)分流失的同時,增加了滲漏損失。3.2不同覆蓋措施對地表養(yǎng)分流失的影響植物籬控制養(yǎng)分流失的機理是它能有效阻止侵蝕泥沙的向下搬運,在植物籬帶前形成泥沙堆積;并且對不同粒徑的土壤顆粒的流失均有控制效果,對粒徑較大的顆粒的流失控制效果更明顯。研究表明以等高植物籬為代表的坡地生態(tài)工程能相當有效地減少坡面N、P養(yǎng)分損失量。但許峰等認為由于植物籬對坡面徑流的阻滯作用,徑流與表土的混合、養(yǎng)分溶解交換更加充分,增加了溶解態(tài)養(yǎng)分流失。秸稈覆蓋與少免耕相結合的保護性耕作具有明顯的保持水土作用,但是采用少免耕而無秸稈覆蓋配合的情況下,水土流失甚至高于傳統(tǒng)翻耕。WilliamF.Schillinger的研究表明,長期的少耕和遲耕能顯著增加地表的殘留物和土塊,具有水土保持的作用,而且相對于常規(guī)耕作并沒有副作用。WanwisaPansak等認為雖然水土保持措施能夠有效的減少水土和養(yǎng)分流失,卻增加了N素的滲漏損失。從以上研究來看,覆蓋措施、植物籬與保護性耕作在減少養(yǎng)分流失的同時,也同樣增加了滲漏損失。因此,探索一種既能控制養(yǎng)分流失又可以減少滲漏損失的技術是今后研究的一個方向。3.3坡耕地治理的技術意義坡耕地改梯田是我國開發(fā)利用坡耕地,發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種傳統(tǒng)方式,也是我國坡耕地治理的一項重要的工程措施。坡耕地改為梯田后可以顯著的提高水土保持效果,減少養(yǎng)分流失,對于提高土壤肥力,增加作物產(chǎn)量具有重要的意義。但是其明顯的缺點是投入巨大,農(nóng)民不能接受,而且不適當?shù)墓こ桃矔斐尚碌乃亮魇А?存在問題及研究方向綜合以上研究進展,國內(nèi)外在坡耕地N、P流失方面已經(jīng)做了大量的研究工作,并取得了一些可喜的成績,但尚有一些方面需要進一步的研究:(1)降雨產(chǎn)流和養(yǎng)分流失的過程分析,是揭示養(yǎng)分流失機理的重要參數(shù)。但是由于模擬降雨具有很大的局限性,很多數(shù)據(jù)難以獲得或工作難度大,至今養(yǎng)分流失的機理尚不清楚。利用示蹤方法,結合坡面水動力學原理,研究泥沙中養(yǎng)分隨徑流時間的分布變化特征,或許有助于揭開養(yǎng)分的流失機理。(2)對現(xiàn)有的各種耕作模式整合,并進行生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的綜合評價,探討出一套有效的控制水土流失和養(yǎng)分流失的耕作模式是必要的。(3