坡地养分流失研究现状及控制技术

王帅兵，刘 华，朱朝辉，赵普天，赵云永

(1.西南林业大学，云南 昆明 650224;2.云南省富源县水务局，云南 富源 655500;3.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000)

1 引言

中国是个多山的国家，坡地在农业生产中占据了重要的地位。坡地水土流失和土壤侵蚀直接导致养分最为丰富的表土流失，使土地退化、生产力水平降低，另外径流所携带的泥沙淤积河道与水库，泥沙中的养分会导致受纳水体的富营养化［1～3］，造成面源污染。人们为了达到增产的目的，在农业生产中施用过量的化肥，这些化肥在耕地表面大量释放和迁移，不仅是经济上的浪费，而且也对地表水和地下水的水质构成严重的威胁。因此，研究坡地养分流失不仅是一个农业问题，而且还是一个生态环境问题［4］。据联合国粮农组织(FAO)统计，发展中国家施肥可使粮食作物单产提高 35% ～57%，总产提高 30% ～50%［5］。目前，我国大部分耕地都需补充氮素，1/2以上耕地需补充磷肥，但农田土壤对养分的利用率均较低，损失率较大［6］。

2 坡面产流产沙研究现状

降雨是地表径流的本源，坡地表面径流及侵蚀产沙在很大程度上取决于降雨强度［7］。地表径流的形成是坡面供水与下渗的矛盾产物［8］，它反映了流域植被、土壤、气候和其他一些综合水文特征，是衡量植被保持水土、涵养水分、减少洪峰等效益的一个基本指标［9］。影响地表径流的因素复杂多样，植被类型、降水特征、覆盖层的厚度及其持水能力、土壤拦蓄入渗能力等都直接或间接影响着产流与否和产流的多少［10］。

我国学者在产沙和产流方面进行了很多的研究。陈奇伯，王克勤等［11］运用坡面径流泥沙小区定位观测方法，2003年雨季对金沙江元谋干热河谷水土流失封禁管护措施的坡面产流产沙特征进行了对比研究，结果显示:封禁管护措施有较好的调节径流和减少土壤流失的作用。徐秋宁等［12］对陕北、渭北多个小型积水区降雨径流量进行了分析与计算，袁艺、史培军等［13］对深圳市部分流域进行降雨－径流过程的模拟，E.Klaghofer等［14］研究了影响水土流失的主要因子，都一致认为降雨是产生径流和泥沙的重要因素。

我国20世纪90年代初以来也对等高植物篱模式在坡耕地土壤氮、磷、经济效益和水土保持等方面进行了一些研究。申元村［15］指出，三峡库区紫色土陡坡地径流小区大雨模拟降雨实验表明，以等高植物篱为代表的坡地能有效地减少坡面侵蚀量、径流量，明显提高控制坡面产沙、产流和氮、磷流失。在黄壤旱坡耕地通过种植香根草植物篱发展横坡种植，对防治土壤侵蚀和维持耕地土壤肥力具有良好的效应［16］。

裸露地与草地的土壤侵蚀跟地表径流的情况不同，即使裸露地和长期草地在模拟降雨时地表径流几乎相同，但土壤侵蚀却有很大的差别，在长期草地上土壤侵蚀几乎为零［17］。秦富仓等［18］从坡面水动力学角度研究了坡面乔木林、草本植物和林地枯落物对坡面径流流速和动能的影响机理，结果表明:林草植被在小流域中的涵养水源、保持水土的作用明显。

3 坡耕地养分流失特征研究现状

坡耕地氮、磷的流失是伴随着降雨产流产生，因此坡耕地氮、磷流失具有随机性，与区域降水过程密切相关。坡耕地氮、磷流失随时间变化(降雨径流过程、季节间和年际间降雨)和空间(不同地点)变化幅度大，具有时空性。坡耕地中的氮磷主要是农业生产中投入使用，所以坡耕地氮、磷流失遍及广大农业生产地区，具有广泛性。坡耕地氮、磷流失的过程是一个量的积累过程，只有达到一定数量才反映出土壤的贫瘩和退化，因此具有滞后性。坡耕地流失的氮、磷分散在径流和泥沙中，增加了监测和处理的困难，又具有复杂性［19］。由于农业面源污染的随机性、污染负荷的时空差异性大、污染范围大、污染物排放及污染途径的不确定性和复杂性的特点，加大了农业面源污染控制的难度［20］。

径流是坡面土壤泥沙流失的动力和载体，冲刷过程是径流与坡面土壤颗粒相互作用的过程［21］。在此过程中，径流先选择携带土壤细颗粒，使侵蚀泥沙中细颗粒特别是黏粒的含量明显增加，结果导致了泥沙黏粒的富集。而土壤养分氮、磷、有机质与土壤细颗粒结合，又导致泥沙养分的富集［22］。李光录等［23］的研究表明，同一径流小区的同次径流过程中，泥沙养分含量是径流养分浓度的若干倍，其中全磷高出1.3倍，全氮最高为50.8倍，其它(有机质%、碱解氮mg/kg、速效磷mg/kg)高出两个数量级。比较泥沙与表土(0～20cm)养分含量，可知氮素和有机质在流失泥沙中含量均高于表土，称为“富集现象”，但磷素“富集现象”不明显。邵明安、张兴昌等［24］的研究也表明:泥沙全氮和有机质在泥沙中的富集现象主要由侵蚀泥沙黏粒富集造成，而坡面水蚀动力学特征决定了侵蚀径流优先搬运较细土粒，侵蚀是泥沙养分富集的动力和条件。

4 坡面养分流失控制技术

4.1 耕作措施

在山区和丘陵地区，在坡耕地上进行耕作，极易造成严重的水土流失，但是不同的耕作方式可能导致的水土流失强度不同。袁东海等［25，26］2000年在浙江省兰溪市的研究表明:与顺坡耕作处理土壤氮磷年流失总量相比，水平草带处理能减少土壤氮素流失总量的43.46%和磷素流失总量40.73%，等高处理能减少土壤氮素流失总量的71.36%和磷素流失总量的73.84%，休闲处理能减少土壤氮素流失总量的77.05%和磷素流失总量的84.70%，等高土埂处理能减少土壤氮素流失总量的87.92%和磷素流失总量的84.33%，由此可见，水平沟、等高处理、休闲、等高土埂等农作方式均具有明显减少土壤氮磷养分流失的效果。

吴发启等［27］报道:在黄土高原地区，水平梯田具有明显的蓄水保土作用。次降雨条件下水平梯田蓄水效益的最大值为97.5%，最小值为70.5%，平均值为86.7%;其保土效益最大值为98.4%，最小值为71.3% ，平均值为 87.7% 。

根据邢鹏远等人［28］的研究，在坡耕地上布设反坡水平阶，首先能够有效地拦截地表径流，拦截效率可达到34.14%;其次，有效控制土壤流失量，控制效率可达到57.17%。被拦蓄的地表径流和泥沙为坡耕地上农作物的生长提供了较为充足的水分和养分，减轻了对坡面的冲刷作用，更好的起到了水土保持和控制养分流失的功效。

4.2 等高植物篱

等高植物篱的主要作用是通过地表覆盖和地下发达根系系统，改善土壤理化性质，改变微地形，有效地拦挡坡面径流，减缓坡面水流速度，增加入渗，有效拦截沙土，减少水土侵蚀量和养分流失量。

国内外学者研究了等高植物篱对坡耕地土壤养分的影响，认为植物篱起到“养分泵”的作用，可促进养分循环，提高土壤有机质、全氮和有效磷的含量［29］。另外，等高植物篱还能提供薪炭、绿肥、饲料等有经济价值的产品，这些特有的优势是工程措施无法比拟的。许峰等人在三峡库区研究了植物篱带间距对坡面表土养分流失的影响，得出等高植物篱－农作系统能在较低的投入下显著增加土地产出，并且能够显著减少坡面养分流失［30］。姚桂枝等人研究表明，紫穗槐、金银花、黄花菜及龙须草4种植物篱均能有效减少坡耕地上的径流泥沙流失量［31］。朱远达等人则研究了植物篱对坡面局部地形、土壤颗粒空间分布、土壤碳和养分含量的空间分布的影响，结果表明，植物篱对粒径较大的颗粒流失的控制效果更加明显，植物篱对土壤全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾均有良好的拦截效应，但对全钾拦截效应不明显［32］。

4.3 化学措施

近年来，化学措施防治水土壤侵蚀和养分流失已成为一个新的研究领域，并且取得了一定的进展。化学措施对于养分流失的控制作用在于使不良土壤结构得以改善，进而使这种改善后的结构得以稳定。

Mostaghimietal在Virginia的壤土所做的试验表明，施用结构改良剂与对照相比，土壤产生的可推移泥沙由27.7kg减少到19.3kg，而径流量则没有显著变化［33］。我国学者夏海江等在辽宁的坡地上施用聚丙烯酰胺，发现能使土壤侵蚀量减少56%以上，主要原因是聚丙烯酰胺能改善土壤结构、促进土壤沉降、增强土壤水稳性，提高土壤的持水性和抗蚀性［34］。据于素华报道，聚丙烯酰胺能够有效减少径流和控制水土流失［35］。

5 结语

坡耕地养分流失导致土地退化、养分流失、土地生存力下降等问题，进而靠补充化肥来补充耕地养分低。目前我国大部分耕地都需补充氮素，1/2以上耕地需补充磷肥，但农田土壤对养分的利用率均较低，损失率较大，并引发一系列环境问题。国内外学者通过对坡地养分流失成因制定相应的养分流失控制措施，而对特定地区土壤的特性和降雨地区特性采取相应的措失研究的不够系统。对于国内相关领域的研究者如果能针对我国土壤和降雨的地区特性来研究更具有理论指导和应用价值。

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