红壤坡耕地土壤污染物的输出特征

徐 悦，王克勤，李太兴，崔富刚，王丽媛，江 红

(1.西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明650224;

2.玉溪市水利局，云南玉溪653100;3.澄江县水利局，云南澄江 653102)

坡耕地土壤养分流失与土壤侵蚀发生过程及面源污染的产生息息相关。土壤养分流失过程实际上是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程，土壤养分流失的多少主要受相互作用程度的限制。本研究以澄江县尖山河小流域为例，研究在2010年5场自然降雨条件下，坡耕地土壤养分输出和泥沙迁移特征，希望能为山区农业面源污染防治提供科学依据。

1 流域概况

尖山河小流域介于北纬 24°32'00″—24°37'38″、东经 102°47'21″—102°52'02″之间，流域总面积 35.42 km2，平均海拔1 773 m，多年平均降水量1 050 mm，雨季(5月下旬到10月下旬)降水量占年降水量的75%，年均蒸发量900 mm，多年平均洪峰流量36 m3/s，年均径流深300 mm。流域内土壤主要有红紫壤土和红壤，主要土地类型有天然次生林、人工林、灌草丛、坡耕地和梯田，其中坡耕地面积较大，占耕地面积的58.35%，是农民种植烤烟的主要地类。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验地选在尖山河小流域出口附近，为坡耕地，主要种植烤烟。试验地位于山坡中下部，坡度18°58'，坡向南北向，土壤为红紫壤土，土壤含水率3.71%。在试验地顺坡设置径流小区，小区水平面积为20 m×5 m，用24 cm的单砖隔开，上方设排水渠，防止来水进入小区，下方修筑集流槽并且用水泥抹面，通过集流槽将径流和泥沙汇入集流池，集流池尺寸为1 m×1 m×1 m。径流泥沙采用4分法观测，3/4排出径流池外，剩余1/4汇入径流池供泥沙取样。

2.2 样品采集与测定方法

降雨产生地表径流后，取径流池中的径流泥沙，沉淀风干后带回实验室，测定其中的养分含量。采用5点取样法，采集土壤表层0～20 cm的土样约1 kg，带回实验室风干磨细过筛测定其中养分的含量，以获取土壤养分含量的背景值。降水量采用翻斗式自记雨量计进行观测。全氮采用浓硫酸—高氯酸消解法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定;全磷采用浓硫酸—高氯酸消化，抗坏血酸还原比色法测定;有机质采用重铬酸钾容量法测定;速效磷采用盐酸—氟化铵法和钼锑抗比色法测定。

3 结果分析

3.1 降雨量和泥沙迁移量的关系

2010 年尖山河小流域共降雨117 d，降雨量856.35 mm。选取雨季5—8月的5场典型降雨(表1)。经相关性分析，试验地降雨量和产沙量呈显著正相关，相关系数为0.974，说明降雨量对泥沙迁移量影响十分显著［1］，这与白文忠等［2］、杨芳等［3］的研究成果基本一致。

表1 试验地5场典型降雨的降雨量和泥沙迁移量

3.2 氮素流失特征

图1 试验地土壤全氮和碱解氮流失量

表2 试验地土壤全氮和碱解氮流失特征及其相关性

氮素是反映土壤肥力的重要指标。土壤水解性氮或称碱解氮，也叫有效氮，能反映土壤近期氮素供应情况。由坡耕地土壤全氮和碱解氮的流失特征(图1)可知，两者流失量变化规律相似。经相关性分析(表2)，全氮、碱解氮流失量相关系数达到0.974(P＜0.01)，呈显著相关。由表2知，土壤全氮流失量平均值为337.39 mg/kg，碱解氮流失量平均值为40.52 mg/kg，全氮流失量是碱解氮流失量的8.33倍;全氮流失量的标准差是134.649，碱解氮流失量的标准差是8.232，说明每场降雨后全氮流失量的变化幅度大于碱解氮流失量的变化幅度。

3.3 磷素流失特征

图2 试验地土壤全磷和速效磷流失量

磷素是植物生长所必需的营养元素，磷素流失会导致土壤退化、养分循环失衡［4-5］。由坡耕地土壤全磷和速效磷流失特征(图2)可知，两者流失规律相近。经相关性分析(表3)，全磷、速效磷流失量相关系数达0.932(P＜0.05)，呈显著相关。由表3知，试验地土壤全磷流失量平均值为3 108.036 mg/kg，速效磷流失量平均值为61.176 mg/kg，全磷流失量是速效磷流失量的50.8倍。全磷流失量的标准差为1 888.364，速效磷流失量的标准差为10.562，说明降雨后全磷流失量的变化幅度远大于速效磷流失量的变化幅度。

表3 试验地土壤全磷和速效磷流失特征及其相关性

3.4 有机质流失特征

土壤有机质是存在于土壤中所有含碳有机化合物的总称，其组成元素主要是碳、氢、氧、氮，主要来自于土壤中的植物枝叶、根系、动物和微生物的残体、生物的分泌物与排泄物、施用的有机肥等。土壤有机质是土壤肥力的物质基础，其含量高低影响着土壤的物理、化学性质和肥力水平，是土壤养分的主要来源［6］。试验地土壤有机质流失特征见图3。由图3知，有机质流失量变化幅度较小，数值介于1.52% ～2.01%之间，平均值为1.776%;有机质流失量的标准差为0.217，是所有流失养分中最小的，说明有机质的流失量最稳定，受其他因素影响较小。

图3 试验地土壤有机质流失量

3.5 土壤养分流失量与降雨量、泥沙迁移量的关系

表4为降雨量、产沙量和泥沙养分流失量相关关系。由表4知，降雨量、产沙量和全氮、全磷、速效磷流失量呈显著相关，说明磷素和氮素的流失量受降雨量和产沙量的影响显著，降雨量越大，产沙量越大，磷素和氮素的流失量就越多。全磷、速效磷和降雨量、产沙量之间的相关系数大于全氮、碱解氮、有机质和降雨量、产沙量之间的相关系数，这说明降雨量和产沙量对磷素流失的影响大于对氮素和有机质流失的影响。分析其原因，磷素的流失形态主要是泥沙结合态，泥沙流失越多，颗粒态磷流失越多，磷的流失量也就越多。而有机质的流失量和降雨量、产沙量之间不呈显著相关性，说明有机质的流失受降雨量和产沙量影响较小。

3.6 泥沙养分富集特征

大量研究表明，养分在泥沙中存在富集现象，即泥沙中的养分含量高于源地土壤中的养分含量［7］，其原因在于土壤侵蚀是一个选择性的过程，土壤表层的细颗粒等最容易受侵蚀，这些物质比表面积大，极易吸附养分元素，因此泥沙中的养分相对于土壤中的养分含量大，产生养分富集［8］。为了表征养分在泥沙中的富集程度，Massey等［9］在1952年提出了富集率(Enrichment Ratio，ER)的概念，某种养分的富集率等于它在泥沙中的含量和在源地土壤中的含量之比。富集率是进行非点源污染评价与预报的重要参数。

表4 降雨量、产沙量和泥沙养分流失量相关关系

表5为试验地泥沙养分富集率。由表5知，全氮的富集率为1.15、碱解氮1.03、全磷3.00、速效磷2.07，这与叶芝菡等［7］的研究结果，即氮富集率变化主要集中在1.11～2.99、磷富集率变化主要集中在1.26～7.17的结论基本一致。泥沙养分富集率大小依次为全磷＞速效磷＞有机质＞全氮＞碱解氮，其中全磷的富集率最高，是全氮的2.61倍、有机质的2.88倍，速效磷的富集率是碱解氮的2倍，说明泥沙态的磷素流失量远远高于泥沙态的氮素和有机质流失量，即土壤中的磷素多以泥沙形态流失。

表5 泥沙养分富集率

4 讨论

(1)尖山河小流域的降雨量与红壤坡耕地的泥沙迁移量之间存在显著相关性，相关系数为0.974，这与白文忠、杨芳等人的研究结果相一致，说明降雨量和泥沙迁移量之间有紧密的关系。

(2)尖山河小流域土壤养分流失量大小依次为全磷＞全氮＞碱解氮＞速效磷＞有机质。其中，土壤全氮流失量平均值为337.39 mg/kg，碱解氮流失量平均值为40.52 mg/kg，全氮和碱解氮流失量之间存在显著相关性，相关系数为0.974;全磷流失量平均值为3 108.036 mg/kg，速效磷流失量平均值为61.176 mg/kg，全磷和速效磷流失量之间存在显著相关性，相关系数为0.932;土壤有机质流失量的变化幅度较小，流失量平均值为1.776%。尖山河小流域试验地氮磷流失规律与苑韶峰等［10］的研究结果基本一致，说明红壤坡耕地氮、磷流失多是通过地表径流的作用完成。

(3)尖山河小流域土壤养分流失量与降雨量、泥沙迁移量之间存在相关关系。降雨量、产沙量和全氮、全磷、速效磷流失量呈相关性。磷素多以泥沙形态流失，因此降雨量、产沙量对磷素流失量影响最为明显。有机质的流失量与降雨量和产沙量相关性不显著。

(4)泥沙具有养分富集的特性。暴雨条件下尖山河小流域红壤坡耕地的泥沙养分富集率大小依次为全磷＞速效磷＞有机质＞全氮＞碱解氮，其中全磷的富集率最大，达到3.00。

［1］武艺，杨洁，汪邦稳，等.红壤坡地水土保持措施减流减沙效果研究［J］.中国水土保持，2008(10):37-38.

［2］白文忠，王克勤.抚仙湖典型小流域烤烟坡地产流产沙及氮磷流失特征［J］.中国水土保持科学，2009，3(3):46-51.

［3］杨芳，王克勤，延红卫.尖山河流域不同植被类型坡面产流产沙量研究［J］.林业调查规划，2009，34(1):10-14.

［4］秦松，闫献芳，冯勇刚.贵州植烟土壤有机质与氮素特征研究［J］.土壤，2004，36(4):416-419.

［5］刘洋，张展羽，张国华，等.天然降雨条件下不同水土保持措施红壤坡地养分流失特征［J］.中国水土保持，2007(12):14-16.

［6］马麟英.不同土层土壤有机质含量对速效氮分配的影响［J］.中国农学通报，2010，26(24):193-196.

［7］叶芝菡，刘宝元，符素华，等.土壤侵蚀过程中的养分富集率研究综述［J］.中国水土保持科学，2009，7(1):124-130.

［8］张兴昌，邵明安.侵蚀泥沙、有机质和全氮富集规律研究［J］.应用生态学报，2001，12(4):541-544.

［9］Massey H F，Jackson M L.Selective erosion of soil fertility constituents［J］.Soil Science Society of America Journal，1952，16(4):353-356.

［10］苑韶峰，吕军，俞劲炎.氮、磷的农业非点源污染防治方法［J］.水土保持学报，2004，18(1):123-125.