红壤坡耕地不同耕作方式径流及养分流失研究

张展羽，吴云聪，杨 洁，邢 栋，王凌云

(1.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098;2.江西省水土保持科学研究院土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌 330000)

坡耕地是我国耕地资源的重要组成部分。在中国坡耕地约有24万km2，仅南方地区就有13.3万km2，约占坡耕地总量的56%。随着人口的迅速增长，加上坡耕地长期不合理利用，江西省成为我国南方水土流失较严重的省份之一［1-2］，4—6月坡耕地水土流失量占全年的80%［3］。众多学者对坡耕地养分流失问题进行了相关研究:Alberts等［4］认为缓坡或陡坡农田的氮、磷转移和随径流流失的泥沙部分相联系;Rony［5］研究表明，在次降雨过程中，养分随径流流失只发生在土壤表层一定厚度内;王健等［6］在室内人工降雨试验的基础上，分析了坡面耕作措施的蓄水保土效益;马琨等［7］通过研究发现，当雨强较大时，养分流失以泥沙携带为主，雨强较小时，以径流携带为主;张展羽等［8-11］对红壤坡地水土流失及养分流失问题进行了研究，取得了很多有经验的成果。总体来说，我国南方红壤丘陵区旱地农业以坡耕地居多［12］，目前国内相关研究多数仍限于人工降雨条件、不同水土保持措施下的小区对比试验及径流养分流失总量分析，而对于自然降雨条件下，尤其是不同耕作方式坡耕地径流养分流失过程的对比研究却较为少见。本文以红壤土坡耕地径流小区为研究对象，探讨不同耕作方式下坡耕地的养分流失过程规律，以期为南方红壤丘陵区坡耕地养分流失控制及农业生产起指导作用。

1 试验区和研究方法

1.1 试验区概况

试验区布设在德安县博阳河西岸的江西水土保持生态科技园。该园地处江西省北部鄱阳湖水系的德安县城郊燕沟小流域，位于东经 115°42'38″～ 115°43'06″，北纬 29°16'37″～ 29°17'40″之间，全园占地面积为80 hm2，地貌类型为浅丘岗地，海拔为30～100 m，坡度小于25°，地形条件在南方红壤丘陵区具有代表性。土壤为侵蚀性红壤，成土母质主要为第四纪红黏土，泥质岩类风化物。试验区属亚热带季风气候区，四季分明，有明显的干季和湿季，气候温和，雨量充沛，多年平均降雨量为1 350.9 mm，多年平均气温为16.7℃。现状植被主要是天然次生林、半次生林、人工林木及其伴生的灌木和地被物，主要植物群种有马尾松、湿地松、杉木及经济型果林。

1.2 试验设计

试验径流小区修建于2011年，在坡度为10°的同一坡面施工，小区剖面如图1所示，共布设5 m×20 m的标准小区12个，水平投影面积为100 m2，各小区布置如图2所示。每3个小区实施1种耕作措施。措施1:纵坡种植花生，横坡间种黄花菜;措施2:纵坡种植花生;措施3:横坡种植花生;全园裸露(CK)。花生于2012年4月17日种植，采用一垄双行，行距30～40 cm，间距20～30 cm;施肥采用底肥，其中磷肥20～30 g/m2，复合肥15～20 g/m2。各措施表层土壤理化性质见表1。小区周边设置围埂，围埂埋深0.3 m，高出地表0.2 m，均用混凝土砖块砌成。小区下面筑有矩形集水槽，承接坡耕地径流及泥沙，并将其引入集水桶。另外，小区内建有1座标准气象观测站，用于气象数据观测。降雨等级［13］按气象学标准划分。(a)小雨、阵雨:24 h和12 h降雨总量分别为0.1～9.9 mm，≤4.9 mm;(b)中雨:24 h和12 h降雨总量分别为10.0～24.9 mm，5.0～14.9 mm;(c)大雨:24h和12 h降雨总量分别为25.0～49.9 mm，15.0～29.9 mm;(d)暴雨:24 h和12 h降雨总量分别为50.0～99.9 mm，30.0～69.9 mm。

图1 试验小区剖面图Fig.1 Profile of field plots

图2 不同处理布置示意图Fig.2 Layout of different cultivation modes

表1 不同措施小区表层土壤理化性质指标Table 1 Physical and chemical properties of surface soil in field plots in different cultivation modes

1.3 取样方法

a.水样。从降雨产流开始，每隔一段时间将集水桶内的水充分搅匀，分3层取样，每一层在具有代表性的5个部位取样，共取样1000 mL于水样瓶中，24 h内带回实验室分析。

b.土样。每个小区按S形分上坡、中坡、下坡3个坡位取具有代表性的5个点，每一点用4 cm土钻在每一部位随机取20个土样，每个点分别采集0～10 cm土壤样品均匀混合，用四分法取足够土样，于室内自然风干。风干后用保鲜袋装样，带回实验室分析。

1.4 测定方法

a.降雨量。在试验小区旁安装虹吸式自计雨量计，可以获得每次降雨的降雨历时、降雨量。

b.养分含量测定。主要测定径流中总氮、总磷的质量浓度变化情况，其中总氮根据HJ636—2012［14］测定，总磷根据 GB/T 11893—1989［15］测定。

2 结果分析

2.1 不同耕作措施的截流减沙效应

选取试验期内几场具有代表性的降雨类型，比较分析各小区在不同降雨条件下的截流减沙效应。

从图3及表2可以看出，不同小区在不同降雨类型下其蓄水减流效应是不同的，总体趋势是措施3优于措施1和措施2，而措施1略优于措施2。大雨条件下措施3的蓄水减流效应明显优于措施1和措施2。不同小区在不同降雨类型条件下的保土减沙效应不同，但总体趋势与减流效应基本一致，按减沙量从小到大依次为措施3、措施1、措施2。以上结果表明:随着降雨强度的增大，横坡种植方式截流减沙的优势越发突出，其主要原因可能是横坡耕作方式增加了地表覆盖，水流方向由沿坡面向下改为沿坡地横向流动，相对减缓了水流流速，增加了土壤入渗几率，同时，径流汇流方式也发生了变化，从而使其产流、产沙量减小。这也从另一方面证实了纵坡种植是河流泥沙的主要来源之一。

表2 不同耕作措施下径流、泥沙减产率Table 2 Reduction rates of runoff and sediment in different cultivation modes

2.2 不同降雨类型水土流失过程分析

2.2.1 大、中雨型下产流产沙过程

由图4可以看出:不同降雨类型下，不同措施产流、产沙的时间均滞后于降雨开始时间，但滞后时间不同。大雨型下，CK、措施1、措施2、措施3的滞后时间分别为6 min，17 min，12 min，27 min;中雨型下，CK、措施1、措施2、措施3的滞后时间分别为11min，23min，17min，36min。中雨型下各耕作措施小区产流、产沙滞后时间大于大雨型，且措施3的滞后时间大于措施1和措施2。比较中雨型和大雨型条件下，各措施产流、产沙随时间变化趋势基本一致，大雨型条件下不同耕作措施小区产流、产沙过程有明显的差异。措施3的产流量、产沙量均小于其他2种措施。中雨型下，措施3的产流量分别为措施1、措施2的21.5%和20.3%，产沙量分别为措施1、措施2的6.03%和2.28%;大雨型下，措施3的产流量分别为措施1、措施2的8.11%和7.6%，产沙量分别为措施1、措施2的4.33%和3.31%。随着降雨强度的增大，措施3截流减沙效应明显。

图3 降雨产流量、产沙量对比Fig.3 Comparisons of runoff generation and sediment yield under different intensities of rainfall

图4 大雨型、中雨型下小区径流及产沙过程Fig.4 Runoff generation and sediment yield processes with moderate and heavy rains

2.2.2 大、中雨型下养分流失过程

图5是大、中雨型条件下总氮、总磷的流失过程。从图5可以看出，大雨型条件下，不同耕作措施总氮流失过程均为先增大后逐渐减小最后趋于稳定。在径流和泥沙运移的共同作用下，径流中总氮质量浓度随径流量和时间的变化而变化。产流初期，径流携带大量表层肥沃、疏松的土壤颗粒，导致径流中流失的总氮质量浓度升高，各措施流失总氮峰值质量浓度如下:CK为6.5 mg/L，措施1为3.42 mg/L，措施2为4.2 mg/L，措施3为1.35 mg/L。产流初期径流中，措施1、措施2、措施3总氮的质量浓度分别是 CK的52.6%，64.6%，20.8%，表明这3种耕作措施均能有效地控制全氮的流失;后期CK、措施1、措施2、措施3总氮的质量浓度各自稳定在 2.98 mg/L，1.86 mg/L，2.1 mg/L，1.1 mg/L。

图5 大雨型、中雨型下总氮及总磷流失过程Fig.5 Processes of total nitrogen and total phosphorus losses with moderate and heavy rains

各耕作小区总磷质量浓度的变化规律基本与总氮相同，但是流失的总磷质量浓度远小于总氮，这可能是因为表层土壤中总磷含量低于总氮含量。CK、措施1、措施2、措施3总磷流失峰值质量浓度分别为0.65 mg/L，0.186 mg/L，0.42 mg/L，0.125 mg/L;后期分别稳定在 0.19 mg/L，0.112 mg/L，0.135 mg/L，0.08 mg/L。

中雨型条件下，不同耕作措施小区径流中总氮、总磷质量浓度变化过程与大雨型基本一致，都是在产流初期较高，随着产流量的增加而增大，后期趋于稳定。

2.2.3 长历时小雨型下水土流失规律

虽然小雨型不会引起严重的水土流失，但是小雨却是试验区出现频率最高的降雨类型，对于坡耕地种植来说，同样需要做好水土保持工作。由于该地区降雨强度和降雨量均很小，地表产流过程极其缓慢，难以测到准确的产流过程，因此主要从总量上研究小雨型下的水土流失规律。

选取2012年8月21日(小雨型)降雨。CK、措施1、措施2、措施3的产流量分别为2.1 mm，0.6 mm，0.7 mm，0.4 mm;产沙量分别为 17.12 g，1.67 g，1.34 g，0.82 g;总氮流失量(质量浓度)分别为 1.572 mg/L，0.755 mg/L，0.930 mg/L，0.229 mg/L。由此可以看出，小雨型下不同耕作措施产流、产沙及养分流失量均很小。

3 结 论

a.从减流角度来看，采取不同的耕作方式均能有效降低坡地径流量。试验结果表明，红壤区坡耕地不同耕作方式下，措施3(径流量平均减产率为92.06%)优于措施1(径流量平均减产率为74.40%)优于措施2(径流量平均减产率为69.80%)，并且随着雨强的增大，措施3的减流效应优势越明显。

b.从减沙角度来看，不同耕作方式均能减少坡地泥沙量，其减沙能力优劣次序为:措施3(泥沙量平均减产率为98.87%)、措施1(泥沙量平均减产率为95.02%)、措施2(泥沙量平均减产率为93.96%)。

c.不同耕作方式对径流中总氮、总磷的质量浓度起明显的控制作用，其中以措施3效果最好。径流中总磷的质量浓度明显低于总氮浓度，这可能与第四纪红壤黏土富氮缺磷的性质有关。不同耕作措施下总氮、总磷流失强度表现为措施3＜措施1＜措施2。

d.不同降雨类型下，比较同一耕作小区径流中养分流失质量浓度大小，得出质量浓度从大到小的顺序为:大雨型、中雨型、小雨型。措施1流失总氮、总磷质量浓度均小于措施2，表明植物篱能有效控制坡耕地径流养分流失。

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