尖山河小流域不同土地利用类型土壤养分特征及水土保持效益

郭玲梅，王克勤，李太兴，崔富刚

(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)

水土流失不仅降低土地生产力，严重破坏生态环境，其实也是在与人类“争夺”土地资源和其他自然资源，因此成为当今世界资源和环境问题研究的重点。有研究显示，土地利用变化能够影响土壤养分的分布[1-2]、迁移以及水土流失状况，进而影响土壤的性质和水土保持效益。也有研究证明，合理的土地利用可以改善土壤对外界环境变化的抵抗力，不合理的土地利用会导致土壤质量下降，增加水土流失[3]。

本研究以云南省尖山河小流域不同土地利用类型表层土壤性质为出发点，观测总结了标准径流小区内地表径流和泥沙的流失规律，旨在为该流域的生态恢复及进一步提高土壤质量和水土保持效果提供参考。

1 试验地概况

试验地尖山河小流域位于珠江南北盘江上游岩溶区域的玉溪市澄江县西南部，距离县城16 km，北接龙街镇广龙村委会，南接禄充管委会，东临抚仙湖，西接晋宁县，地理位置为东经102°47′21″—102°52′02″、北纬24°32′00″—24°37′38″，海拔1 722—2 347.4 m，流域总面积35.42 km2。尖山河是抚仙湖的一条入湖河流[4]，河道全长8.5 km。

尖山河小流域属低纬度高原气候，地貌类型为中山高原地带，多年平均降水量1 050 mm，雨季为5—9月，降水量占全年总降水量的75%，年平均径流深300 mm，年均蒸发量为900 mm。流域土壤主要是红紫泥土和红壤，主要土地利用类型有云南松天然次生林地、桉树人工林地、灌草丛地、坡耕地和梯田等，农作物以种植烤烟和玉米为主。监测结果显示，山地开垦和磷矿开采引起森林植被的严重破坏和大面积水土流失，区内林地覆盖率仅为27.1%，荒山荒地和坡耕地面积占55%，水土流失中度侵蚀面积达64.9 km2，每年流失入湖的泥沙约为34.6万t。

2 研究方法

2.1 径流小区和雨量计的布设

根据小流域地形条件，选择云南松天然次生林地、坡耕地、桉树人工林地和灌草丛地4种不同土地利用类型，在小流域典型地段布设了水平投影面积为5 m×20 m的标准径流小区，观测其每次降雨后地表径流量和土壤侵蚀量。在4个小区的中央布设了一个重庆水文仪器厂制造的JDZ-1型数字自记雨量计测定每场降雨的降雨量、降雨历时。不同土地利用类型径流小区区域特征见表1。

表1 不同土地利用类型径流小区区域特征

2.2 取样与测定

降雨过程使用数字自记雨量计测定并计算每次的降雨量和降雨强度。径流、泥沙的测定基于标准径流小区，每次降雨产流后测量4个径流场的径流量和泥沙量。径流量是在量水池中用体积法求得；泥沙量测定是在每次产流后进行取样，取样方法是把集流池中的水充分搅拌均匀，用3个标准取样容器取泥沙和水的混合水样，再利用置换法求泥沙含量[5]。

于2012年9—10月在每种土地利用类型内按S形布设5个土壤取样点，取0—20 cm 表层土样品带回室内，拣去石砾、植物根系和碎屑，在室内通风处风干，研磨，分别过1、0.25 mm筛，以备养分测定。

土壤全氮采用浓硫酸-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、抗坏化血酸还原比色法测定；速效磷采用盐酸-氟化铵法和钼锑抗比色法测定；有机质采用重铬酸钾氧化法测定。每个土壤样品进行3次平行测定。

本研究采用SPSS 11.5实用统计软件和Excel 2003数据处理系统进行数据分析和图表处理。

3 结果与分析

3.1 降雨特征

2012年尖山河小流域共有95场降雨，降雨量共计659.6 mm，其中降雨量最大的为32.2 mm，其每月降雨量见表2。从表2中可以看出，降雨主要集中在5—9月，这5个月的降雨量占年降雨量的82.4%，旱季仅占17.6%，所以选择5—9月进行径流小区的观测是具有代表性的。由于年内降雨量分配不均，夏季降雨过分集中易形成大雨或暴雨，故容易产生大的地表径流并冲刷地表，造成水土的流失[6]。

3.2 土地利用变化对表层土壤化学性质的影响

不同土地利用类型表层土壤养分含量测定结果见表3。由表3数据看出，不同土地利用类型间土壤全氮含量无明显的变化规律，其含量表现为坡耕地(0.294 g/kg)>灌草丛地(0.260 g/kg)>人工林地(0.196 g/kg)>次生林地(0.127 g/kg)。土壤中的氮是保证作物、林木正常生长所必需的营养物质与改善土壤质量的重要元素。由于坡耕地上种植烤烟，人为施肥使得该土地利用类型土壤全氮含量大于其他土地利用类型。灌草丛地的全氮含量大于次生林地和人工林地，这主要是由于灌草丛地有机质丰富，光照充足，湿度适宜，有机质分解过程中未发生反硝化作用。人工林地由于种植时人工施有肥料，因而土壤中的全氮含量高于次生林地。

表3 不同土地利用类型径流小区表层土壤化学性质

土壤全磷以灌草丛地含量较高且与其他土地利用类型间差异显著(P<0.05)，不同土地利用类型按土壤全磷含量大小排序为灌草丛地(0.252 g/kg)>坡耕地(0.132 g/kg)>人工林地(0.099 g/kg)>次生林地(0.052 g/kg)。

不同土地利用类型间土壤碱解氮含量差异不显著(P>0.05)，碱解氮含量表现为坡耕地 (101.680 mg/kg)>次生林地(99.645 mg/kg)>灌草丛地(86.001 mg/kg)>人工林地(69.488 mg/kg)。坡耕地的碱解氮含量高于其他地类，是人为施肥补充了大量碱解氮的缘故，而次生林地和灌草丛地的碱解氮含量较高则是因为次生林和灌草丛土壤含有较丰富的有机质。

土壤速效磷含量在不同土地利用类型间差异显著(P<0.05)，按其含量排序为灌草丛地(1 579.036 mg/kg)>坡耕地(914.014 mg/kg)>人工林地(561.406 mg/kg)>次生林地(59.609 mg/kg)。人为施肥致坡耕地土壤速效磷含量大于人工林地和次生林地。灌草丛地土壤速效磷含量最大，且是其他土地利用类型的1.73～26.49倍。

土壤有机质含量表现为次生林地(2.049 g/kg)>灌草丛地(1.850 g/kg)>人工林地(1.537 g/kg)>坡耕地(1.145 g/kg)。次生林地土壤有机质含量最大，是因为次生林地土壤表面有大量的凋落物积聚。人工林地土壤有机质含量较低是由于植被的吸收且得不到补充所导致的[7]。坡耕地地上部分被移出土壤系统，减少了有机质归还量[8]，同时地表温度高及农田耕作的物理效应破坏了土壤的团聚体结构[9]等可能加速土壤有机质的分解，造成有机质含量下降。由此看出，次生林地土壤有机质含量远高于其他地类土壤，这是因为次生林和其林下植被在土壤表层积聚了大量的枯落物从而能不断为土壤补充有机质。

用SPSS数据分析软件对各类养分进行相关性分析，结果见表4。由表4可知，全氮和全磷呈显著相关关系(相关系数为0.728，P=0.040)，全氮和速效磷呈极显著相关关系(相关系数为0.861，P=0.006)，全磷和速效磷呈极显著相关关系(相关系数为0.926，P=0.001)，全氮、碱解氮和有机质之间的相关性不明显(P>0.05)。

表4 表层土壤养分含量相关性分析

3.3 不同土地利用类型的产流量和产沙量

从表5可以看出，2012年6—8月5场产流降雨总计降雨量92.3 mm，坡耕地、人工林地、次生林地和灌草丛地小区总产流量分别为22 500、11 400、7 700、5 800 m3/km2，坡耕地的产流量最多，次生林地产流量最少。坡耕地的总产流量分别是人工林地、次生林地和灌草丛地的1.97、3.88和2.92倍。次生林地和灌草丛地分别比坡耕地多涵养水分16 700和14 800 m3/km2，比人工林地多涵养水分5 600和3 700 m3/km2。次生林的产流量远远小于坡耕地和人工林，与灌草丛相差不大。坡耕地和人工林持续了较长时间的产流，灌草地和次生林在降雨强度减小后产流过程随即停止。究其原因，植被对地表径流的影响是由植被的冠层、枯枝落叶层和土壤层综合效能决定的。天然次生林小区与灌草丛小区植被盖度分别达到90%和95%，其林冠、下层植被以及枯枝落叶层对降水有截持和缓冲作用，都有助于这两个小区减小地表径流量。而坡耕地和人工林小区的产流量随降雨的增加而增加，而且总产流量也较大，这是由于植被覆盖度低、结构单一、地表裸露、土壤容易板结等，不利于雨水下渗，从而导致径流量增加。

表5 不同土地利用类型的产流量和产沙量

从表5还可以看出，2012年6—8月所统计的5场降雨中，坡耕地、人工林地、灌草丛地和次生林地的总产沙量(土壤侵蚀量)分别为91.86、25.06、12.95、8.99 t/km2，坡耕地的总产沙量远大于其余几种土地利用类型，分别是人工林地的3.67倍、灌草丛地的7.09倍、次生林地的10.22倍。次生林和灌草丛减少土壤侵蚀效果较好，次生林地比坡耕地减少土壤侵蚀量90.21%，比人工林地减少土壤侵蚀量64.13%，比灌草丛地减少土壤侵蚀量30.58%；灌草丛地比坡耕地减少土壤侵蚀量85.90%，比人工林地减少土壤侵蚀量48.32%。在相同的降雨条件下，次生林和灌草丛地都有较好的调节径流和减少土壤侵蚀及流失的作用，说明植被的覆盖有保护地表减少土壤侵蚀的作用。坡耕地土层深厚，地表覆盖少，种植的烟草根系不发达，再加上人为活动的扰动，其产流产沙量最大。可见，次生林和灌草丛拦蓄径流和泥沙的效果要比人工林好，坡耕地的开垦和种植加大了坡面水土流失量。

4 讨 论

(1)研究区内不同的土地利用类型深刻地影响了土壤性状及肥力。已有的研究[10-11]表明，土地利用类型对土壤养分有重要的影响。土壤有机质含量对土壤氮磷含量影响较大，土壤有机质含量越丰富，土壤氮磷含量越高。灌草丛地土壤有机质含量较高，其土壤全氮、碱解氮、全磷和速效磷的含量也较大，说明植被覆盖度对土壤养分的保持有一定的促进作用。

(2)土壤侵蚀受植被覆盖度、坡度、土地利用类型、土壤结构、水文气象、土地空间利用、人为干扰等因素的影响[12-13]。由于研究区地类的坡度、坡位、坡向、海拔、土壤类型等相似，因此土地利用类型和覆盖度是影响地表径流和产沙的主要因素。

对4种不同土地利用类型的研究表明，不同植被类型对减流减沙的影响程度不一[14]。植被冠层和枯落物截留蓄持降雨，有效减少了地表径流以及降雨对地表的直接冲击，这与前人的研究结果类似[15-16]。刘卉芳等[13]的研究也证实，坡耕地是坡面侵蚀的主要土地利用类型，天然次生林与灌草丛的防蚀效应大于人工林。因此，建议在以后的进一步治理和土地管理中，首先要加强对现存次生林的保护和对灌草地的管理，排除人为干扰，使其正向演替得以进行，充分发挥其水土保持功能；其次，在建立人工林时应考虑合适的复层结构，以达到水土保持的最佳效果；最后，建议采取保土耕作、坡改梯、退耕还林等措施对坡耕地进行治理，从根本上解决水土流失问题。

5 结 论

(1)不同土地利用类型间土壤全氮含量坡耕地>灌草丛地>人工林地>次生林地，土壤全磷和速效磷含量灌草丛地>坡耕地>人工林地>次生林地，土壤碱解氮含量坡耕地>次生林地>灌草丛地>人工林地，土壤有机质含量次生林地>灌草丛地>人工林地>坡耕地，次生林地土壤有机质含量远高于其他地类土壤。全氮和全磷之间呈显著相关关系，全氮和速效磷、全磷和速效磷之间呈极显著相关关系，说明土壤各化学因子之间的关系不是单一的，而是相互影响，有一定的关联性。

(2)不同土地利用类型因植被类型以及盖度等因子不同，其蓄水保土、调节径流和抗侵蚀能力存在差异，产流产沙量坡耕地>人工林地>次生林地>灌草丛地。从4个小区的产流产沙规律可以看出，次生林地和灌草丛地防止水土流失的效果最好，植被结构单一、枯枝落叶少的人工林地和坡耕地土壤侵蚀较严重。

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