昆明松华坝水源区等高反坡阶对坡耕地土壤磷含量的影响研究

（西南林业大学 环境科学与工程学院，云南 昆明 650224）

磷是生命系统的主要营养元素之一，对植物生长发育、产量形成和品质提高均起着十分重要的作用[1-2]，分析土壤中磷的含量及供应状况对植物具有重要意义[3-5]。坡地是云南主要耕地，也是水土流失的主要发生地，由于人地矛盾突出，逐年增加大量零散坡耕地，加之不合理的耕作管理，造成严重的水土流失，这不仅导致土地生产力下降，而且大量的磷素流失加速了水体富营养化进程[6-8]。昆明松华坝水源区的农业面源污染大多是来自于坡耕地，为了更好分析土壤磷素的流失，Lemunyon等[9]提出要综合考虑影响农业非点源磷污染主要因子的磷流失风险评估指数法。林开淼等[10]通过不同林龄土壤磷素形态和有效性分析得出，表层土壤磷素含量随着林龄的增大而增大。结合国内外最新研究进展，张素梅[11]分别从磷组分、磷有效性、磷的累积、迁移和土壤生物学性质方面分析磷素对农耕土壤的重要性。

松华坝水源区的内半山区面积占总面积的95%以上，耕地面积近6 500 hm2，一半以上为坡地[12]。红壤是为国南方地区的主要土壤类型，松华坝水源区坡耕地土壤大部分也是红壤，它是典型的酸性土壤，其成土母质中磷含量较低。红壤中氧化铁和氧化铝含量较高，易使土壤中的磷和施入土壤中的肥料磷绝大部分转化为固定态磷，导致土壤严重缺磷，而土壤磷素含量及其供磷特性对作物生长有重要影响[10-15]。随着红壤的大范围耕作和作物产量的提高，对磷素（肥）的要求越来越明显。研究表明，等高反破阶在云南干热河谷及山区均具有明显的水土保持功效[6,7,11]。本文旨在研究等高反破阶作用下的坡耕地土壤磷素的含量分布及流失特征。

1 研究区概况

研究区位于昆明市嵩明县滇源镇松的迤者小流域，属昆明市松华坝水库水源区， 25°12′48″～24°14′43"N，102°44 ′51″～ 102°48 ′37"E，低纬度高原山地季风气候，年均气温14.2℃，干湿季分明，多年平均降雨量785.1 mm，雨季（5～10月）降雨量占全年降雨量的87.5%。小流域呈不规则纺锤形，南北长6.7 km，东西宽6.6 km，土地总面积21.56 km2，区域内土壤位地带性黏性红壤，偏酸性，入库河流有牧羊和、冷水河，多难平均径流量2.1亿m3。区域内地势总体西北高东南低，最高海拔2 589.5 m，位于流域西南部野猫山，最低海拔2 010 m，位于流域河流出口处，相对高差479.5 m，平均海拔2 220 m。

2 研究方法

2.1 样地设置

根据松华坝水源区迤者小流域地形条件在同一坡面上修筑径流小区。2014年4月底，在坡地（海拔为2 065 m）上布设2个水平投影面积为5 m×20 m标准径流小区，坡度分别为15°，分别记为A号小区和B号小区。A小区：原状坡面顺坡耕作，B小区：采用等高反坡阶＋顺坡耕作，等高反坡阶沿等高线自上而下里切外垫，修成一台面，台面外高里低，宽1.2 m，反坡5°（图1）。其中，A对照处理。在径流小流域旁安装RG2-M自计雨量器，测定每场降雨的降雨量和降雨历时。

图1 等高反坡阶阶示意图像Fig. 1 Sketch map of the reverse-slop level terrace

2014年径流小区内种植玉米，每年5月下旬至6月中旬种植，种植密度为45 000 株/hm2，氮肥施用量57.5 kg/hm2，施肥比例N∶P2O5∶K2O为1∶0.5∶2.5～3.0。小区表层土壤雨季前性质如下:土壤容重1.39g/cm3，pH值6.33，有机质含量10.72 g/kg，全磷（TP）含量0.26 g/kg，有效磷含量0.53 mg/kg。

2.2 样品采集

径流泥沙的观测时间为2014年5月至2014年10月，选取16场典型降雨（均有形成产流产沙）下的各小区径流量和侵蚀泥沙量进行统计，每场典型降雨后在标准经流场去一次地表径流样品，将集流池内的泥沙与水样混匀，取1000 mL径流样品，将样品4 ℃保存并在24 h内过滤后测定其中的总磷、有效磷浓度，通过集流池水量和水样的泥沙含量计算出径流场内径流量和土壤侵蚀量；每月月底再在每个经流场的坡上、中、下部位，平行取样0～20 cm表层土壤样9个，混匀，风干，以待试验时取用。

土壤取样时间为2014年4月和2014年11月，分别在当年雨季之前和雨季结束后进行土壤样品的采集，各小区按S型取5个点，混合土样装袋密封，带回实验室内供土壤指标分析。土壤总磷采用全磷含量采用硫酸高氯酸消解钼锑抗比色法，土壤速效磷含量采用氟化铵——盐酸浸提钼锑抗比色法测定，重复3次。磷素活化系数（PAC）是土壤速效磷占全磷含量的百分比。

研究主要采用SPSS 21.0，Excel 2003软件对数据进行分析和处理。

3 结果与分析

3.1 等高反坡阶的减流减沙作用

侵蚀泥沙携带的养分流失和径流的养分流失是坡面养分流失的两个主要途径，地表径流携带是磷流失的重要途径之一，在降雨过程中径流的变化必然决定着径流中磷素的变化特征[8]。选取的16场典型降雨的研究结果表明（见表1），16场典型降雨的总降雨量达477.4 mm，其中原状坡面与等高反坡阶处理的坡面地表径流分别为249.20 mm和129.87 mm，前者是后者的1.92倍，方差结果表明，两个径流小区的径流量存在极显著差异（P＜0.01）。

表1 坡耕地降雨径流及侵蚀量Table 1 Rainfall runoff and erosion of sloping farmland

从表中可以看出，等高反坡阶对产流的削减率达到6.08%～63.35%，对产沙的削减率达到20.10%～66.46%，平均调控率达49.51%。等高反坡阶通过对地表径流的蓄积增加土壤入渗等方式减小产流量，以至减少土壤侵蚀量；反坡阶在蓄积径流的同时，径流在汇集到反坡阶的过程减缓了径流的下移速度，从而增加了径流中泥沙的沉淀作用。通过表中数据，可以看出等高反坡阶对泥沙的拦截效果显著。相对于径流调控率，等高反坡阶的泥沙调控率较高，说明其产沙调控作用更好。

3.2 等高反坡阶对全磷含量的影响

土壤全磷反映了土壤中各种形态磷素的总和，体现了土壤内源磷的供磷潜能，在一定程度上反映了土壤的营养水平[5]。松华坝迤者小流域定位试验中，不同坡面处理条件下的土壤全磷的动态变化特征基本一致。研究表明[18]，磷素在土壤中的移动性小，难以进入土壤底层，因而富集在表层。图2是原状坡面和反破阶处理的坡面下表层土壤全磷在雨季期间的含量分布。图中6月的全磷含量有明显的提高，这是由于随着雨季的到来，农户开始耕作坡地种植作物大豆施用了磷肥，其余月份土壤的全磷含量，随着植被的吸收和是随泥沙径流的流失逐渐减少。

图2 等高反坡阶对土壤全磷含量的影响Fig. 2 Effect of total phosphorus in soil of the reverseslope level terrace

土壤全磷含量在降雨前期变化较为明显，而在降雨后期均呈现逐渐减少趋于平稳，这可能是随着侵蚀强度的增大，雨滴及径流对表土颗粒的分散、运移作用比较均匀的原因。土壤全磷的减少另一个原因是这一时期正是作物的生长期，植被覆盖度较差，低覆盖加上高强度的降雨侵蚀力导致产流初期径流、泥沙携带大量的表层肥沃、疏松的土壤颗粒，进而造成土壤全磷在雨季初期流失严重，至雨季后期，随着降雨量的减少和作物的成熟，土壤全磷流失量逐渐平缓。

等高反破阶较原状坡面比较，结合表1和图2的数据可以得到，土壤全磷含量的控制效果前者优于后者。这与唐佐芯等[7]在抚仙湖流域对布设反坡阶的考烟坡耕地进行氮磷迁移研究结果一致的，等高反坡阶处理坡面使其较原状坡面全磷含量提高了22.22%。等高反坡阶的调控机理在于对地表径流的再分配，通过等高反坡阶对径流的拦截，反坡阶上部坡面产生的地表径流和泥沙全部汇集到沟内，在沟内蓄积并下渗转变壤中流，溢满后经沟内排出；通过等高反坡阶可以分割坡面、缩短坡长、降低水流势能，使其流速减慢，从而增加人渗量，减少地表径流量。土壤磷元素分散于土壤和水分中，等高反坡阶措施减缓了耕地磷素的流失，起到了较明显的保水、保土、保肥作用，对控制面源污染物和水土流失具有重要意义。

3.3 等高反坡阶对速效磷的影响

研究发现[18-20]，与全磷相比，土壤有效磷含量受人为耕作、施肥等措施的影响更为显著。表2为不同土地利用方式下土壤磷素的含量分布。

表2 不同坡面土壤磷素含量动态变化Table 2 Different dynamic changes of soil phosphorus in sloping farmland

对比不同坡面处理条件下的两个小区土壤速效磷的动态变化特征可以发现，雨季开始前两者速效磷含量相差1.89%，至雨季结束速效磷含量相差33.65%，反坡阶处理坡面的各月速效磷含量高于原状坡面。从2014年5月进入雨季开始至2014年10月雨季结束，A小区土壤速效磷含量从施肥后最高含量减少到11月份，减少率达83.26%；明显高于B小区同期土壤速效磷含量的减少率72.27%，说明坡面的等高反坡阶处理对坡耕地土壤速效磷减少具有很好的调控作用。

速效磷与全磷的比值可作为土壤磷素活化系数（PAC），用来表征全磷和速效磷的变异情况。PAC大于2.0%时，说明全磷容易转化为速效磷；PAC小于2.0%时，说明全磷各形态很难转化为速效磷。通过对比A小区与B小区的磷素活化系数，发现二者的活化系数均为小于2%，说明试验区坡耕地的土壤全磷活化能力低，全磷中只有很小一部分被转化为有效磷供作物吸收利用。

3.4 等高反坡阶对坡耕地土壤磷素流失的影响因素相关分析

通过对两个小区土壤磷素的流失量与降雨量、径流量、土壤侵蚀量进行相关分析（表3），结果表明，两个小区土壤磷素量与降雨量均为达到显著水平；但磷素含量与侵蚀量呈显著相关关系（P＜0.05）；另外全磷含量与速效磷含量呈显著相关关系（P＜0.05），且B小区相关系数0.639大于A小区的相关系数0.309。这是由于降雨侵蚀量反应降雨动能与最大I30的综合作用，坡面径流、泥沙的流失与磷素含量的减少呈正相关关系。从相关系数看，泥沙是坡耕地磷素流失的主要形式。

4 讨 论

磷是植物生长发育所必需的营养元素之一，磷在土壤中易固定，向农田中施入大量的可溶性磷肥，大部分作为无效态（难溶态）在土壤中积累。本试验是在山区红壤坡耕地布设等高反坡阶后，对坡面土壤磷素的含量进行对比分析。何晓玲和郑子成的研究表明[8]，耕作方式是影响坡耕地土壤侵蚀的重要因素之一。而土壤磷素的流失以泥沙携带为主，流失泥沙中的磷素远远大于径流中磷素，并且可以将泥沙中携带的磷素流失量看成坡面磷素流失量[21-22]。本研究结果与此结论有一定的差异，可能是没有考虑磷素在土壤中的垂直分布情况和壤中流对磷素流失的影响。

本研究中，对坡面径流和泥沙对平均调控率分别是47.89%和49.51%，说明等高反坡阶对产流产沙调控作用显著，且对泥沙对调控作用更好。这与王萍和王克勤[6]在抚仙湖尖山河小流域对研究结果（反坡阶对研究区地表径流调控率在49.5%～87.7%，产沙调控率在56.7%～96.1%，具有显著对蓄水保土对作用，且产沙调控作用更明显）基本一致。说明等高反坡阶的水土保持效果明显，云南降雨多集中在5～10月雨季，且降雨量大，反坡阶能起到一定的蓄水保墒的作用，对磷素的流失起到一定的调控作用，表2的数据可以说明，反坡阶处理坡面的每月速效磷含量高于原状坡面，从2014年5月进入雨季开始至2014年10月雨季结束A小区土壤速效磷含量减少率高达47.53%，明显高于B小区同期土壤速效磷含量的减少率16.50%。

表3 不同坡面土壤磷Pearson相关系数表†Table 3 Different slope Pearson of phase relationship of soil phosphorus

土壤全磷含量主要受成土母质和施肥等农田管理措施的影响[23]，姜勇和庄秋丽等[24]在东北地区农田生态系统定位研究东北玉米带农田土壤磷素的分布特征，结果表明，土壤全磷和有机磷含量与土壤有机碳呈极显著正相关（P＜ 0.01）；刘久俊[25]研究了不同覆盖量和覆盖材料对杨树根际土壤磷动态的影响，结果表明:覆盖能有效提高杨树根际土壤有效磷含量，覆盖量越大，效果越明显；莫江明[26]对鼎湖山退化马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林土壤全磷和有效磷含量比较研究，表明土壤全磷和有效磷浓度的变化随林型和季节不同而异。

土壤速效磷是反映土壤供磷能力的指标，其含量高低主要取决于土壤磷组分之间的分布状况和转化方向。风化、大气沉降、淋溶和生物循环是影响土壤营养元素垂直分布的主要因素。本文研究结果表明，通过反坡阶的作用，雨季径流和泥沙中能携带磷素能够明显得到控制。

5 结 论

（1）坡耕地是水源区红壤小流域最主要的用地类型，也是水土流失最严重的区域，等高反坡阶通过减少径流泥沙输出从而降低坡耕地土壤磷素的减少速率，其对地表径流的调控率在6.08%～63.35%，产沙调控率在20.10%～66.46%。

（2）结合图表中的数据，等高反坡阶措施具有明显的保水保土效果，使其较原状坡面全磷含量提高了22.22%，磷素含量与侵蚀量呈显著相关关系（P＜0.05）。

（3）等高反坡阶处理对土壤速效磷的流失具有调控作用，雨季开始前两小区速效磷含量相差1.89%，至雨季结束速效磷含量相差33.65%，雨季结束后等高反坡阶相较于原状坡面，前者土壤速效磷含量减少率为83.26%，明显低于后者的72.27%。

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