片麻岩坡面花生不同生长时期水土及养分流失规律

马 悦,郭年冬,张瑞芳,周大迈,王 红,张爱军

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院,河北 保定071000; 2.河北省山区研究所,河北 保定 071001; 3.国家北方山区农业工程技术研究中心,河北 保定071000; 4.河北省山区农业工程技术研究中心,河北 保定071000)



片麻岩坡面花生不同生长时期水土及养分流失规律

马 悦1,2,郭年冬1,张瑞芳2,3,4,周大迈2,3,4,王 红2,3,4,张爱军2,3,4

(1.河北农业大学 资源与环境科学学院,河北 保定071000; 2.河北省山区研究所,河北 保定 071001; 3.国家北方山区农业工程技术研究中心,河北 保定071000; 4.河北省山区农业工程技术研究中心,河北 保定071000)

通过室内人工模拟降雨的方法，研究了花生不同生长时期片麻岩坡面水土流失和养分流失特征。结果表明：花生不同生长时期产流产沙量不同，总体流失量均呈现出0 d>20 d>40 d>60 d，与对照(0 d)相比，花生60 d坡面产流量减少了38%，产沙量减少了47%；不同生长时期坡面养分流失量随生长天数的增加而减少，与对照(0 d)相比，60 d坡面氮磷钾养分流失量分别减少了75%，45%，70%，降雨过程中硝态氮流失量始终高于铵态氮流失量；不同生长时期坡面养分流失量表现为钾流失总量>氮流失总量>磷流失总量，养分流失总量与产沙量之间方程拟合系数均达0.98以上，有着显著的正相关性；花生不同生长时期片麻岩坡面磷钾的流失主要以泥沙结合态为主，氮素流失为溶解态氮与泥沙态氮共存。

片麻岩; 水土流失; 径流; 养分流失量; 不同时期

土壤质地退化、地表结构破坏、土壤肥力下降均由坡面径流侵蚀造成，径流所携带的土壤养分流失也加速了地表水体的富营养化[1]。养分从土壤中流失的途径，一是随地表径流水和沉积物的横向迁移；二是随水分下渗形成的纵向迁移，即养分的淋失。我国对土壤养分流失的研究较多，近年来多表现在不同种植模式及不同地貌的养分流失情况，但这些研究没有同时考虑坡面地表径流、泥沙与养分流失之间的关系[2]。不同生长时期下不同的植被覆盖状况与地表径流关系密切，增加地表覆盖能有效地减少地表径流量，防止水土流失[3]。河北省太行山区面积占全省总面积的24%，低山片麻岩区是太行山区的重要类型区，约占太行山区面积的62%[3]，主要由花岗片麻岩、砂质岩和石灰岩等风化形成，由于片麻岩类岩石易风化成土，土壤侵蚀现象严重[4]，且长期受到人类活动的影响，使该区山地森林生态系统遭到严重破坏[5]，水土流失现象频繁发生[6]，植被覆盖度急剧降低。本试验通过室内人工模拟降雨，研究花生不同生长时期片麻岩坡面径流、泥沙及其中养分流失规律，为该区域坡耕地治理提供重要的科学理论依据。

1　试验材料与方法

1.1供试土壤

试验用土为河北省唐县片麻岩山坡地的新成土，土壤类型为褐土性土。唐县地理坐标为东经114°28′—115°03′，北纬38°38′—39°10′，暖温带大陆性季风气候，年平均温度12.2℃，最高气温41.4℃，最低气温-14.5℃，无霜期195 d，常年降水量539.2 mm。采用分层方式取土，分为0—30 cm和30—50 cm两层，并按顺序填装进试验用钢槽。填土时不进行过筛操作，以原状土放置1年进行自然密实。模拟降雨前土壤基本理化性质及基础地力分别为：全氮1.37 g/kg，全磷0.51 g/kg，全钾44.11 g/kg，有效磷7.08 mg/kg，含水量8%～9%，容重1.24 g/cm3。

试验所用钢槽规格为1.5 m×0.5 m×0.5 m，可调坡度为0°～30°，在钢槽底部和侧面设有渗流孔，防止土壤积水，在钢槽尾端接连“V”型径流收集槽[7]。

1.2试验设计

试验花生品种为冀花4号，实行两粒穴播，种植密度为16穴/m2，同时设置裸地对照。播种前按推荐施肥量统一进行合理施肥：N为106 kg/hm2，P2O5为106 kg/hm2，K2O为40 kg/hm2，将肥料进行撒施，同时深耕覆土。试验设置3次重复，裸地、花生地为1次重复，于2015年6月10日进行播种，播种后分别在裸地期(0 d)、苗期(20 d)、结荚期(40 d)和荚果成熟期(60 d)进行降雨[8]。降雨地点在河北农业大学国家北方山区农业工程技术研究中心降雨大厅进行，采用降雨设备为喷射型仿真降雨设备(QYJY-503)。降雨高度11 m，有效降雨面积约72 m2，降雨强度变化范围为10～200 mm/h，降雨均匀度在90%以上，依据太行山片麻岩山区自然降雨强度，采用降雨强度为80 mm/h，设计钢槽坡度为8°。降雨前测定植被覆盖度，降雨历时60 min，产流开始后开始计时，每10 min收集1次径流，连续收集6次，直至降雨结束，测量径流总体积，并用滤纸将径流分离为泥沙和水样，计算每场降雨的总泥沙量和径流量，降雨次日测定水样中养分，1周后测量泥沙风干后的重量，并分别对其中的养分含量进行测定。

1.3测定方法

分别测定水样中溶解态氮磷钾、硝态氮、铵态氮和泥沙中颗粒态氮磷钾和有效磷的含量。水样中的总氮采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定，水溶态钾采用火焰光度法测定。泥沙中的全氮采用半微量凯氏法测定，全磷采用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定，全钾采用NaOH熔融—火焰光度法测定[9]。

2　结果与分析

2.1花生不同生长时期坡面土壤侵蚀过程

由表1可知，随着花生生长天数的增加，地表覆盖度随之增加，坡面产流时间表现为0 d<20 d<40 d<60 d。地表覆盖度增大，使叶片拦截的雨量增多，雨滴对地表的扰动能力减弱，延缓了产流时间[5]。花生不同生长时期坡面的产沙模数、径流系数和土壤流失率不同，都随着生长天数的增加而有不同程度减少。花生60 d坡面产沙模数和土壤流失率最小，由此说明植被覆盖度的增加能有效防止土壤侵蚀造成的水土流失。与对照(0 d)相比较，花生20 d坡面产流量和产沙量分别减少了8%，13%；40 d坡面产流量和产沙量分别减少了31%和39%；60 d坡面产流量和产沙量分别减少了38%和47%，水土保持效果显著。

表1　花生不同生长时期产沙产流情况

注：相同字母表示差异不显著，不同字母表示差异显著。

由图1可以看出，片麻岩坡面在花生不同生长时期有着相似的产流产沙规律。在降雨初期产流率处于上升趋势，随着降雨历时，产流率趋于稳定。除对照坡面(0 d)降雨初期产沙率处于稳定趋势外，其他坡面产沙率一直处于先升高后下降的趋势。降雨过程中，花生60 d坡面产流率、产沙率均低于40 d和20 d坡面。花生20 d坡面最大产沙率产生在降雨初期20 min时，为1.28 g/min，在历时50 min后产沙率迅速降低，到降雨接近结束产沙率仍有下降的趋势；40 d坡面在降雨20～40 min期间产沙率维持在0.92 g/min；花生60 d坡面降雨初期20 min时产沙率达到最大，40 d和60 d坡面产沙率达到峰值的时间均在降雨初期产生。

图1　花生不同时期坡面产流产沙特征

2.2花生不同生长时期坡面养分流失过程

2.2.1径流氮素流失特征由图2可以看出，花生不同生长时期坡面氮素流失程度不同，但养分流失规律大致相同：氮素浓度从降雨开始一直呈现出下降趋势，最终浓度变化趋于稳定。降雨的不同时期坡面溶解态氮浓度不同，呈现出0 d>20 d>40 d>60 d的规律。降雨初期花生40 d坡面溶解态氮浓度下降速度最快，0 d和20 d次之，溶解态氮浓度降低速度最慢的是60 d坡面，降雨后期溶解态氮浓度均趋于稳定。这是由于花生60 d生长时期植被覆盖度最大，植物叶片拦截雨滴，降低了雨滴对地表土壤的击打作用，雨滴到达地面的动能降低，导致径流携带泥沙及养分的能力减弱[10]。同时，大部分养分在降雨初期被团粒结构较小的细土粒随径流带走，留下大量粗骨粒在坡面表面，使得降雨后期各养分浓度趋于稳定[11]。

2.2.2径流溶解态磷钾流失特征花生不同生长时期径流流失的溶解态磷变化规律不同(图3)，花生0 d坡面径流磷浓度表现为持续降低的趋势，在20～50 min降雨期间下降速度最快；花生20，40，60 d生长时期坡面磷流失浓度差异性较小，且磷流失浓度低于0 d径流磷浓度。在没有坡面覆盖的情况下，降雨初期土壤溶液和土壤表层颗粒吸附的磷较易被径流携带，且含量相对较高，随着降雨的持续，表层磷素不断被淋洗至土壤深层或随径流迁移，养分含量逐步降低并趋于稳定；坡面种植花生增加了覆盖度，减缓了径流对坡面的冲刷作用，增强入渗，减少了磷的损失量。

图2　不同生长时期径流氮流失规律

图3　径流磷流失规律

由图4可知，径流钾损失浓度随时间波动不大，在降雨后期趋于稳定。花生0 d坡面溶解态钾浓度最高，在降雨20 min之后浓度始终维持在5.69～5.74 mg/L，花生20 d和40 d坡面溶解态钾流失浓度差异不大，60 d坡面溶解态钾浓度在整个降雨过程中表现为最低，始终维持在2.79～3.07 mg/L。径流钾养分携带量最高，这是由于片麻岩新成土中钾含量本身较其他岩性土较高[8]。

图4　径流钾流失规律

2.3花生不同生长时期泥沙养分流失特征

由图5可以看出，泥沙氮负荷量在花生不同生长时期变化规律基本相同，由降雨初期氮流失量最大，到降雨后期氮流失量不断下降且趋于稳定。花生0 d坡面泥沙氮负荷量最大为58.14 mg，是20 d坡面泥沙最大氮负荷量的1.3倍，是40 d坡面泥沙最大氮负荷量的4.0倍，60 d坡面泥沙氮负荷量变化基本趋于稳定。说明随着花生的生长，植被覆盖度的增加有效地减少了氮素养分的流失。

图5　泥沙中氮磷钾负荷量变化规律

片麻岩坡面在产沙过程中除花生40 d坡面颗粒态磷流失量呈下降趋势外，花生0，20，60 d坡面颗粒态磷流失量均有小幅度上升趋势后再下降；花生20 d坡面颗粒态磷流失量最大，60 d坡面颗粒态磷流失量最少，且流失泥沙中有效磷含量极小，在0.05～0.17 mg波动。由于土壤中的磷主要以有机无机体结合的方式存在于土壤团粒中，极易被土壤固定，并且片麻岩形成的土壤磷含量较低，所以溶解态磷含量极低[13]。花生20 d坡面颗粒态磷和有效磷流失量较其他生长时期异常增加，是因为土壤侵蚀首先是土壤细颗粒的流失，20 d植被覆盖度较低，雨滴对土壤的打击使细颗粒的侵蚀量较40，60 d坡面增多，同时细颗粒对养分的吸附作用较强，导致养分富集程度较高[14]。

泥沙中钾含量的损失远远高于泥沙中氮磷含量的损失，且在降雨过程中含量变化较为平稳，颗粒态钾流失量依次为0 d>20 d>40 d>60 d。组成片麻岩的矿物中钾含量很高，因此岩石风化形成的土壤中钾含量也很高，降雨过程中由于径流冲刷和侵蚀作用，泥沙所携带的钾含量也很高[15]；同时片麻岩中的钾主要以无机态吸附在土壤颗粒表面，不会因为径流对不同坡面土壤黏粒的选择性搬运而导致各时段含量有较大差异[16]。

2.4花生不同生长时期与养分流失量的关系

由表2可以看出，在80 mm/h的特大雨强下，花生不同生长时期氮磷钾流失量不同，随着生长天数的增加，各养分含量逐渐减少并趋于稳定，钾流失量最多，其次是氮、磷流失量最小。土壤自身理化性质与养分流失密切相关，片麻岩特性即岩石风化土壤的钾含量较其他土壤高，且氮容易被淋失和在径流中损失，但磷容易被土壤所固定[17]，所以径流损失中钾最多，磷最少。随着生长天数的增加，氮流失量也逐渐减少，与生长天数表现出明显的负相关。氮自身活性较大，花生0 d坡面流失量最大为432.49 mg，是60 d坡面氮流失量的4倍；磷在土壤中移动性较差，与对照(0 d)相比，花生20 d坡面磷损失量有效减少了1.6%，40 d坡面磷损失量有效减少了44%，60 d坡面磷损失量有效减少了45%，花生不同生长时期磷流失量变化较小。由表4可知，颗粒态氮流失量所占比例为40%～62%，可知氮流失过程中溶解态氮和颗粒态氮共存；而磷钾的颗粒形态所占含量一直在85%左右，因此流失的磷钾主要以泥沙结合态为主，且花生不同生长时期的不同覆盖情况变化与磷钾养分流失形态相关性不大。

表2　花生不同时期坡面养分流失情况

2.5坡面养分流失模拟对比分析

研究表明产流产沙量与养分流失量之间有着密切的关系[18]。由表3可以看出，花生不同生长天数产流量与产沙量之间存在着极显著的正相关性[19]。随着花生生长天数增加产流量减少，产沙量也随之减少；氮流失量与产沙量方程拟合系数达到0.999 5，呈高度相关，随着产沙量的减少，氮养分流失量也随之降低；对磷钾流失量与产沙量进行方程拟合，拟合系数达到了0.98以上，呈显著相关。

表3　产流量、养分流失量(y)与产沙量(x)之间回归方程

3　结 论

(1)随着花生的生长，产流时间随地表覆盖度的增加而延长，表现为0 d<20 d<40 d<60 d。与对照(0 d)相比，花生60 d坡面产流时间增加了46%，产沙模数、径流系数和土壤流失率分别减少了47%，42%，48%，产流量和产沙量分别减少了38%和47%，不同生长时期坡面的产沙模数、径流系数和土壤流失率也不同，都随着花生生长天数的增加而有不同程度减少，水土保持效果显著。

(2)花生不同生长时期径流中氮磷钾养分流失都呈现出降雨初期波动较大，降雨后期浓度变化趋于稳定。除对照(0 d)外，坡面溶解态氮浓度呈现出0 d>20 d>40 d>60 d；铵态氮浓度变化规律与溶解态氮相似，但花生不同时期硝态氮浓度依次为60 d>20 d>40 d，花生40 d坡面流失的硝态氮含量最小；因土壤团粒对正负电荷的吸附和排斥作用导致硝态氮的流失量总是高于铵态氮的流失量。花生不同生长时期溶解态钾流失量最大，溶解态磷流失量最小。氮素流失过程中颗粒态氮流失量所占比例为40%～62%，故溶解态氮和颗粒态氮共存，而磷钾的颗粒形态所占含量一直在85%左右，因此流失的磷钾主要是泥沙结合态。

(3)花生不同生长时期产流量、氮磷钾养分流失量都与产沙量呈显著正相关，这与赵宇等[20]在紫色土壤坡面养分流失规律研究中表明的侵蚀泥沙养分与产沙产流量可用二次函数表达是一致的。氮养分流失量与产沙量方程拟合系数达到0.999 5以上，呈高度相关；对磷钾流失量与产沙量进行方程拟合，拟合系数均达到了0.98以上，呈显著相关。

[1]钱婧,张丽萍,王小云,等.人工降雨条件下不同坡长和覆盖度对氮素流失的影响[J].水土保持学报,2012,26(5):6-10.

[2]荆文涛,陈澍,祖艳群,等.不同种植模式下红壤坡田水土及养分流失研究[J].环境科学与技术,2015,38(11):66-70.

[3]史东超,张金柱,郭素平.太行山片麻岩区坡地水土流失规律研究[J].河北林果研究,2003,18(1):13-19.

[4]Xinqing G U.Dynamic patterns of soil and water losses in low-lying mountains of gneiss in Taihang Mountain[J].China Forestry Science and Technology,2005,19(4):29-31.

[5]王升,王全九,董文财,等.黄土坡面不同植被覆盖度下产流产沙与养分流失规律[J].水土保持学报,2012,26(4):23-27.

[6]陈建卓.太行山石灰岩山地水土保持型生态农业试验研究[J].水土保持通报,2005,25(1):82-87.

[7]张光辉,刘宝元,李平康.槽式人工模拟降雨机的工作原理与特性[J].水土保持通报,2008,27(6):56-60.

[8]赵海云,陈继富,王宏丽,等.优质富硒谷新品种晋谷29号选育及其小米深加工[J].作物研究,2007,21(3):394-395.

[9]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.

[10]张兴昌,刘国彬,付会芳.不同植被覆盖度对流域氮素径流流失的影响[J].环境科学,2000,21(6):16-19.

[11]张佳琪,王红,张瑞芳,等.不同土地利用方式下片麻岩坡面养分流失规律的研究[J].水土保持研究,2014,21(5):122-125.

[12]Yan H J,Bai G,He J Q,et al.Influence of droplet kinetic energy flux density from fixed spray-plate sprinklers on soil infiltration,runoff and sediment yield[J].Biosystems Engineering,2011,110(2):213-221.

[13]张佳琪,王红,张瑞芳,等.雨强对片麻岩坡面径流养分流失规律的影响[J].水土保持学报,2014,28(3):42-45.

[14]林超文,罗春燕,庞良玉,等.不同耕作和覆盖方式对紫色丘陵区坡耕地水土及养分流失的影响[J].生态学报,2010(22):6091-6101.

[15]陈晓燕,王茹,卓素娟.不同降雨强度下紫色土陡坡地侵蚀泥沙养分特征[J].水土保持学报,2012,26(6):1-5.

[16]朱子龙,周大迈,张爱军,等.不同下垫面太行山片麻岩坡面水土及养分流失规律研究[J].水土保持学报,2014,28(6):61-65.

[17]Mark A S,Clare M H,Jan W E,et al.The European Nitrogen Assessment: Source,Effects and Policy Perspective[M].Cambridge: Cambridge University Press,2011.

[18]Lavakush Y J,Verma J P,Jaiswal D K,et al.Evaluation of PGPR and different concentration of phosphorus level on plant growth,yield and nutrient content of rice (Oryza sativa)[J].Ecological Engineering,2014,62(1):123-128.

[19]张赫斯,张丽萍,朱晓梅,等.红壤坡地降雨产流产沙动态过程模拟试验研究[J].生态环境学报,2010,19(5):1210-1214.

[20]赵宇,陈晓燕,康静雯.人工模拟降雨条件下紫色土坡面养分流失特征分析[J].水土保持学报,2013,27(1):31-34.

Study on Soil and Nutrient Losses on Gneiss in Different Growth Periods of Peanut

MA Yue1,2,GUO Niandong1,ZHANG Ruifang2,3,4,ZHOU Damai2,3,4,WANG Hong2,3,4,ZHANG Aijun2,3,4

(1.College of Resources and Environment Science,Agricultural University of Hebei,Baoding,Hebei 071000, China; 2.Mountain Area Research Institute of Hebei Province,Baoding,Hebei 071001,China; 3.National Engineering Research Center for Agricultural in Northern Mountainous Areas,Baoding,Hebei 071000,China; 4.Agricultural Engineering Technology Research Center of Hebei Province Mountain,Baoding,Hebei 071000,China)

Indoor simulation rainfall experiment was conducted to evaluate the effects of peanut at different growth stages on the surface soil and nutrient losses in gneiss area.The results showed that the yields of runoff and sediment during different growth periods peanut were different,and the loss amounts decreased in the order: 0 d>20 d>40 d>60 d.Compared with the control (0 d),runoff slope with 60-day-peanut decreased by 38%,sediment production slope with 60-day-peanut decreased by 47%.The losses of nutrients during different growth stages decreased with the increase of the growth days,compared with the control (0 d),the losses of nitrogen,phosphorus,potassium in the 60 days decreased by 75%,45%,70%,respectively,the loss of nitrate during the rainfall was always higher than ammonium.The amounts of nutrient loss at the different growth stages represented the cumulative loss order: potassium>nitrogen>phosphorus.The equation fitting factor of total nutrient loss and sediment yield was more than 0.98,and there was a significant positive correlation; nutrient losses from gneiss area were mainly in the form of sediment combination state especially for phosphorus and potassium,nitrogen loss was mainly in the form of dissolved nitrogen or both dissolved nitrogen and sediment-associated nitrogen.

gneiss; soil and water loss; runoff; amount of nutrient loss; different growth stage

2016-03-14

2016-03-24

河北省自然科学基金项目“人工模拟降雨条件下的片麻岩山坡地土壤氮素流失研究”(C2015204155)

马悦(1992—),女,吉林白城人,硕士研究生,研究方向为植物营养生态研究。E-mail:mayuehebau@163.com

张爱军(1970—),女,河北承德人,硕士生导师,研究员,主要从事植物营养生态与山区数字化研究。E-mail:zhangaijun@hebau.edu.cn

S157.1; S565.2

A

1005-3409(2016)05-0304-06