楊 昕, 王克勤, 宋婭麗, 張雨鑒, 李曉龍

(西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650224)

水土流失是當(dāng)今世界最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一，不僅導(dǎo)致耕地肥力退化，加劇了江河湖庫淤積和洪澇災(zāi)害，也對國民經(jīng)濟建設(shè)造成深遠(yuǎn)的影響[1-2]。云南省屬于我國水土流失二級敏感區(qū)，雨季(每年5—10月)雨量充沛，水土流失以水力侵蝕為主，水土流失面積為1.05×105km2，占土地總面積的27.33%；年均土壤流失總量4.81萬t，年均侵蝕深0.93 mm[3]。由于降雨特征[4]、植被覆蓋類型[5]以及經(jīng)營措施[6]的不同造成流域水土流失及面源污染程度不同，而降雨產(chǎn)生的徑流氮磷流失特征則因土地利用類型不同而存在較大差異。武定縣位于云南省紅壤丘陵區(qū)，水土流失較為嚴(yán)重，被列為重點監(jiān)督區(qū)和重點治理區(qū)。因此，關(guān)于紅壤丘陵區(qū)坡耕地的徑流氮磷流失特征的研究備受關(guān)注。近年來，國內(nèi)外不少研究學(xué)者對徑流氮磷流失特征進(jìn)行了研究分析，但結(jié)果也不盡相同。常松果等[7]在次降雨條件下研究不同土壤管理措施對徑流及氮磷流失的影響中認(rèn)為，紫色丘陵區(qū)地表施用聚丙烯酰胺或綠肥后，徑流量低于施用腐殖酸或無任何管理措施，且施用聚丙烯酰胺、綠肥或腐殖酸可顯著降低氮磷流失量；向速林等[8]的研究表明，贛江下游不同土地利用類型間林地和蔬菜地徑流量高于水田，而氮磷質(zhì)量濃度則表現(xiàn)為蔬菜地>水田>林地；李吉平等[9]在洪澤湖地區(qū)麥稻兩熟農(nóng)田和楊樹林地氮磷徑流流失特征的研究中，結(jié)果為楊樹林地氮磷流失量小于農(nóng)田，全年TN，TP流失量僅為農(nóng)田的22.61%和0.81%，與農(nóng)田相比，林地能夠更好地控制徑流養(yǎng)分流失。

以上研究區(qū)的研究較為廣泛，然而，針對云南省紅壤丘陵區(qū)氮磷流失的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他地區(qū)，尤其是對該區(qū)域自然降雨條件下不同土地利用類型徑流特征及氮磷流失差異的研究鮮有報道。因此，本文選擇云南紅壤丘陵區(qū)猛果河倉房小流域武定縣為研究區(qū)，分別設(shè)置3種土地利用類型(林地、灌草地、農(nóng)地)的樣方，對自然降雨條件下樣方的土壤理化性質(zhì)、基本概況進(jìn)行調(diào)查，定量監(jiān)測2018年自然降雨條件下雨季(5—10月)降雨過程中徑流量、氮磷流失的形態(tài)、質(zhì)量濃度、流失量及動態(tài)變化特征，以期為云南省紅壤丘陵地區(qū)土壤侵蝕狀況改善及水土流失綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于滇中猛果河倉房小流域武定縣高橋鎮(zhèn)，地處北緯25°20′—26°11′，東經(jīng)101°55′—102°29′?？h域面積3 322 km2，全鎮(zhèn)面積404.6 km2，海拔1 920 m，屬低緯高原季風(fēng)氣候區(qū)。最高氣溫在7月，月平均溫度20.7℃；最冷月在1月，月平均氣溫7.4℃；年平均氣溫15℃，年降雨量800～1 200 mm，氣候干濕季節(jié)明顯，每年5—10月為雨季，降雨量占全年的80%～90%；11月至次年5月為旱季，立體氣候明顯。氣溫年較差小，日較差大；降水豐沛，干濕季分明；氣候垂直變化顯著，類型多樣；雨熱同季，大陸性強。研究區(qū)內(nèi)耕地面積174.52 km2[10]，占總面積的5.25%；林地面積1 814 km2，占總面積的54.61%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方的布設(shè) 選取具有代表性的3種土地利用類型林地、灌草地及農(nóng)地，分別布設(shè)3組水平樣方(面積為1 m×1 m)，各樣方四周用鐵皮隔開，相隔均大于2 m，以防徑流在各樣方之間滲漏。在樣方下部設(shè)置導(dǎo)管和塑料桶，雨季每一場自然降雨后的田面徑流通過導(dǎo)管流入塑料桶中。每個樣方徑流入水口高度保持一致。每個處理3個重復(fù)，各樣方隨機排列。

于2018年4月對所有樣方的地理位置、坡度、坡向、植被覆蓋度等進(jìn)行調(diào)查，并采集所有樣方表層土壤，用于測定土壤背景值。試驗區(qū)0—20 cm的土壤背景值分別為：全氮1 370 mg/kg、堿解氮55.63 mg/kg、全磷1 110 mg/kg、有效磷68 mg/kg。2018年生長季，林地和灌草地為自然生長；農(nóng)地中種植作物為玉米，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民農(nóng)事習(xí)慣施基肥和追肥，基肥氮磷鉀比例為10∶1∶16，追肥氮磷鉀比例為22∶0∶9，施肥量折合純氮為180.7 kg/hm2，折合純磷為67.1 kg/hm2。各樣方的基本情況見表1。

表1 不同土地利用類型樣方基本概況

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 本文采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，方差分析采用最小顯著性差異(LDS)法，檢驗不同降雨量、降雨強度和不同土地利用類型下徑流量和氮磷養(yǎng)分流失量的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型降雨及徑流特征

表2為試驗地5月至10月的4場典型降雨及徑流特征。根據(jù)我國氣象部門規(guī)定的降雨強度標(biāo)準(zhǔn)，大雨和暴雨分別為12 h雨量≥15～29.9，30 mm，或24 h雨量≥25～49.9，50 mm的降雨。選取的4場降雨中，7月27日和8月5日屬于大雨，7月20日和8月19日屬于暴雨。總體來看，隨著降雨量和降雨強度的增大，不同土地利用類型下各樣方的徑流量呈增大的趨勢。對次降雨降雨量與徑流量進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)依次為林地(0.649)、灌草地(0.848)、農(nóng)地(0.528)，降雨強度與徑流量相關(guān)系數(shù)依次為林地(0.927)、灌草地(0.998)、農(nóng)地(0.785)。不同土地利用類型下徑流量平均值在8月19日達(dá)到峰值(7.71 L/m2)，為8月5日的1.44倍，而此時降雨量達(dá)45.9 mm。不同土地利用類型總徑流量表現(xiàn)為：林地(20.12 L/m2)<灌草地(23.80 L/m2)<農(nóng)地(34.34 L/m2)，農(nóng)地最高，分別為林地和灌草地的1.71，1.44倍；各土地利用類型的變異系數(shù)在0.14～0.64，差異較大。

表2 試驗地各樣方4場降雨特征及徑流特征

注：不同小寫字母表示同一時間不同土地利用類型下徑流量差異顯著(p<0.05)，不同大寫字母表示同一土地利用類型不同降雨時間徑流量差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同土地利用類型徑流中各形態(tài)氮素質(zhì)量濃度特征

2.3 不同土地利用類型徑流中各形態(tài)磷素質(zhì)量濃度特征

圖1 不同土地利用類型對徑流中各形態(tài)氮素質(zhì)量濃度的影響

2.4 不同土地利用類型氮磷流失量特征

圖4 不同土地利用類型對不同形態(tài)氮素流失量的影響

圖5 不同土地利用類型對不同形態(tài)磷素流失量的影響

3 討 論

降雨是流域產(chǎn)流的先決條件，地表徑流是面源污染物流失的主要途徑，產(chǎn)流量的多少取決于降雨、土地利用方式和植被特征[5,13]。以往在降雨特征對地表徑流影響的研究中，不同地區(qū)、不同試驗條件下的降雨量、降雨強度對地表徑流的影響程度差異較大。林錦闊等[14]對自然荒坡、種植蕎麥、野生牧草和種植花生4類不同土地利用類型次降雨因子和徑流量相關(guān)分析得出，各徑流小區(qū)的徑流量與降雨量具有很好的相關(guān)性(p<0.01)；樊登星等[15]認(rèn)為灌草坡面徑流小區(qū)的徑流量與最大30分鐘雨強相關(guān)性顯著。本研究中，不同土地利用類型下徑流量與降雨量、降雨強度均呈正相關(guān)，徑流量因不同土地利用類型分異規(guī)律明顯，表現(xiàn)為林地(20.12 L/m2)<灌草地(23.80 L/m2)<農(nóng)地(34.34 L/m2)。林地和灌草地徑流量低于農(nóng)地，說明林地和灌草地比農(nóng)地具有更好的攔蓄降雨的能力。這是由于林地和灌草地土壤的滲透性較好，活地被物能夠增加地表水入滲，減小地表徑流；而農(nóng)地受人為和自然因素雙重影響，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，持水能力較小，徑流量相對較大。王國重等[16]在丹江口水庫水源區(qū)不同土地利用類型徑流量的研究中，認(rèn)為6種雨強的平均徑流量均為坡耕地>梯田>荒草地>喬木林>灌草地，同樣說明林地和灌草地土壤具有良好的保水保土效果，其徑流量小于其他土地類型。除此之外，植被蓋度也為影響徑流量的重要因素之一，研究表明，徑流量與植被蓋度之間表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即植被蓋度越高，徑流量越小[17]。本研究中，林地的植被多為喬木，地表植被結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，覆蓋度達(dá)80%，林冠截留效果較好；灌草地也由低矮灌木和草本植物覆蓋，秸稈密集、可有效覆蓋地表，覆蓋度為70%，可有效減小地表徑流；而農(nóng)地蓋度僅為30%，且耕作較為頻繁，土壤經(jīng)常受到擾動，其降雨徑流量相對較高。

綜上，滇中猛果河倉房小流域試驗監(jiān)測期間處于小流域雨季，雨熱同期，且徑流量與降雨量及降雨強度呈顯著正相關(guān)，徑流量受土地利用類型影響較大。3種不同土地利用類型中，農(nóng)地氮磷流失規(guī)律較為復(fù)雜，應(yīng)是該流域不同土地利用類型中氮磷流失的重點控制對象；而林地和灌草地均能有效減少徑流氮磷流失，降低氮磷流失量，保持水土，表現(xiàn)出了良好的水土保持效益，其中林地的氮磷流失量最低，水土保持效果最好。因此，為了減少該流域氮磷流失量，減小發(fā)生水體富營養(yǎng)化的概率：一方面可以通過在流域內(nèi)增加林地和灌草地面積，開展退耕還林還草工程，以減緩和防治云南紅壤丘陵區(qū)水土流失；另外，在農(nóng)地的實際耕作中，可通過調(diào)整滇中猛果河倉房小流域沿線土地利用類型，氮、磷肥施用量，施用頻次及耕作方式等措施來減少徑流量、降低氮磷流失質(zhì)量濃度；第三，在農(nóng)地中，要盡量減少或避免雨季的農(nóng)事活動，提高肥料利用率和適量減少氮磷的輸出。通過改變土地利用類型，加強林草植被保護(hù)和建設(shè)，提高現(xiàn)有植被質(zhì)量和覆蓋率，減輕水土流失強度，可實現(xiàn)云南紅壤丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境的明顯改善及水資源的可持續(xù)利用。

4 結(jié) 論

(1) 不同土地利用類型下徑流量與降雨量和降雨強度呈顯著正相關(guān)，總徑流量表現(xiàn)為：林地(20.12 L/m2)<灌草地(23.80 L/m2)<農(nóng)地(34.34 L/m2)，各土地利用類型的變異系數(shù)在0.14～0.64之間，差異較大；

(3) 不同土地利用類型下TN和TP流失總量表現(xiàn)為：林地(59.96 和65.47 mg/m2)<灌草地(98.92，102.95 mg/m2)<農(nóng)地(170.28，200.94 mg/m2)，各土地利用類型的變異系數(shù)為0.56，0.59，差異性顯著。為了減少該流域氮磷流失量，可通過在流域內(nèi)增加林地和灌草地面積，開展退耕還林還草工程，以減緩和防治云南紅壤丘陵區(qū)水土流失。