趙 青，周一龍，周 佳，劉克非

(1. 湖南省高速公路集團有限公司，湖南 長沙 410022；2. 湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南 長沙 410018；3.中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

0 引言

紅壤丘陵區(qū)是我國熱帶和亞熱帶經(jīng)濟和糧食作物的重要生產(chǎn)基地，主要分布于南方地區(qū)，涉及國土面積218×104 km2，占總面積的22.7%。然而，這類土壤黏粒含量高，通透性差，pH一般為5～6，屬酸性土壤，有機質(zhì)含量少，蓄水保肥能力和抗侵蝕能力較差，水土流失較為嚴重。因此合理開發(fā)利用這類土地，改善土壤性質(zhì)，防治水土流失和面源污染對實現(xiàn)紅壤丘陵區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。

本文以湖南省“五縱七橫”高速公路網(wǎng)的第三縱岳陽(湘鄂界)至臨武(湘粵界)高速公路為研究對象，項目走廊帶位于典型的紅壤丘陵區(qū)。通過室內(nèi)試驗研究公路路域表土和養(yǎng)分流失的機理和規(guī)律，研究成果對南方紅壤丘陵地區(qū)生態(tài)脆弱區(qū)公路工程建設中的土地資源保護，及路域生態(tài)恢復具有重要參考價值[3-4]。

1 研究方法

1.1 紅壤丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分含量調(diào)查

分別在湖南省長沙市、衡陽市、湘潭市選取公路路域有代表性的表土堆放防護和利用方式的樣地和邊坡作為樣地，在每個地區(qū)分別選取經(jīng)濟林地、山地、棄土場、取土場和農(nóng)耕地5種土地利用類型，每種類型設置2～3塊樣地。在各采樣點沿垂直土壤剖面進行表層和亞表層土壤的取樣，最大取樣深度不大于1 m。取樣深度間隔：0～30 cm，每隔10 cm取一個樣;30～100 cm，每隔20 cm取一個樣。采用環(huán)刀取樣，牛皮紙袋封存樣品[5-6]。

分別采用土壤粒度分析儀、擴散法和NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定土樣的粒度、氮素和磷素含量。

1.2 人工模擬降雨淋蝕試驗

首先，在降雨前分上、下層測定表土堆養(yǎng)分含量、含水量、粒度等技術指標；然后，采用弱(小于0.5 mm/min)、強(大于1 mm/min)2種雨強分別進行淋蝕試驗，試驗區(qū)設置方法和編號見表1。降雨過程中，采用便攜式土壤養(yǎng)分測定儀和土壤含水量儀實時測定土堆上、下層養(yǎng)分和含水量。最后，總結(jié)表土堆養(yǎng)分含量隨降雨過程的變化規(guī)律。

根據(jù)當?shù)啬杲邓Y料，按照實際年降雨量和降雨強度進行模擬淋溶。降雨強度為140～180 mm/hr，降雨雨滴達到的終點速度滿足天然降雨特性，降雨均勻度大于80%。測定不同降雨量和降雨強度下，土堆上、下層養(yǎng)分和含水量的變化。

表1 人工模擬降雨淋蝕試驗區(qū)設置和編號Table 1 Setting and number of artificial rainfall erosion test area試驗區(qū)坡度/(°)表面裸露植草(苜蓿、三葉草)完全覆蓋30a-lla-zca-fg18b-llb-zcb-fg

2 自然降雨條件下土壤養(yǎng)分變化規(guī)律

樣品測試結(jié)果表明，年季內(nèi)變化中農(nóng)田的土壤表層養(yǎng)分流失最為嚴重，其中溶解態(tài)、有效態(tài)營養(yǎng)元素變化最為明顯。表現(xiàn)為表層土(0～10 cm)總氮雨季后0.09%<雨季前0.148 1%，有機質(zhì)雨季后2.67%<雨季前5.03%，有效態(tài)的氮雨季后同比減少43%，而速效磷則在雨季后減少了87.2%。測試土壤中除鉀元素因含量較高而變化較小外，雨季后其余營養(yǎng)物質(zhì)含量均明顯降低。

自然降雨條件下，棄土場樣地土壤緊實度增加，表層土壤養(yǎng)分含量相比雨季前有所減少，但減少趨勢明顯好于農(nóng)耕地組，表明改變緊實度對土壤養(yǎng)分的保護有促進作用，這與農(nóng)耕區(qū)表層耕作、人為翻耕、播種等情況有關。紅壤丘陵區(qū)降雨量大、降雨集中、水蝕嚴重，因此對表層土壤的侵蝕加劇，而改變表層土壤的緊實度可提高土壤的抗風化能力，減輕表面水流沖刷。

自然降雨條件下，取土場樣地表層土壤養(yǎng)分含量減少較為明顯，但其氮、磷、有機質(zhì)等土壤養(yǎng)分指標較棄土場樣地和恢復林地有所增加。表層養(yǎng)分流失嚴重：速效氮雨季后含量7.9 mg/kg<雨季前含量19.7 mg/kg，有效磷雨季后含量1.43 mg/kg<雨季前含量2.99 mg/kg。這可能與取土施工對植被破壞較大、增大了裸露面積，植物在初期生長階段對土壤的附著能力較差、植株較小對雨水的沖刷作用抵抗能力弱有關。

經(jīng)濟林地土壤養(yǎng)分測定結(jié)果表明，恢復林地對土壤養(yǎng)分的保護作用較為明顯，土壤的有機質(zhì)含量由雨季前的2.29%變?yōu)橛昙竞蟮?.21%，這一結(jié)果尚未加入植被生長周期結(jié)束后對土壤的歸還作用。表明喬木植被對保護土壤侵蝕具有雙重作用：一是在根際，良好的根系能固持土壤，減少侵蝕易發(fā)性；二是植物莖桿可降低流水速率，進而減弱徑流的挾沙量。

綜上，可初步判定表土堆放方式中，養(yǎng)分保護的效果由強到弱依次為：經(jīng)濟林地>山地>棄土場>取土場>農(nóng)耕地[7-8]。

3 人工模擬降雨條件下土壤養(yǎng)分變化規(guī)律

人工模擬降雨條件下土壤養(yǎng)分的變化主要研究試驗土槽內(nèi)部的表層土壤在各個降雨時段內(nèi)不同坡位處的養(yǎng)分變化、徑流泥沙中的養(yǎng)分變化和降雨徑流中的養(yǎng)分變化。

3.1 有機質(zhì)變化特征

不同坡度條件下有機質(zhì)含量測試結(jié)果見圖1和圖2。

人工模擬降雨試驗結(jié)果表明：①在不同的坡面位置，土壤中有機質(zhì)的流失隨著降雨歷程的進行逐漸減少，其中完全覆蓋試驗組有機質(zhì)含量變化最小，其次為植草組，流失最為嚴重的是表面裸露組。②同一坡面中，坡上端有機質(zhì)流失最少，下端流失較為嚴重，最嚴重時達0.028 1 g·h/(kg·mm)，

(a) 坡上部

(b) 坡中部

(c) 坡下部

(a) 坡上部

(b) 坡中部

(c) 坡下部

說明表面無覆蓋的坡面下端是有機質(zhì)流失的敏感區(qū)域。雖然植草實驗組保護效果不如完全覆蓋組，但不可否認植被可有效防止土壤侵蝕和養(yǎng)分流失。植被可在改善土壤理化性質(zhì)、水文性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)的基礎上改良微地形，進而有效阻止水土流失，并切實提高土壤的可蝕性和入滲能力。③模擬降雨共經(jīng)歷5次降雨試驗，其中第2、3次養(yǎng)分流失比例較高，從第4次模擬降雨試驗開始流失速率逐漸降低，說明在前期降雨過程土壤溶液的可溶性養(yǎng)分逐漸釋放于雨水中，吸附于土粒中的養(yǎng)分也同時擴散，結(jié)合在土粒表面中的有機態(tài)養(yǎng)分隨不同粒徑團聚體的濺蝕而分離于土體。濺蝕發(fā)生于土壤養(yǎng)分流失的起始階段，而后會在降雨過程中進一步出現(xiàn)面狀水流沖刷，進而發(fā)展為細溝淺溝狀侵蝕。④不同降雨強度對徑流作用下土壤養(yǎng)分濃度的影響不大，但對養(yǎng)分濃度出現(xiàn)峰值的時間有一定影響。在較強的降雨強度下，各養(yǎng)分濃度出現(xiàn)峰值的時間提前，而泥沙中的養(yǎng)分含量則與降雨強度無關。坡面表層土壤養(yǎng)分含量在人工降雨試驗后逐漸衰減，并表現(xiàn)出隨降雨強度增大，養(yǎng)分含量衰減幅度也隨之增大的規(guī)律。⑤當坡度由30°放緩至18°時，完全覆蓋試驗組和植草試驗組養(yǎng)分流失量與30°陡坡相比差別不大，均呈現(xiàn)出有機質(zhì)含量變化較小的趨勢。30°陡坡條件下，表面裸露試驗組有機質(zhì)流失比例降低明顯，表明在無保護措施的情況下，地形條件對土壤養(yǎng)分流失影響較大。

3.2 氮素變化特征

不同坡度條件下氮素含量測試結(jié)果見圖3和圖4。

人工模擬降雨試驗結(jié)果表明：①人工模擬降雨試驗中土壤的氮素變化規(guī)律與有機質(zhì)非常類似，在坡頂位置氮素呈現(xiàn)持續(xù)下降，其下降速率為0.000 63 g·h/(kg·mm)，流失量由坡上向坡下逐漸升高，在坡底部為全氮流失最敏感區(qū)域。②當

(a) 坡上部

(b) 坡中部

(c) 坡下部

(a) 坡上部

(b) 坡中部

(c) 坡下部

試驗坡度為30°時，氮素流失變化速率大小為ll>zc>fg，且植草試驗組氮素含量變化也比裸露組平緩得多，植草對土壤的保護作用較為明顯。③當試驗坡度為18°時，氮素的流失曲線明顯變緩，除裸露組在坡頂部位置第1次降雨時氮素值出現(xiàn)了1次驟降外，其余試驗過程中無論是植草還是完全覆蓋組，在坡中、坡底均未呈現(xiàn)氮含量隨雨量驟減的情況。另外，植草組、完全覆蓋組試驗中氮素的減小比例極低，說明坡面植被覆蓋情況影響降雨在坡面的再分配，不同植被覆蓋條件下降雨沿坡面各斷面的徑流量不盡相同。由坡頂至坡腳，徑流量沿程增加，徑流侵蝕作用逐步疊加，侵蝕加劇，土壤養(yǎng)分流失也愈加嚴重。

3.3 磷素變化特征

由于模擬降雨測試土壤中的磷素含量結(jié)果差異不顯著，在此不列出測試數(shù)據(jù)，僅給出結(jié)果如下：①本研究中磷的含量在各試驗組中均未顯示出明顯變化，30°坡裸露組磷含量由初始的0.041%～0.052%，至第2次人工降雨時為0.030%～0.059%；完全覆蓋組磷含量由初始的0.028%～0.063%，至第2次人工降雨時為0.031%～0.052%，表明覆蓋作用對土壤磷素的影響變化不大，說明本試驗中水溶態(tài)磷含量較低，在經(jīng)歷降雨試驗后水溶態(tài)磷損失對磷總量變化貢獻較小。②在坡度降低后，由于土壤自身水溶性磷含量較低，磷素的變化值依然較小，且沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律。③需要強調(diào)說明的是，本研究應用的土壤為耕作土壤，上下層營養(yǎng)鹽含量相當，故土壤中磷含量在降雨過程中變化趨勢不顯著。而在野外的自然條件，土壤表層由于植被生長富集，通常磷素含量較為充分，在表土剝離后存放過程中，如不加以保護，表層土壤長時間受徑流沖刷，土壤團粒結(jié)構(gòu)隨匯水流失受影響變化較大，土壤磷素吸附態(tài)成分將流失殆盡，進而影響土壤的營養(yǎng)狀況[9-10]。

4 結(jié)論

a.與普通的表面裸露土壤相比，植被蓋度良好、表面壓實或覆蓋的土壤有利于減少水侵，其對土壤養(yǎng)分變化控制也較好，有機質(zhì)、氮素、磷素含量變化均為最小。

b.綜合養(yǎng)分變化趨勢，可判定表土堆放方式中，養(yǎng)分保護的效果由強到弱依次為：經(jīng)濟林地>山地>棄土場>取土場>農(nóng)耕地。

c.地形條件對土壤養(yǎng)分流失影響較大，除磷素外，公路建設項目路域土壤坡度越陡，養(yǎng)分流失越快。