土壤侵蚀是全球土壤退化的主要原因之一。据统计全球土壤退化面积达1 965万km², 侵蚀退化占总退化面积的84 %(Oldeman, 1994)。土壤侵蚀的直接后果是降低了土壤中有机质和各种营养元素的含量(Zhang et al., 2003), 破坏了土体结构, 且随着土壤的流失而污染水体, 造成一系列环境问题(Carpenter et al., 1998), 土壤侵蚀及其导致的土壤质量退化是世界性的重大环境问题(程冬兵等, 2006)。根据第2次全国水土流失遥感调查结果显示, 我国现有水土流失面积356万km²(刘震, 2002), 由于水土流失而造成的氮、磷、钾各养分元素流失总量每年高达几亿t, 每年损失有机质52.8万t、氮素3.25万t、磷2.2万t、钾44万t(蔡崇法等, 1997), 相当于全国耕地削去10 mm厚的肥土层, 损失N、P、K约合4 000万t化肥(杨鹏, 2002)。2003年河北省水土流失面积629.37万hm², 主要分布在植被覆盖率较低的太行山、燕山低山丘陵区(高士平等, 2006)。据统计:山区土壤每年冲蚀表土0.2 ~ 1 cm, 最高可达2 cm, 年流失土壤5 100万t, 相当于每年损失1万hm²表层厚度为40 cm的耕地, 每年因水土流失而损失的养分折合化肥156万t, 占全省年产化肥总量的36 %(贾树龙等, 2003), 同时, 还将引起水库淤积、水体富营养化等衍生问题。由于水土流失, 山区人民赖以生存的土地资源大量丧失, 草场退化, 土壤肥力衰退, 生产力下降, 严重影响了当地农林业生产和经济建设。研究太行山区土壤养分的流失规律, 对改善山区生态条件、保护有限的土壤资源、保水固土、提高当地人民生活水平均具有重要的意义。

1 试验条件与试验设计 1.1 研究地概况

试验所用土壤来自河北省内邱县岗底村, 该区属太行山南麓低山丘陵片麻岩区。海拔510 ~ 640 m。年平均气温11.8 ℃, 无霜期180 d, 多年平均降水量为684.8 mm, 且多集中于7、8、9三个月, 土壤为褐土。根据当地实际情况, 选择具有代表性的3种土地利用类型:草地、坡耕地和刺槐(Robinia pseudoacacia)林地, 各土地类型的土壤基本性状见表 1。

1.2 研究方法

试验采用室内人工降雨方法。降雨架高2 m, 设置80 cm ×80 cm ×6 cm的集雨箱, 下板安装有4 cm × 4cm密度的针嘴和针头, 下部试验槽(小区)可调节坡度0 ~ 25°, 试验槽规格为80 cm×80 cm ×15 cm。小区内降雨强度为1.20 mm·min^-1, 每次总降雨量为120 mm。

野外采集土样时, 采前分别测定各土地利用方式土壤的密度和自然含水量, 模拟降雨前将土样装入试验槽内, 重复测试槽内土壤密度和自然含水量, 经反复调整恢复到原始状态。每个土地类型设3次重复, 在降雨前采集试验小区土样以备与泥沙、径流作比较, 试验中观测记录产沙产流过程, 采集径流泥沙样, 将采集泥沙样静置过夜, 次日倒去上部清液, 置于沙浴烘(< 70 ℃)备用。

1.3 测定方法

泥沙与表土中养分分析参照《土壤农业化学常规分析法》(中国土壤学会农业化学专业委员会, 1983), 测定项目为:土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等。径流中养分分析按照《森林土壤分析方法:第九分册》(中国科学院林业土壤研究所等, 1987), 测定项目与土壤样品相同。

2 结果与分析 2.1 土壤侵蚀

水土流失是径流对土粒分散和搬运的过程。细小颗粒最易被流失, 剩余粗大颗粒, 当形成沟蚀时, 冲刷和搬运能力集中, 粗细颗粒混杂甚至土块整体被搬运下移, 形成股流冲刷。随着坡度的增大, 冲刷能力增强, 泥沙流失量增大。本次试验不同土地类型土壤流失状况见表 2。可以看出: 3种土地利用类型土壤流失呈现出坡耕地>刺槐林地>草地的序列。Zhang等(2004)研究认为, 耕作助长了土壤流失, 耕作土壤的侵蚀强度大于自然土壤的侵蚀强度。

表 2数据反映出的土壤侵蚀差异, 与不同土地利用方式的土壤物理性状之间关系密切, 坡耕地、刺槐林地及草地土壤密度分别为1.37、1.33、1.33 Mg·m ^-3, 大团聚体含量分别为26.72 %、29.85 %、42.93 %(表 1)。土壤表层结构良好, 对降雨的渗漏和通透性良好, 所以降雨就较难剥离土壤颗粒发生土壤侵蚀(刘玉民等, 2005;赵护兵等, 2006)。

需要说明的是, 本试验为室内模拟降雨, 树冠截持降水的影响很难考虑进去, 这将是今后研究需补充的一个方面。

2.2 土壤养分流失 2.2.1 土壤养分流失的空间变化

坡度是影响坡地土壤侵蚀, 决定土壤养分空间变异的重要因素之一, 它对降雨入渗时间、坡面的入渗产流特征都具有明显的影响。在产流情况下, 坡度影响坡面表层土壤颗粒起动、侵蚀方式和径流的挟沙能力(刘秉正等, 1995;李光录, 1997;王百群等, 1999), 随着坡度的增大, 坡面的土壤侵蚀量随之增大, 有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的流失量也有较大变化。在刺槐林地、草地、坡耕地的任何一个地类中, 流失泥沙的养分含量都是随坡度的增大而减少的(图 1)结合表 1雨前表土养分含量数据, 可以看出侵蚀泥沙中养分含量变化与雨前表土养分含量密切相关。

如土壤碱解氮含量雨前3种地类表现为刺槐林地>草地>坡耕地, 降雨后侵蚀泥沙氮含量随坡度增大总体呈下降趋势, 且3种地类侵蚀泥沙氮含量仍呈现出与雨前表土相同的排序, 另外, 土壤有机质、速效磷及速效钾也表现类似现象。可见不同地类土壤养分流失具有高肥力土壤高流失、低肥力土壤低流失的规律。

根据试验获得不同坡度侵蚀试验小区的流失泥沙量及其养分含量, 计算出流失泥沙中的养分总量(t·hm^-2)。其与侵蚀泥沙中养分含量不同, 它是随坡度的增加而增大的(图 2), 这是因为土壤养分的流失总量取决于2个因素, 即土壤的流失强度和流失土壤(泥沙)的养分含量, 而土壤的流失强度是随坡度的增大而增大, 而且增大倍数大于流失泥沙中养分含量随坡度的减小倍数。刘秉正等(1995)及李光录(1997)认为坡面养分流失总量随地面坡度增加呈幂函数增加, 流失的养分总量是随坡度的增加而增大的。不同养分流失总量在各地类中表现出差异, 有机质、碱解氮总流失量表现为刺槐林地>坡耕地>草地, 速效磷和速效钾则表现为坡耕地>刺槐林地>草地。

2.2.2 流失泥沙中的养分含量与雨前表土、径流养分含量比较

降雨过程中流失的泥沙多来自土壤表层, 且多细粒和复粒, 具有较大的比表面积, 对养分元素的吸附能力较强, 流失的泥沙携带养分(Nelson, 1999), 具有富集养分的特征(黄丽等, 1998;蔡崇法等, 2001;马琨等, 2002;傅涛等, 2002)。由表 3可知, 流失泥沙中的养分含量明显高于雨前表土, 富集比(泥沙中养分含量与流失小区土壤中养分含量之比)能有效地说明泥沙中养分含量的变化。由表 3还可以看出, 流失泥沙中的养分含量远高于径流中养分含量, 可以认为水土流失降低土壤肥力的关键是土壤流失, 它使表层土壤减薄, 土壤结构恶化, 并挟带大量营养元素。

2.2.3 土壤养分流失预测

根据试验获得不同坡度侵蚀试验小区的流失泥沙量及其养分含量, 计算出的流失泥沙中的养分总量, 又称土壤养分流失模数, 经回归分析建立下列一组流失预测方程(表 4)。式中Y表示各养分流失总量, t表示坡度, 经方差分析均在0.01水平极显著。

2.3 土壤流失养分与流失泥沙量的相关性

为进一步探求流失的养分总量与其(单位面积)流失的泥沙量之间的关系, 对各养分总量与其流失的泥沙量之间进行回归分析建立了一元回归方程(表 5), 方程中Y为流失养分总量, x为流失泥沙总量。由此可根据单位面积流失的泥沙量预测流失的养分总量。

3 小结

室内裸露地降雨试验表明: 3种土地利用方式土壤均表现随坡度增加, 侵蚀泥沙量增大; 不同地类侵蚀程度表现出坡耕地>刺槐林地>草地的趋势。植被覆盖对土壤及养分流失的影响需作进一步深入研究。

随坡度的增加, 流失泥沙中的养分含量逐渐降低, 不同土地利用方式具有类似的趋势, 并呈现出高肥力土壤养分高流失、低肥力土壤养分低流失的规律。

流失的养分总量又称养分流失模数, 其随坡度增加呈上升趋势; 土壤有机质、速效氮、磷、钾的流失量与坡度呈指数变化关系, 遵循Y =at^b方程。太行山南段片麻岩褐土区, 土壤养分流失模数可用表 4中各方程作理论预测。

流失泥沙中的养分含量显著高于雨前表土的养分含量, 富集明显, 流失泥沙中养分含量也远高于径流中养分含量, 土壤流失是引起土壤肥力衰竭的关键所在。

流失养分总量与流失泥沙总量呈现较好的相关性, 可依据二者建立Y =a +bx回归方程(Y为养分流失量, x为流失泥沙总量), 因此, 可以根据单位面积流失的泥沙量来预测流失的土壤养分总量。