陳 志, 王偉峰, 代云川, 孫 麗

(1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650593; 2.云南省地礦局 第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊, 昆明 650041;3.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院 生態(tài)功能與森林碳匯研究所, 呼和浩特 010010; 4.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

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不同地被物處理方式對紅壤坡地養(yǎng)分狀況的影響

陳 志1,2, 王偉峰3, 代云川4, 孫 麗2

(1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650593; 2.云南省地礦局 第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊, 昆明 650041;3.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院 生態(tài)功能與森林碳匯研究所, 呼和浩特 010010; 4.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

選擇3種不同水保措施的徑流小區(qū)，即百喜草(Paspalumnatatu)全園覆蓋處理、全園敷蓋處理和全園裸露處理，分析和測定了不同坡位和深度土層中土壤有機質(zhì)、全N和全P空間異質(zhì)性之間的關(guān)系。結(jié)果表明：(1) 有機質(zhì)含量隨著土層增加整體呈先增加后減少的趨勢，在自上而下坡面上，有機質(zhì)含量全園覆蓋區(qū)無明顯變化，全園敷蓋區(qū)有遞增趨勢，全園裸露區(qū)則先增加后減少；(2) 全N含量隨著深度加深均呈下降趨勢，各處理間無顯著性差異。在坡面上，全N含量大小為：全園覆蓋區(qū)>全園敷蓋區(qū)>全園裸露區(qū)，且全園敷蓋處理在坡面中部有富集作用，全園覆蓋和全園裸露處理自上而下呈下降趨勢；(3) 全P含量隨著土層加深，全園覆蓋區(qū)逐漸減少，全園敷蓋區(qū)和全園裸露區(qū)先增加后減少。在坡面上，全P含量大小為：全園敷蓋區(qū)>全園覆蓋區(qū)>全園裸露區(qū)，且在坡面中部有富集作用。該研究可為亞熱帶地區(qū)紅壤坡地養(yǎng)分恢復(fù)途徑提供科學(xué)依據(jù)。

地被物處理; 紅壤坡地; 土壤養(yǎng)分; 百喜草

土壤作為一個時空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性[1-2]。吳志峰等[3]采用地統(tǒng)計學(xué)方法對土壤的空間變異性進行了研究，探討了土壤養(yǎng)分流失的機理與影響因子及養(yǎng)分流失控制措施；王百群[4]、路鵬[5]、姜勇[6]、楊美玲[7]等分別研究了土壤N，P等養(yǎng)分的空間變異特征；孫波[8]、Zhang[9]等利用地統(tǒng)計學(xué)方法研究了我國中亞熱帶低丘紅壤區(qū)土壤肥力的時空變異特征，研究發(fā)現(xiàn)土壤肥力性質(zhì)及其變化值的克立格插值顯示出一定的空間相似性；陳文輝等[10]運用傳統(tǒng)的Fisher統(tǒng)計分析了不同田塊上土壤養(yǎng)分的空間變異特征及造成產(chǎn)量顯著差異的主要原因；謝頌華等[11]利用大型土壤滲漏裝置經(jīng)過3 a連續(xù)觀測試驗，對覆蓋、敷蓋和裸露3種處理下紅壤坡面徑流垂向分層輸出特征進行了分析。目前，國內(nèi)大部分的研究主要集中于中、小尺度農(nóng)田或單一養(yǎng)分，雖然基于小尺度的實驗室模擬試驗也有一定報道，但以地被物作為研究對象，結(jié)合坡面養(yǎng)分狀況變化而進行的相關(guān)研究較少。坡地養(yǎng)分流失是農(nóng)業(yè)非點源污染的重要來源，Mclay等[12]在新西蘭結(jié)合土地利用、表土屬性對Waikato區(qū)的淺層地下水濃度進行了預(yù)測，結(jié)果顯示地下水的污染物濃度同表土屬性沒有直接關(guān)系。據(jù)Waddell[13]等估計，施用的P肥約5%擴散到大氣中，土壤固定55%，植物吸收7%～15%，被徑流帶入5%～10%。Alberts等[14]研究表明，緩坡或陡坡農(nóng)田中的N，P轉(zhuǎn)移是和流失徑流中的泥沙相聯(lián)系的。紅壤是我國南部的地帶性土壤，緩坡地(6°～15°)是紅壤區(qū)的主要組成部分，約占紅壤總面積的28%，是熱帶、亞熱帶農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)基地[15]。百喜草(Paspalumnatatu)是一種優(yōu)良的水土保持植物，在我國南方引種以來得到較好的推廣?；谝陨显颍x擇3種不同水保措施的徑流小區(qū)開展不同地被物處理方式對紅壤坡地養(yǎng)分狀況的影響等相關(guān)研究，為我國亞熱帶地區(qū)紅壤坡地養(yǎng)分恢復(fù)途徑提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于九江市德安縣縣城東郊的江西省水土保持生態(tài)科技園內(nèi)(115°42′—115°43E，29°16′—29°17′N)，是我國紅壤分布的中心區(qū)域，屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，雨熱基本同期，年均降雨量1 350.9 mm，多年平均氣溫16.7℃，年日照時間1 650～2 100 h，多年平均無霜期249 d。地形條件在紅壤丘陵區(qū)具有代表性。地貌類型為淺丘崗地，土壤成土母質(zhì)主要是第四紀(jì)紅黏土紅壤。由于長期不合理的采伐利用，原生植被不斷減少，現(xiàn)存植被主要是處于不同逆行演替階段的次生群落，如荒草、灌木和沙地植被，以及人工營造或自然恢復(fù)的濕地松(Pinuselliottii)、杉木(Cunninghamialanceolata)等次生林。

2　研究方法

2.1樣地設(shè)置

生態(tài)科技園的徑流小區(qū)樣地設(shè)置在小山崗的山腰上，始建于2000年，選擇地形、土壤等立地條件基本一致，坡度為14°的坡地，面積225 m2(15 m×15 m)，設(shè)置3個處理小區(qū)，小區(qū)面積均為75 m2(5 m×15 m)。供試地被物選擇百喜草，百喜草俗稱巴哈雀稗，為一種暖季型的多年生禾草，有粗壯多節(jié)的匍匐莖，枝條高15～80 cm。葉片扁平，長20～30 cm，寬3～8 mm。原產(chǎn)加勒比海群島和南美洲沿海地區(qū)，近年在臺灣、廣東、上海、江西等地大面積引種，作為公路、堤壩等綠化草種或牧草。3個小區(qū)處理方式分別是百喜草覆蓋(種植百喜草，覆蓋度100%)、百喜草敷蓋(將百喜草刈割后敷蓋于地表，敷蓋度100%，厚度約5 cm)、對照處理(地表裸露)。

2.2試驗方法

在各小區(qū)選擇下坡位(距徑流小區(qū)坡頂擋墻12 m)、中坡位(距徑流小區(qū)坡頂擋墻9 m)、中上坡位(距徑流小區(qū)坡頂擋墻6 m)和上坡位(距徑流小區(qū)坡頂擋墻3 m)4個樣點，各樣點分地表，30 cm，60 cm，90 cm共4個層次取樣，分別測量其有機質(zhì)、全N和全P的含量。從養(yǎng)分空間分布狀況的角度，分析不同地被物處理方式對紅壤坡地養(yǎng)分保護和改良的作用。采用K2Cr2O7外加熱容量法測定土壤有機質(zhì)含量；全N和全P采用HClO4—H2SO4消化法，消化或提取后的溶液分別使用全自動化學(xué)分析儀Smart-Chem進行化學(xué)分析。以上指標(biāo)均重復(fù)測定3次，共48個土樣144組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤表層養(yǎng)分沿坡面分布特征

3.1.1不同坡面表層土壤有機質(zhì)含量變化趨勢由圖1可知，不同小區(qū)土壤表層(0—15 cm)有機質(zhì)測定表明，全園覆蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)土壤有機質(zhì)含量較全園裸露區(qū)要高。全園覆蓋區(qū)土壤有機質(zhì)含量沿坡面無明顯變化，全園敷蓋區(qū)則呈先減小后增加的趨勢，表明有機質(zhì)在下部有一定的積累作用；全園裸露區(qū)則呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這是因為徑流的沖刷作用導(dǎo)致其在中間部位有一定的積累，而到下坡位由于沖刷作用加劇，形成小的侵蝕溝，有機質(zhì)的沉淀和積累作用較水力沖刷作用要弱。坡地土壤養(yǎng)分以坡頂和坡底部位較高，坡面較低，這主要是在降雨侵蝕條件下坡面徑流將坡面小粒徑土壤帶到坡底，使坡面養(yǎng)分含量降低，而坡底養(yǎng)分含量增加[16]。

圖1不同坡面表層土壤有機質(zhì)含量變化趨勢

3.1.2不同坡面表層土壤全N含量變化趨勢由圖2可知，全園覆蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)土壤全N含量較全園裸露區(qū)要高，其中全園覆蓋區(qū)和全園裸露區(qū)養(yǎng)分變化趨勢極為相似，沿坡面往下逐漸減小，在坡底有所增加，呈堆積趨勢；全園敷蓋區(qū)全N含量則呈先增加后減少的趨勢，在中部養(yǎng)分呈積累趨勢，在上坡位和下坡位呈對稱的減少趨勢。

圖2不同坡面表層土壤全N含量變化趨勢

3.1.3不同坡面表層土壤全P含量變化趨勢由圖3可知，全園敷蓋區(qū)土壤全P含量較其他小區(qū)都要高，這是因為全園敷蓋區(qū)侵蝕作用較小，同時腐爛的植被也可為其提供一定的P素補給，而全園覆蓋區(qū)作物生長需要吸收P素，全園裸露區(qū)由于降雨徑流的沖刷作用劇烈，從而出現(xiàn)以上結(jié)果。從其曲線變化趨勢看，沿坡面自上而下，全園敷蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)全P含量變化基本相似，都是先增加后減少再略增加，說明采用地被物措施的小區(qū)，其表層養(yǎng)分無明顯積累現(xiàn)象；全園裸露區(qū)全P變化趨勢為先增加后減少，養(yǎng)分在中間部位有堆積作用，而到下坡位水蝕作用明顯加劇，全P養(yǎng)分明顯減少。

圖3不同坡面表層土壤全P含量變化趨勢

3.2各小區(qū)土壤養(yǎng)分沿剖面分布特征

3.2.1各小區(qū)不同深度土壤有機質(zhì)含量變化趨勢由圖4可知，3個小區(qū)土壤有機質(zhì)含量同一層的大小順序為：全園覆蓋區(qū)>全園敷蓋區(qū)>全園裸露區(qū)，其原因是全園覆蓋區(qū)土體內(nèi)含有植物根系等有機物使生物量增加；而全園敷蓋區(qū)由于枯落物的腐爛，部分有機質(zhì)隨降雨滲透進入土體；全園裸露區(qū)因沒有外界的補給作用，因而出現(xiàn)以上結(jié)果。對于全園覆蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)而言，養(yǎng)分呈先增大后減少的趨勢，對于全園裸露區(qū)則一直呈下降趨勢。統(tǒng)計分析表明，有機質(zhì)含量在3個小區(qū)有顯著性差異(p<0.01，極顯著)，說明地被物對改變土壤有機質(zhì)含量具有重要作用。

圖4各小區(qū)不同深度土壤有機質(zhì)含量變化趨勢

3.2.2各小區(qū)不同深度土壤全N含量變化趨勢由圖5可知，對于土壤全N含量而言，在地表的養(yǎng)分含量大小順序為：全園覆蓋區(qū)>全園敷蓋區(qū)>全園裸露區(qū)，且各自都隨著深度的增加而減小。由于百喜草對養(yǎng)分的吸收作用，在30 cm處，全園覆蓋區(qū)土壤全N較表層驟然降低，且較全園敷蓋區(qū)和全園裸露區(qū)含量均低。在30 cm以下，土壤全N含量大小依次為：全園敷蓋區(qū)>全園裸露區(qū)>全園覆蓋區(qū)。統(tǒng)計分析表明，土壤全N在3個小區(qū)無顯著性差異(p>0.05，不顯著)，原因是全園覆蓋處理既吸收N素的同時又可自身合成，全園敷蓋處理中雖然腐敗的覆被物能增加N源，但主要以可溶的速效N方式存在。經(jīng)過淋溶作用，隨壤中流或地表徑流帶走，全園裸露處理直接發(fā)生在地表，其差異性不顯著。

圖5各小區(qū)不同深度土壤全N含量變化趨勢

3.2.3各小區(qū)不同深度土壤全P含量變化趨勢由圖6可知，對于土壤全P含量而言，地表處大小為：全園敷蓋區(qū)>全園覆蓋區(qū)>全園裸露區(qū)，其原因是在同樣的肥力狀況下，全園敷蓋區(qū)土壤由于較全園裸露區(qū)淋溶和沖刷作用小得多，因而表現(xiàn)為：全園敷蓋區(qū)>全園裸露區(qū)；而全園覆蓋區(qū)植被雖對P素有吸收作用，但植被的根系主要在地表以下，植被對根系的吸收能力所消耗的P較全園裸露區(qū)的淋溶和侵蝕所帶走的養(yǎng)分要小，因而表現(xiàn)為：全園覆蓋區(qū)>全園裸露區(qū)。隨著土層的加深，百喜草的根系變得更加發(fā)達，對養(yǎng)分的吸收作用加強，所以全P含量繼續(xù)下降；而對于全園敷蓋區(qū)和全園裸露區(qū)而言，降雨的淋溶作用，導(dǎo)致在30 cm處全P含量有所積累，因此有所回升。而到更深層次，由于土體出現(xiàn)沙粒等半風(fēng)化物，土壤肥力相對貧瘠，所以全P含量逐漸下降。在30 cm及以下處，其養(yǎng)分含量大小依次為：全園敷蓋區(qū)>全園裸露區(qū)>全園覆蓋區(qū)。統(tǒng)計分析表明，全P在3個小區(qū)有顯著性差異(0.05>p>0.01，一般性顯著)。

圖6各小區(qū)不同深度土壤全P含量變化趨勢

4　結(jié)論與討論

對土壤有機質(zhì)而言，在土壤剖面上，隨著土層增加整體呈先增加后減少的趨勢，且各處理間存在顯著性差異。在坡面上，自上而下，全園覆蓋區(qū)無明顯變化，全園敷蓋區(qū)有遞增趨勢，全園裸露區(qū)則先增加后減少，說明水土保持措施能顯著提高土壤有機質(zhì)含量。

對土壤全N而言，在土壤剖面上，3種處理同一坡位隨著深度加深均呈下降趨勢，且無顯著性差異。對坡面而言，其含量大小為：全園覆蓋區(qū)>全園敷蓋區(qū)>全園裸露區(qū)，說明覆被具有增加土壤養(yǎng)分的作用，且活的地被物效果最佳，這與植物合成或根系的固N作用有關(guān)。百喜草的生長改善了土壤環(huán)境并提高了土壤肥力，一方面可以截流，另一方面植物的生長可以起到固土保肥的作用，這與李新虎等[17]研究結(jié)果一致；Udom等[18]最新研究表明，土壤有機質(zhì)、N、P分布狀況與土地利用和管理措施等密切相關(guān)，這也從一定程度上證明了本研究不同地被物管理措施的影響作用。

對土壤全P而言，在土壤剖面上，隨著土層加深，全園覆蓋區(qū)逐漸減少，全園敷蓋區(qū)和全園裸露區(qū)先增加后減少，且各小區(qū)間有顯著性差異。在坡面上，全園敷蓋區(qū)含量整體最高，且全園覆蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)變化相近，全園裸露區(qū)先增加后減少，說明坡面徑流對全P具有淋溶作用；全園裸露區(qū)坡底淋溶作用加強，而在坡面中部具有積累作用，全園覆蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)因覆被作用而變化一致。

從各小區(qū)同一坡位進行橫向比較，以及同一小區(qū)不同坡位進行縱向比較，對3種不同地被物處理方式下的養(yǎng)分變化規(guī)律進行分析，不難得出不同處理間土壤養(yǎng)分在各坡面的分布狀況，可以為合理選擇水土保持措施、提高和改良土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。通過對各小區(qū)同一坡位不同深度處土壤養(yǎng)分垂直分布進行比較，可以說明土壤養(yǎng)分在不同水保措施和不同深度處的分布規(guī)律，并從一定程度上揭示土壤空間溶質(zhì)分布的相關(guān)規(guī)律。同時，該坡面較室內(nèi)實驗室模擬土壤養(yǎng)分空間分布更符合實際，較大區(qū)域土壤肥力空間異質(zhì)性研究更具可控性。由于本研究是模擬野外坡面試驗條件，其尺度相對較小，采取的措施也不夠復(fù)雜，因此相關(guān)參數(shù)有待修正。特別是在坡地耕作和坡地秸稈還田等方面，在復(fù)雜地被物情況下其規(guī)律性如何有待深入研究。

[1]Recha J W, Lehmann J, Walter M T, et al. Stream water nutrient and organic carbon exports from tropical headwater catchments at a soil degradation gradient[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems,2013,95(2):145-158.

[2]許峰,蔡強國,吳淑安.坡地農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤養(yǎng)分過程研究進展[J].水土保持學(xué)報,2000,14(1):82-87.

[3]吳志峰,卓慕寧,王繼增,等.珠海正坑小流域土壤與氮、磷養(yǎng)分流失估算[J].水土保持學(xué)報,2004,18(1):100-102.

[4]王百群,劉國彬.黃土丘陵地區(qū)地形對坡地土壤養(yǎng)分流失的影響[J].水土保持學(xué)報,1999,5(2):18-22.[5]路鵬,黃道友,宋變蘭,等.亞熱帶紅壤丘陵典型區(qū)土壤全氮的空間變異特征[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(8):181-183.

[6]姜勇,張玉革,梁文舉,等.沈陽市郊耕地土壤交換性錳含量的空間變異性[J].土壤,2004,36(1):61-64.

[7]楊美玲,王雪梅,羅夢媛.基于GIS的庫車縣耕層土壤養(yǎng)分空間變異研究[J].水土保持研究,2015,22(1):61-65.

[8]孫波,趙其國,閭國年.低丘土壤肥力的空間變異[J].土壤學(xué)報,2002,39(2):190-198.

[9]Zhang S R, Sun B, Zhao Q G, et al. Temporal-spatial variability of soil organic carbon stocks in a rehabilitating ecosystem[J]. Pedosphere,2004,14(4):501-508.

[10]陳文輝,謝高地,卓慶卿.農(nóng)田基礎(chǔ)環(huán)境信息空間變異性分析[J].生態(tài)學(xué)報,2004,24(2):347-353.

[11]謝頌華,莫明浩,涂安國,等.自然降雨條件下紅壤坡面徑流垂向分層輸出特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2014,30(19):132-138.

[12]Mclay C D, Dragten R, Sparling G, et al. Predicting groundwater nitrate concentrations in a region of mixed agricultural land use: a comparison of three approaches[J]. Environmental Pollution,2001,115(2):191-204.

[13]Waddell J, Guffa S C, Moncrief J R, et al. Irrigation-and-nitrogen-management impacts on nitrate leaching under potato[J].Journal of Environmental Quality,2000,29(1):251-261.

[14]Alberts E E, Moldenhauer W C. Nitrogen and phosphorus transported by eroded soil aggregates[J]. Soil Science Society of America Journal,1981,45(2):391-396.

[15]謝小立,王凱榮.紅壤坡地雨水產(chǎn)流及其土壤流失的墊面反應(yīng)[J].水土保持學(xué)報,2002,16(4):37-40.

[16]劉洋,張展羽,張國華,等.天然降雨條件下不同水土保持措施紅壤坡地養(yǎng)分流失特征[J].中國水土保持,2007,20(12):14-16.

[17]李新虎,張展羽,楊潔,等.紅壤坡地不同生態(tài)措施地下徑流養(yǎng)分流失研究[J].水資源與水工程學(xué)報,2010,21(2):83-86.

[18]Udom B E, Ogunwole J O. Soil organic carbon, nitrogen and phosphorus distribution in stable aggregates of an Ultisol under contrasting land use and management history[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science,2015,178(3):460-467.

Effects of Different Ground Cover Treatments on Nutrient Status of Red Soil Slope Land

CHEN Zhi1,2, WANG Weifeng3, DAI Yunchuan4, SUN Li2

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650593,China; 2.TeamoftheFirstHydrogeologyandEngineeringGeology,YunnanGeologyandMineralResourcesBureau,Kunming650041,China; 3.ResearchInstituteofEcologicalFunctionandForestCarbonSink,InnerMongoliaAcademyofForestry,Hohhot010010,China; 4.SchoolofTourismandGeographicalScience,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,China)

Three runoff residence communities with different measures for water conservation were chosen to investigate the three residence communities which are covered byPaspalumnatatu: the entire covered park, the entire mulched park and no vegetation park. The soil organic matter in different slopes and depths, and the relationship of the spatial heterogeneity between TN, TP had measured and analysed. The results indicated that: (1) the organic matter content increased first and then reduced with the increase of soil layers. The organic matter content had no significant change from the top to bottom of the slope. The organic matter content of the entire covered park increased, and the organic matter content in the no vegetation park increased first and then reduced; (2) TN reduced as the soil layers became deeper, and there′s no significant difference between the treatments, the TN content on the slope presented as the sequence: the entire covered park>the entire mulched park>no vegetation park, the treatment of the entire mulched park had concentration effect on the middle of the slope, and TN contents of the treatments of the entire covered park and no vegetation park decreased from the top to the bottom; (3) TP content reduced as the soil depth increased, reduced gradually in the entire covered park and increased first and then reduced in the entire mulched park and no vegetation park, on the slope, the TP content followd the order: the entire mulched park>the entire covered park>no vegetation park, and it had concentration effect on the middle of the slope. This study could provide scientific basis for recovery of the nutrients of the red earth slope land in subtropical zone.

ground cover treatment; red soil slope land; soil nutrient;Paspalumnatatu

2015-04-28

2015-06-05

陳志(1980—),男,湖北陽新縣人,博士研究生,研究方向為水土保持治理、景觀生態(tài)恢復(fù)。E-mail:chenzhi1934@163.com

王偉峰(1985—),男,內(nèi)蒙古化德縣人,博士,研究方向為森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能。E-mail:wang.wf1985@163.com

S156.6; S158.3

A

1005-3409(2016)03-0054-04