王 甜,黃志霖,曾立雄,肖文發(fā),宋文梅

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,北京100091; 2.秭歸縣林業(yè)局,湖北 宜昌443699)

三峽庫區(qū)的主要范圍是因修建三峽工程而涉及到的重慶、湖北2省21個縣(市、區(qū))。三峽庫區(qū)地處四川盆地與長江中下游平原的的結(jié)合部，地形為山地丘陵。該地帶降雨集中，雨熱同期，墾殖歷史久，植被覆蓋率低，一直都屬于土壤強侵蝕地區(qū)。據(jù)長江流域水土保持公報記載，至2009年，三峽庫區(qū)水土流失面積為2.74萬km2，占土地總面積47.17%[1]。嚴(yán)重的水土流失不僅導(dǎo)致庫區(qū)周邊土壤資源受到破壞、土壤肥力下降、植物產(chǎn)量降低等[2]，而且因水土流失而帶走的侵蝕泥沙、溶解于徑流水的可溶性養(yǎng)分和結(jié)合泥沙顆粒表面的養(yǎng)分進入三峽水庫導(dǎo)致了泥沙淤積和水體水質(zhì)惡化[3-4]，對三峽水庫的使用壽命和綜合效益的發(fā)揮造成了直接威脅。

為了改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，提高水源涵養(yǎng)能力，三峽庫區(qū)退耕還林工程自2000年開始啟動。通過退耕還林工程的實施，使得以農(nóng)耕地為主體的小流域轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、茶園、果園和林地等多種模式類型的鑲嵌格局[5]。在改變土地利用/覆被植物類型和人為管理措施(耕作、施肥等)后，流域內(nèi)的水土及養(yǎng)分流失情況較之前有了一定改善。退耕還林工程對于水土及養(yǎng)分流失的影響，目前已有大量學(xué)者對此進行研究，但多是對地表徑流及徑流中的氮磷養(yǎng)分流失進行監(jiān)測研究[6-7]，對與侵蝕泥沙結(jié)合而流失的養(yǎng)分研究相對較少。因此，本文以秭歸縣茅坪鎮(zhèn)蘭陵溪小流域野外徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對自然降雨條件下退耕還林模式對水土及養(yǎng)分流失的影響進行觀測并分析，并評估其控制效應(yīng)，以期能為三峽庫區(qū)退耕還林工程的繼續(xù)推行和三峽庫區(qū)水土與養(yǎng)分流失的防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秭歸縣水土及養(yǎng)分流失監(jiān)測定位站位于秭歸縣茅坪鎮(zhèn)中壩子村蘭陵溪小流域(東經(jīng)110°53′27″—110°54′50″，北緯30°51′21″—30°51′34″)，流域面積為1.44 km2。小流域地形西高東低，大部分面積為低山丘陵地帶，受亞熱帶大陸季風(fēng)氣候影響，全年日照時數(shù)1 200～1 600 h，年平均氣溫7.8～18℃，年平均降水量在950～1 900 mm。降雨年內(nèi)分配不均，主要集中在5—9月，占全年降雨量的70%左右，且多以暴雨形式出現(xiàn)。

小流域中土壤類型復(fù)雜，根據(jù)垂直分布分為兩類。海拔500 m以下低山河谷區(qū)土壤多為黃壤粗骨性沙土，固土保肥性差，主要分布植物類型以茶(CanmeliasinesisL)、板栗(Castaneamollissima)、柑橘(Citrus)為主；中部低山區(qū)海拔500 m以上多為山地黃壤為主，植物類型以柏木(CupressusfunelrisEndl)、馬尾松(PinusmassonianaLamb)和櫟類(QuercusL.)為主[8]。小流域退耕還林工程自2002年開始全面實施，主要改造對象為25°以上農(nóng)耕地。退耕還林后臺地主要以茶園為主，占小流域總面積的12.17%、板栗林占4.39%、柑橘園占1.90%[9]，部分地塊間作玉米、花生等農(nóng)作物，形成林農(nóng)復(fù)合模式。試驗監(jiān)測期間農(nóng)耕地主要種植玉米和花生，各地類由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶按照原有的種植習(xí)慣進行管理。

1.2 研究方法

根據(jù)小流域退耕還林模式(茶園、柑橘園、板栗林)和農(nóng)耕地(對照)，建立8個徑流監(jiān)測小區(qū)，以具有代表性及地形條件基本一致為原則。徑流小區(qū)坡下設(shè)置集沙槽和集水池，以便產(chǎn)流產(chǎn)沙后取樣。在徑流小區(qū)四周，用40 cm高水泥板做成圍欄，埋深20 cm，防止小區(qū)內(nèi)地表徑流流出或小區(qū)外地表徑流流入，保證集水區(qū)相對獨立。徑流場詳細(xì)資料見表1。

表1 徑流小區(qū)基本特征

1.3 退耕還林模式養(yǎng)分流失公式

各退耕還林模式氮磷養(yǎng)分流失總量，采用下式計算

式中：Ww為單位面積的地表徑流養(yǎng)分流失量；Wsi為單位面積的侵蝕泥沙養(yǎng)分流失量(mg/m2)；Wwi為第i次采樣的徑流量(m3)；Wsi為第i次采樣的侵蝕泥沙量(kg)；Cwi為第i次采樣的徑流水養(yǎng)分濃度(kg/m3)；Csi為第i次采樣的侵蝕泥沙養(yǎng)分含量(g/kg)；S為不同退耕還林模式的徑流小區(qū)面積(m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 退耕還林土壤侵蝕變化

2016年監(jiān)測期間共采集到地表徑流9次，對其降雨、產(chǎn)流、產(chǎn)沙情況進行分析，數(shù)據(jù)見表2，圖1。地表徑流作為土壤侵蝕和氮磷養(yǎng)分流失的主要動力和載體，其徑流量和徑流系數(shù)是衡量退耕還林工程水土保持特征的重要指標(biāo)。土壤侵蝕模數(shù)是表征土壤侵蝕強度的指標(biāo)。在相同立地條件下，同一場降雨事件中，土地利用/覆被植物類型不同，產(chǎn)生的地表徑流量和土壤侵蝕模數(shù)差異較大[10-11]。

從圖1得知，與農(nóng)耕地相比，退耕還林模式的地表徑流存在明顯的減少趨勢。從地表徑流量來看，各退耕還林模式相對農(nóng)耕地的平均減少幅度分別為茶園6.11%、板栗林41.95%、柑橘園22.78%。從徑流系數(shù)來看，各退耕還林模式的徑流系數(shù)范圍主要分布在0.012 1～0.05，與農(nóng)耕地相比，降低幅度分別為茶園6.01%、板栗林40.56%，柑橘園22.77%。結(jié)合表2的公式，3種退耕還林模式從起始的地表徑流量值比農(nóng)耕地小，茶園和板栗林隨降雨量增長的地表徑流量的比率也小于農(nóng)耕地，可見退耕還林后，地表徑流有所減弱。

表2 降雨量、地表徑流量與土壤侵蝕回歸方程

從圖1可以看出，土壤侵蝕模數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢，與地表徑流變化趨勢基本一致。相對農(nóng)耕地，退耕還林模式減少的幅度為茶園58.94%、板栗林87.91%、柑橘園75.26%。結(jié)合表2，退耕還林后土壤侵蝕量有大幅度的降低，可見退耕還林模式固定土壤的功能較強。根據(jù)監(jiān)測期間所采集到的降雨事件，對退耕還林模式下地表徑流量與降雨量之間、土壤侵蝕量與降雨量之間、地表徑流量與土壤侵蝕量之間進行回歸分析，以回歸方程式進行擬合，結(jié)果如表2所示。通過回歸方程可知，3個指標(biāo)彼此之間的相關(guān)性均達到顯著水平?？梢姡涤炅渴怯绊懙乇韽搅骱屯寥狼治g的主要因子。根據(jù)方程式可以推算出，在同樣降雨條件下，不同退耕還林模式地表徑流量和土壤侵蝕量值的順序與之前監(jiān)測的結(jié)果相一致。

2.2 土壤中氮磷養(yǎng)分流失

土壤中氮磷養(yǎng)分流失主要通過兩種途徑，地表徑流和侵蝕泥沙攜帶流失。其中侵蝕泥沙的流失量主要受雨水和徑流對土壤的沖刷作用影響。根據(jù)這兩種途徑，將退耕還林模式在9次降雨事件中的氮磷養(yǎng)分流失情況通過箱型圖加以分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2A中得知退耕還林模式總氮流失的情況。結(jié)果表明，農(nóng)耕地退耕還林后，無論是在徑流中還是在泥沙中，總氮流失量都顯著減少。具體表現(xiàn)如下，總氮流失總量(包括地表徑流和侵蝕泥沙兩部分)的順序為：農(nóng)耕地流失量最大，為4 168.63 g/hm2；茶園其次，為2 865.34 g/hm2，較農(nóng)耕地減少了31.26%；柑橘園流失量為2 331.07 g/hm2，減少了44.08%；板栗林地最少，為1 983.31 g/hm2，減少了52.42%。從圖中可以直觀看出，由泥沙攜帶流失的總氮量高于徑流中流失的總氮量，其中農(nóng)耕地、茶園、柑橘園和板栗林由徑流攜帶的總氮量占總量比例分別為34.84%，38.79%，43.22%和54.14%。進行統(tǒng)計時，只有柑橘園隨侵蝕泥沙而流失的總氮存在異常值。徑流中退耕還林模式之間總氮相差較小，而泥沙中各模式之間總氮差異較大?？傮w來看，可以通過控制土壤侵蝕來減少小流域的氮素流失。

圖1不同退耕還林模式地表徑流和土壤侵蝕流失

從圖2B中可以看出退耕還林模式總磷(包括地表徑流和侵蝕泥沙兩部分)的流失特征。從流失總量上看，其順序與總氮流失順序基本一致，為農(nóng)耕地297.77 g/hm2>茶園169.00 g/hm2>柑橘園87.98 g/hm2>板栗林80.80 g/hm2。相較于農(nóng)耕地，茶園、柑橘園和板栗林總磷流失量的減少幅度分別為43.24%，70.45%和72.87%。由圖2B可以直接看出總磷隨泥沙流失的量大于隨徑流流失的量，農(nóng)耕地、茶園、柑橘園和板栗林泥沙中總磷輸出量分別為徑流中的2.82，2.45，1.83，1.57倍?？傮w來看，總磷輸出主要依靠侵蝕泥沙攜帶進入下游水體形成污染。在統(tǒng)計時，柑橘園總磷流失與總氮相仿，都是在泥沙侵蝕途徑中存在異常值，而板栗林兩個途徑都存在異常值。表明板栗林中流失的總磷紊亂程度較大，穩(wěn)定性差。

將圖2A，2B并行比較，盡管退耕還林模式間氮磷流失順序相同，但從數(shù)值上看，單次氮素流失總值的范圍主要分布在194.85～350.11 g/hm2，而單次磷素流失值的范圍主要分布在4.55～19.58 g/hm2，可見小流域內(nèi)水體主要面源污染物為氮素。

2.3 土壤中速效氮流失

從圖2C可以得知，退耕還林后，硝態(tài)氮的流失量有明顯的減少趨勢。監(jiān)測期間，退耕還林模式下硝態(tài)氮流失總量順序為農(nóng)耕地332.09 g/hm2>茶園243.42 g/hm2>板栗林124.76 g/hm2>柑橘園123.18 g/hm2。其中，徑流中硝態(tài)氮流失量占總量的比例為農(nóng)耕地97.59%、茶園97.30%、柑橘園94.88%和板栗林99.23%。結(jié)合圖2C，可知硝態(tài)氮的主要流失途徑是徑流攜帶。與農(nóng)耕地相比，茶園、柑橘園和板栗林中硝態(tài)氮流失減少幅度分別為26.70%，62.91%和62.43%，減少幅度明顯。此外，柑橘園徑流中流失的硝態(tài)氮存在異常值。

銨態(tài)氮輸出情況如圖2D所示，監(jiān)測期間流失總量為農(nóng)耕地184.22 g/hm2，茶園132.18 g/hm2，柑橘園117.62 g/hm2和板栗林91.42 g/hm2.，這與硝態(tài)氮的流失情況有所不同。從圖2D中可以看出，銨態(tài)氮流失主要受地表徑流影響，其徑流中的流失量與泥沙中的流失量相比較，農(nóng)耕地、茶園、柑橘園和板栗林地表徑流中銨態(tài)氮流失量分別為泥沙中的10.15倍、15.66倍、21.03倍和28.00倍。板栗林隨徑流流失的銨態(tài)氮存在異常值。

對退耕還林模式下速效性氮素養(yǎng)分硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在監(jiān)測期間的流失總量與總氮的流失總量進行對比分析，其中硝態(tài)氮占總氮的比例為農(nóng)耕地7.97%、茶園8.50%、柑橘園5.28%和板栗林6.29%；銨態(tài)氮占總氮的比例為農(nóng)耕地4.42%、茶園4.61%、柑橘園4.61%和板栗林5.05%。從分析得知，硝態(tài)氮是速效性氮素流失的主要類型。

3 討 論

三峽庫區(qū)的土壤侵蝕問題是多種自然因素和人為因素相互作用而造成的結(jié)果。目前對土壤侵蝕及養(yǎng)分流失情況的評價指標(biāo)主要為土壤侵蝕模數(shù)及養(yǎng)分流失量。由監(jiān)測分析結(jié)果看出，退耕還林工程實施后，土壤侵蝕減少的范圍在45.29%～93.04%，總氮流失減少的范圍在20.41%～71.63%，總磷流失減少的范圍在21.11%～83.28%，且總氮、總磷流失的主要途徑是侵蝕泥沙。這一研究結(jié)果與蘭木羚等[12]在三峽庫區(qū)重慶市涪陵區(qū)王家溝小流域旱坡地上所作試驗的結(jié)果一致，都是侵蝕泥沙氮磷流失量高于地表徑流氮磷流失量和地表徑流量及侵蝕泥沙流失量與降雨量存在顯著的線性正相關(guān)。但劉俏等[13]在浙江省永康市所作的試驗結(jié)果卻顯示降雨徑流才是導(dǎo)致土壤氮磷流失的主要途徑。出現(xiàn)差異的原因主要來自于不同的土地利用/覆蓋植物類型和人為管理狀況。

圖2 退耕還林模式下不同形態(tài)養(yǎng)分流失

本研究選擇的3種退耕還林類型為茶園、柑橘園和板栗林，其中茶園和柑橘園氮磷流失的主要途徑都是侵蝕泥沙攜帶流失，而板栗林氮磷流失的主要途徑是地表徑流攜帶流失。這3種類型相對于農(nóng)耕地，植被覆蓋程度都有所增加，較農(nóng)作物更大的植被冠層可以在降雨時更易于攔截降水，減少落在地面上的雨水量及雨水對地面沖擊的動能，減輕土壤表面結(jié)構(gòu)被破壞的程度，增大臨界流量，減少地表徑流量。同時，植物根系增加了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利于降雨下滲，推遲地表徑流發(fā)生的時間。影響土壤侵蝕的兩個主要因素是地表徑流量和土壤抗蝕性[14]，因此退耕還林模式通過對這兩個因素的影響，達到了削弱土壤侵蝕的作用，從而降低了氮磷養(yǎng)分流失。但由于植被類型不同，相對應(yīng)的人為管理模式有了巨大的區(qū)別，導(dǎo)致土壤侵蝕和養(yǎng)分流失也有了差異。農(nóng)耕地土壤侵蝕嚴(yán)重，主要由于人為干擾嚴(yán)重，耕作、播種、除草和收割等活動對于土壤結(jié)構(gòu)是破壞性的影響，再加上地表覆蓋度低，尤其是在作物收獲后(8月)地表呈現(xiàn)出裸地狀態(tài)，極易產(chǎn)生地表徑流和土壤侵蝕[15]。而過量施肥問題增加了流失養(yǎng)分的濃度和流失量。作為蘭陵溪小流域退耕還林后的主要經(jīng)濟來源—茶園，同樣存在人為干擾嚴(yán)重的問題。茶葉采摘后，冠層受到破壞，攔截降水能力下降。采摘茶葉時對地表土壤的踩踏破壞了土壤的結(jié)構(gòu)和蓄水性，使得土壤板結(jié)，土壤抗蝕性差。連續(xù)降雨后，土壤侵蝕問題嚴(yán)重。加上茶樹對化肥利用率較低，所以在對茶樹進行施肥時，會為了增加茶葉產(chǎn)量而不斷進行追肥。過多的施肥，因無法被植物吸收而富集在土壤中，從而導(dǎo)致隨侵蝕泥沙流失的養(yǎng)分急劇增加。柑橘園雖然存在與茶園相同的問題，但在蘭陵溪小流域，柑橘園每年只在年初進行一次堆肥，當(dāng)?shù)馗涕俪墒炱谠?0—12月份，所以在雨季不存在過多的人為影響，因此較農(nóng)耕地和茶園的土壤侵蝕和氮磷養(yǎng)分流失程度低。板栗林與茶園、柑橘園相反，人為干擾極少，沒有施肥過程。植被蓋度遠(yuǎn)高于另兩種退耕還林模式，凋落物層受破壞小，對地表徑流有削弱作用；土壤結(jié)構(gòu)疏松，有利于降雨下滲；板栗根系發(fā)達，對土壤有較好的固定作用，土壤侵蝕量極少。沒有施肥過程，土壤中氮磷養(yǎng)分含量低，隨侵蝕泥沙而流失的養(yǎng)分含量也急劇減少。板栗林氮磷養(yǎng)分流失主要途徑為地表徑流。

因此，在研究退耕還林工程對蘭陵溪小流域土壤侵蝕和氮磷養(yǎng)分流失情況的控制過程中，要注意的幾個問題如下。第一、增強植被覆蓋度。從原有的單一植物模式改為復(fù)合模式，在茶園和柑橘園中增加板栗、杉木等作物，營造喬灌結(jié)合的復(fù)層林分，可以在不影響經(jīng)濟效益的同時增強水土保持能力[16]。第二、試驗監(jiān)測期間處于小流域雨季，雨熱同期，且土壤侵蝕和氮磷流失都與降雨量顯著正相關(guān)。因此可以通過調(diào)整施肥時間和施肥方式、改變施肥種類和施肥量的方式，來達到在保證土壤內(nèi)有效氮磷含量的同時減少氮磷流失量的目的。

4 結(jié) 論

(1) 在退耕還林工程實施后，通過改變土地利用/覆被植物類型的方式，使得地表徑流流失和土壤侵蝕都受到了一定的控制。各退耕還林模式的地表徑流量和土壤侵蝕模數(shù)相對于農(nóng)耕地的減少幅度順序皆為板栗林>柑橘園>茶園。

(2) 各退耕還林模式總氮、總磷養(yǎng)分流失量(地表徑流和侵蝕泥沙)順序為農(nóng)耕地>茶園>柑橘園>板栗林。退耕后單次土壤養(yǎng)分總氮流失量在194.85～350.11 g/hm2，較農(nóng)耕地減小的范圍在20.41%～71.63%；總磷流失量在4.55～19.58 g/hm2，減少的范圍在21.11%～83.28%?？梢娦×饔騼?nèi)水體主要面源污染物為氮素。

(3) 各退耕還林模式速效氮中，硝態(tài)氮流失順序為農(nóng)耕地>茶園>板栗林>柑橘園，銨態(tài)氮流失順序為農(nóng)耕地>茶園>柑橘園>板栗林，通過硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮的流失量比率可知，硝態(tài)氮是速效性氮素流失的主要類型。

(4) 流失養(yǎng)分中，總氮和總磷以土壤侵蝕泥沙攜帶為主要途徑。隨侵蝕泥沙流失的氮磷量是隨地表徑流流失的1.00～3.59倍；速效氮中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的主要流失途徑為地表徑流攜帶，由徑流輸出的硝態(tài)氮和氨態(tài)氮占總流失量的比率為91.03%～99.24%。