基于香根草等高植物籬的紫色土等坡耕地施肥效應(yīng)

近年來的許多研究表明，應(yīng)用等高植物圍欄可以有效減少山坡土壤侵蝕，減少養(yǎng)分流失，成本遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)措施。其典型形式是在坡面沿等高線布設(shè)密植的植物籬帶,帶間布置農(nóng)作物。三峽庫區(qū)耕地土壤的78.7%是紫色土,且大部分分布在坡地,25%的旱地坡度在25°以上,土壤侵蝕嚴(yán)重;推廣等高植物籬技術(shù)將有助于在較經(jīng)濟(jì)的投入下減輕庫區(qū)坡地侵蝕,減少未來三峽水庫的泥沙淤塞和減輕水體污染。國外近20余年來在植物過濾帶控制土壤侵蝕、面源污染及對微地貌的影響等領(lǐng)域已有不少報(bào)道。但植物過濾帶在應(yīng)用目的、侵蝕控制機(jī)理、坡形變化等方面與國內(nèi)應(yīng)用的等高植物籬均有所不同。國內(nèi)近年對等高植物籬控制侵蝕的效果、機(jī)理已有一些研究,如孫輝等討論了等高植物籬控制侵蝕的效果,蔡強(qiáng)國等分析了等高植物籬控制侵蝕的原因,認(rèn)為機(jī)械攔阻是植物籬減少侵蝕的主要原因。然而目前對不同耕作措施下等高植物籬—農(nóng)作系統(tǒng)土壤和養(yǎng)分流失、微地貌演變及其關(guān)系的研究尚較缺乏。要有效利用等高植物籬控制侵蝕和面源污染,還需進(jìn)一步研究其各方面的侵蝕控制特點(diǎn)。1植被結(jié)構(gòu)及侵蝕模數(shù)測定植物籬試驗(yàn)區(qū)設(shè)立在庫區(qū)秭歸縣王家橋流域。當(dāng)?shù)亟?jīng)度110°47′E、緯度31°05′N,距長江干流4km,年均降雨量1013.1mm,年均溫16.7℃,海拔240m。土壤為侏羅紀(jì)上統(tǒng)逢萊鎮(zhèn)組紫色砂頁巖發(fā)育的石灰性紫色土,坡面土壤平均流失量3464t?km-2?a-1。試驗(yàn)區(qū)4號地共有6個(gè)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(表1),每個(gè)小區(qū)坡度均為25°,水平投影長度10m,寬2m,小區(qū)四邊均砌水泥圍墻。植物籬品種為近年在南方山區(qū)普遍應(yīng)用的香根草(Vetiveriazizanioides)。除對照坡耕地4-1小區(qū)外,其他小區(qū)均在1996年3月等高定植了三帶香根草植物籬,坡面間距2.8m(上帶植物籬距小區(qū)上邊圍墻亦為2.8m);每帶兩行,行距20cm,株距20cm,籬帶間種植黃豆(每年5月至10月前后)和冬小麥。定植植物籬前各小區(qū)均整成平直坡面。夏季所有小區(qū)植物籬均定高剪裁并將裁枝及麥稈橫置籬前。1998年11月對各小區(qū)縱軸剖面均進(jìn)行了相對高度測量,并根據(jù)坡面相對高度變化計(jì)算了31個(gè)月間植物籬帶間的凈堆積/侵蝕量。研究區(qū)坡地的年侵蝕模數(shù)主要取決于年內(nèi)的幾次暴雨,故各小區(qū)侵蝕特點(diǎn)通過大雨強(qiáng)模擬降雨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。模擬降雨器采用美國SPRACO錐形噴頭,噴頭距地面垂直高度4.75m,供水壓力0.08MPa,雨滴動能等于天然降雨的90%,降雨均勻度約0.90,每小區(qū)沿長邊相對布置8套立式模擬降雨器,降雨時(shí)間一般控制在60min左右,雨強(qiáng)和雨量相當(dāng)于當(dāng)?shù)氐拇蟊┯?。雨前測定0~2cm表土養(yǎng)分含量,徑流、表土及泥沙中養(yǎng)分含量測定均采用常規(guī)方法。模擬降雨時(shí)在小區(qū)下方集水口每隔3min采取徑流樣本,測量徑流量及徑流含沙量。坡面徑流流速測定采用染料法。2結(jié)果與討論2.1坡面侵蝕與徑流檢測了解植物籬—農(nóng)作系統(tǒng)的微地貌演化特點(diǎn)有助于從動力學(xué)角度分析侵蝕控制的物理過程。經(jīng)過31個(gè)月的侵蝕過程,各植物籬小區(qū)的坡形發(fā)生明顯變化。典型植物籬小區(qū)(4-6小區(qū))與對照坡耕地4-1小區(qū)1998年11月坡形(縱坡中軸線剖面)對比見圖1。4-1小區(qū)坡形變化不大,小區(qū)上部0~1m、小區(qū)下部5.3~8.5m左右縱剖面較1996年11月為低。天然降雨條件下當(dāng)?shù)?5°紫色土坡地的細(xì)溝發(fā)生臨界坡度為6m左右,在此坡長后坡面侵蝕量將明顯增加,故小區(qū)下部坡面侵蝕較為嚴(yán)重;而由于局部侵蝕基準(zhǔn)面(小區(qū)底邊)的存在,接近小區(qū)底邊的坡面縱剖面略為堆積。小區(qū)上部0~1m縱剖面的侵蝕則為小區(qū)上邊水泥圍墻形成跌水,加大了降雨時(shí)小區(qū)上部水流侵蝕力所致。各植物籬小區(qū)坡形的最明顯變化是在植物籬條帶所在位置由植物籬及其基部橫置麥稈攔蓄的泥沙形成高0.19~0.46m左右的籬坎,籬帶所在位置和籬前形成接近水平的寬0.09~0.28m的淤積帶(表2)。植物籬帶間的侵蝕和堆積也降低了帶間原有的坡度,減緩的幅度在0.4~5.4°之間。上下各帶間的變化也有差異。帶間作物的必要耕作對坡形變化也有一定影響,但有理由認(rèn)為上下各帶間的耕作并無甚差異,因此上下各帶間坡形變化的差異主要是土壤侵蝕造成的。由表2可見,除4-5小區(qū)外各小區(qū)植物籬帶間與原坡面相較的凈侵蝕/堆積量(據(jù)坡形剖面測量值與原剖面計(jì)算)的大小順序是上帶>中帶>下帶,這表明了帶間的坡面侵蝕程度從上帶向下帶增加的基本趨勢。各小區(qū)下帶的淤積帶寬度最大且較接近,對比各小區(qū)下帶的凈侵蝕量均為最大,可以認(rèn)為,隨著帶間侵蝕、堆積過程的進(jìn)一步發(fā)展,下帶香根草植物籬以上的來沙最多(凈侵蝕量最大),淤積帶也最寬;但其草本莖桿將難以支撐籬坎的進(jìn)一步淤高,大雨強(qiáng)時(shí)的坡面侵蝕來沙將有相當(dāng)部分不易攔截,籬前淤積帶將難以再發(fā)展而保持在一定的寬度。植物籬截?cái)噙B續(xù)坡面,降低了坡面徑流動能,坡面徑流觀測和流速測定可以反映這一點(diǎn)(表3)。1998年11月模擬降雨過程的觀測表明,4-2小區(qū)下帶坡面出現(xiàn)肉眼可辨明的坡面層流;而其他植物籬小區(qū)的上、中、下帶均無明顯坡面層流出現(xiàn)。4-1小區(qū)在坡長6.5m處的坡面層流十分明顯,且已有多條侵蝕細(xì)溝出現(xiàn),4-2小區(qū)在該坡長由于逾帶徑流匯集后從籬坎跌落造成的沖刷而局部產(chǎn)生紋溝,溝內(nèi)流速亦明顯低于4-1小區(qū)。由于流速的降低,徑流的侵蝕和搬運(yùn)能力也降低了。但由于局部紋溝的產(chǎn)生,4-2小區(qū)下帶的侵蝕程度也較其他小區(qū)大。因此,植物籬截?cái)噙B續(xù)坡面,防止和減少細(xì)溝發(fā)生是其減輕大雨強(qiáng)降雨侵蝕的一個(gè)重要原因。2.2不同立地進(jìn)行植物籬的減流和減流主要作用觀察歷次模擬降雨中在雨強(qiáng)及雨量接近的情況下,植物籬小區(qū)各處理的土壤侵蝕量較對照坡耕地4-1小區(qū)均有明顯的減少,產(chǎn)流時(shí)間延遲(表4)。如1997年11月實(shí)驗(yàn),各小區(qū)帶間作物覆蓋度均為0,4-2小區(qū)與4-1小區(qū)雨強(qiáng)、雨量接近,侵蝕量相當(dāng)于對照小區(qū)的17.8%,徑流量相當(dāng)于24.8%(1996年11月在帶間作物覆蓋率、雨強(qiáng)、雨量接近的條件下這兩個(gè)比例分別是37.5%、61.8%,1998年11月在帶間作物覆蓋率為0的條件下是5.2%、45.1%。4-1小區(qū)侵蝕量較大,主要系雨前表土遠(yuǎn)高于前兩次實(shí)驗(yàn)之故,但各小區(qū)含水量差異不大,不影響同年小區(qū)間對比)。這表明等高植物籬對減少坡面侵蝕和徑流有著明顯的作用,但減流效果遜于減沙。筆者認(rèn)為,植物籬減少侵蝕量與徑流量的作用主要包括植物籬及籬帶基部前置莖稈的機(jī)械阻滯作用和坡形變緩的影響。前者截?cái)噙B續(xù)坡面,直接減低了坡面水流流速與沖刷力;后者則包括帶間坡度的變緩和籬前淤積帶的形成和發(fā)展。這兩個(gè)因素都削弱了水流的動能,同時(shí)后者還增加坡面水流的入滲時(shí)間,使其不易于縱向匯集和加速,從而降低單位面積坡面上水流的侵蝕能力。由表2可見,淤積帶前帶間坡度有所變緩,但減少的坡度對水流侵蝕動能的影響有限(以滿寧公式及公式:徑流深h=單寬流量q/流速v推算,水流侵蝕動能約與坡降的0.6次方正相關(guān)),而接近水平的籬前淤積帶則能明顯減緩徑流流速,對帶間土壤及養(yǎng)分流失有著重要作用。隨著植物籬帶的成長密閉,植物籬對徑流的阻滯攔截能力進(jìn)一步增加,促進(jìn)籬前淤積帶的發(fā)展。后者和帶間坡度的變緩則進(jìn)一步減輕了帶間徑流的侵蝕力,增強(qiáng)植物籬的減沙、減流效果。1997年11月模擬降雨4-3、4-4、4-5小區(qū)的雨強(qiáng)相近、雨量較4-2小區(qū)更大,土壤侵蝕量僅相當(dāng)于單純植物籬處理的4-2小區(qū)的15.8%、8.5%、0.6%、0.3%;徑流量相當(dāng)于31.3%、50.4%、20.3%、16.8%,減少侵蝕量的比率也較徑流量為小。4-4小區(qū)施用無機(jī)肥,植物籬長勢好于不施肥的4-2小區(qū),植物籬的攔沙效果更好;4-5小區(qū)施用有機(jī)肥,不僅植物籬長勢好,而且土壤持水性、滲透性得到改善,在相近的雨強(qiáng)下徑流量小于4-4小區(qū)。4-3小區(qū)帶間覆蓋麥稈,減少了雨滴的濺蝕作用,侵蝕量遠(yuǎn)小于4-2小區(qū),但高于4-4、4-5小區(qū)。因此,通過施肥促進(jìn)植物籬生長、改善土壤物理特性對減輕侵蝕的效果不遜于帶間覆蓋。混施用有機(jī)、無機(jī)肥配合帶間覆蓋麥稈的4-6小區(qū)侵蝕量遠(yuǎn)小于植物籬帶間單覆蓋處理的4-3小區(qū),1998年11月實(shí)驗(yàn)在接近上一年的雨量、雨強(qiáng)下徑流量、侵蝕量進(jìn)一步減至6個(gè)小區(qū)之最小。這可能是因?yàn)檫B續(xù)配合施用有、無機(jī)肥,促進(jìn)了植物籬生長密閉,同時(shí)土壤持水性、滲透性進(jìn)一步改善見所致,但這還需要對土壤抗蝕性等物理性質(zhì)的進(jìn)一步研究。2.3不同社區(qū)的土壤養(yǎng)分流失情況1996年11月模擬降雨時(shí)所有小區(qū)徑流中氮、磷養(yǎng)分均未檢出。1997年11月模擬降雨時(shí)4-1小區(qū)仍未檢出,而各植物籬小區(qū)徑流中氮、磷、鉀養(yǎng)分均有檢出。根據(jù)雨前表土及侵蝕泥沙養(yǎng)分富集度計(jì)算攜帶的養(yǎng)分損失量,根據(jù)徑流中養(yǎng)分含量計(jì)算徑流攜帶的養(yǎng)分損失量,結(jié)果見表5。實(shí)驗(yàn)區(qū)紫色土裸坡地、坡耕地養(yǎng)分流失以侵蝕泥沙攜帶的養(yǎng)分為主,近期康玲玲等的模擬降雨實(shí)驗(yàn)也表明在黃土性土壤上養(yǎng)分主要隨泥沙遷移。但在不同的耕作措施下植物籬-農(nóng)作系統(tǒng)中坡地養(yǎng)分流失表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。參比表3、表4、表5,4-2小區(qū)除全氮略高,全磷、有效磷高于4-1小區(qū)外,雨前表土其他養(yǎng)分含量相近,在雨強(qiáng)、雨量相近條件下4-2小區(qū)坡面養(yǎng)分損失量中總氮(不包括徑流中有機(jī)氮)、總磷、有效磷、總鉀、有效鉀分別相當(dāng)于對照坡耕地4-1小區(qū)的61.9%、18.4%、28.5%、100.0%、99.9%。這表明單純植物籬處理在控制氮、磷流失方面效果明顯,但對于鉀流失的控制無甚效果。這可能是植物籬對坡面徑流的阻滯作用使土壤中易溶鉀的淋溶增加(4-1小區(qū)徑流中鉀未檢出,而4-2小區(qū)氮、磷、鉀均有檢出)的原因。同樣,其他小區(qū)的施肥或帶間覆蓋措施在減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的同時(shí)由于延長了徑流與表土混合的時(shí)間,溶質(zhì)溶解交換的過程更充分;另一方面由于施肥增加土壤養(yǎng)分和覆蓋物的淋溶,土壤中易溶養(yǎng)分的淋溶增加,明顯提高了徑流攜帶的養(yǎng)分損失占坡面養(yǎng)分損失總量,尤其有效養(yǎng)分損失量的比例。如坡面侵蝕量較小的4-4、4-5、4-6小區(qū)徑流攜帶的無機(jī)氮遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過侵蝕泥沙攜帶的有效氮損失。而徑流攜帶的無機(jī)氮以NO3-N為主:除4-3、4-4小區(qū)徑流攜帶的NH4-N占徑流無機(jī)氮損失的10.8%、3.1%外,其他小區(qū)徑流NH4-N均未檢出。這符合中—弱堿反應(yīng)下土壤膠體對陽離子的NH4-N和陰離子的NO3-N不同的吸附特性。由于多雨條件下陡坡NO3-N相對NH4-N長期嚴(yán)重流失的影響,表土NH4-N含量高于NO3-N。另外三峽庫區(qū)雨熱同季,礦化和氧化形成NO3-N的活躍期亦為侵蝕嚴(yán)重期,對NO3-N的嚴(yán)重流失也有一定影響。徑流攜帶的磷素?fù)p失占坡面總磷損失量的比例不大,但占有效磷的比例明顯增加,侵蝕量較小的4-5、4-6小區(qū)該比例超過50%。這兩個(gè)小區(qū)徑流攜帶的鉀素占坡面總鉀損失量的比例也較大。各植物籬小區(qū)徑流攜帶的鉀素均占坡面有效鉀損失量的大部分,這與鉀易遷移的地球化學(xué)性質(zhì)是一致的。在這些小區(qū)中,徑流攜帶的養(yǎng)分流失成為土壤有效養(yǎng)分的重要流失途徑。而這部分養(yǎng)分(尤其是氮、磷)易于為生物利用,對作物養(yǎng)分供應(yīng)和水體水質(zhì)影響最直接。除4-4小區(qū)無機(jī)氮、4-3小區(qū)有效磷、有效鉀的養(yǎng)分損失量較大(可能與稿稈淋溶有關(guān))外,4-3、4-4、4-5、4-6小區(qū)養(yǎng)分損失均小于4-2小區(qū);施用有機(jī)肥的4-5小區(qū)、帶間覆蓋稿稈并配施有、無機(jī)肥的4-6小區(qū)雖然增加了對植物籬—農(nóng)作系統(tǒng)的養(yǎng)分輸入,但養(yǎng)分流失量尤小,控制養(yǎng)分流失的處理效果最好。2.4上間帶間凈侵蝕量與徑流泥沙等性能關(guān)系等高植物籬帶間坡形的變化和坡地侵蝕的特點(diǎn)是相聯(lián)系的。對比表2、表3,隨著植物籬的成長和密閉,籬前淤積帶逐步形成發(fā)展,植物籬對流失泥沙和徑流的攔截作用增強(qiáng),能進(jìn)一步減少小區(qū)侵蝕量。同時(shí)由于攔截作用增強(qiáng)、坡形變緩,徑流與表土的混合、養(yǎng)分的溶解作用時(shí)間增加,徑流攜帶的養(yǎng)分損失也有增加。植物籬帶未密閉前,部分帶間徑流難以攔截,逾過上、中兩帶的部分徑流和少部分從上一籬坎基部滲出坡面的徑流匯入下帶;加之逾帶徑流從籬坎上緣落下,向下一坡面沖刷,加強(qiáng)了下帶的侵蝕作用。各小區(qū)上下帶間的凈侵蝕/堆積量體現(xiàn)了從上向下侵蝕作用增強(qiáng)的基本趨勢(上帶凈侵蝕量小還有無上坡來水來沙的因素),其中4-2小區(qū)下間作帶的凈侵蝕量最大,在相近的模擬降雨雨強(qiáng)、雨量條件下的徑流量、侵蝕量也大于其他植物籬小區(qū)。而各小區(qū)的累積徑流量和累積侵蝕量有著良好的相關(guān)關(guān)系,提高植物籬帶對徑流的攔截作用、減少坡面徑流能進(jìn)一步減輕侵蝕,同時(shí)減少坡面養(yǎng)分的徑流損失。在植物籬帶前密置麥稈等能直接提高對徑流泥沙的攔截作用;在耕作上人為墊平植物籬帶前部位,促成淤積帶發(fā)展,有利于延緩徑流在帶間流動和增加其下滲的時(shí)間。當(dāng)上一間作帶徑流不匯入下一帶時(shí),較窄的水平淤積帶即足以攔截絕大部分流失泥沙。但若植物籬對上一間作帶徑流攔截效果不理想時(shí),水平淤積帶阻滯徑流泥沙的效率也將降低;表2的各帶間凈侵蝕量也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。因此,除了增強(qiáng)植物籬的機(jī)械阻攔作用和人為改緩坡形外,還應(yīng)提高坡面土壤入滲和持水性能。庫區(qū)紫色土坡地雖質(zhì)地多偏輕,但2∶1型粘土礦物含量較多,土壤有機(jī)質(zhì)偏低,吸水后透水孔隙易阻塞,滲透性不良。增施有機(jī)肥能改善土壤結(jié)構(gòu),有助于提高入滲和持水性能、增強(qiáng)土壤抗蝕性。隨著帶間侵蝕過程的發(fā)展,香根草植物籬的草本莖桿將難以支撐籬坎的進(jìn)一步淤高,籬坎及籬前淤積帶將難以再發(fā)展,大雨強(qiáng)降雨時(shí)植物籬對徑流泥沙的阻滯作用有限,必須提高籬帶的攔截效率(如在莖桿支撐力允許的條件下增加籬帶內(nèi)及帶前橫置稿稈的密度,橫置稿稈則有利于分散香根草直立葉片攔截雨滴而匯聚形成的莖桿流)或采取其他措施(如在籬帶內(nèi)夾植莖桿支撐力較強(qiáng)的灌木籬、或在原籬前再補(bǔ)植新的植物籬),以減少坡面來沙。3不同處理表土養(yǎng)分流失的效果在三峽庫區(qū)紫色土25°坡耕地的大雨強(qiáng)模擬降雨實(shí)驗(yàn)表明,應(yīng)用等高植物籬能有效減少坡耕地土壤侵蝕和養(yǎng)分流失,而不同耕