基于137Cs示踪技术的土壤侵蚀及养分流失特征评价
时间：2023-02-24 17:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
张宁宁,黄诗浩,雷 衡,雷欣哲,刘普灵,亢福仁
1 榆林学院生命科学学院陕西省陕北矿区生态修复重点实验室, 榆林 719000
2 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100
土地利用方式是小流域水土流失重要的影响因素之一,分析土地利用格局演变条件下的土壤侵蚀规律是水土流失研究的热点[1]。很多学者针对新侵蚀环境背景下的小流域土地利用方式变化及其土壤侵蚀及养分分布响应开展了大量的研究工作,特别是在土地利用方式演变及其对植被覆盖[2]、微地形[3]、土壤理化性质[4]和土壤侵蚀动力[5]等方面的影响研究取得了丰硕成果。但这些研究多数仅关注流域内土壤侵蚀或土壤养分分布特征,很少同时关注两者变化。同时已有研究表明小流域不同土地利用方式的土壤侵蚀强度差异显著,且区域间差别较大[6],而养分流失与土壤侵蚀密切相关。因此,以小流域为研究单元,综合定量评价不同土地利用方式的土壤侵蚀和养分流失状况及其相互关系有待进一步深化。
黄土高原丘陵区是黄河粗泥沙来源的重要区域,生态极度脆弱,是黄河流域高质量发展的重要影响区域[7]。多年来,以小流域为单元的综合治理模式与实践使其土地利用格局发生了显著变化,同时对区域土壤侵蚀及养分分布格局产生了重大影响[8—9]。特别是退耕还林草工程的大面积实施导致黄土高原土地利用方式产生了显著的变化,植被覆盖显著提高,相应的土壤养分分布和土壤侵蚀特征也发生了显著的变化[10—12],因此,研究该区域土地利用方式变化下的土壤侵蚀与养分流失状况,对理解新侵蚀环境背景下的环境变化具有重要意义。
目前,有关于小流域土壤侵蚀定量评价的方法也较为多样,常见的方法包括模型法、沉积物反演以及示踪法[13—16]等,其中,示踪技术因其简便、经济、精确度高,可靠性强,已被大量用于区域土壤侵蚀的研究中[17—20]。鉴于此,本文选择黄土丘陵区典型小流域,运用137Cs示踪技术,对小流域内不同土地利用方式下的土壤侵蚀与沉积状况进行定量分析和评价,并以此为基础定量研究小流域土壤养分流失特征,同时,通过土壤养分生态化学计量特征揭示土壤养分水平。旨在以小流域为研究单元,综合定量评价不同土地利用方式的土壤侵蚀和养分流失状况,揭示土地利用方式对土壤侵蚀和养分流失的影响,为新时期黄土高原高质量发展以及区域水土流失防治提供数据支撑。
1.1 研究区概况
研究区域为湫沟小流域,属于延安燕沟流域的一条支沟,地理位置为36°28′12″N,109°32′36″E,海拔1131 m(图1)。该地区的气候特征为半干旱大陆性季风气候,多年平均降水量为423 mm,主要集中在7—9月份,且多为暴雨。研究区50多年来土地利用以耕地为主,小流域退耕以前经过了基本农田(梯田)建设工程,从2000年开始大规模实施退耕还林还草工程,2002年退耕结束后小流域内包含多种土地利用方式,土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主,土壤类型为黄绵土。
图1 研究区和采样点分布图
1.2 研究方法
1.2.1土壤样品的采集和制备
(1)137Cs背景值样品的采集与确定
研究区137Cs背景值选取的原则是选择未扰动且侵蚀轻微或者无侵蚀的老坟地或非农耕地,采集点位于研究区附近,保证土壤剖面中137Cs含量均匀分布。该研究小流域中,由于地形破碎,水力侵蚀严重,且研究小流域先后经历小流域综合治理,退耕还林还草等强烈的人为扰动改变了小流域的土地利用方式,已有研究表明,山顶非耕作土不宜作为背景值的理想选址。经过调查,发现该流域内的一处老坟地未发生过明显的人为扰动,因此作为背景值的采样地点。采样时按照10 cm的间隔分层采集0—20 cm土壤样品,采用内径为9 cm的土钻,总采集样品个数为8个。结果得出研究区的背景值为1567 Bq/m2,通过查阅资料,此背景值在黄土高原137Cs 实测背景值的范围之内[21]。因此,本研究确定的137Cs背景值1567 Bq/m2是可信的,用来定量估算当地研究小流域的土壤侵蚀状况。
(2)不同土地利用方式表层土壤样品的采集
依据小流域的五种主要土地利用方式(林地、灌木、草地、苹果园、沟道)进行样点布设,每种土地利用方式结合其在小流域的分布位置沿径流方向选择8个典型样点确定为采样样地。采样时,使用内径为9 cm的土钻在样地中按照“S型”进行土壤样品的采集,采集表层20 cm的土壤,每个样点的样品由样地内平行的6—8处土壤混合而成。同时在采样的过程中使用GPS定位记录采样点的位置信息。
(3)样品的制备
采集的土样带回实验室,除去石块、根系、动植物残体等杂物,经风干(平铺在干净的牛皮纸上,在阴凉通风处风干)、去处碎石和根系后研磨、分别过0.25 mm和2 mm筛,其中,0.25 mm土壤样品用于土壤养分含量的测定,2 mm土壤样品称量150 g左右装入137Cs测定样品盒中,盖紧备用。
1.2.2指标测定与计算
(1)土壤侵蚀模数计算
将制备好的土壤样品利用美国ORTEC公司生产的8192道低本底γ能谱仪,测定在 661.6 keV 处137Cs全能峰净面积,所有样品测量时间都为8 h(28800 s)。采用全峰面积法对峰面积进行计算,比活度运用标准源相对比较法得出。采用张信宝等[17]构建的模型计算土壤侵蚀模数。
(2)土壤养分含量和容重的测定
土壤全氮的测定采用的是瑞士FOSS TECATOR生产的全自动凯式定氮仪测定。全磷采用分光光度计测定,有机质采用重铬酸钾容重法测定,土壤容重采用环刀法测定,每个指标测定均设三个重复。
(3)土壤有机质、全氮(TN)、全磷(TP)的流失量计算
单位面积土壤养分流失量采用张燕等[22]建立的模型计算。
Li=N×Di×hi
式中,Li为养分的流失量(t km-2a-1)；
N为养分在土壤中的含量(g/kg)；
Di为i样点的土壤容重(g/cm3)；
hi为i样点土壤的年侵蚀厚度(cm/a)。
式中,LA为平均养分流失量(t km-2a-1)；
Li为i采样点的养分流失量(t km-2a-1)；
n为样点数量。
1.2.3数据处理与分析
实验所得到的数据在 Excel 2007进行整理计算,利用SPSS 23.0软件的单因素方差分析法对数据进行方差分析和多重比较,使用origin 8.5和arcgis 10.0进行图表的绘制。
2.1 不同土地利用方式的土壤侵蚀特征
研究小流域灌木、沟道、苹果园、林地、草地的侵蚀模数值分别分布在-18.67—-9.38 t km-2a-1、109.76—151.27 t km-2a-1、72.24—144.20 t km-2a-1、31.37—58.63 t km-2a-1和18.15—56.18 t km-2a-1之间。整体上,研究小流域土壤侵蚀模数介于-18.67—151.27 t km-2a-1之间,均为微度侵蚀,但不同土地利用方式之间差异显著(图2)。土壤侵蚀模数除灌木地为负值(-13.35 t km-2a-1),发生了沉积以外,草地、林地、苹果园、沟道均发生侵蚀,平均值从大到小依次为沟道(128.15 t km-2a-1)>苹果园(102.86 t km-2a-1)> 林地(45.91 t km-2a-1)>草地(35.06 t km-2a-1)。
图2 不同土地利用的土壤侵蚀模数分布特征
研究小流域内土壤侵蚀模数除沟道为轻度变异以外,其他土地利用均为中等变异(表1)。其中,林地和草地与苹果园、灌木、沟道之间,灌木、苹果园和沟道之间的侵蚀模数均存在显著性差异(P<0.05),但林地和草地之间差异不显著(P>0.05)。
表1 小流域不同土地利用方式土壤侵蚀模数方差分析和多重比较
2.2 不同土地利用方式的土壤养分分布特征
土壤全氮含量和有机质含量在不同土地利用方式下的分布特征表现一致,均表现为灌木>草地>林地>沟道>苹果园,而土壤全磷含量由高到低的顺序为灌木>苹果园>沟道>草地>林地(图3)。灌木地土壤全氮含量和有机质含量均显著高于其他土地利用方式(P<0.05),其中,全氮含量分别比草地、林地、沟道和苹果园高110.6%、115.8%、74.2%和58.6%,有机质含量分别高79.0%、89.6%、113.3%和132.8%；
但两种养分在林地和草地以及沟道和苹果园之间差异均不显著(P>0.05)。灌木地全磷平均含量为0.64 g/kg,显著高于林地、草地和沟道,但与苹果园之间差异不显著,且其他四种样地之间均未表现出显著的差异性(P>0.05)。
图3 不同土地利用方式下土壤养分分布特征
2.3 不同土地利用方式的土壤养分生态化学计量特征
土壤C/N比在不同土地利用方式上大小顺序为灌木(17.37)>沟道(17.30)>林地(16.06)>苹果园(15.89)>草地(15.43),但差异不显著(P>0.05)(图4)。土壤C/P比和N/P比在不同用地利用方式下的变化特征表现一致,大小顺序均为灌木>草地>林地>沟道>苹果园。土壤C/P比分布于9.20—19.76之间,土壤N/P比分布于0.998—1.98之间。灌木地土壤C/P比显著高于其他土地利用方式(P<0.05),但林地和草地之间,苹果园和沟道之间差异不显著(P>0.05)；
土壤N/P比不同土地利用方式的差异性与土壤C/P比相似。
图4 不同土地利用的土壤养分生态化学计量特征
2.4 土壤侵蚀模数与土壤养分和养分化学计量相关性分析
研究小流域土壤侵蚀模数与土壤全氮、全磷、有机质、N/P比和C/P比之间均呈现显著负相关关系(P<0.01),相关系数分别为-0.86、-0.45、-0.86、-0.82和-0.81,但与C/N比相关性不显著(P>0.05)(表2)。除土壤C/N比以外,土壤全氮与全磷、有机质、N/P比和C/P比之间均呈现极显著正相关关系(P<0.01)；
土壤全磷与全氮和有机质呈现极显著正相关(P<0.01),但与土壤侵蚀模数和养分化学计量之间相关性不显著(P>0.05)；
土壤有机质与土壤侵蚀模数、全氮、全磷及养分化学计量土壤养分化学计量之间均呈现显著相关关系(P<0.05)。土壤养分化学计量相关关系表现为：土壤C/N比与C/P比,以及N/P比与C/P比之间显著正相关,但土壤C/N比与N/P比相关不显著。
表2 土壤侵蚀模数与土壤养分及养分化学计量之间的相关系数
2.5 土壤养分流失在不同土地利用方式上分布特征
不同土地利用方式的土壤全氮流失量、全磷流失量及有机质流失量变化特征表现一致,均在灌木地中表现为沉积状态,其他土地利用方式为流失状态(图5)。五种不同的土地利用方式全氮流失量、全磷流失量及有机质流失量均表现为沟道>苹果园>林地>草地>灌木,其中土壤全氮流失量在林地、草地、苹果园、灌木和沟道的分布范围分别为0.20—0.52 t km-2a-1、0.17—0.45 t km-2a-1、0.40—0.87 t km-2a-1、-0.20—-0.13 t km-2a-1和0.61—1.02 t km-2a-1；
土壤全磷流失量的分布范围分别为0.17—0.34 t km-2a-1、0.09—0.30 t km-2a-1、0.43—0.87 t km-2a-1、-0.13— -0.06 t km-2a-1和0.61—0.93 t km-2a-1；
土壤有机质流失量的分布范围分别为2.86—7.48 t km-2a-1、2.36—7.50 t km-2a-1、6.26—13.84 t km-2a-1、-4.13—-1.99 t km-2a-1和11.35—16.31 t km-2a-1。三种养分流失量在不同土地利用方式下的差异性分布表现一致,即沟道、苹果园、灌木和林地及草地之间差异显著(P<0.05),但林地和草地之间无显著差异(P>0.05)。
图5 不同土地利用方式的土壤养分流失量分布特征
2.6 土壤养分流失量与土壤侵蚀、土壤养分及养分化学计量之间的相关分析
相关分析表明：研究小流域土壤全氮流失量、全磷流失量和有机质流失量三者之间呈极显著正相关关系(P<0.01),三者与土壤侵蚀模数、土壤全氮、全磷、有机质、C/P比和N/P比之间相关性表现相同,均呈现极显著负相关关系(P<0.01),但与C/N比相关性均不显著(P>0.05)(表3)。
表3 土壤养分流失量与土壤侵蚀、土壤养分及养分化学计量之间的相关系数
3.1 土地利用方式对土壤侵蚀和土壤养分流失的影响
小流域不同土地利用方式显著影响了小流域的土壤侵蚀模数和土壤养分流失状况,均表现为沟道>苹果园>林地>草地>灌木。整体上农业耕作地的侵蚀和养分流失大于未耕作土壤,表明农业耕作对土壤侵蚀的影响显著。该结果与史佳良等[23]研究次降雨过程中北京市不同土地利用方式下(草地、农田、林地和果园)土壤养分流失的结果(泥沙氮磷流失总量均草地>农田>林地>果园)不同。分析表明史佳良等[23]的研究是基于单次降雨得出的结果,而本研究小流域的土壤侵蚀和土壤养分流失是多年平均结果。人工灌木林地多数位于人工梯田最低台阶以及沟沿线上的坡地上,密度较大,且采样避开了靠近沟沿线的位置。沟沿线以上坡面侵蚀的泥沙被密集的根系拦阻[24],促进了坡面侵蚀泥沙的沉积,且已有研究显示人工植被在减蚀能力方面灌木表现较好[25],因此灌木地土壤侵蚀模数为负数。沟道受降雨径流影响,且持续的降雨和坡面来水对沟壁不断打击和冲刷,促进了沟壁土壤结构的破坏[26],大大的增加了重力侵蚀发生的可能性,导致沟道土壤侵蚀和养分流失明显；
苹果园多年受人为耕作的影响,虽然耕作形式都采用了等高穴值,但由于林下土壤疏松,无植被覆盖,易受降雨影响,造成土壤流失,同时促进土壤养分的流失,因此土壤侵蚀和养分流失量较大；
草地多为退耕后的自然荒坡地,受地形、植被等多种因素的影响,而林地多为退耕的人工林地,不受人为干扰,但以刺槐为主,林分单一,因此草地和林地均存在微度的土壤侵蚀和养分流失状况。土壤养分流失量与土壤侵蚀表现为极显著正相关关系,而与土壤全氮、全磷、有机质、N/P比及C/P比呈极显著负相关关系,但与C/N比关系不显著,即小流域土壤养分流失与养分及土壤侵蚀均关系密切,但相关系数各不相同,特别是与全磷的相关系数相对较低,说明小流域土壤养分流失与碳氮和土壤侵蚀更为紧密,这是由于不同养分在土壤中的基础含量不同,因此其流失规律也相应的表现不同,且土壤侵蚀通过影响土壤养分的流失而对小流域土壤养分分布及化学计量产生影响。
3.2 土地利用方式对土壤养分分布及养分生态化学计量特征的影响
不同土地利用方式显著影响了土壤的全氮含量、全磷含量和有机质含量的分布特征。土壤全氮含量和有机质含量分布表现一致,由高到低的顺序为灌木>草地>林地>沟道>苹果园。根据全国第二次土壤普查标准[27],研究小流域土壤全氮含量整体处于中下水平,其中林地、苹果园和沟道均表现为五级,草地为四级,灌木为三级；
土壤有机质含量灌木地等级为三级,林地和草地为四级,沟道和苹果园为五级。研究小流域的灌木林多为人工退耕地,灌木种植密度较大,且林下有杂草分布,几乎无裸露地面,属于较高植被覆盖的土地利用[28],人类活动干扰少,多年来植物残体和枯枝落叶物积累在土壤表层,腐质化作用明显,土壤全氮和有机质含量较高,因此,灌木地中的全氮含量和有机质含量显著高于其他土地利用方式(图2)。草地多为分布于流域沟沿线以上的梯田边坡和沟沿线以下陡峭的坡上,虽然人为干扰较小,但植被覆盖稀疏,而林地亦是如此,由于坡面角度较大,林下植被覆盖差异较大[29],地表裸露比较明显,水土流失影响较大；
因此,草地和林地的全氮和有机质含量相比灌木受侵蚀影响大导致含量降低。沟道长年被径流冲刷侵蚀[30],沟道两侧重力侵蚀明显,而苹果园因多年耕作,受人为因素干扰较多,均显著影响其全氮含量和有机质含量积累,表现为在小流域内较低的含量分布。小流域的土壤全磷含量整体处于中等水平,且不同土地利用方式的土壤全磷含量相对均匀,仅灌木地含量与其他样地之间的差异达到了显著水平。这是由于土壤的全磷含量主要与土壤母质有关[31],研究小流域为黄土母质,且由于小流域除苹果园以外,其他土地利用均处于封育状态,无外部施加磷肥状况。而苹果园虽然施用磷肥,但苹果树对磷的需求极大,且施肥主要是穴施,多数磷肥被植物直接吸收利用[32]。
土壤的 C/N和C/P是土壤有机质矿化速率和有机质磷矿化释放或吸收固持能力的重要指标。研究区土壤C/N在不同土地利用方式的土壤中均超过了我国陆地土壤的平均值11.9[33],表明小流域土壤有机质分解速率和养分矿化速率较低,相比有机质,土壤更缺少氮[34],这是由于本区域为退耕还林草示范区,多为人工植被,其土壤微生物活性和土壤酶活性均较差,影响了有机质的分解和养分的矿化[35]。研究区土壤C/P均低于我国陆地土壤的平均值61[33],结合C/N结果以及土壤全磷含量表明,研究区内磷元素并非是影响土壤质量的限制性因素。土壤N/P作为衡量土壤养分限制阈值的重要指标,对评价土壤质量具有重要意义。研究显示,区域内土壤N/P(0.99—1.98)远低于我国陆地土壤的5.2[33],且与养分之间均呈现显著正相关关系,结合土壤全氮及全磷含量,说明研究区内土壤受到氮限制严重。综上所述,研究区内土壤C/P、C/P和N/P分别受土壤有机质含量和全氮主导,与王永平等[16]在滇南小流域的研究结果一致。土壤N/P和C/P在不同用地类型中均表现为灌木>草地>林地>沟道>苹果园,即苹果园中土壤全磷的有效性更高,苹果园在巨大的磷流失量的前提下依然维持较高磷含量的主要原因可能在于苹果园相对于其它用地有外源磷肥的添加；
灌木地由于天然的植被高盖度等因素导致土壤流失量较小,因此得以减少氮、磷流失量同时每年大量枯落物提供了源源不断的有机质输入,使其拥有高的C/P的重要保障。
(1)不同土地利用方式显著影响了小流域土壤侵蚀状况。土壤侵蚀模数介于-18.67—151.27 t km-2a-1之间,大小顺序为沟道>苹果园>林地>草地>灌木,均为微度侵蚀,其中,除灌木地发生沉积以外均发生了土壤侵蚀现象,且除沟道为轻度变异以外,其他土地利用均为中等变异。
(2)土壤全氮含量、有机质含量、N/P比和C/P比在不同用地利用方式下的变化特征表现一致,大小顺序均为灌木>草地>林地>沟道>苹果园。其中,土壤全氮含量整体处于中下水平,C/N比超过全国平均水平而N/P比和C/P比远低于全国平均水平,表明小流域土壤氮限制严重。
(3)小流域土壤养分流失与土壤养分状况及土壤侵蚀程度关系密切。土壤养分流失与土壤侵蚀模数表现一致,两者呈极显著正相关关系；
与土壤全氮、全磷、有机质呈极显著负相关关系,表明土壤侵蚀仍是该小流域养分流失的重要诱因。
