2024, Vol. 61
表1(Table 1)
2. 西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100
2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3. College of Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China
土壤侵蚀是制约黄土高原高质量发展最严重的生态环境问题之一[1]。坡耕地是黄土高原主要的土地利用类型，占地面积高达12.95万km2，由于常年采用传统犁耕为主的耕作措施使得土壤机械扰动频繁，从而导致表层土壤结构松散，使之成为该地区土壤侵蚀的主要来源。严重的土壤侵蚀不仅导致土地质量下降、洪涝灾害加剧等[2]，也会造成大量土壤养分随径流及泥沙迁移，使表土中的养分流失，造成水环境污染和水体恶化等问题[3]。已有研究表明，选取合适的耕作方式，可通过改变微地形，提高土壤入渗性能，降低径流量，进而有效控制土壤侵蚀，改善土壤性状[4-6]，而不合理的耕作措施则会破坏土壤自然物理结构，使土壤团聚体破碎，加剧坡面水土流失[7]。横坡垄作是在坡耕地上采用的一种集水蓄墒耕作技术，它通过改变坡面微地形有效拦截地表径流，增加土壤水分入渗率，从而减少坡面水土流失[8]，也会一定程度影响坡面养分的流失浓度、含量以及形态。迟宇博等[9]通过研究横坡垄作对黄绵土坡面侵蚀及磷素流失的影响，得到横坡垄作能有效减少坡面泥沙磷素流失的结论；Xia等[10]通过进行田间试验研究横坡垄作对地表养分流失的影响，得到的结论表明横坡垄作方式下地表磷素流失量会显著减少，但氮素流失量变化不大；同时，也有研究发现横坡垄作会增加氮素流失浓度和氮素流失量[11]。探究黄土坡耕地耕作措施对氮磷养分流失规律的影响，可以为黄土坡耕地地力提升和区域高质量发展提供更多科学参考。
除耕作措施外，坡度也是影响坡面土壤侵蚀、养分流失的重要因素之一。坡度通过改变重力沿坡面方向的分力，影响坡面径流流速、剪切力等进而影响侵蚀过程，最终对坡面养分迁移量产生影响。李光录等[12]、白红英等[13]通过大量的调查和试验，总结出坡度增大会使养分流失量增大的结论；但是刘秉正等[14]指出，径流中的养分浓度及泥沙中的养分流失量均随坡度的增大而减小，但减小到一定值后，几乎保持不变；Sims等[15]和Sharpley [16]研究结果表明当坡度增大时，坡面径流流速加快，径流中养分流失能力下降但泥沙养分流失量增大。明晰坡耕地氮磷养分流失对坡度的响应特征，可以为坡耕地养分流失控制和土壤质量维护提供数据支持。
氮和磷是作物生长所必需的营养元素[17]，且黄土高原地区主要耕种土壤的氮磷养分十分贫瘠，通常采用大量投入氮肥和磷肥的方法来提高坡耕地土壤肥力，施用过量的化肥容易导致养分损失和水体富营养化[18]。控制坡耕地土壤侵蚀及养分流失是提高土壤质量的基本举措，也是解决环境问题，保证粮食安全的重要内容。现有的研究由于所选用的土壤类型、坡度范围及降雨强度不同，研究结果存在差异性[19-20]。本文以人工模拟降雨为条件，以坡面耕作措施和坡度为变量，探讨横坡垄作对坡耕地氮磷养分流失过程的影响，研究结果可为明确横坡垄作的水土保持效益及养分流失防治提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验装置与材料研究区域位于陕西省咸阳市杨凌高新技术产业示范区（34°14′—34°20′ N，107°59′—108°08′ E）。该地主要气候为暖温带半湿润大陆性气候，年平均降水量637.6 mm，年降水量的60%集中于7—10月，年平均气温12.9℃。塿土为该地区主要的土壤类型，是由当地森林褐土经长期耕作和施用土肥形成的一种农业耕作土壤。试验土壤的基本理化性质见表 1。
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表 1 试验土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the test soil |
径流小区的投影长为4.5 m，投影宽为1.4 m，模拟降雨试验采用中国科学院水利部水土保持研究所生产的侧喷式降雨机。降雨机包括一个水箱、一个水泵、供水管、两个支架和两个侧面喷头，通过改变管道中的水压和喷头尺寸，可以调整降雨强度。降雨高度为7.5 m，能确保雨滴滴落终速达到自然雨滴降落速度的98%以上。
1.2 试验设计根据中国科学院黄土高原综合科学考察队耕地坡度分级数据计算，黄土高原坡耕地（> 3°）占耕地面积的47.7%，其中，> 7°的占坡耕地总面积的81.2%，> 15°的占44.8%，> 25°的仅占11.9%，因此，本文选取3°、5°、10°、15°、20°的径流小区，分别进行降雨。经长期野外监测，90 mm·h–1雨强代表该地区典型侵蚀性降雨事件[21]，因此本试验选取90 mm·h–1的降雨强度，降雨时间为40 min，每场降雨的总降雨量为60 mm。同时选择横坡垄作和平整坡面两种坡面处理措施。
（1）横坡垄作（CT）：使用农具耧在坡面上沿等高方向（耧是一种类似于犁的传统农具，用于准备小麦、高粱等作物的苗床，它是由一个1.6~1.7 m长的铁柄以及底部间隔约14 cm的两个“角”组成），垂直于坡面走向，进行横坡垄作，形成沟垄相间的地表形态，形成的垄高约为6 cm，垄间距约为14 cm（如图 1）。
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图 1 横坡垄作示意图 Fig. 1 Schematic diagram of counter tillage |
（2）平整坡面（CK）：无耕作措施坡面，平整无任何地表高低起伏的状态。
每场降雨前使用遮雨布遮盖小区，使用位于径流小区边缘的9个雨量杯测量每个测点实际降雨强度，以确保降雨强度达到90 mm·h–1，降雨均匀度大于93%[22]。待其稳定后，迅速揭开覆盖在小区上的遮雨布并开始计时，待坡面泥沙出流稳定后，记录坡面产流时间。坡面产流开始后，用塑料桶收集径流泥沙，间隔时间为2 min，直至40 min时降雨结束（若存在40 min内坡面未产流的情况，则延长坡面降雨时间，直至坡面产流并记录坡面产流时间，但不对径流泥沙样品进行分析），降雨结束后坡面的径流泥沙样品继续用塑料桶进行收集，待径流小区出口处的水流由连续状态变为断续状态时，即为产流结束，每处理进行1次试验。对样品称重后静置24 h，待样品沉淀完全后，取上层清液500 mL装于聚乙烯塑料瓶，置于4℃冰箱保存，并在48 h内测定完毕。倒掉剩余的上层清液后将泥沙冲洗至铝盒中，放入烘箱，烘箱设置为75℃，烘干至恒重后称重，并将烘干泥沙样品装于密封袋中保存，以便后续测试与分析。
1.3 样品分析样品特性分析采用CleverChem380全自动间断化学分析仪，主要测定径流和泥沙中全磷（TP）、全氮（TN）含量。仪器测定过程中进样次数设置为3~4次，以避免系统误差，同时，在每批次样品的测定过程中随机间隔放置0 mg·L–1（超纯水）和标准样品进行核准。其中，全磷采用磷钼蓝分光光度法测定，全氮采用水杨酸分光光度法测定。测定中以试验用水作为空白样，径流养分的最终结果应扣除试验用水的养分含量，每样品重复测定3次。
1.4 指标计算坡面产流速率和产沙速率计算公式如下：
| RR=RtSt | (1) |
| SR=StSt | (2) |
式中，RR为坡面的产流速率（L·m–2·min–1），
横坡垄作的减流效益和减沙效益计算公式如下：
| Br=RCK−RCTRCK×100% | (3) |
| Bs=SCK−SCTSCK×100% | (4) |
式中，
径流和泥沙中的养分平均流失浓度计算公式[23]如下：
| Ca=∑CiVi∑Vi | (5) |
| Ca=∑CiWi∑Wi | (6) |
式中，
基于全自动间断化学分析仪的测定结果，径流和泥沙中的养分流失量计算公式[24]如下：
| Q=∑CiVi | (7) |
| Q=∑CiWi | (8) |
式中，Q为径流或泥沙中的养分流失量（mg）。
横坡垄作减少养分流失效益计算公式如下：
| Bn=QCK−QCTQCK×100% | (9) |
式中，
径流和泥沙中的养分流失速率计算公式如下：
| V=QS−1t−1 | (10) |
式中，V为径流或泥沙中的养分流失速率（mg·m–2·h–1），S为径流小区面积（m2）。
1.5 数据处理采用Excel及SPSS20.0软件进行数据处理与分析，主要包括基本指标描述、Pearson相关分析等；采用Origin2021b进行试验结果相关图的绘制。
2 结果 2.1 横坡垄作对不同坡度坡面产流产沙的影响图 2、图 3分别为不同坡度下横坡垄作和平整坡面产流量和产沙量的变化过程。可以看出，在降雨初期，产流量和产沙量急剧增大，随着降雨过程的进行，产流量和产沙量逐渐趋于稳定。坡面产流量和产沙量均随坡度的增大而增大，平整坡面，20°时的产流量和产沙量最大可以达到3°坡面的23.61倍和143.33倍。横坡垄作影响坡面的产流和产沙量，当坡面坡度小于20°时（3°、5°、10°、15°），横坡垄作的产流量和产沙量始终低于平整坡面，在3°、5°、10°、15°坡面，同一时刻，横坡垄作最大可将产流量分别减少12.14、14.94、16.58、115.91 L，最大可将产沙量分别减少67.59、281.22、390.86、747.57 g。当坡面坡度增大至20°时，横坡垄作坡面中部发生断垄，产流量和产沙量存在以时间为界的突变，垄体在被冲垮之前，产流量和产沙量逐渐增大，却始终低于平整坡面，坡面在降雨后18 min左右发生断垄，断垄前一时刻的产流量和产沙量分别为13.91 L和718.09 g；断垄发生后，坡面产流量和产沙量急剧增大，并在20 min左右出现第一个峰值，此时横坡垄作坡面的产流量和产沙量分别为24.72 L和1 771.85 g，分别为平整坡面的1.55倍、1.80倍；此后产流和产沙量急剧下降，并在32 min左右出现第二个峰值，此时横坡垄作的产流量稍大于平整坡面的产流量，而产沙量小于平整坡面。
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图 2 横坡垄作和平整坡面产流变化过程 Fig. 2 Variation of runoff yield under counter tillage and flat slope |
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图 3 横坡垄作和平整坡面产沙变化过程 Fig. 3 Variation of sediment yield under counter tillage and flat slope |
对不同坡度下横坡垄作和平整坡面的产流时间、降雨初损量、径流总量、泥沙总量进行对比分析，结果如表 2所示。整体来看，坡面产流时间和降雨初损量随坡度的增大而减小，平整坡面，坡度为20°时的产流时间较3°时提前了6.70 min，降雨初损量为3°时的31.84%；横坡垄作坡面，坡度为20°时的初始产流时间较3°时提前了27.05 min，降雨初损量为3°时的32.54%。坡面径流总量和泥沙总量随坡度的增大而增大，平整坡面，20°时的径流总量和泥沙总量分别为3°时的3.79倍和33.48倍。横坡垄作能延缓坡面初始产流时间，在不同坡度坡面，坡面初始产流时间延迟了11.58~31.91 min，坡度越小，横坡垄作对坡面产流时间的延长作用越明显。横坡垄作可以减少坡面产流产沙量，3°、5°、10°、15°、20°坡面下的减流效益与减沙效益分别为：100%、95.56%、82.31%、69.90%、45.35%与100%、98.51%、90.73%、84.09%、58.92%。5个坡度下的减流效益大小、减沙效益大小均随坡度的增大而减小。在产流产沙情况下，减沙效益始终大于减流效益。
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表 2 横坡垄作和平整坡面产流时间、降雨初损量、径流总量、泥沙总量变化特征 Table 2 Variation of the initial runoff producing time, initial runoff loss, total amount of runoff and sediment under counter tillage and flat slope |
分析不同坡度下，横坡垄作和平整坡面径流中TP、TN的流失质量，结果如图 4所示。可以看出，在降雨初期，各养分流失量随产流时间急剧增大，随着降雨历时的进行，逐渐趋于稳定。各养分流失量随坡度的增加而增大，平整坡面，20°时的TP、TN流失量最大分别可以达到3°坡面的40.88倍、42.56倍；横坡垄作坡面，20°时的TP、TN流失量最大分别可以达到5°坡面的11.54倍、12.26倍（3°坡面未产流）。当坡面坡度小于20°时（3°、5°、10°、15°），横坡垄作处理的养分流失量均小于平整坡面的养分流失量；当坡面坡度增大至20°时，横坡垄作坡面发生断垄，断垄发生瞬间，横坡垄作的养分流失量急剧增大，在20 min左右达到整个降雨历时的第一个峰值，此时横坡垄作坡面的TP、TN流失量为186.22、235.41 mg，分别为平整坡面的1.65倍、1.54倍，断垄发生后，横坡垄作坡面的养分流失量逐渐降低，在32 min左右，由于坡面又一垄体被冲垮，坡面产流量较大，此时的TP、TN流失量达到降雨历时的第二个峰值，稍大于平整坡面的流失量。
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图 4 横坡垄作和平整坡面径流养分流失量变化过程 Fig. 4 Variation of nutrient losses in runoff under counter tillage and flat slope |
为揭示横坡垄作和坡度对坡耕地养分流失浓度的影响，对不同耕作措施和坡度下的TP、TN平均流失浓度进行分析比较，结果如表 3所示。可以看出，坡度影响养分的平均流失浓度，TP的平均流失浓度随坡度的增大而增大，在20°坡面达到最大值，此时平整坡面和横坡垄作处理下分别为7.63、7.53 mg·L–1；TN的流失浓度先随坡度的增大而增大，并在15°时达到最大值，此时平整坡面和横坡垄作处理下分别为9.89、9.80 mg·L–1，之后TN平均流失浓度随坡度的增大而减小。在坡度相同时，平整坡面和横坡垄作处理间的养分流失浓度整体上差异不明显。
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表 3 径流养分平均流失浓度变化情况 Table 3 The mean concentrations of nutrient loss in runoff |
图 5揭示了泥沙中的TP、TN流失量变化特征。不同处理下，TP、TN流失量总体随产流时间延长波动变化。泥沙中各养分流失量随坡度的增大而增大，20°坡面，平整坡面TP、TN的输出量分别在118.12~212.90 mg、120.81~193.65 mg之间；横坡垄作坡面，TP、TN输出量分别在33.61~264.58 mg、31.62~257.33 mg之间。当坡面坡度小于20°时（3°、5°、10°、15°），横坡垄作处理的泥沙养分流失量小于平整坡面；当坡面坡度增大至20°时，横坡垄作坡面发生断垄，断垄发生时，横坡垄作坡面的产沙量急剧增大并超过平整坡面，导致横坡垄作泥沙中养分的流失量随之增大，并在20 min左右到达峰值，此时TP、TN的流失量分别达到264.58 mg、257.33 mg。
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图 5 横坡垄作和平整坡面泥沙养分流失量变化过程 Fig. 5 Variation of nutrient losses in sediment under counter tillage and flat slope |
表 4揭示了不同耕作措施和坡度下泥沙TP、TN流失浓度变化。整体来看，泥沙TP、TN平均流失浓度受坡度的影响，TP平均流失浓度先随坡度的增大而增大，在15°坡面达到峰值，此后随坡度的增大而减小；平整坡面下，TN平均流失浓度随坡度的增大而增大，但横坡垄作坡面，TN平均流失浓度先随坡度的增大而增大，峰值出现在15°，此时的TN流失浓度为0.15 mg·g–1，此后随着坡度的增大，TN的平均流失浓度减小。相同坡度下两种耕作措施泥沙养分平均流失浓度差异不明显。
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表 4 泥沙养分平均流失浓度变化情况 Table 4 The mean concentrations of nutrient loss in sediment |
表 5是根据各坡度条件下，横坡垄作和平整坡面径流和泥沙中养分流失总量情况统计而成。可以看出，平整坡面，对于TP的流失，泥沙携带和径流携带在不同坡度下起到不同的主导作用，而TN的流失始终以径流携带为主；横坡垄作坡面，TP、TN的流失均以径流携带为主。基于此，利用相关公式计算出不同坡度条件下，横坡垄作减少径流和泥沙中TP、TN的效益，如图 6所示。可以看出，在不同坡度下，横坡垄作均能明显减少养分流失，且随着坡度的增大，横坡垄作减少养分流失的效益逐渐减小。相同坡度条件下，横坡垄作对泥沙中养分的减少效益始终大于对径流中养分的减少效益。在3°坡面，横坡垄作减小养分流失的效益能达到100%，这是由于本试验中横坡垄作3°坡面并未产流，但在实际生产实践中，由于自然环境和人为因素等的制约，往往很难达到100%。
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表 5 养分流失总量变化情况 Table 5 The total nutrient losses in runoff |
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图 6 横坡垄作减少养分流失效益 Fig. 6 Nutrient reduction benefits under counter tillage |
降雨和径流冲刷是土壤侵蚀和养分流失的主要动力[25]，坡度影响坡面的产流产沙过程。坡度增加会使雨滴降落坡面的垂直分力减小，沿坡面的分力增大，径流沿坡面运动速度随之加快，坡面产流时间越早，这与陈正发等[26]、方乾等[27]、Zhang等[28]的结论一致。本文中，10°、15°坡面的初始产流时间较5°坡面迟，这可能是由于在相同坡长条件下，随着坡度的增加，有效降雨面积减少，其产生的效果与增大坡度的效果相互抵消一部分。随着坡度的增大，坡面细沟侵蚀加剧，细沟流量和流速均增加[29-30]。雨水在坡面停留时间因此缩短，降雨入渗量随之变小，导致坡面径流量增大。在坡面流速和坡面径流量的共同作用下，径流对土壤颗粒的分散作用及冲刷搬运能力增强[31]，所以坡面产沙量随坡度的增加逐渐增大。
横坡垄作增加了坡面微地形的起伏，起到拦截径流、增加土壤水分入渗的作用，且横坡垄作形成的沟垄深度、容积均较大，具有较强的蓄水作用，待沟垄蓄满雨水之后才开始产流，因此相同坡度条件下，横坡垄作的初始产流时间始终晚于平整坡面。横坡垄作处理的坡面在未发生断垄时，坡面产流量和产沙量始终低于平整坡面，因为横坡垄作形成的垄体能够拦截降雨，使得雨水在垄内汇集[32]。横坡垄作会增加地表糙度，使地表微地形起伏增大，坡面泥沙沉积量增加，坡面泥沙损失量随之减小[33]。随着坡度增大，坡面产流速率和产流量增加，一旦垄内的积水超过垄丘的拦蓄能力，垄丘下坡在上方来水的冲刷和渗流作用下形成细沟沟头，坡面细沟侵蚀随之加剧，当垄丘剩余土体土壤颗粒间的黏结力小于土体自身的重力和径流剪切力时，坡面发生断垄[34]。断垄发生后，沟垄内蓄积的雨水和垄体本身成为坡面土壤侵蚀的主要水沙来源，坡面产流产沙量急剧增大甚至会超过平整坡面。
3.2 横坡垄作对不同坡度坡耕地养分流失的影响坡度对坡耕地养分流失有重要影响。改变坡面坡度即改变土壤表层受到的雨滴击溅力以及径流对坡面的冲刷作用，最终会影响到坡面水流特征及径流与侵蚀泥沙中各养分的含量[35]。在本研究中，径流与泥沙中TP、TN流失浓度随坡度变化不明显，但流失量随坡度的增大而增加，这是由于随着坡度增大，坡面产流速率增大，快速冲刷土壤表层并持续侵蚀下层土壤，导致养分流失量增大。大量研究表明[36-37]，坡面养分流失量并不随着坡度的增大而持续增加，而是存在一个临界坡度，由于试验方法和土壤性质的不同，临界坡度会存在一定的差异。本试验并未出现临界坡度，可能在20°以上，还需要进一步研究。横坡垄作对土壤养分流失的影响主要表现在两个方面：一是由于耕作会对土壤进行扰动，导致不同的土壤环境，影响土壤养分的贮藏与流失；二是由于耕作措施对水土流失的影响不同，导致径流和泥沙对土壤养分的再分配和土地生产力产生不同的影响[38]。横坡垄作处理的坡面养分流失浓度和平整坡面差异不显著，其流失量主要受径流和泥沙总量的影响[39]，径流和泥沙中的养分流失量和土壤流失呈现显著的正相关关系[40]。在坡度较小时，横坡垄作坡面未产生断垄但改变了微地形，增大了地表粗糙度，导致径流在垄处汇集，延缓了土壤侵蚀产流产沙的过程，减少了水土流失，坡面养分流失量随之减小；而坡度较大时，坡面发生断垄，产流与产沙速率急剧增大，对坡面的冲刷作用随之增大，坡面养分流失量因此超过平整坡面。径流和泥沙中养分流失速率分别与产流和产沙速率存在显著的正相关关系（表 6），R2范围为0.907至0.999。径流中TP、TN随产流速率变化的回归系数大小分别为460.70、557.43，这表明径流中两种养分流失浓度的大小关系为：TN > TP；而泥沙中TP、TN随产沙速率变化的回归系数分别为157.46、144.75，表明泥沙中两种养分流失浓度的大小关系为：TP > TN。径流中全氮的流失量始终大于全磷的流失量，这说明与磷素相比，氮素更容易被水体溶解和携带[41-42]。除横坡垄作10°坡面外，泥沙中全磷的流失量均大于全氮的流失量，这是由于磷素吸附性较强，主要随泥沙流失[43]。
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表 6 养分流失速率和产流产沙速率的拟合关系 Table 6 Relationship between nutrient loss rate and runoff or sediment generation rate |
横坡垄作控制养分流失的效益随着坡度的增大而减小，这是由于坡度的增加会导致横坡垄作控制径流和泥沙的作用降低。坡面土体的不稳定性和坡度成正比，陡坡上的垄体要分出较低坡度更多的力来平衡自身重力，导致垄体易于失稳垮塌发生位移[44]，且垄体被冲垮后，细沟末端发生侵蚀过程，细沟流携带大量泥沙流失[45]。但横坡垄作在不同坡度下控制养分流失的效益均为正值，因此，无论垄体是否被破坏，横坡垄作仍然是控制坡面土壤侵蚀及养分流失的一种实用方法。
4 结论本文通过人工模拟降雨试验，探究了横坡垄作对坡耕地氮磷养分流失过程的影响。结果表明：（1）坡度越大，坡面产流时间越早。横坡垄作能明显延缓坡面初始产流时间，不同坡度条件下，坡面初始产流时间延迟了11.58~31.93 min，坡面坡度越小，延迟作用越明显。当坡面坡度小于20°时（3°、5°、10°、15°），横坡垄作能明显减小坡面产流产沙量；当坡面坡度增大至20°时，横坡垄作坡面会发生断垄，产流产沙量随之增大，会接近或大于平整坡面。（2）横坡垄作和坡度对氮磷养分流失浓度的影响较小，但对养分流失量具有较大影响。坡度较小时，横坡垄作能明显减少径流与泥沙中氮磷养分的流失量；随着坡度增大，由于横坡垄作坡面发生断垄，横坡垄作控制养分流失的效果减弱。径流中全氮的流失量始终大于全磷的流失量，除横坡垄作10°坡面外，泥沙中全磷的流失量均大于全氮的流失量。（3）产流速率与径流养分流失速率、产沙速率与泥沙养分流失速率均呈现线性正相关关系。（4）横坡垄作在不同坡度均具有较好的控制养分流失的效益，横坡垄作对泥沙中养分的控制效益大于对径流中养分的控制效益。
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