四川紫色土丘陵区不同耕作和覆盖方式下坡地养分流失研究.docx

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四川紫色土丘陵区不同耕作和覆盖方式下坡地养分流失研究

四川紫色土丘陵区不同耕作和覆盖方式下坡地养分流失研究

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独创性声明

学位论文题目:

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本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果,文中已加了特别标注。

对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。

签字日期:

跏,/年占月厂日

学位论文作者:

往形爻

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。

本人授权西南大学研究生院筹可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

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保密的学位论文在解密后适用本授权书,本论文:

蛳保密,口保密期限至年月止。

导师签名:

愿哆暧

学位论文作者签名:

崔元复

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签字日期:

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年莎月艿日本论文为国家科技支撑计划资助项目和;国际植物营

养研究所;四川省科技厅应用基础项目

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目录

摘要?

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..第章文献综述

.土壤养分流失的研究方法..室外方法?

..室内方法

.土壤养分研究现状?

一

..土壤养分流失途径..侵蚀泥沙养分流失特征..降雨强度、坡度对养分流失的影响?

...土壤物理性质对养分流失的影响..土地利用方式与农田管理措施对养分

流失的影响?

第章绪论.:

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.研究背景

.研究意义?

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.研究内容.技术路线?

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...数据处理?

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第章材料与方法?

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.研究地点状况

.试验处理?

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.观测期间降雨特征和观测方法?

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..测试项目与分析方法.

第章不同耕作方式下坡地土壤养分流失特征?

..耕作方式对径流量和侵蚀泥沙量的影响?

..耕作方式对径流量的影响?

..

..耕作方式对侵蚀泥沙量的影响

.不同耕作方式下径流养分特征?

.

..径流氮素径流养分特征

..径流磷素径流养分特征?

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..径流钾素径流养分特征?

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..不耕作方式下泥沙养分特征。

..泥沙氮素流失量?

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..泥沙磷素流失量

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..泥沙钾素流失量

.小结第章不同覆盖方式下坡地土壤养分流失特征?

。

.覆盖方式对径流量和侵蚀泥沙量的影响?

....径流量的影响?

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..侵蚀泥沙量的影响?

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.不同覆盖方式下径流养分流失特征...径流氮素流失特征..径流磷素径流养分特征?

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..径流钾素径流养分特征

.覆盖方式下泥沙养分特征?

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..泥沙氮素流失量

..泥沙磷素流失量?

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..泥沙钾素流失量

.小结?

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一

第章结论与讨论.结论?

..

..不同耕作方式下坡地土壤养分流失特征?

。

..不同覆盖方式下坡地土壤养分流失特征?

...讨论?

。

参考文献。

致谢..

科研及论文发表情况?

摘要

摘要

四川紫色土丘陵区位于长江上游,东邻三峡库区,是四川盆地的粮食主产区,

化肥施用量相对较大。

因该区域降水量较大且集中,农田水土流失严重,农田养

分排放对环境的压力很大。

紫色土土层浅薄,土壤发育浅,结构差,保水能力低,

下渗水量大且持水力低,下伏弱透水性母质.母岩层,呈现“上覆土壤,下伏岩石’’

的“岩土二元结构体,这种土壤剖面结构极易使雨水蓄满下渗形成壤中流,在总

径流量中占有相当的份额,为土壤养分的淋失提供了条件。

同时,紫色土下垫面母

岩透水差,使很大一部分土壤下渗水又反渗到地面对地表水造成污染。

近年来,

不少学者针对紫色土坡面的侵蚀产沙和养分迁移规律等问题做过一些研究,这些

研究普遍针对地表径流作用下的坡面侵蚀产沙、养分随地表径流和泥沙迁移规律

展开。

但有的只研究了壤中流对、、中一种元素的淋失影响,有的研究方法

是在没有作物条件下进行,对生产上大面积应用的秸秆覆盖、地膜覆盖等措

施对

养分流失的影响研究较少,不能全面认识紫色土养分损失途径及影响因素,因此,

将土壤养分淋失和地表径流结合起来系统研究秸秆覆盖、地膜覆盖等措施在不同

耕作条件下对土壤侵蚀、地表径流及壤中流比例、土壤养分流失量、流失途径和

土壤养分流失载体的影响,不仅是面源污染理论发展的需要,也是面源污染治理

.

的需要。

本文通过对自然降雨条件下径流小区地表径流、地下径流、泥沙流失量及其

不同形态、、浓度的监测和分析,研究耕作、覆盖等措施对紫色土土壤养分

流失的影响,揭示养分流失途径和流失机理,筛选出能控制紫色土坡耕地面源污

染的耕作措施和覆盖措施,为紫色土坡耕地水土流失和农田面源污染治理,保持

和提高土壤肥力提供理论依据。

研究结果表明:

.不同覆盖方式处理对控制径流和侵蚀泥沙的效果优于不同耕作方式处理。

在没有覆盖的情况下地表径流深是壤中流的..倍。

与顺垄相比,平作、

横垄和横分都能减少地表径流深和径流总深。

平作减少侵蚀泥沙不明显,横垄和

横分均能减少%以上的侵蚀泥沙。

与不覆盖相应处理相比,秸秆覆盖和地膜覆

盖均能降低径流总深和侵蚀泥沙量,而秸秆覆盖效果优于地膜覆盖。

在所有处理

中平作秸秆径流总深最小,横垄秸秆侵蚀量最小,平作秸秆次之。

.耕作方式对径流养分浓度的影响表现在,与顺垄相比,横垄和横分能增加氮

素、磷素和钾素的地表径流浓度,但会降低壤中流氮素浓度。

平作对径流养分浓

度影响不大。

耕作方式对磷素和钾素壤中流浓度影响不大。

耕作方式对养分流失

量的影响表现出,与顺垄相比,横垄、横分能减少径流氮素流失总量,.平作会增

加径流氮素流失总量;平作、横垄、横分能降低磷素地表径流流失和径流流失总两南大学硕士学何论文

量;平作、横垄能减少径流钾素流失总量,横分处理会增加径流钾素流失总量;

泥沙全量养分流失量大幅高于有效养分流失量,平作、横垄和横分能减少全量养

分有效养分流失。

.覆盖方式对径流养分浓度的影响表现出,与不覆盖相应处理相比,秸秆覆

盖和地膜覆盖均能降低壤中流浓度、地表径流浓度和壤中流浓度,均

能增加地表径流浓度。

覆盖方式对于径流和泥沙养分流失的影响出,与不覆盖

相应处理相比,除顺垄秸秆外,其他覆盖处理都能不同程度减少氮素径流流失总

量,平作秸秆控制效果最好;秸秆覆盖和地膜覆盖均能降低径流磷素流失总量和

径流钾素流失总量,秸秆覆盖效果优于地膜覆盖,其中平作秸秆效果最好;秸秆

覆盖和地膜覆盖均能减少泥沙流失量,而且秸秆覆盖效果也优于地膜覆盖,其中

横垄秸秆效果最好,平作秸秆次之。

无论是秸秆还是地膜覆盖,与顺坡垄作相比,横坡垄作均能减少地表径流、

地下径流、土壤侵蚀量及氮、磷、钾素总流失量。

从耕种简便和防治面源污染的

角度考虑,紫色土区坡耕地最适宜的种植方式为平作秸秆覆盖。

关键词:

自然降雨紫色土耕作方式覆盖方式养分流失,

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///////』』』第章文献综述

第章文献综述

坡地水土流失问题是一个世界性难题,它一方面直接导致营养物质流失,使

土地退化、生产力水平降低,另一方面径流所携带的泥沙淤积河道与水库,

所携

带养分导致受纳水体的富营养化。

土地资源作为人类社会赖以生存和发展的物质

基础,是不可再生的最基本资源。

长期以来,水土流失作为引起土地退化的最主

要方式之一,严重地侵蚀着土地数量并降低了土壤质量。

特别是近几十年来,随

着世界人的急剧增长与经济社会的发展,人类活动对环境的影响加剧,不合理

的人类活动加快了水土流失的速度,致使大量土地生产能力局部或全部丧失。

水

土流失及其它原因导致的土地退化成为当前全球所面临的最紧迫的资源与环境问

题【川。

目前,在全球范围内,%的国家和地区受到水土流失的危害;在.亿

陆地中已达%的面积出现水土流失,每年多达亿吨有生产力的肥沃表土

流失。

我国是世界上水土流失最严重的国家之一,水土流失已成为影响我国经济

发展的重要因素之一,同时也是威胁经济发展、社会进步的重要环境问题之一。

早期的水土流失研究多注重于水、土的流失,养分的流失并没有引起足够的

重视。

直到世纪年代,当水体富营养化等水质问题目趋突出时,大量科学

家才对其发生得根源进行了广泛调查和深入分析,发现点源污染治理的卓有成效

并不能有效地改善水质,面源污染的危害随肥料用量的增加而日益突出。

农业面

源污染作为一种重要的面源污染形式,对水体富营养化的贡献率相对增大,并已

经成为一些地区水体磷素的主要来源】。

全球大约有%%的地表水体受到面

源污染的影响。

美国环保局年的调查结果表明,农业面源污染导致约%的

湖泊和河流水体水质不合格,已是美国湖泊和河流污染的最大污染源。

在欧洲,

农业面源污染也是造成水体污染的第一大污染源。

瑞典不同流域中氮的总输入量

有%%来自农业【】;荷兰农业面源污染的总氮和总磷分别占水污染总量的

%和%】:

芬兰水质恶化的湖泊占%,而农业面源排放的磷和氮占各种污染

总排放量的%以上【】。

中国受农业面源污染影响的农田有万,将近

%的中国地下水被农业面源污染【。

农业面源污染日益恶化已成为当前水体污染

中最大的问题,严重影响农业和农村经济环境的可持续发展。

研究发现造成

水体污染的真正根源是土壤养分流失【,要推动农村经济社会快速发展,就必须

有效控制农业面源污染【。

土壤养分流失作为农业面源污染的重要原因之一,在全世界范围内备受关注。

。

紫色土作为我国特有的一种土壤类型,主要分布在长江流域,以四川、重庆

两地最为集中。

紫色土质地松软,结构松散,易风化,抗蚀性较差,保水保土能

力较弱,是一种侵蚀型的高生产力岩性土,也是水土流失比较严重的土壤。

同时两南大学硕十学位论文

紫色土又具有风化成土作用快、矿物组成复杂、矿质养分丰富、耕性和生产性好、

自然肥力高等特点,是一种宝贵的农业土壤资源。

然而由于其极易流失,已成为

当地发展农业生产的主要障碍。

据资料显示,我国紫色土的侵蚀面积与强度仅次

于北方的黄土。

强烈的水土流失不仅对土壤质量产生了巨大威胁,成为农业生产

进一步发展的主要障碍,而且对水体环境健康和水利设施可持续利用也埋下了隐

患。

四川丘陵区位于四川盆地中部嘉陵江中下游地区,土壤类型以紫色土为主。

该区域涉及到个区县,其中典型的区县个,总面积达.万,占四川

省面积的.%。

总人口有.万人,人口密度高达.人/,是四川省

平均人口密度的倍多,中国人口密度的倍,人地矛盾十分尖锐。

由于森林覆

盖率低、降雨季节分布不均,加上土地利用不合理,该地区水土流失严重,土地

生产力急剧下降,土壤侵蚀造成的中低产田地约占耕地的/。

据测定长江上游宜

昌站的泥沙流失量每年为.亿,其中大部分来自于旱坡耕地。

为了缓解尖锐的

人地矛盾而大量使用化肥去获取粮食高产,这样过量使用氮肥同时磷肥、钾肥使

用不足与区域间分配不平衡,导致土壤板结、耕作质量差。

而肥料利用率低,导

致土壤和肥料养分易流失,通过各种途径,如径流、淋溶、吸附和侵蚀等进入水

体,造成地表水、地下水的污染和湖泊的富营养化。

因此探讨四川紫色土丘陵区

坡面四川大面积的坡耕地坡度侵蚀泥沙和径流养分流失特征,为紫色土水

土流失的防治提供理论基础,丰富紫色土养分流失机理研究体系。

故对于它的研

究也是控制四川紫色土丘陵区农业面源污染的根本途径,是维持长江水质安全的

重要手段,也是维持紫色土区生态环境平衡的前提和基础,并为紫色土丘陵区坡

地的可持续利用及当地的农业可持续发展提供了科学依据。

.土壤养分流失的研究方法

常见的研究方法可分为室外和室内两大类【剐,室外方法通常是选择比较规则、

具有代表性的坡面,在坡面上根据研究目的需要建立相应的观测小区。

室内方法

起源于水力学和河流动力学。

..室外方法

径流小区法是研究水土流失最经典的室外方法,也是最有效的方法。

径流小

区是对坡地水土流失规律和小流域水土流失规律进行定量研究的一种测验设施。

’

一般由边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流和泥沙集蓄设备、保护带及排水系

统组成。

它可看作为地面径流条件大体相同的流域的一部分,特别有利于研究水

土保持单项措施对水土流失现象的影响,以及减水、减沙、保持水土的效益情况,

第苹文献综述

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对于探索水土流失的发生发展规律有着积极的作用。

通常是选择比较规则、具有

代表性的坡面,在坡面上根据研究目的需要,建立相应的观测小区。

小区的宽度多

在~之间,基本要求是小区能够完整地反映地形地貌特征,小区的长度也与

试验目的密切相关,有的长~,有的则长达以上。

径流小区还可以结合

植物措施和耕作措施来研究栽种不同的植物和不同种植方式、耕作方式对于水土

流失的影响。

径流小区是水土保持观测试验的重要方法之一,是从微观尺度上研究和测验

水土流失状况最有效的方法,也是获取水土保持比较效应的基础资料?

。

径流

小区试验最初由美国密苏里农业试验站的.密尔洛及其同事于年创建,并

逐渐被各国水土保护学者所学习使用,通过该方法所研究的最大成果莫过于土壤

瓜。

通用流失方程?

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我国应用径流小区进行土壤侵蚀研究开始于年四川省内江甘蔗试验场坡

地试验小区的设立,当时主要从事不同耕作方法对水土流失量及作物产量影响的

试验研究。

年月北碚建立了水土保持试验区,引进国内外优良的水土保持

树种及草种,并效仿美国的做法,采用径流小区和小流域泥沙测量,对水土流失

’

规律、水土保持措施及效益等进行了研究【引。

..室内方法

由于野外观测实验主要取决于天然降雨情况,特别是在一些少雨地区,每年

产生径流的次数有限,使径流小区观测实验工作受到很大限制,数据积累很慢,

远远不能满足需要,因此有必要进行室内的实验方法。

室内方法常采用人工模拟

降雨的方法。

室内模拟降雨装置系统主要功能是对室内有控条件下二维坡面降雨

过程中的产流规律、土壤水分运动规律、土壤溶质迁移及其相互作用进行模拟试

验,研究各因子的内在机理,它是利用水文、土壤物理和电化学的方法对自然现

象的变化过程进行观测预报。

常见实验装置系统由降雨系统、实验土槽装置、坡

度调节系统、土壤水分测量系统、径流量测定系统、泥沙含量或径流溶液采样装

置、坡面土壤溶质在线测量系统个部分组成【】。

常用的研究方法还有核示踪法与遥感法等。

.土壤养分研究现状

..土壤养分流失途径

土壤养分流失过程是指土壤中不同类型及形态的养分向除植物体以外的土壤

本体外环境输出的过程【。

土壤中的养分流失有个主要途径,一是随地表径流

和侵蚀泥沙的横向迁移;二是随水分下渗形成的纵向迁移,即养分的淋失。

但是

两南大学硕十学位论文

具体是哪种形式在坡面养分流失过程中起着主导作用,不同学者由于研究的

地表

状况及土壤类型不同研究结果并不完全一致。

在以坡地主要利用方式的农田中,

%以上氮磷流失是以径流泥沙携带形式流失的,因此侵蚀泥沙在养分流失中起着

主导作用,但在少量或无侵蚀发生的土地利用类型中,氮磷以液态形式随地表径

流运移出农田,径流水又成为了养分流失的主要途径。

在不同的土壤类型研究区,锄【】研究认为我国黄土地区%的养分流

失是随泥沙携带流失的。

而康玲玲】等认为对黄土坡地养分流失形式与降雨强度

有关,降雨雨强较大,土壤养分主要以泥沙携带形式进行流失,降雨强度较小时,

养分以径流溶解可溶性养分形式进行流失。

马琨【】等采用人工模拟降雨的方法对

红壤坡地养分流失特征进行的研究,同样发现红壤土养分流失形式与降雨强度有

关,雨强较大时,泥沙对养分有明显的富集作用,全磷和有效钾的富集率最高,

泥沙携带为养分流失的主要途径;雨强较小时,养分流失以可溶态和泥沙结合态

为毛,即径流、.泥沙携带养分流失的形式都存在,但相比较而言,可溶性养分

流

失量占流失养分总量比例较大,即径流携带养分流失量较泥沙大。

黄丽、傅涛【】

等通过人工降雨模拟试验得出同样的结论,即认为紫色土地区在覆盖度较低的情

况下,径流、泥沙是养分流失的途径,泥沙携带是紫色土养分流失的主要途径。

但二者也有差异,前者认为泥沙中.的团聚体和。

的粘粒是养分

流失的主要载体;后者认为径流中流失的养分以可溶性、速效养分为主,虽然其

流失量相对泥沙少,但是也不容忽视。

而王洪杰【】等在小流域尺度上开展了紫色

土养分流失规律研究表明,紫色土区养分流失以径流流失为主要途径,虽然泥沙

中养分含量较高,但是泥沙量相对径流量要少的多,由此得出紫色泥沙养分流失

量并不大。

不同的雨强也会对坡地养分流失途径有影响。

傅涛【】研究发现径流养分含量

和泥沙中养分含量均与雨强无关,径流中的养分浓度远远低于流失泥沙和表层土

壤中的养分含量,而且其携带的养分流失量也远远低于泥沙携带的养分流失

量,

认为紫色土坡面养分流失主要是以泥沙为载体。

林超文【】却认为氮的主要损失载

体是壤中流,受雨强影响较小,受施肥方式影响大,一次性施肥显著增加了氮的

损失量;磷损失的主要载体是泥沙,受雨强影响大,受施肥方式影响小,雨强越

大磷损失量显著增加。

’

’

..侵蚀泥沙养分流失特征

侵蚀泥沙养分流失的空间分布与坡面侵蚀方式和侵蚀强度的空间分布相一

致。

据研究,坡面土壤养分流失有如下规律:

坡面土壤侵蚀养分流失量随雨强的

增大而增大;随坡度的增大而增大;随坡长的增长而增大;水土流失的泥沙中的

第章文献综述

养分含量远远高于径流中的含量;与原地土壤相比,侵蚀泥沙中细颗粒特别是粘

粒的含量明显增加,增加的结果导致了泥沙粘粒的富集.】,而粘粒富集会引起

有机质和全氮在泥沙中富集。

这是因为坡面水蚀动力学特性决定了侵蚀径流

优

先搬运较细土粒,和原地土壤相比,侵蚀泥沙中细颗粒特别是粘粒的含量明显增

加,这导致了泥沙颗粒的富集。

由于土壤养分多与土壤细颗粒结合,泥沙粘粒的

富集导致了养分的富集。

黄丽【和蔡崇法的研究证实了这一点。

而】

发现,由于团聚体的作用,未分散与分散的泥沙颗粒大小的分布不同。

副

研究结果相反,认为一次总侵蚀量较大时泥沙粒径分布更接近于原土壤分布。

..降雨强度、坡度对养分流失的影响

降雨强度对坡地养分流失的显著影响主要是通过影响坡面泥沙量与径流量,

进而影响其携带的养分含量。

康玲玲】在研究中指出养分流失量与雨强成正比,

马琨也得出相似观点。

傅涛【】在雨强对三峡库区黄色石灰土养分流失的影响中

指出,雨强与养分流失量呈正相关,认为雨强可以通过影响坡面泥沙量来影响其

携带的养分流失量,而在不同雨强和坡度条件下紫色土养分流失规律下发现径流

中养分含量和泥沙中养分含量与雨强均无关【】。

林超文【】指出氮损失受雨强影响

小,磷损失的主要载体是泥沙,受雨强影响大,雨强越大,磷损失量显著增加。

这些研究结果有差异,可能是供试土壤本身性质及其对对养分的吸附力不同,也

可能是降雨产流过程的差异造成的。

这是一个复杂的问题有待继续深入研究。

坡度主要通过影响降雨入渗的时间,进而对坡面产流特征产生明显的效应。

孔刚删在坡度对黄土坡面养分流失的影响试验研究中指出土壤中养分的流失量随

坡度的增大而增大,但在附近存在转折点,时养分流失量反而减小。

刘秉

正【等指出养分流失总量随坡面坡度的增加呈幂指数增加,在坡度小于时与坡

度呈线性相关,当坡度大于时则呈幂指数相关。

张乃明等【研究结果表明不同

坡度土壤径流中总磷的浓度和输出量不同,其中坡度为时径流中磷含量和输出

量最高,分别达到./和./;随着坡度的增大,径流中总磷浓度和

输出量呈增大的趋势。

坡度较小时,雨水在土表停留时间较长,径流中的磷素

以溶解态为主,而颗粒态较少,坡度较大时却相反,坡度适丁时径流中颗

粒态磷和溶解态磷都相对较高。

李光录等】通过大量的调查和试验,在对养分流

失机理进行分析的基础上,总结出养分流失量随坡度增大而增加。

而傅涛在研

究中却发现径流养分含量与坡度无关,而泥沙中养分含量随坡度增加而降

低。

总

的来说,坡度增加养分流失量也增加,减小坡度可减少土壤养分的流失,可有效

控制土壤养分流失。

』//』』』』』』』西南大学硕士学位论文

..土壤物理性质对养分流失的影响

土壤结构性发育较好的土壤,由于其大团聚体含量高,土壤大孔隙也较为发

育,入渗性能较好,地表产流量与产沙量会相对减少,从而相对减少了养分的流

失量。

在黄土区坡地土壤侵蚀严重、有机质含量低/,土壤结构发育较

差,磷素极少向深层迁移。

黄丽【】的研究表明泥沙中.的微团聚体和

.的粘粒是养分流失的主要载体。

晏维金】认为,径流流失的沉积物主要

以.以下的团聚体为主,%以上的磷以颗粒态形式流失,而颗粒态磷的

%%随.以下的团聚体流失,黄满湘【】同样指出了氮养分流失以颗粒

态氮为主,康玲玲】也指出土壤养分主要是以不溶态的形式随泥沙迁移,随径流

迁移的可溶态养分很少。

这是因为坡面水蚀动力学特性造成侵蚀泥沙颗粒富集从

而造成养分富集。

..土地利用方式与农田管理措施对养分流失的影响

不同的土地利用方式与农田管理措施主要包括土地利用、耕作方式、施肥、

覆盖等且对养分流失的影响差异很大。

不同的土地利用方式下,一般是林地的养分流失最小,草地次之,农田最大【们。

等【】指出,在黄土高原丘陵区从山脚到山顶的土地利用方式依次为农田、草地

和森林,能够很好的保持土壤养分。

三峡库区的研究结果则表明,坡地果园是坡

耕地较好的土地利用方式【。

当土地利用方式改变时,如由灌木丛林地变为一年

生草地时,会增加坡面养分的流失【;在植被恢复过程中养分径流损失随植被生

长而减少,渗漏损失则增加【;单一农田土地利用会导致土壤氮素径流流失的大

幅度增加,相比较而言,流域景观的多样化与综合化对氮素流失的控制更为有效

垮。

总之,在各种土地利用方式中,农田养分流失量显著高于其他利用方式,说

明农业耕作是土壤养分流失的主要来源;植被覆盖和采用水土保持耕作法,可以

有效减少坡地农田养分流失,因此退耕还林还草工程,可有效改善目前土壤养分

流失严重的局面。

耕作活动容易造成表层土质疏松,土壤结构破坏,导致地表径流过程中水土

流失严重,增加硝态氮淋失%/