旱作农业土壤水蚀条件下氮素流失效应试验研究

基于旱作农业夏玉米野外径流小区试验,通过设定不同降雨类型和不同尿素施用水平,重点研究水蚀条件下土壤氮素流失效应与机理。试验结果表明,水蚀条件氮素流失水平与侵蚀程度及泥沙氮素携带能力有关,其中,泥沙侵蚀程度对氮素流失影响显著,而施肥水平对泥沙吸附氮素携带能力影响明显。侵蚀过程中泥沙、径流及表土中氮素浓度不同,泥沙吸附氮素浓度略高于表土,而远大于径流溶解氮素浓度。比较随泥沙与径流流失氮素水平发现,随泥沙流失氮素比例都高达85%以上,远大于径流携带数量,说明泥沙是氮素流失的主要载体。     

稻麦两熟农田茬口衔接期养分径流流失特征

采用田间小区定位试验研究自然降雨条件下稻麦两熟农田"稻季-麦季-稻季"茬口衔接期养分径流流失规律。结果表明:麦季常规施肥条件下麦稻茬口衔接期径流水量达77.59m3/hm2,径流侵蚀泥沙量达48.30kg/hm2,麦季少免耕处理较常规施肥处理增加径流水量达41.41%;径流水氮磷浓度分别达2.22,0.46mg/L,径流侵蚀泥沙氮磷浓度分别达1.15,1.65g/kg;麦稻茬口衔接期氮素径流流失量达227.84g/hm2,以径流水流失为主,占氮素总径流流失量的75%以上;磷素径流流失量达115.57g/hm2,以径流侵蚀泥沙流失为主,占磷素径流流失总量59%以上;麦季秸秆还田、秸秆还田减肥处理减少麦稻茬口衔接期氮素和磷素径流流失量分别达6.04%～9.74%和5.73%～11.54%,而麦季少免耕处理则增加21.75%和13.42%。     

降雨强度对紫色土坡耕地养分流失的影响

采用人工模拟降雨装置,通过野外径流小区试验,研究了不同雨强对紫色土净作玉米条件下坡耕地土壤氮、磷、钾养分流失的影响.结果表明,在小雨强条件下,无地表径流及土壤侵蚀发生;随着雨强的增大,地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量都急剧增加.磷素和钾素流失总量也随着雨强的增加而增加,而雨强对氮素流失的影响不大.在3种雨强条件下,氮素均主要通过地下径流的途径而流失,平均占氮素总流失量的96.5%.在小雨强条件下,磷、钾素不通过地表径流和泥沙流失;在中、大雨强条件下,磷、钾素流失途径均以侵蚀泥沙流失为主,分别平均占流失总量的95.3%,93.0%.     

黄土丘陵沟壑区不同植被类型的水土保持功能及养分流失效应

对黄土丘陵沟壑区安塞水土保持试验站3种草本、3种灌木、3种乔木、1种农田共计10种植被类型径流小区进行径流和侵蚀泥沙观测,并分别分析其养分含量,研究黄土丘陵区不同植被类型水土保持功能及养分流失效应。结果表明,乔、灌、草植被类型的水土保持功能相对农田较好,在径流和土壤养分流失方面相对农田较少。因此,该地区要注意建设和恢复草、灌植被,使之尽快起到水土保持作用,近而减少土壤养分流失。     

上海地区不同施肥方式氮磷随地表径流流失研究

选择上海宝山罗店镇具有代表性的旱地蔬菜农田生态系统,在从2004年3月到8月的近半年时间里,通过对径流及径流中侵蚀泥沙的氮磷流失情况的连续监测与实验分析,研究了旱地农田施肥与氮磷流失污染之间的关系,探讨了农田氮磷的迁移特征及环境效应,主要结果表明:随地表径流流失的总氮、总磷,流失形态以沉积相为主,大部分是当季施用的化肥,随径流排出农田的氮素中有37.7%是当季施用的氮素化肥,磷素中有26.9%是当季施用的磷素化肥。     

水土保持综合措施对红壤坡地养分流失作用过程研究

为了研究红壤坡地养分流失规律,通过江西省水土保持生态科技园2006～2007年野外试验,分析了3种生态措施、3种典型降雨红壤坡地N、P流失过程。结果表明:不同降雨类型下采取生态措施能对整个径流过程中的总氮和总磷浓度起到明显的控制作用,且各处理径流中氮和磷的流失主要集中在径流初期,后期均匀稳定。养分流失均以侵蚀泥沙携带养分流失为主,但随着降雨的减小,泥沙携带养分流失量占养分总流失量的比例会降低。各处理侵蚀泥沙均有养分富集现象,而且随着降雨的减小而增大。     

紫色土丘陵区农业小流域暴雨事件磷素多尺度流失特征

为了揭示自然小流域尺度降雨、地形、土地利用结构等对泥沙和磷素输出的影响,根据丘陵区农业小流域自然地貌与土地利用特征,设计了不同尺度的小流域监测点,分别为苏荣、截流、大兴、万安,监测面积分别为3.0,34.6,480.3,1 236.4hm~2,并选择了降雨侵蚀力(R)分别为1 411.5,595.7,391.4 MJ·mm/(hm~2·h)的3场降雨事件监测小流域内磷素流失过程特征。结果表明:(1)以居民点集镇和耕地为主的苏荣和截流小流域水文响应速度较快,暴雨事件中径流峰值出现在降雨峰值后的5~10min,较大尺度大兴和万安小流域泥沙浓度峰值与径流峰值滞后于降雨峰值0.5~3h。(2)3场暴雨径流中泥沙与全磷、颗粒态磷均存在较一致的显著相关关系(R0.6,P0.01),泥沙、全磷流失负荷在源头小流域(苏荣、截流)最高,3场暴雨苏荣全磷平均流失负荷达到0.36kg/hm~2,万安小流域泥沙、全磷流失负荷最低,全磷平均流失负荷为0.009kg/hm~2。(3)小流域径流中颗粒态磷占全磷流失量50%以上。(4)多元回归分析结果表明,径流量和泥沙含量可用于进行磷素流失通量预测。坡耕地、林地与水田带状组合结构可显著降低小流域泥沙和磷素流失负荷。研究结果为计算丘陵区农业小流域暴雨过程中磷素多尺度流失负荷提供参考。     

三峡库区小流域旱坡地氮磷流失特征研究

为探讨三峡库区小流域旱坡地氮磷流失特征,采用标准径流小区对重庆市涪陵区珍溪镇王家沟小流域常规耕作方式(顺坡耕作)以及水土保持耕作方式(常规顺坡耕作+PAM土壤调节剂、免耕+顺坡种植+稻草覆盖、常规顺坡耕作+植物篱、免耕+横坡垄作、常规横坡耕作)下土壤氮素和磷素的流失量及形态特征进行分析。结果表明:(1)就旱坡地土壤氮素的流失特征而言,径流中氮素的流失量相对较小,最大值仅为53.63mg/m2;而泥沙中所携带的氮素流失量相对较大,其最大值达131.25mg/m2;整个观测期内,氮素的流失主要以颗粒态为主,颗粒态氮的流失量占总氮流失量的53.0%～62.0%。(2)就旱坡地土壤磷素的流失特征而言,各处理径流中磷素的总体规律基本表现为:常规顺坡耕作>常规横坡耕作>免耕+顺坡种植+稻草覆盖>常规顺坡耕作+PAM土壤调节剂>免耕+横坡垄作>常规顺坡耕作+植物篱;泥沙中所携带的磷素流失量相对于径流中的磷素流失量而言较大,最大值为58.14mg/m2;整个观测期内,颗粒态总磷流失量为水溶态总磷流失量的1.75～2.15倍,流失方式同样以颗粒态为主。总体而言,水土保持耕作方式下的氮磷流失量均小于常规耕作处理,能有效减少径流及泥沙中各形态氮磷的流失。     

岩溶槽谷区坡面土壤磷素流失过程与影响因素——以中梁山龙凤槽谷试验场为例

为揭示自然降雨条件下岩溶槽谷区坡面土壤磷素流失规律,分析坡面径流和侵蚀泥沙中各形态磷素的迁移流失过程,并着重探讨降雨条件、土地利用方式因素对磷素流失的影响。在重庆市中梁山龙凤槽谷区设置耕地、林地和果园地3个标准径流小区（20 m×5 m）,对坡面径流及泥沙中的磷素流失开展为期1年的监测。结果表明：（1）坡面土壤磷素流失强烈依赖于坡面产流产沙过程,槽谷区土壤磷素流失以径流流失为主,泥沙流失为辅;（2）总体来看,不同土地利用方式总磷（TP）流失总负荷表现为耕地 > 果园地 > 林地,耕地TP流失总负荷为0.17 kg/hm²,约是果园地的1.76倍和林地的4.68倍;（3）径流中磷素浓度变化受降雨强度控制,雨季初期径流中磷素流失形态以水溶性总磷（TDP）为主,其余降雨事件则以颗粒态磷（PP）为主,ρ（PP）/ρ（TP）的比例为63.92%~96.97%;（4）泥沙中磷素浓度变化受降雨强度影响较小,泥沙磷素存在富集现象,且全磷富集比（ER_STP）与雨强无明显相关关系。     

稻田径流侵蚀泥沙对磷素流失的影响

采用田间小区定位试验研究了自然降雨条件下稻田径流泥沙流失规律及其对磷素流失的影响。结果表明:常规施肥(T0)条件下,稻季径流侵蚀泥沙量可达5 113.63kg/hm2,秸秆还田(T1)和还田减肥(T2)处理均显著降低侵蚀泥沙量,分别达6.02%和7.18%。T1、T2处理能降低侵蚀泥沙中全磷(TP)和速效磷(AP)的平均浓度,分别达6.23%,22.16%和3.99%,13.40%。同时,T0处理的稻季侵蚀过程中由泥沙流失的磷素总量达1 115.34g/hm2,T1、T2和T3(肥料运筹)处理均能显著降低侵蚀泥沙TP流失量,分别达18.14%,23.93%和15.21%,磷素流失率也显著地降低。     

细沟侵蚀阶段玉米季坡耕地氮素流失特征

研究紫色土区坡耕地玉米全生育期细沟侵蚀阶段水土及氮素流失规律,以期为研究区氮素流失有效防控提供科学依据。采用人工模拟降雨与野外径流小区相结合的方法,开展降雨强度为1.5mm/min条件下玉米全生育期细沟侵蚀阶段地表径流、壤中流和侵蚀泥沙中氮素流失特征的研究。结果表明:细沟侵蚀阶段,玉米各生育期地表径流量、壤中流量和侵蚀产沙量总体表现为随降雨时间延长呈先增加后平稳的变化趋势。地表径流中总氮、可溶性总氮、硝态氮和侵蚀泥沙中总氮流失量总体呈现先增加后平稳的趋势,而地表径流中铵态氮流失量变化趋势在降雨前期呈现波动性变化,降雨后期逐渐平稳。壤中流中总氮、可溶性总氮、硝态氮、铵态氮流失量则随着降雨时间延长呈现平稳的变化趋势。细沟侵蚀阶段地表径流中氮素流失总量在玉米苗期最大,为628.77mg/m2;壤中流中氮素流失总量在拔节期和抽雄期最大;侵蚀泥沙中氮素流失总量在苗期最大,为144.95mg/m2。壤中流为氮素流失主要途径,硝态氮为氮素流失主要形态。     

三峡库区紫色土旱坡地不同坡度土壤磷素流失特征研究

以三峡库区紫色土旱坡地为研究对象,采用野外径流小区观测方法,研究了三峡库区旱坡地不同坡度下土壤磷素的流失特征。结果表明,地表径流量和侵蚀泥沙量都随着坡度的增大而增大,且径流量和泥沙量是先增大后减小,最后趋于稳定。地表径流和侵蚀泥沙中磷素的流失量均呈17°>9°>4°的趋势。地表径流中,颗粒态总磷流失量是水溶态总磷流失量的1.50～1.51倍。全磷主要吸附在泥沙中流失,磷素随泥沙的流失量占总流失量的85.0%～94.1%。研究结果为三峡库区旱坡地磷素的管理提供理论依据。     

自然降雨条件下秸秆还田对巢湖流域旱地氮磷流失的影响

本文通过野外径流小区观测试验,开展了自然降雨条件下秸秆覆盖对巢湖流域旱地地表径流、泥沙和氮磷流失影响的研究。试验结果表明,秸秆覆盖能有效减少地表径流量、侵蚀产沙量以及因地表径流引起的土壤氮磷流失。在整个玉米生长期间,秸秆覆盖小区的总产流量与产沙量比传统耕作小区分别减少30.47%和22.88%,表现出显著的水土保持作用。与传统耕作小区相比,秸秆覆盖小区随地表径流迁移的氮、磷流失总量分别降低27.42%和32.29%,但秸秆覆盖对径流中氮磷浓度的影响却不明显。溶解态氮是氮素流失的主要形态,颗粒态磷是磷素流失的主要形态。秸秆覆盖可以作为源头控制农业面源污染的较好措施之一加以推广。     

三峡库区王家沟小流域不同坡度土壤氮素流失特征研究

采用野外径流小区观测方法,研究了三峡库区王家沟小流域旱坡地不同坡度土壤氮素的流失特征。结果表明:①旱坡地不同坡度小区土壤氮素流失量总体不大,单场降雨侵蚀泥沙氮素流失量最大值为189.06 mg/m2,而在地表径流中仅为28.12 mg/m2,侵蚀泥沙氮素流失量明显高于地表径流氮素流失量,最大差异达到16.8倍,差值随着坡度的增大有减少的趋势;坡度越大,地表径流氮素和侵蚀泥沙氮素的流失量也越大,呈现出小区17°>9°>4°的趋势;铵态氮流失量明显低于硝态氮流失量,4°、9°、17°小区地表径流硝态氮流失量较铵态氮流失量分别高出3.2、3.6、4.0倍,说明硝态氮较铵态氮更易于流失,且随着坡度的增大差异增大。②不同坡度小区地表径流量、侵蚀泥沙流失量与降雨量均存在显著的线性正相关(P<0.05),且随着坡度的增大地表径流量与降雨量的相关系数在增大,侵蚀泥沙流失量表现则相反,这可能与土壤母质、作物生长等情况有关。     

甘蔗种植方式对蔗地土壤侵蚀及氮素流失特征的影响

[目的] 探讨自然降雨条件下甘蔗种植方式(宿根和新植)对坡地的土壤侵蚀及氮素流失特征的影响，为区域水土流失防治和甘蔗合理种植提供理论依据。 [方法] 基于径流小区原位观测试验，以10°赤红壤植蔗坡地为研究对象，设置甘蔗宿根和新植两种种植方式，测定自然降雨条件下坡面径流、侵蚀量及硝态氮和铵态氮流失量，获得自然降雨条件下宿根蔗和新植蔗坡地土壤侵蚀特征和氮素流失的特征。 [结果] ①2021年5-10月宿根蔗和新植蔗地分别发生侵蚀性降雨40场和43场，累计侵蚀性降雨981.8 mm和1 013.0 mm。蔗地径流、侵蚀量及氮素流失量均集中在6月，径流和侵蚀泥沙中硝态氮和铵态氮主要随地表径流流失，占径流侵蚀氮素流失总量的96.0%以上；径流中的氮流失以硝态氮为主(＞70.0%)，而侵蚀泥沙中则以铵态氮流失为主(＞80.0%)。宿根蔗坡面径流、侵蚀量较新植蔗减少了31.8%和83.5%，径流中硝态氮和铵态氮流失量减少了56.7%和51.9%，侵蚀泥沙中则减少了85.4%和60.2%。 ②次降雨条件下，蔗地坡面径流、侵蚀和氮素流失随降雨量波动变化，宿根蔗和新植蔗地的径流、侵蚀量及氮素流失量主要发生在2021年6月3-24日降雨中，且整体上均表现为宿根蔗小于新植蔗。随着甘蔗的生长，蔗地坡面径流、侵蚀及其携带氮素流失量均逐渐减小。 ③最大30 min降雨强度(I₃₀)和降雨量是影响蔗地径流中和侵蚀泥沙中氮素流失的主要因子；最大60 min降雨强度(I₆₀)和I₃₀分别是影响宿根蔗和新植蔗坡面径流侵蚀的最主要降雨因子。 [结论] 蔗地坡面土壤径流、侵蚀泥沙中的硝态氮和铵态氮流失以地表径流中的硝态氮流失为主；与新植蔗相比，宿根蔗在甘蔗苗期和分蘖期可以有效降低坡面径流侵蚀及氮素流失，伸长后期二者差异逐渐变小。     

雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀及氮磷流失的影响

采用人工模拟降雨的手段,在2种雨强(50,75mm/h)、4种坡度(5°,10°,15°,20°)条件下,研究了雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀和养分流失的影响。结果表明:(1)降雨强度从50mm/h增大到75mm/h,相同坡度的坡面开始产流时间提前了2.75~4.79min。(2)随着雨强的增大,同一坡度的坡面径流量增加了12.53~15.80mm/m2,增加幅度为1.24~1.31倍;同一坡度的坡面产沙量增加了0.47~3.61kg/m2,增加幅度为0.77~2.90倍。坡面侵蚀过程中,存在临界坡度,为15°左右。(3)氮素流失以径流流失为主,泥沙中总氮的流失量较低,仅占径流总氮流失量的1.4%~9.7%。坡度较小时,磷素流失途径以径流流失为主,随着坡度的增加,磷素的流失途径以泥沙流失为主。(4)径流总氮流失浓度与径流强度呈线性正相关,泥沙总氮和总磷流失浓度与产沙率也分别呈显著的线性正相关。     

三峡库区不同坡度石灰土坡耕地磷素流失特征

[目的]研究石灰土坡耕地在不同坡度下的磷素流失规律,以期为三峡库区农业面源污染的防治和水资源保护提供基础数据。[方法]在三峡库区香溪河流域坡耕地修建径流小区进行原位人工降雨试验,在雨强1.5mm/min时,分析10°,15°和20°这3种坡度下坡耕地的径流量、泥沙浓度,以及地表径流中总磷、颗粒态磷,泥沙中总磷、速效磷浓度的变化趋势,并对径流泥沙进行无机磷分级试验。[结果]坡度越大,地表径流量、径流总量、泥沙流失量越大,初始产流时间越短,但坡度对径流中泥沙流失浓度的影响不显著;不同坡度下径流中总磷(TP)、颗粒态磷(PP)浓度都随着产流时间逐渐变小最后趋于平衡,其中径流中TP主要以PP形式流失,达到80%以上;泥沙中磷素流失主要以无机态磷为主,无机磷分级试验表明被植物高效利用的有效态磷和缓效态磷占无机磷总量的54.1%~57.8%。[结论]坡度主要通过影响地表径流总量和径流携带的泥沙总量而影响磷素流失总量,石灰土坡耕地磷素流失主要以径流泥沙携带为主。     

自然降雨条件下红壤坡面有机碳的选择性迁移

依托江西水土保持生态科技园,2015年3月―8月期间,对裸地、草地、果园和湿地松人工林四种类型径流小区自然降雨条件下侵蚀过程中径流泥沙和土壤有机碳的流失特征进行了原位监测。结果表明,监测期间24场降雨下,径流系数和侵蚀模数基本上均随雨型的增大而增加。随着土地利用类型由裸地向果园、草地和林地的转换,减流效益和减沙效益依次增大。径流量和泥沙流失量最主要的影响因素分别是降雨量和径流量。裸地、草地、果园和林地四种类型坡面上,自然降雨下土壤有机碳随泥沙迁移的比例分别为64.67%、47.38%、53.94%和36.03%,碳流失强度分别达到560.3、1.98、122.5和2.66 mg m-2。径流有机碳含量与径流量之间、泥沙含碳量与泥沙量之间均呈负相关关系。裸地、果园、草地和林地四种径流小区泥沙有机碳富集比分别为1.27、1.10、0.80和0.58,即随着土壤侵蚀模数的降低,有机碳富集比也减小。泥沙有机碳富集比均随雨强的增大而减小,有机碳的选择性迁移在低强度降雨条件下表现更为明显。     

不同土地利用方式对土壤侵蚀及养分流失的影响

研究川中丘陵区次降雨过程中不同土地利用方式对土壤侵蚀及养分流失的影响。结果表明:(1)不同土地利用方式下,地表径流量的变化均随着降雨时间的增加呈对数变化趋势,在同一降雨时间内,地表径流量均表现为农田果园草地灌丛林地。(2)农田泥沙流失量随降雨时间的增加幅度较大,且在降雨后期出现陡增陡降的变化特征,其他土地利用方式下泥沙流失量的增加幅度较小;不同土地利用下泥沙流失量大小顺序为:农田果园草地灌丛林地。(3)农田和果园地表径流量和壤中流总量显著高于灌丛和林地(p0.05),地表径流量和壤中流均表现为:农田果园草地灌丛林地。(4)不同土地利用方式下泥沙积累量均随降雨时间的延续而呈指数变化趋势。(5)不同土地利用方式下水相氮磷流失量、泥沙氮磷流失量和氮磷流失总量均表现为:农田果园草地灌丛林地;不同土地利用方式下降雨径流过程中,氮素的流失是以径流水相为主,而磷的流失是以侵蚀泥沙相为主。(6)不同土地利用方式降雨前期土壤全氮和全磷含量大小均表现为农田果园草地灌丛林地,泥沙氮磷含量比雨前土壤表层氮磷含量有所增加,说明侵蚀泥沙对氮、磷具有富集作用,并且不同土地利用方式下侵蚀泥沙富集磷素能力高于富集氮素能力,综合比较可知,农田和果园侵蚀泥沙富集养分的能力最高,而灌丛和林地是减少水土流失的土地利用方式。     

流域系统径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应

尺度问题在地貌过程及水文模拟研究中具有重要意义,以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟小流域为例,基于毛沟-支沟-干沟尺度序列典型水文站的实测径流泥沙数据,分析流域系统基于事件的径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应。结果表明:1)基于侵蚀链毛沟-支沟-干沟不同空间尺度的平均输沙模数、平均含沙量、最大含沙量分别依次为3 912、3 285、3 522 t/km2,497、524、679 kg/m3,639、634、800 kg/m3,且在流域系统中均保持空间上的不变性;2)与单一力学指标相比,引入洪峰流量项的水流功率、单位面积径流能量及水流能量等复合能量指标能更好地描述侵蚀链不同尺度内及尺度间水沙关系;3)侵蚀链的输沙量主要取决于径流量,而洪峰流量能更好地解释侵蚀链内不同尺度径流输沙的差异,在侵蚀输沙的预测变量中引入表征径流变率的指标会提高中小型产沙事件泥沙预报的可靠性;单位洪峰流量(增加1 m3/s)引起的输沙增量是单位径流量(增加1 m3)增沙作用的875倍以上,欲消除侵蚀链内上下游径流输沙的空间尺度效应,则需将对应的洪峰流量比调控至5‰以下,或将对应的径流能量比调控至600以下;4)侵蚀链内上游含沙水流对下游的泥沙输移影响有限,随流域面积增大,含沙水流的空间尺度效应降低,输沙模数300 t/km2的大型侵蚀产沙事件尤为明显。分析结果突出了流域系统径流侵蚀的过程特性和洪水调控可能引起的巨大减沙潜力。因此,针对高含沙水流,侵蚀链内泥沙调控及其水土保持措施的效益评估和功能评价亦应基于过程。研究结果可为全面揭示径流调控系统的水土保持意义、推动水土保持措施效益的精细化评估提供理论依据和科学支撑。