红壤坡耕地氮磷输出与控制研究

第1章绪论1.1 坡耕地水土流失与面源污染坡耕地目前是广大山区群众赖以生存和发展的生存用地，但也是水土流失和面源污染的主要发生地（隋媛媛， 2016）。径流是生态水文过程的重要环节，是输送面源污染物的主要途径，在径流系数高的农业山区面源污染昀为突出（张千千等，2012；Jia and Chen，2010）。严重的水土流失和面源污染导致耕地资源被破坏、土地生产力降低和一系列水环境问题，危及山区粮食安全、防洪安全和生态安全，制约山区农业的可持续发展，进而对生态文明建设造成严重影响。 1.1.1坡耕地水土流失现状及危害 1. 我国坡耕地现状我国坡耕地量大面广，坡耕地是中国农业生产的主要耕地资源，全国现有坡耕地约 3.59亿亩①，涉及 30个省（自治区、直辖市）的 2187个县（区、市、旗），主要分布在我国中西部地区，面积超过 1000万亩的有云南、四川、贵州、甘肃、陕西、山西、重庆、湖北、内蒙古、广西 10个省（自治区、直辖市），面积共 2.73亿亩，占全国坡耕地总面积的 76.0%；坡耕地面积大于 2万亩的有 1593个县，其中，2万～10万亩的有 648个县，大于 10万亩的有 945个县。全国现有坡耕地面积约占全国水土流失总面积的 8%，年均土壤流失量 14.15亿 t，占全国土壤流失总量 45亿 t的近 1/3。坡耕地较集中地区，其水土流失量一般可占该地区水土流失总量的 40%～60%，西北黄土高原区、西南岩溶区、西南紫色土区一些坡耕地面积大、坡度较陡的地区可高达 70%～80%。从水土流失类型区看，我国坡耕地主要分布在西北黄土高原区、西南岩溶区、西南紫色土区、南方红壤丘陵区和东北黑土区、北方土石山区 6个类型区，坡耕地面积 3.49亿亩，占全国坡耕地总面积的 97.2%；风沙区和青藏高原冻融侵蚀区有 0.1亿亩，仅占全国坡耕地总面积的 2.8%。从坡度分布看，其以 15°以下的缓坡耕地为主。其中，5°～15°坡耕地面积 1.93亿亩，占坡耕地总面积 54%；15°～ 25°坡耕地 1.20亿亩，占 33%；25°以上坡耕地面积 0.46亿亩，占 13%。我国坡耕地分布情况详见表 1-1和表 1-2。表 1-1 各省（自治区、直辖市）坡耕地情况表续表表1-2 各水土流失类型区坡耕地情况表2. 坡耕地水土流失特点及危害 1）水土流失的特点坡耕地水土流失主要有以下特点：一是以水力侵蚀为主。据统计，全国约 97%的坡耕地都分布在水力侵蚀区；剩下约 2%的坡耕地分布在新疆北部、甘肃西北部、内蒙古西部的风沙区；约 1%的坡耕地分布在西藏东部、青海西南部、四川西北部的冻融区。二是坡度越陡、坡长越长，水土流失越严重。据调查分析， 5°～15°坡耕地土壤侵蚀模数为 1000～2500t/(km2 a)，15°～25°为 3000～10000t/(km2 a)， 25°以上可高达 10000～25000t/(km2 a)。同时，坡耕地坡长越长，地表汇集径流速度和流量越大，水土流失也越严重。三是水土流失强度与耕作方式密切相关。坡耕地耕作方式不同，对微地形的扰动程度不同，产生的水土流失强度也不同。例如，顺坡垄作改成横坡垄作后，坡面径流方式发生变化，可增加降水就地入渗率，减少对坡面的径流冲刷。据实测，东北黑土区坡耕地顺坡垄作改横坡垄作后，土壤侵蚀模数可由治理前的 4000t/(km2 a)以上下降到 1000t/(km2 a)左右，下降达 70%以上。 2）水土流失的危害长期以来，随着人口的急剧增长和人类活动的加剧，且坡耕地生产方式粗放，广种薄收、陡坡开荒，人地矛盾更加突出，促使土地开发向深度和广度无限制拓展，造成土地退化及严重的水土流失等危害。具体如下：一是破坏耕地资源。水土流失是蚕食我国耕地，特别是坡耕地的重要原因之一。据统计，新中国成立以来因水土流失毁掉的耕地达 5000万亩，年均 100万亩，其中绝大部分为坡耕地。同时，坡耕地水土流失极易造成耕作层变薄、土壤肥力下降。据有关资料，坡耕地水土流失严重地区，表土层每年流失可达 1cm以上，比土壤形成速度快 120～400倍，西南岩溶地区许多坡耕地土壤流失殆尽，已失去农业耕种价值。东北黑土区初垦时黑土层厚度一般在 50～80cm，垦殖 70～80年后，坡耕地黑土层厚度不到原来的一半，土壤肥力也下降了 2/3左右。二是恶化生态环境。坡耕地跑水、跑土、跑肥，生产力十分低下，长期缺乏保护性耕种，往往造成土地“沙化、石化 ”，基岩裸露。据调查，贵州毕节地区有基岩裸露的坡耕地 23万亩，重庆市万州区近 60年以来，基岩裸露的坡耕地扩大到 135万亩，许多山坡已经变成光山秃岭。加之坡耕地土地肥力低下，广种薄收现象十分普遍，人地矛盾突出地区的群众被迫不断开垦新的坡地、林地，破坏原有地表植被，“山有多高，地有多高，山有多陡，地有多陡 ”是一些地方的真实写照。据 TM影像数据分析， 20世纪 90年代以来，全国已有 1.7万 km2林地被开垦，大面积植被遭破坏，生态环境日趋恶化。三是制约经济发展。实践证明，坡耕地产量低而不稳，抵御自然灾害能力差。坡耕地的大量存在，造成农业基础设施薄弱，制约了现代农业发展、生产方式转变和社会经济的发展，是山丘区贫困落后的根源之一。目前，我国坡耕地集中的地区多为“老、少、边、穷 ”地区。据中国水土流失与生态安全综合科学考察结果，全国农村贫困人口 90%以上都生活在山丘区。云南、贵州、四川等长江上游坡耕地水土流失严重地区的农民人均纯收入仅相当于平坝河谷地区的 1/5～1/4。四是危及防洪及饮水安全。据中国科学院水土流失与生态安全综合科学考察结果，黄河年均约 4亿 t泥沙淤积在下游河床，导致河床每年抬高 8～10cm，大大增加了防洪压力；洞庭湖年均入湖泥沙 1.3亿 m3，沉积泥沙达 1亿 m3，湖床抬高 3.5cm，湖容缩小，调蓄能力下降；长江上游各类塘堰的平均年淤积率达 1.93%，年淤积泥沙 0.60亿 m3。同时，坡耕地水土流失将大量的氮磷钾元素、化肥、农药、有机质等带入江河湖库，引起湖泊富营养化，加剧了水环境污染，对工农业生产用水特别是城市居民生活用水构成严重威胁。1.1.2农业面源污染研究面源污染又称为非点源污染，是指时空上无法定点监测的，与大气、水文、土壤、植被、土质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关的，可随时随地发生的，直接对水环境构成污染的污染物来源。和点源污染相比，面源污染由于其比较分散而更难治理（Ma et al.，2011；Zhang et al.，2012；李怀恩和李家科， 2013）。从世界范围看，面源污染是目前世界地下水和地表水的主要污染来源。而据发达国家的污染资料研究表明，农业生产和生活活动所带来的农业面源污染是水环境污染的昀重要来源。美国是世界上少数几个对面源污染进行全国性系统控制研究的国家之一（Tim and Jolly，1994；Wolfem，2000；张维理等， 2004a）。在美国， 60%的水环境污染是由面源污染引起的，其中，农业面源污染达到 75%左右，而农业面源污染的主要污染物质是氮素和磷素（USEPA，1995）。在丹麦的 270条河流中，其中 94%的氮负荷和 52%的磷负荷都是由面源污染导致的（ Kronvang， 1996）。在荷兰的农业面源污染研究中，由总氮和总磷引起的水环境污染分别占水环境污染总量的 60%和 40%～50%（BOERSP，1996）。可见，国外的农业面源污染的形势也是非常严峻的，已经引起了许多发达国家的高度重视。同样，我国农业面源污染的现状也非常令人担忧。我国关于面源污染的研究起步相对较晚，始于 20世纪 80年代的湖泊富营养化的调查（邓雄， 2006）。而真正意义上的面源污染研究是北京城市径流污染研究，之后相继在上海、杭州、苏州、长沙、南京、成都等城市开展了城市面源污染研究（ Jameison and Fedra，1996；张维理等，2004b；邓雄， 2006；Yang et al.，2013）；同时，在于桥水库、珠海前山河流域、滇池、太湖、巢湖、晋江流域、东江流域等地方也开展了农业面源污染研究（ Winlge et al.，1999；Sovan et al.，1999；邓雄， 2006）。近些年来，我国很多湖泊、江河等流域的富营养化程度的趋势恶化，如污染较严重的太湖、滇池、巢湖、三峡库区等水体，主要是氮素、磷素等营养物质大量汇入这些水体所引起的富营养化，且绝大多数来自于农业面源污染。近年来，对我国三河（淮河、海河、辽河）、三湖（太湖、滇池、巢湖）和一库区（三峡库区）等重点水域的研究说明，我国农业面源污染的比重在逐年上升（柴世伟和裴晓梅， 2006）。2005年，中国农业信息网公布的数据显示，我国农作物平均化肥施肥量是世界平均水平的 3倍多，并且我国化肥的利用率相对较低，其中氮肥的利用率为 30%～35%，磷肥为 10%～20%，钾肥 35%～50%（柴世伟和裴晓梅， 2006）。崔键等（ 2006）和郭鸿鹏等（ 2008）的研究表明，大理洱海流域面源氮、磷污染负荷分别占流域污染负荷的 97.1%和 92.5%；滇池外海流域的污染负荷中，来自农业面源污染的总氮、总磷和化学需氧量分别占污染总负荷的 60%～70%、50%～60%和 30%～40%。农田过量使用化肥也是造成面源污染的主要原因之一。世界银行的研究资料证实，中国地下水有 50%以上受到农业面源污染（唐莲和白丹， 2003；郭鸿鹏等， 2008）。此外，中国遭受农业面源污染影响的耕地面积已将近 2000万 hm2。到 2005年为止，农业面源污染已占我国全部污染的 30%，并持续恶化（郭鸿鹏等， 2008）。鉴于目前面源污染如此严重的现状，特别是对于农业面源污染而言，加强对农业面源污染的控制是解决我国水质恶化的关键所在。从世界范围来看，农业面源污染已经受到各国的高度重视，已有很多关于农业面源污染的理论性和实践性研究。就我国的情况来看，农业面源污染主要来自于耕地，因此，降低农业面源污染昀好采用肥料施肥措施以及合理的土地利用方式，同时，根据具体情况采取适当的水土保持措施，使控制水质污染达到更显著的效应（王晓燕， 2011）。郑应茂等（2001）研究表明，在不同坡度的坡耕地上采用不同的整地方法，起到了较明显的蓄水保土作用。王清（ 2008）研究结果表明，整地可以疏松土壤，增加土壤蓄水保土的能力，同时对植物的生长起到有利作用。王晓南等（ 2008）的研究表明，不同植物的根系能通过改善土壤渗透性能和强化土壤的抗冲性起到保水保土的作用，可见植被具有明显的水土保持效益。在降雨相对较强的坡耕地上，采用适当的整地方式对减轻水土流失无疑具有更加重要的作用。在坡面降雨—入渗—径流过程中，降雨初期，土壤入渗能力大于雨强，雨水全部入渗，土壤表层部分溶质随入渗水向下层迁移，随着降水量增加，土壤表层含水率逐渐增大，土壤入渗能力逐步下降，入渗率等于或小于雨强，地表开始积水，随之产生地表径流，同时也可能产生土壤侵蚀。这个过程就是土壤溶质溶解、随入渗水和径流水迁移的过程。当植被介入时，则可以改变降雨的地表水文过程，大大减少径流量和泥沙量，达到保水保土的目的。