基于RUSLE模型和210Pbex的甘蔗坡地土壤侵蚀及养分流失研究

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广西集约化坡地甘蔗种植,造成了严重的水土流失,土壤中的氮、磷等营养物质随着径流进入河流水体,造成湖泊、水库等富营养化,加剧了农业非点源污染。这给区域经济的可持续发展和优美的生态环境带来了巨大压力。但目前,对集约化甘蔗种植区的土壤侵蚀及养分流失时空特征等研究较少。因此,本研究以广西集约化甘蔗种植区那辣小流域为研究靶区(流域划分为三个子流域:SW1、SW2和SW3),基于GIS技术,利用研究区内的降雨数据、数字高程模型(DEM,Digital Elevation Modal)和遥感影像等数据,首先利用修正的通用土壤流失方程(RUSLE,Revised Universal Soil Loss Equation),估算小流域2017~2021年的土壤侵蚀速率,分析不同坡度和土地利用类型的土壤侵蚀状况。其次通过RUSLE模型并结合野外采样,分析2020年小流域甘蔗坡地四个生长期(苗期:2、3、4月,分蘖期:5、6、7月,伸长期8、9、10月,成熟期:11、12、1月)的土壤侵蚀及有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)流失的时空变化特征,探究植被覆盖、降雨对甘蔗坡地土壤侵蚀的影响,及甘蔗坡地土壤氮和磷流失速率与施肥量的关系。再利用210Pbex核素示踪技术,分析小流域6个坡面不同坡位210Pbex面积活度及土壤侵蚀/沉积变化特征,分析各子流域不同坡面及坡位的SOC、TN和TP含量及其流失变化规律,探究坡度对土壤侵蚀的影响。最后,将RUSLE模拟结果与210Pbex计算结果进行对比,分析土壤侵蚀模型的适用性。主要研究结果如下:(1)利用RUSLE模型估算2017~2021年那辣小流域平均土壤侵蚀速率为37.05 t/(hm~2·a),属中度侵蚀水平;流域土壤侵蚀主要发生在5°~25°的坡度范围内,是预防和治理水土流失的重点区域;不同土地利用类型中,平均侵蚀速率最大的是林地(桉树),为78.93t/(hm~2·a),而侵蚀量最大的是坡地(甘蔗),其值为3425.03 t/a。应合理规划并利用管理好流域的坡地(甘蔗)、林地(桉树)、道路等土地利用类型,采取针对性的、有效的水土保持措施。(2)通过RUSLE模型估算2020年那辣小流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率在不同生长期的变化特征为分蘖期>伸长期>苗期>成熟期。流域甘蔗坡地土壤SOC、TN、TP流失速率与甘蔗坡地土壤侵蚀速率的时间变化特征一致。流域甘蔗坡地土壤侵蚀速率在不同生长期的变化受降雨影响比较大,伸长期和成熟期植被覆盖对甘蔗坡地土壤侵蚀速率的影响不明显,TN、TP流失速率分别与氮肥、磷肥施用量呈显著正相关关系。要根据甘蔗生长期坡地的水土流失特点采取有效措施防治土壤侵蚀和养分流失。(3)利用210Pbex示踪土壤侵蚀技术,确定了那辣小流域210Pbex背景值为9437.19 Bq/m~2。由于核素沉降特性和土壤表层有机碳的影响,流域坡面210Pbex主要分布于土壤表层(0~15cm)。6个全坡土壤210Pbex面积活度最大值一般位于坡的下半部分(坡中下、坡下和坡底),最小值一般位于坡的上半部分(坡顶、坡上和坡中上),说明核素的含量大小与土壤颗粒在不同坡位、坡度受降雨径流冲刷、搬运的影响不同有关。6个全坡的侵蚀/沉积速率在-54.42~182.60 t/(hm~2·a)之间,流域平均土壤侵蚀速率为30.73t/(hm~2·a)。坡面土壤侵蚀速率最大值一般位于坡的上半部分,土壤沉积主要出现在坡的下半部分,流域坡面土壤侵蚀与坡度呈正相关关系,进一步说明坡度对土壤侵蚀的影响,坡度越大,侵蚀越严重。采用210Pbex模型估算坡地(甘蔗)和林地(桉树)土壤侵蚀速率分别为33.81 t/(hm~2·a)和14.03t/(hm~2·a),反映了不同土地利用类型,植被覆盖,耕作等管理方式也会影响土壤侵蚀大小。土壤SOC、TN、TP含量随着土层垂直深度的变化基本呈下降趋势,反映了土壤养分含量受地表植被覆盖,耕作、施肥等人类活动以及土壤元素迁移特性等的影响。不同子流域及坡面不同坡位的土壤SOC、TN和TP流失规律与土壤侵蚀规律大体一致,说明土壤SOC、TN和TP养分流失与土壤侵蚀速率关系密切,养分依附于土壤颗粒中,随土壤侵蚀而流失,但土壤各养分由于本底值不同,其流失规律也存在差异。(4)利用RUSLE模型估算与210Pbex计算得出的那辣小流域坡地(甘蔗)土壤侵蚀结果大体一致,表明本文利用RUSLE模型在一定程度上可以表征那辣小流域的土壤侵蚀状况,具有较高的可靠性和适用性。
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