当前世界环境

介绍

在世界许多地方，农业做法对土壤肥力的影响日益受到关注。近年来，为了满足日益增长的家庭粮食需求，农业生产越来越多地转向森林和非常陡峭的山坡。每当原生植被被农业植物所取代时，流域的自然循环通常就会改变;导致养分很容易通过径流和沉积物运输。高生产力和高产量的集约化农业需要大量施肥。施用于作物的大量养分意味着径流(液相)和沉积物(固相)对环境造成污染(Zuazo et al.， 2004)。

流域径流和土壤流失量的变异性在很大程度上取决于流域的气候、地理、地质、土壤类型、土地利用/土地覆盖条件和社会经济特征等特征(Kang et al.， 2001)。土壤侵蚀引起的悬浮泥沙颗粒转移对土壤表层土壤的去除、土壤有机质的减少和养分的流失等对土壤质量产生不利影响(Creamer et al.， 2010;Guerra, 1994)。沉积物和径流中营养物质的流失不仅会降低土壤肥力，而且当这些营养物质进一步向山谷、湖泊和水库输送时，还会造成环境问题(Kunimatsu, 1986;Kin-Che et al.， 1997)。如何可靠、准确地评价土壤侵蚀及其对环境的影响是土壤侵蚀研究的难点(Lal, 1994)。在田间直接评价的侵蚀图法是量化土壤侵蚀最有效的方法(Albadalejo et al.， 1989;Soto et al.， 1995)。

在文献中，世界各地对不同土地利用条件下地表径流、土壤流失和养分流失之间的关系进行了各种研究(Battany and Grismer, 2000;Girmay et al.， 2009;Kang et al.， 2001;McGrath et al.， 2011;Pardini et al.， 2003;邢昌等，2003;Zuazo et al.， 2004)。然而，关于喜马拉雅山和印度其他地区自然降雨条件下农田径流泥沙和养分流失的动态信息有限(Kothyari et al.， 2004;Mandal et al.， 2012;Narayan et al.， 1991; Rai and Sharma, 1998; Singh, 1999; Sharma et al., 2001). Sharma et al. (2001) reported that the open agricultural (cropped) fields were found to produce higher amount of surface runoff, soil and nutrient losses as compared to other land uses in Khanikhola watershed in Sikkim (India). Rai and Sharma (1998) found that the soil loss from the micro watersheds in Sikkim Himalayas (North East India) ranged from 4.18 to 8.82 t /ha/yr during the three-year study period. The annual total nitrogen loss measured at the watershed outlet was at a rate of 33 kg/ha/yr, while organic carbon and total phosphorus were 267 kg/ha/yr and 5 kg/ha/yr, respectively. Kothyari et al. (2004) reported 0.06 to 5.47 t/ha/yr soil loss from various land uses natural experimental plots in Central Himalayan region of India. Mandal et al. (2012) reported that the annual surface runoff was found to vary from 96 to 1821 m^3.而在印度半干旱热带地区，农田的土壤流失量在0.28至5.41吨/公顷之间。

因此，在问题的严重性下，似乎没有系统的努力来评估径流-沉积物相关的营养损失及其在研究区域不同农业用地、土壤类型和斜坡下的关系，这引起了研究的需要。在这项研究中，我们监测了季风季节农田径流和沉积物中养分的运输，以评估雨养农业下降雨-径流-沉积物和养分损失的关系。

材料与方法

网站描述:

本研究是在位于印度北阿坎德邦哈里德瓦尔地区Roorkee北纬29°50′09”和东经77°55′21”的试验田进行的(图1)。试验田位于索拉尼河集水区之下，该集水区是印度最大的河流流域恒河的一个小流域。该地区属湿润亚热带型气候，四季分明;季风，冬季和夏季。试验田的平均海拔高度约为平均海平面以上266m。冬季月平均最高气温为27℃，月平均最低气温为10℃;夏季45°C和20°C。相对湿度在30% ~ 99%之间，年平均PET为1340mm左右。研究区年降水量在1120 ~ 1500mm之间，主要集中在6 ~ 9月，即季风季节。研究区土壤类型为壤土，平均砂占50 - 55%，粉占35 - 42%，粘土占8- 15% (Kumar et al.， 2012)。甘蔗是研究地区种植的主要作物，还有小麦、玉米、水稻和豆类作为季节性作物。

图1:位于Roorkee的试验田， Distt。哈里瓦尔，北阿坎德邦，印度 点击此处查看图

实验设置、数据收集和实验室分析:

选定的试验农田分为12块，每块面积为22米× 5米。采用四种不同的土地利用方式(甘蔗、玉米、黑克和休耕地)测量径流、沉积物和养分损失。这些地块的建造方式是，每个土地用途应该有三个不同的斜坡(5%、3%和1%)。每个样地采用双环入渗仪进行入渗试验，以了解水文土壤类型(HSG)。为实现雨养农业的目标，在规范的农业规范下，合理地进行土地整理和作物种植。降雨数据用普通雨量计测量，也用记录式雨量计进行验证。每个地块下游建有1m × 1m × 1m大小的收集室，用于收集径流。每个房间通过一个3米长的运输通道连接到各自的地块，该通道与屏幕和具有5个槽的多槽除尘器相连。将收集池中收集的地表径流量的实测体积乘以5，得到降雨事件(过去24小时)产生的径流量总量。

化学分析:

首先，在一个瓶子里收集一部分径流样本，然后过滤，分析沉积物和养分损失。过滤径流样品后保留的沉积物在50°C下烘箱干燥24小时。土壤流失量的计算方法是将地表径流总量与径流水中测量的泥沙浓度相乘。同样，总氮的计算方法也是用径流量乘以径流水中检测到的总氮的浓度。在测定全磷和全钾的情况下，同时使用干燥样品和滤液径流进行分析。总养分损失是通过径流和沉积物的养分损失总和来计算的。

氮(N)采用微凯氏定氮法测定(Jan-Åke, 2008)采用电感耦合等离子体酸消解法测定磷、钾含量

质谱法(ICP-MS) (Ammann, 2007)。

平均径流系数的确定:

小区的平均径流系数取所有单个降雨事件径流系数的平均值。

在那里,问_我是事件i的直接地表径流，P_我为事件i的降雨量，n为事件总数。

统计分析:

现场观测资料采用SPSS 20.0软件进行分析。进行回归分析，决定系数(R²)值显示降雨、径流、土壤和养分流失之间的关系。P<0.05认为两变量之间的关系有统计学意义。

结果与讨论

在本研究中，所有试验区的数据都被单独分析，以检验它们对所研究变量的影响。在研究(季风)期间捕获的降雨径流事件总数为20次，其中只有6次事件产生了足够的径流来收集沉积物和营养物质分析的样本(表1)。

降雨径流关系:

采用简单的线性回归模型对降雨与径流的关系进行了研究。在本研究中，所有样地的降雨与径流之间的关系均具有统计学显著性(R²=0.675 ~ 0.928, p<0.05, n=13)(表2)。这些关系表明，径流量随着降雨量的增加而增加，具有良好的正相关关系。地块土地利用、坡度和土壤类型显著影响产流(表1)。如表1所示，对于给定的土壤类型和土地利用，最高等级的地块产生的径流量(即径流系数)最大。而坡度为5%和1%的甘蔗样地则是坡度越高，径流越少的特例。在两个甘蔗地块中，坡度为5%的地块入渗率均高于坡度为1%的地块。因此，在这两个地块中，地块坡度的影响不如土壤的影响那么突出，因此有可能是坡度越高的地块产生的径流量越少。不同特征试验地的降雨径流数据表明，在给定的降雨量输入下，坡度为1%的甘蔗地产生的径流量最高。同样，坡度为1%的休耕地产生的径流量最少。

表1:径流系数、产沙量和养分 各种特征地块的损失。 按此查看表格

表2:决定系数(R2)。 雨量(mm)与径流(mm)的关系(n=13)。 按此查看表格

径流-土壤流失关系

首先，将事件土壤流失量(t/ha)与相应的降雨量(mm)进行对比。这些关系证实了降雨与土壤流失之间存在较差的相关性。因此，每日土壤流失量(t/ha)值与相应的径流值(m^3./ha)，如图所示。2 (a - c)。R值相对较低²(0.131-0.931)与这些关系相关。不同特征试验田的土壤流失量表明，在给定的降雨量投入下，甘蔗田的土壤流失量最大，其次是玉米田、休耕地和黑豆田。

图2(a):径流-产沙关系 不同土地利用方式坡度为1% 点击此处查看图

图2(b):径流-产沙关系 在不同土地利用方式下，坡度为3% 点击此处查看图

图2(c):径流-产沙关系 不同土地利用方式下坡度为5% 点击此处查看图

土壤流失-养分流失关系:

与溶解损失(即径流水)相比，沉积物中的营养物质损失非常低。在作物生长初期，沉积物和径流水中的养分浓度较高。在土壤侵蚀方面，作物生长周期的初始阶段被认为是关键时期(Laflen and Tabatabai, 1984;Yoo et al.， 1988)。

在本研究中，作物在2013年5月的最后一周种植。因此，本研究的关键时期为2013年7月，在此期间泥沙浓度和养分损失相对于其他时期较高。所有3种主要养分，即全氮、全磷、全钾肥损失量(kg/ha)值与每个试验田相应的土壤损失量(kg/ha)值相对应。这些关系表明养分与土壤流失之间存在较差的相关性。

季节性降雨、径流、土壤流失和养分流失:

各特征试验区平均径流系数、土壤流失量和养分流失量的季节值见表1。降雨转化为地表径流的平均百分比从14%到45%不等。不同特征试验田土壤流失量在0.79 ~ 1.75 t/ha之间。虽然目前的研究是基于季节的，但其结果仍然可以与其他基于年度的研究相媲美，因为大约70%的年降水发生在印度的季风季节。Kothyari等人(2004)报告了印度喜马拉雅中部地区不同土地利用系统造成的0.06至5.47吨/公顷/年土壤损失。Mishra等人(2010)报告了印度半干旱区农业土壤的土壤流失量为0.56-1.01吨/公顷/年。此外，Rai和Sharma(1998)以及Mandal等人(2012)的研究报告显示，印度次大陆农业用地的土壤流失量相对较高，但在可容忍范围内(Bhattacharya等人，2008)。目前的研究表明，根据印度次大陆的土壤侵蚀容忍极限(2.5至12.5吨/公顷/年)，土壤流失量处于容忍极限之下(Bhattacharya等人，2008)。

从表1可以看出，各特征试验小区的全磷季节损失量在0.689 ~ 27.291 kg/ha之间，全钾记录量在3.368 ~ 10.423 kg/ha之间。Rai和Sharma(1998)报告的年总磷损失为5公斤/公顷;而Mandal等人(2012)报告的年平均养分损失为总氮10.2 kg/公顷，总磷1.0 kg/公顷/年，总钾20.07 kg/公顷/年。本研究报告的总钾与文献报道的范围相似。然而，与其他研究相比，本研究报告的总磷含量变化较大。

结论

本研究以印度北阿坎德邦鲁尔基12个不同特征的试验地块为研究对象，探讨降雨、径流、土壤流失和养分流失之间的关系。试验田分为四种不同的土地用途(甘蔗、玉米、黑土和休耕)、土壤类型和坡度。研究发现，对于给定的土地利用和土壤类型，等级最高的地块产生的径流量(即径流系数)最高。不同特征试验田的土壤流失量表明，在给定的降雨量投入下，甘蔗田土壤流失量最大，其次是玉米田、休耕地和黑豆田。与溶解的损失相比，沉积物中的营养物质损失非常低。径流水和沉积物中营养物浓度在关键时期较高。试验田土壤流失量在容许范围内。TP的季节损失量在0.689 ~ 27.291 kg/ha之间，不同样地记录的TK在3.368 ~ 10.423 kg/ha之间。土地利用方式和土地处理方式对土壤产沙量和总养分损失量影响较大，冠层盖度好的土壤养分损失量较小;

符号

总钾

TN=总氮

总磷

千克/公顷/年=千克/公顷/年

T /ha=吨每公顷

确认

作者感谢新德里印度政府水资源部印度国家地表水委员会(INCSW)(原印度国家水文学委员会(INCOH))对这项研究的资助。

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