不同農(nóng)藝措施對(duì)巢湖沿岸坡耕地不同形態(tài)磷徑流輸出的控制效果*

王 靜,王允青,葉 寅,孟超峰,王道中, 郭熙盛,呂國(guó)安

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 合肥 230031;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 武漢 430070;3.安徽省養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境省級(jí)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031;4.安徽省宣城市土壤肥料工作站 宣城 242000)

不同農(nóng)藝措施對(duì)巢湖沿岸坡耕地不同形態(tài)磷徑流輸出的控制效果*

王 靜1,2,3,王允青1,3,葉 寅1,3,孟超峰4,王道中1,3, 郭熙盛3**,呂國(guó)安2**

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 合肥 230031;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 武漢 430070;3.安徽省養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境省級(jí)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031;4.安徽省宣城市土壤肥料工作站 宣城 242000)

為明確巢湖沿岸坡耕地不同農(nóng)藝措施對(duì)生態(tài)保護(hù)和水環(huán)境治理的影響,以農(nóng)業(yè)面源污染長(zhǎng)期定位觀測(cè)基地為平臺(tái),于2014—2015年連續(xù)2 a對(duì)常規(guī)耕作(CK)、植物籬(黃花菜,PH)、植物籬+秸稈覆蓋(PHS)和等高壟作(CR)4種農(nóng)藝措施下的水土及隨地表徑流遷移的各種形態(tài)磷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明,與常規(guī)耕作相比,PH、PHS和CR能有效地減少?gòu)搅髁亢彤a(chǎn)沙量(P<0.05),降低效果依次為:PHS>PH>CR。與CK相比,PH、PHS和CR可分別減少23.5%、36.5%和19.7%的徑流流失和29.5%、45.2%和26.3%的土壤流失,表現(xiàn)出顯著的水土保持作用。CK條件下的徑流液總磷(TP)濃度是0.612～1.220 mg?L-1,其中顆粒態(tài)磷(PP)占總磷的71.5%～81.7%,顆粒態(tài)磷是磷隨地表徑流遷移的主要形態(tài)。在溶解態(tài)總磷(DTP)中,溶解態(tài)正磷酸鹽(D-Ortho-P)所占比例較大,為87.4%～90.7%;溶解態(tài)有機(jī)磷(DOP)所占比例較小,僅占9.3%～12.6%。與CK相比,PHS、PH和CR顯著降低了徑流液PP和TP的濃度(P<0.05),但卻不同程度地提高了DTP和D-Ortho-P的濃度,而對(duì)DOP的濃度無(wú)顯著影響(P>0.05)。CK條件下,磷的年流失負(fù)荷平均為0.706 kg?hm-2,占當(dāng)年作物施磷量0.98%。與CK處理相比,PH、PHS和CR處理磷的年流失負(fù)荷分別降低38.4%、53.8%和33.4%(P<0.05),其對(duì)磷素輸出的控制效應(yīng)主要通過(guò)減少?gòu)搅髁亢徒档蛷搅饕篜P的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。綜上可知,植物籬(黃花菜)、植物籬+秸稈還田和等高壟作是控制巢湖沿岸坡耕地水土及磷徑流輸出的有效措施,其中植物籬配合秸稈覆蓋還田效果最佳。該研究可為巢湖流域坡耕地水土流失和面源污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

磷;徑流;坡耕地;植物籬;秸稈覆蓋;等高壟作;巢湖

Abstract:Eutrophication has been recognized as one of the main global environmental problems in areas with intensive agricultural production where there is nutrient export from farmlands to surface water bodies.Phosphorous(P)via runoff from farmland has been found to be one of the main contributors to water-quality degradation in Chaohu Lake.Thus,source control of P loss from farmlands was critical in remediation of eutrophication in Chaohu Lake.In order to test the efficiency and efficacy of different agronomic measures on reducing runoff,sediment and P loss,a long-term field runoff experiment was carried out in a sloping cropland around Chaohu Lake.Four treatments of agronomic measure were applied—1)conventional tillage(CK),2)plant hedgerow ofHemerocallis citrina(PH),3)plant hedgerow with straw mulching(PHS)and 4)contour ridge(CR).Runoff volume,soil loss,concentrations of TP(total phosphorus),PP(particulate phosphorus),DTP(dissolved total phosphorus),D-Ortho-P(dissolved orthophosphate phosphorus)and DOP(dissolved organic phosphorus)as well as P loss via runoff were determined.The results for 2014–2015 showed that PH,PHS and CR treatments significantly reduced soil and water loss in the order as follows:PHS>PH>CR(P<0.05).Also the reduction in sediment was great than that in runoff. Compared with CK,agronomic measures of PH,PHS and CR decreased runoff,respectively,by 23.5%,36.5%and 19.7%,and reduced sediment,respectively,by 29.5%,45.2%and 26.3%,showing significant effect on soil and water conservation(P< 0.05).The concentration of TP in runoff under CK was 0.612–1.220 mg?L-1,in which PP was the predominant form, accounting for 71.5%–81.7%of the TP.In DTP,D-Ortho-P was the main form,accounting for 87.4%–90.7%,while DOP remained in low concentration.It was found that the three agronomic measures(PH,PHS and CR)significantly reduced PP and TP concentrations in runoff(P<0.05),concurrently increased the concentrations of DTP and D-Ortho-P,but had no obvious effect on DOP concentration(P>0.05).Obviously,TP concentrations in the current study were higher than 0.4 mg×L-1, exceeding Class V level of the national environmental quality standards for surface water(GB3838—2002).The results implied that P loss via runoff from farmlands in Chaohu Lake region posed pollution risk if allowed to drain directly into the lake.Besides,annual P runoff loss from sloping croplands under CK was 0.706 kg?hm-2,the equivalent of 0.98%of applied P fertilizer in the experiment.Compared with CK,PH,PHS and CR reduced annual P loss respectively by 38.4%,53.8%and 33.4%.Another finding in the study was that the reduction in runoff volume and that in PP concentration were mainly responsible for the decline in P loss.In conclusion therefore,PH,PHS and CR significantly reduced soil,water and P loss via runoff in sloping farmlands in Chaohu Lake region.Among the treatments,PHS was the most effective.The results of this study provided more insight into the need for strategies to reduce agricultural non-point source pollution in Chaohu Lake region and other similar regions.

農(nóng)業(yè)面源污染是引起水體環(huán)境惡化的主要原因之一[1],為減少農(nóng)業(yè)面源污染,楊林章等[2]提出了“源頭減量-過(guò)程阻斷-養(yǎng)分再利用-生態(tài)修復(fù)”的理論和技術(shù)體系,其中源頭控制是防治農(nóng)業(yè)面源污染的最佳對(duì)策和根本。磷(P)不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的3大營(yíng)養(yǎng)元素之一,而且也是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵限制性因子[3-5]。許多研究表明,農(nóng)田土壤磷素的大量輸出是引起農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因之一。在天然水和廢水中,磷以多種形態(tài)如正磷酸鹽、縮聚磷酸鹽、有機(jī)磷和顆粒態(tài)磷等存在。不同形態(tài)的磷對(duì)藻類的貢獻(xiàn)各不相同:溶解態(tài)正磷酸鹽(D-Ortho-P)能直接被藻類和細(xì)菌吸收利用,其濃度的增加會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的增加[6];但D-Ortho-P僅占總磷(TP)的小部分;顆粒態(tài)磷(PP)和溶解態(tài)有機(jī)磷(DOP)通常情況下不能直接被藻類吸收利用,但它們?cè)诳偭字兴嫉谋壤捎^,并且約有70%左右可以在胞外酶的作用下降解轉(zhuǎn)化為生物可利用磷[7]。因此,系統(tǒng)研究農(nóng)田土壤不同形態(tài)磷的徑流損失特征對(duì)于源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。巢湖是全國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化最為嚴(yán)重的淡水湖泊之一,近年來(lái),政府部門(mén)和眾多學(xué)者投入了大量的治理工程和科技研發(fā),開(kāi)展了一系列對(duì)策措施,取得了較好的成果,然而巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)的趨勢(shì)仍未得到根本性改觀,巢湖西部湖區(qū)夏季藍(lán)藻暴發(fā)依然普遍,水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”因素。目前在該流域關(guān)于農(nóng)田磷素流失的研究多集中在稻麥(油)輪作區(qū)[5,8],而在水土流失較為嚴(yán)重的坡耕地報(bào)道則較少,因此這方面的研究亟待進(jìn)一步補(bǔ)充和深入。

已有研究表明,凡是改變微地形(等高耕作、溝壟種植等)、增加地表覆蓋(秸稈覆蓋、地膜覆蓋等)、改變土壤物理性狀(少、免耕等)的耕作措施以及植物籬技術(shù)均有減少和防止水土流失發(fā)生的作用,并能有效阻控農(nóng)田養(yǎng)分的流失[9-16]。植物籬技術(shù)在保持水土、控制養(yǎng)分流失、增加經(jīng)濟(jì)效益等方面都具有良好的效果。等高壟作有利于改善田間小氣候,可有效提高土壤溫度,攔截徑流,減少土壤和養(yǎng)分流失,達(dá)到集水、保墑、增溫的效果。此外,秸稈還田作為低碳農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié),對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、培肥地力和減少農(nóng)田養(yǎng)分流失等具有積極的作用。然而,植物籬、等高壟作和秸稈還田保持水土和減少農(nóng)田養(yǎng)分流失的功能和效果受氣候條件、地形特征、土壤特征以及植物籬特征等因素的綜合影響[12,14-15],這些農(nóng)藝措施防控巢湖流域坡耕地磷素流失的效果尚不清楚。鑒于此,本研究擬以巢湖沿岸農(nóng)業(yè)面源污染長(zhǎng)期定位觀測(cè)基地為平臺(tái),研究小麥(Triticum aestivumL.)-芝麻(Sesamum indicumL.)模式下,植物籬[黃花菜(Hemerocallis citrinaBaroni)]、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作3種農(nóng)藝措施在天然降雨條件下對(duì)水土和徑流不同形態(tài)磷輸出的控制效果,以期為巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)設(shè)在安徽省肥東縣長(zhǎng)臨河鎮(zhèn)迎霞村(117°27￠E,31°41￠N),距離巢湖水體約1.5 km。該區(qū)域?qū)儆诮吹蜕角鹆陞^(qū),位于中新生代的合肥凹陷東部,地貌以低山丘陵和波狀平原為主。研究區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫15.5℃,年均降雨量940～1 000 mm,且多集中分布在夏季(6—8月),無(wú)霜期為224～252 d。該區(qū)域主要種植水稻(Oryza sativaL.)、冬小麥、玉米(Zea maysL.)、芝麻、油菜(Brassica napusL.)、棉花(Anemone vitifoliaBuch.)等。供試土壤為下蜀黃土母質(zhì)發(fā)育的黃棕壤,試驗(yàn)前0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)為:pH 5.95、容重1.23 g?cm-3、有機(jī)質(zhì)18.22 g?kg-1、全氮1.08 g?kg-1、堿解氮87.12 mg?kg-1、全磷0.35 g?kg-1、Olsen-P 9.62 mg?kg-1、緩效鉀624.78 mg?kg-1、速效鉀156.37 mg?kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理:①常規(guī)順坡耕作(CK);②植物籬(黃花菜,PH);③植物籬+秸稈覆蓋(PHS);④等高壟作(CR)。3次重復(fù),完全隨機(jī)區(qū)組排列。與試驗(yàn)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng),本試驗(yàn)共設(shè)置12個(gè)徑流小區(qū),各小區(qū)呈北高南低,坡度6°,面積24 m2(8 m′3 m),小區(qū)四周設(shè)25 cm厚的磚砌水泥擋板,地下部分埋深30 cm,地上高25 cm,互不滲漏。在每個(gè)小區(qū)南側(cè)建立徑流池,以便收集降雨產(chǎn)流后的水樣和泥沙樣,徑流池深地表以下1 m,為便于計(jì)量徑流池內(nèi)水量,在池壁上做好刻度線標(biāo)記。徑流池表面鋪設(shè)石棉瓦防雨設(shè)施,防止雨水灰塵落入,防止人和動(dòng)物不慎跌落,試驗(yàn)區(qū)附近設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)雨量筒,用以進(jìn)行降雨觀測(cè)。

上述處理中,植物籬(PH)處理選用百合科萱草屬植物黃花菜。黃花菜是多年生草本宿根植物,具有抗干旱、耐貧瘠、耐低溫、抗病性強(qiáng)等特點(diǎn),其根系發(fā)達(dá),細(xì)微根須系統(tǒng)拓展范圍可達(dá)50 cm,保土截流功能較好。此外,它還具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,其花可以食用、入藥。黃花菜于2008年6月移栽,在小區(qū)內(nèi)定植3帶,每帶均兩行,行距和株距均為20 cm,帶間距為280 cm。植物籬+秸稈覆蓋(PHS)處理:在PH處理的基礎(chǔ)上,將上季作物秸稈覆蓋于植物籬帶間地表,秸稈剪成20～30 cm,用量為3 000 kg×hm-2。等高壟作(CR)處理:將小區(qū)修建成6階順坡梯田,在小區(qū)內(nèi)橫向起壟,壟寬為1 m,壟高為0.14 m,壟間距0.4 m。除植物籬帶外,其他處理小區(qū)內(nèi)種植作物,芝麻-冬小麥輪作,按照當(dāng)?shù)氐姆N植方式和種植密度種植。化學(xué)肥料用量為:芝麻季氮肥(N)150 kg?hm-2,磷肥(P2O5)90 kg?hm-2,鉀肥(K2O)120 kg?hm-2;小麥季氮肥(N)180 kg?hm-2,磷肥(P2O5)75 kg?hm-2,鉀肥(K2O)90 kg?hm-2。60%氮肥(尿素)作基肥,40%氮肥用作追肥(芝麻蕾期追肥,冬小麥拔節(jié)期追肥),全部磷肥(過(guò)磷酸鈣)和鉀肥(氯化鉀)作為基肥。

1.3 樣品采集與分析

2014—2015年內(nèi)每次降雨產(chǎn)流后,測(cè)定徑流池水位,計(jì)算徑流量。多點(diǎn)采集充分混勻的泥水樣于一個(gè)干凈的桶內(nèi)混勻,采集水樣1 L,最后將徑流池清洗干凈,以備下次收集徑流。水樣取回后一般立即分成兩部分,一部分用于含沙量的測(cè)定,另一部分用于化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定。取混合水樣至少500 mL,靜置分層20 h以上,過(guò)濾、105℃烘箱中烘24 h、冷卻后稱重,計(jì)算泥沙量[17]。分析的化學(xué)指標(biāo)有總磷(TP)、溶解態(tài)總磷(DTP)、溶解態(tài)正磷酸鹽(D-Ortho-P),參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)進(jìn)行測(cè)定[18]。TP采用過(guò)硫酸鉀氧化-鉬酸鹽比色法測(cè)定;DTP由水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后,測(cè)定方法與TP相同;D-Ortho-P由水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后,直接用鉬酸鹽比色法測(cè)定。PP(顆粒態(tài)磷)和DOP(溶解態(tài)有機(jī)磷)用差減法進(jìn)行計(jì)算,即PP=TP-DTP和DOP=DTP-D-Ortho-P。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 單位面積磷流失負(fù)荷(Q)計(jì)算

場(chǎng)次降雨地表徑流各形態(tài)磷流失濃度表示一場(chǎng)降雨事件中地表徑流全過(guò)程排放的各形態(tài)磷平均濃度,其中場(chǎng)次降雨小區(qū)內(nèi)各形態(tài)磷平均徑流濃度(C)可用式(1)求得:

式中:C表示小區(qū)內(nèi)各形態(tài)磷徑流濃度(mg?L-1),M為小區(qū)內(nèi)各形態(tài)磷排放通量(g),V為小區(qū)內(nèi)徑流通量(L),C(t)表示t時(shí)刻各形態(tài)磷徑流濃度(mg?L-1),V(t)為t時(shí)刻地表徑流量(L),t為降雨歷時(shí)。

場(chǎng)次降雨徑流事件磷徑流流失量可用式(2)求得:

式中:Qi為第i次降雨事件各形態(tài)磷流失量,Ci為徑流液各形態(tài)磷濃度(mg?L-1),Vi為24 m2小區(qū)的徑流量(L)。

各形態(tài)磷年徑流流失負(fù)荷表示全年降雨產(chǎn)生的各形態(tài)磷流失負(fù)荷總和,是衡量水土保持和農(nóng)業(yè)面源污染控制效果的重要指標(biāo),可用式(3)求得:

式中:Q為各形態(tài)磷累積遷移負(fù)荷(kg?hm-2),n為年降雨產(chǎn)流次數(shù)。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,并用LSD(least significant difference test)進(jìn)行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)藝措施下坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)

2014—2015年試驗(yàn)期間產(chǎn)生徑流的降雨共有5次,分別是在2014年的7月4日和7月24日,2015年的6月16日、6月26日和8月9日,對(duì)應(yīng)的降雨量分別為:89.5 mm、126.2 mm、96.2 mm、78.9 mm、48.6 mm。本研究以年為單位,對(duì)各個(gè)處理的徑流量和產(chǎn)沙量分別進(jìn)行匯總,結(jié)果見(jiàn)圖1。4個(gè)處理的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量從大到小順序依次為CK>CR>PH>PHS,方差分析結(jié)果顯示,3種農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)順坡耕作相比差異顯著(P<0.05)。與CK相比,PH對(duì)地表產(chǎn)流量的降低幅度分別為20.4%和26.5%,平均為23.5%,對(duì)產(chǎn)沙量的降低幅度分別為26.0%和32.9%,平均為29.5%。PHS相比于CK,其對(duì)產(chǎn)流量的降低幅度分別為33.0%和39.9%,平均為 36.5%,對(duì)產(chǎn)沙量的降低幅度分別為 42.7%和47.7%,平均為45.2%。與CK相比,CR對(duì)地表徑流量的降低幅度分別為17.2%和22.1%,平均為19.7%,對(duì)產(chǎn)沙量的降低幅度分別為22.8%和29.7%,平均為26.3%。由此可見(jiàn),這3種農(nóng)藝措施可以有效減少巢湖沿岸坡耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量,效果由大到小的順序?yàn)?PHS>PH>CR。比較各處理的減流減沙幅度可以看出,這3種農(nóng)藝措施的減沙效果大于減流效果。

圖1 不同農(nóng)藝措施下的坡耕地產(chǎn)流量(A)和產(chǎn)沙量(B)Fig.1 Runoff(A)and sediment(B)of sloping cropland under different agronomic measures

2.2 不同農(nóng)藝措施對(duì)徑流液各形態(tài)磷濃度的影響

不同農(nóng)藝措施下歷次降雨徑流液中TP、DP、PP、DIP和DOP濃度見(jiàn)表1。在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)順坡耕作條件下,徑流液TP濃度范圍為0.612～1.220 mg?L-1,均已超過(guò)國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)中總磷Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值0.4 mg?L-1,因此巢湖沿岸坡耕地每一次的地表徑流都有可能對(duì)附近水體的質(zhì)量產(chǎn)生威脅。與CK相比,PHS顯著降低了徑流液TP和PP的濃度(P<0.05),降幅范圍分別為19.1%～33.5%和43.4%～54.9%;然而,其DTP和DIP的濃度卻顯著增加(P<0.05),增幅范圍分別為 33.2%～60.3%和34.8%～65.8%。與PHS相類似,PH相比于CK,其徑流液TP和PP濃度均顯著降低(P<0.05),降幅范圍分別為13.6%～24.8%和26.6%～37.2%,其DTP和DIP濃度有不同程度增加,但差異不顯著(P>0.05)。與CK相比,CR徑流液TP和PP的濃度有不同程度的降 低 ,降 幅 范 圍 分 別 是 13.9%～19.8% 和22.6%～30.1%。方差分析表明,徑流液PP濃度差異顯著,TP濃度在5次降雨徑流中有3次達(dá)到顯著水平(P<0.05),DTP和D-Ortho-P的濃度有小幅增加,但差異不顯著(P>0.05)。不同農(nóng)藝措施下徑流液DOP的濃度比較低,范圍是0.012～0.044 mg?L-1,各處理間無(wú)顯著差異。由以上分析可知,PHS、PH和CR這3種農(nóng)藝措施均可以不同程度地降低徑流液TP和PP的濃度,但卻增加了DTP和D-Ortho-P的濃度,其中,PHS對(duì)其影響的效應(yīng)最大。

表1 歷次降雨不同農(nóng)藝措施下的坡耕地徑流液中各形態(tài)磷的濃度Table 1 Concentrations of phosphorous of different forms in surface runoff under agronomic measures

2.3 不同農(nóng)藝措施對(duì)徑流液磷素形態(tài)的影響

徑流液中各形態(tài)磷所占比例見(jiàn)表2。在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)耕作條件下,顆粒態(tài)磷占總磷(PP/TP)的比例為71.3%～81.7%,這表明徑流搬運(yùn)的顆粒物(粒徑≥0.45 μm)是坡耕地地表徑流磷遷移的主要載體,與之相結(jié)合的磷是地表徑流磷素遷移的主要形態(tài),這與前人的研究結(jié)果一致[19-20]。在DTP中,D-Ortho-P所占比例較大,其值為87.4%～90.7%,DOP所占比例較小,僅占9.3%～12.6%。研究還發(fā)現(xiàn),與CK相比,3種農(nóng)藝措施不僅有效降低了PP的濃度(P<0.05),還顯著降低了其所占TP的比例(P<0.05),特別是PHS處理,PP/TP的值降至50.1%～55.8%。

2.4 不同農(nóng)藝措施對(duì)磷素徑流損失的阻控效果

由于降雨條件及農(nóng)業(yè)管理措施等因素的綜合影響,場(chǎng)次降雨徑流中磷流失負(fù)荷波動(dòng)較大,所以降雨徑流磷年流失負(fù)荷(即排放通量)更具有代表性,實(shí)際應(yīng)用中也常用磷年流失負(fù)荷表征某一流域降雨徑流中磷流失狀況。本研究以年為單位,對(duì)各個(gè)處理的不同形態(tài)磷的年流失負(fù)荷進(jìn)行了匯總,結(jié)果見(jiàn)表3。CK常規(guī)耕作條件下, TP年流失負(fù)荷平均為0.706kg?hm-2,占當(dāng)年作物施磷量0.98%,超過(guò)了以往研究[21]提出的環(huán)境可接受的磷素流失量0.44 kg?hm-2?a-1,這也進(jìn)一步說(shuō)明了巢湖沿岸坡耕地磷素隨地表徑流的遷移有可能對(duì)附近水體的質(zhì)量產(chǎn)生威脅。PP、DTP、D-Ortho-P和DOP的平均年流失負(fù)荷分別占TP的75.0%、25.0%、22.3%和2.8%。從表3可看出,不同農(nóng)藝措施對(duì)巢湖沿岸坡耕地TP、PP年流失負(fù)荷影響顯著,顯著降低了TP和PP隨地表徑流的遷移量(P<0.05)。與CK相比, PH、PHS和CR的TP年流失負(fù)荷平均分別降低38.4%、53.8%和33.4%(P<0.05),PP的降低幅度則分別為49.0%、67.6%和41.0%(P<0.05),同時(shí),也不同程度降低了DTP、D-Ortho-P和DOP的年流失負(fù)荷。由此可見(jiàn),植物籬、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作可以有效控制巢湖沿岸坡耕地隨地表徑流遷移磷素,其中,植物籬+秸稈覆蓋的效果最好。

表2 歷次降雨徑流液中各形態(tài)磷的比例Table 2 Ratios of different phosphorus forms in surface runoff under different agronomic measures in differentprecipitation events %

表3 不同農(nóng)藝措施下各形態(tài)磷年流失負(fù)荷Table 3 Annual losses of different forms of phosphorus via runoff under different agronomic measures

3 討論

3.1 不同農(nóng)藝措施對(duì)磷徑流損失的阻控作用

不同農(nóng)藝措施下,徑流液各形態(tài)磷濃度是否比常規(guī)耕作條件下有所降低,已有文獻(xiàn)的研究結(jié)論不盡一致。Wang等[22]研究表明,紫花苜蓿(Medicago sativaL.)間作玉米和黃花間作玉米模式下徑流液總磷及生物可利用磷濃度較常規(guī)玉米種植模式高,顆粒態(tài)磷則相反;張洋等[20]研究則表明,三帶等高桑(Morus albaL.)+交叉耕作方式能夠顯著降低徑流液TP、PP和DTP的濃度。本研究結(jié)果表明,植物籬、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作3種農(nóng)藝措施顯著降低了徑流液PP和TP的濃度,與此同時(shí)卻不同程度提高了DTP和D-Ortho-P的濃度。分析其原因,土壤磷素的流失過(guò)程實(shí)質(zhì)上是表層土壤與降雨和徑流相互作用的過(guò)程,徑流液磷素的濃度主要取決于徑流對(duì)土壤表層磷的稀釋作用和徑流在坡面?zhèn)鬟f過(guò)程中與磷素的相互作用。在本試驗(yàn)條件下,3種農(nóng)藝措施增加徑流液TDP和D-Ortho-P濃度的原因在于其對(duì)徑流流速的減緩作用,加劇了徑流與表層土壤的相互作用,使得溶解和解吸于單位徑流中的TDP和D-Ortho-P的含量有所增加。另外,長(zhǎng)期秸稈還田(包括還田的秸稈和刈割的植物籬地上部分)增加了土壤磷儲(chǔ)量,提高了土壤的供磷能力[23],再加上秸稈腐解分泌的有機(jī)酸可能提高了土壤磷的活性,促進(jìn)了磷在土壤中的遷移[24]。而徑流PP的含量主要受降雨濺蝕與徑流侵蝕作用的影響,這3種農(nóng)藝措施具有明顯的減流減沙作用,削弱了降雨-徑流過(guò)程對(duì)表層土壤PP的侵蝕,相應(yīng)也減少了單位徑流中隨泥沙遷移的PP含量。

本研究結(jié)果顯示,與常規(guī)耕作相比,植物籬、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作3種農(nóng)藝措施均顯著降低了徑流液TP流失負(fù)荷,表明3種農(nóng)藝措施可以有效地控制坡耕地磷素隨地表徑流的遷移,這與相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道基本一致[13-16,25]。如:三峽庫(kù)區(qū)湖北秭歸縣段20o紫色坡耕地香根草(Vetiveria zizanioidesL.)植物籬+小麥-玉米輪作模式年均TP流失負(fù)荷為20.51 mg?m-2,僅為對(duì)照的56.95%[16];湖北丹江口流域黃花菜植物籬徑流磷比對(duì)照減少78.3%[25];遼寧省棕壤坡耕地采取壟作模式,其徑流磷流失量比對(duì)照減少34.9%,泥沙攜帶磷減少12.1%[14];巢湖流域水旱輪作田旱作時(shí)采取秸稈覆蓋還田措施,其TP流失負(fù)荷比對(duì)照減少32.3%[13]。土壤磷素地表徑流流失負(fù)荷是由徑流量和TP濃度共同決定的,其中TP的濃度又由DTP和PP的濃度共同決定。本研究中,盡管3種農(nóng)藝措施均不同程度地提高了DTP的濃度,但由于PP是坡面磷素隨徑流遷移的主要形態(tài),3種農(nóng)藝措施對(duì)其減少的程度遠(yuǎn)大于對(duì)DTP的影響,從而降低了TP的濃度。綜合徑流量、泥沙量和徑流液各形態(tài)磷濃度來(lái)看,其對(duì)磷素輸出的控制效應(yīng)主要通過(guò)減少?gòu)搅髁亢徒档蛷搅饕篜P的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 巢湖流域坡耕地磷素徑流流失水平

坡面磷素的流失受到諸如土壤性質(zhì)、氣候條件、植被覆蓋、農(nóng)業(yè)管理措施、地形地貌等因素的綜合影響。Liu等[26]對(duì)丹江庫(kù)區(qū)坡耕地柑橘(Citrus reticulataBlanco.)園不同覆蓋方式下地表徑流氮磷流失進(jìn)行研究,結(jié)果表明,該地區(qū)柑橘園坡耕地在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理模式下的磷素地表徑流年流失負(fù)荷為1.6～1.7 kg?hm-2;林超文等[27]對(duì)四川紫色丘陵區(qū)坡耕地不同耕作和覆蓋方式下玉米生育期中水土及養(yǎng)分流失的研究則表明,該地區(qū)坡耕地在常規(guī)順坡壟作條件下磷素的當(dāng)季徑流損失量平均為27.18 kg?hm-2;張洋等[20]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)旱坡地氮磷流失的研究表明,該地區(qū)玉米-榨菜(Brassica junceaL.)輪作模式下磷素年流失通量為0.23 kg?hm-2;魯耀等[28]對(duì)云南坡耕地地表徑流氮磷流失特征定位監(jiān)測(cè)表明,該地區(qū)常規(guī)施肥順坡耕作磷素年流失負(fù)荷為1.45～6.78 kg?hm-2。本研究結(jié)果表明,巢湖流域坡耕地當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)順坡耕作磷素年流失負(fù)荷平均為0.706 kg?hm-2?？梢?jiàn),不同地區(qū)坡耕地磷素徑流流失水平差異比較大。與其他地區(qū)相比較,巢湖流域坡耕地磷素徑流流失水平處于中等水平。儲(chǔ)茵等[29-30]對(duì)巢湖沿岸圩區(qū)夏季水稻生長(zhǎng)期和冬季油菜-麥季磷的輸出特征進(jìn)行研究,結(jié)果表明,巢湖沿岸圩區(qū)稻油輪作區(qū)和稻麥輪作區(qū)磷素年輸出負(fù)荷分別為0.27 kg?hm-2和0.48 kg?hm-2?？梢?jiàn),巢湖沿岸坡耕地磷素的流失水平要高于同地區(qū)的稻麥(油)輪作區(qū),其對(duì)巢湖水體的潛在和長(zhǎng)期影響同樣不容忽視。另外,降雨的隨機(jī)性決定了不同年份的農(nóng)田磷素流失量差異比較大,要更加準(zhǔn)確地評(píng)估巢湖流域坡耕地土壤磷素地表徑流流失負(fù)荷尚需長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)研究。

4 結(jié)論

植物籬(PH)、植物籬+秸稈覆蓋(PHS)和等高壟作(CR)3種農(nóng)藝措施可以有效控制巢湖流域坡耕地水土流失的風(fēng)險(xiǎn),效果依次為:PHS>PH>CR。顆粒態(tài)磷是巢湖流域坡耕地磷素隨地表徑流遷移的主要形態(tài);在溶解態(tài)總磷中,溶解態(tài)正磷酸鹽所占比例較大,溶解態(tài)有機(jī)磷所占比例較小;PH、PHS和CR顯著降低了徑流液顆粒態(tài)磷和總磷的濃度,與此同時(shí)卻不同程度地提高了溶解態(tài)總磷和溶解態(tài)正磷酸鹽的濃度,而對(duì)溶解態(tài)有機(jī)磷的濃度無(wú)顯著影響。植物籬、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作3種農(nóng)藝措施可以有效減少坡耕地磷素流失負(fù)荷,徑流量的減少和顆粒態(tài)磷濃度的降低是3種農(nóng)藝措施有效控制磷輸出的主要機(jī)制,其中植物籬+秸稈覆蓋的效果最好,可以作為源頭控制巢湖沿岸坡耕地農(nóng)業(yè)面源污染物磷輸出的有效措施。

本試驗(yàn)磷流失及其負(fù)荷的計(jì)算主要關(guān)注地表徑流中磷形態(tài)的損失,而未考慮磷的淋溶損失,需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步完善。

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Effect of agronomic measures on phosphorous loss via runoff in sloping croplands around Chaohu Lake*

WANG Jing1,2,3,WANG Yunqing1,3,YE Yin1,3,MENG Chaofeng4,WANG Daozhong1,3, GUO Xisheng3**,LYU Guo’an2**

(1.Institute of Soil&Fertilizer,Anhui Academy of Agricultural Sciences,Hefei 230031,China;2.College of Resources and Environment,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China;3.Provincial Key Lab for Nutrient Cycling,Resources& Environment of Anhui Province,Hefei 230031,China;4.Soil and Fertilizer Station of Xuancheng,Xuancheng 242000,China)

Phosphorous;Runoff;Sloping cropland;Hedgerow ofHemerocallis citrina;Straw mulching;Contour ridge; Chaohu Lake

Oct.17,2016;accepted Feb.24,2017

S157.4;X524

A

1671-3990(2017)06-0911-09

10.13930/j.cnki.cjea.160916

王靜,王允青,葉寅,孟超峰,王道中,郭熙盛,呂國(guó)安.不同農(nóng)藝措施對(duì)巢湖沿岸坡耕地不同形態(tài)磷徑流輸出的控制效果[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2017,25(6):911-919

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* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401308)、國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2015ZX07204-007)和安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室績(jī)效評(píng)價(jià)補(bǔ)助項(xiàng)目(1606c08231)資助

**通訊作者:郭熙盛,主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與施肥研究,E-mail:gxssfiaa@mail.hf.ah.cn;呂國(guó)安,主要從事水土資源利用研究,E-mail:

lvguoanhzau@126.com

王靜,主要從事農(nóng)業(yè)面源污染防控研究。E-mail:wangjinghf1982@163.com

2016-10-17 接受日期:2017-02-24

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China(41401308),the Mega-projects of Science Research for Water Environment Improvement of China(2015ZX07204-007)and the Performance Evaluation Funding for the Key Lab of Anhui Province Technical Program(1606c08231).

**Corresponding authors:GUO Xisheng,E-mail:gxssfiaa@mail.hf.ah.cn;LYU Guo’an,E-mail:lvguoanhzau@126.com