有機培肥對紅壤坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響①

張白雪，何福紅，朱巧紅，彭新華*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 魯東大學資源與環(huán)境工程學院，山東煙臺 264025)

紅壤區(qū)是我國熱帶亞熱帶經(jīng)濟作物與林果生產(chǎn)基地。受季風氣候的影響，降雨豐沛但季節(jié)分配不均，加之紅壤黏粒含量高，透水性差，人類活動強度大，紅壤地區(qū)水土流失嚴重[1]。據(jù)報道該區(qū) 50%以上水土流失發(fā)生在坡耕地[2]，加劇了紅壤退化，成為制約該區(qū)域生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。紅壤坡耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律得到了比較全面的認識。一般而言，坡耕地的徑流高于林果地和植被恢復地[3-4]，可見，坡耕地由于翻耕擾動導致土壤結(jié)構(gòu)破壞是紅壤坡耕地產(chǎn)沙的一個重要因素。室內(nèi)模擬也驗證了翻耕顯著提高了水土流失[5]。除此之外，前期土壤含水量、降雨強度、植被覆蓋度等因素對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響也得到充分的認識[6-7]。紅壤坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙主要發(fā)生在雨季，這既與降雨特征密切相關，也與地表覆蓋和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等有關。據(jù)報道產(chǎn)流產(chǎn)沙隨著花生的生長和覆蓋度的提高而逐漸降低[8]。紅壤坡耕地水土保持措施也得到廣泛關注。秸稈覆蓋是農(nóng)業(yè)保護性耕作的核心技術(shù)，不僅可以增加土壤有機物投入，改善土壤的理化性質(zhì)，還增加了地表粗糙度，緩沖雨滴對地表的擊濺打擊，防止土壤結(jié)皮的產(chǎn)生，能有效地減少水土流失[9]。長期定位試驗表明稻草覆蓋+香根草籬處理比對照降低了 50% 的徑流和60% 以上的泥沙[10]。保護性耕作和生物籬是傳統(tǒng)的水土保持措施，但是由于紅壤坡耕地秸稈資源匱乏，草籬與作物存在競爭等因素，這些水土保持措施在紅壤坡耕地推廣程度受到一定的限制。有機培肥是提升土壤肥力和提高作物產(chǎn)量的主要措施，但是有機培肥試驗地主要建立在平坦的立地條件下，沒有考慮侵蝕作用。為此，在坡耕地開展有機培肥試驗，通過提高土壤有機質(zhì)，提升土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加作物覆蓋度，最終實現(xiàn)水土保持效果，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在中國科學院鷹潭紅壤生態(tài)實驗站水土保持實驗區(qū)進行(28°15′ N，116° 55′ E)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.8 ℃，≥10 ℃積溫為5 528 ℃；雨量豐富，年均降雨量1 795 mm，但季節(jié)分配不均，主要集中在4—6月份。區(qū)域地勢以低丘崗地為主要地形，海拔低于100 m，坡度約為10°，土壤為第四紀紅黏土母質(zhì)發(fā)育的典型紅壤，質(zhì)地黏重，主要黏土礦物為高嶺石。實驗前土壤有機碳7.44 g/kg，全氮0.73 g/kg，pH 5.34，砂粒29.1 g/kg，粉粒33.9 g/kg和黏粒37.0 g/kg。

1.2 試驗設計

侵蝕試驗地建于2011年[11]，順坡旱作花生，坡度為5°～8°，設置5個處理：不施肥為對照(CK)、單施化肥(NPK)、化肥加秸稈覆蓋(NPK+Str)、化肥加生物質(zhì)炭(NPK+BC)和化肥加豬糞培肥(NPK+SM)。除對照處理外，花生季氮、磷、鉀肥的用量分別為N 1 72.5 kg/hm2，P2O590.0 kg/hm2和 K2O 180 kg/hm2。為了促進花生對鈣元素的吸收，施用硼肥 B 0.162 kg/hm2。碳投入量為C 2 t/hm2，NPK+Str、NPK+BC和NPK+SM處理分別施秸稈(含C 400 g/kg)5.0 t/hm2、生物質(zhì)炭(含 C 500 g/kg)4.0 t/hm2和豬糞(含 C 250 g/kg)8.0 t/hm2。秸稈為水稻秸稈，生物質(zhì)炭為水稻秸稈在400 ℃下厭氧炭燒4 h制備。豬糞提前堆放到田間，漚肥待用。在花生播種前，將豬糞、生物質(zhì)炭和基肥(N、P、K、B)撒施入小區(qū)內(nèi)，翻耕混勻，然后順坡起壟播種花生?；ㄉシN后立即將秸稈以覆蓋的方式還田。每個處理重復3次。小區(qū)采取隨機區(qū)組設計，每個小區(qū)長20 m，寬6 m，共15個小區(qū)。每個小區(qū)各 13壟，每壟 100穴，每穴種植 2 株，壟距43 cm，株距20 cm。花生全生育期為4—8月，其他月份農(nóng)閑休耕。

1.3 侵蝕小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的測定

本研究產(chǎn)流產(chǎn)沙監(jiān)測時間為2015年1—12月。每一小區(qū)下端出口挖坑砌池(長×寬×高=1.5 m×1.0 m×0.5 m)，安裝翻斗式徑流儀，連接事件計數(shù)器(Onset computer corporation)，實時監(jiān)測徑流的全過程。徑流深度計算公式為：

式中：Runoff為徑流深度 (mm)；V為翻斗儀容量(2 L)；N為降雨事件的翻斗次數(shù)；A為徑流小區(qū)面積(120 m2)。

同時，翻斗計下安裝孔徑300目的濾網(wǎng)，收集每次降雨事件后的泥沙稱重(Mw)，并從中取0.5 kg濕沙烘干后再稱重(Md)，由此計算產(chǎn)沙量：

式中：Erosion為單位面積產(chǎn)沙量 (t/hm2)；Mw為泥沙濕重(kg)；Md為0.5 kg濕沙的烘干重(kg)；A為侵蝕小區(qū)面積(120 m2)。降雨數(shù)據(jù)來源于紅壤生態(tài)試驗站氣象自動觀測儀(型號MAWS301，芬蘭VAISALA公司)，離試驗地400 m左右。

1.4 樣品采集與分析

花生成熟后，每小區(qū)采集2個樣方(m2)的植株，將植株地上部、根系、莢果分開收集，75 ℃烘干至恒重，測定各部分生物量?；ㄉ斋@后，用鐵鍬采集0～20 cm耕層土壤，放入硬質(zhì)盒子帶回實驗室，風干過8 mm篩，測定土壤有機碳和土壤團聚體穩(wěn)定性等。有機碳含量采用硫酸重鉻酸鉀加熱氧化-容量法，土壤團聚體穩(wěn)定性采用Yoder濕篩法。土壤團聚體穩(wěn)定性用土壤團聚體的平均重量直徑(MWD)來表征，計算公式為：

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，采用SPSS 16.0軟件進行單因素方差分析、多重比較(LSD檢驗)和相關性檢驗，采用Origin Pro 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機培肥對土壤性質(zhì)與花生產(chǎn)量的影響

由表1可知，2015年各處理的花生產(chǎn)量為0.34 ～1.39 t/hm2，施肥顯著提高了花生產(chǎn)量(P＜ 0.05)。與單施無機肥(NPK)處理相比，無機肥與豬糞配施(NPK+SM)處理提高了花生產(chǎn)量的27%，但是秸稈覆蓋(NPK+Str)和生物質(zhì)炭(NPK+BC)處理并沒有提高產(chǎn)量。與往年相比，2015年的產(chǎn)量僅為2014年產(chǎn)量(CK：0.97 t/hm2；NPK：2.53 t/hm2；NPK+Str：2.82 t/hm2；NPK+BC：2.21 t/hm2；NPK+SM：2.45 t/hm2)的35%～57%，主要原因是2015年降雨多集中在花生生長后期，花生發(fā)生了病蟲害。與CK處理相比， NPK處理雖然提高了花生產(chǎn)量與生物量(P＜0.05)，但并沒有提高土壤有機碳含量和團聚體穩(wěn)定性(P＞0.05)。與 NPK處理相比，NPK+Str和NPK+BC處理沒有提高土壤有機碳含量、團聚體穩(wěn)定性和地上生物量(P＞0.05)，但是 NPK+SM 處理顯著提高了土壤有機碳含量、地上生物量和團聚體穩(wěn)定性(P＜0.05)。NPK+Str處理沒有提高土壤有機碳的原因是由于秸稈與土壤沒有充分接觸，即秸稈沒有參與團聚體形成而被物理保護。生物質(zhì)炭由于自身惰性，團聚作用不明顯[12]。本研究的田間結(jié)果再次驗證稻草秸稈制成的生物質(zhì)炭不能提高團聚體穩(wěn)定性，但是其農(nóng)學效應不明顯與他人的研究結(jié)果不一致[12-14]。盆栽試驗或平坦的立地條件下的研究均表明生物質(zhì)炭顯著促進了作物生長[12-14]，沒有考慮土壤侵蝕的作用。與試驗前土壤性質(zhì)相比，土壤有機碳含量除NPK+SM處理外均有下降趨勢，其中CK處理下降幅度最大，可見侵蝕是紅壤坡耕地有機碳下降的主要原因之一。

表1 2015年有機培肥對土壤性質(zhì)與花生產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of organic fertilization on soil properties and peanut yield in 2015

2.2 有機培肥對產(chǎn)流的影響

2015年降雨量為2 089 mm，主要集中在5—6月，花生生長季4—8月占年降雨量的58%(圖1)。各處理下徑流量為222～429 mm，其中花生季占年徑流量的39%～79%(圖2)。與CK處理相比，NPK處理沒有降低徑流(P＜0.05)。與NPK處理相比，NPK+Str和 NPK+BC處理顯著降低了徑流(P＜0.05)。這一降低主要發(fā)生在花生季，僅為NPK處理的42%～69%，而在非花生季，NPK+Str處理反而提高了地表徑流(P＜0.05)。

秸稈覆蓋是傳統(tǒng)的水土保持措施。秸稈覆蓋顯著降低了雨滴動能，減緩了土壤結(jié)皮的形成速度，提高了入滲，減少了徑流[9]。生物質(zhì)炭由于自身多孔，提高了土壤孔隙度，增加了飽和導水率[15]。與NPK處理相比，NPK+SM處理顯著提高了徑流(P＜0.05)，特別是在花生季。施用豬糞提高了作物地上生物量和團聚體穩(wěn)定性，但是由于增加的覆蓋度降低了土壤蒸發(fā)，導致土壤含水量高。較高的前期土壤含水量有利于產(chǎn)流[6]。其次，據(jù)前人報告[16]，豬糞可提高土壤斥水性，這利于降雨轉(zhuǎn)化成地表徑流，但是這一機制還需要進一步研究。

圖1 2015年不同處理徑流深度的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variations of surface runoffs under different treatments in 2015

為了區(qū)分地表覆蓋對產(chǎn)流的影響，降雨-產(chǎn)流的關系分為花生季(4—8月)和非花生季(9—3月)兩個時段來分析(表2)。相對花生季徑流(86 ～311 mm)，非花生季徑流在各處理之間的差異較小(70～135 mm)。除NPK+Str處理外，花生季徑流系數(shù)(0.12～0.25)要高于非花生季(0.08～0.13)，這主要是花生季與雨季同期，土壤含水量高的緣故。從降雨-產(chǎn)流的關系來看，花生季的相關系數(shù)(0.806～0.889)顯著高于非花生季(0.303～0.653)，說明地表覆蓋對降雨-產(chǎn)流的關系影響較小，而前期土壤含水量是主要因子。在非花生季，NPK+Str處理的降雨-產(chǎn)流斜率最大(0.412)，NPK+BC處理的斜率最小(0.068)；在花生季，CK和 NPK+SM處理的斜率較大(0.333～0.381)，NPK+Str處理的斜率最小(0.095)。降雨-產(chǎn)流的斜率反映降雨轉(zhuǎn)化為徑流的系數(shù)，可見秸稈覆蓋處理的產(chǎn)流最少，而CK和NPK+SM處理最大，這與圖2的結(jié)果一致。但是，在非花生季，隨著秸稈進一步腐解，腐解后所形成的細小的秸稈顆?？赡芴畛淞吮韺油寥揽紫?，導致產(chǎn)流增加。而生物質(zhì)炭提高土壤孔隙度[15]，不但削弱了降雨-產(chǎn)流相關性，也降低了產(chǎn)流。

圖2 不同處理花生季和非花生季的徑流深度Fig. 2 Runoffs under different treatments in peanut season and non-peanut season

表2 有機培肥下花生季(N=55)與非花生季(N=68)降雨量與徑流深度的回歸關系Table 2 Regression relations between rainfalls and runoffs under organic fertilization in peanut season and non-peanut season

2.3 有機培肥對產(chǎn)沙的影響

2015年產(chǎn)沙量以處理為順序：NPK(36.5 t/hm2)、CK(36.1 t/hm2)、NPK+BC(31.9 t/hm2)，NPK+SM(19.6 t/hm2)和NPK+Str(2.9 t/hm2)。以常規(guī)耕作的NPK處理為例，按容重1.2 g/cm3換算，相當于每年約3 mm表層土被侵蝕，達到中度侵蝕[17]，也高于2014年的產(chǎn)沙量(30 t/hm2)[11]，存在明顯的年際變化。除NPK+Str處理外，侵蝕主要發(fā)生在5—6月(74%～83%)(圖3)，這與該時段降雨集中、地表覆蓋度低和翻耕擾動等有關。除NPK+Str處理外，花生季(4—8月)侵蝕量占年侵蝕量的 78% ～86%(圖4)。與CK處理相比，單施化肥(NPK)處理雖然能提高地表覆蓋度(表 1)，但是沒有降低土壤侵蝕。與NPK處理相比，NPK+Str處理極顯著地減少了土壤侵蝕(P＜0.001)，這與他人結(jié)果一致[10]。秸稈覆蓋阻控水土流失效果顯著，但是紅壤坡耕地秸稈資源較少，難以推廣。施用生物質(zhì)炭(NPK+BC)降低了地表徑流(圖 3)，但是沒有降低土壤侵蝕(P＞0.05)。在田間試驗中，本研究觀察到大量生物質(zhì)炭隨水流失，同時泥沙中土壤有機碳含量顯著高于其他處理。這說明坡耕地上施用生物質(zhì)炭，特別是秸稈生物質(zhì)炭由于質(zhì)量輕，顆粒小，團聚能力弱，極易被沖刷出土體而損失[11]，最終改良效果不明顯(表1)。因此，生物質(zhì)炭雖然能提高土壤孔隙度[15]，對降低地表徑流有一定的作用，但是不能促進團聚體形成[11-12]，對水土流失阻控的效果不明顯。因此，在易遭水土流失的紅壤坡耕地上，生物質(zhì)炭的改良效果并非與盆栽試驗或無侵蝕的平坦區(qū)的結(jié)果一致[12-13]。與 NPK處理相比，施用豬糞(NPK+SM)雖然提高了地表徑流(圖 2)，但是通過提高地表覆蓋度和團聚體穩(wěn)定性(表 1)，降低了46% 的水土流失(P＜0.05)。大量長期定位試驗也表明豬糞能提高作物產(chǎn)量，增加土壤有機碳含量，提高水穩(wěn)定性團聚體的形成[18]，但是開展有機肥對水土流失阻控的研究較少。本研究區(qū)豬糞資源豐富[19]，而旱地秸稈資源缺乏。有機肥施用提高了土壤肥力，促進了團聚體形成，阻控了水土流失，是支撐該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

3 結(jié)論

圖3 2015年不同處理土壤侵蝕的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variations of soil erosion under different treatments in 2015

圖4 2015年不同處理花生季與非花生季的土壤侵蝕Fig.4 Soil erosion rates under different treatments in peanut season and non-peanut seasons in 2015

紅壤坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙主要發(fā)生在花生季，產(chǎn)流受地表覆蓋的影響小，而受前期土壤含水量的影響大；產(chǎn)沙受降雨、地表覆蓋和翻耕擾動等多因素的綜合影響。秸稈覆蓋能顯著降低產(chǎn)流產(chǎn)沙，但是秸稈資源在紅壤坡耕地匱乏，難以推廣；生物質(zhì)炭顯著降低產(chǎn)流，但是對減沙效果和提高作物生長不明顯，主要是生物質(zhì)炭容易隨水流失；豬糞在該區(qū)資源豐富，對提高土壤肥力，促進土壤團聚體形成，阻控水土流失效果顯著。因此，紅壤區(qū)應注重花生季水土流失，增施有機肥是該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。

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