保護(hù)性耕作措施對(duì)陡坡地養(yǎng)分流失的影響

陳靜蕊，劉 佳，王惠明，熊鴻飛，劉 暉，徐昌旭*，秦文婧

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330200；2.江西省農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江西 南昌 330046；3.江西省石城縣能源辦，江西 石城 342700)

中國(guó)有1.217 3億hm2耕地，其中坡耕地占三分之一，主要分布在中國(guó)西南丘陵和山地地區(qū)。坡耕地既是人類賴以生存的重要生產(chǎn)資料，也是水土流失最為嚴(yán)重的耕地類型[1-2]。坡耕地作為我國(guó)南方丘陵山區(qū)重要的耕地資源，因受西南和東南季風(fēng)的影響，降水豐沛，時(shí)間分布集中，土壤侵蝕嚴(yán)重。以長(zhǎng)江為例，每年其來(lái)沙量的60%～78%源于坡耕地[3]。這些流失的泥沙及水體中的氮、磷等養(yǎng)分進(jìn)入水體后，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)而引起一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

種植業(yè)的集約化經(jīng)營(yíng)和為追求高產(chǎn)而過(guò)量使用化肥引起的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注[4-5]。農(nóng)業(yè)面源污染物的大量輸出，特別是農(nóng)田徑流中氮、磷輸出是構(gòu)成地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[6-7]，地表徑流流失養(yǎng)分對(duì)湖泊、河流富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率高達(dá)50%～60%[8]。坡耕地，尤其是陡坡地作為最易水土流失的耕地類型，其地表徑流中攜帶氮、磷的輸出更是不可小覷。為應(yīng)對(duì)坡耕地的養(yǎng)分流失，國(guó)內(nèi)外專家近年來(lái)已提出大量的保護(hù)性耕作管理措施，其中以橫坡壟作與等高植物籬耕作管理措施在坡耕地上的應(yīng)用最為常見(jiàn)且有效[9-11]。因此，針對(duì)這兩種主要措施在旱坡地的截留效應(yīng)的研究較多[10,12]。但多集中關(guān)注于保護(hù)性耕作措施對(duì)全年徑流量及氮磷流失量等截留效應(yīng)，而對(duì)保護(hù)性耕作措施下，徑流量、氮磷流失量、徑流水中氮磷濃度變化在全年內(nèi)不同時(shí)段分配比例的研究相對(duì)較少[13]。只有了解了氮磷流失量在不同時(shí)段的分配比例，才能更好地針對(duì)流失集中的時(shí)期采取相應(yīng)的措施，減少農(nóng)田的養(yǎng)分流失。本項(xiàng)目以江西省占地面積較大的陡坡旱地為研究對(duì)象，重點(diǎn)關(guān)注保護(hù)性耕作措施在不同作物生長(zhǎng)季對(duì)徑流量、徑流水中氮磷濃度的變化的影響，以及徑流量及不同形態(tài)氮磷流失量的季節(jié)分配，以期為南方陡坡旱地的養(yǎng)分流失控制及合理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況

本監(jiān)測(cè)點(diǎn)為農(nóng)業(yè)部面源污染監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布控在江西省的13個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的一個(gè)，位于江西省贛州市石城縣屏山鎮(zhèn)羅陂村勝塘組(東經(jīng)116.268°，北緯 26.245°)。地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均溫18.1℃，年均降水量為1 919.6 mm。地形為陡坡地，坡度15°，土壤類型為紫色土。耕作層土壤基本理化性狀見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè) 3個(gè)處理：常規(guī)處理即順坡壟作(CK)，優(yōu)化處理1即橫坡壟作(KF)，優(yōu)化處理2即橫坡壟作+秸稈行間覆蓋(BMP)。每個(gè)處理 3 次重復(fù)。試驗(yàn)徑流小區(qū)按照國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，各徑流小區(qū)用磚混結(jié)構(gòu)田埂分隔，小區(qū)面積 10 m×4 m=40 m2。每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)1個(gè)徑流池，徑流池容積3.2 m3(長(zhǎng)×寬×高：4 m×0.8 m×1 m)。

本試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)時(shí)間為2015年1月1日至12月31日。周年輪作模式為：煙草-甘薯。供試煙草品種為云煙87，甘薯為本地常規(guī)品種。煙草移栽時(shí)間為2015年3月7日，收獲時(shí)間為2015年7月30日，此期間稱為煙草季；甘薯扦插時(shí)間為2015年8月12日，收獲時(shí)間為2015年11月23日，此期間稱為甘薯季，全年其余時(shí)間稱為休閑季。煙草季施肥方案按照當(dāng)?shù)責(zé)煵莨镜氖┓蕵?biāo)準(zhǔn)，3個(gè)處理的化肥施用量一致，折N、P2O5、K2O分別為241.5、257.9和775.8 kg·hm-2。BMP處理煙草移栽當(dāng)日行間覆蓋水稻秸稈5 003 kg·hm-2，折合N、P2O5、K2O的養(yǎng)分含量分別為2.00、0.33和2.67 kg·hm-2。煙草移栽前一周溝施基肥，基肥品種為復(fù)混肥(N-P2O5-K2O=6-7-10)，用量為3 480 kg·hm-2，3月17日追施尿素27 kg·hm-2，3月27日追施碳酸氫銨36 kg·hm-2，4月6日追施硫酸鉀和硝酸鉀各250.2 kg·hm-2，4月21日追施三元復(fù)合肥(N-P2O5-K2O=15-15-15)94.5 kg·hm-2，4月29日追施硫酸鉀和硝酸鉀各187.5 kg·hm-2。因?yàn)楸驹囼?yàn)地地形的原因，水土流失系數(shù)較高，為充分利用煙草季大量施用的磷鉀肥料，減少氮磷的流失，甘薯季僅施氮肥，在甘薯扦插15 d后一次施入，肥料品種為尿素，3個(gè)處理用量均為525 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與制備

1.4 數(shù)據(jù)分析

不同形態(tài)氮、磷素年流失量：整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中(一個(gè)完整年)每次徑流水中某形態(tài)氮(磷)濃度與徑流水體積乘積之和。計(jì)算公式如下:

式中：P為氮(磷)素流失量，kg·hm-2；Ci為第i次徑流水中氮(磷)的濃度；Vi為第i次徑流水的體積；n為徑流水樣次數(shù)。

由于本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)中沒(méi)有不施肥作為對(duì)照處理，因此，養(yǎng)分利用率提高比例的計(jì)算是以常規(guī)處理的養(yǎng)分吸收量/施肥量為100%來(lái)計(jì)算其他兩個(gè)處理的養(yǎng)分利用率。

數(shù)據(jù)分析應(yīng)用SPSS 11.0軟件與Excel 2003軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)徑流水中氮、磷濃度變化的影響

徑流水中TP和TDP濃度均值不同作物生長(zhǎng)季各處理之間差異不大。TP和TDP全年的濃度均值分別集中于0.09～0.18和0.05～0.10 mg·L-1(表2)。同一處理，TP和TDP濃度均值均隨著生長(zhǎng)季的推移呈下降趨勢(shì)，但季節(jié)之間差異不顯著。就徑流水中TP和TDP濃度的最大值來(lái)看，與CK處理相比，KF和BMP優(yōu)化處理后均能降低不同季徑流水中TP濃度的最大值，KF均能降低不同季徑流水中TDP濃度的最大值，而B(niǎo)MP處理在甘薯季和休閑季則略提高了徑流水中TDP的濃度最大值。

表2 不同處理徑流水中氮、磷濃度的季節(jié)變化 (mg·L-1)

注：同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同處理地表徑流及氮磷流失量的季節(jié)分配

2.2.1 不同處理徑流量的季節(jié)分配

由圖1A可以看出，本監(jiān)測(cè)點(diǎn)全年的徑流量隨降雨量的變化趨勢(shì)基本保持一致。全年降雨較少的1～4月份，產(chǎn)生徑流量也較少。全年徑流量最大值出現(xiàn)在降雨量最高的5月，CK、KF和BMP的徑流量分別為1 924、1 879和1 304 m3·hm-2。CK、KF、BMP 3個(gè)處理的全年徑流量分別為5 553、5 347和2 905 kg·hm-2(表3)。KF處理較CK處理減少了3.7%的徑流量，而B(niǎo)MP處理分別較CK和KF處理減少了48%和46%的年徑流量。這表明，本試驗(yàn)中單純的橫坡壟作在減少陡坡地的徑流方面效果有限，而橫坡壟作與秸稈覆蓋相結(jié)合則有明顯的效果。林藝等[15]、范成五等[16]的研究均表明，在旱坡地(坡度為15°)，橫坡壟作較常規(guī)的順坡種植能顯著減少地表徑流量。然而，在降雨強(qiáng)度增大到 1.5 mm·min-1時(shí)，則易發(fā)生斷壟現(xiàn)象，反而會(huì)增大土壤侵蝕。在本試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤質(zhì)地為重粘土，至本年度監(jiān)測(cè)結(jié)束，橫坡壟作處理的壟高雖有降低，但壟依然保持完整，因此并不存在斷壟現(xiàn)象。在本年度的5～7月，該區(qū)域總降雨量達(dá)1 188 mm，單日降雨量超過(guò)50 mm的暴雨共計(jì)7次，而單日降雨超過(guò)100 mm的有3次，3個(gè)不同處理5～7月的徑流量占全年的徑流量均超過(guò)50%。由于降雨強(qiáng)度是地表徑流的原動(dòng)力，大雨強(qiáng)條件下，地表徑流量是中雨強(qiáng)和小雨強(qiáng)的數(shù)倍[17]。因此推測(cè)，在本區(qū)域高強(qiáng)度降雨形成的地表徑流是全年徑流產(chǎn)生的主要形式，由于土壤質(zhì)地的原因，土壤對(duì)降雨的吸收能力有限，因而，降雨過(guò)程中在壟溝內(nèi)積聚的水會(huì)很快漫過(guò)壟面向坡底遷移。由于降雨強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間相對(duì)短暫，故而單純橫坡壟作的截留作用效果不明顯。而橫坡壟作與秸稈覆蓋相結(jié)合的條件下，秸稈一方面可以吸收部分降雨，提高其起始產(chǎn)生徑流的降雨量；另一方面，短時(shí)強(qiáng)降雨形成的徑流越過(guò)壟面向坡底遷移的過(guò)程中，秸稈也能減緩徑流的流速，既減少對(duì)壟面的侵蝕，又延長(zhǎng)徑流在坡面的保持時(shí)間，起到雙重的截留作用。因此，二者結(jié)合才能對(duì)陡坡地的地表徑流產(chǎn)生顯著的截留效果。

圖1 不同處理徑流量、徑流水中各形態(tài)氮磷流失量的季節(jié)分配

處理徑流量TNNO-3-NNH+4-NTPTDPNO-3/TNNH+4/TNTDP/TP(m3·hm-2)(kg·hm-2)(%)CK5553a1591a635a136a101a057a39985563KF5347a1372a476a101a045ab026b34773571BMP2905b490b158b050b029b017b323101569

2.2.2 不同處理對(duì)地表徑流及徑流中氮流失量的影響

不同處理全年徑流水中TN流失量的季節(jié)分布見(jiàn)圖1B。3個(gè)處理徑流水中TN全年流失量不同月份的分配與徑流量的分配表現(xiàn)相似，1～4月份TN的流失量較少，5月最多，CK、KF、BMP 3個(gè)處理分別為6.72、7.04和2.03 kg·hm-2，其它各月多維持在1.0 kg·hm-2左右。CK、KF、BMP全年 TN流失量依次為15.91、13.72和4.90 kg·hm-2(表3)。

CK、KF、BMP 3個(gè)處理硝態(tài)氮的最大值流失量也出現(xiàn)在5月，分別為4.13、2.92和0.98 kg·hm-2(圖1C)。CK、KF、BMP 3個(gè)處理硝態(tài)氮的年流失量分別為6.35、4.76和1.58 kg·hm-2。除無(wú)產(chǎn)生徑流的1月份外，處理之間不同月份硝態(tài)氮的流失量均表現(xiàn)為CK>KF>BMP。徑流水中銨態(tài)氮全年不同月份的流失量分配與硝態(tài)氮表現(xiàn)一致(圖1D)，CK、KF、BMP 3個(gè)處理全年的銨態(tài)氮流失量分別為1.36、1.01和0.50 kg·hm-2。方差分析結(jié)果表明，CK和KF處理之間硝態(tài)氮、銨態(tài)氮流失量差異不顯著，但二者的兩種無(wú)機(jī)氮流失量顯著高于BMP處理。

由表3可以看出，TN、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的年流失總量，處理之間均表現(xiàn)為CK和KF處理差異不顯著，但二者顯著高于BMP處理。這與徑流量3個(gè)處理之間的差異表現(xiàn)一致。3個(gè)處理硝態(tài)氮的年流失量占TN年流失量的比例均超過(guò)30%，而銨態(tài)氮年流失量占TN年流失量較小，最大值為BMP的10.1%。這表明，硝態(tài)氮是紫色土氮素流失的主要形式[18]。

2.2.3 不同處理對(duì)地表徑流中磷流失量的影響

徑流水中TP和TDP的流失量在不同月份的分布與降雨在全年不同月份的分布表現(xiàn)一致(圖1E,F)，TP和TDP流失量的最大值也出現(xiàn)在降雨最高的5月，CK、KF、BMP 3個(gè)處理TP和TDP的流失量分別為0.55和0.30 kg· hm-2、0.15和0.08 kg·hm-2、0.12和0.06 kg·hm-2。結(jié)合表2中徑流水中TP和TDP的全年流失量可以看出，5月份的磷流失量占到全年總流失量的一半左右。這意味著，徑流水中磷的流失與徑流量之間的關(guān)系可能不僅僅是簡(jiǎn)單的線性相關(guān)關(guān)系。在同等降雨量且徑流量接近的條件下，單次的高強(qiáng)度的降雨形成的高徑流量造成的磷流失可能遠(yuǎn)大于低強(qiáng)度多頻次的低徑流量造成的磷流失。換言之，磷的流失受雨強(qiáng)的影響較大，雨強(qiáng)越大，磷損失量顯著增加[1]。

2.3 降雨量與地表徑流的相關(guān)分析

為了明確不同處理下降雨量與徑流之間的相關(guān)性，對(duì)3個(gè)處理的降雨和徑流分別進(jìn)行了相關(guān)分析(圖2)。不同處理的徑流量均與降雨量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。為了明確優(yōu)化處理后降雨對(duì)徑流的產(chǎn)生，對(duì)3個(gè)處理回歸方程的斜率進(jìn)行了方差分析，結(jié)果表明，CK和KF處理的斜率之間無(wú)顯著差異，但二者與BMP處理之間差異顯著(表4)。這表明，在相同強(qiáng)度降雨條件下，BMP能產(chǎn)生比CK和KF更小的徑流量。同時(shí)，按照擬合曲線推算發(fā)生徑流的最小降雨量，CK和KF的最小降雨量分別為26.95和22.93 mm，而B(niǎo)MP處理的最小降雨量為67.15 mm。

圖2 不同處理降雨與徑流量的相關(guān)分析

處理斜率起始產(chǎn)流的最小降雨量(mm)CK2708a2695KF2643a2293BMP1853b6715

2.4 不同處理對(duì)作物產(chǎn)量、養(yǎng)分積累及養(yǎng)分利用的影響

CK、KF和BMP 3個(gè)處理煙草季煙葉的產(chǎn)量分別為1 016.25、1 075.50和1 031.00 kg·hm-2；甘薯季的產(chǎn)量分別為26 437.50、28 335.50和27 557.65 kg·hm-2(表5)。雖然兩季作物的產(chǎn)量處理之間均表現(xiàn)為KF>BMP>CK，但差異均未達(dá)到顯著水平。CK、KF和BMP 3個(gè)處理全年的N養(yǎng)分吸收量分別為151.15、153.83和152.37 kg·hm-2；全年的P養(yǎng)分吸收量分別為7.18、7.56 和7.80 kg·hm-2。與CK處理相比，KF處理的氮磷養(yǎng)分利用率分別提高了1.72%和5.59%，BMP處理可能由于施肥量偏多，導(dǎo)致氮的養(yǎng)分利用率降低了5.12%，但磷的利用率則較CK處理提高了6.59%。

表5 不同處理對(duì)植物全年養(yǎng)分吸收量及養(yǎng)分利用率的影響

3 結(jié)論

橫坡壟作雖然能夠降低紫色土陡坡地地表徑流量、徑流水中氮磷養(yǎng)分的流失量，但是其截留效果不顯著。而橫坡壟作+秸稈覆蓋對(duì)陡坡地地表徑流及徑流水中不同形態(tài)氮磷流失量均有顯著的截留效果。

橫坡壟作+秸稈覆蓋能顯著地提高起始產(chǎn)流的最小降雨量。

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