松干流域不同種植模式對坡耕地土壤氮磷流失的影響

楊世琦，邢 磊，劉宏元，韓瑞蕓，楊正禮(1中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2農(nóng)業(yè)部 農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點開放實驗室，北京 100081)

我國坡耕地占總耕地面積的34.3%[1]，土壤侵蝕量年均14 億t，導致土壤肥力下降、耕地生產(chǎn)能力降低[2]。水土流失不僅造成土壤退化，同時增加了水體的環(huán)境負荷和風險，影響區(qū)域農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和土壤資源的持續(xù)利用[3]。坡耕地是江河泥沙的主要來源，坡越長，坡度越大，降雨強度越大，產(chǎn)沙量越大[4-6]，有研究表明，長江60%～78%的產(chǎn)沙量源于坡耕地[4]。農(nóng)田水土流失的主要影響因素包括植被(植被類型、植被覆蓋、植被枯枝落葉層、植被高度與植被根系等),自然因素(降水量、降水強度、降水時期和坡度等),人為因素(土壤耕作、作物類型、種植方式、壟作模式等)[7-10]。農(nóng)田土壤少耕或免耕、地表微地形改造技術及地表覆蓋技術，能夠使土壤少擾動、少裸露、少污染并保持適度濕潤和適度粗糙的狀態(tài)，可有效減少水土流失量[11]，等高草籬也是防治坡耕地水土流失的一種有效措施[12]。

遙感普查結果表明，我國黑土區(qū)水土流失面積為27.59萬km2，是黑土區(qū)總面積的27%[13]，典型黑土區(qū)坡耕地水土流失比例高達80.3%[14]。《中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學考察總結報告(2008)》中指出，黑土區(qū)水土流失速度超過治理速度。有研究表明，我國東北農(nóng)田黑土層由50年代的60～70 cm下降至現(xiàn)在的20～30 cm[15-16]，40～70年后的黑土將可能流失殆盡[17]。開墾20年黑土肥力下降1/3，40年下降1/2，70～80年下降2/3左右，土壤有機質(zhì)每年以0.1%左右的速度遞減；黑土區(qū)年流失表土(5 960～9 180)萬t，若按表土含有機質(zhì)3%、全氮0.2%、全磷0.15%估算，則年流失的有機質(zhì)(178.8～275.4)萬t、氮(11.9～18.4)萬t、磷(8.9～13.8)萬t，這還不包括地表水從土壤中帶走的可溶性養(yǎng)分[18]。黑土區(qū)坡耕地坡度大多為7°～10°，一般坡面長，坡底匯流產(chǎn)生的沖蝕力較大，易發(fā)嚴重侵蝕[19]。坡耕地土壤底土黏重，透水能力較差，這加劇了坡面匯水量，更容易引發(fā)土壤侵蝕[20]。目前，大多學者采用人工模擬降雨的方式研究不同作物覆蓋及耕作措施對水土流失的影響，研究區(qū)域以黃土區(qū)、紫色土區(qū)與紅壤區(qū)為主[21]。關于東北黑土區(qū)坡耕地水土流失的農(nóng)作控制技術研究，尤其是關于土壤耕作措施、秸稈還田與種植制度等因素同步考慮的田間試驗尚未見報道。鑒于上述現(xiàn)狀，同時考慮東北地區(qū)松干流域農(nóng)田面源污染控制的需求，本研究開展了不同土壤耕作模式、種植模式下的土壤氮磷流失試驗，以期為松干流域坡耕地水土及土壤養(yǎng)分的保持提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于黑龍江省哈爾濱市方正縣德善鄉(xiāng)史皮鋪村(45.796° N，128.865° E)，屬松花江主要支流螞蜒河流域下游。試驗區(qū)年平均溫度在3 ℃左右，年最低氣溫為-35 ℃，年最高氣溫為34 ℃；無霜期為110～145 d；多年平均降水量556 mm，集中在6～8月。試驗田土壤屬黑土，主要理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試農(nóng)田土壤的基本理化性狀Table 1 Soil physical and chemical properties in experimental field

1.2 試驗設計

試驗設置玉米+秸稈立茬還田(均為上年秸稈，下同)+橫壟(CSSC)、玉米+秸稈粉碎還田+橫壟(CSC)、大豆+秸稈粉碎還田+橫壟(SSC)和苜蓿+秸稈粉碎還田+橫壟(ASC)等4個不同種植模式，以玉米+順壟(CNL)為對照(CK)，各處理3次重復，隨機區(qū)組排列。作物4月下旬至5月上旬播種，播種前施入底肥(復合肥，N、P2O5、K2O含量均為17%)500 kg/hm2，占總施肥量的71.4%，折純N、P2O5、K2O量均為87 kg/hm2；6月中下旬追施尿素(N含量46.4%)200 kg/hm2占總施肥量的28.6%，折純N量92.8 kg/hm2。試驗小區(qū)寬4 m，長8 m，坡度10°，小區(qū)間用高出壟5 cm的彩鋼板隔開。玉米、苜蓿和大豆等作物全量還田；秸稈人工粉碎3～5 cm，翻壓還田，立茬還田秸稈置于壟溝中；播種均采用點播方式。作物生長季降水量2014年為459.4 mm，2015年為491.3 mm，2016年為593.5 mm。試驗期內(nèi)的降水情況見圖1。

圖1 2014-2016年松干流域作物生長季降水量Fig.1 Daily precipitation in growing season in the main Songhua river basin in 2014-2016

徑流量通過米尺測量水深(徑流桶直徑50 cm，深度50 cm)，不同位置測量水深4次；依據(jù)水深平均值與集流桶直徑求得單次降水的農(nóng)田徑流量；攪動集流桶泥水使其充分混勻后灌入取樣瓶(2瓶)，送回實驗室測定泥沙含量。2014、2015與2016年分別收集產(chǎn)流6、4和9次。土壤全氮(TN)含量采用半微量凱氏法測定，土壤全磷(TP)含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，水中總氮、總磷質(zhì)量濃度采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，土壤浸提液硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量采用流動分析儀測定。土壤氮磷流失負荷是土壤流失量與其氮磷含量(%)的乘積，徑流氮磷流失負荷是徑流量與其氮磷含量(%)的乘積。

試驗數(shù)據(jù)處理采用Excel軟件，指標差異性采用SPSS軟件。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式下土壤流失量與徑流量

由表2可知，與順壟(CK)相比，橫壟(CSSC、CSC、SSC、ASC)處理可顯著減少水土流失量(P<0.05)；不同作物之間水土流失的差異性因降水年型而不同(單次土壤流失量與徑流量因降雨量多少產(chǎn)生差異，降水量差異越大，土壤流失量與徑流量差異也越大)。與CK相比，CSSC、CSC土壤流失量減少37.9%～59.6%，徑流量減少42.4%～57.3%，表明玉米橫壟立茬還田(CSSC)與粉碎還田(CSC)2種模式均能有效降低坡耕地水土流失；玉米立茬還田與粉碎還田相比，土壤流失量沒有顯著差異，表明在立茬還田情況下，由于表土壤耕作干擾減少，雨水的土壤入滲量減少，加上地表粗糙度相對降低，有利于徑流形成。與CK相比，SSC、ASC土壤流失量減少59.9%～76.8%，徑流量減少54.6%～61.6%，表明大豆(SSC)和苜蓿(ASC)秸稈還田模式能夠有效降低水土流失量。與CSC相比，ASC、SSC土壤流失量減少19.2%～26.7%，徑流量減少4.8%～18.4%，表明大豆和苜蓿的水土保持效果優(yōu)于玉米，大豆與苜蓿差異不顯著。大豆與苜蓿有利于土壤保持，主要原因是苜蓿與大豆冠層葉密集，能夠緩沖雨滴對地面的沖擊，加上種植密度相對較大，莖干減緩坡面水流沖蝕。玉米立茬還田和粉碎還田與對照相比，土壤流失量減少37.9%～59.6%，徑流量減少42.4%～57.3%。玉米橫壟與順壟種植相比，水土流失量減少42.4%～76.8%。不同種植模式的土壤流失量與徑流量隨降水量的增加而增大，相關系數(shù)達到了0.907；但隨降水量的增加，土壤流失量和徑流量增加的幅度減少。

表2 2014-2016年松干流域不同種植模式下的土壤流失量與徑流量

Table 2 Soil loss and runoff under different planting patterns in the main Songhua river basin in 2014-2016 kg/小區(qū)

注：同列數(shù)據(jù)后標不同大寫字母表示處理之間的差異顯著(P<0.05)，同行數(shù)據(jù)后標不同小寫字母表示同一指標不同年份之間差異顯著(P<0.05)。表5、6、7同。

Note:Capital letters in each column indicate significant difference between treatments(P<0.05),while lowercase letters in each line indicate significant difference among years (P<0.05).The same below.

2.2 不同種植模式下流失土壤和徑流水的氮、磷含量

坡耕地流失土壤的全氮、全磷含量如表3所示。由表3可知，不同種植模式下，流失土壤TN與TP含量均沒有達到顯著差異，不同作物之間也是如此。

限于篇幅,文章以2014年6月與7月為例，分析徑流水的TN、TP質(zhì)量濃度，結果見表4。由表4可看出，6月各處理徑流水TN質(zhì)量濃度均顯著高于降水，表明農(nóng)田徑流會攜帶一定量的土壤氮；玉米不同處理(CSSC、CSC)之間沒有顯著差異，SSC處理TN質(zhì)量濃度較高，其原因可能是氮肥的過量施用所致(以玉米為參考的施氮量，對大豆有些偏高)。6月各處理徑流水TP質(zhì)量濃度也均顯著高于降水，但各處理之間沒有顯著差異。7月各處理徑流水和降水的TN、TP質(zhì)量濃度變化情況與6月份基本相同。坡耕地徑流水TN質(zhì)量濃度隨作物生育期的推進而降低，一方面受前期施肥的影響，另一方面與土壤的氮、磷含量變化有關。6月的SSC徑流水TN質(zhì)量濃度最高(0.944 mg/L)，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB 3838-2002》規(guī)定的Ⅲ類水的TN質(zhì)量濃度(1.0 mg/L)；7月的CSSC TP質(zhì)量濃度最高(0.076 mg/L)，低于Ⅱ類水質(zhì)的TP質(zhì)量濃度(0.1 mg/L)。由此可見，東北坡耕地農(nóng)田徑流對地表水污染貢獻有限，幾乎可忽略不計。6、7月降水TN與TP質(zhì)量濃度均介于Ⅰ類與Ⅱ類水之間，7月略高，原因可能與氮沉降增加有關。

表3 2014-2016年松干流域不同種植模式下流失土壤的TN與TP含量Table 3 Concentrations of TN and TP in soil loss under different planting patterns in the main Songhua river basin in 2014-2016 g/kg

表4 2014年6月和7月松干流域不同種植模式下徑流水的TN、TP質(zhì)量濃度Table 4 Concentrations of TN and TP in runoff under different planting patterns in the main Songhua river basin in June and July in 2014 mg/L

注：同列數(shù)據(jù)后標不同小寫字母表示處理之間的差異顯著(P<0.05)。

Note:lowercase letters in each column indicate significant difference among treatments(P<0.05).

2.3 不同種植模式下坡耕地水土流失量的估算

基于小區(qū)試驗數(shù)據(jù)，松干流域坡耕地單位面積的水土流失量估算結果見表5。由表5可知，松干流域坡耕地土壤流失量估算值為190.63～1 106.25 kg/hm2，徑流量估算值為23.22～106.59 t/hm2；不同種植模式的水土流失量具有較大的差異，大豆與苜蓿橫壟種植能夠顯著降低水土流失量，玉米順壟種植水土流失量較大。

表5 2014-2016年松干流域坡耕地水土流失量的估算結果Table 5 Soil and water erosion of slope farmland in the main Songhua river basin in 2014-2016

2.4 不同種植模式下土壤與徑流的氮、磷流失負荷

基于小區(qū)試驗結果，估算松干流域坡耕地土壤氮磷與徑流氮磷流失負荷，結果見表6和表7。由表6和表7可知，土壤氮流失負荷為0.33～2.46 kg/hm2，土壤磷流失負荷為0.13～0.91 kg/hm2；徑流氮流失負荷為9.24～41.46 g/hm2，徑流磷流失負荷為0.84～7.46 g/hm2，與土壤氮、磷流失負荷相比，徑流氮、磷流失負荷很低，幾乎可以忽略不計；與玉米(CSC)相比，大豆(SSC)和苜蓿(ASC)的水土保持效果更好，土壤氮、磷流失負荷顯著降低,其中土壤氮流失負荷減少22.9%～31.3%，土壤磷流失負荷減少18.9%～32.4%。但總的來看，松干流域坡耕地農(nóng)田面源氮、磷流失負荷并不大，將保護性土壤耕作方法與種植結構調(diào)整相結合，能夠明顯降低坡耕地氮、磷流失負荷。

表6 2014-2016年松干流域坡耕地土壤的氮、磷流失負荷Table 6 Soil TN and TP loss load of slope farmland in the main Songhua river basin r in 2014-2016 kg/hm2

表7 2014-2016年松干流域坡耕地徑流的氮、磷流失負荷Table 7 TN and TP loss load in runoff of slope farmland in the main Songhua river basin in 2014-2016 g/hm2

3 討 論

3.1 降雨量對坡耕地水土流失的影響

松干流域坡耕地常年土壤流失負荷為881.25 kg/hm2，接近1 mm表土量，2016與2015年有增減，表明降雨量影響水土流失。相似的研究結論表明，近50年來潮河與白河流域降水量減少導致北京密云水庫的入庫泥沙量呈顯著減少趨勢[22]。在黃土丘陵溝壑區(qū)，徑流量主要受降水量影響，且隨著坡度的增大侵蝕量增加[23]。黃土高原地區(qū)引起產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要降雨類型是短歷時局地雷暴雨[24]。一般來講，降雨量越大，坡耕地水土氮、磷流失也越大。關于坡耕地土壤的氮、磷流失量研究大多不容易遇到幾個不同降水年型，都是基于當時的降水因素，因此不同文獻的結果差異較大，另外還有地域、坡度、作物、耕作等方面原因產(chǎn)生的影響。一些室內(nèi)模擬試驗為了取得顯著的效果，采用較大降雨量(甚至是百年不遇的降雨量)，與實際情況有很大差別。劉淼等[25]報道,黑龍江呼中地區(qū)坡耕地土壤侵蝕量平均為0.45 t/hm2;李樹森等[26]報道,黑龍江克山農(nóng)田徑流場土壤流失量為212 kg/hm2，徑流量為4.8 m3/hm2；柴宇等[27]研究表明,松嫩平原漫崗黑土區(qū)坡耕地采用壟向區(qū)田技術土壤流失量為700～910 kg/hm2，僅為常規(guī)種植的1.93%；楊文文等[28]模擬的黑土坡耕地年土壤允許流失量的上限為3 t/hm2；呂剛等[29]報道,遼寧阜新二道嶺小流域坡耕地橫壟耕作徑流量為818.7.6 m3/hm2，較順壟減少141.6 m3/hm2。

3.2 農(nóng)作措施對坡耕地水土流失的影響

石長金等[30]報道,黑龍江省趙光農(nóng)場橫坡壟徑流量與土壤流失量比順坡壟分別減少65%和70%，橫坡壟在一次不間斷降雨40～50 mm (水不出田)、2 h 降雨61. 8 mm及24 h 降雨146 mm 3種情況下均未斷壟出溝。張爽等[31]報道,遼北低山丘陵區(qū)6°坡耕地橫壟耕作土壤流失量為487.5 kg/hm2,比順壟減少38.9%。陳禮耕[32]研究發(fā)現(xiàn),漫崗農(nóng)田橫壟比順壟徑流減少56%～80%，土壤流失量減少63%～90%。不同作物的水土保持效應不同，大豆和苜蓿較玉米的水土保持效果更好。王貴作[33]研究表明，大豆和苜蓿具有一定的水土保持優(yōu)勢，大豆對土壤流失的控制效果優(yōu)于玉米，但對徑流的控制效果正好相反；馬璠[34]研究認為，玉米與大豆生長季內(nèi)的徑流量與裸地相比分別降低了11%～42%和7%～38%，土壤流失量分別減少了27%～76%和21～78%；但吳限[35]研究表明，玉米、玉米間作大豆處理產(chǎn)沙量較大豆小區(qū)減少了15%和10%。本研究結果表明，與順壟相比，橫壟耕作具有良好的水土保持效果，水土流失量減少40%以上。

3.3 工程措施對坡耕地水土流失的影響

松干流域?qū)俾彽?，坡度較小，水土流失特征不明顯，但在較長坡度上，多年形成的水蝕沖刷也是非常嚴重的。因此，除了橫壟耕作，必要的工程措施也很重要。植物籬水土保持效果很好，可大大提升水保效果，特別適合松干流域緩坡耕地。肖波等[36]報道，采用草籬技術可使農(nóng)田徑流減少44%以上，土壤流失減少49%以上。鄔岳陽等[37]研究發(fā)現(xiàn)，麥冬雙行植物籬處理比小麥單作地表徑流量降低了39.4%，土壤流失量降低65.8%。王靜等[38]研究報道，植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作較順壟的地表徑流與土壤流失量分別減少了25.4%～45.6%和19.7%～36.5%。溫磊磊等[39]研究報道，溝頭秸稈覆蓋的坡面總侵蝕量減少67.5%～76.7%，溝蝕量減少69.1%～72.3% %。坡耕地橫壟耕作盡管水土保持效果好，但應用并不多。通過走訪與實際調(diào)研，其原因有四：其一，以漫崗長緩坡為主的坡耕地在短期水土流失不明顯，且流失土壤大多集聚于坡底，加上常年降水量并不很大，引不起農(nóng)戶重視。其二，暴雨周期一般為5～10年，一旦遇到暴雨橫壟易垮導致更多的水土流失，后期整田投資大，而順壟具有排水功能可避免暴雨沖毀農(nóng)田。其三，當?shù)剞r(nóng)村大多采用順坡分地，順坡易開展機械化作業(yè)，而橫向起壟機械化成本高，也不方便田間操作。其四，大多順壟實際上為斜壟或半順壟，完全順壟很少見，即使橫壟耕作在也會因為水力、重力作用成為斜壟。

4 結 論

不同種植模式對坡耕地水土及氮磷流失有較大影響。與玉米相比，大豆與苜蓿水土保持效果更好，土壤流失量減少19.2%～26.7%，土壤氮流失負荷減少22.9%～31.3%，土壤磷流失負荷減少18.9%～32.4%，徑流量減少4.8%～18.4%。玉米立茬還田與粉碎還田與對照相比，土壤流失量減少37.9%～59.6%，徑流量減少42.4%～57.3%，表明玉米橫壟立茬還田與粉碎還田種植模式也能有效降低坡耕地水土流失。

坡耕地的氮磷流失負荷以土壤氮磷流失負荷為主，徑流氮磷流失量很少，幾乎可以忽略不計，且各個處理徑流的氮磷質(zhì)量濃度低于國家Ⅲ類地表水標準。橫壟耕作與順壟耕作相比，水土流失量減少42.4%～76.8%，水土流失量限制降低；秸稈粉碎還田有助于減少水土流失。

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