生草栽培與坡度對桂東北坡地果園地表徑流氮磷流失的影響

李婷婷, 韋彩會, 董文斌, 俞月鳳, 唐紅琴, 李忠義, 何鐵光

(1.廣西壯族自治區(qū)農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南 寧 530007; 2.廣西大學, 南 寧 530004)

坡地果園經濟效益顯著，而坡面養(yǎng)分流失極易導致地力衰退及面源污染，控制坡地果園養(yǎng)分流失刻不容緩。養(yǎng)分流失的主要載體是地表徑流和徑流中攜帶的泥沙，影響因素包括降雨[1]、植被[2]、地形地貌[3]、施肥方式[4]及土地利用方式等[5]，其中植物與坡度對坡面養(yǎng)分流失是非常重要的因素。果園生草可提高地表覆蓋度，有效增強表層土壤抗蝕能力，減少土壤養(yǎng)分流失[6]。生草類型和生草方式可影響坡地果園養(yǎng)分流失狀況，如李太魁等[7]研究認為果園套種三葉草(Triffoliumrepens)能使地表徑流總氮和總磷分別減少30.5%和52.8%，控制效果最好，其次是黑麥草(Loliumperenne.)，最后是苕子(Viciavillosa)；高小葉等[8]對比了桃園套種白三葉(Trifoliumrepens)和菊苣(Medicagosativa)草地降低總氮、總磷的徑流流失量效果，發(fā)現(xiàn)白三葉優(yōu)于菊苣草地。李發(fā)林等[9]研究發(fā)現(xiàn)生草栽培方式中人工生草方式優(yōu)于自然生草，可顯著減少坡地果園水土及養(yǎng)分流失。多數(shù)植物之間的對比集中在同一坡度，而忽視了坡面養(yǎng)分流失狀況也會因坡度不同存在差異。坡度影響雨滴濺蝕土壤的角度和坡面承受的雨量，從而影響坡面養(yǎng)分遷移量。張佳崎等[10]研究發(fā)現(xiàn)人工模擬降雨下片麻巖山坡地土壤坡面氮素流失量和流失濃度為5°<15°<25°>30°，臨界坡度為25°，劉俏等[11]研究發(fā)現(xiàn)氮磷流失臨界坡度為10.22 ～18.55°?；艉榻萚12]研究認為坡度不影響三峽庫區(qū)紫色土坡耕地徑流中氮的質量濃度，但顯著影響氮素流失通量，累積氮素流失量為18°>10°>7°。而鄔燕虹等[13]研究發(fā)現(xiàn)產流初期坡面總氮流失濃度隨著坡度升高而增大，產流后期則趨于穩(wěn)定，坡面徑流的總氮流失量隨著坡度升高而增大。

桂東北果園多開墾于坡度為10°～50°的山區(qū)，常年清耕，地表裸露，加上施肥量大，極易導致該區(qū)域養(yǎng)分流失，造成地力退化、水體污染。雖然關于生草栽培和坡度對果園養(yǎng)分流失的影響已有大量研究，但之前的研究者較少考慮兩者相對貢獻及綜合作用，同時大多數(shù)研究較少考慮經區(qū)域自然界優(yōu)勝劣汰法則篩選出的自然草種[14]的氮磷流失規(guī)律及與外源草種的養(yǎng)分固持能力對比。因此，本研究選用外源草種雀稗和自然汰選草種白花藿香薊，以清耕為對照，基于野外自然降雨條件下不同坡度各處理產生坡面養(yǎng)分流失數(shù)據，研究了2種生草栽培控制養(yǎng)分流失的效果，剖析生草栽培和坡度對坡面養(yǎng)分流失的作用，以期為桂東北坡地果園養(yǎng)分流失控制和維護土壤質量提供數(shù)據支撐和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設在廣西壯族自治區(qū)桂林市陽朔縣白沙鎮(zhèn)石塘村金龜洞屯張家果園(24°50′3.44″E，110°28′59.33″N)。陽朔縣處亞熱帶季風氣候，日照為1 465 h，年均氣溫為19 ℃，年均降雨量為1 640 mm。長期果園種植導致原生植物遭到破壞，果園除果樹外，其余地表多為裸露狀態(tài)。果園土壤母質是砂頁巖，土壤pH為4.2。不同坡度試驗區(qū)土壤化學性質見表1。

表1 各坡度金桔果園土壤基本化學性質

從2018年6月至11月，試驗區(qū)共產生44次降雨，降雨量共827.58 mm。其中有8次降雨形成地表徑流，占測定時期總降雨次數(shù)的18.18%，8場降雨量分別為87.14 mm，44.86 mm，43.87 mm，129.78 mm，54.31 mm，62.63 mm，66.43 mm，68.09 mm。

1.2 試驗設計

供試金桔果樹為2001年定植實生苗，南北行向，東西距向，株行間距3.00 m×2.50 m，冠幅3.00 m左右，樹高3.50 m左右。根據SL419—2007《水土保持試驗規(guī)程》建設徑流小區(qū)的要求及當?shù)毓麍@實況，徑流場于2017年6月30日順坡而建，南向，水平投影面積為20.00 m(長)×3.00 m(寬)，徑流場兩側邊建于金桔樹行間距(3.00 m)的1.50 m處，徑流場小區(qū)采用防水ASA合成樹脂瓦作為邊界，插入土壤深25±5 cm固定，地上露出25±5 cm。將慧云智能種植監(jiān)控系統(tǒng)安裝在徑流場附近的空曠處記錄降雨過程和降雨量。試驗設計為隨機區(qū)組設計，坡度范圍為0～15°，15°～30°，30°～45°，實際山體坡度分別對應為12°，23°和42°。每個坡度設3種處理：雀稗、白花藿香薊、清耕(對照)。同樣的坡度(即同一個處理)進行3次重復，每個坡度有9個徑流場小區(qū)，同一個坡度的徑流場并排分布在一起，共計27個徑流場小區(qū)。清耕即試驗過程中采用人工鋤草的辦法，以保持地面無草。陽朔金桔園每年11月至翌年3月采取蓋膜方式保果，雀稗和白花藿香薊于2018年3月在徑流小區(qū)內人工撒播，撒播量為30.00 kg/hm2。施肥管理方法為在每棵金桔樹滴水線開溝(深度為25±5 cm)施肥，施肥后覆土，共計3次，第1次為2018年5月份施入1.00 kg復合肥(氮：五氧化二磷：氧化鉀配比為15∶15∶15)和20.00 kg農家肥(果農自購牛糞進行堆漚處理所得)；第2次為2018年7月份施入0.50 kg復合肥(配比同上)；第3次為2018年10月份施入0.50 kg復合肥(配比同上)。2018年6月開始觀測，試驗監(jiān)測時間為6月至11月。

1.3 指標測定與數(shù)據處理

試驗過程中，每日降雨量觀測時間段為當日08：00 am至次日08：00 am，24 h內發(fā)生的所有降雨合并為1場降雨量。次日上午08：00測量不同處理徑流小區(qū)集流池中水面所在刻度值，根據集流池面積計算徑流量，之后用木棍將集流池中的泥水攪拌，使泥和水充分混合均勻后，用600 ml塑料瓶取樣。每次取樣后，將集流池用清水清洗干凈。所取得的徑流樣品在24 h內測定總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮含量。徑流水樣總氮總磷是指水中可溶性及懸浮顆粒中的含氮量和含磷量，總氮含量采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定；總磷采用鉬酸銨分光光度計方法測定；氨氮含量采用鈉式試劑法測定；硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度計方法測定。土壤(0—20 cm表土)采用6點法于2018年11月15日取樣，即徑流場上部2點，中部2點，下部2點，然后將土壤混合。土壤pH采用pH計測定(土水比為1∶2.5)，土壤化學指標的測定參考劉光崧等的方法[15].

結合本研究實際情況，通過對程琴娟等[16]和曹梓豪等[17]針對相對作用大小的計算方法的借鑒和改進，計算不同生草栽培和坡度對總氮流失量和總磷流失量的相對貢獻指數(shù)。以最小坡度(12°)作為基準，計算任意坡度X°(23°，42°)下各因素引起的地表徑流總氮流失量增量和總磷流失量增量，取絕對值，計算公式為：

N=Q(X°)-Q(12°)
C=G(X°)-Q(X°)
Z=N+C;n=N/Z;c=C/Z

式中:N為坡地引起的總氮流失量變化量;Q為清耕總氮流失量;C為由生草引起的坡面總氮流失量變化量;G為生草栽培總氮流失量;Z為所有總氮流失量變化量;n為坡度對地表徑流總氮流失量影響的相對貢獻指數(shù);c為生草對地表徑流總氮流失量影響的相對貢獻指數(shù)。按照此理可計算出生草栽培和坡度對坡面總磷流失量影響的相對貢獻指數(shù)。

采用IBM SPSS 21.0進行數(shù)據統(tǒng)計分析，用平均值和標準差表示測定結果，分別對同一坡度不同生草栽培處理進行單因素方差分析，并用Duncan法對各測定數(shù)據進行多重比較；GraphPad Prism 7.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同坡度生草栽培的氮磷流失狀況

由表2可知，隨著坡度升高，同一處理的總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量逐漸升高。同一坡度下，不同生草栽培對地表徑流中氮磷含量的影響不同，總體而言，間種雀稗后果園徑流液中氮磷平均含量最高，其次為白花藿香薊、清耕。當坡度為12°時，與清耕相比，雀稗處理的總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量分別提高了92.52%，199.33%，36.06%，2.52%，白花藿香薊處理的分別提高了26.30%，36.00%，5.52%，17.69%；當坡度為23°時，與清耕相比，間種雀稗后果園徑流液中總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量分別提高了31.74%，141.30%，49.21%，36.54%，而白花藿香薊處理與清耕相比分別提高了17.85%，90.63%，34.35%，19.55%；當坡度升高到42°時，雀稗處理與清耕相比，總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量分別增加了51.16%，100.10%，28.55%，27.18%；白花藿香薊處理與清耕相比，分別增加了35.93%，75.00%，14.48%，14.63%。

表2 不同坡度生草栽培的地表徑流氮磷含量

同一坡度下，不同生草處理的氮磷流失量存在差異，但總體趨勢表現(xiàn)為清耕>白花藿香薊>雀稗(表3)。當坡度為12°時，與清耕相比，雀稗的總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量分別減少了4.61%，26.49%，48.03%，96.46%，而白花藿香薊的分別減少了11.27%，10.09%，33.19%，19.41%；當坡度為23°時，間種雀稗后地表徑流中總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量分別比清耕的減少了24.55%，15.30%，9.97%，20.17%，而白花藿香薊處理與清耕相比減少了16.17%，10.09%，1.90%，14.52%；當坡度為42°時，相對于清耕而言，雀稗處理的總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量分別減少了14.54%，15.48%，16.21%，17.46%，白花藿香薊處理的分別減少了9.15%，13.16%，11.82%，11.67%。

表3 不同坡度生草栽培的氮磷流失量

2.2 坡度與生草栽培對總氮總磷流失量的相對貢獻

由表4可知，坡度、生草栽培及兩者之間的交互作用對地表徑流總氮和總磷流失量均有極顯著的影響(p<0.001)。由圖1，圖2可知，雀稗和白花藿香薊對地表徑流總氮和總磷流失量的相對貢獻指數(shù)隨著坡度升高呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而坡度的相對貢獻指數(shù)呈逐漸上升趨勢。以23°為界限，當坡度<23°時，雀稗和白花藿香薊對地表徑流總氮和總磷流失量的貢獻下降明顯，坡度對地表徑流總氮和總磷流失量的貢獻明顯增加；當坡度>23°后，生草和坡度對地表徑流總氮總磷流失量的貢獻變化幅度減小。當坡度為23°時，雀稗對地表徑流總氮總磷流失量的相對貢獻指數(shù)分別為0.24,0.17，而白花藿香薊對地表徑流總氮和總磷流失量的相對貢獻指數(shù)分別為0.19,0.13；當坡度為42°時，雀稗對地表徑流總氮和總磷流失量的相對貢獻指數(shù)分別為0.14,0.15，而白花藿香薊對地表徑流總氮和總磷流失量的相對貢獻指數(shù)分別為0.10,0.13，說明在同樣的坡度下，雀稗對地表徑流總氮和總磷流失量的影響大于白花藿香薊。

表4 坡度與生草栽培對總氮總磷流失量影響的雙因素方差分析

圖1 雀稗與坡度對總氮總磷流失量的貢獻

圖2 白花藿香薊與坡度對總氮總磷流失量的貢獻

2.3 不同坡度生草栽培的土壤氮磷含量

不同坡度下各試驗小區(qū)的土壤氮磷含量見表5?？傮w而言，隨著坡度升高，同一生草處理的土壤氮磷含量逐漸下降。當坡度為12°時，雀稗處理的土壤水解性氮顯著低于清耕處理，而雀稗處理的全磷和有效磷顯著高于清耕和白花藿香薊；當坡度為23°及42°時，雀稗處理的全氮和水解性氮顯著低于清耕處理和白花藿香薊處理，而雀稗處理的全磷、有效磷顯著高于清耕處理。

表5 果園生草栽培后土壤氮磷質量分數(shù)

3 討 論

降雨使土壤養(yǎng)分隨地表徑流、侵蝕泥沙遷移或隨下滲水向土壤深層遷移，而雨水的沖蝕是導致地表徑流中大多數(shù)氮磷流失的直接原因[18]。本研究結果表明，同一生草栽培，養(yǎng)分流失量隨坡度升高而增大，而土壤的肥力則呈下降趨勢。原因是坡度改變了土壤表層單位面積實受雨強，影響土壤入滲能力及坡面水流特性[19]，而徑流速度的變化導致坡面表土顆粒起動、侵蝕方式和徑流攜沙能力不同，最終使坡面養(yǎng)分流失產生差異。本研究中，當坡度由12°升高到42°時，清耕處理地表徑流總氮總磷平均含量分別增加了96.50%及110.64%，原因可能是因坡度產生的徑流流速變大，劇烈沖刷表土，較易發(fā)生面蝕，甚至細溝侵蝕，導致表層土壤剝落，下層土壤溶質被不斷浸提進入徑流中。

本研究中，同一坡度下，與對照相比，雀稗和白花藿香薊處理的地表徑流總量分別降低33.1%～50.34%和21.9%～30.1%，說明生草栽培后土壤的保水能力增強，與李太魁等[7]的研究結果一致。原因是生草栽培增加了土壤覆蓋度，降低雨滴直接濺蝕地表的動能，使產生的地表水快速下滲到土壤深層，消減了地表徑流的流失。而清耕處理地表裸露，降雨擊濺地表產生的泥沙迅速堵塞土層的自然孔隙，導致降水難以入滲到土層。本研究中硝態(tài)氮流失量小于氨氮流失量，與劉宗岸[20]研究結果不一致，原因可能是雖然硝態(tài)氮是旱地土壤氮素的主要形態(tài)，且極易溶于水，但是硝態(tài)氮容易通過淋溶途徑流失，而非地表徑流。本研究對不同生草栽培的坡面氮磷流失分析表明，整體而言，同一坡度下，地表徑流總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮平均含量為雀稗>白花藿香薊>清耕，與其他研究[21]表明果園生草后可降低地表徑流中的氮磷含量的結果不一致，原因可能是雀稗和白花藿香薊地表產流量明顯小于清耕，當流失量(即容積)變小，養(yǎng)分濃度升高。本研究中生草栽培后的地表徑流氮磷含量高于清耕處理，但相對于清耕，雀稗和白花藿香薊處理的氮磷流失量低于清耕處理，與張亞麗等[22]認為，草被具有“雙重作用”的研究結果一致，生草栽培使徑流濃度高于清耕處理濃度，但生草又具有固土緩流、減少水土流失作用，從而減少養(yǎng)分流失。在雙重效應共同作用下，隨草被覆蓋度增大，氮素流失濃度增大，而流失量則呈減小趨勢。本研究中雀稗莖稈觸地生根，莖葉繁茂，而白花藿香薊單株生長，且成熟期的白花藿香薊莖稈挺立，葉片較雀稗稀疏，草被覆蓋度的差異導致雀稗處理的氮磷平均含量最高，而流失量最小。坡度、生草栽培及兩者的交互作用對地表徑流總氮與總磷流失量均有極顯著的影響。雀稗、白花藿香薊對總氮與總磷流失量的相對貢獻指數(shù)隨著坡度升高而減小，而坡度的貢獻指數(shù)則呈增大趨勢，說明隨著坡度升高，生草栽培對地表徑流氮磷流失量的抑制作用減弱，而坡度對地表徑流氮磷流失量的促進作用則增強。當坡度<23°時，雀稗和白花藿香薊對總氮與總磷流失量的作用大于坡度，主要原因可能是當坡度<25°時，采取植物措施可減少水土流失[23]，從而減少養(yǎng)分流失量。當坡度>23°時，坡度對總氮和總磷流失量的貢獻作用大于生草栽培，中央[1998]15號文件和中國《水土保持法》第14條明確指出25°以上陡坡地應該退耕還林，表明當坡度>25°后，土壤退化嚴重，本研究結果也表明當坡度>23°時，坡度的增加容易加劇養(yǎng)分流失。而雀稗對總氮和總磷流失量的相對貢獻指數(shù)始終高于白花藿香薊，說明雀稗控制地表徑流氮磷流失的效果優(yōu)于白花藿香薊。

本研究中，隨著坡度升高，同一生草栽培處理的土壤養(yǎng)分含量下降。生草栽培后的土壤全氮及速效氮低于清耕處理可能是另一個原因——生草搶肥。生草栽培使土壤中的礦質養(yǎng)分含量發(fā)生改變主要是因為可實現(xiàn)土壤水溫調節(jié)、理化性質的改變的生草根系和植株在土壤中的積累和降解[24]。但是生草年限會影響土壤中礦質元素含量[25]，有研究表明，生草在初期(1～3 a)會與果樹發(fā)生爭奪礦質養(yǎng)分，造成土壤主要礦質養(yǎng)分含量下降的現(xiàn)象[26]。而在長期(4～7 a)生草后，大部分土壤速效養(yǎng)分會恢復，甚至顯著提升。本研究中的生草栽培屬于當年生草，植物生長需要來自表層土壤的養(yǎng)分直接供給，從而使較多表層土壤的養(yǎng)分受到消耗[27]，且生長繁茂的雀稗消耗的土壤養(yǎng)分大于其他處理，尤其是土壤氮素。本試驗對于不同坡度金桔園生草栽培的研究，目前還處于生草初期階段，探討多年生草對桂東北坡地果園養(yǎng)分流失及土壤的影響，將是下一步的研究重點。

4 結 論

(1) 隨著坡度升高，同一生草栽培的地表徑流中總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮平均含量增加，土壤養(yǎng)分含量下降。同一坡度時，金桔園地表徑流總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮平均含量呈現(xiàn)雀稗處理>白花藿香薊處理>清耕，而間種雀稗后金桔園地表徑流總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量低于白花藿香薊處理和清耕，雀稗控制養(yǎng)分流失的效果優(yōu)于白花藿香薊。

(2) 生草栽培、坡度及兩者的交互作用對總氮和總磷流失量均有極顯著的影響(p<0.001)，生草栽培對地表徑流氮磷流失量的抑制作用隨著坡度升高而減弱，而坡度對地表徑流氮磷流失量的促進作用則增強。雀稗對總氮和總磷流失量降低的相對貢獻指數(shù)高于白花藿香薊。