鄱陽(yáng)湖平原不同種植模式下農(nóng)田水肥流失規(guī)律分析

陳 昱，劉方平，余雅琴，王子榮，梁 舉

（江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201）

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)方式不斷被解構(gòu)，農(nóng)業(yè)面源污染已然成為當(dāng)下生態(tài)治理與農(nóng)業(yè)發(fā)展的內(nèi)生性結(jié)構(gòu)障礙。近年農(nóng)業(yè)種植模式越來越多樣化，稻-蔬、油-稻、稻-休等水旱輪作模式越來越普遍，化肥、農(nóng)藥的無節(jié)制施用，隨之而來是的農(nóng)田氮磷流失加劇，水體富營(yíng)養(yǎng)化，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞。農(nóng)業(yè)發(fā)展與環(huán)境之間存在尖銳矛盾，其中，農(nóng)業(yè)面源污染問題尤為突出。

研究表明，農(nóng)田氮、磷流失過程和特征既受降雨過程影響，又隨點(diǎn)位特征變化。因此，土壤地形、農(nóng)田作物類型、種植制度、植被覆蓋度、起壟方式、氣候降雨、耕作施肥等均會(huì)導(dǎo)致流失特征、流失量顯著變化［1-5］。研究表明，土壤侵蝕是影響地表徑流氮磷流失的重要因素［6］，而降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕的影響比較顯著，一般降雨強(qiáng)度越大，對(duì)土壤的侵蝕能力也越大［7］。但采用不同的種植模式可以改變降雨對(duì)土壤侵蝕的作用，馬傳功等［8］在坡耕地設(shè)置不同種植模式，與單作相比，玉米∥馬鈴薯等高間作與玉米∥黃豆等高間作可以減少地表徑流和土壤侵蝕，同時(shí)還能減少土壤養(yǎng)分流失。鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)過去對(duì)農(nóng)田氮磷徑流流失很少有定量研究，以該地區(qū)不同種植模式為研究對(duì)象，在自然降雨條件下，采用田間徑流池法測(cè)算徑流量、泥沙流失量及田間氮磷流失量，探究農(nóng)田水肥流失規(guī)律和特征，對(duì)面源污染防控及農(nóng)田可持續(xù)利用具有理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

本試驗(yàn)依托江西省灌溉試驗(yàn)研究基地灌溉排水試驗(yàn)設(shè)施，選取試驗(yàn)田塊進(jìn)行不同種植模式相關(guān)試驗(yàn)研究。江西省灌溉試驗(yàn)研究基地（116°00′E，28°26′N）位于南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村，屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，氣候溫和，雨量充沛，常年平均氣溫為18.1 ℃，1月份平均氣溫最低，為4.7 ℃，年平均降雨量為1 636 mm，常年無霜期約280 d。試驗(yàn)時(shí)間為2019年5月至2019年12月。試驗(yàn)區(qū)為黃泥土稻田，土質(zhì)黏重，其基本理化性狀為：pH為6.14，全氮含量為1.34 g/kg、全磷含量為1.08 g/kg、全鉀含量為13.2 g/kg、有機(jī)質(zhì)含量為21.4 g/kg、速效氮含量為112 mg/kg、速效鉀含量為176.5 mg/kg、速效磷含量為78.6 mg/kg。試驗(yàn)期間降雨量變化如圖1所示。

灌溉排水試驗(yàn)設(shè)施包含試驗(yàn)小區(qū)和徑流池，每個(gè)小區(qū)連接徑流池，用于收集小區(qū)徑流。試驗(yàn)小區(qū)面積66.7 m2（長(zhǎng)12 m，寬5.56 m）。徑流池采用3 級(jí)分流裝置，理論上可收集最大降雨量160 mm的地表徑流。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5 種種植模式，即空心菜+小白菜、黃瓜+晚稻、辣椒、早稻+晚稻、中稻。種植品種分別是：本地空心菜、德高蘇州青小白菜、津研4 號(hào)黃瓜、香椒5 號(hào)辣椒、陸兩優(yōu)996 早稻、黃花占中稻、天優(yōu)華占晚稻。各種作物種植時(shí)間見表1。在不同的季節(jié)按表1進(jìn)行種植，每次自然降雨產(chǎn)生徑流時(shí)，及時(shí)采集徑流水樣和泥沙樣。

表1 不同種植模式栽培時(shí)間安排Tab.1 Cultivation time arrangement of different planting patterns

表2 不同種植模式施肥情況kg/hm2Tab.2 Fertilization in different planting patterns

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

水樣采集水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定：每次降水過后，將徑流池中所收集的徑流充分?jǐn)噭?，采?50 mL 徑流水樣，按照各測(cè)定指標(biāo)測(cè)定方法要求對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理。檢測(cè)指標(biāo)有總磷、總氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮?？偭撞捎勉f酸銨分光光度法檢測(cè)；總氮采用堿性過硫酸鉀法檢測(cè)；銨態(tài)氮采用納氏試劑分光光度法檢測(cè)；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法檢測(cè)。

徑流量及攜帶泥沙量測(cè)定：利用標(biāo)有刻度的水池分別測(cè)量各小區(qū)產(chǎn)生的徑流量，并將水池內(nèi)水?dāng)嚢杈鶆蚝螅诿總€(gè)水池中取出1 000 mL 徑流懸濁液，加蓋靜置1周，除去上清液后，將淀積泥沙洗出至瓷蒸發(fā)皿中，烘干后稱重，然后計(jì)算每升徑流液中的泥沙含量，根據(jù)每次徑流量計(jì)算出泥沙流失量。

徑流泥沙攜帶肥力指標(biāo)測(cè)定：將徑流液中淀積的泥沙自然風(fēng)干，對(duì)堿解氮、速效磷、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)等肥力指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，采用鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》［9］中的方法檢測(cè)；根據(jù)上述徑流攜帶泥沙量計(jì)算結(jié)果，計(jì)算泥沙攜帶肥力流失量。

降雨量使用江西省灌溉試驗(yàn)研究基地氣象站數(shù)據(jù)。灌水量使用水表進(jìn)行計(jì)量。

地表徑流總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮流失總量等于每次徑流樣品中各指標(biāo)濃度與徑流水量乘積之和。計(jì)算公式如下：

式中：P為總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮流失的量；Ci為第i次徑流水中總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的濃度；Vi為第i次徑流水的體積。

地表徑流泥沙中堿解氮、速效磷、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)流失的總量等于每次徑流泥沙樣品中各指標(biāo)濃度與徑流泥沙量乘積之和。計(jì)算公式如下：

式中：Q為氮（磷）素流失量；Ki為第i次徑流水中氮（磷）的濃度；Ni為第i次徑流水的體積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用office 2013 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同種植模式間進(jìn)行Duncan分析比較，比較各指標(biāo)間差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式徑流產(chǎn)生次數(shù)及徑流量分析

本試驗(yàn)地表徑流監(jiān)測(cè)周期為2019年5月至2019年12月，監(jiān)測(cè)期間地表徑流情況如表3所示。徑流量與降雨次數(shù)和單次降雨量存在很大的關(guān)系。一般情況下，降雨量越大，產(chǎn)生徑流越多。從表3可以看出，監(jiān)測(cè)期內(nèi)降雨21 次，降雨量共計(jì)589.9 mm。不同種植模式下由于種植時(shí)間和作物生長(zhǎng)期不同，所對(duì)應(yīng)的降雨次數(shù)和降雨量有一定差別。在8月之后，雖有多次降雨，但只發(fā)生3 次地表徑流，主要原因是降雨次數(shù)少和降雨量小。模式1采用空心菜+小白菜輪種模式，歷經(jīng)了監(jiān)測(cè)期內(nèi)所有降雨，主要降雨次數(shù)發(fā)上在空心菜種植期間，共17次，產(chǎn)生徑流12 次，徑流總量達(dá)277.73 mm，產(chǎn)流系數(shù)為53.28%；小白菜種植期間雖降雨4 次，但只發(fā)生地表徑流1 次，徑流量22.70 mm，產(chǎn)流系數(shù)為33.09%。模式2 采用黃瓜+晚稻種植模式，降雨量以黃瓜種植期居多，地表徑流發(fā)生8次，產(chǎn)流231.61 mm，產(chǎn)流系數(shù)為50.99%；晚稻只產(chǎn)生2 次徑流，徑流量15.18 mm，產(chǎn)流系數(shù)為11.18%。模式3 是辣椒單作，歷經(jīng)了17 次降雨，降雨量達(dá)589.9 mm，產(chǎn)生徑流11 次，徑流總量達(dá)264.64 mm，產(chǎn)流系數(shù)為44.86%。模式4 采用傳統(tǒng)的雙季稻模式，由于降雨主要發(fā)生在早稻時(shí)期，因此早稻時(shí)期灌水量明顯低于晚稻，產(chǎn)流次數(shù)和徑流量要高于晚稻；早、晚稻徑流量分別為207.50、15.68 mm，產(chǎn)流系數(shù)分別為45.68%、11.55%。模式5是一季稻單作，產(chǎn)生徑流5次，徑流量為172.79 mm，產(chǎn)流次數(shù)為40.97%。

表3 監(jiān)測(cè)周期內(nèi)試驗(yàn)小區(qū)地表徑流發(fā)生情況Tab.3 Monitoring of surface runoff in the test area during the monitoring period

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析來看，不同種植模式下徑流量存在顯著差異，模式3 徑流量最高，與模式1 之間無顯著差異，但顯著高于其余3 個(gè)模式；而模式2 又顯著高于模式4 和5，分別提高了9.60%和25.42%；模式5 徑流量最低。從整個(gè)作物種植情況來看，總體上徑流量變化為旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式；這主要是因?yàn)樗鞣N植采用淹水灌溉模式，降雨時(shí)可以蓄存一部分的雨水，而旱作物種植除了少部分向下滲漏外，大部分雨水都會(huì)產(chǎn)生徑流。

2.2 不同種植模式泥沙及其肥力流失量分析

不同種植模式下泥沙流失及肥力流失情況如表4所示。從表4可以看出，不同種植模式泥沙流失量大小順序?yàn)槟Ｊ?＞模式2＞模式3＞模式4＞模式5，除模式4 和5 差異不顯著外，其余各模式間均表現(xiàn)為顯著差異，并且總體表現(xiàn)為旱作模式遠(yuǎn)大于水作模式。泥沙流失量以模式1 最高，達(dá)3 403.95 kg/hm2，顯著高于其他種植模式，是模式2 的1.53 倍，是模式3 的2.76倍，分別是模式4、模式5 的30.68 倍和40.89 倍；水作模式（模式4 和5）泥沙流失量最小。而旱作模式（模式3）泥沙流失量低于水旱輪作模式（模式2），其主要原因是模式3 種植時(shí)采用了稻草覆蓋。由此可知，種植旱作物的泥沙流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水稻種植，究其原因，是降雨時(shí)雨滴直接降落在旱作物種植區(qū)裸露的土壤上，或從植株體上再落到土壤上，形成徑流直接快速排出；而在水稻種植區(qū)，雨滴一般會(huì)降落在稻株和水層表面，對(duì)雨滴具有一定的緩沖作用，從而使雨滴對(duì)泥土的濺蝕作用減小，并且稻田可以蓄存部分降雨或停留一段時(shí)間再排水，濺蝕的泥沙又重新得到沉降，使得水稻種植產(chǎn)生泥沙流失量相對(duì)較少。

表4 不同種植模式泥沙及肥力流失量Table 4 Fertility loss in sediment under different rotation modes

旱作物種植模式下（模式1、3）泥沙中肥力流失量均顯著高于水作種植模式（模式4、5），這與泥沙流失量有很大關(guān)系。從旱作和輪作種植模式來看，堿解氮、速效磷、全氮、全磷、全鉀的流失量均是模式1＞模式2＞模式3，且相互間存在顯著差異。有機(jī)質(zhì)的流失量是模式3 最高，為7.04 kg/hm2，與模式1 和模式2 之間存在顯著差異，分別提升了18.08%和32.21%。2 種水作種植模式下堿解氮、速效磷、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)的流失量均是模式4 大于模式5，但二者之間無顯著差別；僅全鉀流失量表現(xiàn)為模式4比模式5顯著提升了63.08%。

2.3 不同種植模式對(duì)徑流水中氮磷流失的影響

不同種植模式徑流水中氮磷流失量見圖3。從圖3可以看出，不同種植模式下徑流水中氮磷各指標(biāo)流失量均表現(xiàn)出一定差異性。總氮流失量大小順序?yàn)槟Ｊ?＞模式1＞模式2＞模式5＞模式4；其中，以模式3 最高，為14.75 kg/hm2，與模式1 無顯著差異，較模式2 顯著提升了16.92%；與模式4 和模式5 相比，分別提高了282.38%和53.04%；總氮流失量仍呈現(xiàn)為旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式的總體變化規(guī)律?？偭琢魇Я看笮№樞?yàn)槟Ｊ?＞模式3＞模式2＞模式5＞模式4；其中，模式1 總磷流失量最高，達(dá)6.51 kg/hm2，較模式2 和模式3 分別顯著提升了86.85%、56.67%，較模式4和模式5分別提高了4.35倍和2.36 倍；總體上總磷流失量也呈現(xiàn)為旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式的變化規(guī)律。銨態(tài)氮流失量大小順序?yàn)槟Ｊ?＞模式4 ＞模式3 ＞模式1＞模式2；其中，以模式5 最高，為8.71 kg/hm2，顯著高于其余處理，分別是模式1、模式2、模式3和模式4 的3.99、4.76 倍、2.93 倍和2.67 倍，總體上表現(xiàn)為水作模式＞旱作模式＞水旱輪作模式的變化規(guī)律。硝態(tài)氮流失量大小順序?yàn)槟Ｊ?＞模式3＞模式2＞模式4＞模式5；其中，以模式1 最高，為11.40 kg/hm2，較模式2 和模式3 分別顯著提升了13.24%、3.12%，較模式4 和模式5 分別提高了21.16 倍和33.11倍；硝態(tài)氮流失量仍表現(xiàn)為旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式的總體變化規(guī)律。綜上分析來看，總氮、總磷和硝態(tài)氮流失量變化規(guī)律呈現(xiàn)為旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式，而銨態(tài)氮流失量呈現(xiàn)為水作模式＞旱作模式＞水旱輪作模式的變化規(guī)律。

3 討 論

地地表徑流是指經(jīng)土壤或地被物吸收及在空氣中蒸發(fā)后余下的在地表流動(dòng)的那部分天然降水。有研究表明，種植模式對(duì)地表徑流存在顯著的影響。如楊翠玲等［10］研究不同比例蔬菜與玉米間套作種植模式對(duì)農(nóng)田地表徑流產(chǎn)生量的影響，玉米間套作種植模式的地表徑流量明顯要低于玉米單作模式；與蔬菜單作相比，玉米/蔬菜間套作地表徑流平均產(chǎn)生量顯著減少22%～44%之間。本研究結(jié)果表明，不同種植模式下地表徑流失量呈現(xiàn)出旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式，主要是由于旱作模式下土壤水分含量處于不飽和狀態(tài)，土壤需要吸收一部分降雨量，才開始產(chǎn)生徑流，而水作模式下稻田土壤一般都處于濕潤(rùn)狀態(tài)，加之采取的是淹水灌溉模式可以蓄存一部分降雨量。

地表徑流是土壤氮磷養(yǎng)分流失的主要途徑。諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，不同作物種植模式對(duì)土壤表層氮、磷流失量有明顯的影響［4，11］，而影響土壤徑流氮磷流失的因素很多。在本研究中，不同種植模式間地表徑流氮磷流失的影響很明顯，徑流水中總氮、總磷及硝氮的流失量均呈現(xiàn)出旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式的變化規(guī)律。這與倪喜云等［12］對(duì)洱海流域主要農(nóng)作物種植模式氮磷流失的研究結(jié)果一致，在麥稻輪作農(nóng)田徑流氮磷流失研究中，麥季氮素主要以硝態(tài)氮形式流失，稻季則以銨態(tài)氮形式流失［13］；陳秋會(huì)等［14］在太湖地區(qū)稻麥輪作農(nóng)田有機(jī)和常規(guī)種植模式下氮磷徑流流失特征研究中也發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)果，水作模式以銨態(tài)氮流失為主。在本研究中也發(fā)現(xiàn)，徑流水中氨氮流失量主要以水作模式流失量較高，且顯著高于旱作模式。

泥沙流失量除了降雨強(qiáng)度對(duì)其會(huì)產(chǎn)生很大的影響，種植作物的類型也有很大影響；植株體對(duì)降雨會(huì)有一定的緩沖作用。楊翠玲等［10］研究不同比例蔬菜與玉米間套作蔬菜種植模式下農(nóng)田地表徑流的變化，降雨時(shí)部分雨滴降落在玉米葉子上會(huì)消耗其大部分動(dòng)能，緩解了雨水對(duì)土壤地表的侵蝕作用，黏附于玉米葉子上的雨水進(jìn)一步滑落到低矮的蔬菜上，原本消減的雨水動(dòng)能進(jìn)一步被削弱，低矮的蔬菜葉子距地面距離小，雨水從蔬菜葉子滑落地表的動(dòng)能就很小，減輕了對(duì)地表的沖擊，產(chǎn)生的徑流泥沙就會(huì)減少。本研究結(jié)果是旱作模式徑流泥沙含量顯著高于水作模式，主要原因還是水作模式有田面水層和稻株的雙重緩沖作用。泥沙中堿解氮、速效磷、全氮、全磷、全鉀的流失量均是模式1＞模式2＞模式3＞模式4＞模式5，這與泥沙流失量呈現(xiàn)的變化規(guī)律一致。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)不同種植模式下農(nóng)田徑流水肥流失進(jìn)行探究，在自然降雨條件下，徑流量表現(xiàn)為旱作模式＞輪作模式＞水作模式，泥沙含量流失情況表現(xiàn)為旱作模式＞水作模式。

（2）旱作模式徑流水中主要以總氮、總磷和硝態(tài)氮流失量為主，水作模式主要以銨態(tài)氮形式流失量為主。泥沙中肥力流失與泥沙流失量呈現(xiàn)的變化規(guī)律一致?！?/p>