保護(hù)性耕作對(duì)地表徑流和水土流失氮素?fù)p失的影響分析

李沛沛，袁廷利，董金鳳，楊雅瓊

(山東省威海市水文中心，山東 威海 264009)

0 引言

為了滿足日益增長(zhǎng)的糧食需求，農(nóng)民通常施加適量甚至過(guò)量的無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮肥來(lái)增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，氮肥的長(zhǎng)期使用使得河水和周邊地表水體水質(zhì)顯著下降。在許多地方，農(nóng)業(yè)用地耕種中大量使用氮、磷肥導(dǎo)致河流水質(zhì)污染現(xiàn)象頻發(fā)[1]。如何增加糧食產(chǎn)量的同時(shí)確保農(nóng)業(yè)用地不會(huì)造成水污染已引起了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的重視，研究當(dāng)前農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的土壤地表徑流和水土流失與氮之間的平衡關(guān)系是保護(hù)土地資源、防止土壤退化同時(shí)最大可能保持年度作物最佳產(chǎn)量的迫切需要[2]。地表徑流和水土流失是氮素?fù)p失的重要原因[3]。王凌云[4]指出，總氮流失總量的一半以上均為可溶性氮，地表徑流氮損失的銨態(tài)氮高于硝態(tài)氮，且隨著農(nóng)作物的生長(zhǎng)時(shí)間的增加而逐漸減少。張雪蓮[5]指出，流域系統(tǒng)中氮和磷污染水的主要原因之一是水土流失。王甜[6]指出在降雨帶來(lái)的徑流過(guò)程中，地表徑流中氮素濃度與壤中流中的氮素濃度存在差異，在短時(shí)強(qiáng)降雨的情況下，地表徑流氮損失程度隨降雨強(qiáng)度的增加而增大，最小化地表徑流及沉積物中的氮濃度對(duì)于保護(hù)水域和防止富營(yíng)養(yǎng)化非常重要。通過(guò)嘗試采用有效的方法以減少肥料的使用，在保持作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上同時(shí)減少水污染，有學(xué)者[7]指出豆科植物能夠顯著改善土壤的化學(xué)和生物學(xué)特性，與無(wú)機(jī)肥料相結(jié)合，可以顯著減少土壤的養(yǎng)分損失。

本文通過(guò)試驗(yàn)分析土壤地表徑流和水土流失與氮之間的平衡關(guān)系，研究保護(hù)性耕作對(duì)氮損失的影響，為減少水污染、防止土壤退化、增加糧食產(chǎn)量提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

模擬試驗(yàn)區(qū)選自典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)?shù)啬昶骄亮魇Я繛?400mm，夏季多雨，平均相對(duì)濕度為63.8%，年平均氣溫14.5℃，平均日照為2165h。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)淺層土壤的容重為1.35g/cm3、水土比2.5∶1，PH為5.16。供試作物為玉米。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)變量為：①使用植物纖維毯和不使用植物纖維毯；②覆蓋作物的類型；③根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)方法進(jìn)行耕作和免耕。本實(shí)驗(yàn)開(kāi)展周期共2年，第2年進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。植物纖維毯由3層制成，外層為門冬葉，中間填充層為白茅葉。植物纖維毯可提供約10t/ha的有機(jī)物量。覆蓋作物有豇豆(V-U)、菽麻(C-J)、木豆(C-C)。每個(gè)試驗(yàn)地塊的大小為18m2，共有60個(gè)試驗(yàn)地塊，玉米種植間距為75cm×20cm，植物纖維毯覆蓋在種植區(qū)的表面并設(shè)置種植孔，覆蓋作物殘留物是在前一個(gè)種植季節(jié)的旱季開(kāi)始時(shí)在每個(gè)地塊種植中獲得的。免耕處理僅通過(guò)人工清除雜草。常規(guī)耕作的所有地塊均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的做法施肥，施加肥料用量為：N=90kg/ha，P2O5=30kg/ha，K2O=25kg/ha，其中磷肥在種植時(shí)施加，氮肥和鉀肥在種植后7d施加1/3，種植40d后施加剩余部分肥料。在與塑料罐制成的徑流收集器相連的2m×1m地塊中測(cè)量了地表徑流和水土流失造成的氮損失。

1.3 取樣和分析

對(duì)于氮來(lái)源共有3種，即人工肥料、覆蓋作物殘留物和植物纖維毯。豆類覆蓋作物的氮總含量借鑒了前人的研究，其中豇豆、菽麻、木豆的氮含量為別為2.8%、1.7%、1.8%。通過(guò)對(duì)地表徑流和水土流失的分析，確定地表徑流和水土流失過(guò)程中引起的氮損失。土壤侵蝕測(cè)量是通過(guò)下雨天采集沉積物以及地表徑流進(jìn)行的，通過(guò)測(cè)量玉米生長(zhǎng)過(guò)程中每一次水土流失時(shí)在收集器中的地表徑流體積來(lái)確定地表徑流。為了確定徑流和土壤侵蝕中的氮含量，對(duì)1L徑流進(jìn)行取樣，然后過(guò)濾，以分離徑流和沉積物，通過(guò)凱氏定氮法分析水土流失中的樣本水徑流(Nr)和沉積物(Ns)。

通過(guò)地表徑流的氮損失：

(1)

式中，NR—地表徑流總氮損失，kg/ha；V—徑流收集器中的水量，m3；A—面積，m2；Nr—1L地表徑流中的總氮含量，kg/m3。

通過(guò)水土流失的氮-土壤損失：

(2)

式中，NS0—水土流失總氮損失，kg/ha；S—1L地表徑流中的沉積物，kg/m3；NS—總氮含量沉淀物，kg/kg。

玉米作物中的氮含量由收獲玉米的重量乘單位重量玉米作物中氮含量確定。玉米作物的重量通過(guò)試驗(yàn)區(qū)中玉米的干重來(lái)測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮的輸入

在常規(guī)耕作方法中，玉米作物僅通過(guò)90kg/ha的人工肥料獲得氮，若在種植玉米時(shí)進(jìn)行作物覆蓋，會(huì)增加土壤中的氮含量，但增加幅度較小，其中菽麻覆蓋效果最好，可增加氮含量約50kg/ha，木豆覆蓋作物殘留物僅能增加約0.1倍的氮，如圖1所示。在免耕情況下，覆蓋作物后氮增加約0.1～0.4倍，表明在免耕的土壤中氮累計(jì)總量低于傳統(tǒng)耕作。

圖1 土層氮含量對(duì)比

采用常規(guī)耕作方式時(shí)，植物纖維毯的應(yīng)用為玉米種植提供了115kg/ha的氮，植物纖維毯和覆蓋作物的聯(lián)合應(yīng)用使土壤中的氮含量得到顯著提升。木豆、菽麻、豇豆作物覆蓋和無(wú)作物覆蓋的相比，土層氮含量分別增加了21.2%、7.3%、85.7%，覆蓋作物的土壤氮增加量約為40～180kg/ha，玉米種植系統(tǒng)中的總氮輸入量增加至235～396kg/ha。由此可見(jiàn)，在常規(guī)耕作方式下，植物纖維毯和豇豆覆蓋的綜合應(yīng)用對(duì)土壤氮輸入具有最佳提升的作用。

采用免耕方式時(shí)，植物纖維毯的應(yīng)用為玉米種植同樣提供了115kg/ha的氮，與常規(guī)耕作相比，免耕情況下的植物纖維毯和覆蓋作物的聯(lián)合應(yīng)用使土壤中的氮含量得到更大幅度提升。木豆、菽麻、豇豆作物覆蓋和無(wú)作物覆蓋情況下，土層氮含量分別增加了32.1%、11.6%、92.8%，覆蓋作物的土壤氮增加量約為50～200kg/ha，玉米種植系統(tǒng)中的總氮輸入量增加至241～416kg/ha。由此可見(jiàn)，與無(wú)植物纖維毯、常規(guī)耕作和無(wú)覆蓋相比，免耕和植物纖維毯的聯(lián)合應(yīng)用且在前一種植季節(jié)作物覆蓋的方式具有更好的土壤肥力條件，為作物生長(zhǎng)提供足量的氮源。

2.2 地表徑流和水土流失對(duì)氮損失的影響

2.2.1地表徑流對(duì)氮損失的影響

玉米種植系統(tǒng)一個(gè)周期的地表徑流中溶解氮的損失水平相對(duì)較低，為0.03～0.45kg/ha，如圖2所示，玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期通過(guò)地表徑流造成的氮損失相對(duì)高于玉米的生殖生長(zhǎng)階段。與免耕相比，傳統(tǒng)耕作導(dǎo)致地表徑流的氮損失更高，在玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期地表徑流的氮損失為0.37kg/ha，生殖生長(zhǎng)期地表徑流的氮損失為0.062kg/ha。免耕較常規(guī)耕作在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期地表徑流的氮損失分別下降了58.5%、48.4%。在常規(guī)耕作和植物纖維毯聯(lián)合應(yīng)用的情況下，不同覆蓋物種類對(duì)氮損失有不同的影響，木豆、菽麻覆蓋都降低了玉米在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期地表徑流的總氮損失，但豇豆覆蓋反而增加了地表徑流的總氮損失。與常規(guī)耕作和不使用植物纖維毯相比，免耕方式和植物纖維毯的聯(lián)合應(yīng)用顯著減少了地表徑流總氮損失，如圖2(d)所示，使?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期的氮損失均降低在0.05kg/ha水平以下。

圖2 地表徑流的總氮損失

2.2.2水土流失對(duì)氮損失的影響

玉米種植系統(tǒng)一個(gè)周期內(nèi)，水土流失導(dǎo)致的總氮損失遠(yuǎn)高于地表徑流導(dǎo)致的總氮損失，如圖3所示。在常規(guī)耕作和不使用植物纖維毯的情況下，如圖3(a)所示，水土流失造成的氮損失達(dá)到15kg/ha以上，玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期通過(guò)水土流失造成的氮損失相對(duì)高于玉米的生殖生長(zhǎng)階段。與常規(guī)耕作相比，免耕水土流失的氮損失顯著降低，在無(wú)作物覆蓋的情況下玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期地表徑流的氮損失為3.7kg/ha，生殖生長(zhǎng)期水土流失的氮損失接近于零，在菽麻和豇豆覆蓋的情況下反而增加了玉米在生殖生長(zhǎng)期的氮損失。在常規(guī)耕作和植物纖維毯聯(lián)合應(yīng)用的情況下，水土流失氮損失較無(wú)植物纖維毯應(yīng)用時(shí)有明顯下降，水土流失造成的氮損失在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期均下降至5kg/ha以下。免耕與植物纖維毯的情況下，可將水土流失造成的氮損失減少至僅0.3～5kg/ha，如圖3(d)所示，不同覆蓋物種類對(duì)水土流失氮損失影響較小，可見(jiàn)免耕和植物纖維毯對(duì)減少水土流失氮損失起到主要的作用，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相似[8]。

圖3 水土流失的總氮損失

免耕玉米種植和植物纖維毯的應(yīng)用是保護(hù)性耕作應(yīng)用的一部分，保護(hù)性耕作系統(tǒng)中氮損失大部分是由地表徑流和水土流失原因造成的。分析其原因，與使用圓盤犁、鑿子犁等處理的常規(guī)耕作相比，保護(hù)性耕作能夠顯著減少氮損失，其中地表徑流氮損失遠(yuǎn)低于水土流失氮流失，土壤中的氮含量與粘土量有關(guān)。同時(shí)作物覆蓋的應(yīng)用也可以減少氮損失，減少邊坡產(chǎn)沙量，降低泥沙輸送量，從而降低土壤侵蝕率。在覆蓋應(yīng)用中，與使用塑料覆蓋相比，更推薦使用作物覆蓋。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比分析保護(hù)性耕作對(duì)氮素?fù)p失的影響，結(jié)果表明植物纖維毯和免耕覆蓋物可顯著提高土層中氮總量；傳統(tǒng)耕作導(dǎo)致地表徑流的氮損失更高，免耕方式和植物纖維毯的聯(lián)合應(yīng)用顯著減少了地表徑流總氮損失；玉米種植周期內(nèi)，地表徑流對(duì)溶解氮的損失相對(duì)較低，水土流失遠(yuǎn)高于地表徑流導(dǎo)致的總氮損失。常規(guī)耕作和不使用植物纖維毯的情況下，水土流失造成的氮損失較高。免耕與植物纖維毯的情況下，水土流失造成的氮損失減少。為滿足農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，可大力推廣保護(hù)性耕作在作物耕作中的應(yīng)用。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，結(jié)論具有局限性，需要在大面積保護(hù)性耕作中取樣驗(yàn)證。