林草復合系統削減滇池流域農業面源污染研究

陳 澍，荊文濤，祖艷群，陳建軍

(云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201)

林草復合系統削減滇池流域農業面源污染研究

陳 澍，荊文濤，祖艷群，陳建軍

(云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201)

林草復合系統；地表徑流；TN；TP；SS；滇池流域

2013年6—9月在試驗地進行了自然降雨條件下的田間試驗，目的是分析滇池流域面山墾殖區3種種植模式下的徑流、泥沙流失量和養分流失情況。試驗結果顯示：黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式地表徑流流失量為0.74 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為1.83、0.17、3.37 mg/m2；黑麥草+苜蓿的牧草單作模式地表徑流流失量為0.84 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為2.51、0.25、4.21 mg/m2；桃樹單作地表徑流流失量為0.92 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為2.69、0.26、4.10 mg/m2。結果表明黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作種植模式削減農田地表徑流和徑流污染的效果較好。

農田徑流污染是指農田地表沉積物與大氣沉降物等在降水的淋溶和沖刷作用下，擴散性地進入水體，造成地表水環境質量下降的過程[1]。據統計，我國湖泊50%以上的氮、磷來自農業面源污染[2]，農田徑流污染已成為河流、湖泊水體富營養化的重要營養物質來源。由于污染物的大量排入，使得滇池已成為水體富營養化程度最嚴重的湖泊之一。滇池流域總氮和總磷負荷中農業污染貢獻率分別達到33%～53%和30%～58%，構成了非點源污染中氮、磷的主要來源[3-4]，因此采取有針對性的農業面源污染防治措施是解決滇池水體富營養化的關鍵。作物種植模式對農業面源污染物的產生和運移有著重要影響，合理的種植模式可以有效削減農田地表徑流和營養物質的流失[5-10]，通過改變種植模式控制農業面源污染已經引起了人們的廣泛關注。

林草復合系統作為農林復合的一個重要組成部分被廣泛應用，其生態效益和經濟效益是林草復合模式研究的熱點,特別是林草復合模式對林產品品質和產量的影響、對水土流失的控制作用、其地下根系對土壤的改良作用，以及對環境生物的影響等[11]，而關于林草復合系統對農業面源污染負荷的削減效果方面的研究成果很少。為此，本研究重點分析了林草復合系統對滇池流域農田地表徑流量與徑流中氮、磷等養分流失量的影響，以期為滇池治理提供參考數據。

1 試驗小區概況

試驗地點位于昆明市官渡區寶象河流域大板橋鎮大東沖村，屬滇池流域面山墾殖區。試驗地為坡耕地，在坡耕地上修建了9個標準徑流觀測小區，各小區基本情況見表1。在每個小區下坡向開挖一個集水池，用以收集(用 PVC 管引入集水池)并測量各小區內產生的降雨徑流量。

表1 徑流小區基本情況

2013年5月初在試驗地種植黑麥草(LoliumperenneL.)和苜蓿(MedicagosativaLinn.)。種植模式為黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式(JZ)、黑麥草+苜蓿的牧草單作模式(DZ1)和桃樹單作模式(DZ2)，不同種植模式的種植規格見表2。各小區所施肥料品種相同，分別為農用硝酸銨鉀(全水溶速效氮鉀肥)，每100 kg含氮(N)≥20%、鉀(K2O)≥10%(含硝酸鉀)；

表2 不同種植模式的種植規格

粉狀過磷酸鉀，有效磷(P2O5)≥16%。于2013年5月初種植黑麥草、苜蓿，種植當日施用農用硝酸銨鉀和粉狀過磷酸鉀，并于7月29日進行追肥，每個小區施肥、追肥量均為1 kg(農用硝酸銨鉀500 g、粉狀過磷酸鉀500 g)。

2 試驗方法

水樣的采集密度為每場降雨后采集一次，以雨停后6 h內未再降雨作為一場降雨。 2013 年6—9月試驗地發生降雨產流的共有9次，分別為6月27日、7月12日、7月19日、7月28日、8月2日、8月9日、8月13日、8月22日、8月30日降雨，降雨量分別為15.6、17.2、26.8、35.8、11.0、9.2、30.2、6.8、29.2 mm。根據2006年國家防汛抗旱總指揮部辦公室編制的《防汛手冊》，7月19日、7月28日、8月13日、8月30日降雨強度較大，屬強降雨。

水樣分析方法參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)。采樣時將集水桶中的水和泥沙攪拌均勻，取中間部分水樣，每次采集500 mL。采樣后立即運往實驗室，放入冰箱冷藏保存，于7 d內完成測定。水體固體懸浮物(SS)采用烘干稱重法，水樣用0.45 μm玻璃纖維微孔濾膜過濾后進行TN、TP的測定，TN 采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，TP采用鉬銻抗分光光度法測定。以TN、TP、SS濃度乘以單位面積地表徑流量得到TN、TP、SS單位面積流失量，用Excel 2003進行數據分析。

3 結果與分析

(1)農田地表徑流量。一般來說降雨量的大小會直接影響徑流產生量，降雨量越大，徑流量也越大，降雨經過土壤滲透，多余的部分便會形成徑流流出，造成水土流失進而產生農業面源污染[12]。上述9次降雨中，在相同降雨條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式的地表徑流流失量要小于黑麥草+苜蓿的牧草單作模式和桃樹單作模式(圖1)。不同種植模式下的平均產流量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹0.74 mL/m2、黑麥草+苜蓿0.84 mL/m2、桃樹單作0.92 mL/m2。

圖1 不同種植模式下地表徑流量

相比黑麥草+苜蓿、桃樹單作，黑麥草+苜蓿+桃樹減少徑流量分別提高了11.9%、19.6%。

(2)農田地表徑流SS流失量。9次降雨徑流中SS流失量最大的是6月27日、8月13日降雨。相同降雨強度條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹林草間作模式的SS流失量要小于黑麥草+苜蓿牧草單作模式和桃樹單作模式(圖2)。不同種植模式下農田地表徑流SS平均流失量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹3.37 mg/m2、黑麥草+苜蓿4.21 mg/m2、桃樹單作4.10 mg/m2。相比黑麥草+苜蓿、桃樹單作，黑麥草+苜蓿+桃樹減少地表徑流SS平均流失量分別提高了20.0%、17.8%。

圖2 不同種植模式下地表徑流SS流失量

(3)農田地表徑流TN流失量。9次降雨中，TN流失量以7月28日降雨徑流TN流失量最大，其次是8月2日降雨產流。相同降雨條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹林草間作模式的TN流失量要小于黑麥草+苜蓿牧草單作模式和桃樹單作模式(圖3)。不同種植模式下TN平均流失量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹1.83 mg/m2、黑麥草+苜蓿2.51 mg/m2、桃樹單作2.69 mg/m2。相比黑麥草+苜蓿、桃樹單作，黑麥草+苜蓿+桃樹減少地表徑流TN平均流失量分別提高了27.1%、32.0%。

圖3 不同種植模式下地表徑流TN流失量

(4)農田地表徑流TP流失量。9次降雨中，TP流失量以8月13日降雨徑流TP流失量最大，其次是7月19日降雨產流。相同降雨條件下，黑麥草+苜蓿+桃樹林草間作模式的TP流失量要小于黑麥草+苜蓿牧草單作模式及桃樹單作模式(圖4)。不同種植模式下的TP平均流失量分別為黑麥草+苜蓿+桃樹0.17 mg/m2、黑麥草+苜蓿0.25 mg/m2、桃樹單作0.26 mg/m2。相比黑麥草+苜蓿、桃樹單作，黑麥草+苜蓿+桃樹減少地表徑流TP流失量提高了32.0%、34.6%。

圖4 不同模式下地表徑流TP流失量

4 討 論

4.1 不同作物種植模式對農田面源污染的影響

針對不同農業種植區和農業類型，采取合理的農業種植模式能夠有效削減農業面源污染。大量研究表明，林草復合模式能夠有效攔截降水，減少地表徑流，提高土壤涵養水源的能力，在生態系統恢復過程中起到了重要的作用[13-16]。林草間作模式削減農業面源污染主要是通過植被的地上和地下兩部分共同實現：地上部分的作用主要是截留降雨，削減降雨動能，減少降雨侵蝕力，增加地表糙度，降低徑流對地表沖刷能力等；地下部分的作用主要體現在根系增強土壤抗沖性能和改善土壤結構等方面[17-19]。試驗中桃樹與黑麥草、苜蓿間作種植，牧草覆蓋地面的能力較大，并且隨著牧草的生長，數量眾多、發達的須根系統形成縱橫交錯的根網，對截斷地表徑流效果明顯。降雨過程中一部分雨滴降落在桃樹樹冠上，其大部分動能被消耗，抑制了雨滴對地表的直接濺蝕，附著于桃樹樹冠和莖干上的雨水進一步滑落到下層牧草上，由于牧草草冠距地面距離小，削減了降雨的動能，間接增加了土壤的抗沖能力，減弱了降雨對地表的沖擊。

作物截留地表徑流的能力與作物的覆蓋度和冠層截留有關。在相同降雨強度條件下，農田植被覆蓋度是影響農田地表徑流量和土壤侵蝕量的主要因素[20]，作物株高、冠幅不同，小區的覆蓋程度不同，對雨水的截留能力也不同[21]。該試驗地種植的是桃樹、苜蓿和黑麥草，其中苜蓿和黑麥草覆蓋地表的能力較大。在9次收集到地表徑流的降雨過程中，隨著牧草的生長，種植模式不同的小區，其農田地表徑流污染物濃度隨著覆蓋度的變化呈現一定的動態規律：在牧草生長初期，牧草覆蓋度較低，不同種植模式的植被覆蓋率為黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式>桃樹單作模式>黑麥草+苜蓿的牧草單作模式。6月27日降雨產流正處于牧草生長初期，地表徑流產生量為黑麥草+苜蓿+桃樹<桃樹單作<黑麥草+苜蓿，這是由于黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式和桃樹單作模式能保證在牧草生長初期仍有桃樹樹冠遮蓋部分地表，遮擋降雨，削弱了雨滴對地面的濺蝕，起到了冠層截留的作用，減少了徑流的產生。隨著牧草的生長，隨后的幾次降雨產流過程中，小區植被株高、葉面積指數和叢徑均在增大，不同種植模式的植被覆蓋率呈現黑麥草+苜蓿+桃樹>黑麥草+苜蓿>桃樹單作，因此地表徑流產生量黑麥草+苜蓿+桃樹<黑麥草+苜蓿<桃樹單作。黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式對地表徑流污染負荷削減作用強于黑麥草+苜蓿的牧草單作模式，分析其原因，可能是桃樹與牧草的相互作用，提高了養分利用率，增強了土層結固作用。

4.2 農田地表徑流養分流失規律

農田土壤中N、P等養分的流失主要受降雨形成的地表徑流所驅動，因此土壤養分的大量流失通常發生在強降雨條件下[22]。本次試驗中農田地表徑流養分流失主要集中在4次強降雨過程中，這4次降雨中各小區產流量占桃樹單作模式徑流量的62.4%～72.8%，占黑麥草+苜蓿牧草單作模式徑流量的53.4%～61.0%，占黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式徑流量的60.8%～69.8%。因此，在強降雨條件下防止土壤侵蝕，減小降雨對地表的擾動，控制強降雨條件下農田地表徑流養分流失，是有效削減農業面源污染的重要措施。SS流失量最大的兩次降雨發生在6月27日和8月13日，這兩次降雨徑流SS流失量占黑麥草+苜蓿模式徑流SS總產生量的69.0%、占桃樹單作模式總產生量的63.3%，占黑麥草+苜蓿+桃樹模式總產生量的65.4%，說明初次降雨產流和產流量較大時SS流失量較大。在相同降雨強度條件下，不同種植模式下的TN、TP、SS流失量均為間作<單作。6月27日和8月2日在弱降雨條件下TP流失量較大，原因是當時試驗地牧草種植不久，在土壤中施加基肥，土壤表層磷素相對富集，極易隨水體流失，說明施肥時間對污染物的流失有明顯影響。8月22日黑麥草+苜蓿+桃樹林草間作模式的SS流失量、TP流失量與黑麥草+苜蓿的牧草單作模式和桃樹單作模式差異很小，可能是由于試驗地在8月20日進行了人工拔除雜草，拔除雜草后的土壤表層土質疏松，容易流失。

綜上分析可知，雨強、徑流量、植被覆蓋、施肥、人類活動等因素都會影響農田地表徑流污染物的流失，而合理的種植模式能提高作物對土壤水肥資源的利用率、改變作物根系的分布特征、增強作物根系對土壤的固結能力[23]，所以在采取合理種植模式的情況下，農田地表徑流帶走的氮、磷等污染物也減少了。本試驗成果對滇池流域面山墾殖區農業面源污染控制和湖泊水體富營養化治理具有重要指導意義。

5 結 語

在試驗地設置黑麥草+苜蓿+桃樹林草間作模式、黑麥草+苜蓿牧草單作模式和桃樹單作模式徑流小區，于2013年6月至9月進行降雨徑流試驗。結果表明，在9場降雨產流過程中，黑麥草+苜蓿+桃樹林草間作模式的地表徑流量為0.74 mL/m2，TN、TP和SS流失量分別為1.83、0.17、3.37 mg/m2，其削減農田地表徑流和徑流污染的效果最好；與黑麥草+苜蓿的牧草單作模式相比，黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式削減地表徑流量、TN、TP和SS分別提高11.9%、27.1%、32.0%、20.0%；與桃樹單作模式相比，黑麥草+苜蓿+桃樹的林草間作模式削減地表徑流量、TN、TP和SS分別提高19.6%、32.0%、34.6%、17.8%。

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(責任編輯 李楊楊)

國家水體污染控制與治理科技重大專項，湖泊主題滇池項目(2012ZX07102-003-04)

S157

A

1000-0941(2015)04-0046-04

陳澍(1989—)，女，河南洛陽市人，碩士研究生，研究方向為農業面源污染；通信作者陳建軍(1970—)，男，重慶市人，副教授，博士，從事農業面源污染控制方面的研究。

2014-12-04