三種牧草對三峽庫區旱坡地氮磷養分流失的影響

茍桃吉，高明，王子芳，劉彬彬，黃容(西南大學資源環境學院，重慶 400716)

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三種牧草對三峽庫區旱坡地氮磷養分流失的影響

茍桃吉，高明*，王子芳，劉彬彬，黃容
(西南大學資源環境學院，重慶 400716)

本研究以三峽庫區王家溝小流域為對象，通過田間試驗和室內分析相結合的方法，以種植常規玉米為對照(T1)，利用2015年5-8月自然降雨采集的地表徑流樣品，研究了黑麥草(T2)、墨西哥玉米草(T3)、大力士甜高粱(T4)三種牧草對三峽庫區旱坡地氮磷流失的影響，為三峽庫區種植結構調整及面源污染防治提供科學依據。結果表明，3種牧草均能顯著減少徑流及泥沙中的氮磷養分流失量，以墨西哥玉米草效果最佳；降雨造成的氮磷養分流失以泥沙為載體為主要流失途徑，占總氮、總磷流失量的76.34%～79.97%和81.69%～83.90%；黑麥草、墨西哥玉米草的生物量及干物質積累量最高，分別為玉米處理的4.45、1.52倍和4.89、1.53倍，種植4種植被的養分截存效果表現為T2、T3>T4>T1。考慮到養分截存效果及飼用經濟效益，三峽庫區旱坡地應優先選擇種植墨西哥玉米草，其次選擇黑麥草，代替傳統的玉米種植模式。

三峽庫區；旱坡地；牧草；養分流失；小流域

三峽庫區地處四川盆地與長江中下游平原的結合部，大部分地區處于川東褶皺地帶，60%以上的土地為坡耕地，70%以上的土壤為抗蝕性較差的紫色土，土地裸露度高，植被覆蓋率低，是中國水土流失最嚴重的地區之一[1-2]。庫區人多地少，耕地墾殖率及復墾率高，化肥使用量大，導致大量養分累積在土壤中，降雨集中，土壤中過量的氮磷元素隨降雨徑流及泥沙釋放到水體中，導致庫區的水體富營養化現象日趨嚴重[3-4]。近年來，學者們對全國各地坡耕地的養分流失情況進行了大量研究。目前，對草籬技術在防治南北方坡耕地水土及養分流失方面效益的研究最為廣泛[5-8]，主要集中在人工模擬降雨的條件下，探討不同降雨量、雨強下徑流及泥沙攜帶氮磷元素流失的情況[9-10]，同時還包括不同耕作方式，不同施肥方式，不同土地利用類型等因素對坡耕地氮磷養分流失影響的研究。彭玲等[11]研究發現，在蘋果園種植牧草后，0～20 cm土層總氮含量高于單作蘋果，而20～40 cm及40～60 cm土層總氮含量低于單作蘋果，表明種植牧草能有效減少氮素向深層土壤淋溶損失。相關牧草研究表明，黑麥草(Loliumperenne)和墨西哥玉米草(Purusfrumentum)營養價值高，適口性好，大量種植后可作為高效牧草緩解農區飼草短缺的問題[12-13]。周紅等[14]研究表明，墨西哥玉米草的營養成分含量明顯優于普通青貯玉米。飼用甜高粱(Sorghumbicolor)是北方重要的綠色能源作物，其營養成分及飼用價值僅次于青貯玉米，其產量及糖分顯著高于玉米[15-16]。林超文等[17]研究表明，黑麥草的根部生長快，根系發達，根系固土能力強，墨西哥玉米草刈割后再生能力較強，均有利于減少水土流失。以往的研究均是以裸地為對照或研究種植單一作物對坡耕地氮磷流失的影響，而在自然降雨條件下，以常規種植的作物為對照，探討不同植物特別是牧草種植對三峽庫區旱坡地氮磷養分流失影響的研究鮮有報道。本試驗結合長江中上游的氣候特點，選用黑麥草、墨西哥玉米草和大力士甜高粱3種牧草，以常規作物——玉米作為對照，探討在自然降雨過程中，種植4種植物對三峽庫區旱坡地養分流失的影響，以期為三峽庫區種植結構調整及面源污染防治提供科學依據，同時牧草收獲后可作能源作物或飼草，實現農業循環利用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于三峽庫區涪陵段珍溪鎮王家溝小流域(107°29′43″-107°31′01″ E， 29°53′27″-29°54′37″ N)，系長江一級支流。三峽庫區主要以旱坡地為主，耕地土壤質量差、土壤流失嚴重，是典型的生態脆弱區。其中山坡丘陵面積占97.3%，大于30度的坡地面積占一半以上，由風化的花崗巖、紫色巖發育形成的紫色土占庫區耕地的69.2%，以物理風化為主，成土作用弱，土壤抗蝕性差，保水保土力弱，庫區土壤流失嚴重。

試驗區地形東南部較高，多為丘陵山地，西北部地勢較低，多為河谷丘陵、低山，海拔150～330 m。屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫18 ℃，多年平均降雨量1100 mm，雨季為每年4-10月，年積溫(≥10 ℃)5300 ℃，年日照時數1055 h，無霜期331 d，試驗區耕地以土層薄的旱坡地為主，土壤類型為紫色土。

1.2 試驗設計

采用微區試驗方法，設置徑流小區的坡度為9°，試驗小區采用M7.5漿砌磚結構修建，每個小區內徑長2.5 m，寬2.0 m。漿砌磚側墻出露地面0.2 m高，埋于地面0.3 m深。在小區頂部外開挖0.3 m寬，0.3 m深的土溝，用于截留坡頂非試驗區產生的地表徑流和侵蝕泥沙，以減小試驗誤差。試驗小區底部設計0.2 m深，0.3 m寬的截水溝，用于匯集試驗小區因降雨產生的地表徑流和侵蝕泥沙。截水溝匯集的地表徑流和侵蝕泥沙通過一根長0.3 m，直徑為0.1 m的PVC管排到沉沙函中。沉沙函用于收集試驗小區產生的地表徑流和侵蝕泥沙。沉沙函長0.5 m，寬0.5 m，深0.5 m，體積為0.125 m3，采用M7.5漿砌磚結構修建，函底和內壁用1∶2.5砂漿抹面20 mm厚，以防止滲漏。

試驗設4個處理，3次重復，共12個處理，隨機區組排列。4個處理設計如下：T1，常規施肥+玉米；T2，常規施肥+黑麥草；T3，常規施肥+墨西哥玉米草；T4，常規施肥+大力士甜高粱。

供試玉米品種為渝單15(國審玉2005 031)，種植密度為45000株/hm2。施肥量采用當地農民常規使用量1875 kg/hm2。供試玉米2015年3月1日開始育秧，3月26日移栽并施基肥(玉米專用復合肥：GB15063-2009，同時播種3種牧草)，4月16日，各玉米試驗小區施追肥，供試玉米于7月25日收割。

供試黑麥草品種為冬牧70黑麥草，播種量為45 kg/hm2。在播種前施基肥，氮肥900 kg/hm2、磷肥45 kg/hm2、鉀肥90 kg/hm2，等黑麥草長高至40～50 cm，割第1次草，以后每隔20～30 d收割1次，每次割草后留茬至少5～6 cm高。于割草3～5 d后追肥，追肥尿素150 kg/hm2，并結合灌水，每次收割后中耕除草松土1次。

供試墨西哥玉米草優12，播種前用35 ℃溫水浸泡24 h。溫度穩定在15 ℃左右即可播種，播種前土地要平整，播種量為22.5 kg/hm2，基肥施尿素450 kg/hm2，等苗長高至30 cm，追肥施尿素150 kg/hm2，苗長高至1.4 m以上可第1次刈割，割時應在分蘗點以上開鐮，以后每隔20 d左右收割1次，可在收割當天或第2天結合灌水及除草松土，每次收割3～5 d后追肥尿素150 kg/hm2。

供試大力士甜高粱播種量為22.5 kg/hm2，基肥施尿素450 kg/hm2，拔節時中耕追肥施尿素150 kg/hm2，株高達到1.2 m時第1次收割，每次收割3～5 d后追肥施尿素75 kg/hm2。當株高再長到1.2 m時可第2次收割，每次收割必須留茬10～15 cm。

于2015年3月25日，在玉米移栽前，采集各徑流小區內0～20 cm混合土測定出小區土壤基本性質為：pH 5.8，全氮1.61 g/kg，堿解氮 106 mg/kg，全磷 1.24 g/kg，有效磷 33.61 mg/kg，全鉀 16.13 g/kg，速效鉀 124 mg/kg。

根據玉米生長季，于3月26日移栽玉米的同時播種3種牧草，同年5月18日對牧草進行第1次刈割，6月14日對牧草進行第2次刈割，7月25日收割玉米及3種牧草。待玉米移栽及牧草播種后，玉米收獲前(2015年5月至8月)采集樣品，由于4月降雨量少(僅40.8 mm)，降雨強度低，且土壤墑情差，未形成明顯徑流，因此本研究的玉米生長季采集了5月3日、5月16日、6月4日、6月19日、7月4日、7月22日、8月20 日共7場自然降雨的徑流產流時間及徑流量。降雨情況采用虹吸式日記雨量計(DSJ2，中國上海)測定，徑流量則采用SW40型日記式水位計(中國南京)結合45°三角堰流量查表計算。

1.3 試驗方法

采樣在每次降雨徑流終止后進行，將小區引水槽淤泥掃入徑流池，用水攪拌均勻，在池中取柱狀水樣2～3個(總量1000～3000 mL)，并混合在一起。取2500 mL混合樣于密閉容器中，滴入4 mL濃硫酸終止微生物活動，然后將其置于4 ℃下保存以待后期養分測定；將剩余的500 mL水樣沉淀并過濾，采用烘干稱重法測定其泥沙含量。待水樣采集完畢，清池，采用靜置過濾的方法收集徑流泥沙樣品。供實驗室內進行養分分析。

徑流水樣中測定總氮、硝態氮、銨態氮、總磷4個指標：將水樣分成兩份，一份用0.45 μm濾膜抽濾，過濾后的溶液用于測定硝態氮(NO3--N)和銨態氮(NH4+-N)，另一份不抽濾，用于測定總氮(total N,TN)和總磷(total P,TP)。其中TN采用堿性過硫酸鉀消解―紫外分光光度法測定；TP采用過硫酸鉀消解―鉬酸銨分光光度法測定；NO3--N采用紫外分光光度法測定；NH4+-N采用納氏試劑比色法測定[18]。

徑流泥沙樣中測定總氮、總磷2個指標：總氮采用H2SO4-H2O2消煮―蒸餾滴定法測定；全磷采用H2SO4-H2O2消煮―釩鉬黃比色法測定[19]。以上水樣及土樣分析方法詳細步驟見《水和廢水監測分析方法》[18]和《土壤農業化學分析》[19]。

1.4 數據處理

坡面泥沙流失量計算：

式中：A為泥沙總流失量；Gi為次降雨徑流量；Ni為次降雨徑流中泥沙含量。

坡面徑流氮、磷流失量計算：

式中：TN、TP為土壤氮、磷總流失量；Gi為次降雨徑流量；Ni為次降雨徑流中氮(磷)平均含量。

采用Eexcel和SPSS軟件對試驗數據進行統計分析，并用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理對徑流中養分流失的影響

2.1.1 徑流中的總氮、總磷流失量 整個試驗監測期，與常規玉米(T1)處理相比，黑麥草(T2)、墨西哥玉米草(T3)、大力士甜高粱(T4)牧草種植處理在不同次降雨產生的徑流中總氮、總磷含量均下降。3種牧草處理的徑流總氮流失總量比T1處理分別下降了45.11、55.30和45.56 mg/m2。如圖1所示，當降雨量小于60 mm時，各處理的徑流總氮流失量表現為T1>T4>T2、T3，其中除T2和T4處理在8月20日即地上部分全部收割后，采集的徑流總氮流失量與T1處理間不存在顯著差異外，牧草處理在其他次降雨采集的徑流總氮流失量均顯著低于T1處理(P<0.05)；當降雨量超過60 mm時，各處理的徑流總氮流失量均超過了27 mg/m2，具體表現為T1>T2>T3、T4，同時6月4日(平均雨強3.37 mm/h)牧草處理的總氮流失量比T1處理顯著減少了9.62～16.61 mg/m2，而6月19日(平均雨強4.17 mm/h)牧草處理比T1處理顯著減少了6.20～10.13 mg/m2，低于6月4日，這是因為一方面玉米葉面阻擋了降雨的沖刷，降低了土壤徑流量，另一方面試驗于6月14日對牧草進行了第2次刈割，刈割后的植株生長速度快，對氮素的需求量增加，大量吸收了土壤中的氮素，因此在6月19日T2、T3、T4處理的總氮流失量低于6月4日。

牧草處理的徑流總磷流失量總量比T1處理下降了28.21%～38.15%，從圖2可以看出，當降雨量小于60 mm時，各處理的徑流總磷流失量表現為T1最大，其中除T4處理在8月20日采集的徑流總磷流失量與T1處理差異不顯著外，牧草處理在其他次降雨采集的徑流總磷流失量均顯著低于T1處理(P<0.05)，T2、T3、T4之間未呈現出明顯規律，這可能是因為不同種類牧草在不同階段對磷素的需求量不同；當降雨量超過60 mm時，牧草處理的總磷流失量比T1處理顯著減少21.1%～38.48%，各處理的徑流總磷流失量表現為T1>T4>T2>T3，表明在強降雨條件下，墨西哥玉米草在減少旱坡地磷素流失方面效果最佳。

圖1 不同處理下次降雨徑流中總氮流失量Fig.1 The loss amount of total nitrogen in the runoff under different treatments

圖2 不同處理下次降雨徑流中總磷流失量Fig.2 The loss amount of total phosphorus in the runoff under different treatments

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。The different small letters mean the significant differences atP<0.05, the same below.

2.1.2 徑流中的硝態氮、銨態氮流失量 整個試驗監測期， T2、T3和T4牧草種植處理在不同次降雨產生的徑流中硝態氮含量均顯著低于常規玉米種植處理T1。如圖3所示，當降雨量小于60 mm時，各牧草處理的徑流中硝態氮流失量之間差別僅為0.08～0.54 mg/m2，但未呈現出明顯規律；當降雨量大于60 mm時，各處理的徑流中硝態氮流失量具體表現為T1>T2、T4>T3，其中6月4日(平均雨強3.37 mm/h)T2、T4牧草處理與玉米處理T1差異不顯著，而6月19日(平均雨強4.17 mm/h)的3種牧草處理均顯著低于玉米處理T1，尤其是T3處理的徑流中硝態氮流失量僅為T1處理的74.93%。

如圖4所示，當降雨量小于35 mm時，各處理徑流中銨態氮流失量差異均較小，僅為0.01～0.39 mg/m2；當降雨量大于35 mm時，各處理的徑流銨態氮流失量具體表現為T1> T4>T2>T3，其中T3處理徑流銨態氮流失量僅為T1處理的45.58%～64.63%。可見在降雨量不是特別大(5月16日、7月22日)時，牧草種間就出現了明顯的銨態氮流失量差異，且在降雨量較大時(6月4日、6月19日)，T3處理依舊表現出截留銨態氮的顯著優勢，表明墨西哥玉米草在減少徑流中的銨態氮含量方面的能力極佳。

徑流中的氮素流失形態以硝態氮為主，其中硝態氮占總氮流失量的65.78%～72.19%,銨態氮占27.89%～34.22%(圖5)。在試驗結束后，與T1處理相比，T2、T3和T4牧草種植處理均顯著降低了硝態氮流失總量和銨態氮流失總量，其中牧草處理的硝態氮流失總量和銨態氮流失總量分別較T1處理下降了6.96～9.31 mg/m2和1.14～5.12 mg/m2，但各牧草處理間差異不顯著。

2.2 不同處理對泥沙中養分流失的影響

2.2.1 泥沙流失量 如圖6所示，整個試驗檢測期，除6月19日外，牧草處理T2、T3、T4泥沙流失量均低于玉米處理T1，其中T3處理的泥沙流失量總是顯著低于T1處理。 6月19日T2、T3、T4處理的泥沙流失量(98.64、89.46、94.52 g/m2)達到試驗監測期最高，均高于T1處理(82.67 g/m2)，這可能是由于在6月14日進行了牧草刈割后，地面覆蓋度降低造成的；同時6月19日T3和T1處理的泥沙流失量之間差異不顯著，這是因為處理T3再生能力和分蘗力強，在刈割后生長速度較快，相比T2和T4處理能快速恢復水土保持能力。另外，5月16日，牧草處理T2、T3、T4泥沙流失量相對玉米處理T1顯著減少最為明顯，僅為玉米處理T1泥沙流失量的49.27%～60.38%。

圖3 不同處理下次降雨徑流中NO3--N流失量Fig.3 The loss amount of NO3--N in the runoff under different treatments

圖4 不同處理下次降雨徑流中NH4+-N流失量Fig.4 The loss amount of NH4+-N in the runoff under different treatments

圖5 不同處理下徑流中氮素流失特征Fig.5 The characteristics of nitrogen forms in the runoff under different treatments

圖6 不同處理下次降雨泥沙流失量Fig.6 The loss amount of sediment loss under different treatments

2.2.2 泥沙中的總氮、總磷流失量 在玉米生長前中期(5-6月)，除6月19日外，種植牧草處理T2、T3、T4泥沙中總氮流失量顯著低于種植玉米處理T1，僅為T1的27.76%～72.28%(圖7)。6月19日由于牧草刈割，T2、T3、T4處理泥沙中總氮流失量達到監測期最高值，分別高達192.35、186.97、224.01 mg/m2，是種植玉米處理T1的136.07%～164.22%。這是由于地表覆蓋地降低，不能很好地減少雨滴對地表土壤的沖擊及沖刷，導致大量養分隨泥沙流失。玉米生長后期(7月)及土地閑置期(8月)，T2、T3、T4處理對泥沙中的總氮流失量的改善效果逐漸減弱，說明在玉米成熟后，種植牧草較種植玉米在改善泥沙中的總氮流失量方面的優勢降低。

整個試驗監測期，3種牧草處理在不同次降雨泥沙中總磷流失量均顯著低于玉米種植處理T1，僅為處理T1的44.91%～80.74%，且在7月4日和8月20日，3種牧草處理泥沙總磷流失量僅占處理T1的44.91%～59.81%，說明種植牧草處理在整個玉米生長過程以及土地閑置期對泥沙中的磷素流失量的減少能力都顯著強于種植玉米處理(圖8)。相比5月16日，6月4日和6月19日次降雨量大幅提高，T1處理泥沙中總磷流失量分別增加了22.53%、13.22%，T2處理分別增加22.94%和減少12.48%，T3處理分別減少9.02%、21.75%，T4處理泥沙總磷流失量分別增加3.07%和減少12.38%，可見在暴雨天氣下，T2、T3、T4牧草處理對泥沙中磷素流失的截留能力仍強于玉米處理T1，且以墨西哥玉米草的效果最佳。

圖7 不同處理次降雨泥沙中總氮流失量Fig.7 The loss amount of total nitrogen in the sediment under different treatments

圖8 不同處理次降雨泥沙中總磷流失量Fig.8 The loss amount of total phosphorus in the sediment under different treatments

2.3 徑流及泥沙中的氮素、磷素總流失量

如表1所示，4種不同作物的徑流及泥沙中的氮素總流失量表現為T1>T4>T2>T3，T2、T3、T4處理分別占玉米處理T1的75.23%、72.56%、84.23%。表明在整個試驗監測期，較常規玉米，3種牧草種植處理均能更有效地減少降雨引起的旱坡地氮素流失，其中墨西哥玉米草處理效果最好。

如表2所示，4種不同作物的徑流及泥沙中的磷素總流失量呈現出T1>T4>T2>T3的趨勢，T2、T3、T4處理分別為玉米處理T1的61.26%、54.36%、63.70%，說明較種植常規玉米，種植牧草更能有效減少降雨引起的旱坡地磷素流失。

不同處理的泥沙中氮素、磷素流失量分別占總氮、總磷流失量的76.34%～79.97%和81.69%～83.90%，是徑流中氮素、磷素流失量的3.23～3.99倍和4.51～5.21倍，說明降雨造成的氮磷養分流失以泥沙流失攜帶的方式為主。

2.4 不同植被地上部生物量及氮素截存效果

3種牧草處理在不同刈割茬次下的生物量鮮重均高于T1處理(26511.9 kg/hm2)，且T2、T3、T4的總生物量鮮重分別為T1的4.45、4.89和3.78倍(圖9)。不同植被地上部分生物量干重表現為T2、T3(16955.7、17105.02 kg/hm2)>T4(12039.01 kg/hm2)>T1(11161.51 kg/hm2)(圖10)。其中墨西哥玉米草的總生物量最高(129726.5 kg/hm2)，黑麥草次之(117885.894 kg/hm2)，遠高于玉米的總生物量(26511.9 kg/hm2)。

表1 不同處理下氮素流失總量Table 1 The loss amount of total nitrogen under different treatments mg/m2

表2 不同處理下磷素流失總量Table 2 The loss amount of total phosphorus under different treatments mg/m2

同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
The different letters mean the significant differences atP<0.05.

圖9 不同處理地上部生物量鮮重Fig.9 The fresh biomass in shoots under different treatments

圖10 不同處理地上部生物量干重Fig.10 The dry matter in shoots under different treatments

對4種植被的地上部氮素截存量進行計算發現，4種植被的施氮量為T2>T3>T4>T1，而土層中的氮素積累量表現為T1>T2>T4>T3，其中T2的土層氮素積累量雖僅低于T1，但其施氮量及干物質氮素積累量較高，說明T2、T3的氮素截存效果最好，分別為T1截存量的3.21和2.34倍，T4的截存效果僅略高于T1(表3)。

3 討論

在農業生態系統中，土壤侵蝕主要由降雨所造成，尤其是在土壤結構較松散的地區。農業生產中大量使

表3 不同處理下植株地上部分對氮素的截存Table 3 Nitrogen retention of plants under different treatments kg/hm2

用化肥致使土壤中的水溶性N、P、K等營養元素大量累積，降雨引起的地表徑流會將溶解在水中的營養元素帶入河流、湖泊中，引起面源污染。尤其在三峽庫區這樣的丘陵和坡地的地形條件下，當降雨量較大時，雨水易形成地表徑流，造成水土流失。在本研究中對徑流中養分流失量和降雨量進行相關性分析發現，除墨西哥玉米草(T3處理)的總磷流失量外，其余各處理在徑流中的養分流失量與降雨量間均存在顯著或極顯著的相關關系(表4)。因此控制水土流失， 減少地表徑流，可以有效控制面源污染。降雨條件下，坡面易受到降雨沖刷、侵蝕，大量泥沙隨降雨產生的徑流輸出，造成泥沙流失，土壤中的氮磷養分附著于土壤表面或溶解于徑流中，以徑流和泥沙為載體隨降雨流失。大量研究表明土壤對磷素有較強的固定作用，且磷素本身的遷移能力較弱，故在降雨條件下，泥沙流失是磷素流失的主要途徑[9,20-21]。李博等[22]的研究中總氮隨泥沙流失量為隨徑流流失量的1.7～2.6倍，總磷隨泥沙流失量為隨徑流流失量的2.1～3.1倍；焉莉等[23]對東北黑土玉米地的氮磷流失情況研究發現，泥沙中的氮素流失是徑流中的7倍，磷素流失是徑流中的16倍；徐暢等[4]對三峽庫區小流域旱坡地的氮磷流失特征研究發現， 徑流中的氮素流失相對較小，最大值僅為53.63 mg/m2，而泥沙中所攜帶的氮素流失量相對較大，最大值達131.25 mg/m2。本研究中，氮素、磷素流失均是主要以泥沙為載體，是徑流中氮素、磷素流失量的3.23～3.99倍和4.51～5.21倍，與上述結果一致。同時，本研究中的徑流氮素流失以硝態氮為主，是徑流中銨態氮含量的1.92～2.59倍，這與張洋等[24]的研究結果一致。

表4 徑流中養分流失量與降雨量的相關性分析Table 4 Correlation analysis between the amount of nutrients in the runoff and rainfall capacity

注：*表示相關性水平P<0.05;**表示相關性水平P<0.01。

Note: * Correlation is significant at the 0.05 level; ** Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

與種植傳統玉米相比，牧草處理均能顯著減少徑流及泥沙中的氮磷養分流失量，其中降雨量較大時，墨西哥玉米草總能表現出顯著的養分及泥沙截留優勢，其次為黑麥草。一方面是由于墨西哥玉米草和黑麥草的生物量較大(圖9，10)，這兩種牧草的生物量鮮重分別為玉米生物量鮮重的4.45和4.89倍，干物質積累量分別為玉米處理的1.52和1.53倍；與玉米處理相比，二者對養分的需求量相應較大，能通過吸收養分供自身生長方式減少土壤養分流失[25]。同時，本試驗中對牧草進行多次刈割后，留下的茬口能增加地表粗糙度，減少土壤侵蝕，也是造成牧草的減少養分流失效果優于玉米處理的原因之一[17]。另一方面是由于種植牧草的地面覆蓋度高于種植玉米的覆蓋度，有研究表明植被覆蓋度越高，越能減少水土流失的強度，且牧草能在地面形成較致密的下墊面，而玉米不具備此特點[10,22]。

通過對4種植被的施氮量及土層中的氮素積累量計算出各植被的氮素截存量，發現黑麥草和墨西哥玉米草的截存量最大，為玉米處理的3.21和2.34倍，說明黑麥草和墨西哥玉米草對養分的吸收能力很強，而大力士甜高粱的氮素截存量僅略高于玉米處理。這可能主要是因為大力士甜高粱的生物量不如黑麥草和墨西哥玉米草。

4 結論

1)相比種植常規玉米，3種牧草處理均能顯著減少徑流及泥沙中的氮磷養分，以墨西哥玉米草效果最佳，黑麥草次之。

2)黑麥草及墨西哥玉米草的地上生物量鮮重及干物質重量最高，為玉米處理的4.45、1.52倍和4.89、1.53倍，4種植被的氮素截存量表現為T2、T3>T4>T1。

3)降雨造成的氮磷養分流失以泥沙流失攜帶的方式為主，不同處理泥沙中的氮素、磷素流失量分別占總氮、總磷流失量的76.34%～79.97%和81.69%～83.90%；徑流中的氮素流失形態以硝態氮為主，占總氮流失量的65.78%～72.19%。

References：

[1] Peng X, Shi D, Jiang D,etal. Runoff erosion process on different underlying surfaces from disturbed soils in the Three Gorges Reservoir Area, China. Catena, 2014, 123: 215-224.

[2] Liu Y J, Ni J P, Zhang Y,etal. Effects of different crop-mulberry intercropping systems on nutrients in arid pur-ple soils in the Three Gorges Reservoir Area. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12): 38-45. 劉月嬌, 倪九派, 張洋, 等. 三峽庫區紫色土旱坡地農桑配置模式對土壤養分的影響. 草業學報, 2015, 24(12): 38-45.

[3] Chen C L, Gao M, Ni J P,etal. Nitrogen losses under the action of different land use types of small catchment in Three Gorges Region. Environmental Science, 2016, 37(5): 1707-1716. 陳成龍, 高明, 倪九派, 等. 三峽庫區小流域不同土地利用類型對氮素流失影響. 環境科學, 2016, 37(5): 1707-1716.

[4] Xu C, Xie D T, Gao M,etal. Study on the nitrogen and phosphorus loss characteristics from sloping uplands in small watershed of Three Gorges Reservoir Region. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(1): 1-5. 徐暢, 謝德體, 高明, 等. 三峽庫區小流域旱坡地氮磷流失特征研究. 水土保持學報, 2011, 25(1): 1-5.

[5] Yao G Z, Liu Z Y. Preliminary study on the effects of different hedgerow on the runoff and nutrient loss on slope farm land in Danjiankou Reservoir. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(6): 3015-3016. 姚桂枝, 劉章勇. 丹江口庫區坡耕地不同植物籬對徑流及養分流失的影響初探. 安徽農業科學, 2010, 38(6): 3015-3016.

[6] Xiao B, Wang H F, Wang Q H,etal. Functions and cost benefits of contour grass hedges on sloping croplands. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(7): 1318-1329. 肖波, 王慧芳, 王慶海, 等. 坡耕地上等高草籬的功能與效益綜合分析. 中國農業科學, 2012, 45(7): 1318-1329.

[7] Guo X M, Huang R, He B H,etal. Correlation analysis of soil physicochemical properties under different soil and water conservation biological measures in Three Gorges Reservoir Region. Pratacultural Science, 2016, 33(4): 555-563. 郭曉朦, 黃茹, 何丙輝, 等. 不同水土保持林草措施對三峽庫區土壤理化性質的影響. 草業科學, 2016, 33(4): 555-563.

[8] Xia L Z, Ma L, Yang L Z,etal. Effects of hedgerows and ridge cultivation on losses of nitrogen and phosphorus of slope land in Three Gorges Reservoir Area. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(14): 104-111. 夏立忠, 馬力, 楊林章, 等. 植物籬和淺壟作對三峽庫區坡耕地氮磷流失的影響. 農業工程學報, 2012, 28(14): 104-111.

[9] Lin C W, Chen Y B, Huang J J,etal. Effect of different cultivation methods and rain intensity on soil nutrient loss from a purple soil. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(10): 2241-2249. 林超文, 陳一兵, 黃晶晶, 等. 不同耕作方式和雨強對紫色土養分流失的影響. 中國農業科學, 2007, 40(10): 2241-2249.

[10] Gao X Y, Zhang X X, Zhu J G,etal. A comparison of the effect of three grass species on controlling non-point pollution in orchards. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(2): 49-54. 高小葉, 張興興, 朱建國, 等. 生草栽培對果園面源污染的控制: 三種牧草的比較研究. 草業學報, 2015, 24(2): 49-54.

[11] Peng L, Ren Y H, Ji M M,etal. Effect of planting herbage on the growth and absorption, utilization of15N-urea of apple saplings. Acta Horticulturae Sinica, 2014, 41(10): 1975-1982. 彭玲, 任飴華, 季萌萌, 等. 蘋果園種植牧草對幼樹生長及15N-尿素吸收、利用的影響. 園藝學報, 2014, 41(10): 1975-1982.

[12] Chen L L, Chen B X, Liu X F,etal. Nutritional values of interplantingZeadiploperennisin forest under-story. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2013, 33(12): 27-31. 陳麗莉, 陳斌協, 劉興鋒, 等. 林下套種墨西哥玉米草的營養價值研究. 中南林業科技大學學報, 2013, 33(12): 27-31.

[13] Wang W S, Tian Y, Lou Y J. Effect of chicken manure application on SPAD value, hay yield and protein content ofLoliummultiflorumcv. Tetragold. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(3): 240-244. 王文石, 田雨, 婁玉杰. 施用雞糞對特高多花黑麥草 SPAD 值、干草產量和蛋白質含量的影響. 草業學報, 2016, 25(3): 240-244.

[14] Zhou H, Li J L, Fan J,etal. A comparison of five silage species on growth characteristics in Nanjing area and nutrient values. Jiangsu Agricultural Sciences, 2010, (6): 328-330. 周紅, 李建龍, 范娟, 等. 5種青貯飼草在南京地區的生長特性和飼用營養成分含量比較. 江蘇農業科學, 2010, (6): 328-330.

[15] Jia C L, Sheng Y B, Zhang H W,etal. Comparisons on forage yield and feeding value of sweet sorghum in saline soil of Yellow River Delta. Pratacultural Science, 2013, 30(1): 116-119. 賈春林, 盛亦兵, 張華文, 等. 黃河三角洲鹽堿地甜高粱產草量和飼用價值. 草業科學, 2013, 30(1): 116-119.

[16] Liang X, Li G Y, Wei S J,etal. The introduction experiment for feed sugar broom corn grass in Guangxi. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(35): 20136-20138. 梁辛, 李桂英, 韋升菊, 等. 飼用甜高粱在廣西的引種試驗初報. 安徽農業科學, 2010, 38(35): 20136-20138.

[17] Lin C W, Fu D W, Pang L Y,etal. Influence of different forage rotation on runoff and sediment in purple hilly area of Sichuan Province. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(1): 43-46. 林超文, 付登偉, 龐良玉, 等. 不同糧草種植模式對四川紫色丘陵區水土流失的影響. 水土保持學報, 2011, 25(1): 43-46.

[18] State Environmental Protection Administration. Water and Exhausted Water Monitoring Analysis Method[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1997. 國家環保局. 水和廢水監測分析方法[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 1997.

[19] Lu R K. Soil Agricultural & Chemical Analysis Method[M]. Beijing: China Agriculture Scientech Press, 2000. 魯如坤. 土壤農業化學分析[M]. 北京: 中國農業科技出版社, 2000.

[20] Guo X S, Song F P, Gao Y,etal. Characteristics of lost sediment and its nutrient enriched effect on three types soil slope under simulated rainfall. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(3): 23-28. 郭新送, 宋付朋, 高楊, 等. 模擬降雨下3種類型土壤坡面的泥沙流失特征及其養分富集效應. 水土保持學報, 2014, 28(3): 23-28.

[21] Guo Z, Xiao M, Chen L G,etal. Effect of erosive soils bu surface runoff on phosphorus loss in the paddy field. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(5): 63-67. 郭智, 肖敏, 陳留根, 等. 稻田徑流侵蝕泥沙對磷素流失的影響. 水土保持學報, 2010, 24(5): 63-67.

[22] Li B, Yan K, Fu D G,etal. Loss characteristics of nitrogen and phosphorus in surface runoff under 4 plant cover types in central Yunnan province. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(2): 50-55. 李博, 閻凱, 付登高, 等. 滇中地區4種覆被類型地表徑流的氮磷流失特征. 水土保持學報, 2016, 30(2): 50-55.

[23] Yan L, Gao Q, Zhang Z D,etal. Effect of reducing fertilizer and resource recycling on nitrogen and phosphorus loss on black soil with planting maize in northeast region under natural rainfall condition. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(4): 1-6. 焉莉, 高強, 張志丹, 等. 自然降雨條件下減肥和資源再利用對東北黑土玉米地氮磷流失的影響. 水土保持學報, 2014, 28(4): 1-6.

[24] Zhang Y, Fan F L, Zhou C,etal. Effects of crop/mulberry intercropping on surface nitrogen and phosphorus losses in Three Gorges Reservoir Area. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(1): 189-201. 張洋, 樊芳玲, 周川, 等. 三峽庫區農桑配置對地表氮磷流失的影響. 土壤學報, 2016, 53(1): 189-201.

[25] Wang C, Sun Q Y, Wei X H,etal. Effect of compost application and forage sowing on soil physical and chemical properties in reclamation land of coal-mine. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(5): 1174-1180. 王琛, 孫慶業, 韋緒好, 等. 堆肥施用和牧草種植對煤礦復墾地土壤肥力的影響. 土壤通報, 2015, 46(5): 1174-1180.

Effects forages on nitrogen and phosphorus loss from sloping land draining into the Three Gorges Reservoir

GOU Tao-Ji, GAO Ming*, WANG Zi-Fang, LIU Bin-Bin, HUANG Rong

CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China

The research was conducted in a small catchment, Wangjiagou, draining into the Three Gorges Reservoir. We combined field experiments and laboratory analysis; corn was used as the control (T1), which was compared toLoliumperenne(T2),Purusfrumentum(T3) andSorghumbicolor(T4). Samples of the surface runoff after rainfall from May to August in 2015 were collected and analysed for nitrogen (N) and phosphorus (P) allowing losses to be calculated. The results showed that all three forages significantly reduced N and P losses both in the runoff and the sediment. The most effective species wasP.frumentum; N and P losses caused by natural rainfall occurred mainly in sediment which accounted for 76.34%-79.97% and 81.69%-83.90% of total N and total P losses, respectively. The fresh and dry biomass yields ofL.perenneandP.frumentumwere higher than corn, the mean advantage being 4.45 and 1.52 times, and 4.89 and 1.53 times that of corn, respectively. The nutrient sequestration effect of the four crop types were ranked T2, T3>T4>T1. The nutrient sequestration and feed economic benefits ofP.frumentumindicate that it has the greatest potential as a substitute for corn in Three Gorges Reservoir catchments, followed byL.perenne.

Three Gorges Reservoir; dry sloping land; forages; N and P losses; small catchment

10.11686/cyxb2016350

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-09-18；改回日期：2016-11-28

十二五國家科技支撐計劃課題(2012BAD14B18)資助。

茍桃吉(1993-)，女，重慶北碚人，在讀碩士。E-mail：604346463@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail：gaoming@swu.edu.cn

茍桃吉, 高明, 王子芳, 劉彬彬, 黃容. 三種牧草對三峽庫區旱坡地氮磷養分流失的影響. 草業學報, 2017, 26(4): 53-62.

GOU Tao-Ji, GAO Ming, WANG Zi-Fang, LIU Bin-Bin, HUANG Rong. Effects forages on nitrogen and phosphorus loss from sloping land draining into the Three Gorges Reservoir. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(4): 53-62.