保護性耕作措施對陡坡地養分流失的影響

陳靜蕊，劉 佳，王惠明，熊鴻飛，劉 暉，徐昌旭*，秦文婧

(1.江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所/農業部長江中下游作物生理生態與耕作重點實驗室，江西 南昌 330200；2.江西省農業環境監測站，江西 南昌 330046；3.江西省石城縣能源辦，江西 石城 342700)

中國有1.217 3億hm2耕地，其中坡耕地占三分之一，主要分布在中國西南丘陵和山地地區。坡耕地既是人類賴以生存的重要生產資料，也是水土流失最為嚴重的耕地類型[1-2]。坡耕地作為我國南方丘陵山區重要的耕地資源，因受西南和東南季風的影響，降水豐沛，時間分布集中，土壤侵蝕嚴重。以長江為例，每年其來沙量的60%～78%源于坡耕地[3]。這些流失的泥沙及水體中的氮、磷等養分進入水體后，導致水體富營養化，進而引起一系列的生態環境問題。

種植業的集約化經營和為追求高產而過量使用化肥引起的農業面源污染問題受到越來越多的關注[4-5]。農業面源污染物的大量輸出，特別是農田徑流中氮、磷輸出是構成地表水體富營養化的主要原因[6-7]，地表徑流流失養分對湖泊、河流富營養化養分的貢獻率高達50%～60%[8]。坡耕地，尤其是陡坡地作為最易水土流失的耕地類型，其地表徑流中攜帶氮、磷的輸出更是不可小覷。為應對坡耕地的養分流失，國內外專家近年來已提出大量的保護性耕作管理措施，其中以橫坡壟作與等高植物籬耕作管理措施在坡耕地上的應用最為常見且有效[9-11]。因此，針對這兩種主要措施在旱坡地的截留效應的研究較多[10,12]。但多集中關注于保護性耕作措施對全年徑流量及氮磷流失量等截留效應，而對保護性耕作措施下，徑流量、氮磷流失量、徑流水中氮磷濃度變化在全年內不同時段分配比例的研究相對較少[13]。只有了解了氮磷流失量在不同時段的分配比例，才能更好地針對流失集中的時期采取相應的措施，減少農田的養分流失。本項目以江西省占地面積較大的陡坡旱地為研究對象，重點關注保護性耕作措施在不同作物生長季對徑流量、徑流水中氮磷濃度的變化的影響，以及徑流量及不同形態氮磷流失量的季節分配，以期為南方陡坡旱地的養分流失控制及合理農業生產管理措施的實施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 監測點概況

本監測點為農業部面源污染監測項目布控在江西省的13個國控監測點中的一個，位于江西省贛州市石城縣屏山鎮羅陂村勝塘組(東經116.268°，北緯 26.245°)。地處亞熱帶濕潤氣候區，年均溫18.1℃，年均降水量為1 919.6 mm。地形為陡坡地，坡度15°，土壤類型為紫色土。耕作層土壤基本理化性狀見表1。

1.2 試驗設計

本試驗共設 3個處理：常規處理即順坡壟作(CK)，優化處理1即橫坡壟作(KF)，優化處理2即橫坡壟作+秸稈行間覆蓋(BMP)。每個處理 3 次重復。試驗徑流小區按照國控監測點統一標準建設，各徑流小區用磚混結構田埂分隔，小區面積 10 m×4 m=40 m2。每個小區對應1個徑流池，徑流池容積3.2 m3(長×寬×高：4 m×0.8 m×1 m)。

本試驗的監測時間為2015年1月1日至12月31日。周年輪作模式為：煙草-甘薯。供試煙草品種為云煙87，甘薯為本地常規品種。煙草移栽時間為2015年3月7日，收獲時間為2015年7月30日，此期間稱為煙草季；甘薯扦插時間為2015年8月12日，收獲時間為2015年11月23日，此期間稱為甘薯季，全年其余時間稱為休閑季。煙草季施肥方案按照當地煙草公司的施肥標準，3個處理的化肥施用量一致，折N、P2O5、K2O分別為241.5、257.9和775.8 kg·hm-2。BMP處理煙草移栽當日行間覆蓋水稻秸稈5 003 kg·hm-2，折合N、P2O5、K2O的養分含量分別為2.00、0.33和2.67 kg·hm-2。煙草移栽前一周溝施基肥，基肥品種為復混肥(N-P2O5-K2O=6-7-10)，用量為3 480 kg·hm-2，3月17日追施尿素27 kg·hm-2，3月27日追施碳酸氫銨36 kg·hm-2，4月6日追施硫酸鉀和硝酸鉀各250.2 kg·hm-2，4月21日追施三元復合肥(N-P2O5-K2O=15-15-15)94.5 kg·hm-2，4月29日追施硫酸鉀和硝酸鉀各187.5 kg·hm-2。因為本試驗地地形的原因，水土流失系數較高，為充分利用煙草季大量施用的磷鉀肥料，減少氮磷的流失，甘薯季僅施氮肥，在甘薯扦插15 d后一次施入，肥料品種為尿素，3個處理用量均為525 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與制備

1.4 數據分析

不同形態氮、磷素年流失量：整個監測周期中(一個完整年)每次徑流水中某形態氮(磷)濃度與徑流水體積乘積之和。計算公式如下:

式中：P為氮(磷)素流失量，kg·hm-2；Ci為第i次徑流水中氮(磷)的濃度；Vi為第i次徑流水的體積；n為徑流水樣次數。

由于本試驗的設計中沒有不施肥作為對照處理，因此，養分利用率提高比例的計算是以常規處理的養分吸收量/施肥量為100%來計算其他兩個處理的養分利用率。

數據分析應用SPSS 11.0軟件與Excel 2003軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同處理對徑流水中氮、磷濃度變化的影響

徑流水中TP和TDP濃度均值不同作物生長季各處理之間差異不大。TP和TDP全年的濃度均值分別集中于0.09～0.18和0.05～0.10 mg·L-1(表2)。同一處理，TP和TDP濃度均值均隨著生長季的推移呈下降趨勢，但季節之間差異不顯著。就徑流水中TP和TDP濃度的最大值來看，與CK處理相比，KF和BMP優化處理后均能降低不同季徑流水中TP濃度的最大值，KF均能降低不同季徑流水中TDP濃度的最大值，而BMP處理在甘薯季和休閑季則略提高了徑流水中TDP的濃度最大值。

表2 不同處理徑流水中氮、磷濃度的季節變化 (mg·L-1)

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同處理地表徑流及氮磷流失量的季節分配

2.2.1 不同處理徑流量的季節分配

由圖1A可以看出，本監測點全年的徑流量隨降雨量的變化趨勢基本保持一致。全年降雨較少的1～4月份，產生徑流量也較少。全年徑流量最大值出現在降雨量最高的5月，CK、KF和BMP的徑流量分別為1 924、1 879和1 304 m3·hm-2。CK、KF、BMP 3個處理的全年徑流量分別為5 553、5 347和2 905 kg·hm-2(表3)。KF處理較CK處理減少了3.7%的徑流量，而BMP處理分別較CK和KF處理減少了48%和46%的年徑流量。這表明，本試驗中單純的橫坡壟作在減少陡坡地的徑流方面效果有限，而橫坡壟作與秸稈覆蓋相結合則有明顯的效果。林藝等[15]、范成五等[16]的研究均表明，在旱坡地(坡度為15°)，橫坡壟作較常規的順坡種植能顯著減少地表徑流量。然而，在降雨強度增大到 1.5 mm·min-1時，則易發生斷壟現象，反而會增大土壤侵蝕。在本試驗中，監測點的土壤質地為重粘土，至本年度監測結束，橫坡壟作處理的壟高雖有降低，但壟依然保持完整，因此并不存在斷壟現象。在本年度的5～7月，該區域總降雨量達1 188 mm，單日降雨量超過50 mm的暴雨共計7次，而單日降雨超過100 mm的有3次，3個不同處理5～7月的徑流量占全年的徑流量均超過50%。由于降雨強度是地表徑流的原動力，大雨強條件下，地表徑流量是中雨強和小雨強的數倍[17]。因此推測，在本區域高強度降雨形成的地表徑流是全年徑流產生的主要形式，由于土壤質地的原因，土壤對降雨的吸收能力有限，因而，降雨過程中在壟溝內積聚的水會很快漫過壟面向坡底遷移。由于降雨強度大，持續時間相對短暫，故而單純橫坡壟作的截留作用效果不明顯。而橫坡壟作與秸稈覆蓋相結合的條件下，秸稈一方面可以吸收部分降雨，提高其起始產生徑流的降雨量；另一方面，短時強降雨形成的徑流越過壟面向坡底遷移的過程中，秸稈也能減緩徑流的流速，既減少對壟面的侵蝕，又延長徑流在坡面的保持時間，起到雙重的截留作用。因此，二者結合才能對陡坡地的地表徑流產生顯著的截留效果。

圖1 不同處理徑流量、徑流水中各形態氮磷流失量的季節分配

處理徑流量TNNO-3-NNH+4-NTPTDPNO-3/TNNH+4/TNTDP/TP(m3·hm-2)(kg·hm-2)(%)CK5553a1591a635a136a101a057a39985563KF5347a1372a476a101a045ab026b34773571BMP2905b490b158b050b029b017b323101569

2.2.2 不同處理對地表徑流及徑流中氮流失量的影響

不同處理全年徑流水中TN流失量的季節分布見圖1B。3個處理徑流水中TN全年流失量不同月份的分配與徑流量的分配表現相似，1～4月份TN的流失量較少，5月最多，CK、KF、BMP 3個處理分別為6.72、7.04和2.03 kg·hm-2，其它各月多維持在1.0 kg·hm-2左右。CK、KF、BMP全年 TN流失量依次為15.91、13.72和4.90 kg·hm-2(表3)。

CK、KF、BMP 3個處理硝態氮的最大值流失量也出現在5月，分別為4.13、2.92和0.98 kg·hm-2(圖1C)。CK、KF、BMP 3個處理硝態氮的年流失量分別為6.35、4.76和1.58 kg·hm-2。除無產生徑流的1月份外，處理之間不同月份硝態氮的流失量均表現為CK>KF>BMP。徑流水中銨態氮全年不同月份的流失量分配與硝態氮表現一致(圖1D)，CK、KF、BMP 3個處理全年的銨態氮流失量分別為1.36、1.01和0.50 kg·hm-2。方差分析結果表明，CK和KF處理之間硝態氮、銨態氮流失量差異不顯著，但二者的兩種無機氮流失量顯著高于BMP處理。

由表3可以看出，TN、硝態氮和銨態氮的年流失總量，處理之間均表現為CK和KF處理差異不顯著，但二者顯著高于BMP處理。這與徑流量3個處理之間的差異表現一致。3個處理硝態氮的年流失量占TN年流失量的比例均超過30%，而銨態氮年流失量占TN年流失量較小，最大值為BMP的10.1%。這表明，硝態氮是紫色土氮素流失的主要形式[18]。

2.2.3 不同處理對地表徑流中磷流失量的影響

徑流水中TP和TDP的流失量在不同月份的分布與降雨在全年不同月份的分布表現一致(圖1E,F)，TP和TDP流失量的最大值也出現在降雨最高的5月，CK、KF、BMP 3個處理TP和TDP的流失量分別為0.55和0.30 kg· hm-2、0.15和0.08 kg·hm-2、0.12和0.06 kg·hm-2。結合表2中徑流水中TP和TDP的全年流失量可以看出，5月份的磷流失量占到全年總流失量的一半左右。這意味著，徑流水中磷的流失與徑流量之間的關系可能不僅僅是簡單的線性相關關系。在同等降雨量且徑流量接近的條件下，單次的高強度的降雨形成的高徑流量造成的磷流失可能遠大于低強度多頻次的低徑流量造成的磷流失。換言之，磷的流失受雨強的影響較大，雨強越大，磷損失量顯著增加[1]。

2.3 降雨量與地表徑流的相關分析

為了明確不同處理下降雨量與徑流之間的相關性，對3個處理的降雨和徑流分別進行了相關分析(圖2)。不同處理的徑流量均與降雨量呈極顯著的正相關關系(P<0.01)。為了明確優化處理后降雨對徑流的產生，對3個處理回歸方程的斜率進行了方差分析，結果表明，CK和KF處理的斜率之間無顯著差異，但二者與BMP處理之間差異顯著(表4)。這表明，在相同強度降雨條件下，BMP能產生比CK和KF更小的徑流量。同時，按照擬合曲線推算發生徑流的最小降雨量，CK和KF的最小降雨量分別為26.95和22.93 mm，而BMP處理的最小降雨量為67.15 mm。

圖2 不同處理降雨與徑流量的相關分析

處理斜率起始產流的最小降雨量(mm)CK2708a2695KF2643a2293BMP1853b6715

2.4 不同處理對作物產量、養分積累及養分利用的影響

CK、KF和BMP 3個處理煙草季煙葉的產量分別為1 016.25、1 075.50和1 031.00 kg·hm-2；甘薯季的產量分別為26 437.50、28 335.50和27 557.65 kg·hm-2(表5)。雖然兩季作物的產量處理之間均表現為KF>BMP>CK，但差異均未達到顯著水平。CK、KF和BMP 3個處理全年的N養分吸收量分別為151.15、153.83和152.37 kg·hm-2；全年的P養分吸收量分別為7.18、7.56 和7.80 kg·hm-2。與CK處理相比，KF處理的氮磷養分利用率分別提高了1.72%和5.59%，BMP處理可能由于施肥量偏多，導致氮的養分利用率降低了5.12%，但磷的利用率則較CK處理提高了6.59%。

表5 不同處理對植物全年養分吸收量及養分利用率的影響

3 結論

橫坡壟作雖然能夠降低紫色土陡坡地地表徑流量、徑流水中氮磷養分的流失量，但是其截留效果不顯著。而橫坡壟作+秸稈覆蓋對陡坡地地表徑流及徑流水中不同形態氮磷流失量均有顯著的截留效果。

橫坡壟作+秸稈覆蓋能顯著地提高起始產流的最小降雨量。

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