不同保土截留措施對巢湖地區坡耕地的水土保持效應

孟超峰 王靜 郭熙盛 呂國安

摘要 [目的]研究不同保土截留措施對巢湖地區坡耕地的水土保持效應。[方法]利用長期定位小區試驗，研究植物籬+秸稈覆蓋（HM）、植物籬（PH）和淺壟（CT）對坡耕地土壤肥力的影響，進一步研究植物籬與秸稈覆蓋結合對提高土壤肥力的作用和效果，從而不斷完善植物籬與秸稈覆蓋技術。[結果]與常規耕作對照（CK）相比，植物籬+秸稈覆蓋、植物籬和等高壟作處理的徑流量與產沙量分別降低43.00%和48.52%、36.52%和40.52%、33.11%和38.42%。常規耕作處理徑流水中總氮和總磷濃度分別為5.19和1.12 mg/L，均高于其他處理，分別比植物籬、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作處理總氮和總磷平均濃度高14.62%和30.49%、12.96%和25.42%、10.77%和27.34%。不同處理耕層土壤有機質含量由高到低依次為HM、PH、CT、CK，且0～10 cm土層有機質含量高于10～20 cm土層。植物籬+秸稈覆蓋、植物籬和等高壟作處理耕層土壤速效養分與對照相比均有所提高，且HM處理顯著高于對照（CK）。[結論]植物籬與秸稈覆蓋可以作為源頭控制農田養分流失的較好措施加以推廣。

關鍵詞 植物籬；秸稈覆蓋；坡耕地；徑流；氮磷流失

中圖分類號 S157.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）17-0133-04

Abstract [Objective]To study effect of different soil conservation measures on soil and water conservation of sloping cultivated land in Chaohu area.[Method]By the longterm experiment， influence of the hedgerow + band coverage （HM）， hedgerows （PH） and shallow ridge （CT） on soil fertility of cultivated land slope was studied， and the function and effect of improving the function were stduied by the hedgerow straw mulch with hedgero ， so as to constantly improve the hedgerow and straw covering technique.[Result]Compared with conventional tillage （CK） ， runoff and sediment yield of hedgerow + zone between hedgerow and coverage， high ridge treatment were decreased by 43% and 48.52%， 36.52% and 40.52%， 33.11% and 38.42%.Total nitrogen and total phosphorus concentration of conventional tillage runoff respectively was 5.19 and 1.12 mg/L ， were higher than other treatments， respectively， than hedgerow hedgerow + zone coverage and high ridge planting treatments， total nitrogen and total phosphorus increased by 14.62% and 30.49%， the average concentration of 12.96% and 25.42%， 10.77% and 27.34%.The order of soil organic matter content between different treatments was HM>PH>CT>CK， and the content of organic matter in 0-10 cm soil layer was higher than that of 10-20 cm soil layer. Hedgerow + straw mulching， hedgerow and nutrient high ridge soil treatment compared with the control treatment were improved， and the treatment of HM was significantly higher than that of control （CK）. [Conclusion]Hedgerow and straw mulching can be used as a good measure to control the loss of farmland nutrients at the source.

Key words Hedgerow；Straw mulching；Sloping cultivated land；Runoff；Nitrogen and phosphorus loss

安徽巢湖是我國五大淡水湖之一，在該地區的經濟和社會發展中扮演著重要角色。然而，近年來，由于流域內經濟的發展和人口的過快增長，巢湖及周邊地表水的水質日趨惡化，大面積藍藻暴發現象頻頻發生。巢湖沿湖坡耕地是當地重要的農業用地，國內外研究表明，農業面源污染是導致地表水環境惡化的重要因素之一[1-3]，而坡耕地農田土壤養分、泥沙的大量流失是引起農業面源污染的主要原因，防治巢湖沿湖坡耕地農業面源污染的關鍵是控制氮的來源[4-6]。在降雨發生徑流時農田土壤養分以溶解態和顆粒態隨徑流向水體遷移，成為水體中的補給源。因此，研究植物籬+秸稈覆蓋技術對于控制和減少養分流失量、減輕對受納水體的影響具有重要意義。

目前，國內外對秸稈覆蓋、植物籬技術提高坡耕地農田養分、減少徑流量已有較多研究，主要集中在植物籬種類、影響機理以及不同坡度等方面[7-9]。林超文等[9]研究表明，在坡耕地栽種植物籬可以顯著減少徑流量和泥沙流失量，且見效快。坡耕地等高植物籬、秸稈覆蓋和淺壟在減少土壤侵蝕、增加土壤肥力、控制面源污染、增加系統產出和降低投資等方面效果顯著。國內外雖然在等高植物籬改善坡耕地生態，減少土壤侵蝕的效果與機理[10-11]，植物籬-農作系統的養分流失等方面已有不少研究，而植物籬與秸稈覆蓋相結合對控制坡耕地水土流失和土壤養分分布特征研究較少。筆者研究植物籬與秸稈覆蓋相結合對巢湖坡耕地水土流失、不同土層土壤養分分布特征的影響，旨在為巢湖地區坡地生態工程控制土壤養分流失和面源污染、持續利用坡地土壤資源提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗在安徽省肥東縣長臨鎮沿巢湖坡耕地進行。巢湖流域位于安徽省中部，長江和淮河之間，具體地理位置為116°024′30″～118°000′00″E，30°058′40″～32°006′00″ N。湖泊主體位于117°016′54″～117°051′46″E，30°025′28″～31°043′28″ N，屬于長江左岸水系，是我國著名的五大淡水湖泊之一，也是安徽省第一大湖泊。巢湖流域面積13 349 km2，其中巢湖閘以上面積9 130 km2，閘以下面積4 219 km2。年平均氣溫15～16 ℃，1月平均氣溫2～3 ℃，7月平均氣溫28～30 ℃。流域內降水量年際變化大，多年平均降水量為1 000～1 158 mm。供試土壤為黃棕壤，土壤有機質、全氮、速效磷含量偏低，土壤肥力不高。供試土壤化學性質：pH 6.21，土壤有機質（SOM）15.99 g/kg，全氮1.13 g/kg，全磷0.32 g/kg，全鉀663.77 g/kg，堿解氮97.16 mg/kg，速效磷7.48 mg/kg，速效鉀145.99 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用徑流小區長期定位研究方法，設計4個處理：①植物籬（PH）。常規耕作下選用百合科萱草屬植物黃花菜，每小區栽植3帶，每帶2行，行距20 cm，株距20 cm。②植物籬+秸稈覆蓋（HM）。常規耕作下將油菜或小麥秸稈剪成20～30 cm，覆蓋于植物籬帶間地表，用量為3 000 kg/hm2。③常規耕作（CK）。將土壤耕作層修成順坡平面。④等高壟作（CT）。將小區修建成6階順坡梯田。3次重復，完全隨機區組排列。各小區呈北高南低，坡度5°，面積24 m2（8 m×3 m），小區四周用25 cm厚的磚砌水泥擋板，地下部分埋深和地上高均為25 cm，以防止各小區內外徑流，在其南側（下邊）建立徑流池，以便收集降雨產流后的水樣和泥沙樣。試驗區附近設置標準雨量筒，用以降雨觀測。

1.3 測定項目與方法

觀測時間為2012—2013年，降雨產流后，立即測定每個徑流池水位，計算徑流量。采集徑流池泥水樣，總氮（TN）采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定；溶解態氮（DN）由水樣經0.45 μm微孔濾膜過濾后，測定方法與總氮相同；顆粒態氮（PN）的濃度為總氮濃度減去溶解態氮濃度；銨態氮（NH4+-N）采用靛酚藍比色法測定；硝態氮（NO3--N）采用紫外分光光度法測定。氮素流失量的計算方法為每次徑流體積與氮流失濃度的乘積。總磷（TP）采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定；水溶性總磷（DP）將水樣用0.45 μm微孔濾膜過濾后，測定方法與總磷相同；顆粒態總磷為總磷減去水溶性總磷。化學需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定。水樣的保存方法：水樣取回后一般立即測定，少量不能測定的，滴加濃硫酸并冷凍保存，5 d內測完。

在每次作物收獲后采集土樣，在小區的下部、中部和上部地段分0～10、10～20 cm 2層采樣，每個土樣取4個點混合后分別代表小區下部、中部和上部不同層次的土壤。采用常規方法測定土壤樣品的pH、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀。

2 結果與分析

2.1 植物籬與秸稈覆蓋對徑流量和產沙量的影響

2012年未產生徑流，僅在2013年7月6日和8日取2次徑流水樣，降雨量分別為51.2、92.6 mm。

地表徑流是引起坡耕地土壤侵蝕和養分流失的主要動力[12]。從圖1可以看出，由于當地農民常規耕作（CK）是從坡頂順坡而下的種植方式，種植行與地表徑流的流向一致，且地表覆蓋度較小，因此地表和土壤侵蝕量最高。植物籬+秸稈覆蓋（HM）處理徑流、產沙最少，不僅是因為植物籬具有阻滯攔截徑流泥沙能力，而且帯間秸稈覆蓋增大了地表覆蓋度，降低了雨水打擊地表的力度，延長了產流時間，增加了入滲量，加強了滲透性和抗沖性。與常規耕作對照處理相比，

植物籬+秸稈覆蓋、植物籬和等高壟作處理的徑流量與產沙量分別降低43.00%和48.52%、36.52%和40.52%、33.11%和38.42%。

植物籬+秸稈覆蓋處理徑流、產沙量與常規耕作差異顯著，植物籬處理與等高壟作處理的徑流、產沙量介于兩者之間。

2.2 植物籬與秸稈覆蓋對地表徑流中各養分流失特征的影響

徑流中養分含量取決于徑流沖擊土壤的程度、徑流量以及土壤中養分含量等因素[13]。從表1可以看出，2次降雨常規耕作處理徑流水中總氮和總磷平均濃度分別為5.19和1.12 mg/L，均高于其他處理，分別比植物籬、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作處理總氮和總磷平均濃度高14.62%和30.49%、12.96%和25.42%、10.77%和27.34%。在2次徑流水樣中硝態氮濃度均高于銨態氮濃度。且第1次降雨徑流中的養分濃度均高于第2次徑流中養分濃度，原因可能是降雨間隔時間太短，易流失的養分大部分被第1次帶走。

2.3 植物籬與秸稈覆蓋對土壤pH的影響

試驗小區建立于2008年，圖2中1、5、10號小區是有植物籬處理的小區（PH），2、7、12是植物籬+秸稈覆蓋處理小區（HM），3、8、11是常規耕作小區（CK），4、6、9是等高壟作小區（CT）。由圖2可知，0～10、10～20 cm耕層的土壤pH均在5～6，基本為弱酸性土壤。隨著時間的推移pH總體呈下降趨勢，但差異不顯著。這種變化差異可能是受水分、作物根系或者土壤微生物的影響。

2.4 植物籬與秸稈覆蓋對耕層土壤有機質含量的影響

有機質是土壤固相部分的重要組成，盡管土壤有機質含量僅占土壤總量的很小一部分，但對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面具有重要意義。土壤有機質是植物礦質和有機營養的重要來源，采用植物籬+秸稈覆蓋措施后能顯著提高耕層土壤有機質含量。

由圖3A可知，在2012年10月28日采樣中，不同處理0～10 cm土層土壤有機質含量由高到低依次為HM、PH、CT、CK。植物籬+秸稈覆蓋（HM）、植物籬（PH）和等高壟作（CT）與常規耕作相比有機質含量分別提高了26.53%、9.34%和6.22%。HM處理與CK之間差異極顯著，PH與HM、CT之間差異顯著，HM和CT處理與CK之間差異不顯著。10～20 cm土層土壤有機質含量由高到低依次為HM、CT、PH、CK。與常規耕作相比，HM、CT、PH處理有機質含量分別提高了21.18%、17.86%和8.80%。且HM、CT處理與CK有極顯著差異，而HM、CT、PH處理之間差異不顯著。

2013年6月5日取土樣，0～10 cm土層不同處理之間土壤有機質含量由高到低依次為HM、CT、PH、CK。HM、CT、PH處理分別比CK有機質含量高27.64%、7.20%、4.91%。僅HM與CK之間有極顯著差異，CT、PH與CK差異不顯著。10～20 cm土層土壤有機質含量由高到低依次為HM、PH、CT、CK。與CK相比，HM、PH、CT處理有機質含量分別提高了13.93%、9.02%、5.25%。HM處理與CK之間有顯著差異，而PH、CT處理與CK之間差異不顯著。

由圖3B可知，各處理0～10 cm土層土壤有機質含量均高于10～20 cm土層土壤有機質含量，各處理上層和下層有機質變化規律基本一致。HM處理有機質含量均顯著高于CK，說明植物籬+秸稈覆蓋（HM）、植物籬（PH）和等高壟作（CT）措施均可以提高耕層土壤有機質含量。

2.5 植物籬與秸稈覆蓋對耕層速效養分含量的影響

黎建強等[7]研究表明，在坡耕地-植物籬系統中，植物籬能顯著改善和提高植物籬帶內表層土壤養分。0～20 cm土層，植物籬對農耕地小區土壤SOM、TK含量，經濟林小區土壤TK、AP含量有顯著影響[14]。從表2可以看出，在不同處理措施下耕層土壤速效養分含量有顯著差異。植物籬+秸稈覆蓋（HM）、植物籬（PH）、等高壟作（CT）處理耕層土壤速效養分與對照（CK）相比都有所提高，且HM處理顯著高于對照（CK）。在2012年10月28日采樣中，不同處理對0～10 cm土層土壤速效養分的影響，植物籬+秸稈覆蓋（HM）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了14.76%、61.66%、35.64%。植物籬（PH）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了4.57%、46.21%、20.39%。等高壟作（CT）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照分別提高了3.96%、26.42%、1.93%。

不同處理對10～20 cm土層土壤速效養分的影響，植物籬+秸稈覆蓋（HM）處理土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了24.76%、115.76%、23.29%。植物籬（PH）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了15.53%、13.05%、7.16%。等高壟作（CT）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照分別提高了13.03%、33.51%、4.44%。

在2013年6月5日采樣中，不同處理對0～10 cm土壤速效養分的影響，植物籬+秸稈覆蓋（HM）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了16.96%、46.64%、42.29%。植物籬（PH）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了5.77%、20.68%、7.90%。等高壟作（CT）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別比對照提高了4.91%、8.30%、1.88%。

不同處理對10～20 cm土層土壤速效養分的影響，植物籬+秸稈覆蓋（HM）處理土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了10.44%、50.24%、25.94%。植物籬（PH）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照（CK）分別提高了4.04%、41.39%、23.70%。等高壟作（CT）處理堿解氮、速效磷、速效鉀含量比對照分別提高了3.41%、11.28%、-37.32%。

3 結論

（1）相對于常規耕作處理，植物籬+秸稈覆蓋、植物籬和等高壟作處理徑流量分別減少了43.00%、36.52%和33.11%，泥沙量分別減少了48.52%、40.52%和38.42%，表現出顯著的水土保持作用。

（2）植物籬、植物籬+秸稈覆蓋和等高壟作處理能有效地降低徑流水中總氮和總磷濃度，與常規耕作相比，總氮和總磷平均濃度分別降低了14.62%和30.49%、12.96%和25.42%、10.77%和27.34%。

（3）不同處理之間耕層土壤有機質含量由高到低依次為HM、PH、CT、CK。植物籬+秸稈覆蓋可以提高耕層土壤有機質含量，且顯著高于常規處理。

（4）不同處理措施下耕層土壤速效養分含量有顯著差異。植物籬+秸稈覆蓋、植物籬、等高壟作處理耕層土壤速效養分含量與對照（CK）相比都有所提高，且植物籬+秸稈覆蓋處理顯著高于對照。

參考文獻

[1] TIM U S，JOLLY R.Evaluating agriculture nonpoint source pollution using integrated geographic information systems and hydrologic/water quality mode[J].Environ Qual，1994，23（1）：25-35.

[2] 王靜，王允青，葉寅，等.不同農藝措施對巢湖沿岸坡耕地不同形態磷徑流輸出的控制效果[J].中國生態農業學報，2017，25（6）：911-919.

[3] 楊桂山，王德建.太湖流域經濟發展·水環境·水災害[M].北京：科學出版社，2003：119-131.

[4] 張維理，武淑霞，冀宏杰，等.中國農業面源污染形勢估計及控制對策 Ι.21世紀初期中國農業面源污染的形勢估計[J].中國農業科學，2004，37（7）：1008-1017.

[5] SHARPLEY A N.Soil mixing to decrease surface stratification of phosphorus in manured soils[J].J Environ Qual，2003，32（4）：1375-1384.

[6] 孟超峰.巢湖地區坡耕地保土截流措施效應研究[D].武漢：華中農業大學，2014：1-51.

[7] 黎建強，張洪江，程金花，等.不同類型植物籬對長江上游坡耕地土壤養分含量及坡面分布的影響[J].生態環境學報，2010，19（11）：2574-2580.

[8] 朱遠達，蔡強國，張光遠，等.植物籬對土壤養分流失的控制機理研究[J].長江流域資源與環境，2003，12（4）：345-351.

[9] 林超文，龐良玉，陳一兵，等.牧草植物籬對紫色土坡耕地水土流失及土壤肥力空間分布的影響[J].生態環境，2008，17（4）：1630-1635.

[10] 涂士華，陳一兵，朱清，等.經濟植物籬在防治長江上游坡耕地水土流失中的作用及效果[J].水土保持學報，2005，19（6）：1-5.

[11] SHI Z H，CHEN L D，CAI C F，et al.Effects of longterm fertilization and mulch on soil fertility in contour hedgerow systems：A case study on steeplands from the Three Gorges Area，China[J].Nutrient cycling in agroecosystems，2008，84：39-48.

[12] 李承力，楊特武，徐君馳，等.丹江口庫區坡耕地不同輪作模式作物生產力及農田養分流失比較[J].水土保持學報，2011，25（4）：83-87.

[13] 楊紅薇，張建強，唐家良，等.紫色土坡地不同種植模式下水土和養分流失動態特征[J].中國生態農業學報，2008，16（3）：615-619.

[14] 何建林，何丙輝，馬云，等.植物籬對紫色土區坡地土壤養分分布特征的影響[J].水土保持學報，2010，24（6）：65-70.