保護性耕作對黃壤坡耕地水土流失及作物產量的影響

白怡婧, 李 渝, 黃興成, 劉彥伶, 張雅蓉, 蔣太明， 秦 松

(1.貴州大學 農學院, 貴州 貴陽 550025; 2.貴州省農業科學院 土壤肥料研究所, 貴州 貴陽 550006;3.農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測試驗站, 貴州 貴陽 550006; 4.貴州省農業科學院 茶葉研究所, 貴州 貴陽 550006)

貴州省地處云貴高原東大斜坡地帶，6°～25°坡耕地共2.91×106hm2，占該省耕地總面積的61.0%[1]。受亞熱帶季風氣候影響，夏季降雨量大。當降雨強度超過地面下滲能力時，則形成地表徑流[2]。地表徑流作為土壤養分流失的驅動力[3]，其溶解和攜帶的養分物質隨徑流而遷移，當徑流量過大時，被攜帶流失的養分也隨之增加。坡耕地易發生水土流失，導致土壤肥力降低、土地退化嚴重、作物產量削減等問題[4]，嚴重制約了貴州省農業可持續發展。同時，部分區域化肥施用過量，導致肥料利用率降低，作物產量不穩定性和不可持續性增加[5]。橫坡壟作[6]、秸稈覆蓋[7]、等高植物籬[8]等保護性耕作措施可降低地表徑流，減少氮磷養分流失，保持土壤肥力，為作物高產穩產及可持續生產提供技術保障[9]。有研究[10]表明，單施化肥橫坡耕作處理穩定性高于單施化肥順坡處理，說明耕作措施改變了土壤生態系統的穩定性。以往針對坡耕地的保護性耕作研究中[6-8]，將土壤養分、地表徑流、氮磷流失與作物產量穩定性及可持續性相結合的研究并不多見。隨著糧食生產成本不斷增加[11]，全球氣候和環境等問題日益凸顯，糧食生產的可持續性越來越受到人們的關注。如何提高耕地質量使作物高產穩產[12]，是當前解決糧食安全、生態發展等重大社會挑戰的關鍵[13]。本研究利用貴州省農業面源污染長期定位監測平臺，探究黃壤坡耕地地區玉米—油菜種植模式下保護性耕作對土壤養分、氮磷流失量及作物產量的影響，可為貴州坡耕地水土流失治理及農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴安新區湖潮鄉湖潮村(106°31′52″ E，26°28′17″ N)，地處黔中丘陵區，屬亞熱帶季風氣候，平均海拔1 100 m，年均氣溫14.9 ℃，2017和2018年平均降水量分別為920.2和852.1 mm，降雨主要集中于每年4—9月份。試驗地坡度15.1°，坡向西南，土壤類型為黃壤土類黃黏泥土。該試驗地為貴州省農業面源污染長期定位監測點，2007年開始基礎設施建設和勻地，2008年開始連續監測。本論文數據為2016年10月至2018年10月監測數據。耕層(0—20 cm)基礎土樣有機質22.37 g/kg，全氮1.21 g/kg，全磷0.68 g/kg，有效磷13.33 g/kg，有效鉀94.80 g/kg1，pH值為6.25。

1.2 試驗設計

本試驗種植模式為玉米—油菜，油菜品種為芥菜型油菜，玉米品種為金玉838。試驗共設6個處理，3次重復，共18個小區，隨機區組排列，小區面積為6 m×3.5 m=21 m2。秸稈覆蓋使用前茬作物秸稈；等高植物籬為沿等高線種植兩帶黃花菜植物籬，3 m一帶，每帶兩行，行寬25 cm，株距15 cm，每穴兩株。供試化肥為尿素(含N 46.0%)、過磷酸鈣(含P2O512.0%)和氯化鉀(含K2O 60%)；有機肥為圈肥，含水率30%，含N 1.29%，含P2O50.44%，K2O 1.54%，不同施肥量詳見表1。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 徑流水樣 于每次降雨產流后，記錄地表徑流量(mm)，并采集水樣與泥沙的混合徑流樣置于塑料瓶速凍密閉保存。采樣后抽干并清洗徑流池，避免與下次徑流樣品混合污染。水樣測定總氮、總磷，具體方法參照《水和廢水監測分析方法》(第4版)[14]。

表1 試驗處理及施肥量

注：種植模式為玉米—油菜; TR1:不施肥+順坡平作；TR2:常規施肥+順坡平作；TR3:優化施肥+順坡平作；TR4:優化施肥+橫坡壟作；TR5:優化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋；TR6:優化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋+等高植物籬。其中，P，K肥作底肥1次施用；玉米N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥30%，第2次追肥50%；油菜N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥40%，第2次追肥40%。

1.3.2 土壤樣品 在玉米收獲后用梅花法采集0—20 cm多點混合樣，每個樣品采集量為1 kg，去除根系、石塊帶回室內風干，研磨并過0.25 mm尼龍篩，待測。共測定全氮、全磷、速效氮、有效磷和有機質5項指標，測試方法均參照《土壤農化分析》(第3版)[15]。

1.3.3 作物產量 油菜和玉米于各自收獲季將各試驗小區作物全部收獲，脫粒、曬干后稱取風干樣品質量，并分別測定含水率，進而計算不同作物各小區地上部分干物質產量。

1.4 計算方法及數據處理

氮、磷素年流失量為累計加和經流水中某形態氮、磷的年流失總量，它等于整個監測周期(一周年)每次經流水中某形態氮、磷濃度與經流水體積乘積之和，其計算公式[16]為：

(1)

式中：P——氮素流失量(kg/hm2)；Ci——第i次經流水中氮的濃度；Vi——第i次經流水的體積；n——經流水樣次數。磷素流失量計算方法相同。

作物產量的穩定性和可持續性是反映糧食安全的重要指標。作物產量的穩定性高低用穩定性指數(stability index, SI)衡量，SI值越低表明產量越穩定，其計算公式[5]為：

(2)

產量可持續性指數(sustainable yield index, SYI)是衡量系統是否能持續生產的一個重要參數，SYI越大，產量的可持續性越好，其計算公式[5]為：

(3)

數據的處理與分析使用Excel和SPSS 17.0，其中差異性采用鄧肯新復極差法(Duncan)檢驗，顯著性水平設置為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 徑流量及氮、磷流失量分析

同等施肥條件下，保護性耕作TR4，TR5，TR6地表徑流量比順坡平作TR3減少59.72%，74.13%，89.18%。其中，TR6減少幅率最大，為緩沖徑流的最優處理。隨著徑流量的減少，被攜帶流失的養分也顯著降低。氮流失量方面，橫坡壟作TR4，TR5，TR6遠小于順坡平作TR3，TR2，TR1，呈顯著差異，TR6尤為明顯，較TR5，TR4，TR3，TR2，TR1降低了43.48%，59.38%，82.43%，79.03%，91.77%；磷流失量方面差異不顯著，整體表現出橫坡壟作流失量小于順坡平作。表明保護性耕作可減少徑流量及氮磷流失量，其中橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬相結合的綜合保護性耕作措施效果最明顯(表2)。

表2 不同處理下徑流量及總氮、總磷流失量

注：表中數據為平均值±標準誤差；同列不同字母表示在α=0.05下差異達顯著水平。下同。

2.2 土壤養分分析

保護性耕作對土壤有機質、氮、磷全量及堿解氮、有效磷含量具有不同程度的提高作用(表3)。同等施肥條件下，尤以TR5，TR6對全氮含量影響最大，且顯著高于其他4個處理，其中，比TR4高20.00%，23.67%，比TR3高23.53%，27.31%；全磷含量差異不顯著，保護性耕作處理TR4，TR5，TR6的全磷含量較順坡平作TR3都略微增加。可見，保護性耕作能有效提高土壤養分，其中橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬種植相結合的綜合保護性耕作措施效果較為明顯。

表3 不同處理下土壤養分含量

2.3 作物產量及其穩定性、可持續性分析

不同處理下油菜和玉米的產量不同，其穩定性和可持續性也不同(表4)。

保護性耕作處理與順坡平作處理下的油菜平均產量差異不顯著。各處理之間的玉米平均產量差異顯著(p<0.05)，其穩定性和可持續性指數存在明顯差值，SI平均值的大小順序為：TR1>TR3>TR2>TR4>TR5>TR6，SYI平均值的大小順序為：TR6>TR5>TR4>TR3>TR2>TR1。其中TR4，TR5和TR6的穩定性和可持續性良好，SI值分別為0.082，0.066和0.065，SYI值分別為0.831，0.838和0.854，其產量也較高(均大于14 000 kg/hm2)。從穩產性和產量可持續性方面分析，同等施肥條件下，保護性耕作處理TR4，TR5，TR6在產量較高的同時SI值最低且SYI值最高，表明保護性耕作是實現穩產、可持續性生產的有效耕作方式。

表4 不同處理下作物產量及其穩定性(SI)、可持續性指數(SYI)

2.4 作物產量、徑流量、氮磷流失量和土壤養分的相關分析

因試驗地降雨主要集中發生于每年4—9月，油菜季幾乎沒有地表徑流發生，故本研究對油菜產量與徑流量、氮磷流失量的相關性不作分析。將不同處理下的玉米、油菜產量，徑流量、氮磷流失量及各土壤養分進行相關分析(表5)后得出，油菜產量與全氮、全磷、有效磷、有機質呈極顯著正相關(p<0.01)，與堿解氮呈顯著正相關(p<0.05)，說明油菜產量與5種養分因子呈同步增加趨勢，堿解氮的增加趨勢略低于其他4種；玉米產量與徑流量、氮、磷流失量呈極顯著負相關(p<0.01)，即徑流量、氮、磷流失量越小玉米產量越高，與全氮、全磷、有效磷、堿解氮、有機質之間的相關趨勢與油菜產量一致。氮流失量與徑流量成極顯著正相關(p<0.01)，表示徑流量的產生伴隨氮的流失，與全氮呈極顯著負相關(p<0.01)，與堿解氮呈顯著負相關(p<0.05)，這說明了氮流失量越大全氮、堿解氮含量越低；磷流失量與徑流量成極顯著正相關(p<0.01)，相關系數達0.928，與全磷、有效磷都呈極顯著負相關(p<0.01)，相關系數為-0.753，-0.686。徑流量與玉米產量、氮、磷流失量、全氮、有效磷、有機質都呈極顯著相關(p<0.01)，相關系數分別為-0.867，0.987，0.928，-0.838，-0.783，-0.865，表明了地表徑流的發生對作物產量、氮磷流失量、各土壤養分都有顯著影響。

3 討 論

貴州地處我國西南喀斯特地區生態脆弱帶，由于先天不利的地形條件加上歷經數代墾殖和不合理的耕作方式，導致水土流失，影響農業系統的生產功能和可持續發展能力。已有研究表明，保護性耕作可以顯著降低坡耕地氮、磷流失量，并保持土壤養分，從而促進作物增產[10]。本研究中，順坡平作處理TR1，TR2，TR3產生的徑流顯著高于保護性耕作處理TR4，TR5，TR6，這是因為橫坡壟作通過改變耕作方向在降雨量過大時促使雨水在橫壟土壤中橫向運移，增大坡耕地的儲水，減小徑流量。同等施肥條件下，在橫坡壟作的基礎上增加秸稈覆蓋及等高植物籬等措施更有利于減少地表徑流，地表徑流量表現為：TR6

表5 作物產量、徑流量、總氮磷流失量與土壤養分的相關系數

注：“+”表示正相關(省略)，“—”示正表示表示負相關；*和**分別表示相關系數達顯著水平(p<0.05)、極顯著水平(p<0.01)。X1表示油菜產量，X2表示玉米產量，X3表示氮流失量，X4表示磷流失量，X5表示徑流量，X6表示全氮含量，X7表示全磷含量，X8表示有效磷含量，X9表示堿解氮含量，X10表示有機質含量。

保護性耕作能有效保持氮和磷等土壤養分。不同處理間氮流失量規律基本與徑流量保持一致，橫坡壟作下的氮流失量顯著小于順坡平作，隨著徑流量的減小，氮流失得到有效控制。不同處理對磷流失量的影響也基本表現為實施保護性耕作的處理流失量較小，但處理間的差異不如氮流失量顯著，這與馬琳琳等[17]的研究一致，原因是土壤對磷的固持能力較氮的強。本研究結果表明，同等施肥條件下，保護性耕作處理的全氮含量顯著高于順坡平作，尤其是實施了秸稈覆蓋和等高植物籬種植技術的處理，這與前人研究結果相同[18]。

保護性耕作能促進作物高產和穩產[10]。優化施肥處理下玉米產量顯著高于不施肥及常規施肥處理，而同等施肥條件下不同耕作處理之間玉米產量無顯著差異，但從產量穩定指數及可持續性指數的表征系數來看，橫坡壟作、橫坡壟作+秸稈覆蓋、橫坡壟作+秸稈覆蓋+等高植物籬處理的穩定性遠遠大于順坡平作處理，可持續性指數也明顯高于順坡平作處理。說明優化施肥是提高作物產量最有效的方式，而秸稈覆蓋、等高植物籬種植技術措施是影響作物產量穩定性和可持續性的主導因素。耕地是農業的基礎，耕作技術與耕地質量是農業可持續發展的關鍵。秸稈覆蓋條件下土壤養分含量增加，恒溫保墑，能有效提高作物產量[19]。等高植物籬通過利用其根部緩減水流速度，增加徑流入滲，提高土壤含水量，促進土壤養分良性循環，結合橫坡壟作及秸稈覆蓋，實現作物高產穩產及可持續生產[8-9,19]。綜上，橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬種植相結合的綜合保護性耕作措施對減少徑流量、氮磷流失量、提高作物產量的效能大于單項保護性耕作措施，楊愛民等[20]的研究結果也表明壟作與植物籬相結合的處理對減小地表徑流量和作物增產的效果優于無等高植物籬的處理。

4 結 論

與順坡平作相比，橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬種植等保護性耕作能有效降低坡耕地地表徑流、降低氮磷流失量，防治坡耕地水土流失，改善土壤肥力，提高作物產量，為穩定、持續增產奠定基礎，其中橫坡壟作+秸稈覆蓋+等高植物籬效能最顯著，是目前西南地區坡耕地農作物生產最適宜的耕作方式。