覆蓋與間作對丹江口庫區坡地茶園氮磷流失和土壤環境的影響

李太魁，張香凝，郭戰玲，寇長林*，呂金嶺，楊小林

1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2.農業部原陽農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，河南 鄭州 450002；3.河南省農業生態環境重點實驗室，河南 鄭州 450002；4.河南理工大學安全與應急管理研究中心，河南 焦作 454000

坡耕地水土流失是中國乃至全世界值得關注的生態環境問題，水土流失一方面導致土壤質量退化及生產力下降，另一方面徑流所攜帶的養分加速了地表水體的富營養化程度（Shan et al.，2015；史志華等，2018；李太魁等，2018），如何防治水土流失造成的農業面源污染是當前農業環境保護工作亟待解決的重大問題。中國山地面積約占國土面積的69%，隨著坡耕地的開發利用，養分流失及土壤退化問題日益加劇，迫切需要更有利的防治措施。間作草類和秸稈覆蓋作為農田土壤管理方法在國內外已經得到了普遍推廣和應用，近年來，在很多易產生徑流地區廣泛進行了茶園、梨樹及臍橙等果樹的各種覆蓋及草類間作技術措施的研究，取得了良好的生態及社會效益，為這些地區的農業可持續發展提供了良好的理論依據（高茂盛等，2010；俞巧鋼等，2012）。

丹江口水庫是國家重大工程南水北調中線工程的水源地，重點解決北京、天津等沿線 20多座城市的飲用水問題，對沿線生態環境和輸水水質安全保障極其重要（劉增進等，2017）。庫區周圍為經濟欠發達地區，當地主要經濟類型為特色作物種植，包括柑橘、茶葉和中藥材等，其中，茶園是丹江口庫區一種重要的土地利用方式。成年期的茶園由于植被覆蓋率較高，能夠有效地防止土壤侵蝕，其水土流失強度和面源污染的危害相對較弱，但對于新開墾的幼齡茶園，由于地表覆蓋度較低，極易受水土流失的影響。因此如何降低幼齡茶園水土及氮磷養分流失，是茶園管理初期的一項重要內容。鑒于丹江口庫區的環境敏感性及庫區周邊特色產業發展的需求，本文以丹江口庫區坡耕地幼齡茶園為研究對象，研究秸稈覆蓋和間作三葉草方式下地表徑流氮磷流失特征，以期為庫區農業面源污染防控提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗地點位于河南省南陽市淅川縣毛堂鄉毛堂村，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性氣候區，常年平均氣溫 15.8 ℃，降雨集中、旱澇不均，初夏多干旱，中、后夏降雨較多，雨量充沛，年降雨量在391.3—1423.7 mm之間，多年平均降雨量為804.3 mm，無霜期228 d。近年來，毛堂鄉大力發展茶葉、食用菌、煙葉等特色產業。所選茶園為種植品種烏牛早的新茶園，土壤為典型的黃棕壤，土壤pH為6.24，表層土壤容重1.38 g·cm-1，有機質含量為 13.68 g·kg-1，全氮含量 1.03 g·kg-1，全磷含量為 0.45 g·kg-1，速效磷含量 13.92 mg·kg-1，堿解氮含量為43.51 mg·kg-1。總的來看，供試土壤肥力中等偏下，有機質含量偏低，容重較大，土壤保水保肥能力較差。

1.2 試驗設計

試驗茶樹品種為烏牛早，2013年10月種植，南北向種植，穴距30 cm，行間距為150 cm，每穴種2—3株茶苗。試驗設計3個處理：對照（清耕）；間作三葉草；秸稈覆蓋，每個處理3次重復，隨機區組排列。綠肥品種為白三葉草，由河南省農業科學院園藝所提供，2013年10月26日播種，播種量為4.5 kg·hm-2，供試秸稈為當地小麥秸稈，切成20 cm左右覆蓋于地表，覆蓋量為15 t·hm-2。各試驗小區施肥水平相同，尿素 180 kg·hm-2，復合肥（15-15-15）350 kg·hm-2，菜籽餅肥 450 kg·hm-2，其中1/3尿素和全部復合肥、餅肥于2013年11月施入，剩下2/3尿素于次年3月初施入。試驗小區面積45 m2，坡度平均20°，小區四周圍埂并用塑料薄膜防止水土串流，各處理管理水平完全一致。降雨徑流觀測于2014年雨季（5—10月）進行。

1.3 地表徑流樣品采集

地表徑流采用徑流池收集監測。每個小區在坡底中央建一個徑流池，在小區的底部中間用 PVC塑料管連接收集桶，用于收集地表徑流和泥沙。每次產流后，先用尺子測量池中的徑流量，將徑流池中的水攪拌均勻，取水樣500 mL，冷凍保存，取樣后及時排干并清洗徑流池備用。

1.4 測定項目與分析方法

徑流水樣總氮是指水中可溶性及懸浮顆粒中的含氮量，可溶性氮是指水中可溶性及含可濾性固體（小于0.45 μm顆粒物）的含氮量。總氮測定時先搖勻，取水、沙混合樣10 mL，堿性過硫酸鉀高溫（120 ℃）消解，定容，離心，然后用紫外分光光度法測定總氮（TN）含量；水樣經0.45 μm濾膜過濾后，采用上述方法測定即為可溶性總氮（DTN）含氮量，它包含溶解性無機氮（硝態氮、銨態氮、亞硝態氮）和溶解性有機氮；可溶性磷采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法，銨態氮采用靛酚藍-紫外分光光度法，硝態氮采用紫外分光光度法（魯如坤，2000）。土壤溫濕度用土壤水分溫度計（英國，Delta-T）直接測定，顆粒態氮（PN）由總氮減去可溶性總氮計算得出，顆粒態磷（PP）由總磷減去溶解態總磷得出。

1.5 數據處理與分析

單次降雨產流事件養分流失量Qi=Ci×qi，式中，Qi為養分流失量（mg·m-2），Ci為養分質量濃度（mg·L-1），qi為徑流量（L·m-2）。

養分流失負荷為年內相應歷次降雨徑流養分流失量累加，計算公式為：Q=∑Qi（i=1,2,3…n，n為年降雨產流事件數）。

文中數據采用Excel 2007進行處理，SPSS 16.0和Origin 8.0進行方差分析、相關分析、圖形制作等。

2 結果與分析

2.1 間作三葉草和秸稈覆蓋對茶園地表徑流量的影響

分析 2014年試驗地點月降雨量和月降雨日數（圖1），降雨主要集中在6—9月，降雨量最大的月份在9月，全月203.5 mm，月降雨日數16 d，日降雨量多在30 mm以上，最大日降雨量為34 mm；3—4月盡管月降雨日數較多，但單次降雨量小，因此不容易產生徑流。在雨季集中的月份，雖然月份之間的降雨日數變化不大，但月降雨總量差異明顯。短時間的強降水極易產生地表徑流且土壤侵蝕嚴重；當土壤水分飽和時，日降雨量較小時也易產生徑流。將對照處理相對應的徑流量與降雨量做相關分析（如圖 2）得出，同時期的徑流量與降雨量呈顯著正相關（P＜0.05），同時發現秸稈覆蓋與間作三葉草處理徑流量與降雨量也呈顯著正相關，兩者相關性方程分別為y=0.063x-0.291（R2=0.897，P＜0.05）和y=0.058x-0.256（R2=0.626，P＜0.05）。

圖1 2014年月降雨量和降雨日數Fig.1 Monthly rainfall and rainfall days in 2014

圖2 徑流量和降雨量的關系Fig.2 The correlation between runoff and rainfall

徑流是導致泥沙和養分流失的主要動力。由表1可知不同處理的徑流小區因降雨產生的地表徑流量和泥沙量差異較大，徑流量大小順序為：秸稈覆蓋＜間作三葉草＜對照。進行方差及顯著性分析得出，秸稈覆蓋、間作三葉草的徑流量和對照的差異顯著（P＜0.05）。秸稈覆蓋、間作三葉草的徑流量比對照分別減少了45.87%、38.55%；土壤泥沙量大小順序為：秸稈覆蓋＜間作三葉草＜對照，秸稈覆蓋、間作三葉草的泥沙量比對照分別減少了 45.18%、32.94%。

表1 不同處理徑流量和泥沙量Table 1 Effects of different treatments on runoff and soil erosion quantity

表2 不同處理對徑流氮濃度的影響Table 2 Effect of different treatments on N concentration in runoff mg·L-1

2.2 間作三葉草和秸稈覆蓋對茶園土壤氮素流失的影響

由表 2可知，不同處理方式對徑流氮濃度有一定的攔截作用，銨態氮介于2.42—3.23 mg·L-1；硝態氮介于 4.06—5.93 mg·L-1；可溶性總氮介于 7.17—10.31 mg·L-1，總氮介于 10.65—16.07 mg·L-1。不同處理下銨態氮、硝態氮、可溶性總氮及總氮平均濃度大小均為間作三葉草與秸稈覆蓋顯著低于對照處理，說明間作三葉草與秸稈覆蓋對徑流水樣中氮的攔截效果要好于對照。

不同處理方式下徑流氮素流失量存在較大差異（表 3）。通過方差分析得出，間作三葉草、秸稈覆蓋與對照處理之間差異顯著（P＜0.05）。總氮流失量大小順序為對照＞間作三葉草＞秸稈覆蓋，間作三葉草和秸稈覆蓋的總氮流失量分別比對照減少了59.28%、62.31%，硝態氮、銨態氮、可溶性總氮及顆粒態氮情況相似。從表3還可以看出，各處理中可溶性總氮流失量＞硝態氮流失量＞顆粒態氮流失量＞銨態氮流失量，可見不同處理方式下坡耕地氮素流失形態主要以可溶性氮素為主，而可溶性氮素又以硝態氮為主。

2.3 間作三葉草和秸稈覆蓋對茶園土壤磷素流失的影響

由表4可知，不同處理方式對徑流磷濃度有一定的攔截作用，總磷介于0.25—0.37 mg·L-1；可溶性磷介于0.09—0.13 mg·L-1。不同處理下總磷及顆粒態磷平均濃度大小均為間作三葉草與秸稈覆蓋顯著低于對照處理，說明秸稈覆蓋和間作三葉草對顆粒態磷的攔截效果要好于降低可溶性磷的效果。

表3 不同處理對徑流氮流失量的影響Table 3 Effect of different treatments on N loss in runoff

表4 不同處理對徑流磷濃度的影響Table 4 Effect of different treatments on P concentration in runoff mg·L-1

由表 5可知，總磷流失量大小順序為對照＞間作三葉草＞秸稈覆蓋，間作三葉草和秸稈覆蓋的總磷流失量分別比對照減少了51.82%、63.25%。3種不同處理方式下徑流中可溶性磷流失量占總磷流失量的不足38%，說明坡耕地地表徑流中磷素流失以顆粒態磷的流失為主，最大流失量占總磷流失量的64.80%。因此減少徑流中磷素流失量最有效的方式就是減少土壤侵蝕量。秸稈覆蓋處理總磷和顆粒態磷的流失量最小且跟其土壤侵蝕量最小有關。

表5 不同處理對徑流磷流失量的影響Table 5 Effect of different treatments on P loss in runoff

2.4 間作三葉草和秸稈覆蓋對茶園土壤環境的影響

2.4.1 間作三葉草和秸稈覆蓋的土壤水分效應

由表6可知，間作三葉草和秸稈覆蓋均能提高不同層次土壤含水量。其中，秸稈覆蓋處理土壤含水量最高，0—10 cm土壤含水量秸稈覆蓋比對照提高了為9.87%—18.68%，間作三葉草比對照提高了4.92%—10.36%，10—20 cm土壤含水量秸稈覆蓋比對照提高了4.41%—14.55%，間作三葉草比對照提高了4.57%—6.64%，秸稈覆蓋和間作三葉草顯著增加了土壤表層的水分含量，這主要是由于地表覆蓋物減弱了土壤表面與大氣之間的交換程度，有效的抑制了蒸發，提高了表層土壤的含水量。

2.4.2 間作三葉草和秸稈覆蓋的土壤溫度效應

秸稈覆蓋對土壤的溫度也有一定的影響，由表7可知，日較高溫度時（5月和7月），以秸稈覆蓋和間作三葉草略低于對照處理，0—10 cm土層平均溫度分別為31.25、30.45、33.55 ℃，日較低溫度時（10月和12月），秸稈覆蓋和間作三葉草卻略高于對照處理，0—10 cm土層平均溫度分別為16.10、15.9、13.80 ℃，10—20 cm土層溫度與0—10 cm土層溫度變化趨勢類似。說明秸稈覆蓋和間作三葉草降低了土壤溫度的變化幅度，在氣溫較高時，秸稈覆蓋降低了土壤溫度，在氣溫較低時，秸稈覆蓋土壤保持了較高的土壤溫度。

表6 不同覆蓋處理對土壤水分的影響Table 6 The influence of soil water content in different treatments %

表7 不同覆蓋處理對土壤溫度的影響Table 7 The influence of soil temperature in different treatments ℃

3 討論

坡耕地茶園的土壤侵蝕主要是由降雨產生的地表徑流引起的，地表徑流量的多少，與土壤的覆蓋程度、土壤的持水能力及通透性有關。特別是低齡茶園，地表較多面積疏松裸露，降水與地表接觸形成較大雨滴，擊濺沒有覆蓋的裸露地表，從而導致表層土壤的侵蝕流失。茶園秸稈覆蓋和間作三葉草后，土壤的覆蓋度明顯增加，不僅可以減弱雨滴濺落地面的動能，而且可以攔截降水，多余的水分會沿土壤空隙進入土壤深層，增加土壤蓄水能力，從而減少茶園地表徑流和水土流失（Liu et al.，2012；劉紅江等，2012）。眾多研究發現秸稈覆蓋和間作草本植物在防治水土流失方面有較好的效果。茍桃吉等（2017）測試了黑麥草在三峽庫區坡地的水土保持功效，種植黑麥草第一年后泥沙流失量減少了49.27%。孔樟良等（2015）研究表明，低齡茶園覆蓋秸稈后，與不采取措施的茶園相比，徑流量和泥沙量分別降低了21.7%和56.4%。本研究結果表明，茶園間作三葉草和秸稈覆蓋后徑流量分別比對照降低了38.55%、45.87%，泥沙量分別比對照降低了32.95%、45.18%，與秸稈覆蓋處理相比，間作三葉草的地表覆蓋度相對較低，裸露的地表面積相對較大，以致地表徑流和泥沙的減少量相對較少。總的來說，在丹江口庫區，坡地茶園秸稈覆蓋是減少土壤水土流失和促進農業廢棄物綜合利用的較好的管理措施。

大量研究表明，覆蓋與間作對徑流中的氮磷表現出較高的去除率。史靜等（2013）研究了水源區紅壤坡地間作三葉草對氮磷養分流失的影響，發現玉米地間作三葉草總氮、總磷流失總磷分別減少了59.96%和 48.57%。徐泰平等（2006）對紫色土坡地秸稈覆蓋方式下氮磷流失分析表明，秸稈覆蓋可使氮磷流失量明顯降低，且顆粒態氮和可溶性磷是農田養分流失的主要形式。本試驗采用坡地徑流小區田間原位監測方法，研究了茶園地表秸稈覆蓋和間作三葉草對坡地茶園氮磷流失的控制效果，結果表明間作三葉草和秸稈覆蓋的總氮流失量分別比對照減少了59.28%、62.31%，總磷流失量分別比對照減少了51.82%、63.25%，氮素流失形態主要以可溶性氮素為主，而可溶性氮素又以硝態氮為主，其原因一方面旱地土壤通氣良好，硝態氮是土壤氮素存在的主要形態，且大多存在于土壤溶液中，遇到強降水很容易隨徑流流失（范宏翔等，2015）；另一方面銨態氮易被土壤吸附，移動性較小，不容易隨降雨徑流水流失（王云等，2011；井光花等，2012）。劉毅等（2010）對丹江口坡地果園氮磷流失研究結果表明，坡耕地土壤氮素流失載體是徑流水體，而磷素流失的載體主要是泥沙。本研究結果也表明，顆粒態磷流失量占總磷流失量的64.80%，磷在地表徑流水體中濃度不是太高，但由于對照處理有較高的徑流量和泥沙量，導致總磷的流失量也增高。因此，在丹江口庫區，控制降雨徑流是關鍵，間作三葉草和秸稈覆蓋均能不同程度的控制土壤侵蝕和降雨徑流，在一定程度上也能控制氮磷的流失。

秸稈覆蓋和間作三葉草是近年來國內外發展起來的一種高效生態農業種植模式。目前，在小麥、玉米、果園、茶園等作物上發現，秸稈覆蓋和間作三葉草與對照相比，都會出現高溫季節降溫、低溫季節增溫的現象，且能緩和地溫在晝夜和季節間的劇烈變化，這種措施被認為是高效增產的重要機制。彭晚霞等（2006）研究表明，茶園覆蓋與間作可以改善土壤環境與林間小氣候環境，避免溫度激烈變化對樹體根系產生傷害，本研究在茶園得出的結論與其研究結果一致。另外，本研究還發現間作三葉草和秸稈覆蓋均能提高不同層次土壤含水量。胡兵輝等（2015）研究也表明，由于地表覆蓋物具有蓄水保墑作用，會使土壤含水量提高，使雨季有限的水資源能在深層土壤中得到保蓄。這主要是因為增加土壤覆蓋度可以避免土壤與大氣直接接觸，避免太陽光的直接輻射，減緩了土壤水分的蒸發速度，從而提高了土壤蓄水量，并且一定程度上增強了茶園抗旱減災能力（孫立濤等，2011）。因此，解決坡地茶園土壤的季節性干旱及氮磷養分流失的問題，應選擇合理的栽培方式，秸稈覆蓋和間作三葉草是一種切實有效和值得在丹江口庫區大力推廣的種植模式。

總體來看，本研究主要探討間作和秸稈覆蓋對坡地低齡茶園土壤養分流失的防控及溫度水分效應，在今后的研究中需要進一步向其他方面深入，比如，間作綠肥和秸稈覆蓋對茶葉生長、病蟲害、產量及品質產生什么影響，兩種模式如何影響茶葉對土壤養分的吸收利用的，綠肥品種及綠肥在茶園翻耕還田的生態效應等等。

4 結論

（1）秸稈覆蓋、間作三葉草的徑流量比對照分別減少了45.87%、38.55%，泥沙量比對照分別減少了45.18%、32.94%。覆蓋和間作明顯減少地表徑流水量和泥沙的流失，土壤保水固土能力效果明顯加強。

（2）地表徑流和泥沙攜帶氮磷流失是坡地茶園養分流失的主要途徑，間作三葉草與秸稈覆蓋能使總氮流失分別減少59.28%、62.31%，總磷流失分別減少51.82%、63.25%，磷素流失以顆粒態磷的流失為主。覆蓋和間作可使地表徑流氮磷流失量明顯降低，有助于水體環境的保護。

（3）秸稈覆蓋、間作三葉草通過在表層截流部分降水以提升土壤水分，能明顯增加土壤不同層次的水分含量；覆蓋和間作三葉草降低了土壤溫度的變化幅度，在氣溫較高時，降低了土壤溫度，在氣溫較低時，能使土壤保持相對較高的土壤溫度。秸稈覆蓋和間作三葉草是兩種切實有效和值得在丹江口庫區大力推廣的種植模式。