甘蔗種植方式對蔗地土壤侵蝕及氮素流失特征的影響

黃艷薈寧嘉麗李桂芳楊任翔王堅樺陳釗柱

(廣西大學 農學院 廣西農業環境與農產品安全重點實驗室,廣西 南寧530004)

中國南方紅壤區年均降雨量大、降雨集中且單點暴雨發生的頻率較高,是水土流失高發地區[1-2]。由于紅壤坡耕地的不合理開發利用,使得水土流失和氮磷養分流失問題日益嚴重,導致耕地土壤生產力下降,水體富營養化等環境問題,影響農業的可持續發展[3-5]。因此研究紅壤區坡耕地水土流失對農業面源污染和耕作質量保育具有重要意義。坡耕地土壤侵蝕是土壤與降雨、徑流相互作用的結果[6]。土壤侵蝕過程受多種因素共同影響,如降雨特征,降雨量[7]、降雨強度[8]、降雨歷時等[9]。崔璨等[7]基于三峽庫區小流域的研究結果表明,降雨量對三峽流域產沙的影響程度高于降雨強度;而李桂芳等[10]通過對自然降雨觀測試驗發現,I30是導致南方紅壤地區坡耕地徑流流失的主要降雨因子;李葉鑫等[11]研究了降雨對遼西坡耕地的影響,結果表明降雨歷時對坡面濺蝕量具有重要影響。此外,作物類型[12]、作物生育期[13]、作物種植方式等[14]均會影響坡耕地侵蝕過程。作物類型不同,其地上部分冠層覆蓋和莖稈對降雨再分配不同,地下部分根系對土壤抗侵蝕能力的影響也不同,促使坡面徑流形成及侵蝕過程也存在明顯差異[15-17]。肖繼兵等[18]研究不同作物種類對土壤侵蝕的影響時,指出甘薯地的坡面侵蝕量大于谷子地。對于同一種作物,生育期不同,植被覆蓋度差異顯著,進而對坡面侵蝕的影響存在不同[15],Lin等[19]認為植被覆蓋度差異是影響小麥各生育期產流產沙量差異的主要因素。在模擬降雨條件下,玉米植被覆蓋度最低時產流產沙量及氮素流失量最高[20],徐寧等[13]在大豆調節坡耕地土壤侵蝕影響研究中也得出相似結論,并指出隨著大豆生育期的推進坡耕地的產流產沙量逐漸減小。作物種植方式通過影響坡耕地表層土壤性質及地表粗糙度,增加坡耕地的攔蓄能力,提高抗侵蝕能力[21]。如輪作、間作、套作等種植方式可以提高地表覆蓋度,增加地面粗糙度,有效減小降雨侵蝕[12];橫坡耕作比順坡耕作具有更好的水土保持效果,楊任翔等[22]認為,橫坡蔗地比順坡蔗地,坡耕地徑流侵蝕量分別減少了51.8%和43.6%。

甘蔗是重要的糖料作物,主要種植在廣西、云南、廣東等南亞熱帶地區[23]。據資料顯示,廣西壯族自治區的甘蔗種植約有70%分布在旱坡地上[24],且由于降雨頻繁,甘蔗種植對坡面侵蝕及養分流失存在顯著影響[24-26]。楊任翔等[5]基于徑流小區原位觀測試驗結果表明,蔗地的氮素流失以硝態氮為主,占徑流氮素流失總量的79%以上,同時還指出蔗地坡面侵蝕量及養分流失量在年內分布存在明顯差異,其流失量主要集中在甘蔗苗期。與木薯和玉米等作物相比,甘蔗可在一定程度上降低坡面侵蝕量[27],Anache等[28]基于巴西長期定位觀測數據,指出甘蔗種植坡耕地的地表徑流量和侵蝕量顯著大于灌木和牧草地。Li等[29]基于流域尺度的研究,表明新植蔗地的年平均侵蝕量比宿根蔗地高10%,宿根蔗可以有效降低溝蝕的發生。甘蔗快速生長期(6—9月)與種植區的雨季相重[25],在降雨高峰期蔗地土壤養分極易隨地表徑流流失[30]。根據栽培年限把甘蔗種植方式劃分宿根蔗和新植蔗,前者是由留在土壤中蔗蔸的芽萌發,而后者由蔗種直接萌發[14]。宿根年限多為2～3 a,中國宿根蔗栽培面積約占植蔗面積的40%～60%[31]。但現有自然降雨條件下甘蔗種植對土壤侵蝕特征研究主要集中在新植蔗或者年際尺度蔗地土壤侵蝕變化,而次降雨下,新植蔗和宿根蔗種植對坡面侵蝕及養分流失的特征目前尚不清晰。鑒于此,本文以宿根蔗和新植蔗坡地為研究對象,基于徑流小區原位觀測試驗,通過測定次降雨條件下植蔗坡面徑流、侵蝕以及氮素(硝態氮和銨態氮)流失量,分析甘蔗種植方式對蔗地土壤侵蝕的影響;結合降雨特征參數分析,探討影響宿根蔗地和新植蔗地土壤侵蝕及養分流失的主要降雨因子,研究結果可為甘蔗的合理種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究區位于廣西南寧市廣西大學校內試驗基地(108°17′38″E,22°50′59″N)。研究區屬亞熱帶季風氣候區,年平均降雨量1 110.7 mm[32],年均氣溫22.1℃,年均相對濕度為79%。供試土壤類型為赤紅壤,土壤母質為第四紀紅黏土,土壤質地為黏性中壤土,土壤容重為1.3～1.4 g/cm3。基本理化性質詳見表1。

表1 試驗土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用徑流小區野外原位觀測法,觀測時間為2021年5—10月。徑流小區水平投影長5 m,寬2 m,坡向正南,基于廣西野外植蔗坡地的調查,植蔗坡地坡度一般在15°以下,參考其他研究區的試驗設計[33-34],本研究中植蔗坡地徑流小區坡度設為10°。小區四周均砌水泥圍墻,小區下端設有出水口,出水口與集流槽相通,集流槽槽壁設有標尺用于觀測集流槽內的水深。

試驗設新植蔗和宿根蔗2種種植方式,各設置1個重復。甘蔗采用雙芽段單行雙株種植,順坡種植2列,間距為1 m。供試甘蔗品種為“桂糖42號”,宿根蔗于2021年1月16日砍收,新植蔗于2021年3月13日下種。施肥量為氮肥(N)360 kg/hm2,磷肥(P2O5)90 kg/hm2,鉀肥(K2O)75 kg/hm2,其中氮肥與鉀肥按基肥30%+追肥70%施用,磷肥全部作基肥施用。主要的施肥方案詳見表2,其他田間管理措施均按常規進行。

表2 試驗田間管理與施肥方案

1.3 樣品采集與分析

本試驗中自然降雨數據資料由翻斗式自計雨量器采集。降雨資料通過徑流小區附近氣象站的翻斗式自記雨量器(雨后12 h內采集)獲得,包括降雨日期、降雨量(P)、降雨歷時(T)、平均降雨強度(I),最大15 min降雨強度(I15)、最大30 min降雨強度(I30)、最大60 min降雨強度(I60)等。本試驗將導致土壤侵蝕發生的降雨稱為侵蝕性降雨[7],降雨間歇時間小于6 h的降雨視為1場降雨[35]。徑流小區下方設有集流槽,用于承接降雨產生的徑流泥沙。每次降雨結束后,利用標尺測量小區集流槽內的水位,通過體積法測定小區徑流量[36];將集流槽中的徑流與泥沙攪拌均勻,用500 ml塑料瓶在槽中的不同位置取渾濁水樣,每個小區取3瓶,靜置,上清液存于4℃冰箱,塑料瓶中的沉淀泥沙轉移后低溫烘干(＜45℃)并稱量,并計算次降雨下徑流的泥沙濃度,泥沙濃度與集流槽內徑流泥沙體積的乘積即為坡面侵蝕量[36]。水樣過0.45μm微孔濾膜后,用連續流動化學分析儀(型號:AA3,產地:德國)測定地表徑流中的硝態氮和銨態氮濃度;侵蝕泥沙經2 mol/L氯化鉀溶液提取后,利用連續流動分析儀測定侵蝕泥沙中的硝態氮和銨態氮含量。

1.4 數據分析方法

利用SPSS 19.0進行降雨特征參數與徑流、侵蝕及氮素流失量的回歸分析,并利用Origin 2018和Microsoft Office 2013進行圖表繪制。

2 結果

2.1 降雨特征分析

試驗區2021年5—10月降雨量分布如圖1所示。共計降雨95場,降雨量介于0.2～96.2 mm,總降雨量為1 158.0 mm,其中降雨主要發生在6—7月,降雨場次為35場,累計降雨量為650.6 mm,占總降雨量的56.2%。2021年5—10月宿根蔗和新植蔗地分別發生侵蝕性降雨40場和43場,累計侵蝕性降雨量分別為981.8和1 013.0 mm,分別占總降雨量的84.7%和87.5%。2021年5—10月蔗地侵蝕性降雨量在3.8～96.2 mm,降雨歷時在0.3～35.3 h,平均降雨強度在0.4～46.4 mm/h,I15在5.6～126.4 mm/h,I30在3.2～88.4 mm/h,I60在1.6～49.8 mm/h。

圖1 試驗區2021年5—10月降雨分布特征

2.2 不同種植方式下坡面徑流、侵蝕及氮流失量分布特征

由表3可知,2021年5—10月宿根蔗和新植蔗地侵蝕中的氮素均主要隨地表徑流流失(比例為97.0%和96.2%),以硝態氮流失為主,占氮素流失總量的67.1%和69.2%。不同種植方式下坡面地表徑流中硝態氮流失量占徑流硝態氮和銨態氮流失總量的70.0%,是徑流中銨態氮流失量的2.2～2.5倍;而侵蝕泥沙中氮素流失則以銨態氮為主,比例在80.0%以上。觀測期內新植蔗坡面徑流、侵蝕總量分別是宿根蔗處理下的2.5,6.1倍;新植蔗坡面徑流中硝態氮和銨態氮流失量則是宿根蔗的2.3和2.1倍,侵蝕泥沙中則分別為6.9和2.5倍。結果表明,與新植蔗相比,宿根蔗處理可以顯著降低坡面徑流侵蝕及氮素流失量,尤其是坡面徑流量和氮素養分流失量。

表3 不同種植方式下植蔗坡面徑流量、侵蝕量及氮素流失量

2.3 次降雨條件下蔗地坡面徑流、侵蝕及氮素流失特征

2.3.1 次降雨下蔗地徑流及氮素流失特征 2021年5—10月測定的宿根蔗地坡面徑流量介于1.7～346.8 m3/hm2(圖2),呈明顯的波動變化,除個別場次外,整體上坡面徑流量＜200.0 m3/hm2,徑流量最大值出現在6月3日。次降雨下宿根蔗坡面徑流中硝態氮流失量和硝態氮流失濃度在3.5～1 973.7 g/hm2,0.1～9.3 mg/L之間;坡面硝態氮流失量在5—6月較大,且波動明顯,7月之后整體小于100.0 g/hm2。坡面徑流中銨態氮流失量和銨態氮濃度分別介于0.3～709.7 g/hm2和0.04～9.3 mg/L,銨態氮流失主要集中在6月的幾場侵蝕性降雨,最大流失量出現在6月22日,7月之后坡面徑流中銨態氮流失量均較小(0.3～88.3 g/hm2),坡面徑流中銨態氮濃度與銨態氮流失量變化趨勢類似。

在觀測期內新植蔗坡面的徑流量介于2.3～471.1 m3/hm2(圖2),最大值出現在7月22日次降雨中,其余整體上坡面徑流量都小于150.0 m3/hm2。次降雨條件下新植蔗坡面徑流中硝態氮流失量和硝態氮流失濃度分別在1.4～3 015.1 g/hm2和0.4～18.5 mg/L之間,前期(5—6月)硝態氮流失量較大,波動明顯(21.7～3 015.1 g/hm2),7月后除個別場次外,70%以上的次降雨下坡面徑流中硝態氮流失量均小于200.0 g/hm2。硝態氮濃度的變化與流失量變化相似,在5—7月呈劇烈的波動變化,且在6月16日次降雨下出現極大值,8月以后整體上波動較小。坡面徑流中的銨態氮流失量和銨態氮濃度在0.1～1 962.8 g/hm2和0.03～11.7 mg/L之間,銨態氮流失主要集中在6月,最大流失量出現在6月22日降雨中,在7月以后,次降雨下銨態氮流失量及濃度均較小且差異不大,在0.1～270.8 g/hm2,0.03～1.2 mg/L范圍內波動變化。此外,次降雨下蔗地坡面徑流中硝態氮流失量明顯高于銨態氮。不同種植方式下坡面徑流量、硝態氮流失量和銨態氮流失量均表現為:宿根蔗＜新植蔗,宿根蔗坡面徑流中的硝態氮流失濃度和銨態氮流失濃度均小于新植蔗。由圖2還可知,蔗地坡面追肥后,2021年6月16—24日降雨下坡面徑流中硝態氮和銨態氮濃度及流失量均有不同程度的增加,其中新植蔗的增幅更為明顯。

圖2 次降雨下宿根蔗和新植蔗坡面徑流及氮素流失特征

2.3.2 次降雨下蔗地侵蝕泥沙及氮素流失特征 由圖3可知,次降雨下宿根蔗地坡面侵蝕量介于3.0～1 903.1 kg/hm2之間,主要集中在6月,坡面最大侵蝕量出現在6月3日,6月以后除0722,0728,0813外,侵蝕量均小于200.0 kg/hm2。次降雨條件下宿根蔗坡面侵蝕泥沙中硝態氮流失量和硝態氮含量分別在0.003～8.4 g/hm2,0.1～9.0 mg/kg之間,極大值均出現在7月22日;硝態氮流失量除在6月較大外,其余整體上小于1.0 g/hm2。侵蝕泥沙中銨態氮流失量和銨態氮含量在0.1～101.6 g/hm2和10.4～115.0 mg/kg之間,其中極大值均出現在7月22日,變化趨勢與硝態氮相似。新植蔗地坡面侵蝕量介于5.7～11 346.7 kg/hm2之間,最大侵蝕量出現在6月10日,坡面侵蝕主要集中在6月10日至7月28日降雨中,8月以后,侵蝕量整體小于1 000 kg/hm2。新植蔗地坡面侵蝕泥沙中硝態氮流失量和硝態氮含量在0.007～36.6 g/hm2和0.5～14.3 mg/kg之間;侵蝕泥沙中硝態氮流失主要集中在6月3—28日,7月22日和28日降雨中(＞10.0 g/hm2)。

圖3 次降雨下宿根蔗和新植蔗坡面侵蝕及氮素流失特征

由圖3可知,新植蔗地坡面侵蝕泥沙中銨態氮流失量和銨態氮含量在0.2～233.9 g/hm2和5.6～110.0 mg/kg之間,侵蝕泥沙中的銨態氮流失主要集中在6—7月的幾場侵蝕性降雨中,其余時段銨態氮流失量主要在10.0 g/hm2左右變化;侵蝕泥沙中銨態氮含量整體上呈明顯的波動,前期(5—6月)在5.5～27.4 mg/kg,后期(7—10月)在8.4～110.0 mg/kg。由圖3可知,不同種植方式下,宿根蔗地和新植蔗地的侵蝕泥沙中硝態氮流失量和銨態氮流失量表現為:宿根蔗地＜新植蔗地。

3 討論

3.1 甘蔗種植模式對蔗地坡面土壤侵蝕的影響

不同作物種植方式導致坡面覆蓋、田間管理措施及土壤性質存在明顯差異[13],從而影響到坡面侵蝕情況。宿根蔗地坡面徑流、侵蝕和養分流失量顯著低于新植蔗,由不同種植方式下坡面水沙關系可知(圖4),隨著徑流量的增加,新植蔗地坡面侵蝕量的增幅更為明顯。主要是由于宿根蔗生長快,使得整體上,尤其5—7月宿根蔗地植被覆蓋度明顯大于新植蔗地,而較大的植被覆蓋度可以有效降低降雨動能,從而避免降雨對表土的直接作用,而密集的植被覆蓋度密集的植被可以降低徑流速度,減輕徑流輸沙能力,從而減少坡面徑流量和侵蝕量[18];宿根蔗地表土擾動程度較低,土壤較為緊實,抗侵蝕能力較強;此外,宿根蔗在上一年收獲后做留根處理,其根系密度高,細根數量多,根系固土效率高,對徑流的阻礙作用更強,對降雨入滲的促進作用更強,導致了宿根蔗地土壤抗地表徑流侵蝕的能力較強[30,37]。與宿根蔗相比,新植蔗種植較晚,兩者生長時間不同且生長性狀差異較大[31],5—7月新植蔗植株較為幼小,植被覆蓋度低;且新植蔗種植過程中,地表翻耕程度大,表土結構破壞嚴重,使得新植蔗地坡面抗侵蝕能力低[13,37]。Li等[29]在那辣流域的研究結果表明,相比新植蔗地,宿根蔗地有上一年的甘蔗落葉,覆蓋更高,促使坡面溝渠侵蝕量明顯減少。這與本人的試驗研究結果相似。

圖4 不同種植方式下坡面水沙關系

宿根蔗地和新植蔗地氮素流失隨著地表徑流侵蝕量、施肥和甘蔗生長變化而波動[30]。地表徑流和侵蝕是坡地氮素遷移的主要載體,而氮素流失量是氮素濃度與徑流侵蝕量共同作用的結果[3]。由圖2可知,徑流量與氮素流失量的變化趨勢較為一致。不同種植模式下氮素流失量均表現為宿根蔗低于新植蔗,與宿根蔗相比,新植蔗在種植過程時需經過翻耕等人為活動,而梁珂等[38]研究表明,翻耕會增加坡面侵蝕及坡面養分流失概率。坡面徑流中的硝態氮和銨態氮流失量隨著時間的推進逐漸降低,這可能是由于作物的生長,植株高度和植被覆蓋度都發生了變化,作物結構改變了降雨過程中雨滴對表土的作用,削弱了植被覆蓋度下氮素流失對徑流量侵蝕量的響應[20]。

3.2 降雨對蔗地坡面土壤侵蝕的影響

降雨是坡面徑流產生的主要驅動因子,是造成坡面土壤侵蝕及養分流失的主要影響因素[39]。本文研究結果表明,蔗地坡面徑流量、侵蝕量及養分流失量均主要集中在甘蔗5—7月,所占比例在73.3%～94.4%,尤其是6—7月,這與楊任翔等[5]和Gomes等[40]的研究結果相似。主要原因之一是研究區6—7月的降雨量之和占觀測期內總侵蝕性降雨量的60.3%,毛妍婷等[41]對江西紅壤和陳仕奇等[42]對三峽庫區小流域的研究均指出坡面徑流侵蝕及養分流失集中在降雨高峰期。由圖2—3可知,蔗地坡面徑流侵蝕流失主要集中在6—7月的幾場侵蝕性降雨,以新植蔗坡面為例,在0603,0610,0622,0722次降雨下坡面徑流和侵蝕量占坡面徑流侵蝕總量的18.2%和52.9%。由表4可知,不同種植方式下坡面徑流侵蝕及其氮流失量均與降雨量、降雨強度(I15,I30和I60)表現為顯著相關或極顯著正相關關系,而與降雨歷時和平均降雨強度整體上無顯著相關關系,說明降雨量和降雨強度是影響坡面土壤侵蝕和養分流失的主要影響因素(表4)。這與姚一文等[8]的研究結果相似。

表4 坡面徑流、侵蝕及養分流失量與降雨量(P)、降雨歷時(T)及降雨強度(I)相關分析

為進一步篩選影響徑流侵蝕的主要降雨因子,將各降雨因子與徑流侵蝕和養分流失量進行逐步回歸分析。由表5可知,在回歸擬合過程中,經過自檢剔除了降雨歷時、平均降雨強度,表明坡面徑流、侵蝕量及養分流失量與降雨歷時、平均降雨強度無直接的線性關系。通過標準化系數分析[43],可知不同甘蔗種植方式下坡面徑流侵蝕及養分對降雨特征的響應存在不同,I60是影響宿根蔗地徑流量和侵蝕量的主要因子,而新植蔗地分別受I30和I15;I30是宿根和新植蔗地徑流中的氮流失主要的影響因子,而降雨量是影響侵蝕泥沙中氮流失的主要因子。

表5 坡面徑流、侵蝕量與養分流失量與降雨量(P)、降雨歷時(T)及降雨強度(I)的回歸分析

4 結論

(1)2021年5—10月宿根蔗和新植蔗地發生分別發生侵蝕性降雨40場和43場,累計侵蝕性降雨981.8,1 013.0 mm。次降雨下,蔗地坡面徑流呈波動變化,整體上新植蔗地坡面徑流、侵蝕量高于宿根蔗,徑流量是宿根蔗的1.0～8.5倍,侵蝕量是宿根蔗的1.1～17.9倍。不同種植方式下蔗地坡面徑流和侵蝕泥沙中的氮素(硝態氮和銨態氮)主要隨地表徑流流失,主要流失形態為硝態氮。

(2)I30和降雨量是影響蔗地坡面徑流中的氮素和侵蝕泥沙中的氮素流失的主要降雨因子;降雨量、降雨強度(I15,I30和I60),其中I60是影響宿根蔗徑流量和侵蝕量的主要降雨因子,而影響新植蔗坡面徑流量和侵蝕量的主要降雨因子是I30和I15。