紫色土坡耕地農桑系統對土壤磷素流失的影響

楊紅賓，王勝*，殷溶，雷平，陳方鑫，倪九派，謝德體*

（1.西南大學資源環境學院，重慶 400716；2.三峽庫區水環境監測與模擬國際科技合作基地，重慶 400716）

磷是植物生長發育所必需的三大營養元素之一，但土壤中的磷絕大部分以難溶的無機態和有機態形式存在，僅有1%左右的磷可被植物直接吸收利用。土壤磷的低有效性使其成為影響作物產量的主要限制因子。因此，為保證作物產量，農戶需定期向農田土壤中施入大量磷肥。近30年來，我國磷肥消費量增長了3倍，但磷肥利用率普遍低于25%。過多的磷肥投入導致農田土壤磷不斷累積，極大地增加了磷素流失至水體的風險。在降雨-徑流驅動下，土壤磷素以水溶態和顆粒態形式隨徑流和泥沙遷移，最終匯入水體。磷素是水體富營養化的關鍵因子，其中水溶態磷以正磷酸鹽為主，是水體中藻類生長所需磷的直接來源，而顆粒態磷是藻類持續生長的潛在磷源。如何有效控制農田土壤磷素流失對防控農業面源污染和水體富營養化等具有重要意義。

四川盆地低山丘陵區紫色土分布廣泛，其耕性強且生產力高，是當地重要的農業土壤類型，但作為初育土，其抗蝕性弱、蓄水保土能力低。同時，紫色土坡耕地區地形起伏大、雨熱同季，導致其成為長江流域和三峽庫區土壤侵蝕與農業面源污染的主要來源地。植物籬技術是控制土壤侵蝕與養分流失的一種重要措施。西南紫色土區居民素有栽桑養蠶的傳統，桑蠶業歷史悠久，坡耕地-桑樹農林復合系統是當地一種常見的土地利用方式。紫色土坡耕地配置桑樹籬可以有效減少地表徑流與土壤侵蝕，起到固土保肥的效果。已有研究表明，相比于傳統種植模式，西南紫色土區桑樹籬間作可使徑流系數降低10.3%~20.0%，徑流含沙量降低48.6%~59.8%，侵蝕量降低55.3%~67.8%。相比于常規橫坡農作，等高桑交叉耕作和等高桑橫坡耕作均能有效降低坡耕地地表氮磷流失量；農桑間作小區內土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量均顯著提高。紫色土坡耕地不僅地表土壤侵蝕和養分流失十分嚴重，而且其土層薄、礫石多的初育土壤特征導致坡耕地地下徑流與養分滲漏現象同樣顯著。近幾年，壤中流攜帶養分流失的現象有所報道，尤其對四川盆地紫色土區的研究較多。研究表明，一些地表粗化嚴重的山地壤中流占總徑流量的70%~80%，壤中流攜帶養分流失量占養分總流失量的比例可達70%。然而，關于植物籬措施，尤其是等高植物籬配置方式對紫色土坡耕地壤中流中磷素流失的影響研究較少。

合適的植物籬配置方式很大程度上影響著植物籬-農作系統的土地利用效率、土壤侵蝕量及農業面源污染控制效果。但前人的研究多針對不同植物籬品種和布設方式，關于植物籬數量對控制坡耕地土壤侵蝕和養分流失，尤其是壤中流中磷素流失影響的研究較少。因此，本研究以三峽庫區紫色土坡耕地為研究對象，針對等坡長徑流小區設置不同數量等高桑籬帶處理，定量研究紫色土坡耕地農桑系統桑籬帶數量對磷素地表、地下流失的控制效果，揭示磷素地表、地下流失的耦合關系，研究對優化和推廣控制農業面源污染的紫色土坡耕地-桑樹配置模式、消減入庫污染負荷、維持生態環境的可持續發展具有重要的理論意義和實踐價值。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗小區位于重慶市北碚區國家紫色土肥力與肥料效益監測站（30°26′N，106°26′E），該區域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫18.3℃，年均降雨量1 105.4 mm，年均日照時長1 117.8 h。試驗共建立12個徑流小區，每個小區均長9 m、寬3 m、坡度15°。徑流小區土體由人工填裝而成，總厚度60 cm，模擬西南地區典型紫色土剖面實際構型，下層40~60 cm填裝紫色砂巖塊母質，上層0~40 cm耕作層與心土層填裝紫色土。在坡面底部上方設置明溝用于收集地表徑流，在坡底土表以下60 cm深度設置暗溝收集總壤中流。試驗土壤為侏羅紀沙溪廟組發育的紫色土，土壤質地為砂黏土。試驗小區耕作層和心土層土壤基本理化性狀見表1。

表1 試驗土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical characteristics of experimental soil

試驗共設4個處理：一帶桑（T）、兩帶桑（T）、三帶桑（T）與無桑樹籬（對照CK）。每個處理設置3個徑流小區重復，研究等坡長徑流小區不同數量桑帶處理對農桑系統磷素流失的影響。桑帶所種桑樹品種為中桑5801。小區桑帶間的耕地實行玉米-榨菜輪作，玉米每年3月中旬移栽，7月下旬收獲，榨菜每年10月底移栽，次年2月中旬收獲。玉米種植季與榨菜種植季之間遵循當地耕種習慣，自然空茬休耕，不種植作物。小區桑籬的桑樹至本試驗開始前已栽種2 a，坡耕地-桑樹系統已基本成型。試驗期內各小區施肥與耕作管理保持一致，按照農民習慣采用常規施肥：玉米施肥兩次，分別為玉米苗肥和追肥，榨菜施肥一次，均采用5 cm左右深度的穴施法。具體施肥量及施肥日期見表2。

表2 各處理施肥量（kg·hm-2）Table 2 The amount of fertilizers applied in each treatment（kg·hm-2）

1.2 樣品采集

研究觀測時期為2020年9月至2021年8月，構成涵蓋休耕期-榨菜種植季-玉米種植季的完整年觀測序列。觀測期間，試驗區共發生降雨120次，累計降雨量為1 218.2 mm，根據《降水量等級》（GB/T 28592—2012），24 h降雨量在10 mm以下為小雨，10.0~24.9 mm為中雨，25.0~49.9 mm為大雨，50.0~99.9 mm為暴雨，100.0~249.9 mm為大暴雨。研究區2020年9月到2021年8月共發生小雨91次、中雨16次、大雨5次、暴雨7次、大暴雨1次，產流降雨29次。每次降雨產流后，測量各小區地表徑流和壤中流產生量，并取水樣及時測定各形態磷含量。

1.3 數據處理與分析

觀測期內第次降雨事件地表徑流和壤中流流失量以及各形態磷素遷移流失量的計算公式為：

式中：V為第場降雨下各試驗小區第層土壤的徑流流失量，mm；v為第場降雨下收集到的從第層土壤流出的徑流體積，L；為各土層徑流收集裝置的收集面積，m；為觀測期內各形態磷素的總遷移量，kg·hm；為負荷轉換系數，10；為小區面積，m；V為第次各小區產流降雨中地表徑流或壤中流產流體積，L；C為第次地表徑流和壤中流產流事件中各形態磷素濃度，mg·L。

采用SPSS 20進行試驗數據統計分析，用LSD法進行多重比較，用不同小寫字母表示差異顯著性（<0.05），采用Origin 2018進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 農桑系統紫色土坡耕地產流特征

觀測期內，共發生產流降雨29次，累計產流降雨量941.8 mm。降雨事件主要集中在5—8月，以中雨和暴雨（17次）為主，各處理地表徑流量和壤中流量以及總產流量隨降雨量變化的趨勢基本一致（圖1），但不同處理徑流量之間存在差異（圖2）。各處理地表徑流量大小順序為CK[（60.31±1.33）mm]>T[（59.52 ± 3.49） mm]>T[（49.44 ± 0.80） mm]>T（[40.48±4.27）mm]，T處理和T處理對地表徑流的攔截效果顯著，地表徑流量分別較CK處理顯著降低了18.0%和32.9%。各處理壤中流量大小順序為CK（[226.25 ± 34.95） mm]>T（[166.66 ± 6.79） mm]>T（[142.28±1.93）mm]>T（[68.91±1.63）mm]，桑樹籬處理顯著降低了降雨事件中壤中流的產生，隨著桑樹籬帶的增加，各桑樹籬處理壤中流量較CK處理分別顯著降低了26.3%、37.1%和50.8%。

圖1 不同降雨量下紫色土坡耕地徑流流失動態Figure 1 Runoff yields of slope farmland of the purple soil under different rainfall events

圖2 試驗期內各處理徑流量Figure 2 Runoff yields of different treatments during the experimental period

各處理總產流量大小順序為CK（[286.56±33.62）mm]>T（[226.19±3.30）mm]>T（[191.71±1.14）mm]>T（[109.38±2.64）mm]，其中壤中流量占比表現為CK（79.0%）>T（74.2%）>T（73.7%）>T（63.0%），壤中流是各處理的主要產流方式。各處理通過地表入滲進入土壤的累計總水量大小順序為T（901.32 mm）>T（892.36 mm）>T（882.28 mm）>CK（881.49 mm），總攔截量大小順序為 T（791.94 mm）>T（700.65 mm）>T（656.09 mm）>CK（594.93 mm），各處理對降雨入滲水分的截留效果隨桑樹籬的增加而增加。

2.2 農桑系統紫色土坡耕地磷流失特征

各處理對農桑系統下紫色土坡耕地各形態磷素流失的影響有所不同（圖3）。地表徑流中，T處理全磷流失量和顆粒態磷流失量較CK處理顯著降低了39.8%和55.4%（圖3d和圖3b），其余桑樹籬處理對地表徑流中磷素流失沒有顯著的攔截效果，且相比于CK處理，T處理可溶性磷和正磷酸鹽流失量分別顯著增加了59.0%和61.0%（圖3c和圖3a）。壤中流中，除T處理正磷酸鹽流失量大于CK處理外，其余各處理不同磷素流失量均隨桑樹籬帶的增多而減少，其中T處理的攔截效果最顯著（圖3）。壤中流中，相比于CK處理，T處理的顆粒態磷、正磷酸鹽磷、可溶性磷和全磷流失量分別顯著降低了83.8%、80.9%、74.2%和78.5%；T處理僅全磷流失量顯著降低了34.2%。就地上、地下各形態磷素總流失量而言，僅T處理顯著降低了各形態磷素總流失量，其余桑樹籬處理各形態磷素總流失量與CK處理間的差異均不顯著。相比于CK處理，T處理顆粒態磷、正磷酸鹽磷、可溶性磷和全磷總流失量分別顯著降低了67.6%、56.3%、52.6%和61.3%。由圖3可知，顆粒態磷流失途徑以地表徑流為主，可溶性磷和正磷酸鹽磷流失途徑基本以壤中流為主（T處理除外）；且隨桑樹籬種植密度增加，壤中流全磷流失量占全磷總流失量的比例逐漸減少，表現為CK（55.5%）>T（47.7%）>T（39.7%）>T（30.8%）。

圖3 各處理不同形態磷素流失量Figure 3 The amount of phosphorus loss of different forms in different treatments

2.3 農桑系統下紫色土坡耕地各形態磷流失比例

如表3所示，在觀測期內，農桑系統下紫色土坡耕地地表徑流磷素流失以顆粒態磷為主，占地表徑流全磷流失量的53.8%~76.2%；而壤中流中磷素流失以可溶性磷為主，占壤中流全磷流失量的55.3%~66.3%；在地上、地下磷素總流失量中，除T處理外（47.4%），其余各處理磷素流失仍以顆粒態磷為主，占地上、地下全磷總流失量的51.6%~59.9%；各處理地上、地下正磷酸鹽磷流失量占比規律基本一致。與CK處理相比，各桑樹籬處理對壤中流中磷素流失形式影響較小，但明顯改變了地表徑流中磷素的流失形式，T處理和T處理顯著降低了地表徑流中顆粒態磷流失比例，顯著增加了可溶性磷和正磷酸鹽磷流失比例；T處理對地表徑流中各形態磷素流失比例沒有顯著影響。

表3 各處理不同形態磷流失比例（%）Table 3 Different forms of phosphorus loss ratio in different treatments（%）

2.4 降雨量和產流量與磷素流失的相關分析

對不同處理徑流量和產流降雨量進行線性回歸分析（圖4），發現各處理徑流量與降雨量均呈極顯著正相關（=0.68~0.83），且地表徑流量與降雨量回歸方程決定系數（=0.75~0.83）大于壤中流與降雨量回歸方程決定系數（=0.68~0.76），表明降雨量對徑流的影響可能受到土層深度的影響。同時對農桑系統下紫色土坡耕地磷素流失量與降雨量和徑流量進行相關性分析（表4）發現，各形態磷素流失量與降雨量和徑流量均極顯著正相關，但相關程度存在差異。比較相關系數發現，壤中流中全磷流失量和顆粒態磷流失量與降雨量的相關系數（=0.694，=0.588）均大于地表徑流（=0.553，=0.468），相反，壤中流中可溶性磷和正磷酸鹽磷流失量與降雨量的相關系數（=0.683，=0.641）均小于地表徑流（=0.751，=0.765）；同時，壤中流中顆粒態磷流失量與全磷流失量的相關系數（=0.897）小于地表徑流（=0.989），而壤中流中可溶性磷和正磷酸鹽磷流失量與全磷流失量的相關系數（=0.950，=0.921）均大于地表徑流（=0.826，=0.651）。上述結果再次表明，觀測期內紫色土坡耕地壤中流磷素流失以可溶性磷為主，而地表徑流磷素流失以顆粒態磷為主。

圖4 各處理徑流量與降雨量的相關關系Figure 4 Correlation between rainfall amount and runoff yield in different treatments

2.5 產量分析

作物產量是評價農桑系統效益的重要指標。根據單因素方差分析（表5），發現試驗期內榨菜經濟產量、副產物生物量及總生物量均隨著桑樹籬種植密度的增加而降低。與CK處理相比，T處理的總生物量和副產物生物量均顯著降低，但各處理榨菜經濟（塊莖）產量之間均無顯著差異。相較于榨菜，桑樹籬措施對玉米經濟（籽粒）產量的影響更為顯著，除T處理玉米經濟產量與CK處理無顯著差異外，其余各處理玉米經濟產量、副產物生物量及總生物量均隨桑樹籬種植密度增加而顯著降低，其中T和T處理玉米經濟產量分別顯著降低9.6%和13.3%。桑樹籬措施顯著影響了春季玉米的生長及玉米經濟產量。

表5 試驗期內不同處理農作物生物產量（干質量，kg·hm-2）Table 5 Crop biomass（dry weight）of different treatments during the test period（kg·hm-2）

3 討論

降雨是引起旱坡地土壤侵蝕和養分流失的直接驅動力，是決定其流失程度的重要因素，但在同等強度降雨條件下，桑基植物籬的應用能顯著影響紫色土坡耕地徑流分配及磷素流失，從而使不同農桑配置模式對地表徑流和磷素流失的阻抗效果產生顯著差異。研究表明，兩帶桑和三帶桑處理顯著降低了產流降雨過程中地表徑流，一帶桑處理對地表徑流沒有顯著攔截效果（圖2）。這主要是因為兩帶桑和三帶桑處理對坡面徑流的連續攔截和分散作用，增加了坡面徑流的運移時間和入滲量，從而減少了坡面徑流的產生，而一帶桑位于徑流小區最下方，對坡面徑流攔截不及時且攔截作用小，導致攔截效果不顯著。相關分析表明，地表徑流中磷素流失量與地表徑流量和降雨量均呈極顯著正相關（表4），但同時也發現地表徑流量并不是影響地表徑流磷素流失的唯一因素。試驗期內，各處理地表徑流總量隨著桑樹籬帶的增加而降低，但一帶桑和兩帶桑處理地表徑流中各形態磷素流失量卻均高于無桑樹籬處理，僅三帶桑處理顯著降低了地表徑流中顆粒態磷和全磷流失量。這是因為除降雨和地表徑流外，土壤抗蝕性和植被覆蓋度也是影響坡耕地土壤侵蝕和養分流失的重要因素。研究表明，植物籬措施能有效增加地表植物覆蓋度、延長降雨入滲時間，減輕降雨和坡面徑流對土壤的侵蝕沖刷；同時錯綜復雜的植物籬地下根系能有效改善土層結構，進而提高土壤抗蝕性。但植物籬的種植也會抑制籬下雜草生長，導致休耕期內各處理植被覆蓋度存在差異。觀測發現，從玉米成熟（即收獲）的7月上旬開始，各徑流小區內桑樹籬帶數量越多、越密，籬下坡面雜草生長越少，反而無桑樹籬處理雜草生長旺盛、地面粗糙度高，因此其地表徑流中各形態磷素流失量低于一帶桑和兩帶桑處理。三帶桑處理雖然地面雜草生長最少、地面粗糙度低，但由于桑樹籬種植數量多，桑樹枝葉茂盛，極大地減輕了降雨對坡面的沖刷和對土壤的侵蝕，從而降低了磷素通過地表的遷移流失量。

表4 磷素流失量與降雨量和徑流量相關關系Table 4 Correlation of phosphorus loss with rainfall and runoff

本研究供試土壤為沙溪廟組發育的紫色土，其具有土層薄、礫石多、水分入滲快、保水能力低等特點，但土層厚度也是影響降水入滲與再分配的重要因素，因此該紫色土坡耕地壤中流極為普遍。本研究結果顯示，紫色土坡耕地農桑系統產流方式以壤中流為主，占總徑流量63.0%~79.0%，且壤中流占比隨著桑樹籬帶數量的增大而減小。汪三樹等研究發現，相比于自然生草梗，桑埂的土壤孔隙度增加53.06%，土壤入滲率明顯大于其他幾種生物埂，同時其發達的孔隙結構導致土壤水庫總庫容和滯洪庫容等均顯著高于自然生草埂，因此能有效調節地表徑流并緩解季節性干旱。本研究結果表明，桑樹籬措施均能顯著減少產流降雨過程中壤中流的產生，增加土壤對降雨入滲水分的攔截量（圖2），但不同配置模式對降雨入滲水分的攔截效果不同，一帶桑和兩帶桑處理壤中流量差異不顯著，但均顯著高于三帶桑。桑樹生長速度極快，蒸騰耗水強烈，坡耕地桑樹會消耗坡耕地土壤水庫，影響坡耕地水分循環與產流過程。隨著桑帶數量的增加，桑樹蒸騰耗水對坡耕地農桑系統土壤水庫的消耗增多，降水入滲優先補充土壤水庫，地表徑流和壤中流產生量相對減少。因此桑帶蒸騰耗水是三帶桑處理壤中流量顯著低于一帶、兩帶桑處理的主要原因之一。雖然各處理壤中流中不同形態磷素流失量隨桑樹籬數量的增多而減小，但僅三帶桑處理顯著降低了各形態磷素流失量，兩帶桑處理僅顯著降低了壤中流中全磷流失量。

由于磷肥主要施在土壤表層，且易被土壤吸附固定，在土壤中很難移動，多數研究認為土壤中的磷素沿剖面垂直向下淋溶的可能性較小，地表徑流和土壤侵蝕是其流失的主要途徑，隨徑流泥沙流失的顆粒態磷是最主要的流失形式。本研究結果表明，各處理地表徑流平均總磷濃度是壤中流總磷濃度的3.1~4.4倍。即使試驗期內壤中流是紫色土坡耕地主要產流方式，但除無桑樹籬處理（44.5%）外，其他處理總磷流失仍以地表徑流為主要途徑（52.3%~69.2%）。對比分析不同形態磷素流失比例（表3）以及地表徑流和壤中流中顆粒態磷、正磷酸鹽磷和可溶性磷流失量與全磷流失量的相關系數（表4），發現地表徑流中磷素流失以顆粒態磷為主，而壤中流中磷素流失以可溶性磷為主，但就地上、地下磷素流失總量而言，除三帶桑處理（47.4%）外，其余各處理磷素流失仍以顆粒態磷為主（51.6%~59.9%）。經統計分析發現，與三帶桑相比，一帶桑和兩帶桑不僅總徑流量高，而且流失總磷平均濃度也高，一帶、兩帶桑處理徑流平均總磷濃度約是三帶桑的1.32倍。流失總磷平均濃度與總徑流量在地表徑流和壤中流的分配比例、兩者中磷素濃度差異和濃度值等密切相關，但與總徑流量的大小沒有直接關系。結果顯示，無論是地表徑流還是壤中流，一帶、兩帶桑處理總磷濃度均高于三帶桑。綜合影響下，一帶、兩帶桑處理徑流總磷平均濃度高于三帶桑處理。總體來說，不同配置桑帶通過改變徑流總量、地上地下徑流分配與徑流磷素濃度，最終影響紫色土坡耕地農桑系統磷素流失量。

合適的植物籬配置方式不僅需要有效防治坡耕地水土流失、減輕農業面源污染，而且不能引起作物顯著減產。本試驗基于西南地區種桑養蠶的傳統，選擇紫色土區常見水土保持樹種——桑樹作為植物籬，等高布設了3種農桑配置模式。結果表明，兩帶桑處理可以顯著降低壤中流中磷素流失，但對地表徑流中磷素流失無顯著攔截效果；種植籬數最多的三帶桑處理能顯著降低紫色土坡耕地地上、地下磷素流失，達到減輕農業面源污染的目的。但綜合考慮桑樹籬對作物產量的影響（表5），由于春季桑樹籬生長旺盛，對養分和光照的競爭激烈，導致各桑樹籬處理中玉米經濟產量、副產物生物量和總生物量均隨桑樹籬種植密度的增加而降低。本研究結果表明，試驗期內部分桑樹籬處理雖能有效減少坡耕地土壤磷素流失，但也造成作物（玉米）產量顯著降低。綜合考慮本研究田間試驗過程，休耕期內桑樹籬對雜草的抑制明顯影響了其控制坡耕地土壤侵蝕和養分流失的效果，同時生長旺盛的桑樹籬與作物，尤其是玉米形成激烈競爭，嚴重影響了作物產量。因此，在本研究的基礎上，后續將考慮在各桑樹籬處理徑流小區最底端的一排桑樹籬下種植草本植物籬，采用兩種植物籬相結合的方式增強桑樹籬措施對土壤侵蝕和養分流失的攔截效果。同時在桑樹籬生長高度超過玉米時及時修剪桑樹枝條，削弱桑樹籬和玉米的競爭。在本研究基礎上，應繼續監測農桑系統下紫色土坡耕地土壤侵蝕和養分流失情況，以期優化桑樹籬措施后，在保證和提高各桑樹籬處理有效攔截紫色土坡耕地養分和水土流失的前提下，降低桑樹籬措施對作物（玉米）產量的影響，確定最佳農桑配置模式。

4 結論

（1）壤中流是紫色土坡耕地農桑系統主要產流方式，占總產流量的63%~79%。地表徑流量和壤中流量均隨桑籬帶數量的增大而減小，其中兩帶桑和三帶桑處理地表徑流量和壤中流量均顯著降低，而一帶桑處理僅對壤中流具有顯著的攔截效果。

（2）紫色土坡耕地農桑系統土壤磷素主要通過地表徑流流失，占總磷流失量的44.5%~69.2%。磷素主要流失形態為顆粒態磷，占全磷流失量的47.4%~59.9%。

（3）兩帶桑壤中流磷素流失量顯著降低34.2%，三帶桑對磷素流失阻抗效果最好，地上、地下磷素總流失量顯著降低61.3%。但密集的桑樹籬與作物玉米形成競爭關系，造成玉米小幅減產。建議進一步研究桑籬修枝疏伐等優化措施，限制其對作物經濟產量的影響。