間作減少甘蔗種植坡面土壤及養(yǎng)分流失與輸移：基于 7Be同位素示蹤技術

王 旭，郭 豪，阮紅燕，楊翠紅，黃智剛

(1.廣西大學農學院，廣西南寧 530004；2.南寧師范大學，廣西南寧 530004)

農田土壤及養(yǎng)分在降水徑流驅動下進入河湖水體，加劇了水體泥沙含量并導致水體富營養(yǎng)化，嚴重威脅下游地區(qū)的水環(huán)境安全[1]。全球范圍內，每年因土壤侵蝕導致的氮、磷流失量分別達到了 3×107、1.75×107t，超過30%的陸地面積受到農業(yè)面源污染的影響[2]。侵蝕流失的土壤養(yǎng)分并不會全部進入河流，大部分沉積在坡面下部或溝道兩側低洼處，盡管如此，河流中依然有55%的氮和95%的磷來自泥沙沉積物[3]。對此，許多地區(qū)通過建立梯田、人工濕地、推廣坡地植物籬、間作等一系列措施減少土壤侵蝕的發(fā)生、削弱沉積物向水體輸送，防止農田水土流失進一步惡化[4-5]。其中，間作被認為是一種具備經濟和生態(tài)雙重收益的水土保持措施，不僅可以增加糧食產出，還可以降低環(huán)境負效應[6-7]。間作是在同一塊地上按照一定比例種植生育周期不同的作物，不僅可以錯開作物競爭養(yǎng)分的空間和時間，充分利用水肥氣熱等資源提升單位面積的經濟效益；還可以通過增加覆蓋達到保墑保水，促進作物根系生長，分離水土的效果，從而削弱降水徑流對土壤的剝離沖刷作用，實現(xiàn)減少土壤的流失功能[8-10]。陳小強等通過研究玉米-大豆種植模式的水土保持效應發(fā)現(xiàn)，相比單作，間作可減少約30%的水土流失[11]。Guo等通過徑流小區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，玉米-花生間作可以減少94%的徑流，其侵蝕產沙量僅相當于裸地的0.4%[12]。然而，這些研究大多數(shù)集中在小區(qū)尺度上，通過土壤及養(yǎng)分流失的變化反映間作對坡面土壤及養(yǎng)分流失的影響，雖然可以有效排除其他因素對間作效果的影響，但卻難以反映野外巨型坡面的實際應用效果。

坡面土壤侵蝕及相關養(yǎng)分流失的監(jiān)測方法主要包括原位監(jiān)測和核素示蹤技術[13]。其中，核素示蹤技術是目前公認的能夠快速、定量評價土壤侵蝕產沙速率的方法，其原理是通過比較采樣點與參考點的核素含量來反映土壤的流失與沉積，當采樣點核素含量小于參考點時，則采樣點代表的區(qū)域發(fā)生了土壤流失現(xiàn)象；當采樣點核素含量大于參考點時，則采樣點代表的區(qū)域則表現(xiàn)出沉積特征[14]。7Be是一種自然沉降的放射性核素(半衰期53.3 d)，主要受降水的影響，沉降后會很快被表層土壤顆粒吸附，之后在外力作用下遷移搬運，經常被用來確定次降水事件或短期內的土壤侵蝕與沉積速率[15]。目前，7Be法估算土壤侵蝕速率的不確定性主要來源于植被冠層對7Be的吸附截留作用，所以7Be法的應用研究大部分是在裸地或植被覆蓋較小的區(qū)域進行，但也有在草地、覆蓋等條件下評價保護性耕作措施的應用，然而很少有研究利用7Be評價間作對土壤及養(yǎng)分流失的影響[16-18]。

廣西壯族自治區(qū)地處我國南部，是我國最重要的甘蔗生產基地，2020年全區(qū)甘蔗種植面積與產量均占全國65%左右[19]。該區(qū)地形以山地丘陵為主，農作物主要種植在旱坡地上，劉警鑒等通過RUSLE模型估算出廣西壯族自治區(qū)地區(qū)坡耕地的年平均土壤侵蝕量達893 t/km[20]，莫雅棋通過細溝侵蝕監(jiān)測得出坡耕地全氮和全磷的年流失量在12.1～80.0 kg/hm之間[13]。在甘蔗生長前期，植被冠層覆蓋和地面覆蓋都比較低，大量農田土壤養(yǎng)分流失進入河流，增加水體污染的風險，嚴重威脅了下游飲水水質。雖然廣西也采取了“源頭減量-中段攔截-末端治理”的面源污染防控策略，但卻忽視了廣西已有較大面積推廣的甘蔗間種其他作物模式的面源污染防控效應，相關研究主要集中在改良農藝措施、優(yōu)化資源利用以及提升經濟效益方面[21-23]，間作對甘蔗種植區(qū)土壤侵蝕及相關養(yǎng)分流失等環(huán)境影響鮮有報道。

對此，本研究以廣西壯族自治區(qū)赤紅壤坡耕地為研究對象，利用自然環(huán)境放射性同位素(7Be)示蹤不同時間的土壤侵蝕或沉積速率，以此確定間作對甘蔗種植坡面土壤侵蝕、土壤全氮、全磷流失的影響。旨在為減少廣西壯族自治區(qū)甘蔗種植區(qū)農田養(yǎng)分流失，防控農業(yè)面源污染提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)西江流域的那辣小流域(22°20′36″N，107°39′29″E)。屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫介于20～22 ℃之間，降雨天數(shù)在130～200 d之間，降水量1 000 mm左右，約80%的降水集中在3—9月。地貌類型為丘陵，土壤類型為赤紅壤，土壤顆粒組成為31.41%黏粒，63.44%粉粒，5.15%砂礫，土壤質地粉質土-粉質黏土壤土(美國制)[24]。流域面積1.29 km2，平均坡度約為9°，平均坡長約為190 m。2018年以來，廣西地區(qū)推廣集約化農業(yè)，研究區(qū)內大規(guī)模種植甘蔗，至2020年，超過80%的土地利用為甘蔗地，其余土地利用類型包括道路、溝渠和桉樹林。其中，甘蔗在流域內的種植年限一般為3年，包括新植甘蔗(一般于當年1月至3月新種植的甘蔗)和宿根甘蔗(前季的留茬甘蔗)2種類型，甘蔗種植模式包括甘蔗單作以及甘蔗-西瓜間作2種模式。

1.2 試驗處理

選擇該流域地形特征及土壤理化性質相似(表1)，坡面寬度為60 m的2個巨型坡面。試驗設2個處理：單作甘蔗的對照組(CK)、甘蔗間作西瓜的處理組(T)。具體試驗布設見圖1，按照田塊邊界將坡面分為坡頂、上部、中上部、中下部、下部和坡底6個坡位，在坡頂位置于2021年3月新植甘蔗，基肥溝施、5月中旬撒施追肥；其他坡位為宿根(1年)甘蔗(2020年種植，2021年收獲后的留茬甘蔗)，于3月上旬、5月中旬通過撒施進行追肥。甘蔗供試品種為桂糖42，行距1 m橫坡種植。處理組坡面間作的西瓜供試品種為黑美人，在甘蔗行間橫坡種植，2021年2月上旬點種于中下部、下部和坡底3個坡位，每隔5行甘蔗間作1行西瓜，同行株距2 m，于同年5月上旬開始收獲，6月初間作結束。

表1 不同處理各坡位的地形特征及土壤理化性質

甘蔗和西瓜的施肥時間、施肥方式以及施肥量見表2。間作于2021年2月上旬種植西瓜開始，5月下旬西瓜收獲完后結束。

表2 不同作物的施肥時間、施肥方式以及施肥量

1.3 樣品的采集與分析

本研究分別于2021年4月26日(RE1，降水量 54.0 mm，平均雨強6.8 mm/h)、5月2日至5月5日(RE2，降水量79.8 mm，平均雨強5.7 mm/h)、7月22日(RE3，降水量52.8 mm，平均雨強5.9 mm/h)，降水結束后采集3次7Be樣品，包括試驗坡面樣品以及參考點樣品。

坡面樣品采集：首先將完整的坡面垂直于等高線劃分為3個面積相當?shù)男∑旅孀鳛橹貜托^(qū)。每次降水后，在每個小區(qū)里利用長200 mm、寬 100 mm、深20 mm的刮板，按等高線采樣原則間隔5 m采集各坡位的樣品，每個坡位3個采樣點，混合為1個樣品。即在每個坡位上，采集3個重復樣(圖1)，每次降水采集36個坡面樣品。

參考點樣品采集：2021年3月人工建立了3個無侵蝕無堆積，平坦的沒有人為干擾的參考點，參考點的樣品采集包括混合樣品和剖面樣品2個部分。(1)混合樣品：采集方法與坡面樣品一致。(2)剖面樣品：在0～10 mm深度是每2 mm采集1次，在 10～20 mm深度是每5 mm采集1次，共采集了 7層。

樣品的處理與分析：所有的樣品密封帶回實驗室風干后稱質量，一部分過2 mm篩進行7Be質量活度(Bq/kg)測定，另一部分過0.15 mm篩進行土壤全氮含量和土壤全磷含量分析。7Be質量活度是在南京師范大學地理科學學院用美國ORTEC公司的高純鍺γ譜儀測定的，在 477.6 keV 能譜峰下測試7Be的比活度，測定時間為12～24 h[25]。土壤全氮含量和土壤全磷含量分析在廣西大學農產品安全重點實驗室進行，分別采用凱式定氮法和H2SO4-HClO4熱消解法測定。

1.4 計算

土壤侵蝕速率(ES)與沉積速率(DS)是按照Walling等的方法[15]計算。在此基礎上，計算侵蝕土壤全氮、全磷的流失速率(EN、EP)與沉積速率(DN、DP)：

EN=ES×CN；

(1)

EP=ES×CP；

(2)

DN=DS×CN；

(3)

DP=DS×CP。

(4)

式中：CN、CP分別為土壤全氮、全磷含量。

以此計算坡面土壤、全氮和全磷凈流失速率(Net)以及輸移比(SDR)，公式如下：

(5)

(6)

式中：Ei和Di分別是坡位i的土壤、全氮以及全磷的流失速率和沉積速率；Aei和Adi分別是流失速率和沉積速率對應坡位的面積。

1.5 數(shù)據處理與分析

不同處理間的顯著性分析是在Excel 2019中通過單因素方差分析完成。坡面采樣示意圖利用Word 2019繪制，其余的圖在Origin 2018中完成。

2 結果與分析

2.1 不同處理下坡面的 7Be含量

如圖2所示，RE1、RE2和RE3的7Be含量隨著時間的變化呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢。在參考點，RE1、RE2、RE3的7Be含量背景值分別為367.1、533.8、280.0 Bq/m2；CK坡面上3場降水的7Be含量范圍分別在241.7～485.6 Bq/m2、366.0～782.8 Bq/m2、221.5～341.9 Bq/m2之間；T坡面上RE1的7Be含量范圍是240.7～471.0 Bq/m2，RE2的7Be含量范圍是343.6～718.9 Bq/m2，RE3的7Be含量范圍是229.7～322.5 Bq/m2。CK和T坡面的7Be含量范圍在不同降水事件下的大小順序均為RE2>RE1>RE3。

空間上，7Be含量在不同處理坡面上從坡頂?shù)狡碌渍w表現(xiàn)出增加的趨勢，但其含量隨坡位變化而變化。通過比較各坡位的7Be含量與參考點的7Be含量背景值發(fā)現(xiàn)，CK坡面的坡頂、上坡、中上及中下坡位在3場降水下的7Be含量均小于參考點的7Be含量背景值，除RE1的上坡7Be含量(322.9 Bq/m2)大于中上坡(304.0 Bq/m2)外，其他2個降水事件下，CK坡面的7Be含量在坡頂、上坡、中上及中下坡位遞增。CK坡面下坡及坡底2個坡位在3場降水下的7Be含量均大于7Be含量背景值，且 RE1和RE2降水的下坡7Be含量大于坡底，但在RE3中，下坡(299.9 Bq/m2)的7Be含量小于坡底(341.9 Bq/m2)。在T坡面上，RE1和RE2的坡頂、上坡和中上的7Be含量均小于參考點的7Be含量背景值，中下、下坡和坡底的7Be含量均大于參考點的7Be含量背景值，而RE3的7Be含量空間分布與CK坡面相似。總體而言，在3場降水事件下，從坡頂?shù)狡碌?個坡位的7Be含量呈先增再減的變化趨勢。

2.2 不同處理坡面的土壤、全氮和全磷的流失及沉積特征

從表3可以看出，不同處理坡面的土壤、全氮和全磷的流失、沉積量的時空變化特征。相同的降水條件下，CK坡面與T坡面的土壤流失與沉積在空間分布和數(shù)值大小上均有所差異。3次降水事件下，CK坡面的土壤流失均發(fā)生在坡頂、上坡、中上及中下4個坡位，在下坡和坡底則發(fā)生不同程度的沉積現(xiàn)象。在RE1和RE2中，CK坡面的土壤流失量在每個坡位上均有顯著差異，其大小順序為坡頂>中上>上坡>中下，且坡頂?shù)耐寥懒魇Я渴瞧渌挛坏?.6～27.0倍；但在RE3中，土壤流失量雖然也是坡頂(12.2 t/hm2)最大，但其他3個坡位之間(1.1～3.5 t/hm2)沒有明顯差異。RE1中，CK坡面的土壤沉積量在2個坡位無明顯差異；RE2中，下坡(23.7 t/hm2)的土壤沉積量顯著高于坡底(9.2 t/hm2)；而RE3中的土壤沉積量則是坡底比下坡高了140%。前2次降水事件下，T坡面的土壤流失發(fā)生在坡頂、上坡和中上3個坡位，其中坡頂?shù)耐寥懒魇Я匡@著高于其他2個坡位，達到了這2個坡位的3～4倍。T坡面間作的中下、下坡和坡底則是土壤沉積的區(qū)域，在RE1中，中下和下坡的土壤沉積量無明顯差異，但大于坡底；而RE2的土壤沉積量在3個坡位均有顯著差異，其中下坡最大，其次是底部，最小的為中下坡位。在RE3中，T坡面與CK坡面有相似的土壤流失與沉積特征，坡頂(11.1 t/hm2)土壤流失量顯著高于其他3個坡位(1.2～3.3 t/hm2)，但下坡與坡底的土壤沉積量無顯著差異。

表3 不同處理坡面的土壤、全氮和全磷的流失、沉積量的時空變化

不同處理坡面的土壤全氮、全磷流失特征在空間分布規(guī)律上與該處理的土壤流失特征一致。3次降水事件中，CK坡面上全氮與全磷的流失也發(fā)生在上面的4個坡位，全氮、全磷流失量范圍分別介于1.0～24.9 kg/hm2、0.3～10.4 kg/hm2之間，且坡頂?shù)牧魇Я孔畲螅邢缕挛坏牧魇Я孔钚　K坡面上全氮與全磷均沉積在下坡和坡底2個坡位，在RE1中，下坡的全氮沉積量比坡底高了22.2%，下坡與坡底的全磷沉積量無差異；RE2中，下坡的全氮、全磷沉積量分別比坡底高153.5%、220.5%；但RE3中，下坡的全氮、全磷沉積量比坡底低了56.8%、61.9%。RE1和RE2中，T坡面坡頂?shù)娜魇Я勘壬掀隆⒅猩?個坡位高了191.5%～305.1%，全磷流失量高了157.5%～278.5%；全氮與全磷在下面3個坡位沉積，其中RE1的中下坡和下坡2個坡位的全氮、全磷沉積量約為坡底的3倍，RE2的全氮沉積量在下坡比中下坡和坡底分別高了134.0%、30.7%，全磷沉積量在下坡和坡底無差異，比中下坡高97.4%～118.4%。RE3中，全氮、全磷的流失與沉積動態(tài)與CK坡面相似，坡頂全氮(12.0 kg/hm2)、全磷(6.0 kg/hm2)流失量比其他3個坡位高了2.2～8.2倍，下坡與坡底的全氮、全磷沉積量均無顯著差異。

2.3 不同處理坡面的土壤、全氮和全磷的凈流失量及輸移比

從圖3可以看出，間作可以顯著減小坡面土壤、全氮和全磷的凈流失量(P<0.01)。間作期間(RE1、RE2)，T坡面與CK坡面的土壤、全氮和全磷凈流失量均有顯著差異。RE1中，T坡面土壤、全氮、全磷的凈流失量分別為2.6 t/hm2、2.5 kg/hm2、1.2 kg/hm2，比CK坡面分別減小了37.9%、43.0%、43.4%；RE2中，三者在T坡面的凈流失量分別為2.2 t/hm2、2.9 kg/hm2、1.1 kg/hm2，分別減小了44.1%、44.4%、30.7%。間作結束后的RE3中，T坡面與CK坡面的土壤、全氮及全磷凈流失量差異不顯著。3場降水的總凈流失量結果與前2次降水結果一致，T坡面土壤、全氮、全磷的總凈流失量分別為6.60 t/hm2、7.26 kg/hm2、3.2 kg/hm2，相比于CK坡面，分別減少了35.7%、38.0%、29.8%。

間作對坡面土壤、全氮和全磷的輸移比也有顯著影響(圖4)。監(jiān)測期間，T坡面的3場降水下的土壤、全氮、全磷的平均輸移比分別為39.9%、39.2%、40.1%，與CK坡面相比，土壤輸移比減少了16.3%，全氮、全磷的輸移比分別降低了17.3%、10.9%。間作降低土壤及氮磷輸移比集中在RE1和RE2這2場降水中，在RE3降水中T坡面的土壤與CK坡面無顯著差異，但全氮和全磷輸移比卻顯著高于CK坡面。在RE1中，T坡面的土壤、全氮、全磷的輸移比分別為38.6%，33.1%、36.6%，CK坡面三者分別為52.3%、48.1%、51.4%；在RE2中，CK坡面的土壤、全氮和全磷的輸移比在42.2%～50.0%之間，比T坡面高了38.4%～60.5%。在RE3中，T坡面的全氮、全磷的輸移比分別比CK坡面高12.4%、17.8%。

3 討論

3.1 間作改變土壤養(yǎng)分的流失與沉積

間作是一種良好的水土保持措施，可以顯著減少甘蔗種植區(qū)坡面土壤及相關養(yǎng)分流失。本研究結果表明，單作甘蔗的野外巨型復合坡面上，土壤、全氮和全磷沉積主要發(fā)生在下坡和坡底2個坡位，而間作坡面在間作期間(RE1和RE2)的沉積位置是中下、下坡和坡底3個有間作措施的坡位，間作期結束后(RE3)則與單作坡面的沉積坡位相同。除了可以改變土壤、全氮和全磷的沉積位置外，間作還可以減少29.8%～38.0%的土壤、全氮和全磷凈流失量。蘇正安等在龍門山地震帶利用137Cs研究復合坡面土壤侵蝕與沉積狀況，與本研究對照坡面結果相似，即巨型坡面的土壤及相關養(yǎng)分的流失部位是坡頂、上坡、中上及中下4個坡位，沉積在下坡和坡底[14]。前人在徑流小區(qū)尺度上的研究沒有區(qū)分流失區(qū)和沉積區(qū)，通過直接比較間作與單作坡面土壤及相關養(yǎng)分的流失量來評價間作的水土保持效果，結果表明間作可以減少16.0%～99.6%的土壤及相關養(yǎng)分流失[10-12，26-27]，認為間作可以通過增加覆蓋度，延長覆蓋時間來削弱雨滴濺蝕能量，減緩徑流流速，從而減小降雨徑流剝離土壤的能力，來減少土壤及相關養(yǎng)分的流失[11]；或通過增加根長、根表面積以及根體積來穩(wěn)定土壤結構，提高土壤滲透性的能力，進而增強土壤抗沖性，減少水土流失[10，28]。除此之外，張曉云等的研究表明，間作還可以通過增加地上部冠層覆蓋度來減少水土流失[29]。在甘蔗種植區(qū)，地面凋落物覆蓋度和甘蔗根系密度與土壤及相關養(yǎng)分流失呈顯著負相關關系[13]，所以在甘蔗生長初期可能會有較大的土壤及養(yǎng)分流失，但間作正好彌補了這一不足，通過增加甘蔗生長前期的地面覆蓋度與植物根系來減少、攔截和控制坡耕地土壤及相關養(yǎng)分的流失。

3.2 間作影響土壤養(yǎng)分的輸移比

土壤、全氮和全磷的輸移比在間作(T)與單作(CK)的坡面上有顯著差異，在間作期(RE1、RE2)和非間作期(RE3)也有顯著差異。在間作期間，T坡面土壤、全氮和全磷的輸移比與CK相比減少了26.2%～37.7%；在非間作期，T坡面土壤的輸移比與CK坡面無顯著差異，但全氮和全磷的輸移比卻與間作期相反。關于輸移比的研究主要集中在流域尺度或徑流小區(qū)的泥沙輸移比，土壤養(yǎng)分研究較少，流域侵蝕泥沙大部分會在坡面下部或者河道中沉積，只有10%～30%會從流域出口輸出[30]。張風寶等利用7Be計算出坡耕地小區(qū)的泥沙輸移比在64.3%～97.9%之間，與本研究巨型坡面的輸移比(30.78%～54.48%)有所差別，可能是間作在RE1、RE2期間可以起到一種類似植物籬的作用，通過地面覆蓋物攔截，控制坡耕地土壤及相關養(yǎng)分的流失，進而影響土壤養(yǎng)分的輸移比[31-32]。而在RE3期間，間作坡面的全氮、全磷輸移比均比前2次降水的輸移比大，可能是由于以下2個原因導致的：在間作期間，坡上部流失的養(yǎng)分沉積在下部的3個坡位，泥沙養(yǎng)分的富集機制會增加這3個坡位的全氮和全磷含量；間作結束后坡面的中下坡位變?yōu)槿椎牧魇^(qū)，這在一定程度上會導致養(yǎng)分流失變多，沉積變少，進而增大養(yǎng)分的輸移比[33]；Shi等報道，當植被蓋度增加后，有超過一半的7Be被吸附截留，當間作結束后，甘蔗已處于伸長期，此時的植被覆蓋度較高，會極大地高估土壤侵蝕速率，從而導致輸移比降低，所以在甘蔗已完全生長后，7Be可能已不再適用于估算土壤和養(yǎng)分的輸移比[16]。總的來講，間作可以降低10.9%～17.3%的土壤、全氮和全磷輸移比，說明在甘蔗種植區(qū)，間作的水土保持效果同樣顯著。

4 結論

間作可以改變土壤、全氮和全磷在復合坡面上的流失及沉積部位，間作期間，土壤、全氮和全磷的流失發(fā)生在坡頂、上坡和中上3個無間作的坡位，沉積在中下、下坡和坡底3個坡位。間作結束后，土壤、全氮和全磷流失與沉積的位置與無間作的對照坡面相同，流失在坡頂、上坡、中上和中下坡位，沉積在下坡和坡底。

間作能有效減少全氮和全磷在復合坡面上的凈流失量，降低其輸移比。間作期間，土壤、全氮和全磷凈流失量可以減少30.7%～44.4%；其輸移比降低了27.7%～37.7%。間作結束后，土壤、全氮和全磷凈流失量無顯著差異；而與對照坡面相比，土壤的輸移比也無顯著差異，但全氮、全磷的輸移比分別升高了12.4%、17.8%。總體來講，3次降水間作坡面總的土壤、全氮、全磷凈流失量分別比對照坡面減少了35.7%、38.0%、29.8%，平均輸移比分別降低了16.3%、17.3%、10.9%。因此，間作是一種良好的水土保持措施，可以顯著減少、攔截和控制甘蔗種植區(qū)的農田土壤及養(yǎng)分流失。