甘蔗間作貓豆對水土及氮磷養分流失的影響

彭嘉宇 區惠平 周柳強 黃金生 謝如林 朱曉暉 曾艷 譚宏偉 劉潔云

摘要：通過分析甘蔗‖貓豆間作模式的合理性，旨在為蔗區徑流污染的削減及面源污染治理提供理論依據。采用田間徑流小區試驗，設置不同甘蔗‖貓豆間作密度，觀測并記錄降雨量、穿透雨量，統計貓豆生育期內的徑流次數、徑流量、泥沙量、徑流中的氮磷含量，并進行相關性分析，研究不同間作密度下的地表徑流、泥沙及氮磷流失量的差異及甘蔗‖貓豆間作對氮磷流失的削減作用。結果表明，甘蔗冠層下穿透雨率有隨著降雨量的增加而升高的趨勢，間作處理的平均穿透雨率為54.7%～71.9%，與單作甘蔗相比，間作甘蔗地表徑流流失量降低了8.7%～24.9%，泥沙平均流失量減少了8.5%～23.2%，總氮、總磷流失量分別減少了13.25%～25.97%、6.71%～42.28%，其中硝態氮的流失量大于銨態氮的流失量，分別占總氮量的52.98%～53.94%、12.48%～15.36%。穿透雨率與總磷流失量、徑流量呈現極顯著正相關關系，相關系數分別為0.80、0.77，總氮流失量、硝態氮流失量、總磷流失量與徑流量呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.73、0.80、0.85，氮、磷流失量與徑流量的產生規律基本一致。甘蔗與貓豆間作能減少因暴雨產生的徑流流失，與貓豆間作時株距為1～2 m的效果最優，可有效消減坡耕地蔗區徑流造成的氮、磷流失。

關鍵詞：甘蔗；貓豆；間作；氮磷流失

中圖分類號：S566.106；S157??文獻標志碼：A??文章編號：1002-1302（2023）09-0234-06

基金項目：國家自然科學基金（編號：32060293）；廣西重點研發計劃（編號：桂科AB21196049）；農業農村部西南山地農業環境重點實驗室開放基金（編號：AESMA-OPP-2019003）；廣西農業科學院基本科研業務專項（編號：桂農科2021YT036）；廣西農業科學院科技發展基金（編號：桂農科2019ZX124、2019ZX125）。

作者簡介：彭嘉宇（1987—），男，廣西桂平人，碩士，助理研究員，主要從事植物營養與環境生態研究。E-mail：pjy8086@163.com。

通信作者：譚宏偉，研究員，主要從事植物營養與肥料研究。E-mail：

間作是一種可以高效利用資源的種植模式，在滿足作物高產的同時又能夠保持水土、減少農田地表徑流量［1-2］。目前，關于玉米的間作研究已經得到系統開展，且結論較為一致，通過間作可以提高玉米的地表覆蓋度，同時可有效提高土壤肥力、延遲地表徑流的初始發生時間，從而促進玉米根系發育、有效減少玉米農田地表徑流量和養分流失量，有助于作物高產，同時也能保持水土［3-6］。甘蔗的種植行距普遍在1 m以上，如果在甘蔗封行前遇上強降雨，地表徑流使地表裸露，更易造成水土流失。處于苗期的甘蔗對水、光及養分資源的供給并不敏感，此時對光熱資源的利用并不充分［7］。目前，國內外研究者依據生物的互利共生原則探討了甘蔗‖西瓜、甘蔗‖南瓜、甘蔗‖大豆、甘蔗‖花生等多種甘蔗間作模式的產量效應，以期達到充分利用資源、增產增效、用養相結合的目的。目前關于甘蔗間作對地表徑流消減效應的報道較少，且模式以甘蔗套種花生為主。花生生育期短，已在甘蔗封行前的6月底收獲，廣西地區的雨季集中于每年的4—9月，且77%的地表徑流發生在6—8月［8-9］。因此，選擇收獲期滯后于集中強降雨期的間作作物對甘蔗地地表徑流氮、磷污染的消減至關重要。

貓豆［Mucuna pruriens （L.） DC.］為豆科藜豆屬一年生蔓生作物，由于其生長迅速、生命力旺盛，與甘蔗間作后可優化甘蔗根際的微生物群落結構，增強生物多樣性，改善蔗田的土壤養分供給，是夏季常用的綠肥［10-11］。貓豆的生育期與甘蔗同步，并且營養生長期與降雨集中期同步，刈割后形成的甘蔗冠層、貓豆冠層、貓豆覆蓋層等立體空間可有效起到多次攔截的作用。由此推測，采用甘蔗‖貓豆間作能確保甘蔗產量，同時有效消減坡耕地蔗區徑流污染。本研究開展于2020年，通過徑流小區試驗的方式分析不同甘蔗‖貓豆間作密度下地表徑流、泥沙及氮磷流失量的差異及其對氮磷流失的削減作用，以期篩選出合理的甘蔗‖貓豆間作模式，為蔗區徑流污染的削減及面源污染治理提供理論依據。

1?材料與方法

1.1?試驗點基本情況

試驗地位于廣西南寧市武鳴區廣西農業科學院里建基地（23.242 75°N，108.054 5°E），試驗地屬濕潤的亞熱帶季風氣候，海拔120 m，光熱資源充足，年平均氣溫21.7 ℃，年平均日照時數1 660 h，多年平均降雨量達1 300 mm。供試土壤為發育于砂頁巖的赤紅壤，基本理化性質如下：pH值5.9，有機質含量26.5 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，硝態氮含量1.90 mg/kg，銨態氮含量4.80 mg/kg，堿解氮含量112.00 mg/kg。

1.2?試驗設計

供試甘蔗品種為桂糖42。本試驗中的處理如下：（1）單作甘蔗（CK）；（2）甘蔗‖貓豆間作，貓豆株距3 m（T-1處理）；（3）甘蔗‖貓豆間作，貓豆株距2 m（T-2處理）；（4）甘蔗‖貓豆間作，貓豆株距1 m（T-3處理）。試驗按隨機區組設計，共設3次重復，各處理施肥量見表1。貓豆種植在甘蔗行間，當高度為120 cm時進行首次刈割，此后待貓豆長至100 cm高時刈割1次，留茬高度為40 cm，將貓豆莖葉覆蓋于種植溝進行原位還田。徑流小區的設計參考秦芳等的方法［12］。所有施肥處理的氮肥為尿素，其余處理的磷、鉀肥用量相同，其中磷肥為過磷酸鈣（P2O5），施用量為112.50 kg/hm2，鉀肥為氯化鉀（K2O），施用量為375.00 kg/hm2。分基肥（100%磷肥+5%鉀肥+25%尿素）、分蘗肥（65%鉀肥+40%尿素）、伸長肥（30%鉀肥+35%尿素）施用。

試驗開始于2020年，小區面積為55 m2，種植5行甘蔗，行距為1 m，每行設置60段雙芽苗，每個小區設置300段雙芽苗，共600段芽，種植密度為 54 545段/hm2 （以雙芽段計）。小區四周用塑料膜包裹田埂，避免小區間水分的串流及側滲。新植甘蔗于3月9日播種，貓豆于5月16日播種，分別于5月10日、6月26日施用分蘗肥、伸長肥，將肥料撒施于種植溝后進行覆土。本試驗采用典型的雨養甘蔗方法，全生育期內不灌溉，病蟲害管理等與當地栽培習慣一致。

1.3?樣品的采集

穿透雨的測定采用內徑10.7 cm、外徑 11.6 cm、高14.3 cm的塑料量杯作為雨量收集容器，在甘蔗行間布置，共布置3排，每排連續擺放5個測量杯，共擺放15個測量杯。降雨事件發生后，讀取測量杯穿透雨的體積。統計貓豆生育期內的徑流次數、降雨量、徑流量及徑流中氮、磷含量，根據當地春、夏季較多發生降雨的特點，選取24 h降雨量25 mm以下的降雨事件統計穿透雨率［13］。采用體積法測定產流產沙量，于每次降雨事件后測定徑流桶內的徑流量。收集桶內的徑流與泥沙充分攪勻后，用塑料樣品瓶采收徑流泥沙樣，再用烘干法（105 ℃）測定其中的泥沙量。徑流小區設置自動氣象站，帶有雨量計，自動記錄降雨參數。

穿透雨率為單位面積單位時間內的穿透雨量與其相應的降雨量的比率，計算公式如下：

穿透雨率=穿透雨量（mm）降雨量（mm）×100%。

地表徑流中氮、磷流失量的計算公式如下：

式中：P為氮、磷流失量；Ci為每次徑流水中氮、磷的濃度；Vi為徑流水量。

1.4?測定分析

將徑流樣品靜置，充分沉淀后，過濾100 mL上清液用于測定地表徑流中的總氮、銨態氮、硝態氮、總磷、可溶性磷含量，分別用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、靛酚藍比色法、紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法進行測定。土壤中的有機質、全氮含量分別用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法進行測定；pH值用無CO2的蒸餾水浸提（液料比設為 2.5 mL ∶?1 g），再用電位滴定法測定；土壤用氯化鉀浸提（液料比設為5 mL ∶?1 g），分別用靛酚藍比色法、紫外分光光度法測定銨態氮、硝態氮含量；用擴散法測定土壤中的堿解氮含量。

1.5?數據分析

試驗數據用Excel 2010、Origin 8.0軟件進行整理及作圖，用SPSS 19.0進行統計分析，用Duncans新復極差法進行多重比較。

2?結果與分析

2.1?試驗區降雨特征

由圖1可以看出，2020年試驗區的總降雨量達1 246.3 mm，其中6、7、9月的降雨量最多，分別為268.7、173.9、185.1 mm，4—9月的降雨量占全年降雨量的72.5%。單日最大降雨量出現在6月5日，達到88.0 mm，其次為9月7日，達到68.7 mm，全年單日降雨量超過50.0 mm的共有3 d，其中67%出現在6—9月。2020年影響廣西的臺風有4個，數量接近常年，可能由于試驗區離臺風中心較遠，沒有遭遇100.0 mm以上的大暴雨，使得觀測結果未受到臺風天氣的重大影響。

2.2?甘蔗與貓豆間作條件下甘蔗的冠下穿透雨分布特征

如圖2所示，在與貓豆以不同株距間作時，試驗區甘蔗冠層下穿透雨率隨著降雨量的增加而升高，當降雨量為6.4～18.1 mm時，CK、T-1、T-2、T-3處理的平均穿透雨率分別為75.1%、71.9%、54.7%、58.5%。從各處理結果看，甘蔗間作貓豆處理的平均穿透雨率低于甘蔗單作的處理，T-2、T-3處理的平均穿透雨率低于T-1處理，在較高貓豆間作密度處理下，冠下穿透雨率整體小于較低貓豆間作密度的處理。

2.3?自然降雨下的地表徑流量

試驗區的地表徑流量見圖3。6—9月為2020年降雨的主要集中期，在種植貓豆后共發生了6次地表徑流事件，其中67.7%的地表徑流事件集中在6—7月，各處理最大徑流量、最小徑流量分別出現在6月5日、6月24日，2次降雨量分別為88.0、33.2 mm，自然降雨量與地表徑流量的變化大體相同。觀測期內地表徑流產流峰值出現在6月5日，當日不同處理間的地表產流量總體表現為CK＞T-1 處理＞T-2處理＞T-3處理。6—9月T-1、T-2、T-3處理的地表產流量分別較CK降低了8.7%、24.9%、23.58%，說明間作貓豆能減少暴雨發生時甘蔗地的地表徑流量。各處理之間以T-2處理的平均產流量最少，當貓豆間作株距為2 m時，降低緩坡甘蔗地徑流量的效果最優。

2.4?不同間作處理對泥沙流失量的影響

由表2可知，CK處理的泥沙流失量最高，每年的泥沙平均流失量為2 538.2 kg/hm2，T-2處理的泥沙流失量最低，每年的泥沙流失量平均為 1 949.8 kg/hm2。在降雨產流過程中，間作貓豆處理的泥沙流失量均小于甘蔗單作處理，通過間作貓豆，每年平均泥沙流失量比單作甘蔗減少了8.5%～23.2%，T-2、T-3處理的徑流量顯著小于CK處理。但同為間作貓豆的T-1、T-2與T-3處理的泥沙流失量差異較大，這與間作貓豆的不同株距有關，地表徑流中泥沙流失量的差異受到作物種植密度、地表植被覆蓋程度的影響。

2.5?不同處理對地表徑流總氮濃度的影響

由圖4可以看出，觀測期內的地表徑流總氮濃度為4.60～10.03 mg/L之間，且各處理的地表徑流中總氮濃度呈現先升高后平穩的趨勢。T-1、T-2、

T-3處理與CK的徑流中總氮濃度分別為6.03～9.38、5.92～8.88、4.60～9.55、6.63～10.03 mg/L。

2.6?不同處理對地表徑流中總磷濃度的影響

如圖5所示，觀測期內地表徑流總磷濃度為0.52～2.30 mg/L，T-1、T-2、T-3處理與CK的徑流銨態氮濃度變化范圍分別為0.52～1.53、0.57～2.30、0.58～2.05、0.65～2.00 mg/L，各處理間的總磷濃度波動較大。

2.7?地表徑流中氮、磷的含量特征

由圖6、圖7可以看出，各處理中硝態氮含量占總氮比例的變化范圍為54.48%～57.14%，銨態氮含量占總氮比例的變化范圍為12.07%～16.23%，其他氮含量占總氮含量比例的變化范圍為27.01%～33.46%，可溶性磷含量占總磷含量比例的變化范圍為10.54%～17.60%。徑流水樣中銨態氮含量要低于硝態氮含量，地表徑流中的無機氮以硝態氮為主。

2.8?甘蔗與貓豆間作條件下地表徑流中氮、磷的流失特征

由表3可知，各處理地表總氮、硝態氮、銨態氮、總磷、可溶性磷的流失量分別為7.04～9.51、3.73～5.09、0.98～1.35、1.01～1.49、0.10～0.16 kg/hm2，間作貓豆處理的徑流氮、磷流失總量均低于甘蔗單作處理。其中T-1、T-2處理的總氮、硝態氮流失量顯著低于CK處理，與CK處理相比總氮流失量分別減少了24.71%、25.97%，硝態氮流失量分別減少了24.95%、26.72%，T-2、T-3處理的銨態氮流失量顯著低于CK處理，與CK處理相比銨態氮流失量分別減少了27.41%、23.70%，T-1處理的總磷流失量顯著低于CK處理，與CK處理相比減少了42.28%。就各形態氮而言，硝態氮流失量＞銨態氮流失量，分別占總氮量的52.98%～53.94%、12.48%～15.36%，流失的氮以硝態氮為主。

2.9?氮磷與水土流失量的相關關系

對氮、磷及水土流失量進行進一步分析，由表4發現總氮、硝態氮、總磷流失量與徑流量達到極顯著相關性，相關系數分別為?0.73、0.80、0.85，徑流小區的氮、磷流失量與徑流量基本趨同，同時穿透雨率與總氮流失量、徑流量之間呈顯著正相關性，相關系數分別為0.80、0.77，與總氮、硝態氮流失量呈顯著正相關，相關系數為0.68和0.62。

3?討論

3.1?降雨量與徑流流失量的關系

農田土壤中氮、磷元素主要通過降雨造成的徑流流失進入水體環境，是農業面源污染中主要的污染源，可使地表水體富營養化、硝酸鹽淋溶并在地下水中富集等，同時降低肥料利用率，產生一系列不利于社會經濟可持續發展的問題［14-16］。土壤養分的流失量、流失形態受到季節降雨特征、降雨量、降雨強度和降雨方式等因素的影響［17-18］。覆蓋度是影響緩坡蔗區地表產流量的重要因素，降雨由于受到作物葉片的阻滯，減少了對土面的直接沖刷，同時減少了地表產流量，廣西的雨季主要從5月份開始，5—9月的降雨量占全年的86.98%［8］。在本研究中，全年單日降雨量超過50 mm的共有3 d，其中67%出現在6—9月，單日最大降雨量出現在6月5日，達到88 mm，地表徑流產流峰值也在該日出現，表明地表徑流量與降水量的變化趨同。

3.2?甘蔗間作貓豆對降雨再分配及水土流失量的影響

作物植被通過對降雨進行再分配，從而增大入滲、減小徑流，起到防治土壤侵蝕、改善土壤結構的作用［19］。間作模式增加了高低落差的層次，在相同降雨條件下，相較于單作時的1次緩沖，雨滴經高稈植株攔截后濺落至低矮稈作物時，形成2次緩沖，可以增加地表糙率，減弱雨滴沖擊地表的動能，增加徑流形成所需時間，從而減少地表徑流產生的次數，促使雨水滲入到土體中［20］。此外，間作模式下的根形分布更加錯綜復雜，加強了根系纏繞固結作用，進一步使固土保水能力得到增強［21］。甘蔗在降雨到達地面前改變了其空間分布，部分降雨經冠層截留后順莖稈流下，地表沒有雨滴的直接打擊，減少了由于濺蝕所導致的土壤侵蝕。前人研究發現，甘蔗冠下穿透雨率隨葉面積指數的增大而減少，到成熟期下降至49%［19］。在本研究中，甘蔗與貓豆間作處理的平均穿透雨率為54.7%～71.9%，均低于甘蔗單作的處理，其中T-2、T-3處理的平均穿透雨率低于T-1處理，說明增加貓豆間作密度，冠下穿透雨率有降低的趨勢，表明在小到中雨的降水強度下，甘蔗間作貓豆具有減少降雨直接接觸地表的作用，從而起到保持水土的效果。已有研究結果表明，與單作高粱、單作豇豆相比，高粱/豇豆間作分別可使徑流流失減少20%～30%、45%～55%［22-23］；與單作玉米相比，玉米‖紅三葉草間作可以使徑流顯著降低45%～87%，土壤侵蝕顯著降低46%～78%［24］。在本研究中，甘蔗與貓豆間作處理的泥沙流失量均小于甘蔗單作處理，通過間作貓豆，每年的泥沙平均流失量比單作甘蔗減少了9.4%～22.9%，間作處理的地表徑流量、泥沙產生量總體均表現為減少，與前人研究結果較一致。隨著貓豆種植密度的增大，甘蔗冠層內穿透雨率差異變大，可能是隨著種植密度增加，葉尖逐漸向行間伸展增加了隨機性，同時葉尖水滴向下方形成匯集出水，使分布變得更不均勻。

3.3?甘蔗間作貓豆對地表徑流氮、磷流失量的影響

間作在控制農田養分徑流流失方面表現出了顯著的降低作用，傅志興等研究發現，與單作模式相比，玉米‖青花菜和馬鈴薯可消減84.2%的總磷量［25］。與單作玉米、單作大豆相比，玉米‖大豆間作分別可使徑流中總磷含量降低25.6%、12.2%［26］。渭北旱塬坡耕地玉米‖苜蓿間作模式總磷、總氮的損失量分別比單作模式減少10.0、0.1 mg/kg［27］。在本研究中，與CK處理相比，甘蔗與貓豆間作的T-1、T-2處理的總氮流失量分別減少了24.71%、25.97%，硝態氮流失量分別減少了24.95%、26.72%。甘蔗與貓豆間作處理的總磷流失量少于甘蔗單作處理，其中T-1、T-2處理與CK相比差異達到顯著水平，與CK處理相比分別減少了42.28%、32.21%，但是可溶性磷的流失量波動較大，變化差異不顯著，可能由于施入的磷元素容易在土壤中被固定，使得大多數磷富集在土壤表層，而雨季多暴雨，降水強度高且持續性強，表土中顆粒態磷容易在降雨產流過程中隨水和泥沙的遷移而流失，另外酸雨的發生在一定程度上也促進了泥沙中磷素的溶解［28-29］。總體上看，地表徑流量和氮磷流失量受到間作措施的影響較大，通過間作貓豆能有效降低蔗地徑流量、氮磷流失量。

4?結論

通過甘蔗與貓豆間作，能降低甘蔗冠層下穿透雨率，減少因暴雨產生的徑流流失，相比單作甘蔗，地表產流量降低了8.7%～24.9%，泥沙流失量減少了8.5%～23.2%。當間作貓豆株距在1～2 m時，對減少緩坡甘蔗地徑流中氮、磷養分流失的效果最優，相比單作甘蔗，總氮、總磷流失量分別減少了13.25%～25.91%、6.71%～42.28%，可見甘蔗與貓豆間作能有效消減坡耕地蔗區徑流中的氮、磷流失。

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