不同施肥与耕作模式下紫色土坡地产流特征

2014-01-26田太强何丙辉闫建梅

水土保持通报 2014年3期

田太强，何丙辉，闫建梅

（西南大学资源环境学院三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400715）

近年来，由施肥而造成的面源污染问题越来越受到重视，径流和泥沙是面源污染的主要运输载体。降雨是产流的先决条件［1］，当降水强度大于林冠层、凋落物层的截流和土壤下渗强度时，便会形成地表径流［2］。广泛分布于中国川、黔、湘、赣、滇、浙、苏等省的紫色土发育时间短，空隙度大，入渗强，加之降雨丰富，使得该区土壤侵蚀极其严重［3］，是长江上游水土流失的主要发源地和江河水库泥沙的主要来源［4－5］。

目前，国内学者从耕作模式的角度对坡地产流机制及特性进行了大量的研究，郑海金等［6］研究表明红壤坡地3种耕作措施的蓄水保土效应为：横坡间作＞纵坡间作＞果园清耕；邱野等［7］在天然降雨条件下研究了不同耕作模式下的产流特征，认为顺坡传统耕作产流量大于横坡传统耕作径流量；林超文等［8］认为与顺坡垄作相比，横坡垄作能减少地表径流、地下径流、土壤侵蚀量及氮、磷、钾素流失量；也有研究表明，少耕、免耕在增加土壤持水性能，改善土壤结构，增加土壤通透性等方面有显著的效果［9－14］。

以上研究大多是基于单一坡面尺度或单一产流过程，系统研究坡面产流时间尺度的不多，尤其是野外长期观测试验的研究。因此，本文以重庆市最常见的种植模式（冬小麦—夏玉米轮作）为研究对象，在天然降雨的条件下，通过对紫色土坡地不同施肥与耕作模式下产流特性的研究，分析了不同处理年、月的径流量及径流系数的变化，旨在为紫色土坡地农业生产活动提供合理的施肥与耕作制度。本研究结果有助于认识坡地水文过程，对有效防治坡地水土流失和控制农业面源污染有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究试验地位于重庆市西南大学后山农场（106°24′20″E，29°48′42″N）。丘陵地貌，位于正西方向，山腰部位的15°坡耕地。试验点属亚热带季风气候，年平均降雨量1 100mm，年平均气温18.3℃，年日照1 270h。土壤为中等肥力水平的紫砂泥，质地为中壤。

1.2 试验设计

试验共设置15个小区，小区坡度为15°，每个小区规格为8m×4m，为防止各小区间发生水分和养分交换，小区之间用水泥墙的田埂隔开，埂宽20～30cm，墙体埋设在地下30cm，高出地面20cm，试验共布设5个处理：对照处理（T0），常规处理（T1），优化处理（T2），增量处理（T3），横坡耕作处理（T4），对照处理为顺坡耕作不施用任何肥料，常规处理为顺坡耕作农家肥和化肥混合施用，优化处理为顺坡耕作单施化肥，增量处理为顺坡耕作单施化肥增加施肥量，横坡垄作处理为单施肥化肥横坡垄作，每个处理设置3次重复。供试作物为小麦和玉米，顺坡种植行窝距为100cm×50cm，横坡种植行窝距为100cm×50cm，每年4月种植玉米，11月种植小麦，当年8月收获玉米，第二年5月收获小麦。各处理具体施肥量见表1。冬小麦施肥方法为：氮肥30%作为底肥，60%为拔节期追肥，10%为小麦孕穗期追肥；磷肥为一次性底肥；钾肥70%为底肥，剩下30%为拔节期追肥。夏玉米施肥方法为：全部磷肥和钾肥，1／3氮肥为底肥，剩下2／3氮肥为追肥。施用的氮、磷、钾肥分别为尿素（含N≥46.4%）、过磷酸钙（含P2O5≥12%）、氯化钾（含 K2O≥60%）、有机肥（N，P2O5，K2O约为0.24%，0.17%，0.21%），施肥方式为撒施。

表1 试验处理描述

1.3 径流观测及数据分析

每次降水后量测集水池径流的深度，径流深度与集水池底面积的乘积即为该次产生的径流量。每次量测完集水池的径流量之后，将集水池里的径流水样放掉，用清水清洗干净，以备下一次采样。在试验点布设自计雨量计一个，以便记录每次降雨的雨量。径流系数采用如下公式计算：

径流系数＝总径流量／产流总降雨量

本研究采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析，基础运算和一般统计分析采用Excel 2010进行。

2 结果与分析

2.1 降雨特征分析

对2008—2012年各月的产流降雨资料进行统计，试验区2008—2012年总产流降雨量分别为538.20，405.30，436.70，195.10，631.89mm，其中2008年产流降雨主要发生在4，6，7，8，9月，分别占全年产流降雨24%，20%，6%，8%，10.20%；2009年产流降雨主要集中在4—7月，分别占全年降雨的17%，14%，59%，10%；2010年产流降雨主要集中在4—7月，分别占全年的26%，15%，29%，30%；2011年产流降雨主要发生在5—7月，分别占全年的23%，60%，17%；2012年产流降雨主要发生在5—7月，分别占全年的45%，28%，27%。

综上所述，试验区5a平均产流降雨为441.44mm，产流降雨主要发生在4—9月，从各月产流降雨的平均值来看，6月出现产流降雨的峰值，这与储小院在重庆缙云山观测的降雨分布保持一致［15］。

2.2 不同处理年月径流量变化特征

对2008—2012年各处理月径流量求平均值，得到不同处理径流量月值变化过程（图1）。可以看出，各处理年内径流分配均呈单峰型趋势变化，4和9月径流量较少，6月出现径流量峰值，径流量与降雨量表现出相对一致的变化趋势，即降雨量越大，径流量越大，这与本课题的前期研究成果保持一致［16］。降水是影响土壤侵蚀的主要因素，而径流是影响土壤侵蚀的直接因素，随着降雨历时的延长，当土壤趋于饱和时便会形成地表径流，从而使坡面土壤颗粒产生移动和分离。紫色土区6月是产流的峰值期，也是土壤侵蚀的危险期，因而采取不同的农艺措施进行坡面水土流失的防治尤为重要。

表2反映了各处理年际径流量的变化情况，可以看出，施肥处理（T1，T2，T3）与对照处理（T0）、横坡垄作单施化肥处理（T4）与顺坡耕作单施化肥处理（T2）之间差异性均达到显著性水平，说明施肥和耕作对径流量的发生有显著性的影响，这与前期郭甜等［16］的研究结果保持一致。T0，T1，T2，T3，T4处理5a径流量平均值为55.11，35.44，38.82，40.84，28.93mm，依次为：T0＞T3＞T2＞T1＞T4，对照处理产生径流量最多，横坡垄作单施化肥处理产生径流量最小，施肥处理（T1，T2，T3）比对照处理（T0）径流量减少25.90%～47.50%，T4处理比T2处理减少25.46%。研究表明，在相同降雨条件及施肥水平下，横坡垄作能将降水最大限度的拦截，增加土壤入渗的时间，减少地表径流的发生，可见，横坡垄作对坡地地表径流的调控有重要作用。

图1 不同处理月径流量变化

表2 不同处理年际径流量比较

从表2还可以看出，不同年份之间径流量差异也比较大，经方差分析表明，同一处理不同年份之间的径流产生量差异显著，分析认为可能与降雨量有关，为了弄清降雨量对径流量的影响，对年径流量与降雨量进行回归分析与相关分析，各处理回归模型为：

式中：y——单位面积上的径流量（L／m2）；x——年降雨量（mm）；R2——决定系数。下同。

具体变化趋势为：径流量随降雨量的增大而增大，但T4处理模型相关性较差，其原因可能是横坡垄作处理改变了坡长和地面粗糙度，导致径流在地垄处大量淤积，降低了坡面径流能量，因而降雨量与径流量的相关性较弱。

2.3 不同处理年月径流系数变化特征

表3是不同年份各处理径流系数的变化情况，将T0，T1，T2，T3，T4处理5a径流系数求平均值，分别为：0.120，0.080，0.092，0.096，0.070，依次表现为：T0＞T3＞T2＞T1＞T4，且经方差分析发现，施肥处理（T1，T2，T3）与不施肥处理（T0）、横坡垄作单施化肥处理（T4）与顺坡处理单施化肥处理（T2）之间径流系数差异均达到显著水平。从不同年份来看，同一处理不同年份间径流系数差异性也达到显著性水平，从同一处理不同年份来看，T0，T1，T2，T3，T4处理径流系数总体呈减小的趋势，分析认为随着种植时间的延长，施肥可能改变了土壤理化性状和作物生长状况，例如土壤容重、作物覆盖度、储水量［17］、空隙度等因素［18］，导致土壤入渗能力增强，从而减少降雨转化为地表径流，导致径流系数减小。

表3 不同处理年际径流系数比较

径流系数反映了一个地区有多少降雨形成了地表径流，它综合反映了一个地区的植被和土壤等地表状况对径流的影响［19］。将2008—2012年各处理相同月份的径流系数求平均值，得到径流系数的月值变化过程。由图2可以看出，T0，T1，T2，T3，T4处理径流系数总体均呈变大的趋势，分析认为跟降雨量分布与作物生长情况有关，4—8月初是作物的生长期，8月初玉米收割完后，地表裸露较大，土壤容易板结，即使在降雨量很小的情况下，产流也相对较多，6月降雨量分布最多，但6月正值玉米抽雄开花期，作物生长旺盛，截流作用较强，所以在降雨量相差不大的情况下，6月的径流系数相对较小，4和5月因为降雨量分布较少，从而导致径流系数较小。

图2 不同处理月径流系数变化

3 讨论

关于影响地表径流量的因素较多，有雨强［20］、坡度［21］、土地利用类型［22］、土壤初始含水量［23］等。本文主要研究施肥与耕作对地表径流的影响。施肥能够减少地表径流，表明施肥可能改变了作物的生长情况，避免了雨滴直接打击土壤，延缓和阻止径流在坡面的形成和传递，有效的防治了土壤结皮，增加了土壤水分的入渗量和蓄积量，从而减少了地表径流，这与张兴昌等［16］的研究结果保持一致。不施肥条件下，农作物缺乏生长的必要元素，长势较差，保持水土的效果相对较差。在相同施肥水平下，横坡垄作较顺坡耕作能有效减少地表径流量的发生，是因为垄作有利于农作物根系下扎，增加了土壤的入渗和保蓄，同时垄沟有效的拦截了径流，减小了汇水面积，从而降低了坡面径流的能量，减轻了径流对土壤的冲蚀，这与袁东海等［24］研究结果保持一致，即同顺坡相比，等高土埂、水平草带、水平沟、等高农作有明显减轻水土流失的作用。

张洪江等［19］采用灰色理论对重庆缙云山不同植被类型地表径流系数进行了研究，但对坡地农作物不同施肥与耕作下径流系数的研究还少见报道。本文研究结果表明施肥与耕作对径流系数有显著影响，其原因可能是施肥和耕作改变了土壤结构，导致各措施的保水保肥能力不一样，从而各处理将降雨转化为地表径流的能力也有所差异，另外降雨量的分布和作物生长情况也对径流系数有一定的影响，本研究表明，在地表裸露的情况下，即使降雨量较小，径流系数也相对较大。

4 结论

（1）试验区产流时间主要集中在4—9月，6月出现产流降雨的峰值，月径流量与月降雨量的变化规律相对一致，月径流量随时间呈单峰型趋势变化，4和9月径流量较少，6月出现径流量峰值，年均径流量依次为：T0（55.11mm）＞T3（40.84mm）＞T2（38.82mm）＞T1（35.44mm）＞T4（28.93mm），施肥处理比对照处理径流量减少25.90%～47.50%，横坡垄作单施化肥处理比顺坡耕作单施化肥处理减少25.46%，年降雨量与年径流量呈幂函数关系。

（2）年均径流系数依次表现为：T0（0.120）＞T3（0.096）＞T2（0.092）＞T1（0.080）＞T4（0.070），作物生长期内月均径流系数总体呈增大的趋势，其原因与降雨量及作物生长情况有关，有待于进一步分析；方差分析表明不同处理间年径流系数、年径流量差异性达到显著性水平。

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