不同农作措施对黄绵土坡耕地地表径流养分流失及玉米产量的影响

罗照霞，杨志奇，马忠明，杨虎德

(1．天水市农业科学研究所，甘肃 天水741000;2．甘肃省农业科学院，甘肃 兰州730070;3．甘肃省农业科学院 土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州730070)

(责任编辑 徐素霞)

黄土高原是世界最大的黄土沉积区，黄绵土疏松易侵蚀和崩塌，地面破碎，平地少斜坡多，植被稀疏，降水多集中在夏季且多暴雨，加之不合理的耕作制度，使得黄土高原易发生水土流失，氮、磷等养分物质通过农田地表径流和农田渗漏等流失，一方面使土壤肥力下降，另一方面导致水环境污染。农业生产和生活活动引起的农业面源污染，已经成为水环境污染最重要的来源［1］。从源头上减少氮、磷排放，阻止其进入水体，是控制农业面源污染的关键［2－4］。有研究表明，引起水体富营养化的养分有50% ～60%来源于农田地表径流［5］。黄绵土坡耕地是黄土高原区主要的耕地类型，但因长期以来氮、磷肥过量及不合理施用，出现了不同程度盈余富集，导致降雨时地表氮、磷养分流失量较大，不仅降低了养分利用效率和施肥效益，还提高了径流水中的养分含量，从而对地表和地下水环境构成了较大威胁。

坡耕地水土流失导致区域土壤质量退化和土地生产力下降。南秋菊等分析认为坡耕地土壤养分流失的关键因素为降雨特征、土壤性质与地形因素、耕作与管理措施［6－7］。李裕元等研究认为降雨导致有效养分在坡面迁移与流失是坡地土壤质量退化的主要原因［8］。邱学礼等认为地表覆盖率是影响坡耕地水土流失的主要因素［9－10］。梁斐斐等研究认为，降雨强度是影响坡耕地氮、磷流失的主要因素，降雨强度越大，氮、磷流失越严重［11］。长期以来，对黄土高原区黄绵土坡耕地地表径流氮、磷流失的研究鲜有报道。为此，本试验试图通过对不同种植模式与施肥模式下黄绵土地表径流氮、磷流失特征的研究，得出主要种植模式与施肥模式下地表径流中氮、磷的流失规律及流失系数，以期为确定该区种植业面源污染物流失系数提供依据。

1 材料和方法

1．1 供试材料

供试作物春玉米品种为中单2 号。供试有机肥为农家肥(全氮、全磷和全钾的平均含量分别为0.221%、0．067% 和0．31%)、氮肥为尿素(含N 为46．4%)、磷肥为过磷酸钙(含P2O5为12%)。

1．2 试区概况

试验设在天水市农科所中梁试验站试验示范基地(34°05'N、104°05'E)，地处天水市秦州区中梁乡三湾村。该区属温带大陆性气候，年平均气温为11．5 ℃，平均海拔1 650 m，年降水量500 ～600 mm。监测点地块为山坡地，坡度15°，属黄河支流渭河流域，是甘肃核心侵蚀区之一，在正常种植情况下地表径流可造成中度侵蚀。监测点土壤属黄绵土，pH 值8．6，土壤肥力指标为:有机质11．87 g/kg，全氮0．76 g/kg，全磷0．69 g/kg，有效磷18．55 mg/kg。

1．3 试验设计

试验共设6 个处理:①对照(CK)，不施任何肥料+条膜平作;②常规施肥+条膜平作(CON);③优化施肥+条膜平作(OPT);④优化施肥+条膜垄作(OPT +TR);⑤优化施肥+全膜平作(OPT+FM);⑥优化施肥+全膜双垄沟+免耕(OPT+TR+FM+NT)。

常规施肥:农家肥15 000 kg/hm2、尿素300 kg/hm2;优化施肥:农家肥22 500 kg/hm2、尿素675 kg/hm2、过磷酸钙1 050 kg/hm2、硫酸钾225 kg/hm2。除1/3 的尿素用于大喇叭口期追肥外，其余肥料起垄前均匀撒在地表作基肥。平作:宽行行距60 cm，窄行行距40 cm;垄作:垄面宽60 cm，垄沟40 cm，垄高15 cm，垄面种植;双垄沟:小垄宽40 cm、垄高15 cm，大垄宽60 cm、垄高10 cm，垄沟种植。玉米株距均为33 cm。

随机区组，3 次重复，小区面积30 m2(顺坡7．5 m×横坡4 m)，不同小区之间用砖支砌，每个小区建一个径流池(径流池尺寸为长1 m ×宽1 m ×高1．2 m)用来收集小区径流雨水。2008年4月20日播种，10月20日收获。横坡行播，人工点播，保苗6 万株/hm2，小区内玉米于成熟期全部收获测产，其他田间管理措施同当地大田。

1．4 测定项目及计算方法

1．4．1 径流水样采集与分析

每次降雨产生径流后，记录各径流池水面高度(mm)，计算径流量。在记录径流量后采集径流水样，采样前先用清洁木板充分搅匀径流池中的径流水，然后利用清洁容器在径流池不同部位、不同深度多点采样(至少8 点)，每小区采集2 个平行径流水样，并立即将水样冷冻保存。每瓶水样不少于500 mL，一个供分析测试，另一个作为备用。分析指标为总氮(TN)、硝态氮(NO3－－N)、铵态氮(NH4+－N)、总磷(TP)和可溶性磷(TDP)。

总氮测定采用碱性过硫酸钾消解分光光度法;硝态氮、铵态氮测定采用流动分析仪法;总磷测定采用钼锑比色法;可溶性总磷测定采用过硫酸钾氧化－钼蓝比色法。

1．4．2 计算方法

以地表径流途径流失的氮、磷量等于整个监测周期中(一个周年)各次径流水中氮、磷的质量浓度与径流水(或淋溶水)体积乘积之和。计算公式为

式中:P 为氮或磷的流失量;Ci为第i 次径流水中氮或磷的质量浓度;Vi为第i 次径流水的体积;n 为径流水样监测次数。

氮、磷流失系数以流失率(%)表示。以氮素为例，计算公式为

氮肥流失率(%)=(某处理氮肥流失量－对照氮肥流失量)/某处理氮肥施用量×100%

采用Excel 软件作图，用SPSS 16．0 进行数据显著性分析，并用LSD 法检验试验结果的差异显著性。

2 结果与分析

2．1 不同种植模式与施肥量下地表径流的产流特征

监测期间降雨共产生了11 次径流。其中，6月份产生径流3 次，产流量最大;4月份产流量最小。从表1 可以看出，总体上陡坡地平作产流量高于垄作，不利于防止水土流失，起垄种植在一定程度上可以减轻雨水向下冲刷带走大量泥土进而带走部分养分，有利于当季作物吸收利用。

表1 不同种植模式与施肥量下的产流特征

2．2 不同种植模式与施肥量对地表径流中氮、磷质量浓度及形态的影响

2．2．1 地表径流中氮、磷质量浓度分析

由表2 可见，优化施肥处理的地表径流中氮、磷质量浓度较对照(CK)和常规施肥处理(CON)高。对照处理总氮和总磷质量浓度分别为8.967 和0．125 mg/L，常规施肥处理分别为9．692 和0．173 mg/L;优化施肥的4 个处理总氮和总磷平均质量浓度为12．421和0．253 5 mg/L，较对照分别增加38．52% 和102．80%，较常规处理分别增加28．16%和46．53%。由以上结果可以看出，即使不施任何肥料，只要有地表径流产生就会有氮、磷流失，而施肥则增加了氮、磷的流失，加剧了对农田水环境的污染。

表2 不同种植模式及施肥量下地表径流中氮、磷的质量浓度 mg/L

2．2．2 地表径流中的氮、磷形态分析

地表径流中总氮、总磷养分流失一般以泥沙结合态为主，本试验监测年随地表径流产生的泥沙量极少，因此集中对地表径流水中的总氮、总磷进行了测试研究。表3 数据显示，试验中总氮流失较总磷大得多，不同处理可溶性总氮(TDN)占总氮(TN)的9．36% ～14．10%，可溶性总磷(TDP)占总磷(TP)的58．87% ～81．60%。在可溶性无机养分中以硝态氮为主，其次是铵态氮。因为旱地土壤通气性良好，硝化作用较强，尿素施入土壤中很快经氨化作用转化成铵态氮，又经硝化细菌作用很快转化成硝态氮，且硝态氮大多存在于土壤溶液中，遇强降水便造成损失，而铵态氮易被带负电荷的土壤胶体吸附，不易随径流水流失。

表3 不同种植模式及施肥量下地表径流中氮、磷形态 %

2．3 不同种植模式与施肥量下地表径流中氮、磷的流失量

由表4 可以看出，优化施肥条件下，OPT +FM 处理的总氮、铵态氮、总磷、可溶性总磷流失量最多，分别达到5．313 5、0．177 4、0．112 2 和0．065 0 kg/hm2，氮、磷流失系数也最高，分别为0．939 3%和0．126 9%;OPT+TR +FM +NT 处理的总氮、铵态氮、总磷、可溶性总磷流失量最小，分别为2．756 3、0．130 2、0．051 3和0．039 4 kg/hm2，氮、磷流失系数也最小，分别为0．229 4%和0．028 1%。优化施肥4 个处理总氮、总磷平均流失量分别为3．785 1、0．078 9 kg/hm2，与CK相比分别增加96．06%、132．06%，与CON 处理相比，总氮、总磷平均流失量分别增加8．84%、11．76%。试验结果与司友斌等［12］的研究结论一致，耕地上肥料的流失比例随施肥量的增加而增加。

表4 不同种植模式及施肥量下地表径流中氮、磷流失量

2．4 不同种植模式与施肥量对玉米产量的影响

从计算结果和图1 可知，就籽粒产量而言，优化施肥处理＞常规施肥处理＞对照。其中，OPT +TR +FM+NT 处理产量最高，达到6 907．78 kg/hm2，较CK 和CON 分别提高19．53%、13．06%，差异显著。4 个优化施肥处理相比，OPT +TR +FM +NT 处理产量较OPT、OPT+TR、OPT+FM 处理分别提高11．04%、5．74%和3．05%，各处理之间差异都不显著。玉米秸秆产量的变化趋势和籽粒产量基本一致，都是优化施肥处理＞常规施肥处理＞对照。分析氮、磷流失量可知，流失量大的处理带走的氮、磷养分也多，这既不利于作物生长，又不利于防止水土流失。研究表明，农业生产中过剩的氮、磷是面源污染的主要来源，没有被当季作物吸收利用的氮、磷，部分以地表径流、地下淋溶的形式流失，部分氮以氨挥发的形式流失，剩下的少部分氮和大部分磷残留在土壤中。残留在土壤中的氮、磷在为后茬作物提供营养的同时，也增加了随地表径流流失的风险，导致了农田周边水体的富营养化［13］。

图1 不同种植模式及施肥量下玉米籽粒和秸秆产量

3 结论与讨论

(1)试验过程中发现，在相同雨强和降雨量条件下，平作的地表径流量最大，土壤侵蚀也最剧烈;降雨强度大的阶段产生的径流量也大，从而产流系数也大。这一结论与林超文等［14］的研究一致。张丽等人也认为，作物生育期和降雨量、降雨强度都是影响坡耕地养分流失的重要因素［15］。本研究结果表明，陡坡地横坡平作种植不利于拦蓄地表径流和提高土壤含水量。试验中产生地表径流的降雨，一般是强度较大的暴雨，入渗强度小于降雨强度而形成径流，与前人研究结果［16］一致;或者是强度不大但持续不断的中小雨，表层土壤达到饱和后继而形成径流。不同覆膜条件下，全膜平作地表径流的流速快且流量多;条膜之间的土壤行距能使一部分降雨渗漏淋溶，一定程度上可以阻止地表径流流失;全膜垄作垄沟间蓄积大量雨水，地膜接缝处雨水自然渗透，增加了降水向下的淋溶效果，但是要注意垄的保护和定期维护。

(2)优化施肥处理地表径流中的氮、磷质量浓度较CK 和CON 处理高。肥料施用量是影响地表径流中氮、磷质量浓度的主要因素，施肥增加了地表径流中氮、磷的质量浓度，农作措施的影响相对较小。王春梅等研究表明，肥料的大量使用是造成菜地地表径流氮、磷流失的重要原因［17］;鲁耀等认为，不同农业措施主要通过地表径流量影响坡耕地氮、磷流失的多少［18］;林超文等认为，在玉米整个生长季，降雨产生的地表径流中总磷的质量浓度变化受耕作措施的影响较小［14］。本试验结果表明，即使不施任何肥料，只要有地表径流产生便会有氮、磷流失，对农田水体环境形成威胁。

(3)施肥量相同的情况下，横坡平作+全膜覆盖的氮、磷流失量最大，带走养分也最多;施肥量增加，氮、磷的流失总量与流失系数相应提高。优化施肥、横坡垄作和秸秆覆盖等农艺措施能降低氮、磷流失量，尤其是横坡垄作种植相对于顺坡垄作氮、磷流失量降低了2/3 左右［18］。王云等研究表明，径流水氮、磷养分流失总量与施肥量呈正比［19］。本试验得出相同的结论，施肥和径流量是影响地表径流氮、磷流失的主要因素，施肥导致氮、磷养分流失量增加，径流量大产生的氮、磷流失量相应也大。硝态氮流失量较铵态氮大，是因为硝态氮比较容易流失。氮素流失量明显高于磷素，可能是因为磷素在土壤中吸附固定作用很强，不易被雨水淋溶损失。

(4)优化施肥处理的玉米产量都高于CK 处理和CON 处理，CON 处理高于CK 处理。OPT +TR +FM +NT 处理产量最高，达到6 907．78 kg/hm2，较对照增产19．53%，差异显著。这一结论与前人研究结果一致，认为施用缓控释肥或优化氮磷钾肥配比可提高玉米产量和肥料利用率［20－22］。本试验中OPT + TR + FM +NT 处理产生的径流量最少，带走的氮、磷养分少，有利于作物产量的提高。结合氮、磷流失量考虑，黄绵土陡坡地种植稀播作物的最佳模式为OPT + TR + FM +NT，既能保持作物稳产增产，又能防止水土流失，减少氮、磷流失造成的面源污染。本试验结果与陈玲［23］等的研究结果一致，认为采取横坡垄作、平衡施肥等保护性耕作措施可减少养分流失;但何晓玲等认为横坡垄作并不是一种综合效益很好的耕作措施，平作控制水土流失效果更好［24］。这可能与土质、坡度大小等有关。本研究中，整个玉米生育期坡底的玉米长势一直处于劣势，可能是由于自上而下径流量大小不同，越到坡底径流量汇聚越多，带走的养分也越多，导致作物不能充分吸收利用;也可能是因为斜坡顶部接受日照的时间长，温度较底部高，因而作物长势较坡地好。对于这一现象的产生原因，试验还将进一步探究。

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