保护性耕作措施对陡坡地养分流失的影响

陈静蕊，刘 佳，王惠明，熊鸿飞，刘 晖，徐昌旭*，秦文婧

(1.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/农业部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室，江西 南昌 330200；2.江西省农业环境监测站，江西 南昌 330046；3.江西省石城县能源办，江西 石城 342700)

中国有1.217 3亿hm2耕地，其中坡耕地占三分之一，主要分布在中国西南丘陵和山地地区。坡耕地既是人类赖以生存的重要生产资料，也是水土流失最为严重的耕地类型[1-2]。坡耕地作为我国南方丘陵山区重要的耕地资源，因受西南和东南季风的影响，降水丰沛，时间分布集中，土壤侵蚀严重。以长江为例，每年其来沙量的60%～78%源于坡耕地[3]。这些流失的泥沙及水体中的氮、磷等养分进入水体后，导致水体富营养化，进而引起一系列的生态环境问题。

种植业的集约化经营和为追求高产而过量使用化肥引起的农业面源污染问题受到越来越多的关注[4-5]。农业面源污染物的大量输出，特别是农田径流中氮、磷输出是构成地表水体富营养化的主要原因[6-7]，地表径流流失养分对湖泊、河流富营养化养分的贡献率高达50%～60%[8]。坡耕地，尤其是陡坡地作为最易水土流失的耕地类型，其地表径流中携带氮、磷的输出更是不可小觑。为应对坡耕地的养分流失，国内外专家近年来已提出大量的保护性耕作管理措施，其中以横坡垄作与等高植物篱耕作管理措施在坡耕地上的应用最为常见且有效[9-11]。因此，针对这两种主要措施在旱坡地的截留效应的研究较多[10,12]。但多集中关注于保护性耕作措施对全年径流量及氮磷流失量等截留效应，而对保护性耕作措施下，径流量、氮磷流失量、径流水中氮磷浓度变化在全年内不同时段分配比例的研究相对较少[13]。只有了解了氮磷流失量在不同时段的分配比例，才能更好地针对流失集中的时期采取相应的措施，减少农田的养分流失。本项目以江西省占地面积较大的陡坡旱地为研究对象，重点关注保护性耕作措施在不同作物生长季对径流量、径流水中氮磷浓度的变化的影响，以及径流量及不同形态氮磷流失量的季节分配，以期为南方陡坡旱地的养分流失控制及合理农业生产管理措施的实施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 监测点概况

本监测点为农业部面源污染监测项目布控在江西省的13个国控监测点中的一个，位于江西省赣州市石城县屏山镇罗陂村胜塘组(东经116.268°，北纬 26.245°)。地处亚热带湿润气候区，年均温18.1℃，年均降水量为1 919.6 mm。地形为陡坡地，坡度15°，土壤类型为紫色土。耕作层土壤基本理化性状见表1。

1.2 试验设计

本试验共设 3个处理：常规处理即顺坡垄作(CK)，优化处理1即横坡垄作(KF)，优化处理2即横坡垄作+秸秆行间覆盖(BMP)。每个处理 3 次重复。试验径流小区按照国控监测点统一标准建设，各径流小区用砖混结构田埂分隔，小区面积 10 m×4 m=40 m2。每个小区对应1个径流池，径流池容积3.2 m3(长×宽×高：4 m×0.8 m×1 m)。

本试验的监测时间为2015年1月1日至12月31日。周年轮作模式为：烟草-甘薯。供试烟草品种为云烟87，甘薯为本地常规品种。烟草移栽时间为2015年3月7日，收获时间为2015年7月30日，此期间称为烟草季；甘薯扦插时间为2015年8月12日，收获时间为2015年11月23日，此期间称为甘薯季，全年其余时间称为休闲季。烟草季施肥方案按照当地烟草公司的施肥标准，3个处理的化肥施用量一致，折N、P2O5、K2O分别为241.5、257.9和775.8 kg·hm-2。BMP处理烟草移栽当日行间覆盖水稻秸秆5 003 kg·hm-2，折合N、P2O5、K2O的养分含量分别为2.00、0.33和2.67 kg·hm-2。烟草移栽前一周沟施基肥，基肥品种为复混肥(N-P2O5-K2O=6-7-10)，用量为3 480 kg·hm-2，3月17日追施尿素27 kg·hm-2，3月27日追施碳酸氢铵36 kg·hm-2，4月6日追施硫酸钾和硝酸钾各250.2 kg·hm-2，4月21日追施三元复合肥(N-P2O5-K2O=15-15-15)94.5 kg·hm-2，4月29日追施硫酸钾和硝酸钾各187.5 kg·hm-2。因为本试验地地形的原因，水土流失系数较高，为充分利用烟草季大量施用的磷钾肥料，减少氮磷的流失，甘薯季仅施氮肥，在甘薯扦插15 d后一次施入，肥料品种为尿素，3个处理用量均为525 kg·hm-2。

1.3 样品采集与制备

1.4 数据分析

不同形态氮、磷素年流失量：整个监测周期中(一个完整年)每次径流水中某形态氮(磷)浓度与径流水体积乘积之和。计算公式如下:

式中：P为氮(磷)素流失量，kg·hm-2；Ci为第i次径流水中氮(磷)的浓度；Vi为第i次径流水的体积；n为径流水样次数。

由于本试验的设计中没有不施肥作为对照处理，因此，养分利用率提高比例的计算是以常规处理的养分吸收量/施肥量为100%来计算其他两个处理的养分利用率。

数据分析应用SPSS 11.0软件与Excel 2003软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同处理对径流水中氮、磷浓度变化的影响

径流水中TP和TDP浓度均值不同作物生长季各处理之间差异不大。TP和TDP全年的浓度均值分别集中于0.09～0.18和0.05～0.10 mg·L-1(表2)。同一处理，TP和TDP浓度均值均随着生长季的推移呈下降趋势，但季节之间差异不显著。就径流水中TP和TDP浓度的最大值来看，与CK处理相比，KF和BMP优化处理后均能降低不同季径流水中TP浓度的最大值，KF均能降低不同季径流水中TDP浓度的最大值，而BMP处理在甘薯季和休闲季则略提高了径流水中TDP的浓度最大值。

表2 不同处理径流水中氮、磷浓度的季节变化 (mg·L-1)

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同处理地表径流及氮磷流失量的季节分配

2.2.1 不同处理径流量的季节分配

由图1A可以看出，本监测点全年的径流量随降雨量的变化趋势基本保持一致。全年降雨较少的1～4月份，产生径流量也较少。全年径流量最大值出现在降雨量最高的5月，CK、KF和BMP的径流量分别为1 924、1 879和1 304 m3·hm-2。CK、KF、BMP 3个处理的全年径流量分别为5 553、5 347和2 905 kg·hm-2(表3)。KF处理较CK处理减少了3.7%的径流量，而BMP处理分别较CK和KF处理减少了48%和46%的年径流量。这表明，本试验中单纯的横坡垄作在减少陡坡地的径流方面效果有限，而横坡垄作与秸秆覆盖相结合则有明显的效果。林艺等[15]、范成五等[16]的研究均表明，在旱坡地(坡度为15°)，横坡垄作较常规的顺坡种植能显著减少地表径流量。然而，在降雨强度增大到 1.5 mm·min-1时，则易发生断垄现象，反而会增大土壤侵蚀。在本试验中，监测点的土壤质地为重粘土，至本年度监测结束，横坡垄作处理的垄高虽有降低，但垄依然保持完整，因此并不存在断垄现象。在本年度的5～7月，该区域总降雨量达1 188 mm，单日降雨量超过50 mm的暴雨共计7次，而单日降雨超过100 mm的有3次，3个不同处理5～7月的径流量占全年的径流量均超过50%。由于降雨强度是地表径流的原动力，大雨强条件下，地表径流量是中雨强和小雨强的数倍[17]。因此推测，在本区域高强度降雨形成的地表径流是全年径流产生的主要形式，由于土壤质地的原因，土壤对降雨的吸收能力有限，因而，降雨过程中在垄沟内积聚的水会很快漫过垄面向坡底迁移。由于降雨强度大，持续时间相对短暂，故而单纯横坡垄作的截留作用效果不明显。而横坡垄作与秸秆覆盖相结合的条件下，秸秆一方面可以吸收部分降雨，提高其起始产生径流的降雨量；另一方面，短时强降雨形成的径流越过垄面向坡底迁移的过程中，秸秆也能减缓径流的流速，既减少对垄面的侵蚀，又延长径流在坡面的保持时间，起到双重的截留作用。因此，二者结合才能对陡坡地的地表径流产生显著的截留效果。

图1 不同处理径流量、径流水中各形态氮磷流失量的季节分配

处理径流量TNNO-3-NNH+4-NTPTDPNO-3/TNNH+4/TNTDP/TP(m3·hm-2)(kg·hm-2)(%)CK5553a1591a635a136a101a057a39985563KF5347a1372a476a101a045ab026b34773571BMP2905b490b158b050b029b017b323101569

2.2.2 不同处理对地表径流及径流中氮流失量的影响

不同处理全年径流水中TN流失量的季节分布见图1B。3个处理径流水中TN全年流失量不同月份的分配与径流量的分配表现相似，1～4月份TN的流失量较少，5月最多，CK、KF、BMP 3个处理分别为6.72、7.04和2.03 kg·hm-2，其它各月多维持在1.0 kg·hm-2左右。CK、KF、BMP全年 TN流失量依次为15.91、13.72和4.90 kg·hm-2(表3)。

CK、KF、BMP 3个处理硝态氮的最大值流失量也出现在5月，分别为4.13、2.92和0.98 kg·hm-2(图1C)。CK、KF、BMP 3个处理硝态氮的年流失量分别为6.35、4.76和1.58 kg·hm-2。除无产生径流的1月份外，处理之间不同月份硝态氮的流失量均表现为CK>KF>BMP。径流水中铵态氮全年不同月份的流失量分配与硝态氮表现一致(图1D)，CK、KF、BMP 3个处理全年的铵态氮流失量分别为1.36、1.01和0.50 kg·hm-2。方差分析结果表明，CK和KF处理之间硝态氮、铵态氮流失量差异不显著，但二者的两种无机氮流失量显著高于BMP处理。

由表3可以看出，TN、硝态氮和铵态氮的年流失总量，处理之间均表现为CK和KF处理差异不显著，但二者显著高于BMP处理。这与径流量3个处理之间的差异表现一致。3个处理硝态氮的年流失量占TN年流失量的比例均超过30%，而铵态氮年流失量占TN年流失量较小，最大值为BMP的10.1%。这表明，硝态氮是紫色土氮素流失的主要形式[18]。

2.2.3 不同处理对地表径流中磷流失量的影响

径流水中TP和TDP的流失量在不同月份的分布与降雨在全年不同月份的分布表现一致(图1E,F)，TP和TDP流失量的最大值也出现在降雨最高的5月，CK、KF、BMP 3个处理TP和TDP的流失量分别为0.55和0.30 kg· hm-2、0.15和0.08 kg·hm-2、0.12和0.06 kg·hm-2。结合表2中径流水中TP和TDP的全年流失量可以看出，5月份的磷流失量占到全年总流失量的一半左右。这意味着，径流水中磷的流失与径流量之间的关系可能不仅仅是简单的线性相关关系。在同等降雨量且径流量接近的条件下，单次的高强度的降雨形成的高径流量造成的磷流失可能远大于低强度多频次的低径流量造成的磷流失。换言之，磷的流失受雨强的影响较大，雨强越大，磷损失量显著增加[1]。

2.3 降雨量与地表径流的相关分析

为了明确不同处理下降雨量与径流之间的相关性，对3个处理的降雨和径流分别进行了相关分析(图2)。不同处理的径流量均与降雨量呈极显著的正相关关系(P<0.01)。为了明确优化处理后降雨对径流的产生，对3个处理回归方程的斜率进行了方差分析，结果表明，CK和KF处理的斜率之间无显著差异，但二者与BMP处理之间差异显著(表4)。这表明，在相同强度降雨条件下，BMP能产生比CK和KF更小的径流量。同时，按照拟合曲线推算发生径流的最小降雨量，CK和KF的最小降雨量分别为26.95和22.93 mm，而BMP处理的最小降雨量为67.15 mm。

图2 不同处理降雨与径流量的相关分析

处理斜率起始产流的最小降雨量(mm)CK2708a2695KF2643a2293BMP1853b6715

2.4 不同处理对作物产量、养分积累及养分利用的影响

CK、KF和BMP 3个处理烟草季烟叶的产量分别为1 016.25、1 075.50和1 031.00 kg·hm-2；甘薯季的产量分别为26 437.50、28 335.50和27 557.65 kg·hm-2(表5)。虽然两季作物的产量处理之间均表现为KF>BMP>CK，但差异均未达到显著水平。CK、KF和BMP 3个处理全年的N养分吸收量分别为151.15、153.83和152.37 kg·hm-2；全年的P养分吸收量分别为7.18、7.56 和7.80 kg·hm-2。与CK处理相比，KF处理的氮磷养分利用率分别提高了1.72%和5.59%，BMP处理可能由于施肥量偏多，导致氮的养分利用率降低了5.12%，但磷的利用率则较CK处理提高了6.59%。

表5 不同处理对植物全年养分吸收量及养分利用率的影响

3 结论

横坡垄作虽然能够降低紫色土陡坡地地表径流量、径流水中氮磷养分的流失量，但是其截留效果不显著。而横坡垄作+秸秆覆盖对陡坡地地表径流及径流水中不同形态氮磷流失量均有显著的截留效果。

横坡垄作+秸秆覆盖能显著地提高起始产流的最小降雨量。

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