横坡垄作和秸秆覆盖对坡耕地水土养分流失的影响

张鸿燕，徐德胜，赖发英，王惠明，林小兵，刘 晖，马 静，王 军

（1 江西省农业生态与资源保护站，江西进贤 331717；2 江西农业大学；3 江西省红壤研究所）

坡耕地土壤养分流失是土壤与降雨、径流相互作用的结果[1]，流失的泥沙及水体中的氮、磷等养分进入水体后，易造成水体富营养化[2]，形成流域性面源污染。为应对农业耕作引起的面源污染，已提出并应用了大量保护性耕作措施[3]，其中横坡垄作由于与径流方向垂直，可以有效地拦截地表径流，能减慢径流和沙化过程，从而减少养分流失[4]；秸秆覆盖由于能够阻止雨滴直接打击土壤表面，可以提高雨水的土壤蓄积量，从而保蓄土壤水分，减少水土流失[5-6]，还可增加土壤中的有机质和养分含量，具有较好的生态效应[7]。秸秆覆盖和横坡垄作能够有效地减少土壤侵蚀和地表径流的发生，为农作物的生长提供更多的土壤养分及水分等[8]。

针对秸秆覆盖和横坡垄作在坡耕地的截留效应的研究较多[9-10]，但研究多集中关注于耕作措施对径流量及氮磷流失量等影响，而忽视了对作物养分元素和土壤养分的影响[11]，或者有的研究方法是在模拟降水条件下进行，不能全面地认识季节变化及土壤养分流失的影响[12]。因此，本研究以江西省紫色土坡耕地为研究对象，通过田间小区试验，开展大豆季下横坡垄作和秸秆覆盖措施对作物产量、土壤养分、地表径流及土壤养分流失量等影响，以期为南方陡坡旱地的养分流失控制，农业面源污染防治提供科学依据，具有重要的现实意义。

1 材料方法

1.1 试验区概况

试验地位于江西省赣州市石城县屏山镇罗陂村，116°16′48″E，26°14′42″N，为农业部面源污染监测项目国控监测点之一。地处亚热带湿润气候区，年均温18 ℃，年均降水量为1 918 mm，地形为陡坡地，坡度为15°，土壤类型为紫色土。耕作层土壤基本理化性质（0～20cm）：pH 值7.07，有机质12.50g/kg，全氮1.48g/kg，硝态氮2.15mg/kg，铵态氮3.50mg/kg，全磷0.86g/kg，有效磷7.10mg/kg，速效钾330mg/kg。

1.2 试验设计

本试验共设计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），随机区组，每个处理重复3 次。试验地径流小区用砖混结构将田埂分隔，小区面积10m×4m=40m2。每个小区对应1 个径流池，径流池容积3.2m3。本试验的监测时间为2016 年1 月1 日至12 月31 日，2015 年种植模式为：烟草——甘薯。2016 年种植模式为大豆，为本地常规品种。种植时间为2016 年5 月6 日，收获时间为2016 年11 月23 日，全年其余时间称为休闲季。大豆施肥方案按照当地施肥标准，3 个处理的化肥施用量一致，折N、P2O5、K2O分别为191.25、0 和0kg/hm2。

1.3 样品采集与制备

降雨数据来源于石城县气象部门的监测结果；径流水样在每次产生径流后的次日上午采集；采集的降水样和径流水样及时放置冰箱中冷冻保存。大豆收获季，将大豆和秸秆分开采样，按照5 点法混合采样。土壤检测指标主要为含水率、pH、有机质、总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）、总磷（TP）、速效磷（A-P）、总钾（TK）、速效钾（A_K）；水样的测定指标主要为总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）、总磷（TP）、可溶性总磷（TDP）。

1.4 数据分析

本试验所有数据计算和统计分析通过R 语言(www.r-project.org)统计软件进行，方差分析采用R 语言程序包vegan 完成，并通过Tukey HSD 检验法对各处理进行差异显著性检验，所有制图通过R 语言软件程序包ggplot2 完成。

2 结果与分析

2.1 试验点降雨特征

降雨数据来源于石城县气象部门的监测结果。2016年5月6日～2016年11月23日降雨总量962.5mm，降雨日31 d，最长连续无雨日数26d（2016-05-21～2016-06-15），最大单次降雨量198.0mm（2016-6-16），单次雨量10mm 以上的降雨20 次（图1），产生径流的降雨12 次。可见，2016 年大豆生育期总降雨量丰富，属于较正常的气候条件。

2.2 不同处理对大豆产量和养分积累的影响

图1 2016 年大豆生育期降雨分布

CK、KF 和BMP 3 个处理大豆产量分别为2158.93、2187.9 和2205 kg/hm2（图2B），表现为BMP＞KF＞CK，但差异均未达到显著水平，与CK 相比，KF和BMP 处理分别提高了1.34%和2.13%。大豆秸秆产量分别为19342.05、19300.95 和19717.5kg/hm2（图2A），与CK 相比，BMP 处理提高了1.94%，而KF 处理降低了0.21%。

图2 不同处理对大豆产量和养分积累的影响

在大豆秸秆（废弃物）表现为，与CK 处理相比，KF处理的含水率和总氮分别增加了1.65%和7.21%，而总磷和总钾分别降低了6.72%和9.03%；BMP 处理的含水率、总氮、总磷和总钾分别增加了0.93%、5.41%、10.45%和9.47%。在大豆（经济作物）方面，与CK 处理相比，KF 处理的含水率、总氮和总磷分别增加了1.67%、1.82%和1.89%，而总钾降低了28.87%；BMP 处理的含水率、总氮和总磷分别增加了3.60%、11.74%和9.47%，而总钾降低了25.69%。

2.3 不同处理对土壤pH 和养分积累的影响

与CK 相比，KF 处理的土壤含水率和有机质分别增加了9.94%和22.65%，而土壤pH 降低了3.02%；土壤总氮、硝态氮和铵态氮分别增加了11.41%、22.93%和39.07%；土壤总磷和总钾分别降低了3.66%和1.39%，而速效磷和速效钾分别增加了78.18%和9.94%；其中KF 处理的土壤铵态氮和速效磷显著高于CK（图3）。与CK 相比，BMP 处理的土壤含水率、pH 和有机质分别增加了17.70%、0.37%和29.06%；土壤总氮、硝态氮和铵态氮分别增加了15%、95.56%和62.02%，土壤总磷和总钾分别降低了0.43%和4.33%，而土壤速效磷和速效钾分别增加了26.23%和6.835；其中BMP 处理的土壤含水率、有机质、硝态氮和铵态氮显著高于CK（图3）。

图3 不同处理对土壤pH 和养分积累的影响

2.4 不同处理对径流量、径流水中各形态氮磷流失量的影响

从图4 可以看出，径流量总体趋势表现为CK＞KF＞BMP，同时径流量受降水量影响较大，KF 与BMP处理的径流量差异较小；径流水中总氮、硝态氮和铵态氮总体表现为CK＞KF＞BMP，且降水量越大，CK 处理的径流水中总氮和硝态氮明显高于KF 与BMP；不同处理径流水中总磷和可溶性总磷变化幅度较大，在降水丰富的时候表现为KF 与BMP 处理高于CK。

3 讨论

本研究结果表明：径流量总体趋势表现为CK＞KF＞BMP，同时径流量受降水量影响较大；CK 处理的径流水中总氮和硝态氮明显高于KF 与BMP；而磷在降水丰富时表现为KF 与BMP 处理高于CK。付斌等研究发现，径流量变异系数大小顺序为：顺坡垄作＞横坡垄作+揭膜＞横坡垄作+秸秆覆盖+揭膜＞横坡垄作[10]。大量研究表明，在旱坡地，横坡垄作较常规的顺坡种植能比较显著减少地表径流量[11,13-14]。可能是由于横坡对径流的拦蓄作用延长了径流与土壤表面相互作用的时间，为雨水充分向土壤入渗争取了时间[15]。对坡耕地的研究表明，由于秸秆覆盖增加地表糙率，可降低地表径流流速，增加雨水入渗，从而减少径流总量[16-17]。祖艳群等研究也表明秸秆覆盖降低农田面源污染输出的效果更为明显，总氮、铵态氮、硝态氮、总磷和泥沙含量可以减少35.80%～38.0%[18]。横坡垄作和秸秆覆盖对坡耕地的地表径流产生明显的截留效果，可能原因是秸秆覆盖可以通过吸收部分降雨；同时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[6]。韩建刚等研究发现磷的流失受雨强的影响较大，雨强越大，磷损失量显著增加[19]，本研究也发现磷在降水量大的情况下，流失明显。

图4 不同处理对径流量、径流水中各形态氮磷流失量的影响

耕作方式通过改变土壤结构和理化性质，从而影响土壤养分含量。本研究表明：除土壤总磷和总钾外，与CK 相比，BMP 处理的土壤含水率、pH、有机质总氮、硝态氮、铵态氮速效磷和速效钾，且BMP 处理的土壤含水率、有机质、硝态氮和铵态氮显著高于CK。与CK 相比，BMP 处理的大豆产量和秸秆产量增加了2.13%和1.94%；除总钾外，BMP 处理的大豆和秸秆含水率、总氮和总磷也有所增加。耕作措施通过影响大豆的土壤含水量、叶面积指数、干物质积累和分配的动态变化，进而影响了大豆的产量[20]。研究表明，保护性耕作可以显著增加0～20cm 土层土壤氮、磷、钾的含量[21-22]。与横坡垄作相比，顺坡垄作更容易遭受侵蚀导致表层土壤变薄，水土的流失可以引起土壤水稳性团聚体减少、容重增加、土壤氮磷养分变化、从而导致了农作物产量的降低[23]。吕美蓉等研究表明秸秆覆盖可以增加土壤孔隙，使土壤质地疏松，一定程度上阻止了降水对地表的横向流动，增加土壤水向地下淋溶，从而减少坡面产流产沙量和氮素从地表流失[24]。王育红等研究也发现秸秆覆盖对坡耕地土壤中N 和K 的流失有不同程度的降低作用[25]。植被秸秆覆盖层可以阻止地表结皮，增大土壤孔隙，增加土壤含水量，同时降低径流流速的作用，减少土壤养分流失[26]。研究表明秸秆覆盖可减少作物间水分蒸发，增强土壤保墒能力，并改善作物的生理活性[27-28]，而在坡耕地上进行横坡垄作，能减少地表径流和养分损失，增加雨水入渗[29]。氮是植物生长发育的必需营养元素，而氮的流失又与径流过程紧密联系，而秸秆覆盖和横坡垄作通过减少土壤氮磷养分流失，提高作物吸收能力，提高大豆产量。横坡垄作及秸秆覆盖均可提高作物产量，尤其是横坡垄作结合秸秆覆盖的提升效果更加明显。

4 结论

与顺坡垄作相比，横坡垄作+秸秆覆盖能减少地表径流，减少氮磷养分流失，且提高土壤保水性和养分能力，从而提升了大豆作物产量。横坡垄作虽然能够降低地表径流量、径流水中氮磷养分的流失量，但其截留效果低于横坡垄作+秸秆覆盖相结合。要全面控制坡耕地养分损失，不仅要采用秸秆覆盖、横坡垄作等技术，还需要增厚土层、改善土壤结构，提高土壤蓄水保肥能力。