生草措施对红壤区果园水土流失和氮素流失的影响

杜勇强，汤崇军，刘英亮，段 剑

（1.江西省水利科学院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌，330029；2.河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京，210098；3.江西省兴国县水土保持中心，江西 兴国，342400）

0 引言

南方红壤区是我国典型的水力侵蚀区之一，曾被称为“红色沙漠”，已成为我国水土流失重点治理区域[1]。红壤坡地是红壤区重要的组成部分，红壤区旱地面积的70%都是坡地[2]。坡地种植果树是一种普遍的土地利用方式，是我国农业产业结构的重要组成部分，可以获得良好的经济效益。南方红壤区降雨量丰沛，分配极不均匀，大部分降雨集中在4～9月份。大部分的果园林下仍然采用了清耕管理措施，使果园林下土地大面积裸露[3]，雨季则易导致果园林下地表径流产生时间快且流量大，氮素流失量剧增，并加速周边水环境的进一步恶化[4，5]，严重危害水生态系统安全，引起一系列的连锁反应。从源头控制水土流失和氮素流失，是治理果园水土流失和面源污染最有效的方法。

果园生草栽培，是指在果园果树行间或全园种植草本植物，也叫果园生草覆盖[6]。这是欧美等发达国家普遍推行的果园可持续发展一种新型土壤管理模式[7]。果园生草不仅能减少土壤和养分的流失，增加土壤矿化速率，提高土壤肥力，还可以从源头控制面源污染[8]。研究发现，覆盖作物可以有效抑制杂草的生长，改善土壤的物理、化学和生物学性状，具有显著的保墒保肥效果[9]。我国在1998年就已经开始推广生草栽培的技术[10]，但目前规模尚小，仍然处于试验阶段，其中最主要的限制因素是生草种类的选择。我国生态结构复杂，应坚持因地制宜的原则，根据区域的气候、土壤类型和农民的期望，选择合适的草种。

本文针对南方红壤区果园水土流失和氮素流失严重等问题，选择江西省兴国县塘背小流域，野外监测天然降雨条件下不同生草措施对红壤区果园水土流失和氮素随地表径流迁移特征的影响，研究林下种植乡土植物艾蒿、马齿苋、白三叶对果园水土流失和氮素流失的影响规律，为控制红壤区果园水土流失和面源污染提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验地位于塘背小流域内（26°12′～26°17′N，115°13′～115°19′E），小流域地处江西省赣州市兴国县县城南部12km区域，横跨龙口、永丰两个乡，包含了中岭、文院、都田、来溪、芦溪、里溪在内的6个行政村，占地面积16.38km2，属赣江（鄱阳湖水系五大河流之一）上游贡水二级支流平江的一支河流；该流域属于亚热带季风湿润气候区，年平均气温18.8℃，年平均降雨量1 372.2mm，年平均蒸发量1 552.1mm，无霜期 280d[11，12]。

1.2 试验设计

在研究区域内，选择坡度（15°）、坡向、土壤理化性质等条件基本一致的开阔坡面，建立4个大小分别为20m×5m，面积为100m2的野外径流小区。为防止径流小区周边环境水文因素的影响，在小区边界设置浆砌砖围墙，围墙埋入地面20cm，高出地表30cm，并在小区上方和左右设置截水沟，小区下方设置集水槽，将地表径流汇集到径流池，地表径流池有三级分水箱，收集每次降雨产生的地表径流和侵蚀泥沙。地表径流池内壁正面安装有搪瓷水尺，能直接获取地表径流量。

野外径流小区建设完成后，分别在每个径流小区内种植12株两年生的脐橙苗（Citrus sinensis Osbeck），6行2列，每行间距3m，每列间距2.5m。4个野外径流小区的生草措施试验设计如表1所示。其中2号小区为对照组，仅种植脐橙，果园林下地表保持裸露；1号、3号和4号为试验组，除种植脐橙外，林下分别种植相应草本植物艾蒿、马齿苋和白三叶，带状栽种，带宽1m，带间距3m，脐橙行间和小区上下边界各种植一行，定期人工清除小区内的杂草，生草植物的特点及功能详见表1。

1.3 试验观测及方法

降雨观测：野外径流小区旁边装有虹吸式自记雨量计，能自动获取降雨量、降雨历时和雨强等指标。

地表径流量测定：记录径流深，计算获取每次降雨条件下地表径流量。

侵蚀泥沙测定：每次降雨结束后，将每个径流池的泥水搅浑，用塑料瓶采集1000mL水样，每次3个重复，静置6h，倒出上层清水，将泥沙倒入铝盒中（铝盒装入泥沙前要称重并记录），放入105℃烘箱烘干至恒重、称重，计算径流小区的侵蚀产沙量。

氮素流失量测定：降雨结束后，分别在各处理下的地表径流池内取样1 000mL，测定水样中的总氮、氨态氮以及硝态氮含量。其中，水样总氮按过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定；水样硝态氮含量按紫外分光光度法测定；水样氨态氮含量按钠氏试剂法测定。

2 结果与分析

2.1 降雨特征

试验期间，共观测到侵蚀降雨累计9次，根据我国气象部门采用的降雨强度的分级标准（表2），表3列出了各次降雨的具体时间、雨量及雨型。

表2 降雨雨型的划分标准 mm

表3 试验期内的降雨情况

2.2 不同生草措施对地表径流和侵蚀泥沙的影响

2.2.1 对地表径流的削减作用

共观测到9次产流，8月12日各处理小区产流量均是最大的。图1显示了各个小区的径流情况，结果表明，脐橙+白三叶产流最小，削减径流量效果最优，相较于对照组平均减少了61.79%；脐橙+艾蒿和脐橙+马齿苋两种生草措施产流无明显差距，分别较对照组平均减少了37.87%和41.97%。在天然降雨条件下，3种带状生草措施均能降低径流量，但白三叶草带处理控制径流效果优于艾蒿和马齿苋。9次降雨中有3次降雨雨量和雨强均偏大，艾蒿和马齿苋草带处理下的产流量接近对照组，表明艾蒿和马齿苋两种生草在暴雨中削减径流作用不明显，而白三叶在暴雨中削减径流效果突出。

图1 不同生草措施下果园地表径流特征

2.2.2 对侵蚀泥沙的削减作用

图2显示了各个小区的产沙情况。人工生草（艾蒿、马齿苋和白三叶）3种处理产沙量都小于对照组，说明生草措施均能有效控制土壤流失。而对照组采用的是清耕措施，脐橙林下地表保持裸露，保土效果差。在天然降雨条件下，3种带状生草措施均能有效降低果园土壤流失量，白三叶处理的小区保土效果最好，泥沙产量较对照组平均减少89.61%；艾蒿和马齿苋草带处理的小区，泥沙输出量无太大差距，相较于对照组平均减少63.30%和67.36%。

图2 不同生草措施下果园侵蚀产沙特征

2.3 不同生草措施对径流氮素含量的影响

2.3.1 不同生草措施对径流中总氮输出量影响

表4列出了不同处理9次降雨总氮（TN）随径流迁移量，前期总氮流失量少，后期总氮流失量大，这与果园施肥有关。通过施肥前4次降雨分析可知，3种带状生草措施均能有效降低果园TN流失，白三叶处理的小区控制TN流失效果最好，较对照组平均减少66.49%；而艾蒿处理的小区控制TN流失效果最差，较对照组平均减少32.54%。为保证生草和脐橙正常生长，8月前后人工施肥，肥料主要为复合肥、营养土，土壤氮素含量剧增，导致地表径流TN含量远高于施肥前。

表4 多次降雨TN流失量 mg

2.3.2 不同生草措施对径流中硝态氮输出量影响

表5列出了不同处理径流硝态氮（NO3--N）流失量。从表中可见，白三叶处理的小区硝态氮流失量低于艾蒿和马齿苋，且马齿苋处理的小区硝态氮流失量高于其他两个试验组。3种生草均能削减地表径流带走的硝态氮，在无施肥条件下，硝态氮流失量较对照组平均分别降低52.35%，46.75%和73.86%；8月人工施肥后，径流硝态氮含量剧增，白三叶处理的小区硝态氮流失量较艾蒿和马齿苋减少37.12%和43.63%。白三叶削减地表径流硝态氮含量效果最好。

表5 多次降雨NO3--N流失量 mg

2.3.3 不同生草措施对径流中氨态氮输出量影响

表6列出了不同处理下径流氨态氮（NH4+-N）的流失量。从中可见，施肥前，白三叶处理的小区氨态氮流失量最小，能有效控制氨态氮流失，相较于对照组平均减少了67.13%；艾蒿和马齿苋两种生草措施下氨态氮流失无太大差距，分别较对照组平均减少了37.87%和41.97%，表明三种措施都能有效降低氨态氮流失量。8月施肥后，土壤氨氮含量并未迅速上升，因为肥料并未立刻转化为氨氮，此时氨氮流失规律与总氮、硝态氮规律有所差别。

表6 多次降雨NH4+-N流失量 mg

3 讨论

生草措施通过固结土壤颗粒和拦截雨水，减少因降雨产生的地表径流和土壤流失。在山坡上种植白三叶，可以推迟径流产生时间、减少地表径流量[13]。李婷婷等[14]在果园种植雀稗（Paspalum thunbergii）和白花藿香蓟（Ageratum conyzoides），径流总量较对照组分别降低33.1%～50.34%和21.9%～30.1%。李太魁等[15]在坡地果园种植三叶草、苕子（Vicia villosa Roth）和黑麦草（Lolium perenne L.），径流总量较对照组降低24.7%、13.9%和31.6%，侵蚀泥沙量较对照组降低36.4%、29.6%和15.7%。本研究中，在试验小区种植艾蒿、马齿苋和白三叶后，地表径流和泥沙均减少，与上述结果一致。果园生草降低地表径流和侵蚀泥沙的主要作用表现在：（1）具有拦截作用，延缓了地表径流的形成时间，让雨水有更多的下渗时间；（2）增加地表覆盖度，缓冲雨滴的打击强度，削减溅蚀强度；（3）固结土壤，改变土壤理化性质，提高土壤入渗率。由试验结果可知，艾蒿、马齿苋、白三叶三种生草措施均能有效控制水土流失，地表径流平均分别减少37.87%、41.97%和61.79%，产沙量平均分别减少63.30%、67.36%和89.61%。白三叶控制径流和泥沙输出的效果最优，艾蒿和马齿苋无太大差异。

果园清耕，地表裸露，加剧了面源污染。黄河仙等[16]研究表明地表的覆盖程度与农田氮磷径流流失的效果息息相关。黄海波等[17]研究表明果园地下水中的氮浓度明显高于居民区地下水中的氮浓度，可知果园清耕措施对地下水污染十分严重。坡地果园种植白三叶草可以降低径流中总氮、氨态氮和硝态氮的含量，具有良好的控制氮素流失的效果[13，18]。俞巧钢等[19]在山地果园套种紫云英（Astragalus sinicus L.）、黑麦草和箭舌豌豆（Vicia sativa），总氮流失较对照组分别减少49.3%、55.2%和18.7%。在本研究中，种植艾蒿、马齿苋和白三叶后，地表径流总氮、氨态氮和硝态氮的含量均减少，与已有研究结果一致。在不施肥条件下，白三叶控制氮素优于艾蒿和马齿苋；在相同施肥条件下，白三叶保肥效果最优，可以有效减少肥料氮素流失。原因是氮素的流失与地表径流总量有关，氮素流失的载体是径流水[20]，地表径流量少，其携带的氮素量也会受到限制。

由于条件限制，本文的研究内容只是对同一坡度（15°）、草带宽为1m处理条件下地表径流量、泥沙输出量以及氮素流失量进行了研究，在以后的研究中可以考虑不同坡度、不同程度的覆盖方式（全园生草和不同宽度草带）下果园的水土流失和面源污染情况，为治理果园水土流失和面源污染提供理论基础和科学依据。

4 结论

本试验采用径流小区法，研究野外观测天然降雨条件下，不同生草措施对脐橙园水土流失和氮素流失的影响。结果表明：相同降雨条件下，白三叶拦蓄地表径流和侵蚀泥沙的效果最佳，艾蒿和马齿苋无太大差异；在相同施肥条件下，白三叶控制氮素流失效果最佳。因此，不同生草措施均能减少果园水土流失及氮素流失，在种植艾蒿、马齿苋和白三叶三种生草措施中，白三叶在削减水土流失和氮素流失方面效果最优，可优先考虑种植。