油茶林生草栽培对地表径流及氮磷流失特征的影响

陈隆升, 梅 莉,陈永忠,赵泽尧,许彦明,张 震,胡亚军,刘彩霞,苏以荣

(1.湖南省林业科学院，国家油茶工程技术研究中心，湖南 长沙 410004；2.华中农业大学园艺林学学院,湖北省林业信息工程技术研究中心，湖北 武汉 430070；3.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125)

农业面源污染的氮磷来源主要为灌溉退水、降雨地表径流和壤中流[1]。经济林生态系统中灌溉退水与土壤壤中流远低于地表径流。因此，经济林氮磷污染的载体主要为地表径流及其携带的泥沙。目前，梯面工程、园地生草、保护性耕作是经济林水土流失阻控的主要措施[2]。研究表明，提高植被覆盖能够促进雨水入渗、增强表层土壤抗蚀能力，大幅减少地表径流和氮磷流失，降低氮磷流失量的幅度达30%～50%[3-5]。一般而言，人工生草方式对坡地果园的水土和养分流失的阻控优于自然生草方式[6]，但园地的生草类型显著影响了地表径流和氮磷流失量。在紫色土中，种植黑麦草(Loliumperenne)较长柔毛野豌豆(Viciavillosa)和二月兰(Orychophragmusviolaceus)对柑橘园径流和养分阻控效果更优[4]。在砂页岩红壤中，雀稗(Paspalumthunbergii)对金橘园总氮和总磷流失量降低的相对贡献指数高于白花藿香蓟(Ageratumconyzoides)[3]。在黄棕壤中，三叶草(Trifoliumrepens)对柑橘园氮磷径流流失的阻控优于黑麦草和苕子(Viciavillosa)[5]。在不同的气候、地貌和土壤条件下，草种的气候适应性及其长势可能是影响氮磷流失阻控的关键。

亚热带红壤丘陵区降雨充沛，且雨量分布不均、暴雨多发[7]。同时，亚热带红壤丘陵区的土壤具有较高的可蚀性因子(K值)，土壤侵蚀的风险和严重程度仅次于黄土高原[8]。在我国开展的水土流失阻控模式研究多针对北方黄土高原，如刘秀兰提出的黄土丘陵沟壑区五道防线综合治理模式[8]。高强度人为扰动下的果园林下侵蚀较其他区域少见，考虑到亚热带红壤区气候及高度发达的农业生产特点，需要研发适宜的区域水土阻控模式。油茶(Camelliaoleifera)作为我国特有木本油料经济树种，在亚热带红壤丘陵区广泛种植[9]。目前，油茶造林大多采用大面积全垦、带垦整地方式，导致大面积林地表土裸露，土壤侵蚀尤为严重[10-11]。以往研究发现，油茶林地生草不仅能够提高土壤养分含量，还能改善土壤物理性质，比如降低土壤容重、提高土壤空隙度和田间持水量[10]，这表明亚热带丘陵区油茶林地生草栽培在水土流失阻控方面潜力巨大。

多年生禾本科植物百喜草(Paspalumnotatum)[12]和菊科植物金鸡菊(Coreopsisbasalis)[13]根系发达，在酸性红壤中生长良好，种植后地面覆盖度高，在冬季和早春的非生长季枯落物亦能对表层土壤进行有效覆盖，理论上具有良好的水土保持效果。此外，多年生的生理特性赋予百喜草和金鸡菊一次性种植省时省力的特点，这对油茶林经营成本至关重要。已有关于油茶林引入百喜草和金鸡菊种植的研究，但主要侧重于“以草抑草、以草养园”的省力化栽培方面，有关油茶林间种草本植物对林地产流以及氮磷元素流失规律的影响仍不清楚。为此，笔者研究了间种百喜草、金鸡菊等草本植物对油茶林地表径流量及随径流流失的氮、磷元素的影响，以期为降低油茶林经营的面源污染风险并改善下游水体环境提供科学依据，为油茶的高效生态经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于湖南省邵阳县塘渡口镇塘坪村(111°19′42.00″E，26°58′35.54″N)，为丘陵山地，海拔 112 m，属中亚热带季风湿润气候区，雨量充沛，阳光充足，生长季长。年平均气温16.0～17.8 ℃，年平均无霜期288 d，年平均降水量1 255 mm。试验基地于2013年冬季至2014年春季造林，品种为‘湘林210’、‘华金’、‘华硕’等，造林株行距均为2.5 m×3.0 m，试验基地土壤为红黄壤。

1.2 试验设计

设对照(不间种，CK)、间种百喜草(T1)、间种金鸡菊(T2)3个处理，每个处理设置3个600 m2重复样地，各样地中间设置10 m隔离带，共9个样地，采用随机区组排列。设置的9个油茶样地位于山地的同一朝向(南坡)，每个油茶样地在垂直方向含有3个油茶种植梯面，梯面的高度差为0.8～1.5 m(图1)。于2018年春季，采用种子条播的方式在油茶林地间种多年生草本植物百喜草和金鸡菊，在油茶行间条播两行，条播间距及其与油茶树兜距离约为1 m，随后由百喜草和金鸡菊自然繁殖扩散。对照处理不间作草本植物，存在少量自然生长的杂草，主要为狗尾草(Setariaviridis)、橘草(Cymbopogongoeringii)和香丝草(Conyzabonariensis)等。百喜草和金鸡菊种子购于山东瑞禾种业有限公司。

图1 径流监测小区示意Fig.1 Schematic diagrams of runoff monitoring plots

2019年8月，在每个试验样地建设水平投影为16 m×7 m的标准径流监测小区(图1)，共计9个小径流监测区，小区坡度13°。小区的围梗采用不透水的PVC板，埋入地下20 cm，高出地表20 cm，在每个小区左右两侧设置排水沟，上方设置截留沟以防止暴雨期间小区外的水样进入小区造成干扰。在小区的底部设置集流槽以收集场降雨的径流及泥沙，集流槽上部高度与小区土壤表层的高度一致，在集流槽右下角外侧处设置导流管，将槽内收集到的水样引流至集流桶和分流桶中。每个集流桶下方设置2个分流桶，集流桶直径0.9 m、高0.9 m，在桶0.7 m处设置10个分流管，其中一个分流管连接一级分流桶的进水口，一级分流桶也设置10个分流管，其中一个连接二级分流桶的进水口。集流槽、导流管、集流桶、分流桶均采用硬质不透水的PVC材料。于2019年8月15日—2020年7月31日进行观测，并于 2020年6月12日—7月20日获得5次完整径流观测数据。用目估法[14]估算植被覆盖度(表1)。

表1 试验样地植被覆盖度

1.3 降雨量的测定

在标准径流小区附近10 m露天宽敞处设置HOBO数据记录雨量计(RG 3，武汉圣泰克科技有限公司)，对期间的场降雨进行连续观测并记录，同时结合参考当地气象观测站的降雨资料测定。

1.4 水样与土壤样品采集与指标测定

1)样品采集。于每场降雨结束后，立即测定产流后的径流量。人工搅拌棒对集流桶内的水沙进行充分搅拌，使泥沙均匀分布于集流桶内，然后迅速取3瓶1 L的水样于聚乙烯瓶中，密封并带回实验室内进行测定分析，带回后将每瓶水体平均分为2份，一份用于测定土壤侵蚀量，另一份过0.45 μm滤膜，用于测定水样中溶解态氮磷含量。试验样地的水样收集完成后，将集流桶及分流桶都用清水冲洗干净，备下次降雨的径流样品采集。土壤样品的采集在2019年5月底完成(第1次径流观测之前)，采用土钻在每个径流小区内随机采集10个0～20 cm土芯，混合成1个土样，室内风干后，过孔径2 mm筛用于土壤理化性质测定。

2)径流量的测定。于每次场降雨产流结束后，通过提前做好的水尺直接测量集流桶内的水量或水位，计算地表径流量[15]。地表径流量计算公式为：

R=10 000×(V×h1+V×10×h2+V×100×h3)/S1。

式中：R为地表径流量，m3/hm2；V为集流桶及分流桶底面积，m2，V=π×r2，r为分流桶底半径，m；h1、h2、h3分别为集流桶、分流桶1、分流桶2的桶内径流水体高度，m；S1为小区面积，m2。

3)土壤侵蚀量的测定。采用烘干法测场降雨后的土壤侵蚀量，并根据聚乙烯瓶水样的体积及径流量计算土壤侵蚀量[15]。土壤侵蚀量(S)计算公式为：

S=(G/0.5)×(V×h1+V×10×h2+V×100×h3)×1 000/(S1×10)。

式中：S为土壤侵蚀量，kg/hm2；G为500 mL聚乙烯瓶中泥沙质量，即g/L；V为集流桶及分流桶底面积，m2；h1、h2、h3分别为集流桶、分流桶1、分流桶2的桶内径流水体高度，m；S1为小区面积，m2。

4)径流溶解态氮(DN)和溶解态磷(DP)流失量的测定。水样的溶解态氮(DN)采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度计法测定[16]；水样中的溶解态磷(DP)采用过硫酸钾氧化-钼酸铵分光光度法测定[17]。DN或DP流失量计算公式为[15]：

M=(V×h1+V×10×h2+V×100×h3)×1 000×

C/(S1×10)。

式中：M为径流DN或DP流失量，g/hm2；C为水样中DN或DP浓度，μmol/L；V为集流桶及分流桶底面积，m2；h1、h2、h3分别为集流桶、分流桶1、分流桶2的桶内径流水体高度，m；S1为小区面积，m2。

5)土壤理化性质测定。土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定[18]；全氮含量采用凯氏定氮法测定[18]；全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定[18]。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行制表和数据记录，SPSS 22.0进行数据分析，Duncan进行单因素方差分析，用Origin Pro 9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 生草栽培对油茶林土壤氮磷养分及有机质含量的影响

油茶林间种百喜草(T1)和金鸡菊(T2)后，土壤有机质、全氮及全磷含量均比对照有增加趋势，间种金鸡菊的油茶林地土壤全磷含量显著(P<0.05)高于对照处理(表2)。

表2 不同处理下林地土壤有机质、全氮及全磷含量

2.2 生草栽培对油茶林地表径流量的影响

2020年6月12日至2020年7月26日的监测周期内，降雨日共计15 d，共有5场侵蚀性降雨事件：①6月16—18日降雨14.6 mm；②6月23—24日降雨19.7 mm；③7月1—4日降雨60.8 mm；④7月9—13日降雨72.4 mm；⑤7月19—20日降雨12.2 mm。3种不同处理方式的油茶林地径流量如图2所示，在相同降雨条件下，油茶林间种百喜草(T1)和金鸡菊(T2)均显著(P<0.05)降低地表径流量，6月16—18日、6月23—24日、7月1—4日和7月19—20日的径流量均以T1处理最低，其中6月23—24日和7月19—20日的径流量显著(P<0.05)低于T2处理；7月9—13日的径流量则以T2最低。

3个处理的5次总径流量同样存在显著差异(P<0.05)(表3)，以T1处理最低，为20.40 m3/hm2，比CK处理减少了35.04%，T2处理为20.87 m3/hm2，比CK处理减少了33.56%。

同一时间不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters at the same time indicate significant differences in different treatments (P<0.05). The same below.图2 不同处理下油茶林地表径流变化Fig.2 Changes in surface runoff of different treatments in the Camellia oleifera plantation

表3 不同处理油茶林地表径流和氮磷流失总量

2.3 生草栽培对油茶林土壤侵蚀量的影响

研究发现，与CK相比，T1和T2处理均显著降低土壤侵蚀量(P<0.05)(图3)。6月16—18日的土壤侵蚀量以T2处理最低， 6月23—24日、7月1—4日、7月9—13日和7月19—20日的土壤侵蚀量均以T1处理最低。3个处理的5次累计土壤侵蚀量同样存在显著差异(P<0.05)(表3)，以T1处理最低，为57.93 kg/hm2，比 CK处理减少了83.89%，其次是T2处理，为72.50 kg/hm2，比CK处理减少了79.85%。

图3 不同处理下油茶林土壤侵蚀量变化Fig.3 Changes in soil erosion amount under different treatments of the C. oleifera plantation

2.4 生草栽培对径流中DN和DP浓度的影响

3个处理在各次径流事件的径流DN浓度差异显著(P<0.05)，CK处理的径流DN浓度在6月16—18日、7月9—13日和7月19—20日径流事件中最低，T2处理在6月23—24日径流事件中最低，T1处理在7月1—4日径流事件中最低(图4A)。其中，CK、T1和T2处理的单次径流DN浓度分别为63.26～304.29、46.59～328.97、56.91～348.34 μmol/L。3个处理的径流DN浓度均值分别为152.62、145.60、160.76 μmol/L，均超出了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中总氮Ⅴ类标准限值(142.86 μmol/L)。对5次径流DN浓度均值方差分析(表3)表明，与CK相比，油茶林间种百喜草呈现降低径流中DN浓度趋势，而间种金鸡菊有增加径流中的DN浓度的趋势，但3种处理差异不显著(P>0.05)。

各处理径流DP浓度均出现波动，总体呈下降趋势(图4B)。除7月1—4日外，3个处理的其余4次径流事件的径流DP浓度差异显著(P<0.05)，6月16—18日、7月9—13日和7月19—20日径流事件的径流DP浓度均为T1和T2处理显著低于CK(P<0.05)，6月23—24日径流事件的径流DP浓度则为T1处理显著高于CK(P<0.05)。CK、T1和T2处理的单次径流DP浓度分别为14.01～42.44、8.21～37.31、11.40～33.19 μmol/L。如表3所示，3个处理的径流DP浓度均值分别为24.77、20.70、20.51 μmol/L，均超出了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中总磷Ⅴ类标准限值(12.90 μmol/L)。5次径流DP浓度均值方差分析表明，与CK相比，油茶林间种百喜草和金鸡菊均显著(P<0.05)降低了径流中的DP浓度。

图4 不同处理下油茶林地表径流DN和DP浓度变化Fig.4 Changes of DN and DP concentrations in surface runoff of the C. oleifera plantation under different treatments

2.5 生草栽培对径流中DN 和DP流失量的影响

监测周期内，3种不同处理方式DN、DP流失量呈先升后降的趋势，CK、T1和T2处理的单次径流DN流失量分别为1.82～60.48、0.58～47.34、0.66～45.21 g/hm2，DN流失量分别为0.50～9.49、0.13～3.35、0.25～4.45 g/hm2，变幅较大(图5)。除7月1—4日外，其余4次单次径流DN流失量大多为T1和T2处理显著(P<0.05)低于CK。5次单次径流DP流失量均为T1和T2处理显著(P<0.05)低于CK。

图5 不同处理下油茶林地表径流DN和DP流失量变化Fig.5 Changes of DN and DP loss in surface runoff of the C. oleifera plantation under different treatments

监测周期内，3个处理总DN、DP流失量存在显著差异(P<0.05)，均以T1处理最低，总DN、DP流失量分别为57.92、7.29 g/hm2，分别比CK处理减少26.66%、63.06%(表3)；其次是T2处理，为62.00、9.76 g/hm2，分别比CK处理减少21.49%、50.57%，表明油茶林间种白喜草和金鸡菊有效减少了地表径流氮磷流失，且以间种百喜草的效果较明显。

3 讨 论

3.1 生草栽培对地表径流量和土壤侵蚀量的影响

本研究发现，油茶林间种百喜草和金鸡菊均降低地表径流量和土壤侵蚀量，其主要原因是：一方面间种百喜草和金鸡菊后提高了油茶林地植被覆盖度，减缓雨滴冲击，增加地表粗糙度，明显抑制径流、土壤的流失强度，并且可削弱坡度、降雨对水土流失的影响程度[19-20]；另一方面百喜草、金鸡菊等多年生草本植物的枝叶经过腐解后具有很好的土壤改良效应[13]，可以提高土壤有机质和肥力，从而提高土壤团聚体稳定性，增加土壤孔隙和土壤水分入渗能力[21-22]，改善土壤结构，增加土壤水源涵养能力[23]。李博等[24]研究表明群落结构越复杂，地表径流量就越小，油茶林间种百喜草和金鸡菊后，增加了油茶林地生物多样性，与油茶林形成了良好的群落结构，也在一定程度上减少了地表径流和土壤流失量。因此，在油茶林管理和生态恢复过程中改善群落结构，提高植被覆盖度，对减少径流量和土壤侵蚀量具有重要意义。

有研究发现，相比金鸡菊，由于百喜草具有贴靠地表的匍匐茎，根系纵深发达，穿透力强，对土壤有较强的固着力[25]，能在种植后短时间内提高地表覆盖度。因此，油茶林间种百喜草后地表径流量和土壤侵蚀量降低效果更为明显。

3.2 生草栽培对地表径流DN 和DP流失特征的影响

油茶林间种百喜草减少了径流中的DN浓度和DN流失量，表明油茶林间种百喜草可以有效降低N的流失。间种金鸡菊同样减少了DN流失量，但径流中的DN浓度却增加，这可能与间种金鸡菊后增加了土壤氮含量有关，导致径流中的DN浓度有所增加，但因地表径流量大幅度减少，其DN流失量仍然得到有效降低。

油茶林间种百喜草和金鸡菊减少了径流中的DP浓度和DP流失量，这可能是因为间种白喜草和金鸡菊后其枝叶凋落分解后，提高了土壤团聚体稳定性，加大土壤的固P作用，降低P流失浓度，同时由于地表径流和土壤侵蚀量的减少，其DP流失量明显降低[26]。值得注意的是，与间种金鸡菊相比，间种百喜草降低地表径流流失量及其溶解性氮的效果更好，主要原因可能是间作林地百喜草较金鸡菊的盖度更高。此外，百喜草为须根系植物，而金鸡菊为直根系植物，百喜草对土壤的固定能力较金鸡菊可能更强。本研究发现，CK、T1、T2处理径流中DN和DP浓度平均值均超出了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中总氮、总磷Ⅴ类标准限值，表明油茶林地水土流失过程中，易造成下游水体的氮磷富集，导致污染。因此，在油茶林栽培管理措施中，应重点关注氮和磷的面源污染，采取生草栽培等防控措施。

油茶林采取间种百喜草和金鸡菊的生态防护模式可以显著降低地表径流量和土壤侵蚀量；间种百喜草同时可以显著降低径流中DN和DP浓度、流失量；间种金鸡菊可以显著减少径流中的DP浓度、DN和DP流失量，增加了径流中的DN浓度；3种处理以油茶林间种百喜草的水土流失防治效果最好。本研究结果可为控制油茶林地径流，减少氮、磷流失，降低农业面源污染风险并改善下游水体环境提供科学依据。