鄱阳湖平原不同种植模式下农田水肥流失规律分析

2021-12-30刘方平余雅琴王子荣

中国农村水利水电 2021年12期

陈昱，刘方平，余雅琴，王子荣，梁举

（江西省灌溉试验中心站，南昌 330201）

随着农业生产与经营方式不断被解构，农业面源污染已然成为当下生态治理与农业发展的内生性结构障碍。近年农业种植模式越来越多样化，稻-蔬、油-稻、稻-休等水旱轮作模式越来越普遍，化肥、农药的无节制施用，随之而来是的农田氮磷流失加剧，水体富营养化，农业生态环境的破坏。农业发展与环境之间存在尖锐矛盾，其中，农业面源污染问题尤为突出。

研究表明，农田氮、磷流失过程和特征既受降雨过程影响，又随点位特征变化。因此，土壤地形、农田作物类型、种植制度、植被覆盖度、起垄方式、气候降雨、耕作施肥等均会导致流失特征、流失量显著变化［1-5］。研究表明，土壤侵蚀是影响地表径流氮磷流失的重要因素［6］，而降雨强度对土壤侵蚀的影响比较显著，一般降雨强度越大，对土壤的侵蚀能力也越大［7］。但采用不同的种植模式可以改变降雨对土壤侵蚀的作用，马传功等［8］在坡耕地设置不同种植模式，与单作相比，玉米∥马铃薯等高间作与玉米∥黄豆等高间作可以减少地表径流和土壤侵蚀，同时还能减少土壤养分流失。鄱阳湖平原地区过去对农田氮磷径流流失很少有定量研究，以该地区不同种植模式为研究对象，在自然降雨条件下，采用田间径流池法测算径流量、泥沙流失量及田间氮磷流失量，探究农田水肥流失规律和特征，对面源污染防控及农田可持续利用具有理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验场地

本试验依托江西省灌溉试验研究基地灌溉排水试验设施，选取试验田块进行不同种植模式相关试验研究。江西省灌溉试验研究基地（116°00′E，28°26′N）位于南昌县向塘镇高田村，属典型的亚热带湿润季风性气候，气候温和，雨量充沛，常年平均气温为18.1 ℃，1月份平均气温最低，为4.7 ℃，年平均降雨量为1 636 mm，常年无霜期约280 d。试验时间为2019年5月至2019年12月。试验区为黄泥土稻田，土质黏重，其基本理化性状为：pH为6.14，全氮含量为1.34 g/kg、全磷含量为1.08 g/kg、全钾含量为13.2 g/kg、有机质含量为21.4 g/kg、速效氮含量为112 mg/kg、速效钾含量为176.5 mg/kg、速效磷含量为78.6 mg/kg。试验期间降雨量变化如图1所示。

灌溉排水试验设施包含试验小区和径流池，每个小区连接径流池，用于收集小区径流。试验小区面积66.7 m2（长12 m，宽5.56 m）。径流池采用3 级分流装置，理论上可收集最大降雨量160 mm的地表径流。

1.2 试验设计

试验设置5 种种植模式，即空心菜+小白菜、黄瓜+晚稻、辣椒、早稻+晚稻、中稻。种植品种分别是：本地空心菜、德高苏州青小白菜、津研4 号黄瓜、香椒5 号辣椒、陆两优996 早稻、黄花占中稻、天优华占晚稻。各种作物种植时间见表1。在不同的季节按表1进行种植，每次自然降雨产生径流时，及时采集径流水样和泥沙样。

表1 不同种植模式栽培时间安排Tab.1 Cultivation time arrangement of different planting patterns

表2 不同种植模式施肥情况kg/hm2Tab.2 Fertilization in different planting patterns

1.3 测定指标及方法

水样采集水质指标测定：每次降水过后，将径流池中所收集的径流充分搅匀，采集250 mL 径流水样，按照各测定指标测定方法要求对水样进行预处理。检测指标有总磷、总氮、铵态氮及硝态氮。总磷采用钼酸铵分光光度法检测；总氮采用碱性过硫酸钾法检测；铵态氮采用纳氏试剂分光光度法检测；硝态氮采用紫外分光光度法检测。

径流量及携带泥沙量测定：利用标有刻度的水池分别测量各小区产生的径流量，并将水池内水搅拌均匀后，在每个水池中取出1 000 mL 径流悬浊液，加盖静置1周，除去上清液后，将淀积泥沙洗出至瓷蒸发皿中，烘干后称重，然后计算每升径流液中的泥沙含量，根据每次径流量计算出泥沙流失量。

径流泥沙携带肥力指标测定：将径流液中淀积的泥沙自然风干，对碱解氮、速效磷、全氮、全磷、全钾、有机质等肥力指标进行测定，采用鲍士旦主编的《土壤农化分析》［9］中的方法检测；根据上述径流携带泥沙量计算结果，计算泥沙携带肥力流失量。

降雨量使用江西省灌溉试验研究基地气象站数据。灌水量使用水表进行计量。

地表径流总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失总量等于每次径流样品中各指标浓度与径流水量乘积之和。计算公式如下：

式中：P为总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失的量；Ci为第i次径流水中总氮、总磷、铵态氮、硝态氮的浓度；Vi为第i次径流水的体积。

地表径流泥沙中碱解氮、速效磷、全氮、全磷、全钾、有机质流失的总量等于每次径流泥沙样品中各指标浓度与径流泥沙量乘积之和。计算公式如下：

式中：Q为氮（磷）素流失量；Ki为第i次径流水中氮（磷）的浓度；Ni为第i次径流水的体积。

1.4 数据分析

试验数据使用office 2013 软件进行统计分析，使用SPSS19.0统计软件对不同种植模式间进行Duncan分析比较，比较各指标间差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式径流产生次数及径流量分析

本试验地表径流监测周期为2019年5月至2019年12月，监测期间地表径流情况如表3所示。径流量与降雨次数和单次降雨量存在很大的关系。一般情况下，降雨量越大，产生径流越多。从表3可以看出，监测期内降雨21 次，降雨量共计589.9 mm。不同种植模式下由于种植时间和作物生长期不同，所对应的降雨次数和降雨量有一定差别。在8月之后，虽有多次降雨，但只发生3 次地表径流，主要原因是降雨次数少和降雨量小。模式1采用空心菜+小白菜轮种模式，历经了监测期内所有降雨，主要降雨次数发上在空心菜种植期间，共17次，产生径流12 次，径流总量达277.73 mm，产流系数为53.28%；小白菜种植期间虽降雨4 次，但只发生地表径流1 次，径流量22.70 mm，产流系数为33.09%。模式2 采用黄瓜+晚稻种植模式，降雨量以黄瓜种植期居多，地表径流发生8次，产流231.61 mm，产流系数为50.99%；晚稻只产生2 次径流，径流量15.18 mm，产流系数为11.18%。模式3 是辣椒单作，历经了17 次降雨，降雨量达589.9 mm，产生径流11 次，径流总量达264.64 mm，产流系数为44.86%。模式4 采用传统的双季稻模式，由于降雨主要发生在早稻时期，因此早稻时期灌水量明显低于晚稻，产流次数和径流量要高于晚稻；早、晚稻径流量分别为207.50、15.68 mm，产流系数分别为45.68%、11.55%。模式5是一季稻单作，产生径流5次，径流量为172.79 mm，产流次数为40.97%。

表3 监测周期内试验小区地表径流发生情况Tab.3 Monitoring of surface runoff in the test area during the monitoring period

从监测数据分析来看，不同种植模式下径流量存在显著差异，模式3 径流量最高，与模式1 之间无显著差异，但显著高于其余3 个模式；而模式2 又显著高于模式4 和5，分别提高了9.60%和25.42%；模式5 径流量最低。从整个作物种植情况来看，总体上径流量变化为旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式；这主要是因为水作种植采用淹水灌溉模式，降雨时可以蓄存一部分的雨水，而旱作物种植除了少部分向下渗漏外，大部分雨水都会产生径流。

2.2 不同种植模式泥沙及其肥力流失量分析

不同种植模式下泥沙流失及肥力流失情况如表4所示。从表4可以看出，不同种植模式泥沙流失量大小顺序为模式1＞模式2＞模式3＞模式4＞模式5，除模式4 和5 差异不显著外，其余各模式间均表现为显著差异，并且总体表现为旱作模式远大于水作模式。泥沙流失量以模式1 最高，达3 403.95 kg/hm2，显著高于其他种植模式，是模式2 的1.53 倍，是模式3 的2.76倍，分别是模式4、模式5 的30.68 倍和40.89 倍；水作模式（模式4 和5）泥沙流失量最小。而旱作模式（模式3）泥沙流失量低于水旱轮作模式（模式2），其主要原因是模式3 种植时采用了稻草覆盖。由此可知，种植旱作物的泥沙流失量远远高于水稻种植，究其原因，是降雨时雨滴直接降落在旱作物种植区裸露的土壤上，或从植株体上再落到土壤上，形成径流直接快速排出；而在水稻种植区，雨滴一般会降落在稻株和水层表面，对雨滴具有一定的缓冲作用，从而使雨滴对泥土的溅蚀作用减小，并且稻田可以蓄存部分降雨或停留一段时间再排水，溅蚀的泥沙又重新得到沉降，使得水稻种植产生泥沙流失量相对较少。

表4 不同种植模式泥沙及肥力流失量Table 4 Fertility loss in sediment under different rotation modes

旱作物种植模式下（模式1、3）泥沙中肥力流失量均显著高于水作种植模式（模式4、5），这与泥沙流失量有很大关系。从旱作和轮作种植模式来看，碱解氮、速效磷、全氮、全磷、全钾的流失量均是模式1＞模式2＞模式3，且相互间存在显著差异。有机质的流失量是模式3 最高，为7.04 kg/hm2，与模式1 和模式2 之间存在显著差异，分别提升了18.08%和32.21%。2 种水作种植模式下碱解氮、速效磷、全氮、全磷、有机质的流失量均是模式4 大于模式5，但二者之间无显著差别；仅全钾流失量表现为模式4比模式5显著提升了63.08%。

2.3 不同种植模式对径流水中氮磷流失的影响

不同种植模式径流水中氮磷流失量见图3。从图3可以看出，不同种植模式下径流水中氮磷各指标流失量均表现出一定差异性。总氮流失量大小顺序为模式3＞模式1＞模式2＞模式5＞模式4；其中，以模式3 最高，为14.75 kg/hm2，与模式1 无显著差异，较模式2 显著提升了16.92%；与模式4 和模式5 相比，分别提高了282.38%和53.04%；总氮流失量仍呈现为旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式的总体变化规律。总磷流失量大小顺序为模式1＞模式3＞模式2＞模式5＞模式4；其中，模式1 总磷流失量最高，达6.51 kg/hm2，较模式2 和模式3 分别显著提升了86.85%、56.67%，较模式4和模式5分别提高了4.35倍和2.36 倍；总体上总磷流失量也呈现为旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式的变化规律。铵态氮流失量大小顺序为模式5＞模式4 ＞模式3 ＞模式1＞模式2；其中，以模式5 最高，为8.71 kg/hm2，显著高于其余处理，分别是模式1、模式2、模式3和模式4 的3.99、4.76 倍、2.93 倍和2.67 倍，总体上表现为水作模式＞旱作模式＞水旱轮作模式的变化规律。硝态氮流失量大小顺序为模式1＞模式3＞模式2＞模式4＞模式5；其中，以模式1 最高，为11.40 kg/hm2，较模式2 和模式3 分别显著提升了13.24%、3.12%，较模式4 和模式5 分别提高了21.16 倍和33.11倍；硝态氮流失量仍表现为旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式的总体变化规律。综上分析来看，总氮、总磷和硝态氮流失量变化规律呈现为旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式，而铵态氮流失量呈现为水作模式＞旱作模式＞水旱轮作模式的变化规律。

3 讨论

地地表径流是指经土壤或地被物吸收及在空气中蒸发后余下的在地表流动的那部分天然降水。有研究表明，种植模式对地表径流存在显著的影响。如杨翠玲等［10］研究不同比例蔬菜与玉米间套作种植模式对农田地表径流产生量的影响，玉米间套作种植模式的地表径流量明显要低于玉米单作模式；与蔬菜单作相比，玉米/蔬菜间套作地表径流平均产生量显著减少22%～44%之间。本研究结果表明，不同种植模式下地表径流失量呈现出旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式，主要是由于旱作模式下土壤水分含量处于不饱和状态，土壤需要吸收一部分降雨量，才开始产生径流，而水作模式下稻田土壤一般都处于湿润状态，加之采取的是淹水灌溉模式可以蓄存一部分降雨量。

地表径流是土壤氮磷养分流失的主要途径。诸多学者研究发现，不同作物种植模式对土壤表层氮、磷流失量有明显的影响［4，11］，而影响土壤径流氮磷流失的因素很多。在本研究中，不同种植模式间地表径流氮磷流失的影响很明显，径流水中总氮、总磷及硝氮的流失量均呈现出旱作模式＞水旱轮作模式＞水作模式的变化规律。这与倪喜云等［12］对洱海流域主要农作物种植模式氮磷流失的研究结果一致，在麦稻轮作农田径流氮磷流失研究中，麦季氮素主要以硝态氮形式流失，稻季则以铵态氮形式流失［13］；陈秋会等［14］在太湖地区稻麦轮作农田有机和常规种植模式下氮磷径流流失特征研究中也发现相同的结果，水作模式以铵态氮流失为主。在本研究中也发现，径流水中氨氮流失量主要以水作模式流失量较高，且显著高于旱作模式。

泥沙流失量除了降雨强度对其会产生很大的影响，种植作物的类型也有很大影响；植株体对降雨会有一定的缓冲作用。杨翠玲等［10］研究不同比例蔬菜与玉米间套作蔬菜种植模式下农田地表径流的变化，降雨时部分雨滴降落在玉米叶子上会消耗其大部分动能，缓解了雨水对土壤地表的侵蚀作用，黏附于玉米叶子上的雨水进一步滑落到低矮的蔬菜上，原本消减的雨水动能进一步被削弱，低矮的蔬菜叶子距地面距离小，雨水从蔬菜叶子滑落地表的动能就很小，减轻了对地表的冲击，产生的径流泥沙就会减少。本研究结果是旱作模式径流泥沙含量显著高于水作模式，主要原因还是水作模式有田面水层和稻株的双重缓冲作用。泥沙中碱解氮、速效磷、全氮、全磷、全钾的流失量均是模式1＞模式2＞模式3＞模式4＞模式5，这与泥沙流失量呈现的变化规律一致。