不同施肥和耕作处理紫色土坡耕地碳、氮、磷流失特征

杜映妮，李天阳，何丙辉

（西南大学资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715）

农业系统中降雨–地表径流引起的土壤侵蚀以及碳(C)、氮(N)、磷(P)等营养元素的流失已成为全球关注的环境问题[1]。营养元素的流失不仅造成土壤肥力下降、影响作物的生长发育[2]，还会破坏水生生态系统，影响水质环境[3]。氮(N)、磷(P)元素随着径流汇入水体，将导致水体营养元素失衡，从而引发水体富营养化等一系列生态问题[4–5]。碳(C)的流失不仅破坏了土壤的团聚结构，更在一定程度上促进了其他养分的流失，降低土地生产力，从而限制农业的可持续发展[6–8]。并且C作为重金属和其他有机物的迁移载体，以可溶性有机碳形式随径流进入水体后会对水生态产生负面影响[9–10]。由于紫色土坡耕地特殊的地理条件及当地强烈的农业活动，在降水条件下极易产生地表径流，发生土壤侵蚀及相关的C、N、P流失，造成耕地质量下降和环境污染等问题[6,11]。因此，减少紫色土坡耕地C、N、P的流失对于促进耕地绿色可持续发展具有重要意义。

施肥和横坡耕作是改善土壤理化性质、提升土壤质量、减少水土流失的重要措施[12–13]，其中减少化肥施用量及有机肥的使用被认为是减少营养元素流失的有效施肥措施[14–17]。研究表明，与单施化肥相比，单施、混施有机肥可显著减少土壤N、P的流失[16,18]，但长期施加有机肥可能会造成土壤养分的过度积累，从而增加养分流失的风险，此时更易产生面源

污染等问题[19]。耕作方式可以通过改变地表微地形，减少地表径流和泥沙的流失，从而减轻土壤营养元素的损失。目前，大量学者对不同条件下坡耕地土壤养分流失进行了研究[20–23]，但施肥对土壤养分流失的影响仍存在争议[6,16,24–25]，有观点认为施用有机肥能够改善土壤性质，减少水土流失，从而降低养分流失风险[24]，而相反的观点则认为有机肥因为富含N、P，增加了土壤中的养分浓度，从而提高养分流失风险[25]。且以往的研究往往使用元素流失的浓度和流失量来评价田间管理措施对农田径流营养状况的影响，对流失水体中N∶P及土壤C流失特征的关注相对较少。因此，本研究依托农业农村部南方山地丘陵面源污染地表径流监测试验点，以紫色土坡耕地为研究对象，通过观测不同施肥处理和耕作条件下紫色土坡耕地的产流及土壤C、N、P流失特征，探讨适合紫色土坡耕地的施肥管理和耕作方式，以期为提高紫色土坡耕地的土壤肥力、减少营养元素流失导致的环境污染、维持农业绿色可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在重庆市北碚区西南大学后山水土保持试验基地进行。该基地建于2008年，地理坐标为106° 24' 20" E，29° 48' 42" N。该区位于亚热带季风气候区，光照充足，雨量充沛，年均降雨量1100 mm，且主要集中在5—10月份，年均气温18.3℃，年均日照时数1270 h，无霜期334 天。本试验所用的土壤类型为由中生代侏罗纪沙溪庙组紫色砂泥岩风化而来的紫色土，0—20 cm土壤基本理化性质：有机质 8.75 g/kg、全氮 0.76 g/kg、全磷 0.68 g/kg、NH4+-N 24.19 mg/kg、NO3−-N 19.51 mg/kg、有效磷 18.29 mg/kg、速效钾 71.39 mg/kg、pH 8.16。

1.2 试验设置

在坡度为15°的紫色土坡面上建立了15个径流小区，面积为 32 m2(长 8 m×宽 4 m)。各小区之间用水泥田埂隔开，埂宽25 cm，埂体高出地面20 cm。横坡耕作小区内的垄高为5～8 cm，垄宽为40～50 cm，垄距为40 cm。各小区均设置单独的径流池，容积为 1.8 m3(长 1.5 m×宽 1.2 m×高 1 m)。在小区与径流池相连处，沿小区宽度方向设置集流槽，每个集流槽均设置相应的“V”型出水口，各小区出水口高度保持一致(图1)。

图1 径流小区示意图Fig. 1 Schematic diagram of the run-off plot

试验小区的种植制度为冬小麦–夏玉米轮作。共设置5个处理：顺坡耕作对照处理(CK，不施肥)、顺坡耕作施化肥+猪粪处理(T1)、顺坡耕作单施化肥处理(T2)、顺坡耕作单施1.5倍化肥处理(T3)和横坡耕作单施化肥处理(T4)，每个处理具体施肥量见表1，供试化肥为尿素(N≥46.4%)、过磷酸钙(P2O5≥12%)和氯化钾(K2O≥60%)。供试猪粪含有机 C 4.31%、N 0.24%、P2O50.17% 和 K2O 0.21%。每个处理设置3次重复。每年10月中下旬小麦季开始前人工翻耕，翻耕深度20 cm，行间距100 cm。小麦季为11月份到来年4月，底肥在播种前撒施，来年1月进行追肥，30%氮肥、70%钾肥、全部磷肥及猪粪作为底肥，70%氮肥和30%钾肥作为追肥；玉米季为4—7月，移栽前施底肥，5月上旬进行追肥，1/3氮肥、全部磷肥、钾肥、猪粪作为底肥，2/3氮肥作为追肥。自2008年小区建成开始，每年种植的作物、施肥和耕作处理均保持一致。

表1 小麦玉米季各处理具体肥料养分施用量(kg/hm2)Table 1 Nutrient application rate in wheat and maize seasons for each treatment

1.3 样品采集

在2019年4—7月，当降雨产生地表径流时，记录径流量后完成水样的采集。采集方法：每次采样时，先用清洁竹竿充分搅匀径流水，然后进行不同位置、不同深度多点采样，转入已用样液润洗后的清洁塑料瓶中，贴上标签。当径流量大于1000 mL时，每个水样采集2瓶，每瓶不少于500 mL，inebreak/>其中1瓶供分析测试用，另1瓶备用。最后用清水将径流池中剩余的径流泥沙清理干净，以备收集下次的径流水样。将样品带回实验室测其全氮、可溶性总氮(TDN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3−-N)、全磷(TP)、可溶性总磷(TDP)和可溶性有机碳(DOC)浓度。其中TDN、NH4+-N、NO3−-N、TDP和DOC浓度的测定需先将水样过0.45 μm滤膜。采用 Multi N/C 2100 分析仪 (耶拿，德国)测定水样 DOC的浓度，其他指标则按照标准方法用紫外分光光度计测定[26]。

在玉米的苗期、拔节期、抽穗期和成熟期根据S型布点法在各小区取表层土壤(0—20 cm)，混合后按四分法保留1.0 kg土样，将土样带回实验室去除碎石和动植物残体等杂物后自然风干、研磨、过0.25 mm筛，用于测定土壤全氮、全磷、有机碳(SOC)和pH，测定方法详见相关文献[27]。

1.4 数据处理与分析

单次降雨径流中可溶性有机氮(DON)、颗粒态氮(PN)、颗粒态磷(PP)浓度可分别通过公式(1)、(2)、(3)所得：

式中：CTDN指单次降雨径流可溶性总氮浓度(mg/L)；CO指单次降雨径流硝态氮浓度(mg/L)；CH指单次降雨径流铵态氮浓度(mg/L)；CTN指单次降雨径流全氮浓度(mg/L)；CTP指单次降雨径流全磷浓度(mg/L)；CTDP指单次降雨径流可溶性总磷浓度(mg/L)。

C、N、P平均浓度C(mg/L)、总流失量D(kg/hm2)可分别通过公式(4)、(5)所得：

式中：Ci指单次降雨径流的元素浓度(mg/L)；Ri指单次降雨事件的径流量(L/m2)；S指径流小区的面积(m2)。

采用SPSS 18.0进行数据处理与分析。对不同施肥处理和耕作方式下土壤和径流的C、N、P浓度及流失量的显著性差异进行单因素方差分析(One-Way Analysis)和多重比较(Duncan)。当P<0.05时差异显著，P<0.01时差异极显著。

利用 Originlab 2018 和 AutoCAD 2014 作图。

2 结果与分析

2.1 施肥和耕作处理对紫色土坡耕地土壤化学性质的影响

如表2所示，12年的长期施肥降低了土壤的pH，且以T1和T2降低的效果较显著。长期施用猪粪或化肥均可显著增加土壤中的有机碳、全氮和全磷浓度，有机碳、全氮和全磷浓度的变化范围分别为 3.07～8.55、0.31～0.96 和 0.31～0.89 g/kg ，以T1增加幅度最大。研究表明，施用化肥的条件下，增量施化肥对营养元素浓度影响不显著(P>0.05)，而在施等量化肥情况下，横坡耕作显著增加了土壤有机碳浓度(P<0.05)，也在一定程度上提高了土壤其他营养元素的含量，但差异不显著(P>0.05)。

表2 各处理土壤化学性质Table 2 Soil chemical properties of different treatments

2.2 施肥和耕作处理对紫色土坡耕地碳、氮和磷流失的影响

图2显示，在整个玉米生育期内(2019年4月至7月)，共产生6次侵蚀性降雨，收集水样共计90个。侵蚀性降雨量在4月14日最小，在7月15日最大，地表产生的平均径流量范围为0.21～6.04 L/m2，总体而言，在玉米生长前期径流量较低，在玉米生长后期径流量较高。

图2 各处理降水量和径流量Fig. 2 Precipitation and runoff volume under different treatments

从每次监测的径流量看，CK处理的径流量均为最高，横坡耕作T4处理最低，而单施化肥处理T2和T3均大于T1处理。总体而言，横坡耕作的径流量较其他处理降低了44.65%～67.36%，T1处理径流量分别比T2和T3处理减少了15.65%和22.76%(表3)。

表3 各处理径流中的碳、氮、磷平均浓度(n=6)Table 3 Average concentrations of C,N,P in run-off under different treatments

由施肥和耕作处理下径流中C、N和P浓度随时间的变化（图3）可知，可溶性有机碳浓度范围为5.92～35.74 mg/L；全氮、可溶性总氮、可溶性有机氮、NH4+-N和NO3−-N浓度范围分别为1.22～6.84、0.76～5.57、0.23～2.12、0.01～0.44 和 0.37～4.05 mg/L；而全磷和可溶性总磷浓度范围分别为0.11～2.94和0.04～0.88 mg/L。随着玉米的生长发育，可溶性有机碳、全氮、全磷浓度总体呈下降趋势。从每次监测值看，顺坡耕作不施肥对照的6个指标都最低，T1处理的6个指标都高于对照，但低于其他处理，而施1.5倍化肥顺坡耕作的T3处理的6个指标最高。相同施肥量下的T2和T4在各监测时间的6个指标的浓度十分接近。因此，施肥是影响径流中养分浓度的主要因素，耕作方向没有产生显著的影响。

图3 不同处理玉米生育期内径流中碳、氮和磷浓度Fig. 3 C,N,and P concentrations in run-off during maize season under different treatments

表3表明，在玉米生育期内，施肥处理径流的C、N和P平均浓度均高于对照处理，但全磷浓度差异不显著(P>0.05)。顺坡耕作下，化肥+猪粪处理(T1)可溶性有机碳浓度较T2降低了33.66%(P<0.05)，全氮、全磷浓度分别降低了15.48%、17.84%。但未达显著水平(P>0.05)；1.5倍化肥量处理(T3)的径流中碳、氮、可溶性总磷的浓度较单施化肥处理(T2)有所升高，而全磷浓度较T2处理有所降低，可溶性有机碳和NH4+-N的提高效果达到显著水平(P<0.05)。相比顺坡耕作，施用等量化肥的横坡耕作处理(T4)径流中可溶性有机碳、全氮和全磷较T2处理均有所降低，降低幅度分别为25.15%、18.22%和37.15%，NO3−-N浓度的降低达到显著水平(P<0.05)。

图4所示，相比于T2处理，横坡耕作处理(T4)显著降低了径流中可溶性有机碳、全氮和全磷流失量，降低幅度分别为59.16%、58.57%和68.42%。3个顺坡施肥处理相比，化肥+猪粪处理(T1)营养元素流失量最低，可溶性有机碳、全氮和全磷流失量分别较T2减少了43.10%、27.51%和31.26%，而T3处理的可溶性有机碳、全氮和全磷流失量最高，分别为6.02、0.86和0.20 kg/hm2，较T2处理分别提高了39.68%、22.86%、5.3%。径流中可溶性总氮的流失量占全氮流失量的56.10%～89.81%，而NO3−-N流失量占可溶性总氮流失量的42.86%～69.37%，表明可溶性氮特别是硝态氮是全氮主要的流失形式。可溶性总磷流失量仅占全磷流失量的10.96%～34.34%，而颗粒态磷占全磷流失量的65.66%～89.04%。

图4 各处理不同形态C、N、P流失量Fig. 4 Quantitative losses of C,N,and P in different forms under different treatments

2.3 施肥和耕作方向对径流中全氮和全磷的影响

图5中彩色圆圈代表各处理全氮/全磷值在7～30之间的径流，圆圈越大表示径流量越大。如图所示，CK、T1、T2、T3和T4处理的径流全氮/全磷范围分别为 1.34～19.63、1.35～21.17、1.29～16.76、2.15～16.45和2.14～21.56。相比于CK，T1、T2、T3和T4处理径流全氮/全磷平均值分别降低了31.87%、32.48%、26.71%和13.75%。在玉米生育期内，所有施肥和耕作处理下径流全氮/全磷平均值均小于7，处于浮游植物生长受到氮限制的范围。

图5 各处理径流中全氮/全磷值变化Fig. 5 TN/TP ratio of runoff under different treatments

3 讨论

降雨影响着径流量，施肥则影响着径流中的C、N、P浓度[28]。本研究通过对玉米生长季紫色土坡耕地径流的连续监测，发现径流中的C、N和P浓度在玉米苗期和拔节期较大，前两次降雨下，5个处理径流中全氮浓度范围为2.09～6.84 mg/L，均超过了Ⅴ级地表水全氮阈值(2 mg/L，GB3838-2002)；全磷含量在超过60%的径流中远高于V级地表水全磷阈值(0.5 mg/L，GB3838-2002)，有的甚至是阈值的6倍(图3)。因为玉米施用了底肥，土壤中的C、N和P含量较高。而且此时玉米植株冠幅、叶表面积较小，作物覆盖度低，对雨水的截留作用较弱[29]，因而土壤侵蚀和并发的营养元素流失较为严重。随着玉米的生长发育，玉米吸收了土壤中大量的可溶性C和N，虽然在玉米拔节期追肥，但植被覆盖高，减缓了降雨对土壤的冲刷，而且温度不断升高，有利于土壤对可溶性有机碳中简单的碳水化合物、有机酸及氨基酸的吸附，从而减少径流所能携带的可溶性有机碳[30]。另外，玉米生长后期因雨季降雨丰富，产生的径流量较多，对养分浓度产生一定的稀释作用。

过量施肥是坡耕地C、N、P流失的主要驱动因素[31]。本研究发现，增加化肥施用量(T3)大大提高了可溶性有机碳、全氮、全磷的流失量，分别是其他处理的1.40～3.42、1.24～3.02、1.05～3.42倍(表3)，这可能是由于长期单施高量化肥破坏了土壤团聚体，有利于有机质的分解，土壤稳定性变弱，在降雨作用下，土壤中的元素更容易随径流流失[17,32]。长期采取顺坡耕作化肥+猪粪处理下径流的可溶性有机碳、全氮、全磷浓度和流失量低于顺坡耕作化肥处理(表3和图4)，其中C、N、P流失量由浓度和径流量共同决定。长期施用有机肥能显著降低土壤容重，提高土壤孔隙度、土壤团聚体稳定性及土壤的抗侵蚀能力，从而减少径流的产生[33]。施用有机肥料后，土壤孔隙较大，表层土壤质地疏松，在一定程度上阻止降雨在地表横向流动，降低营养元素随地表径流流失风险[21]。有机肥属于缓释肥，施入土壤有利于提高土壤保存养分的能力[34]。另一方面，由于有机肥本身含有较多的有机营养元素，有机肥料的长期投入直接增加了土壤中C、N和P含量(表2)，同时，有机肥可以促进作物根系生长，增加地下生物量，增加了土壤中的植物残体或根系带入的有机质[35]。此外，有机肥也可为微生物提供良好的繁殖环境，提高微生物活性，进而增加土壤中有机质的含量[36]。而土壤有机质的增加使其覆盖层为可溶性有机碳提供更多的疏水性吸附点位，促进土壤对可溶性有机碳的吸附固持[37]。但也有相关研究表明土壤有机碳的增加会抑制对可溶性有机碳的吸附[38]。之后可进一步研究土壤性质与土壤可溶性有机碳吸附能力的关系及其对可溶性有机碳迁移的影响。并且有机物的循环利用显著提高了土壤N、P活性，改善土壤养分供应特征，促进作物对养分的吸收利用，作物生长良好，植被覆盖度高，对土壤的元素流失起到一定拦截作用，从而降低土壤N、P素流失风险[10,39]。在施肥量相同的情况下，横坡耕作(T4)的土壤可溶性有机碳、全氮、全磷浓度和流失量低于顺坡耕作(T2) (表3和图4)。横坡垄作因耕作方向垂直于径流流动方向，其所形成的生物屏障缩短坡长，拦截径流，降低径流流速，增加径流的入渗速率，减缓径流流失过程，有效阻拦地表径流和养分的流失[40–41]。横坡耕作改善了土壤性质，在一定程度上可以增加团聚体的稳定性[42]，提升了土壤抗冲刷和侵蚀的能力，达到固肥效果，在一定程度上减少了土壤C、N、P的流失。而顺坡耕作，由于缺乏生物屏障的拦截作用，会加速地表径流和土壤C、N、P的流失。毛妍婷等[41]在红壤中的研究结果也表明，相比于顺坡耕作，横坡耕作显著减少了43.52%的养分流失。本研究结果显示可溶性氮是紫色土坡耕地总氮流失的主要形式，而可溶性磷仅占总磷流失的10.96%～34.34%，颗粒态磷才是总磷的主要流失形态，这与Baha等[43]的研究结果一致。

全氮/全磷质量比是水中浮游植物营养结构特点的重要反映，常用于预测N或P是否是水生生态系统浮游植物生长的限制因子，对水体中浮游植物的生长繁殖具有重要意义[44]。一般来说，水体全氮/全磷在7～30时，合适藻类生长发育，水体中全氮/全磷<7时浮游植物生长受到氮限制，全氮/全磷>30时浮游植物的生长受到磷的限制[45]。本研究中紫色土坡耕地径流全氮/全磷平均值波动范围为3～6，表明受到了氮的限制，这与紫色土坡耕地土壤的限制因子是氮元素一致[46]，可能是因为紫色土氮素含量相对较低，而玉米自身生长发育需要大量消耗施入土壤的氮素，使得降水产生径流中氮素浓度较低。CK处理径流全氮/全磷最大，其次是T3和T4处理，而T1和T2处理较小，这说明施肥种类的改变对径流全氮/全磷的影响很小，而施肥量的增加略提高了全氮/全磷。横坡耕作的全氮/全磷稍大于顺坡耕作，这可能是因为横坡耕作对泥沙的拦截效果优于顺坡耕作[47]，而磷主要随泥沙流失，所以横坡耕作磷的流失低于氮，进而提高了全氮/全磷。在本研究中径流全氮/全磷在各处理间的差异不显著，仍需要更多的研究来探讨坡耕地C、N和P流失的比例，有助于准确了解耕作和施肥处理对农业面源污染的贡献，从而采取有效的控制措施。

4 结论

长期施肥和耕作下，化肥有机肥配合施用和横坡耕作处理均显著增加了土壤中有机质、全氮、全磷含量。径流主要发生在玉米生育前期，此时径流中的C、N和P浓度远大于玉米生育后期。化肥有机肥配施的径流可溶性有机碳、全氮和全磷浓度平均比单施化肥分别降低了33.66%、15.48%和17.84%，流失量分别降低了43.10%、27.51%和31.26%。同样化肥施用量下，横坡耕作的径流可溶性有机碳、全氮和全磷浓度比顺坡耕作可分别减少25.15%、18.22%和37.15%，流失量分别减少59.16%、58.57%和68.42%。因此，在紫色土坡耕地上，采取化肥有机肥配施和横坡耕作可以有效减少土壤C、N和P的流失，降低周围水体污染风险。