紫色土坡耕地农桑系统对土壤磷素流失的影响

2022-07-04杨红宾王胜殷溶雷平陈方鑫倪九派谢德体

农业环境科学学报 2022年6期

杨红宾，王胜*，殷溶，雷平，陈方鑫，倪九派，谢德体*

（1.西南大学资源环境学院，重庆 400716；2.三峡库区水环境监测与模拟国际科技合作基地，重庆 400716）

磷是植物生长发育所必需的三大营养元素之一，但土壤中的磷绝大部分以难溶的无机态和有机态形式存在，仅有1%左右的磷可被植物直接吸收利用。土壤磷的低有效性使其成为影响作物产量的主要限制因子。因此，为保证作物产量，农户需定期向农田土壤中施入大量磷肥。近30年来，我国磷肥消费量增长了3倍，但磷肥利用率普遍低于25%。过多的磷肥投入导致农田土壤磷不断累积，极大地增加了磷素流失至水体的风险。在降雨-径流驱动下，土壤磷素以水溶态和颗粒态形式随径流和泥沙迁移，最终汇入水体。磷素是水体富营养化的关键因子，其中水溶态磷以正磷酸盐为主，是水体中藻类生长所需磷的直接来源，而颗粒态磷是藻类持续生长的潜在磷源。如何有效控制农田土壤磷素流失对防控农业面源污染和水体富营养化等具有重要意义。

四川盆地低山丘陵区紫色土分布广泛，其耕性强且生产力高，是当地重要的农业土壤类型，但作为初育土，其抗蚀性弱、蓄水保土能力低。同时，紫色土坡耕地区地形起伏大、雨热同季，导致其成为长江流域和三峡库区土壤侵蚀与农业面源污染的主要来源地。植物篱技术是控制土壤侵蚀与养分流失的一种重要措施。西南紫色土区居民素有栽桑养蚕的传统，桑蚕业历史悠久，坡耕地-桑树农林复合系统是当地一种常见的土地利用方式。紫色土坡耕地配置桑树篱可以有效减少地表径流与土壤侵蚀，起到固土保肥的效果。已有研究表明，相比于传统种植模式，西南紫色土区桑树篱间作可使径流系数降低10.3%~20.0%，径流含沙量降低48.6%~59.8%，侵蚀量降低55.3%~67.8%。相比于常规横坡农作，等高桑交叉耕作和等高桑横坡耕作均能有效降低坡耕地地表氮磷流失量；农桑间作小区内土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量均显著提高。紫色土坡耕地不仅地表土壤侵蚀和养分流失十分严重，而且其土层薄、砾石多的初育土壤特征导致坡耕地地下径流与养分渗漏现象同样显著。近几年，壤中流携带养分流失的现象有所报道，尤其对四川盆地紫色土区的研究较多。研究表明，一些地表粗化严重的山地壤中流占总径流量的70%~80%，壤中流携带养分流失量占养分总流失量的比例可达70%。然而，关于植物篱措施，尤其是等高植物篱配置方式对紫色土坡耕地壤中流中磷素流失的影响研究较少。

合适的植物篱配置方式很大程度上影响着植物篱-农作系统的土地利用效率、土壤侵蚀量及农业面源污染控制效果。但前人的研究多针对不同植物篱品种和布设方式，关于植物篱数量对控制坡耕地土壤侵蚀和养分流失，尤其是壤中流中磷素流失影响的研究较少。因此，本研究以三峡库区紫色土坡耕地为研究对象，针对等坡长径流小区设置不同数量等高桑篱带处理，定量研究紫色土坡耕地农桑系统桑篱带数量对磷素地表、地下流失的控制效果，揭示磷素地表、地下流失的耦合关系，研究对优化和推广控制农业面源污染的紫色土坡耕地-桑树配置模式、消减入库污染负荷、维持生态环境的可持续发展具有重要的理论意义和实践价值。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验小区位于重庆市北碚区国家紫色土肥力与肥料效益监测站（30°26′N，106°26′E），该区域属亚热带季风性湿润气候，年均气温18.3℃，年均降雨量1 105.4 mm，年均日照时长1 117.8 h。试验共建立12个径流小区，每个小区均长9 m、宽3 m、坡度15°。径流小区土体由人工填装而成，总厚度60 cm，模拟西南地区典型紫色土剖面实际构型，下层40~60 cm填装紫色砂岩块母质，上层0~40 cm耕作层与心土层填装紫色土。在坡面底部上方设置明沟用于收集地表径流，在坡底土表以下60 cm深度设置暗沟收集总壤中流。试验土壤为侏罗纪沙溪庙组发育的紫色土，土壤质地为砂黏土。试验小区耕作层和心土层土壤基本理化性状见表1。

表1 试验土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical characteristics of experimental soil

试验共设4个处理：一带桑（T）、两带桑（T）、三带桑（T）与无桑树篱（对照CK）。每个处理设置3个径流小区重复，研究等坡长径流小区不同数量桑带处理对农桑系统磷素流失的影响。桑带所种桑树品种为中桑5801。小区桑带间的耕地实行玉米-榨菜轮作，玉米每年3月中旬移栽，7月下旬收获，榨菜每年10月底移栽，次年2月中旬收获。玉米种植季与榨菜种植季之间遵循当地耕种习惯，自然空茬休耕，不种植作物。小区桑篱的桑树至本试验开始前已栽种2 a，坡耕地-桑树系统已基本成型。试验期内各小区施肥与耕作管理保持一致，按照农民习惯采用常规施肥：玉米施肥两次，分别为玉米苗肥和追肥，榨菜施肥一次，均采用5 cm左右深度的穴施法。具体施肥量及施肥日期见表2。

表2 各处理施肥量（kg·hm-2）Table 2 The amount of fertilizers applied in each treatment（kg·hm-2）

1.2 样品采集

研究观测时期为2020年9月至2021年8月，构成涵盖休耕期-榨菜种植季-玉米种植季的完整年观测序列。观测期间，试验区共发生降雨120次，累计降雨量为1 218.2 mm，根据《降水量等级》（GB/T 28592—2012），24 h降雨量在10 mm以下为小雨，10.0~24.9 mm为中雨，25.0~49.9 mm为大雨，50.0~99.9 mm为暴雨，100.0~249.9 mm为大暴雨。研究区2020年9月到2021年8月共发生小雨91次、中雨16次、大雨5次、暴雨7次、大暴雨1次，产流降雨29次。每次降雨产流后，测量各小区地表径流和壤中流产生量，并取水样及时测定各形态磷含量。

1.3 数据处理与分析

观测期内第次降雨事件地表径流和壤中流流失量以及各形态磷素迁移流失量的计算公式为：

式中：V为第场降雨下各试验小区第层土壤的径流流失量，mm；v为第场降雨下收集到的从第层土壤流出的径流体积，L；为各土层径流收集装置的收集面积，m；为观测期内各形态磷素的总迁移量，kg·hm；为负荷转换系数，10；为小区面积，m；V为第次各小区产流降雨中地表径流或壤中流产流体积，L；C为第次地表径流和壤中流产流事件中各形态磷素浓度，mg·L。

采用SPSS 20进行试验数据统计分析，用LSD法进行多重比较，用不同小写字母表示差异显著性（<0.05），采用Origin 2018进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 农桑系统紫色土坡耕地产流特征

观测期内，共发生产流降雨29次，累计产流降雨量941.8 mm。降雨事件主要集中在5—8月，以中雨和暴雨（17次）为主，各处理地表径流量和壤中流量以及总产流量随降雨量变化的趋势基本一致（图1），但不同处理径流量之间存在差异（图2）。各处理地表径流量大小顺序为CK[（60.31±1.33）mm]>T[（59.52 ± 3.49） mm]>T[（49.44 ± 0.80） mm]>T（[40.48±4.27）mm]，T处理和T处理对地表径流的拦截效果显著，地表径流量分别较CK处理显著降低了18.0%和32.9%。各处理壤中流量大小顺序为CK（[226.25 ± 34.95） mm]>T（[166.66 ± 6.79） mm]>T（[142.28±1.93）mm]>T（[68.91±1.63）mm]，桑树篱处理显著降低了降雨事件中壤中流的产生，随着桑树篱带的增加，各桑树篱处理壤中流量较CK处理分别显著降低了26.3%、37.1%和50.8%。

图1 不同降雨量下紫色土坡耕地径流流失动态Figure 1 Runoff yields of slope farmland of the purple soil under different rainfall events

图2 试验期内各处理径流量Figure 2 Runoff yields of different treatments during the experimental period

各处理总产流量大小顺序为CK（[286.56±33.62）mm]>T（[226.19±3.30）mm]>T（[191.71±1.14）mm]>T（[109.38±2.64）mm]，其中壤中流量占比表现为CK（79.0%）>T（74.2%）>T（73.7%）>T（63.0%），壤中流是各处理的主要产流方式。各处理通过地表入渗进入土壤的累计总水量大小顺序为T（901.32 mm）>T（892.36 mm）>T（882.28 mm）>CK（881.49 mm），总拦截量大小顺序为 T（791.94 mm）>T（700.65 mm）>T（656.09 mm）>CK（594.93 mm），各处理对降雨入渗水分的截留效果随桑树篱的增加而增加。

2.2 农桑系统紫色土坡耕地磷流失特征

各处理对农桑系统下紫色土坡耕地各形态磷素流失的影响有所不同（图3）。地表径流中，T处理全磷流失量和颗粒态磷流失量较CK处理显著降低了39.8%和55.4%（图3d和图3b），其余桑树篱处理对地表径流中磷素流失没有显著的拦截效果，且相比于CK处理，T处理可溶性磷和正磷酸盐流失量分别显著增加了59.0%和61.0%（图3c和图3a）。壤中流中，除T处理正磷酸盐流失量大于CK处理外，其余各处理不同磷素流失量均随桑树篱带的增多而减少，其中T处理的拦截效果最显著（图3）。壤中流中，相比于CK处理，T处理的颗粒态磷、正磷酸盐磷、可溶性磷和全磷流失量分别显著降低了83.8%、80.9%、74.2%和78.5%；T处理仅全磷流失量显著降低了34.2%。就地上、地下各形态磷素总流失量而言，仅T处理显著降低了各形态磷素总流失量，其余桑树篱处理各形态磷素总流失量与CK处理间的差异均不显著。相比于CK处理，T处理颗粒态磷、正磷酸盐磷、可溶性磷和全磷总流失量分别显著降低了67.6%、56.3%、52.6%和61.3%。由图3可知，颗粒态磷流失途径以地表径流为主，可溶性磷和正磷酸盐磷流失途径基本以壤中流为主（T处理除外）；且随桑树篱种植密度增加，壤中流全磷流失量占全磷总流失量的比例逐渐减少，表现为CK（55.5%）>T（47.7%）>T（39.7%）>T（30.8%）。

图3 各处理不同形态磷素流失量Figure 3 The amount of phosphorus loss of different forms in different treatments

2.3 农桑系统下紫色土坡耕地各形态磷流失比例

如表3所示，在观测期内，农桑系统下紫色土坡耕地地表径流磷素流失以颗粒态磷为主，占地表径流全磷流失量的53.8%~76.2%；而壤中流中磷素流失以可溶性磷为主，占壤中流全磷流失量的55.3%~66.3%；在地上、地下磷素总流失量中，除T处理外（47.4%），其余各处理磷素流失仍以颗粒态磷为主，占地上、地下全磷总流失量的51.6%~59.9%；各处理地上、地下正磷酸盐磷流失量占比规律基本一致。与CK处理相比，各桑树篱处理对壤中流中磷素流失形式影响较小，但明显改变了地表径流中磷素的流失形式，T处理和T处理显著降低了地表径流中颗粒态磷流失比例，显著增加了可溶性磷和正磷酸盐磷流失比例；T处理对地表径流中各形态磷素流失比例没有显著影响。

表3 各处理不同形态磷流失比例（%）Table 3 Different forms of phosphorus loss ratio in different treatments（%）

2.4 降雨量和产流量与磷素流失的相关分析

对不同处理径流量和产流降雨量进行线性回归分析（图4），发现各处理径流量与降雨量均呈极显著正相关（=0.68~0.83），且地表径流量与降雨量回归方程决定系数（=0.75~0.83）大于壤中流与降雨量回归方程决定系数（=0.68~0.76），表明降雨量对径流的影响可能受到土层深度的影响。同时对农桑系统下紫色土坡耕地磷素流失量与降雨量和径流量进行相关性分析（表4）发现，各形态磷素流失量与降雨量和径流量均极显著正相关，但相关程度存在差异。比较相关系数发现，壤中流中全磷流失量和颗粒态磷流失量与降雨量的相关系数（=0.694，=0.588）均大于地表径流（=0.553，=0.468），相反，壤中流中可溶性磷和正磷酸盐磷流失量与降雨量的相关系数（=0.683，=0.641）均小于地表径流（=0.751，=0.765）；同时，壤中流中颗粒态磷流失量与全磷流失量的相关系数（=0.897）小于地表径流（=0.989），而壤中流中可溶性磷和正磷酸盐磷流失量与全磷流失量的相关系数（=0.950，=0.921）均大于地表径流（=0.826，=0.651）。上述结果再次表明，观测期内紫色土坡耕地壤中流磷素流失以可溶性磷为主，而地表径流磷素流失以颗粒态磷为主。

图4 各处理径流量与降雨量的相关关系Figure 4 Correlation between rainfall amount and runoff yield in different treatments

2.5 产量分析

作物产量是评价农桑系统效益的重要指标。根据单因素方差分析（表5），发现试验期内榨菜经济产量、副产物生物量及总生物量均随着桑树篱种植密度的增加而降低。与CK处理相比，T处理的总生物量和副产物生物量均显著降低，但各处理榨菜经济（块茎）产量之间均无显著差异。相较于榨菜，桑树篱措施对玉米经济（籽粒）产量的影响更为显著，除T处理玉米经济产量与CK处理无显著差异外，其余各处理玉米经济产量、副产物生物量及总生物量均随桑树篱种植密度增加而显著降低，其中T和T处理玉米经济产量分别显著降低9.6%和13.3%。桑树篱措施显著影响了春季玉米的生长及玉米经济产量。

表5 试验期内不同处理农作物生物产量（干质量，kg·hm-2）Table 5 Crop biomass（dry weight）of different treatments during the test period（kg·hm-2）

3 讨论

降雨是引起旱坡地土壤侵蚀和养分流失的直接驱动力，是决定其流失程度的重要因素，但在同等强度降雨条件下，桑基植物篱的应用能显著影响紫色土坡耕地径流分配及磷素流失，从而使不同农桑配置模式对地表径流和磷素流失的阻抗效果产生显著差异。研究表明，两带桑和三带桑处理显著降低了产流降雨过程中地表径流，一带桑处理对地表径流没有显著拦截效果（图2）。这主要是因为两带桑和三带桑处理对坡面径流的连续拦截和分散作用，增加了坡面径流的运移时间和入渗量，从而减少了坡面径流的产生，而一带桑位于径流小区最下方，对坡面径流拦截不及时且拦截作用小，导致拦截效果不显著。相关分析表明，地表径流中磷素流失量与地表径流量和降雨量均呈极显著正相关（表4），但同时也发现地表径流量并不是影响地表径流磷素流失的唯一因素。试验期内，各处理地表径流总量随着桑树篱带的增加而降低，但一带桑和两带桑处理地表径流中各形态磷素流失量却均高于无桑树篱处理，仅三带桑处理显著降低了地表径流中颗粒态磷和全磷流失量。这是因为除降雨和地表径流外，土壤抗蚀性和植被覆盖度也是影响坡耕地土壤侵蚀和养分流失的重要因素。研究表明，植物篱措施能有效增加地表植物覆盖度、延长降雨入渗时间，减轻降雨和坡面径流对土壤的侵蚀冲刷；同时错综复杂的植物篱地下根系能有效改善土层结构，进而提高土壤抗蚀性。但植物篱的种植也会抑制篱下杂草生长，导致休耕期内各处理植被覆盖度存在差异。观测发现，从玉米成熟（即收获）的7月上旬开始，各径流小区内桑树篱带数量越多、越密，篱下坡面杂草生长越少，反而无桑树篱处理杂草生长旺盛、地面粗糙度高，因此其地表径流中各形态磷素流失量低于一带桑和两带桑处理。三带桑处理虽然地面杂草生长最少、地面粗糙度低，但由于桑树篱种植数量多，桑树枝叶茂盛，极大地减轻了降雨对坡面的冲刷和对土壤的侵蚀，从而降低了磷素通过地表的迁移流失量。

表4 磷素流失量与降雨量和径流量相关关系Table 4 Correlation of phosphorus loss with rainfall and runoff

本研究供试土壤为沙溪庙组发育的紫色土，其具有土层薄、砾石多、水分入渗快、保水能力低等特点，但土层厚度也是影响降水入渗与再分配的重要因素，因此该紫色土坡耕地壤中流极为普遍。本研究结果显示，紫色土坡耕地农桑系统产流方式以壤中流为主，占总径流量63.0%~79.0%，且壤中流占比随着桑树篱带数量的增大而减小。汪三树等研究发现，相比于自然生草梗，桑埂的土壤孔隙度增加53.06%，土壤入渗率明显大于其他几种生物埂，同时其发达的孔隙结构导致土壤水库总库容和滞洪库容等均显著高于自然生草埂，因此能有效调节地表径流并缓解季节性干旱。本研究结果表明，桑树篱措施均能显著减少产流降雨过程中壤中流的产生，增加土壤对降雨入渗水分的拦截量（图2），但不同配置模式对降雨入渗水分的拦截效果不同，一带桑和两带桑处理壤中流量差异不显著，但均显著高于三带桑。桑树生长速度极快，蒸腾耗水强烈，坡耕地桑树会消耗坡耕地土壤水库，影响坡耕地水分循环与产流过程。随着桑带数量的增加，桑树蒸腾耗水对坡耕地农桑系统土壤水库的消耗增多，降水入渗优先补充土壤水库，地表径流和壤中流产生量相对减少。因此桑带蒸腾耗水是三带桑处理壤中流量显著低于一带、两带桑处理的主要原因之一。虽然各处理壤中流中不同形态磷素流失量随桑树篱数量的增多而减小，但仅三带桑处理显著降低了各形态磷素流失量，两带桑处理仅显著降低了壤中流中全磷流失量。

由于磷肥主要施在土壤表层，且易被土壤吸附固定，在土壤中很难移动，多数研究认为土壤中的磷素沿剖面垂直向下淋溶的可能性较小，地表径流和土壤侵蚀是其流失的主要途径，随径流泥沙流失的颗粒态磷是最主要的流失形式。本研究结果表明，各处理地表径流平均总磷浓度是壤中流总磷浓度的3.1~4.4倍。即使试验期内壤中流是紫色土坡耕地主要产流方式，但除无桑树篱处理（44.5%）外，其他处理总磷流失仍以地表径流为主要途径（52.3%~69.2%）。对比分析不同形态磷素流失比例（表3）以及地表径流和壤中流中颗粒态磷、正磷酸盐磷和可溶性磷流失量与全磷流失量的相关系数（表4），发现地表径流中磷素流失以颗粒态磷为主，而壤中流中磷素流失以可溶性磷为主，但就地上、地下磷素流失总量而言，除三带桑处理（47.4%）外，其余各处理磷素流失仍以颗粒态磷为主（51.6%~59.9%）。经统计分析发现，与三带桑相比，一带桑和两带桑不仅总径流量高，而且流失总磷平均浓度也高，一带、两带桑处理径流平均总磷浓度约是三带桑的1.32倍。流失总磷平均浓度与总径流量在地表径流和壤中流的分配比例、两者中磷素浓度差异和浓度值等密切相关，但与总径流量的大小没有直接关系。结果显示，无论是地表径流还是壤中流，一带、两带桑处理总磷浓度均高于三带桑。综合影响下，一带、两带桑处理径流总磷平均浓度高于三带桑处理。总体来说，不同配置桑带通过改变径流总量、地上地下径流分配与径流磷素浓度，最终影响紫色土坡耕地农桑系统磷素流失量。

合适的植物篱配置方式不仅需要有效防治坡耕地水土流失、减轻农业面源污染，而且不能引起作物显著减产。本试验基于西南地区种桑养蚕的传统，选择紫色土区常见水土保持树种——桑树作为植物篱，等高布设了3种农桑配置模式。结果表明，两带桑处理可以显著降低壤中流中磷素流失，但对地表径流中磷素流失无显著拦截效果；种植篱数最多的三带桑处理能显著降低紫色土坡耕地地上、地下磷素流失，达到减轻农业面源污染的目的。但综合考虑桑树篱对作物产量的影响（表5），由于春季桑树篱生长旺盛，对养分和光照的竞争激烈，导致各桑树篱处理中玉米经济产量、副产物生物量和总生物量均随桑树篱种植密度的增加而降低。本研究结果表明，试验期内部分桑树篱处理虽能有效减少坡耕地土壤磷素流失，但也造成作物（玉米）产量显著降低。综合考虑本研究田间试验过程，休耕期内桑树篱对杂草的抑制明显影响了其控制坡耕地土壤侵蚀和养分流失的效果，同时生长旺盛的桑树篱与作物，尤其是玉米形成激烈竞争，严重影响了作物产量。因此，在本研究的基础上，后续将考虑在各桑树篱处理径流小区最底端的一排桑树篱下种植草本植物篱，采用两种植物篱相结合的方式增强桑树篱措施对土壤侵蚀和养分流失的拦截效果。同时在桑树篱生长高度超过玉米时及时修剪桑树枝条，削弱桑树篱和玉米的竞争。在本研究基础上，应继续监测农桑系统下紫色土坡耕地土壤侵蚀和养分流失情况，以期优化桑树篱措施后，在保证和提高各桑树篱处理有效拦截紫色土坡耕地养分和水土流失的前提下，降低桑树篱措施对作物（玉米）产量的影响，确定最佳农桑配置模式。