生草覆盖及配合化肥减量对柑橘园地表径流氮磷流失的影响

程子珍，范先鹏，夏颖，刘冬碧，谭勇，严昶，樊丹，廖贵新，胡磊磊

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所，国家农业环境潜江观测实验站，湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心，农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站，武汉 430064；2.湖北省农业生态环境保护站，武汉 430070；3.宜都市农业农村局，湖北 宜都 443300）

降雨径流是引起土壤氮磷流失的重要原因，不同的土地利用方式是造成土壤氮磷流失的本质因素，由于施肥量过高、施肥不当[1]和缺乏管理措施[2]，坡地果园成为小流域中氮磷流失的主要土地利用方式之一[3-5]。坡地果园氮磷流失会造成果园土壤质量退化、生产力下降，且对周边水体水质安全造成影响。降雨量和降雨强度决定了地表径流发生时期和氮磷流失时期，生草覆盖被认为是果园防控水土流失和氮磷流失的重要措施[6-11]，在极端暴雨条件下采用生草覆盖可大幅减少径流发生量和泥沙产生量[12]。俞巧钢等[9]研究发现，在山地果园套种黑麦草分别减少了36.4%的径流量以及55.2%的总氮和58.5%的总磷流失量，Li 等[11]也曾报道，在秭归柑橘园间作白三叶后土壤氮和磷流失量分别减少了35.5%和40.0%，同时土壤质量等级有所提升。然而，在实际生产中，果园中生草栽培种类多为冬春绿肥，以培肥地力为主（9—10 月播种，次年3—4 月刈割），如光叶苕子、紫云英、紫花苜蓿[8]、箭舌豌豆[9]、二月兰[10]等。由于降雨和施肥的季节性差异，柑橘园的地表径流氮磷流失风险期往往是在暴雨与施肥耦合期，而该时期冬季绿肥已刈割还田，地表裸露度增大，氮磷流失风险增加。从防控地表径流氮磷流失的角度识别地表径流主要发生时期和氮磷流失风险期及其驱动因子，并在风险期采取有效的生草栽培措施，对于精准防控氮磷流失尤为重要。

柑橘是巩固农民脱贫成果的重要支柱产业，2019年湖北省柑橘种植面积发展到23.3 万hm2[13]，基本形成了三峡库区甜橙及长江、清江两岸优质宽皮柑橘两大特色产区，其中，清江是长江在湖北省内的第二大支流，清江两岸柑橘种植面积达2.0 万hm2，占湖北省柑橘种植面积的8.6%。然而，由于人地矛盾突出，山多坡陡、清耕管理、暴雨集中、化肥用量高等问题叠加导致氮磷流失风险大[12，14]，威胁清江流域和长江水质安全。因此，明确清江流域柑橘园氮磷流失特征并探索适合的防控措施，对清江流域“一江清水东送”具有重要的意义。

地表径流氮磷流失由径流量和径流中的氮磷浓度共同作用，单一的径流拦截措施不足以解决柑橘园氮磷流失问题，生草覆盖配合化肥减量可以通过同时降低径流量和氮磷浓度来实现高效削减氮磷流失。本研究通过在坡地柑橘园设置野外径流小区试验，连续7 年监测柑橘园地表径流产流和氮磷流失特征，探讨单一生草覆盖与生草覆盖配合化肥减量2 种管理措施对柑橘园氮磷流失的影响，以期为综合防控柑橘园养分流失提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本试验为长期定位试验，试验区位于湖北省宜都市五眼泉镇鸡头山村（111°22′E，30°23′N），如图1所示。试验区海拔103 m，属亚热带季风气候，全年平均降雨量1 350 mm，年均气温16.7 ℃，无霜期273 d。土壤为典型的黄棕壤，土壤理化性质：pH 值6.81，有机质含量12.9 g·kg-1，全氮含量1.7 g·kg-1，全磷含量4.4 g·kg-1，全钾含量13.1 g·kg-1，有效磷含量55.7 mg·kg-1，速效钾含量160.1 mg·kg-1。

图1 研究区位置图Figure 1 Position of the study area

1.2 试验设计

试验期限为2014年11月至2021年11月，试验地坡度14°，品种为宜都蜜桔国庆1 号，移栽时树龄和冠幅保持一致。共设置清耕对照（CK）、生草覆盖（KF）和生草覆盖配合化肥减量（BMP）3 个处理，每个处理3 次重复。CK 处理耕作与当地常规操作一致，不翻耕，每年除草2次；生草覆盖处理于每年4月种植黑麦草，每年8 月中旬收割除草后铺于树冠下。CK 和KF处理全年施肥量为N 890 kg·hm-2、P2O5338 kg·hm-2、K2O 450 kg·hm-2；BMP 全年施肥量为N 639 kg·hm-2、P2O5225 kg·hm-2、K2O 450 kg·hm-2。所有处理氮、磷、钾肥均为一年施肥2 次，还阳肥在采果后15 d 内施用（10 月下旬至11 月初），占施肥量的60%；壮果肥在6 月下旬至7 月初施用，占施肥量的40%。施肥方法为沿树冠滴水线下开环状沟，沟深20～30 cm，施肥后覆盖。

试验小区长370 cm、宽300 cm，面积11.1 m2，每小区种植1株柑橘，如图2所示。试验设3个处理3次重复，随机区组排列。小区采用砖混结构浇砌而成，小区间用15 cm 厚的水泥挡板隔开，挡板地下埋深30 cm、地上高20 cm，以防各小区径流混合。采用径流池法收集地表径流，在径流小区内布置PVC 管接收径流液排入径流池。径流池采用砖混结构浇砌而成，长250 cm、宽40 cm、深50 cm，径流池上方采用彩钢盖板防止雨水和杂物进入。采用JQR-1 型雨量计收集降雨，并记录降雨量。

图2 试验设计图Figure 2 The layout of the experimental plots

1.3 样品检测

每次降雨产流后，收集混匀后的地表径流水样。每次采样前，测量每个小区径流池地表径流水深，根据水深计算各小区地表径流量。将径流池内的水样充分搅匀，采集水样置于500 mL 塑料瓶中，放置于冰箱冷冻保存，集中进行检测。测定指标为总氮（TN）、可溶性总氮（DTN）、硝态氮、铵态氮、总磷（TP）和可溶性总磷（DTP）。TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定（HJ 636—2012），水样经定性滤纸过滤后，测定DTN，测定方法与总氮相同-N 采用紫外分光光度法测定（HJ/T 346—2007）；-N 采用靛酚蓝比色法测定；颗粒态氮（PN）用TN 和DTN 差减计算获得；可溶性有机氮（DON）用DTN 与差减计算获得。TP采用钼酸铵分光光度法测定（GB 11893—1989），水样经0.45µm微孔滤膜过滤后，测定可溶性总磷（TDP），测定方法与总磷相同；颗粒态总磷（PP）用TP 与DTP差减计算获得。

1.4 数据统计分析

采用SPSS 18.0 软件对数据进行统计分析，数据符合正态分布，处理间的差异显著性采用最小显著性差异法（LSD）分析，数据制图采用Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 生草覆盖和化肥减量对柑橘园地表径流氮磷流失的影响

2.1.1 对周年氮磷流失量和流失形态的影响

监测期间不同处理年均氮、磷流失量如表1 和表2 所示，CK、KF 和BMP 处理的TN 流失量分别为3.01、1.56 kg·hm-2和1.38 kg·hm-2，TP 流失量分别为0.42、0.21 kg·hm-2和0.18 kg·hm-2，TN 和TP 流失量均表现为CK>KF>BMP。在柑橘园中采取生草覆盖和生草覆盖配合化肥减量措施均能够显著降低氮磷流失量，与CK 处理相比，KF 处理TN 和TP 流失量分别显著降低48.2%和50.0%，BMP 处理TN 和TP 流失量分别显著降低54.2%和57.1%。与KF 处理相比，BMP 处理的TN 和TP 流失量虽然分别降低了11.5%和14.3%，但两处理间差异不显著。

表1 地表径流中各形态氮年均流失量及所占比例Table 1 Average annual nitrogen loss amount and proportion of various forms of nitrogen on surface runoff

表2 地表径流中各形态磷年均流失量及所占比例Table 2 Average annual phosphorus loss amount and proportion of various forms of phosphorus on surface runoff

2.1.2 对风险期内地表径流氮磷流失的影响

图3 和图4 显示，柑橘园地表径流氮磷流失风险期为4—8 月，该时期CK 处理TN 和TP 流失量分别为2.1 kg·hm-2和0.3 kg·hm-2，分别占全年的70.0%和73.4%。与CK 处理相比，在流失风险期，KF 处理的TN 和TP 流失量分别降低了41.1%和47.4%，BMP 处理分别降低了46.6%和52.3%，BMP 处理削减效果最好。在6—7 月柑橘园施壮果肥时期，也是暴雨与施肥耦合期，该时期CK 处理TN 和TP 流失量分别为0.87、0.15 kg·hm-2，分别占全年的29.0%和35.0%。与CK 处理相比，在暴雨与施肥耦合期，KF 处理的TN 和TP 流失量分别降低了51.9%和57.5%，BMP 处理分别降低了54.6%和64.4%，但是BMP 处理仅比KF 处理分别高2.7 个百分点和6.9 个百分点。与KF 处理相比，在流失风险期，BMP 处理的TN 和TP 流失量仅分别降低了7.7%和4.0%；在暴雨与施肥耦合期，BMP处理的TN 和TP 流失量分别降低了7.0%和13.6%，两处理间差异均不显著。以上结果表明，在柑橘园氮磷流失风险期，尤其是在暴雨与施肥耦合期，生草覆盖配合化肥减量可以起到很好的地表径流氮磷流失防控效果，生草覆盖的效果好于化肥减量。

图3 不同管理措施下地表径流月均TN流失量Figure 3 Average monthly TN loss amount on surface runoff under different management measures

图4 不同管理措施下地表径流月均TP流失量Figure 4 Average monthly TP loss amount on surface runoff under different management measures

2.2 生草覆盖和化肥减施对柑橘园产流特征的影响

2.2.1 柑橘园降雨特征

由表3可知，监测期间年降雨量在667～1 706 mm之间，年均降雨量为1 022 mm。图5 显示，试验区降雨量主要集中在3—10 月，占全年降雨量的87.5%，其中，4—10 月降雨量占全年降雨量的76.5%，6—7月降雨量占全年降雨量的39.6%。由表3 可知，试验区年际间降雨分布不均，2015 年和2019 年为少雨年份，年降雨量分别只有667 mm 和738 mm，2017 年和2020 年为多雨年份，降雨量分别达到了1 264 mm 和1 706 mm。

表3 监测期间不同管理措施下地表径流发生特征Table 3 Surface runoff characteristics under different management measures during the period of monition

图5 监测期间月均降雨量Figure 5 Average monthly rainfall during the period of monitoring

按照《降水量等级》（GB/T 28592—2012）对降雨量进行不同等级划分及筛选（小雨：24 h 降雨量0.1～9.9 mm；中雨：24 h 降雨量10.0～24.9 mm；大雨：24 h降雨量25.0～49.9 mm；暴雨：24 h 降雨量50.0～99.9 mm；大暴雨：24 h 降雨量100.0～149.9 mm），7 年不同等级降雨累计次数如图6 所示，中雨、大雨和暴雨主要集中在3—10 月，累计次数分别为37、39 和51 次，分别占81%、92%和96%，大暴雨主要集中在4—8月，累计次数为7次，占比78%。

图6 监测期间不同等级降雨累计次数Figure 6 Accumulated rainfall frequency at different levels during the period of monitoring

2.2.2 周年产流量和产流系数

表3 表明，柑橘园径流量和产流系数年际差异较大，CK 处理径流量范围在45.2～202.7 mm 之间，产流系数介于5.8%～16.0%，值得注意的是，年径流量没有随着年降雨量的增加而增加，如2017 年降雨量为1 264 mm，径流量为202.7 mm，而2020 年降雨量达到了1 706 mm，径流量仅109.4 mm。分析产流时段降雨量对径流量的影响，结果（图7）表明，柑橘园历次径流量与同期降雨量呈极显著正相关（R2=0.312 0**，n=300），虽然降雨量达到10.9 mm 时产生了径流，但是径流主要发生在降雨量大于50 mm时。

图7 历次径流量与同期降雨量的相关性Figure 7 Correlation between runoff and rainfall in the same period

CK 处理年均径流量和产流系数分别为82.6 mm和7.8%，生草覆盖可显著降低柑橘园的径流量和产流系数，与CK 相比，KF 处理的径流量和产流系数分别降低了44.3%和3.3 个百分点，特别是在2017 年丰水年，生草覆盖拦截了74.0%的径流量，但是生草覆盖减流效果并不是随着降雨量的增大而增强，在2020 年特大降雨年份时，径流量仅降低了24.8%。BMP处理对径流量的削减效果与KF处理类似，与CK处理相比，BMP 处理的径流量和产流系数分别降低了50.1%和3.8 个百分点。然而，化肥减量对径流量和产流系数的削减效果有限，与KF 处理相比，BMP处理的径流量和产流系数分别降低10.4%和0.5个百分点，但是两处理没有达到显著性差异水平（2016 年除外）。

2.2.3 主要产流时期径流量

监测期间柑橘园主要产流时期为4—10 月，该时期地表径流量达到了78.5 mm，占全年的95.0%（图8）。KF处理在主要产流时期内对径流量的削减效果好于其他时期，在4—10月期间，KF处理比CK处理的产流量降低44.6%，其他时期比CK 处理降低37.4%。与CK 相比，BMP 处理在4—10 月削减了50.7%的径流量，与KF 处理相比，BMP 处理在4—10 月削减了11.0%径流量，但差异不显著，表明化肥减量并不能显著降低主要时期的径流量，生草覆盖对径流量的削减作用更大。

图8 不同管理措施下地表径流流失量Figure 8 Average monthly surface runoff loss under different management measures

2.3 生草覆盖和化肥减量对柑橘园地表径流氮磷浓度的影响

不同处理年均TN和TP浓度如图9所示，CK处理TN 年均浓度为（3.84±0.78）mg·L-1，TP 年均浓度为（0.55±0.14）mg·L-1。生草覆盖和化肥减量均对地表径流氮磷流失浓度有削减作用，与CK 处理相比，KF处理TN 和TP 浓度分别降低了11.0%和14.1%，BMP处理TN 和TP 浓度分别降低了11.9%和18.8%。与KF 处理相比，化肥减量对TN 浓度的降低效果不显著，但是对TP 浓度的降低效果显著，BMP 处理TN 和TP浓度分别降低了1.1%和5.4%。

图9 不同管理措施下地表径流年均TN和TP浓度Figure 9 Average annual TN and TP concentration on surface runoff under different management measures

3 讨论

3.1 生草覆盖和化肥减量对柑橘园周年地表径流氮磷流失量的影响

Xia 等[15]总结了坡地柑橘园防控地表径流氮磷流失的多种保护措施，其中，多年生白三叶草间作、秸秆覆盖、黄花菜等高篱间作等措施均能有效减少径流量和氮、磷流失量，分别使年径流量减少9%、13%和25%，氮损失减少10%、23% 和36%，磷损失减少39%、31%和27%，这些保护措施主要是通过增加地表覆盖度，对地表径流进行缓冲，降低其地表流速和流量，从而减少土壤侵蚀和地表径流养分流失[16]。然而，由于土壤类型和覆盖物的差异，不同覆盖措施对氮磷流失削减的效果不同。在粗黄砂土上种植光叶苕子、白三叶和鼠茅草，这3 种不同生育周期的绿肥品种对氮磷的削减效果表现为鼠茅草>光叶苕子>白三叶[17]，在紫色土上黑麦草、光叶苕子和二月兰不同绿肥品种对氮磷的削减效果表现为黑麦草>光叶苕子>二月兰[10]，造成这种差异的原因主要是绿肥品种的生育周期不同导致对地表的覆盖度不同，在3—8月氮磷流失量高的时期二月兰已接近凋亡，使得地表裸露面积相当于清耕处理。故本研究采用生育周期相对较长且对氮磷流失防控较好的黑麦草作为覆盖作物。

同时，肥料施用量[18]和施肥方式[19]通过影响地表径流中氮、磷浓度，从而影响地表径流氮、磷流失。众多研究表明，地表径流氮磷养分流失取决于径流量及其相关的养分浓度[20]，这与本研究结果一致。本研究中，与清耕对照相比，生草覆盖处理TN 和TP 流失量分别降低48.2%和50.0%，径流量、年均TN 和TP 浓度分别降低了44.3%、11.0%和14.1%。在生草覆盖的基础上配合化肥减量效果更好，TN 和TP 流失量分别降低54.2%和57.1%，径流量、TN 和TP 浓度分别降低了50.1%、11.9%和18.8%。因此，在柑橘园中采取生草覆盖配合化肥减量是有效减少地表径流氮磷流失的重要管理措施。但是，与单一生草覆盖处理相比，生草覆盖配合化肥减量处理对氮磷流失的削减效果没有达到显著水平，主要是由于径流量在决定氮磷流失量方面比氮磷浓度发挥更主要的作用[21]，同时，本试验中施肥方式采用的是环状根区深施，化肥减量对氮磷流失的减排效果不显著，说明在环状根区深施条件下，化肥用量不是影响氮磷流失的主要因素，这与毕磊等[22]在丹江口库区柑橘园的研究结果一致。

3.2 生草覆盖和化肥减量对柑橘园风险期地表径流氮磷流失量的影响

降雨是地表径流产生的驱动力，不同雨强下的降雨径流分配特征存在较大的差异，随雨强的增大，地表径流量明显增加[23]。相关研究表明，大雨时的径流量分别为中雨和小雨时的2.34 倍和7.59 倍[24]，极端降雨造成的径流和侵蚀量远大于普通降雨，极端降雨平均径流系数和土壤流失量分别是普通降雨的2.8倍和11.1 倍[25]，表明地表径流的产生受降雨强度的影响。本研究发现柑橘园历次径流量与同期降雨量呈极显著正相关（P<0.01），并且径流流失主要发生在降雨量大于50 mm 时（主要集中在每年的4—10 月），76.5%的降雨量产生了95.0%的径流量，王宏等[26]的研究也证实了径流量与降雨量呈正相关关系。

然而，生草覆盖减流效果并不是随着降雨量的增大而增强，这是由于在极端降雨时，径流停留时间短，生草覆盖对极端降雨径流的拦截能力有限，张杰等[27]的结果证明在中雨时生草覆盖的减流效益最大，流失风险期主要是受暴雨时期的影响，这与本研究结果一致。在本研究中，降雨、径流、氮磷流失三个主要时期存在时间异质性，其中，降雨主要时期为3—10 月，径流发生主要时期为4—10 月，但是氮磷流失风险期为4—8月，这是因为大暴雨主要集中在4—8月，该时期74.4%的降雨量贡献了70.0%的TN 流失量和73.4%的TP 流失量，采取生草覆盖配合化肥减量可削减46.6%和52.3%。相关性分析证实（图7，表4），历次径流量、氮流失量与同期降雨量呈极显著正相关（P<0.01）。同时在6—7 月，研究区39.6%的降雨量贡献了全年29.0%的TN 流失量和35.0%的TP 流失量，表明在暴雨和施肥耦合时期，除了受降雨径流的影响外，施肥也会增加氮磷流失风险，该时期同时采取生草覆盖和化肥减量措施能有效减少柑橘园氮磷流失风险期内54.6%的TN 流失量和64.4%的TP 流失量。因此，清江流域柑橘园应在氮磷流失风险期内采取生草覆盖措施，同时应避开暴雨时期施肥，并且注意施肥方式。

表4 氮磷流失量与同期降雨量相关性（n=300）Table 4 The correlation between nitrogen and phosphorus loss amount and rainfall in the same period（n=300）

4 结论

（1）生草覆盖配合化肥减量可显著降低柑橘园54.2%的TN 流失量和57.1%的TP 流失量。生草覆盖主要通过削减径流量实现降低地表径流氮磷流失，在化肥环状深施条件下，化肥减量对降低径流中的氮磷浓度效果有限。

（2）柑橘园氮磷流失风险期为4—8 月，该时期74.4%的降雨量贡献了70.0%的TN 流失量和73.4%的TP 流失量，采取生草覆盖配合化肥减量可削减46.6%和52.3%。在6—7 月暴雨和施肥耦合期，采取生草覆盖配合化肥减量措施对氮磷流失的削减效果更好，能有效减少柑橘园地表径流54.6%的TN流失量和64.4%的TP 流失量。柑橘园应重点防控氮磷流失风险期，尤其是暴雨和施肥耦合时期，在该时期应采取生草覆盖措施配合化肥减量深施。