不同施肥與耕作模式下紫色土坡地產(chǎn)流特征

田太強(qiáng)，何丙輝，閆建梅

（西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400715）

近年來，由施肥而造成的面源污染問題越來越受到重視，徑流和泥沙是面源污染的主要運(yùn)輸載體。降雨是產(chǎn)流的先決條件［1］，當(dāng)降水強(qiáng)度大于林冠層、凋落物層的截流和土壤下滲強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)形成地表徑流［2］。廣泛分布于中國川、黔、湘、贛、滇、浙、蘇等省的紫色土發(fā)育時(shí)間短，空隙度大，入滲強(qiáng)，加之降雨豐富，使得該區(qū)土壤侵蝕極其嚴(yán)重［3］，是長江上游水土流失的主要發(fā)源地和江河水庫泥沙的主要來源［4－5］。

目前，國內(nèi)學(xué)者從耕作模式的角度對(duì)坡地產(chǎn)流機(jī)制及特性進(jìn)行了大量的研究，鄭海金等［6］研究表明紅壤坡地3種耕作措施的蓄水保土效應(yīng)為：橫坡間作＞縱坡間作＞果園清耕；邱野等［7］在天然降雨條件下研究了不同耕作模式下的產(chǎn)流特征，認(rèn)為順坡傳統(tǒng)耕作產(chǎn)流量大于橫坡傳統(tǒng)耕作徑流量；林超文等［8］認(rèn)為與順坡壟作相比，橫坡壟作能減少地表徑流、地下徑流、土壤侵蝕量及氮、磷、鉀素流失量；也有研究表明，少耕、免耕在增加土壤持水性能，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤通透性等方面有顯著的效果［9－14］。

以上研究大多是基于單一坡面尺度或單一產(chǎn)流過程，系統(tǒng)研究坡面產(chǎn)流時(shí)間尺度的不多，尤其是野外長期觀測(cè)試驗(yàn)的研究。因此，本文以重慶市最常見的種植模式（冬小麥—夏玉米輪作）為研究對(duì)象，在天然降雨的條件下，通過對(duì)紫色土坡地不同施肥與耕作模式下產(chǎn)流特性的研究，分析了不同處理年、月的徑流量及徑流系數(shù)的變化，旨在為紫色土坡地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)提供合理的施肥與耕作制度。本研究結(jié)果有助于認(rèn)識(shí)坡地水文過程，對(duì)有效防治坡地水土流失和控制農(nóng)業(yè)面源污染有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究試驗(yàn)地位于重慶市西南大學(xué)后山農(nóng)場(chǎng)（106°24′20″E，29°48′42″N）。丘陵地貌，位于正西方向，山腰部位的15°坡耕地。試驗(yàn)點(diǎn)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量1 100mm，年平均氣溫18.3℃，年日照1 270h。土壤為中等肥力水平的紫砂泥，質(zhì)地為中壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置15個(gè)小區(qū)，小區(qū)坡度為15°，每個(gè)小區(qū)規(guī)格為8m×4m，為防止各小區(qū)間發(fā)生水分和養(yǎng)分交換，小區(qū)之間用水泥墻的田埂隔開，埂寬20～30cm，墻體埋設(shè)在地下30cm，高出地面20cm，試驗(yàn)共布設(shè)5個(gè)處理：對(duì)照處理（T0），常規(guī)處理（T1），優(yōu)化處理（T2），增量處理（T3），橫坡耕作處理（T4），對(duì)照處理為順坡耕作不施用任何肥料，常規(guī)處理為順坡耕作農(nóng)家肥和化肥混合施用，優(yōu)化處理為順坡耕作單施化肥，增量處理為順坡耕作單施化肥增加施肥量，橫坡壟作處理為單施肥化肥橫坡壟作，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。供試作物為小麥和玉米，順坡種植行窩距為100cm×50cm，橫坡種植行窩距為100cm×50cm，每年4月種植玉米，11月種植小麥，當(dāng)年8月收獲玉米，第二年5月收獲小麥。各處理具體施肥量見表1。冬小麥?zhǔn)┓史椒椋旱?0%作為底肥，60%為拔節(jié)期追肥，10%為小麥孕穗期追肥；磷肥為一次性底肥；鉀肥70%為底肥，剩下30%為拔節(jié)期追肥。夏玉米施肥方法為：全部磷肥和鉀肥，1／3氮肥為底肥，剩下2／3氮肥為追肥。施用的氮、磷、鉀肥分別為尿素（含N≥46.4%）、過磷酸鈣（含P2O5≥12%）、氯化鉀（含 K2O≥60%）、有機(jī)肥（N，P2O5，K2O約為0.24%，0.17%，0.21%），施肥方式為撒施。

表1 試驗(yàn)處理描述

1.3 徑流觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析

每次降水后量測(cè)集水池徑流的深度，徑流深度與集水池底面積的乘積即為該次產(chǎn)生的徑流量。每次量測(cè)完集水池的徑流量之后，將集水池里的徑流水樣放掉，用清水清洗干凈，以備下一次采樣。在試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)自計(jì)雨量計(jì)一個(gè)，以便記錄每次降雨的雨量。徑流系數(shù)采用如下公式計(jì)算：

徑流系數(shù)＝總徑流量／產(chǎn)流總降雨量

本研究采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，基礎(chǔ)運(yùn)算和一般統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

對(duì)2008—2012年各月的產(chǎn)流降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)2008—2012年總產(chǎn)流降雨量分別為538.20，405.30，436.70，195.10，631.89mm，其 中2008年產(chǎn)流降雨主要發(fā)生在4，6，7，8，9月，分別占全年產(chǎn)流降雨24%，20%，6%，8%，10.20%；2009年產(chǎn)流降雨主要集中在4—7月，分別占全年降雨的17%，14%，59%，10%；2010年產(chǎn)流降雨主要集中在4—7月，分別占全年的26%，15%，29%，30%；2011年產(chǎn)流降雨主要發(fā)生在5—7月，分別占全年的23%，60%，17%；2012年產(chǎn)流降雨主要發(fā)生在5—7月，分別占全年的45%，28%，27%。

綜上所述，試驗(yàn)區(qū)5a平均產(chǎn)流降雨為441.44mm，產(chǎn)流降雨主要發(fā)生在4—9月，從各月產(chǎn)流降雨的平均值來看，6月出現(xiàn)產(chǎn)流降雨的峰值，這與儲(chǔ)小院在重慶縉云山觀測(cè)的降雨分布保持一致［15］。

2.2 不同處理年月徑流量變化特征

對(duì)2008—2012年各處理月徑流量求平均值，得到不同處理徑流量月值變化過程（圖1）。可以看出，各處理年內(nèi)徑流分配均呈單峰型趨勢(shì)變化，4和9月徑流量較少，6月出現(xiàn)徑流量峰值，徑流量與降雨量表現(xiàn)出相對(duì)一致的變化趨勢(shì)，即降雨量越大，徑流量越大，這與本課題的前期研究成果保持一致［16］。降水是影響土壤侵蝕的主要因素，而徑流是影響土壤侵蝕的直接因素，隨著降雨歷時(shí)的延長，當(dāng)土壤趨于飽和時(shí)便會(huì)形成地表徑流，從而使坡面土壤顆粒產(chǎn)生移動(dòng)和分離。紫色土區(qū)6月是產(chǎn)流的峰值期，也是土壤侵蝕的危險(xiǎn)期，因而采取不同的農(nóng)藝措施進(jìn)行坡面水土流失的防治尤為重要。

表2反映了各處理年際徑流量的變化情況，可以看出，施肥處理（T1，T2，T3）與對(duì)照處理（T0）、橫坡壟作單施化肥處理（T4）與順坡耕作單施化肥處理（T2）之間差異性均達(dá)到顯著性水平，說明施肥和耕作對(duì)徑流量的發(fā)生有顯著性的影響，這與前期郭甜等［16］的研究結(jié)果保持一致。T0，T1，T2，T3，T4處理5a徑流量平均值為55.11，35.44，38.82，40.84，28.93mm，依次為：T0＞T3＞T2＞T1＞T4，對(duì)照處理產(chǎn)生徑流量最多，橫坡壟作單施化肥處理產(chǎn)生徑流量最小，施肥處理（T1，T2，T3）比對(duì)照處理（T0）徑流量減少25.90%～47.50%，T4處理比T2處理減少25.46%。研究表明，在相同降雨條件及施肥水平下，橫坡壟作能將降水最大限度的攔截，增加土壤入滲的時(shí)間，減少地表徑流的發(fā)生，可見，橫坡壟作對(duì)坡地地表徑流的調(diào)控有重要作用。

圖1 不同處理月徑流量變化

表2 不同處理年際徑流量比較

從表2還可以看出，不同年份之間徑流量差異也比較大，經(jīng)方差分析表明，同一處理不同年份之間的徑流產(chǎn)生量差異顯著，分析認(rèn)為可能與降雨量有關(guān)，為了弄清降雨量對(duì)徑流量的影響，對(duì)年徑流量與降雨量進(jìn)行回歸分析與相關(guān)分析，各處理回歸模型為：

式中：y——單位面積上的徑流量（L／m2）；x——年降雨量（mm）；R2——決定系數(shù)。下同。

具體變化趨勢(shì)為：徑流量隨降雨量的增大而增大，但T4處理模型相關(guān)性較差，其原因可能是橫坡壟作處理改變了坡長和地面粗糙度，導(dǎo)致徑流在地壟處大量淤積，降低了坡面徑流能量，因而降雨量與徑流量的相關(guān)性較弱。

2.3 不同處理年月徑流系數(shù)變化特征

表3是不同年份各處理徑流系數(shù)的變化情況，將T0，T1，T2，T3，T4處理5a徑流系數(shù)求平均值，分別為：0.120，0.080，0.092，0.096，0.070，依次表現(xiàn)為：T0＞T3＞T2＞T1＞T4，且經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)，施肥處理（T1，T2，T3）與不施肥處理（T0）、橫坡壟作單施化肥處理（T4）與順坡處理單施化肥處理（T2）之間徑流系數(shù)差異均達(dá)到顯著水平。從不同年份來看，同一處理不同年份間徑流系數(shù)差異性也達(dá)到顯著性水平，從同一處理不同年份來看，T0，T1，T2，T3，T4處理徑流系數(shù)總體呈減小的趨勢(shì)，分析認(rèn)為隨著種植時(shí)間的延長，施肥可能改變了土壤理化性狀和作物生長狀況，例如土壤容重、作物覆蓋度、儲(chǔ)水量［17］、空隙度等因素［18］，導(dǎo)致土壤入滲能力增強(qiáng)，從而減少降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流，導(dǎo)致徑流系數(shù)減小。

表3 不同處理年際徑流系數(shù)比較

徑流系數(shù)反映了一個(gè)地區(qū)有多少降雨形成了地表徑流，它綜合反映了一個(gè)地區(qū)的植被和土壤等地表狀況對(duì)徑流的影響［19］。將2008—2012年各處理相同月份的徑流系數(shù)求平均值，得到徑流系數(shù)的月值變化過程。由圖2可以看出，T0，T1，T2，T3，T4處理徑流系數(shù)總體均呈變大的趨勢(shì)，分析認(rèn)為跟降雨量分布與作物生長情況有關(guān)，4—8月初是作物的生長期，8月初玉米收割完后，地表裸露較大，土壤容易板結(jié)，即使在降雨量很小的情況下，產(chǎn)流也相對(duì)較多，6月降雨量分布最多，但6月正值玉米抽雄開花期，作物生長旺盛，截流作用較強(qiáng)，所以在降雨量相差不大的情況下，6月的徑流系數(shù)相對(duì)較小，4和5月因?yàn)榻涤炅糠植驾^少，從而導(dǎo)致徑流系數(shù)較小。

圖2 不同處理月徑流系數(shù)變化

3 討論

關(guān)于影響地表徑流量的因素較多，有雨強(qiáng)［20］、坡度［21］、土地利用類型［22］、土壤初始含水量［23］等。本文主要研究施肥與耕作對(duì)地表徑流的影響。施肥能夠減少地表徑流，表明施肥可能改變了作物的生長情況，避免了雨滴直接打擊土壤，延緩和阻止徑流在坡面的形成和傳遞，有效的防治了土壤結(jié)皮，增加了土壤水分的入滲量和蓄積量，從而減少了地表徑流，這與張興昌等［16］的研究結(jié)果保持一致。不施肥條件下，農(nóng)作物缺乏生長的必要元素，長勢(shì)較差，保持水土的效果相對(duì)較差。在相同施肥水平下，橫坡壟作較順坡耕作能有效減少地表徑流量的發(fā)生，是因?yàn)閴抛饔欣谵r(nóng)作物根系下扎，增加了土壤的入滲和保蓄，同時(shí)壟溝有效的攔截了徑流，減小了匯水面積，從而降低了坡面徑流的能量，減輕了徑流對(duì)土壤的沖蝕，這與袁東海等［24］研究結(jié)果保持一致，即同順坡相比，等高土埂、水平草帶、水平溝、等高農(nóng)作有明顯減輕水土流失的作用。

張洪江等［19］采用灰色理論對(duì)重慶縉云山不同植被類型地表徑流系數(shù)進(jìn)行了研究，但對(duì)坡地農(nóng)作物不同施肥與耕作下徑流系數(shù)的研究還少見報(bào)道。本文研究結(jié)果表明施肥與耕作對(duì)徑流系數(shù)有顯著影響，其原因可能是施肥和耕作改變了土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各措施的保水保肥能力不一樣，從而各處理將降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流的能力也有所差異，另外降雨量的分布和作物生長情況也對(duì)徑流系數(shù)有一定的影響，本研究表明，在地表裸露的情況下，即使降雨量較小，徑流系數(shù)也相對(duì)較大。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)流時(shí)間主要集中在4—9月，6月出現(xiàn)產(chǎn)流降雨的峰值，月徑流量與月降雨量的變化規(guī)律相對(duì)一致，月徑流量隨時(shí)間呈單峰型趨勢(shì)變化，4和9月徑流量較少，6月出現(xiàn)徑流量峰值，年均徑流量依次為：T0（55.11mm）＞T3（40.84mm）＞T2（38.82mm）＞T1（35.44mm）＞T4（28.93mm），施肥處理比對(duì)照處理徑流量減少25.90%～47.50%，橫坡壟作單施化肥處理比順坡耕作單施化肥處理減少25.46%，年降雨量與年徑流量呈冪函數(shù)關(guān)系。

（2）年均徑流系數(shù)依次表現(xiàn)為：T0（0.120）＞T3（0.096）＞T2（0.092）＞T1（0.080）＞T4（0.070），作物生長期內(nèi)月均徑流系數(shù)總體呈增大的趨勢(shì)，其原因與降雨量及作物生長情況有關(guān)，有待于進(jìn)一步分析；方差分析表明不同處理間年徑流系數(shù)、年徑流量差異性達(dá)到顯著性水平。

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