生草栽培對果園面源污染的控制：三種牧草的比較研究

高小葉，張興興，朱建國，安淵

(上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院，農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(南方)重點實驗室，上海 200240)

生草栽培對果園面源污染的控制：三種牧草的比較研究

高小葉，張興興，朱建國，安淵*

(上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院，農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(南方)重點實驗室，上海 200240)

摘要：本文選擇菊苣、紫花苜蓿和白三葉，在桃園分別建立3種生草栽培模式，并以清耕為對照。通過人工模擬暴雨的降雨過程，研究不同施肥條件下，3種生草栽培模式對地表徑流和果園面源污染的影響，結(jié)果表明，桃園種植菊苣、紫花苜蓿和白三葉明顯減少了地表徑流，與對照相比，徑流量依次降低41.6%，35.0%和58.4%，但三者之間差異不顯著。地表徑流量與草地蓋度呈現(xiàn)顯著負相關(guān)(P<0.05)，與草地密度和基蓋度的相關(guān)性不顯著。不同施氮條件下，菊苣、紫花苜蓿和白三葉草地的銨態(tài)氮、總氮和總磷徑流量明顯下降，其中，白三葉草地對降低銨態(tài)氮、總氮和總磷的徑流流失量效果最好，其次是菊苣草地。本研究結(jié)果表明不同生草栽培模式對果園面源污染的防控效果存在差異，研究結(jié)果為果園建立適宜的生草栽培模式提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：果園生草; 面源污染; 地表徑流; 草地

我國是水土流失比較嚴重的國家，水土流失面積達356萬km2，其中受水力侵蝕的水土流失面積165萬km2，主要分布在長江上游的云南、貴州、重慶、湖北和黃河中游的山西、甘肅、內(nèi)蒙古等省(區(qū)、市)。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤侵蝕主要由降雨所造成，尤其是在土壤結(jié)構(gòu)比較松散的地區(qū)。水土流失給農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成多方面的危害。首先，水土流失帶走部分農(nóng)田土壤，隨之也帶走許多營養(yǎng)元素，造成土壤肥力下降，從而影響作物生長，降低產(chǎn)量[2-3]；其次，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用化肥，土壤中水溶性的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)大量積累，降雨引起的地表徑流會將溶解在水中的營養(yǎng)元素帶入河流、湖泊中，引起面源污染，加劇水體富營養(yǎng)化，危害水生態(tài)系統(tǒng)安全[4-5]。大量的研究結(jié)果表明，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生與農(nóng)田土壤中氮、磷等養(yǎng)分流失有著密切的關(guān)系[6-7]。

果樹在我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)中占有很大的比例，果樹栽培面積超過870萬hm2，產(chǎn)量超過7200萬t，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。目前，我國果樹種植普遍采用清耕制度，果園中大面積土地裸露，而且很多地區(qū)果樹一般種植在丘陵或坡地，當降雨量較大時，雨水很容易形成地表徑流，造成水土流失。果園生草是在果園中人工種植適生的草本植物或保留果園原生植被，并采取刈割等管理措施對草層高度進行控制。果園生草可以在果園裸露的地面形成比較致密的下墊面，從而減少水土流失。因此，果園生草措施不僅能減少果園土壤和養(yǎng)分的流失，增加土壤礦化速率，提高土壤肥力，還能有效控制面源污染，減輕當?shù)厮w的富營養(yǎng)化，是一種有效的綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)耕作措施[10]。目前，有關(guān)果園生草對土壤營養(yǎng)和果樹生長的研究已有報道[11-12]，但關(guān)于生草與控制面源污染的研究報道比較少。果園生草一方面能夠改善果園生態(tài)環(huán)境，同時，可以成為果園復(fù)合生產(chǎn)體系的組成部分。果園養(yǎng)雞是果園復(fù)合生產(chǎn)常見的生產(chǎn)模式，在選擇果園種草的品種時，一方面要考慮草品種的耐陰性能和與果樹的營養(yǎng)競爭關(guān)系，同時，要考慮果園雞對牧草的采食率和消化性能。鑒于以上原因，本研究選擇了雞喜食的菊苣(Cichoriumintybus)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和白三葉(Trifoliumrepens)作為果園草地建植的品種，以達到果園生態(tài)環(huán)境保護和果園草地綜合利用雙重目的。本文采用人工模擬暴雨降雨過程，研究3種果園生草類型對地表徑流的影響，以及對不同氮肥施用量下，果園面源污染的控制作用，為正確認識生草對果園面源污染的防控作用和建立適宜的果園草地類型提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1　試驗設(shè)計

種草和施肥試驗設(shè)計：試驗地位于上海市南匯區(qū)大團鎮(zhèn)一個5年樹齡的桃園，面積2 hm2。采取裂區(qū)試驗設(shè)計，設(shè)4個種草處理，分別種植菊苣、紫花苜蓿和白三葉，以及無草覆蓋的對照，播期為2013年3月2號。每種草種植面積0.5 hm2，對照區(qū)0.4 hm2。試驗于當年7月20號進行，各草地種群特征見表1。沿著果園排水溝，在每個生草處理區(qū)選擇9個面積為1 m2(1 m×1 m)的小區(qū)，坡度為7°左右。小區(qū)三面垂直插入塑料板，入土深度10 cm，地上部分距地面10 cm，一面開口，與果園排水溝相連。在排水溝內(nèi)鋪設(shè)塑料薄膜，用于收集雨水。薄膜與生草區(qū)銜接處用土鋪平，保證雨水暢流、無滲漏。在每個生草區(qū)選擇的9個小區(qū)中，隨機設(shè)置3個施氮肥(尿素)處理，施肥量分別為300 kg/hm2、150 kg/hm2和不施肥；施肥方式采用葉面噴施的方法，以達到均勻施肥的目的。每個施肥處理3次重復(fù)，施肥處理1 h后，開始人工模擬降雨過程。

表1　不同草地類型的種群特征

注：同行字母不同者差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters within the same row indicate significant difference atP<0.05.

人工模擬降雨設(shè)計：為保證人工降雨徑流的收集，雨量設(shè)計為暴雨水平。雨量設(shè)計參考鄔倫和李佩武[13]的設(shè)計，降雨量為1 mm/min左右。用噴壺模擬降雨，時間10 min，用水量10 L。模擬降雨結(jié)束后，收集匯集在已鋪設(shè)塑料薄膜中的水，計算徑流量，同時取50 mL水，用于氮、磷、鉀含量測定。

1.2　測定指標和方法

地上生物量：模擬降雨試驗結(jié)束后，將小區(qū)牧草刈割，留茬8 cm，稱重；另取部分樣品帶回實驗室，65℃烘48 h至恒重，稱重，計算干濕比。高度：每個小區(qū)隨機選取5株牧草，測定高度，計算平均值，作為該小區(qū)草層高度。密度：對每個小區(qū)內(nèi)所有牧草進行計數(shù)。蓋度：用尼龍線將1 m2樣方等分為100個0.01 m2(10 cm×10 cm)的方格，放置在待測定草地，目測其蓋度。基蓋度：模擬降雨試驗結(jié)束后，將小區(qū)牧草刈割，目測基蓋度。地表徑流量：采集試驗小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的地表徑流，用量筒進行測量。水樣銨態(tài)氮含量和總氮含量(mg/L)：采用連續(xù)流動注射分析儀(BRAN+LUEBBE 公司，德國) 進行測定。水樣總磷含量(mg/L)：采用堿性過硫酸鉀消解鉬藍比色法測定[14]。

1.3　數(shù)據(jù)處理

采用SAS 9.1(SAS Institute, USA)軟件進行方差分析和相關(guān)分析, Sigma Plot 12.5 作圖。

2結(jié)果與分析

圖1　種植不同牧草對模擬降雨下地表徑流的影響Fig.1　The total amount of surface runoff after simulated rainfall under different treatment　　　不同字母表示差異顯著(P<0.05)。Different letters mean significant difference at P<0.05.下同The same below.

2.1　不同人工草地對降雨過程中地表徑流的影響

在模擬降雨條件下，種植不同牧草均可以顯著降低地表徑流的總量(圖1)。種植菊苣、紫花苜蓿和白三葉后，地表徑流量分別比對照減少了833, 700和1167 mL，降低幅度為41.6%, 35.0%和58.4%，種植白三葉的效果優(yōu)于種植菊苣和紫花苜蓿，但彼此間差異不顯著。對地表徑流量和草地的密度、蓋度和基蓋度之間進行相關(guān)分析可以看出，地表徑流量與草地的蓋度顯著負相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.728；與草地的密度以及基蓋度之間也呈現(xiàn)負相關(guān)，但相關(guān)性不顯著(表2)。

2.2　不同草地類型對果園地表徑流中養(yǎng)分濃度的影響

在不同施肥量條件下，3種草地均不同程度地降低了地表徑流中氮、磷的濃度(圖2~4)。當施肥量為300 kg/hm2時，菊苣、紫花苜蓿和白三葉草地的地表徑流中銨態(tài)氮、總氮和總磷的濃度明顯低于對照(P<0.05)，其中，銨態(tài)氮的濃度分別比對照降低8.8，8.7和5.9 mg/L，降幅達到57.3%, 56.8%和38.7%；總氮的濃度分別比對照降低5.3，4.9和1.8 mg/L，降幅為31.5%, 29.1%和11.0%；總磷的濃度分別比對照減少1.6, 1.6和1.4 mg/L，降幅為39.2%, 40.3%和34.6%。當施肥量為150 kg/hm2時，種植菊苣和紫花苜蓿均可顯著降低地表徑流中銨態(tài)氮、總氮以及總磷的濃度，其中，銨態(tài)氮濃度的下降幅度依次為32.9%和21.0%，總氮濃度降幅依次為10.4%和4.3%，總磷濃度則依次降低43.8%和53.7%。白三葉草地的地表徑流中，總磷濃度下降顯著，與對照相比降幅達58.3%，而銨態(tài)氮濃度與對照無顯著差異(P>0.05)，總氮濃度甚至高于對照(P<0.05)。在未施肥草地，除菊苣草地的地表徑流中銨態(tài)氮和總磷的濃度顯著低于對照外，其他處理之間的養(yǎng)分濃度與對照的差異均不顯著。

表2　地表徑流與草地種群特征的相關(guān)分析

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)。

Note:* indicate a significant correlation atP<0.05.

2.3　不同草地類型對果園土壤養(yǎng)分流失總量的影響

在不同施肥量條件下，3種草地均可顯著減少模擬降雨地表徑流所帶走的銨態(tài)氮(圖5)、總氮(圖6)和總磷(圖7)。菊苣、紫花苜蓿和白三葉草地的地表徑流中銨態(tài)氮、全氮和全磷的總量均顯著低于對照(P<0.05)。在施肥量為300 kg/hm2時，銨態(tài)氮徑流量依次比對照降低75.1%, 71.9%和74.5%，總氮徑流量依次降低60.1%, 53.9%和62.9%，總磷徑流量依次降低64.6%, 61.3%和72.8%；在施肥量為150 kg/hm2時，與對照相比，銨態(tài)氮徑流量依次降低60.8%, 48.7%和57.2%，總氮徑流量依次降低47.8%, 37.9%和55.2%，總磷徑流量依次降低67.2%, 70.0%和82.7%；在不施肥情況下，銨態(tài)氮徑流量依次比對照降低78.2%, 14.0%和54.0%，總氮徑流量依次降低44.0%, 34.4%和57.5%，總磷徑流量依次降低66.4%, 49.8%和67.4%?？傮w而言，白三葉草地降低銨態(tài)氮、總氮和總磷隨著地表徑流流失的效果最好，其次是菊苣草地。

圖2　不同施肥量下3種草地地表徑流中銨態(tài)氮的濃度Fig.2　Concentration of NH4+-N in surface runoff under application of fertilizes

圖3　不同施肥量下3種草地地表徑流中總氮的濃度Fig.3　Concentration of total-N in surface runoff under application of fertilizes

圖4　不同施肥量下3種草地地表徑流中總磷的濃度Fig.4　Concentration of total-P in surface runoff under application of fertilizers

圖5　不同施肥量下草地對地表徑流中銨態(tài)氮總量的影響Fig.5　Effect of application of fertilizers on total NH4+-N loss in surface runoff

圖6　不同施肥量下草地對地表徑流中全氮總量的影響Fig.6　Effect of application of fertilizers on total-N loss in surface runoff

圖7　不同施肥量下草地對地表徑流中全磷總量的影響Fig.7　Effect of application of fertilizers on total-P loss in surface runoff

3討論

固持土壤，降低水土流失是草地主要的生態(tài)功能之一。果園種草同樣具有較好的固土蓄水功能[15-16]。在山地果園中全園或帶狀種植三葉草可延遲地表徑流的產(chǎn)生時間，降低地表徑流量[17]。在紅壤丘陵地區(qū)的經(jīng)濟林下種植龍須草(Juncuseffusus)，徑流產(chǎn)生時間比無植被對照晚20 min，但徑流持續(xù)時間延長9 min，徑流量減少20.23 mm[18]。在土地相對平整的荔枝(Litchichinensis)園種植百喜草(Paspalumnatatu)，徑流量比對照減少74.13%，土壤流失量減少92.75%[10]。本研究中，桃園種植3種牧草后，地表徑流均顯著下降，與上述研究結(jié)果一致。種草對降低地表徑流的作用主要體現(xiàn)在：1)在地表形成的草墊，減輕了雨水對土壤的濺擊，同時雨水順著草層緩慢下滲，減慢了徑流的產(chǎn)生時間；2)種草土壤的容重下降，孔隙度增加，提高土壤的滲透性，減少了地表徑流量；3)植株對地表徑流的阻擋作用減緩了徑流流速，增加水分滲透，從而減少地表徑流量。地表徑流量與草地的密度、蓋度和基蓋度的相關(guān)性分析表明，草地地表徑流量與草地的蓋度呈顯著負相關(guān)，表明蓋度越大，草地的減流效果越顯著。其主要機制是減緩了雨水順著草層流到地面的時間，延長了水分下滲到土壤的時間。地表徑流量與草地密度和基蓋度的相關(guān)性不顯著，表明草地密度和基蓋度對減輕暴雨的徑流作用相對比較小。由于白三葉草地的蓋度達到100%，明顯高于菊苣和紫花苜蓿草地，因此，其減流效果最明顯。菊苣葉片比較大，對雨水流到地面時間的減緩作用比較明顯，因此，減流的作用比紫花苜蓿明顯。

果園清耕措施是加劇面源污染的重要因素之一。黃紅艷等研究表明果園旁地下水和地表水中磷素濃度在降雨后明顯增加，降雨形成的地表徑流加劇了果園磷素流失。此外，果園旁和河道旁地下水中氮濃度明顯高于居民區(qū)地下水的氮濃度，表明果園清耕措施對地下水的污染狀況也十分嚴重[19]。大量研究表明果園種草具有改善果園生態(tài)環(huán)境，提高果實品質(zhì)的作用[20-24]，也有研究表明果園種草能夠有效減輕果園面源污染。山地果園全園和帶狀種植三葉草可降低地表徑流中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮、有效磷和全磷的濃度[17]。在琯溪蜜柚園帶狀(1.5 m寬)播種百喜草，總氮和總磷流失量分別比對照降低41.11%~49.06%和33.86%~41.73%。本研究中，桃園種植白三葉、菊苣和紫花苜蓿的單位面積地表徑流中，銨態(tài)氮、全氮和全磷的總流失量在300 kg/hm2、150 kg/hm2和不施肥3個處理下均明顯低于對照處理(清耕地施肥處理)，與已有報道結(jié)果一致。白三葉草地的徑流中，銨態(tài)氮濃度和總氮濃度在150 kg/hm2施肥量下與對照處理差異不明顯，其原因是白三葉草地蓋度和密度高，噴施的尿素部分保留在葉片冠層，隨著雨水直接流入徑流收集裝置中。另外，在不施肥處理下，白三葉草地的地表徑流中銨態(tài)氮濃度和總氮濃度也略高于對照處理，說明其地表氮含量相對比較高，這也是白三葉草地徑流中銨態(tài)氮濃度和總氮濃度在150 kg/hm2施肥量下高于對照處理的原因之一。果園面源污染程度與地表徑流中的氮、磷濃度有關(guān)，也受到地表徑流總量的影響。盡管白三葉草地在150 kg/hm2施肥量下，單位體積徑流液中的銨態(tài)氮濃度和總氮濃度略高，但因其徑流總量低于菊苣和紫花苜蓿草地，因此，總氮流失量仍然最小。從控制面源污染的效果看，白三葉草地的效果最顯著，其次是菊苣草地。

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A comparison of the effect of three grass species on controlling non-point pollution in orchards

GAO Xiaoye, ZHANG Xingxing, ZHU Jianguo, AN Yuan*

CollegeofAgricultureandBiology,MOAKeyLaboratoryofUrbanAgriculture(South),ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China

Abstract:Pastures of alfalfa (Medicago sativa), chicory (Cichorium intybus) and white clover (Trifolium repens) were established separately to study their effects on controlling runoff and non-point pollution under the application of fertilizers in a peach orchard. Simulations of torrential rain were conducted. The results showed that the amount of runoff in the chicory, alfalfa, and white clover pastures decreased 41.6%, 35.0% and 58.4% respectively, in comparison with the control, but there is no difference between these three pastures. The relationship between runoff amount and pasture coverage was significantly negative, but relationships between runoff amount and density, as well as runoff amount and basal coverage of pasture, were not significant. Compared to the control, the content of ammonium nitrogen, total nitrogen and total phosphorus in runoff significantly decreased in the three pastures with the application of fertilizers. This decrease was most pronounced with white clover, with chicory in second place. This study suggests that establishing pastures in orchards can help to control runoff and non-point pollution and that the effectiveness of this control depends on the types of pasture (e.g. plant species or coverage).

Key words:orchard; non-point pollution; runoff; pasture

*通訊作者

Corresponding author. E-mail:anyuan@sjtu.edu.cn

作者簡介：高小葉(1986-)，女，陜西安塞人，在讀博士。E-mail:gaoxiaoye1220@163.com

基金項目：國家科技支撐項目(2011BAD17B02),上海市農(nóng)委攻關(guān)項目[滬農(nóng)科攻字(2013)第5-10號]和上海市科委基礎(chǔ)重點項目(13JC1403200)資助。

*收稿日期：2014-01-09；改回日期：2014-03-14

DOI：10.11686/cyxb20150206

http://cyxb.lzu.edu.cn

高小葉， 張興興， 朱建國， 安淵. 生草栽培對果園面源污染的控制：三種牧草的比較研究. 草業(yè)學報， 2015， 24(2)： 49-54.

Gao X Y, Zhang X X, Zhu J G, An Y. A comparison of the effect of three grass species on controlling non-point pollution in orchards. Acta Prataculturae Sinica， 2015， 24(2)： 49-54.