橫坡壟作和秸稈覆蓋對(duì)坡耕地水土養(yǎng)分流失的影響

張鴻燕，徐德勝，賴發(fā)英，王惠明，林小兵，劉 暉，馬 靜，王 軍

（1 江西省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)站，江西進(jìn)賢 331717；2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)；3 江西省紅壤研究所）

坡耕地土壤養(yǎng)分流失是土壤與降雨、徑流相互作用的結(jié)果[1]，流失的泥沙及水體中的氮、磷等養(yǎng)分進(jìn)入水體后，易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[2]，形成流域性面源污染。為應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)耕作引起的面源污染，已提出并應(yīng)用了大量保護(hù)性耕作措施[3]，其中橫坡壟作由于與徑流方向垂直，可以有效地?cái)r截地表徑流，能減慢徑流和沙化過(guò)程，從而減少養(yǎng)分流失[4]；秸稈覆蓋由于能夠阻止雨滴直接打擊土壤表面，可以提高雨水的土壤蓄積量，從而保蓄土壤水分，減少水土流失[5-6]，還可增加土壤中的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，具有較好的生態(tài)效應(yīng)[7]。秸稈覆蓋和橫坡壟作能夠有效地減少土壤侵蝕和地表徑流的發(fā)生，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供更多的土壤養(yǎng)分及水分等[8]。

針對(duì)秸稈覆蓋和橫坡壟作在坡耕地的截留效應(yīng)的研究較多[9-10]，但研究多集中關(guān)注于耕作措施對(duì)徑流量及氮磷流失量等影響，而忽視了對(duì)作物養(yǎng)分元素和土壤養(yǎng)分的影響[11]，或者有的研究方法是在模擬降水條件下進(jìn)行，不能全面地認(rèn)識(shí)季節(jié)變化及土壤養(yǎng)分流失的影響[12]。因此，本研究以江西省紫色土坡耕地為研究對(duì)象，通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，開(kāi)展大豆季下橫坡壟作和秸稈覆蓋措施對(duì)作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分、地表徑流及土壤養(yǎng)分流失量等影響，以期為南方陡坡旱地的養(yǎng)分流失控制，農(nóng)業(yè)面源污染防治提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于江西省贛州市石城縣屏山鎮(zhèn)羅陂村，116°16′48″E，26°14′42″N，為農(nóng)業(yè)部面源污染監(jiān)測(cè)項(xiàng)目國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)之一。地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均溫18 ℃，年均降水量為1 918 mm，地形為陡坡地，坡度為15°，土壤類(lèi)型為紫色土。耕作層土壤基本理化性質(zhì)（0～20cm）：pH 值7.07，有機(jī)質(zhì)12.50g/kg，全氮1.48g/kg，硝態(tài)氮2.15mg/kg，銨態(tài)氮3.50mg/kg，全磷0.86g/kg，有效磷7.10mg/kg，速效鉀330mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3 個(gè)處理：常規(guī)處理即順坡壟作（CK），優(yōu)化處理1 即橫坡壟作（KF），優(yōu)化處理2 即橫坡壟作+秸稈行間覆蓋（BMP），隨機(jī)區(qū)組，每個(gè)處理重復(fù)3 次。試驗(yàn)地徑流小區(qū)用磚混結(jié)構(gòu)將田埂分隔，小區(qū)面積10m×4m=40m2。每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)1 個(gè)徑流池，徑流池容積3.2m3。本試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016 年1 月1 日至12 月31 日，2015 年種植模式為：煙草——甘薯。2016 年種植模式為大豆，為本地常規(guī)品種。種植時(shí)間為2016 年5 月6 日，收獲時(shí)間為2016 年11 月23 日，全年其余時(shí)間稱為休閑季。大豆施肥方案按照當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)，3 個(gè)處理的化肥施用量一致，折N、P2O5、K2O分別為191.25、0 和0kg/hm2。

1.3 樣品采集與制備

降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于石城縣氣象部門(mén)的監(jiān)測(cè)結(jié)果；徑流水樣在每次產(chǎn)生徑流后的次日上午采集；采集的降水樣和徑流水樣及時(shí)放置冰箱中冷凍保存。大豆收獲季，將大豆和秸稈分開(kāi)采樣，按照5 點(diǎn)法混合采樣。土壤檢測(cè)指標(biāo)主要為含水率、pH、有機(jī)質(zhì)、總氮（TN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（TP）、速效磷（A-P）、總鉀（TK）、速效鉀（A_K）；水樣的測(cè)定指標(biāo)主要為總氮（TN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷（TP）、可溶性總磷（TDP）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)R 語(yǔ)言(www.r-project.org)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行，方差分析采用R 語(yǔ)言程序包vegan 完成，并通過(guò)Tukey HSD 檢驗(yàn)法對(duì)各處理進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，所有制圖通過(guò)R 語(yǔ)言軟件程序包ggplot2 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)點(diǎn)降雨特征

降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于石城縣氣象部門(mén)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。2016年5月6日～2016年11月23日降雨總量962.5mm，降雨日31 d，最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)雨日數(shù)26d（2016-05-21～2016-06-15），最大單次降雨量198.0mm（2016-6-16），單次雨量10mm 以上的降雨20 次（圖1），產(chǎn)生徑流的降雨12 次?？梢?jiàn)，2016 年大豆生育期總降雨量豐富，屬于較正常的氣候條件。

2.2 不同處理對(duì)大豆產(chǎn)量和養(yǎng)分積累的影響

圖1 2016 年大豆生育期降雨分布

CK、KF 和BMP 3 個(gè)處理大豆產(chǎn)量分別為2158.93、2187.9 和2205 kg/hm2（圖2B），表現(xiàn)為BMP＞KF＞CK，但差異均未達(dá)到顯著水平，與CK 相比，KF和BMP 處理分別提高了1.34%和2.13%。大豆秸稈產(chǎn)量分別為19342.05、19300.95 和19717.5kg/hm2（圖2A），與CK 相比，BMP 處理提高了1.94%，而KF 處理降低了0.21%。

圖2 不同處理對(duì)大豆產(chǎn)量和養(yǎng)分積累的影響

在大豆秸稈（廢棄物）表現(xiàn)為，與CK 處理相比，KF處理的含水率和總氮分別增加了1.65%和7.21%，而總磷和總鉀分別降低了6.72%和9.03%；BMP 處理的含水率、總氮、總磷和總鉀分別增加了0.93%、5.41%、10.45%和9.47%。在大豆（經(jīng)濟(jì)作物）方面，與CK 處理相比，KF 處理的含水率、總氮和總磷分別增加了1.67%、1.82%和1.89%，而總鉀降低了28.87%；BMP 處理的含水率、總氮和總磷分別增加了3.60%、11.74%和9.47%，而總鉀降低了25.69%。

2.3 不同處理對(duì)土壤pH 和養(yǎng)分積累的影響

與CK 相比，KF 處理的土壤含水率和有機(jī)質(zhì)分別增加了9.94%和22.65%，而土壤pH 降低了3.02%；土壤總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別增加了11.41%、22.93%和39.07%；土壤總磷和總鉀分別降低了3.66%和1.39%，而速效磷和速效鉀分別增加了78.18%和9.94%；其中KF 處理的土壤銨態(tài)氮和速效磷顯著高于CK（圖3）。與CK 相比，BMP 處理的土壤含水率、pH 和有機(jī)質(zhì)分別增加了17.70%、0.37%和29.06%；土壤總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別增加了15%、95.56%和62.02%，土壤總磷和總鉀分別降低了0.43%和4.33%，而土壤速效磷和速效鉀分別增加了26.23%和6.835；其中BMP 處理的土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮顯著高于CK（圖3）。

圖3 不同處理對(duì)土壤pH 和養(yǎng)分積累的影響

2.4 不同處理對(duì)徑流量、徑流水中各形態(tài)氮磷流失量的影響

從圖4 可以看出，徑流量總體趨勢(shì)表現(xiàn)為CK＞KF＞BMP，同時(shí)徑流量受降水量影響較大，KF 與BMP處理的徑流量差異較小；徑流水中總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮總體表現(xiàn)為CK＞KF＞BMP，且降水量越大，CK 處理的徑流水中總氮和硝態(tài)氮明顯高于KF 與BMP；不同處理徑流水中總磷和可溶性總磷變化幅度較大，在降水豐富的時(shí)候表現(xiàn)為KF 與BMP 處理高于CK。

3 討論

本研究結(jié)果表明：徑流量總體趨勢(shì)表現(xiàn)為CK＞KF＞BMP，同時(shí)徑流量受降水量影響較大；CK 處理的徑流水中總氮和硝態(tài)氮明顯高于KF 與BMP；而磷在降水豐富時(shí)表現(xiàn)為KF 與BMP 處理高于CK。付斌等研究發(fā)現(xiàn)，徑流量變異系數(shù)大小順序?yàn)椋喉樒聣抛鳎緳M坡壟作+揭膜＞橫坡壟作+秸稈覆蓋+揭膜＞橫坡壟作[10]。大量研究表明，在旱坡地，橫坡壟作較常規(guī)的順坡種植能比較顯著減少地表徑流量[11,13-14]?？赡苁怯捎跈M坡對(duì)徑流的攔蓄作用延長(zhǎng)了徑流與土壤表面相互作用的時(shí)間，為雨水充分向土壤入滲爭(zhēng)取了時(shí)間[15]。對(duì)坡耕地的研究表明，由于秸稈覆蓋增加地表糙率，可降低地表徑流流速，增加雨水入滲，從而減少?gòu)搅骺偭縖16-17]。祖艷群等研究也表明秸稈覆蓋降低農(nóng)田面源污染輸出的效果更為明顯，總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷和泥沙含量可以減少35.80%～38.0%[18]。橫坡壟作和秸稈覆蓋對(duì)坡耕地的地表徑流產(chǎn)生明顯的截留效果，可能原因是秸稈覆蓋可以通過(guò)吸收部分降雨；同時(shí)秸稈也能減緩徑流的流速，既減少對(duì)壟面的侵蝕，又延長(zhǎng)徑流在坡面的保持時(shí)間[6]。韓建剛等研究發(fā)現(xiàn)磷的流失受雨強(qiáng)的影響較大，雨強(qiáng)越大，磷損失量顯著增加[19]，本研究也發(fā)現(xiàn)磷在降水量大的情況下，流失明顯。

圖4 不同處理對(duì)徑流量、徑流水中各形態(tài)氮磷流失量的影響

耕作方式通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，從而影響土壤養(yǎng)分含量。本研究表明：除土壤總磷和總鉀外，與CK 相比，BMP 處理的土壤含水率、pH、有機(jī)質(zhì)總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮速效磷和速效鉀，且BMP 處理的土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮顯著高于CK。與CK 相比，BMP 處理的大豆產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量增加了2.13%和1.94%；除總鉀外，BMP 處理的大豆和秸稈含水率、總氮和總磷也有所增加。耕作措施通過(guò)影響大豆的土壤含水量、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累和分配的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而影響了大豆的產(chǎn)量[20]。研究表明，保護(hù)性耕作可以顯著增加0～20cm 土層土壤氮、磷、鉀的含量[21-22]。與橫坡壟作相比，順坡壟作更容易遭受侵蝕導(dǎo)致表層土壤變薄，水土的流失可以引起土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體減少、容重增加、土壤氮磷養(yǎng)分變化、從而導(dǎo)致了農(nóng)作物產(chǎn)量的降低[23]。呂美蓉等研究表明秸稈覆蓋可以增加土壤孔隙，使土壤質(zhì)地疏松，一定程度上阻止了降水對(duì)地表的橫向流動(dòng)，增加土壤水向地下淋溶，從而減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量和氮素從地表流失[24]。王育紅等研究也發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋對(duì)坡耕地土壤中N 和K 的流失有不同程度的降低作用[25]。植被秸稈覆蓋層可以阻止地表結(jié)皮，增大土壤孔隙，增加土壤含水量，同時(shí)降低徑流流速的作用，減少土壤養(yǎng)分流失[26]。研究表明秸稈覆蓋可減少作物間水分蒸發(fā)，增強(qiáng)土壤保墑能力，并改善作物的生理活性[27-28]，而在坡耕地上進(jìn)行橫坡壟作，能減少地表徑流和養(yǎng)分損失，增加雨水入滲[29]。氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，而氮的流失又與徑流過(guò)程緊密聯(lián)系，而秸稈覆蓋和橫坡壟作通過(guò)減少土壤氮磷養(yǎng)分流失，提高作物吸收能力，提高大豆產(chǎn)量。橫坡壟作及秸稈覆蓋均可提高作物產(chǎn)量，尤其是橫坡壟作結(jié)合秸稈覆蓋的提升效果更加明顯。

4 結(jié)論

與順坡壟作相比，橫坡壟作+秸稈覆蓋能減少地表徑流，減少氮磷養(yǎng)分流失，且提高土壤保水性和養(yǎng)分能力，從而提升了大豆作物產(chǎn)量。橫坡壟作雖然能夠降低地表徑流量、徑流水中氮磷養(yǎng)分的流失量，但其截留效果低于橫坡壟作+秸稈覆蓋相結(jié)合。要全面控制坡耕地養(yǎng)分損失，不僅要采用秸稈覆蓋、橫坡壟作等技術(shù)，還需要增厚土層、改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水保肥能力。