生草措施對紅壤區(qū)果園水土流失和氮素流失的影響

杜勇強，湯崇軍，劉英亮，段 劍

（1.江西省水利科學(xué)院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌，330029；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，210098；3.江西省興國縣水土保持中心，江西 興國，342400）

0 引言

南方紅壤區(qū)是我國典型的水力侵蝕區(qū)之一，曾被稱為“紅色沙漠”，已成為我國水土流失重點治理區(qū)域[1]。紅壤坡地是紅壤區(qū)重要的組成部分，紅壤區(qū)旱地面積的70%都是坡地[2]。坡地種植果樹是一種普遍的土地利用方式，是我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，可以獲得良好的經(jīng)濟效益。南方紅壤區(qū)降雨量豐沛，分配極不均勻，大部分降雨集中在4～9月份。大部分的果園林下仍然采用了清耕管理措施，使果園林下土地大面積裸露[3]，雨季則易導(dǎo)致果園林下地表徑流產(chǎn)生時間快且流量大，氮素流失量劇增，并加速周邊水環(huán)境的進一步惡化[4，5]，嚴(yán)重危害水生態(tài)系統(tǒng)安全，引起一系列的連鎖反應(yīng)。從源頭控制水土流失和氮素流失，是治理果園水土流失和面源污染最有效的方法。

果園生草栽培，是指在果園果樹行間或全園種植草本植物，也叫果園生草覆蓋[6]。這是歐美等發(fā)達國家普遍推行的果園可持續(xù)發(fā)展一種新型土壤管理模式[7]。果園生草不僅能減少土壤和養(yǎng)分的流失，增加土壤礦化速率，提高土壤肥力，還可以從源頭控制面源污染[8]。研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋作物可以有效抑制雜草的生長，改善土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀，具有顯著的保墑保肥效果[9]。我國在1998年就已經(jīng)開始推廣生草栽培的技術(shù)[10]，但目前規(guī)模尚小，仍然處于試驗階段，其中最主要的限制因素是生草種類的選擇。我國生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)堅持因地制宜的原則，根據(jù)區(qū)域的氣候、土壤類型和農(nóng)民的期望，選擇合適的草種。

本文針對南方紅壤區(qū)果園水土流失和氮素流失嚴(yán)重等問題，選擇江西省興國縣塘背小流域，野外監(jiān)測天然降雨條件下不同生草措施對紅壤區(qū)果園水土流失和氮素隨地表徑流遷移特征的影響，研究林下種植鄉(xiāng)土植物艾蒿、馬齒莧、白三葉對果園水土流失和氮素流失的影響規(guī)律，為控制紅壤區(qū)果園水土流失和面源污染提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗地位于塘背小流域內(nèi)（26°12′～26°17′N，115°13′～115°19′E），小流域地處江西省贛州市興國縣縣城南部12km區(qū)域，橫跨龍口、永豐兩個鄉(xiāng)，包含了中嶺、文院、都田、來溪、蘆溪、里溪在內(nèi)的6個行政村，占地面積16.38km2，屬贛江（鄱陽湖水系五大河流之一）上游貢水二級支流平江的一支河流；該流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫18.8℃，年平均降雨量1 372.2mm，年平均蒸發(fā)量1 552.1mm，無霜期 280d[11，12]。

1.2 試驗設(shè)計

在研究區(qū)域內(nèi)，選擇坡度（15°）、坡向、土壤理化性質(zhì)等條件基本一致的開闊坡面，建立4個大小分別為20m×5m，面積為100m2的野外徑流小區(qū)。為防止徑流小區(qū)周邊環(huán)境水文因素的影響，在小區(qū)邊界設(shè)置漿砌磚圍墻，圍墻埋入地面20cm，高出地表30cm，并在小區(qū)上方和左右設(shè)置截水溝，小區(qū)下方設(shè)置集水槽，將地表徑流匯集到徑流池，地表徑流池有三級分水箱，收集每次降雨產(chǎn)生的地表徑流和侵蝕泥沙。地表徑流池內(nèi)壁正面安裝有搪瓷水尺，能直接獲取地表徑流量。

野外徑流小區(qū)建設(shè)完成后，分別在每個徑流小區(qū)內(nèi)種植12株兩年生的臍橙苗（Citrus sinensis Osbeck），6行2列，每行間距3m，每列間距2.5m。4個野外徑流小區(qū)的生草措施試驗設(shè)計如表1所示。其中2號小區(qū)為對照組，僅種植臍橙，果園林下地表保持裸露；1號、3號和4號為試驗組，除種植臍橙外，林下分別種植相應(yīng)草本植物艾蒿、馬齒莧和白三葉，帶狀栽種，帶寬1m，帶間距3m，臍橙行間和小區(qū)上下邊界各種植一行，定期人工清除小區(qū)內(nèi)的雜草，生草植物的特點及功能詳見表1。

1.3 試驗觀測及方法

降雨觀測：野外徑流小區(qū)旁邊裝有虹吸式自記雨量計，能自動獲取降雨量、降雨歷時和雨強等指標(biāo)。

地表徑流量測定：記錄徑流深，計算獲取每次降雨條件下地表徑流量。

侵蝕泥沙測定：每次降雨結(jié)束后，將每個徑流池的泥水?dāng)嚋?，用塑料瓶采?000mL水樣，每次3個重復(fù)，靜置6h，倒出上層清水，將泥沙倒入鋁盒中（鋁盒裝入泥沙前要稱重并記錄），放入105℃烘箱烘干至恒重、稱重，計算徑流小區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙量。

氮素流失量測定：降雨結(jié)束后，分別在各處理下的地表徑流池內(nèi)取樣1 000mL，測定水樣中的總氮、氨態(tài)氮以及硝態(tài)氮含量。其中，水樣總氮按過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定；水樣硝態(tài)氮含量按紫外分光光度法測定；水樣氨態(tài)氮含量按鈉氏試劑法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

試驗期間，共觀測到侵蝕降雨累計9次，根據(jù)我國氣象部門采用的降雨強度的分級標(biāo)準(zhǔn)（表2），表3列出了各次降雨的具體時間、雨量及雨型。

表2 降雨雨型的劃分標(biāo)準(zhǔn) mm

表3 試驗期內(nèi)的降雨情況

2.2 不同生草措施對地表徑流和侵蝕泥沙的影響

2.2.1 對地表徑流的削減作用

共觀測到9次產(chǎn)流，8月12日各處理小區(qū)產(chǎn)流量均是最大的。圖1顯示了各個小區(qū)的徑流情況，結(jié)果表明，臍橙+白三葉產(chǎn)流最小，削減徑流量效果最優(yōu)，相較于對照組平均減少了61.79%；臍橙+艾蒿和臍橙+馬齒莧兩種生草措施產(chǎn)流無明顯差距，分別較對照組平均減少了37.87%和41.97%。在天然降雨條件下，3種帶狀生草措施均能降低徑流量，但白三葉草帶處理控制徑流效果優(yōu)于艾蒿和馬齒莧。9次降雨中有3次降雨雨量和雨強均偏大，艾蒿和馬齒莧草帶處理下的產(chǎn)流量接近對照組，表明艾蒿和馬齒莧兩種生草在暴雨中削減徑流作用不明顯，而白三葉在暴雨中削減徑流效果突出。

圖1 不同生草措施下果園地表徑流特征

2.2.2 對侵蝕泥沙的削減作用

圖2顯示了各個小區(qū)的產(chǎn)沙情況。人工生草（艾蒿、馬齒莧和白三葉）3種處理產(chǎn)沙量都小于對照組，說明生草措施均能有效控制土壤流失。而對照組采用的是清耕措施，臍橙林下地表保持裸露，保土效果差。在天然降雨條件下，3種帶狀生草措施均能有效降低果園土壤流失量，白三葉處理的小區(qū)保土效果最好，泥沙產(chǎn)量較對照組平均減少89.61%；艾蒿和馬齒莧草帶處理的小區(qū)，泥沙輸出量無太大差距，相較于對照組平均減少63.30%和67.36%。

圖2 不同生草措施下果園侵蝕產(chǎn)沙特征

2.3 不同生草措施對徑流氮素含量的影響

2.3.1 不同生草措施對徑流中總氮輸出量影響

表4列出了不同處理9次降雨總氮（TN）隨徑流遷移量，前期總氮流失量少，后期總氮流失量大，這與果園施肥有關(guān)。通過施肥前4次降雨分析可知，3種帶狀生草措施均能有效降低果園TN流失，白三葉處理的小區(qū)控制TN流失效果最好，較對照組平均減少66.49%；而艾蒿處理的小區(qū)控制TN流失效果最差，較對照組平均減少32.54%。為保證生草和臍橙正常生長，8月前后人工施肥，肥料主要為復(fù)合肥、營養(yǎng)土，土壤氮素含量劇增，導(dǎo)致地表徑流TN含量遠(yuǎn)高于施肥前。

表4 多次降雨TN流失量 mg

2.3.2 不同生草措施對徑流中硝態(tài)氮輸出量影響

表5列出了不同處理徑流硝態(tài)氮（NO3--N）流失量。從表中可見，白三葉處理的小區(qū)硝態(tài)氮流失量低于艾蒿和馬齒莧，且馬齒莧處理的小區(qū)硝態(tài)氮流失量高于其他兩個試驗組。3種生草均能削減地表徑流帶走的硝態(tài)氮，在無施肥條件下，硝態(tài)氮流失量較對照組平均分別降低52.35%，46.75%和73.86%；8月人工施肥后，徑流硝態(tài)氮含量劇增，白三葉處理的小區(qū)硝態(tài)氮流失量較艾蒿和馬齒莧減少37.12%和43.63%。白三葉削減地表徑流硝態(tài)氮含量效果最好。

表5 多次降雨NO3--N流失量 mg

2.3.3 不同生草措施對徑流中氨態(tài)氮輸出量影響

表6列出了不同處理下徑流氨態(tài)氮（NH4+-N）的流失量。從中可見，施肥前，白三葉處理的小區(qū)氨態(tài)氮流失量最小，能有效控制氨態(tài)氮流失，相較于對照組平均減少了67.13%；艾蒿和馬齒莧兩種生草措施下氨態(tài)氮流失無太大差距，分別較對照組平均減少了37.87%和41.97%，表明三種措施都能有效降低氨態(tài)氮流失量。8月施肥后，土壤氨氮含量并未迅速上升，因為肥料并未立刻轉(zhuǎn)化為氨氮，此時氨氮流失規(guī)律與總氮、硝態(tài)氮規(guī)律有所差別。

表6 多次降雨NH4+-N流失量 mg

3 討論

生草措施通過固結(jié)土壤顆粒和攔截雨水，減少因降雨產(chǎn)生的地表徑流和土壤流失。在山坡上種植白三葉，可以推遲徑流產(chǎn)生時間、減少地表徑流量[13]。李婷婷等[14]在果園種植雀稗（Paspalum thunbergii）和白花藿香薊（Ageratum conyzoides），徑流總量較對照組分別降低33.1%～50.34%和21.9%～30.1%。李太魁等[15]在坡地果園種植三葉草、苕子（Vicia villosa Roth）和黑麥草（Lolium perenne L.），徑流總量較對照組降低24.7%、13.9%和31.6%，侵蝕泥沙量較對照組降低36.4%、29.6%和15.7%。本研究中，在試驗小區(qū)種植艾蒿、馬齒莧和白三葉后，地表徑流和泥沙均減少，與上述結(jié)果一致。果園生草降低地表徑流和侵蝕泥沙的主要作用表現(xiàn)在：（1）具有攔截作用，延緩了地表徑流的形成時間，讓雨水有更多的下滲時間；（2）增加地表覆蓋度，緩沖雨滴的打擊強度，削減濺蝕強度；（3）固結(jié)土壤，改變土壤理化性質(zhì)，提高土壤入滲率。由試驗結(jié)果可知，艾蒿、馬齒莧、白三葉三種生草措施均能有效控制水土流失，地表徑流平均分別減少37.87%、41.97%和61.79%，產(chǎn)沙量平均分別減少63.30%、67.36%和89.61%。白三葉控制徑流和泥沙輸出的效果最優(yōu)，艾蒿和馬齒莧無太大差異。

果園清耕，地表裸露，加劇了面源污染。黃河仙等[16]研究表明地表的覆蓋程度與農(nóng)田氮磷徑流流失的效果息息相關(guān)。黃海波等[17]研究表明果園地下水中的氮濃度明顯高于居民區(qū)地下水中的氮濃度，可知果園清耕措施對地下水污染十分嚴(yán)重。坡地果園種植白三葉草可以降低徑流中總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，具有良好的控制氮素流失的效果[13，18]。俞巧鋼等[19]在山地果園套種紫云英（Astragalus sinicus L.）、黑麥草和箭舌豌豆（Vicia sativa），總氮流失較對照組分別減少49.3%、55.2%和18.7%。在本研究中，種植艾蒿、馬齒莧和白三葉后，地表徑流總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量均減少，與已有研究結(jié)果一致。在不施肥條件下，白三葉控制氮素優(yōu)于艾蒿和馬齒莧；在相同施肥條件下，白三葉保肥效果最優(yōu)，可以有效減少肥料氮素流失。原因是氮素的流失與地表徑流總量有關(guān)，氮素流失的載體是徑流水[20]，地表徑流量少，其攜帶的氮素量也會受到限制。

由于條件限制，本文的研究內(nèi)容只是對同一坡度（15°）、草帶寬為1m處理條件下地表徑流量、泥沙輸出量以及氮素流失量進行了研究，在以后的研究中可以考慮不同坡度、不同程度的覆蓋方式（全園生草和不同寬度草帶）下果園的水土流失和面源污染情況，為治理果園水土流失和面源污染提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

本試驗采用徑流小區(qū)法，研究野外觀測天然降雨條件下，不同生草措施對臍橙園水土流失和氮素流失的影響。結(jié)果表明：相同降雨條件下，白三葉攔蓄地表徑流和侵蝕泥沙的效果最佳，艾蒿和馬齒莧無太大差異；在相同施肥條件下，白三葉控制氮素流失效果最佳。因此，不同生草措施均能減少果園水土流失及氮素流失，在種植艾蒿、馬齒莧和白三葉三種生草措施中，白三葉在削減水土流失和氮素流失方面效果最優(yōu)，可優(yōu)先考慮種植。