模擬降雨下不同農(nóng)作措施紫色土坡耕地氮磷流失特征

襲培棟，張鵬程，何為媛，唐柄哲，何丙輝?，李天陽

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，400715，重慶；2.重慶市農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)站，401121，重慶)

土壤侵蝕嚴(yán)重制約著資源-環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，已成為最嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題[1]。坡耕地土壤氮(N)、磷(P)流失過程是土壤與降雨、徑流相互作用的結(jié)果，流失的N、P會在湖泊、水庫中不斷積累，導(dǎo)致面源污染，因此坡耕地水土流失治理對面源污染防控具有重要意義[2]。橫坡壟作和施加有機(jī)肥是坡耕地面源污染防控的常用措施。橫坡壟作可通過攔截地表徑流，從而減少土壤養(yǎng)分的流失，有利于土壤中N、P的積累[3]；另外，施肥方式對N、P流失也有重要影響[4]。研究表明施加以動(dòng)物糞便為原料的有機(jī)肥，可提高土壤中植物所需的各種營養(yǎng)元素含量和作物產(chǎn)量，同時(shí)改善微生物環(huán)境和土壤理化性質(zhì)[5]。無機(jī)肥配施有機(jī)肥可以提高土地生產(chǎn)力并改善土壤性狀，還能明顯減少土壤N、P淋溶流失[6]。

紫色土是由紫色母巖發(fā)育而成的幼年土，在我國西南地區(qū)廣泛分布，是該區(qū)域最主要的土壤類型[7]。紫色土坡耕地土層薄、土壤質(zhì)地疏松、孔隙度大、團(tuán)聚穩(wěn)定小、抗侵蝕能力差，土壤N、P等養(yǎng)分流失嚴(yán)重[8]。目前，已開展較多關(guān)于紫色土橫坡壟作和有機(jī)肥的研究，但同時(shí)對比施肥與耕作方式對紫色土坡耕地N、P流失特征的研究較少[9-10]。本研究通過野外人工模擬降雨試驗(yàn)，對比分析不同農(nóng)作處理下的N、P流失過程和徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量之間的差異，明確3種農(nóng)作措施下紫色土坡耕地N、P流失的變化及其流失量的削減特征，探究徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量與N、P流失量的關(guān)系，為紫色土坡耕地水土流失及面源污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)水土保持試驗(yàn)基地(E 106°22′20″，N 29°48′42″)。研究區(qū)地貌以丘陵為主，海拔216 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均降雨量1 100 mm，降雨主要集中在5—9月，年平均氣溫18.3 ℃，平均日照時(shí)間1 270 h，無霜期334 d。試驗(yàn)基地以坡耕地為主，主要種植農(nóng)作物為玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)、紅薯(Ipomoeabatatas)等。土壤類型主要為沙溪廟組紫色砂泥巖母質(zhì)發(fā)育的紫色土，肥力中等。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)小區(qū)

在試驗(yàn)基地內(nèi)的紫色土坡耕地建立徑流小區(qū)，開展試驗(yàn)。根據(jù)三峽庫區(qū)紫色土坡耕地坡度分布情況[11]，設(shè)置徑流小區(qū)的坡度為15°，長8.0 m，寬4.0 m。徑流小區(qū)均采用“冬小麥-夏玉米”的輪作種植模式，設(shè)置3種農(nóng)作處理：順坡耕作單施化肥(T1，對照)、順坡耕作化肥配施有機(jī)肥(T2)、橫坡壟作單施化肥(T3)，各處理3次重復(fù)，共設(shè)置9個(gè)小區(qū)。小區(qū)間用水泥磚墻隔開，彼此獨(dú)立互不影響。各小區(qū)末端均設(shè)有獨(dú)立集水槽，與室內(nèi)徑流池相連，用于收集徑流、泥沙。各處理施用的N、P化肥分別為尿素(N≥46.4%)、過磷酸鈣(P2O5≥12.0%)，有機(jī)肥為未腐熟新鮮有機(jī)肥(豬糞)，其中養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為N=0.24%、P=0.17%，具體施肥量見表1。小區(qū)內(nèi)的農(nóng)作物為玉米，各小區(qū)土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表1 不同處理施肥情況Tab.1 Fertilization in different treatments kg/hm2

表2 試驗(yàn)前各處理土壤理化特征Tab.2 Physical and chemical properties of the soil before the test

2.2 模擬降雨

采用組合側(cè)噴式野外人工模擬降雨裝置進(jìn)行降雨模擬[12-13]。該裝置包括供水系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)兩部分，可通過改變供水流量和噴頭出流孔大小來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度，在每次模擬降雨前進(jìn)行降雨強(qiáng)度校正。模擬降雨時(shí)噴頭距地面5 m，可獲得降雨強(qiáng)度范圍為30～230 mm/h的降雨，均勻系數(shù)達(dá)到80%，可保證雨滴落地速度與自然降雨相近。

根據(jù)研究區(qū)多年的降雨強(qiáng)度記錄，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)降雨強(qiáng)度，分別為60、90和120 mm/h。試驗(yàn)在2015年6月中旬開展，各場次模擬降雨從產(chǎn)流開始時(shí)記錄時(shí)間，預(yù)試驗(yàn)結(jié)果顯示在產(chǎn)流20 min左右TN、TP流失濃度保持穩(wěn)定，故本試驗(yàn)?zāi)M降雨從產(chǎn)量開始后持續(xù)30 min。T1、T2和T3處理均進(jìn)行3次不同降雨強(qiáng)度的降雨，每次降雨可滿足3個(gè)小區(qū)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行27場降雨試驗(yàn)，每次降雨間隔24 h。在每次降雨前用15 mm/h降雨強(qiáng)度進(jìn)行30 min不產(chǎn)流降雨，以保證相同處理下表層土壤水分含量基本一致。之后用鋤頭打磨小區(qū)表層土，防止土壤表面不平整和地表結(jié)皮影響試驗(yàn)結(jié)果。本試驗(yàn)?zāi)M降雨用水為自來水，試驗(yàn)前測定水中N、P含量作為背景值，在計(jì)算徑流中N、P含量時(shí)予以扣除。

2.3 測定指標(biāo)與方法

本試驗(yàn)測定方法采用常規(guī)方法，主要測定地表徑流的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、總氮(N)和總磷(P)含量。產(chǎn)流量利用徑流桶測定，產(chǎn)沙量利用烘箱稱量法測定的含沙量計(jì)算。N采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度計(jì)比色法。P采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法[14]。

2.4 徑流系數(shù)及N、P流失量計(jì)算

徑流系數(shù)可通過模擬降雨產(chǎn)流期間的降雨量和徑流量計(jì)算得出，降雨量可根據(jù)降雨強(qiáng)度、產(chǎn)流時(shí)間和小區(qū)面積計(jì)算得出，同時(shí)進(jìn)行單位的換算，具體公式如下：

(1)

式中：φ為徑流系數(shù)，%；V為徑流量，L；q為降雨強(qiáng)度，mm/h；T為產(chǎn)流時(shí)間，min；A為小區(qū)面積，m2。

N、P流失量可通過徑流中的N、P質(zhì)量濃度與產(chǎn)流量計(jì)算得出，再根據(jù)小區(qū)面積進(jìn)行單位的換算，具體公式如下：

(2)

(3)

式中：LN為徑流N流失量，g/m2；LP為徑流P流失量，g/m2；CN為徑流N流失質(zhì)量濃度，mg/L；CP為徑流P流失質(zhì)量濃度，mg/L；V為徑流量，L；A為小區(qū)面積，m2。

2.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要利用軟件SPSS statistics 25和Excel 2016。采用單因素方差(One-way ANOVA)對不同降雨強(qiáng)度、不同處理下各指標(biāo)間的差異性進(jìn)行分析，用Duncan法進(jìn)行多重比較。利用Pearson相關(guān)分析探究徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量之間的關(guān)系。利用回歸分析探究徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量與N、P流失量間的耦合關(guān)系。采用OriginPro 2018繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同農(nóng)作措施對N、P流失過程的影響

在降雨前期各處理下的氮素流失較少，隨后逐漸增大，在達(dá)到峰值后保持一定的波動(dòng)性(圖1)。在各降雨強(qiáng)度條件下，T1的氮素流失最多，T2與T3的氮素流失則較少。在降雨強(qiáng)度為60 mm/h，T2和T3的氮素流失量明顯減少且變化趨勢基本一致，T3的氮素流失量略低于T2。在降雨強(qiáng)度為90 mm/h情況下，T2處理控制氮素流失的能力有所降低，在降雨初期與T1的氮素流失過程相似，在中后期T2氮流失量開始降低，而該降雨強(qiáng)度下T3的流失過程變化不大。在降雨強(qiáng)度120 mm/h情況下，變化趨勢與60 mm/h相似，但波動(dòng)性更大。

圖1 不同農(nóng)作措施下N、P流失量Fig.1 N and P losses under different farming treatments

不同降雨強(qiáng)度和處理下磷素的變化趨勢主要有2種(圖1)。在60 mm/h降雨強(qiáng)度的T2、T3和90 mm/h降雨強(qiáng)度的T3，磷素流失量在降雨初期上升，在達(dá)到峰值后存在一定程度的波動(dòng)。其他處理下磷素的變化趨勢則表現(xiàn)為在降雨初期上升，在達(dá)到一個(gè)峰值之后開始波動(dòng)性下降。60 mm/h降雨強(qiáng)度的T2和T3的磷素流失量明顯低于T1，但T3的磷素流失量最少。T2處理在90 mm/h降雨強(qiáng)度條件下，磷素流失量略低于T1，與氮素的流失情況相似，而T3在90 mm/h降雨強(qiáng)度條件下仍能明顯較少磷素的流失。在120 mm/h降雨強(qiáng)度條件下，相比在60 mm/h降雨強(qiáng)度條件下T2和T3控制磷素流失的能力都有所下降。

3.2 不同農(nóng)作措施對徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量的影響

除90 mm/h降雨強(qiáng)度條件下農(nóng)作措施對徑流系數(shù)的影響不顯著(P>0.05)，其他處理下農(nóng)作措施對徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量的影響均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)(圖2)。結(jié)果表明，相比于T1，T2和T3均能減少徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量，且隨著降雨強(qiáng)度的增大，T2、T3減少產(chǎn)流產(chǎn)沙和N、P流失的能力會逐漸降低。當(dāng)降雨強(qiáng)度為60 mm/h時(shí)，T2、T3減少徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量的比例分別為34.63%和60.18%、69.60%和84.85%、62.19%和78.45%、58.01%和82.27%，T2、T3的削減效果都比較明顯，但T3略高于T2。當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，T2、T3的削減比例分別為21.20%和42.46%、80.23%和88.57%、19.36%和62.05%、20.03%和69.56%，削減比例都有所下降，T3仍高于T2，但T2除產(chǎn)沙量的削減比例之外下降尤為明顯。當(dāng)降雨強(qiáng)度為120 mm/h，T2的削減比例有所回增，T3的削減比例仍有所下降，但T2、T3削減比例相差不大，分別為42.77%和32.05%、91.21%和74.27%、45.33%和47.09%、45.13%和50.97%。

不同小寫字母表示各處理間P<0.05的差異性。Different lowercase letters indicate differences in P<0.05 amongtreatments. 圖2 不同農(nóng)作措施下徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量差異Fig.2 Differences in runoff coefficient, sediment yield, and N and P losses under different farming treatments

3.3 徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量與N、P流失量的關(guān)系

徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量均分別與N、P流失量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(圖3)。徑流系數(shù)與N流失量和P流失量均存在極顯著的冪函數(shù)擬合關(guān)系，且均為正相關(guān)，R2分別為0.834和0.893。N、P流失量隨徑流系數(shù)的變化趨勢相似，增加幅度隨徑流系數(shù)的增加逐漸增大。產(chǎn)沙量與N流失量和P流失量同樣存在極顯著的冪函數(shù)擬合關(guān)系，且為正相關(guān)，R2分別為0.807和0.787。N、P流失量隨產(chǎn)沙量的變化趨勢相似，但是增加幅度與徑流系數(shù)的相反，隨產(chǎn)沙量的增加而逐漸減小。

圖3 徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量與N、P流失量間的函數(shù)關(guān)系Fig.3 Functional relationship between runoff coefficient, sediment yield and N and P losses

4 討論

筆者發(fā)現(xiàn)N流失量隨雨強(qiáng)的增大而增加，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度增大，地表徑流相應(yīng)增大，快速將表層土壤帶走，并繼續(xù)侵蝕下層土壤，因此徑流與土壤的相互作用也更加的充分[15]，最終導(dǎo)致N流失量的增加，這與王月等[16]的研究結(jié)果一致。P流失量同樣隨降雨強(qiáng)度的增大而增加，由于磷素的流失形式主要是以顆粒態(tài)為主，隨著降雨強(qiáng)度的增大，地表徑流會帶走更多的泥沙，導(dǎo)致更多磷素的流失，這與楊麗霞等[17]的研究結(jié)果一致。但與王月等[16]的研究結(jié)果相反，其認(rèn)為TP流失濃度隨降雨強(qiáng)度的增加而逐漸降低。原因可能有2點(diǎn)：一是可能由于本試驗(yàn)設(shè)置的降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其降雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度越大徑流量越大，帶走的泥沙也越多，導(dǎo)致P流失量表現(xiàn)為隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。二是可能與坡度有關(guān)，本研究設(shè)置的徑流小區(qū)坡度為15°，而其試驗(yàn)為人工模擬的平面旱地。陳曉安等[18]研究發(fā)現(xiàn)地表徑流量隨坡度的增大先增加后減少，但均大于平地。

施加有機(jī)肥可以明顯減少產(chǎn)流產(chǎn)沙及N、P流失量，這與廖義善等[5]的研究結(jié)果一致。施加有機(jī)肥可以減少地表徑流及泥沙的產(chǎn)生，而N、P流失量與徑流系數(shù)和產(chǎn)沙量存在極顯著的冪函數(shù)正相關(guān)，從而導(dǎo)致N、P流失量的減少。但有研究發(fā)現(xiàn)施加有機(jī)肥在增加作物產(chǎn)量的同時(shí)，會增加地表徑流中N、P總量[19]。原因可能有2個(gè)：第一個(gè)原因可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥施入量過多，導(dǎo)致過多的養(yǎng)分不能被植物及時(shí)吸收。有研究表明當(dāng)季農(nóng)作物只能吸收部分有機(jī)肥中的養(yǎng)分[20]，因此會有一定量的N、P累積在土壤中，從而表現(xiàn)為在施肥初期N、P的流失量會有所減少，而在施肥后期N、P的流失量反而增加[21]。第二個(gè)原因可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)開展時(shí)距離有機(jī)肥施入有一定的時(shí)間間隔，存在N、P在試驗(yàn)前就開始流失的情況。

通過分析橫坡壟作對產(chǎn)流產(chǎn)沙及N、P流失量的影響，發(fā)現(xiàn)橫坡壟作在3種降雨強(qiáng)度條件下都可以明顯減少N、P的流失。這是因?yàn)闄M坡壟作下的壟溝與徑流的流向不一致，橫坡攔蓄作用延長了徑流與土壤表面相互作用的時(shí)間，增加雨水向土壤入滲的時(shí)間[22]，同時(shí)也會使得部分泥沙沉積。由于N流失量與徑流系數(shù)之間存在極顯著的冪函數(shù)正相關(guān)，說明橫坡壟作是通過減少徑流量來減少N流失量，這與張興昌的研究結(jié)果[23]一致。而橫坡壟作對P流失量的影響與部分研究結(jié)果不同，本文研究結(jié)果表明橫坡壟作可以明顯減少徑流中P的流失量，這與何曉玲等[24]的研究結(jié)果一致。而于興修等[25]認(rèn)為橫坡壟作延長徑流與土壤的相互作用時(shí)間，導(dǎo)致土壤中的磷釋放到徑流中，因此在相同降雨強(qiáng)度下徑流中的可溶性總磷濃度增大。這可能是由于本研究的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度較大，產(chǎn)生的徑流量相比其要更大，從而沒有出現(xiàn)濃度增加的現(xiàn)象。另一個(gè)原因可能是由于本研究未考慮土壤中N、P的淋溶作用，存在部分N、P通過淋溶流失的情況。

筆者還發(fā)現(xiàn)，在降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，配施有機(jī)肥處理對N、P流失的削減效果有所降低。可能是因?yàn)槭┘佑袡C(jī)肥使得土壤結(jié)構(gòu)更加松散，并有大量養(yǎng)分富集在土壤之中，在雨水擊濺和沖刷作用下，養(yǎng)分高的土壤細(xì)粒首先隨徑流流失，隨著表層土壤養(yǎng)分的降低，徑流與土壤之間的養(yǎng)分交換趨于平衡，養(yǎng)分流失逐漸穩(wěn)定[26]。因此在施加有機(jī)肥處理下可能存在影響N、P流失的臨界降雨強(qiáng)度，當(dāng)降雨較小時(shí)，地表徑流較小，攜帶的表層高養(yǎng)分土壤也較少，當(dāng)降雨強(qiáng)度逐漸增大，徑流帶走大量表層養(yǎng)分含量高的土壤，而徑流與土壤的交換作用較小，徑流中的養(yǎng)分會直接流失，但隨著降雨強(qiáng)度繼續(xù)增大，徑流與土壤的交換作用也逐漸加強(qiáng)并逐漸平衡，徑流中的部分養(yǎng)分又被土壤吸附，從而使得養(yǎng)分流失相對減少。因此配施有機(jī)肥容易受到外界降雨強(qiáng)度大小的影響，配施有機(jī)肥情況下降雨強(qiáng)度對N、P流失量的影響需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1)N、P流失量在產(chǎn)流過程中的變化規(guī)律有一定的相似性，都為先升高后穩(wěn)定，磷流失量存在達(dá)到峰值后下降并趨于穩(wěn)定的情況。

2)不同農(nóng)作措施顯著影響紫色土坡耕地徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量及N、P流失量(P<0.05)。配施有機(jī)肥和橫坡壟作能明顯減少徑流中的N、P流失量，且在小降雨強(qiáng)度條件下保持水土、減少N、P流失的效果最為明顯。徑流系數(shù)、產(chǎn)沙量與N、P流失量之間均存在極顯著的冪函數(shù)正相關(guān)。

3)采用配施有機(jī)肥或者橫坡壟作的耕作方式，可有效減少水土流失及N、P的排放，對于坡耕地面源污染防控具有較明顯作用。橫坡壟作保持水土的效果較為穩(wěn)定，配施有機(jī)肥受降雨強(qiáng)度影響較大，對于有機(jī)肥的施肥量和施肥間隔還需要更深一步的研究。