不同農(nóng)藝措施對丹江口庫區(qū)坡耕地茶園水土和磷素流失的影響

李太魁 ，張香凝 ，寇長林 ，呂金嶺 ，郭戰(zhàn)玲 ，駱曉聲

1. 河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2. 農(nóng)業(yè)部原陽農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測實驗站，河南 鄭州 450002

磷是作物生長必需的一種營養(yǎng)元素，參與植物體內(nèi)某些重要化合物的代謝與合成，同時也是造成水體富營養(yǎng)化的關鍵因子（甄蘭等，2002）。土壤中的磷大多數(shù)以有機態(tài)和難溶性的無機態(tài)形式存在，當季利用率一般只有10%—25%左右，真正能被作物直接吸收利用的不足 1%（Pavinato et al.，2009；李廷軒等，2017）。但是為了保證高產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中每年還是會施入大量的磷肥和有機肥，導致磷素在土壤中逐漸積累。這些積累的磷素在遇到降雨時，就會通過地表徑流進入湖泊、水庫等水體，造成水體富營養(yǎng)化和農(nóng)業(yè)面源污染負荷增加（高超等，2015）。據(jù)研究表明，水體中的不同磷素形態(tài)對富營養(yǎng)化的貢獻程度不一樣。正磷酸鹽可以直接被藻類吸收利用，雖然在水體中存在量很小，但是其濃度增加直接導致富營養(yǎng)化的發(fā)生（李太魁等，2018）。溶解態(tài)有機磷和顆粒態(tài)磷是磷素存在的主要形態(tài)，雖然不能被直接利用，但是可以被胞外酶轉(zhuǎn)化成生物可利用的磷（Qin et al.，2015）。因此，研究坡耕地土壤磷素形態(tài)流失特征對控制源頭面源污染有重大意義。

丹江口水庫肩負著南水北調(diào)工程的重任，其水質(zhì)狀況關系到京津冀等沿線城市居民的用水安全，對水質(zhì)要求很高。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，庫區(qū)部分區(qū)域總磷質(zhì)量濃度為0.02—0.05 mg·L?1，有明顯的富營養(yǎng)化趨勢（劉增進等，2017）。隨著南水北調(diào)中線工程的完成，庫區(qū)周圍的農(nóng)業(yè)結構也在進一步調(diào)整，其中柑橘、中藥材、茶葉等已成為庫區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，坡地茶園也成為了庫區(qū)一種重要的土地利用方式。新建茶園一般位于坡陡土薄、植被覆蓋較低的土地上，管理粗放且配置物種單一，一旦降雨極易引起水土及養(yǎng)分流失（李太魁等，2020）。如何配套農(nóng)藝措施降低新建茶園水土及養(yǎng)分流失尤為重要。

坡改梯和梯壁植草成為中國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的一條基本途徑，也是中國治理坡耕地水土流失的一項重要工程措施（屈建剛等，2014；肖理等，2019）。梯田能夠降低坡面坡度和降雨徑流的沖刷，減少水土流失，從而起到保水保土的作用（Zhang et al.，2008；Chen et al.，2018）。然而，裸露的梯壁有可能再次受到雨水的沖刷形成徑流。梯壁植草是指在梯壁上種植草類植物防治梯壁再次受到雨水侵蝕，該項技術可以進一步提高梯田的穩(wěn)定性，且在中國南方紅壤丘陵區(qū)果園、茶園得到了廣泛推廣和應用（李德榮等，2004；林志輝，2018）。然而，其效果受氣候（降雨量、雨強）、地形特征（坡度）和土壤類型（粘土、沙土）等條件影響，這些農(nóng)藝措施在丹江口庫區(qū)防控水土和養(yǎng)分流失的應用效果尚不清楚。鑒于此，本研究以丹江口庫區(qū)新建茶園為研究對象，研究坡改梯和坡改梯+梯壁植草2種農(nóng)藝措施在自然降雨條件下對水土和磷素徑流遷移的防控效果，以期為庫區(qū)水質(zhì)安全保障提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗設在河南省南陽市淅川縣毛堂鄉(xiāng)毛堂村，研究區(qū)屬北亞熱帶季風性氣候區(qū)，平均氣溫15.8 ℃，年降雨量在391.3—1423.7 mm之間，降雨集中、旱澇不均，且集中分布在夏季的4—9月，無霜期 228 d。近年來，毛堂鄉(xiāng)大力發(fā)展茶葉、柑橘、中藥材、煙葉等特色產(chǎn)業(yè)。所選茶園為種植品種烏牛早的新茶園，土壤為典型的黃棕壤，土壤pH為6.24，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為26.38 g·kg?1，全氮質(zhì)量分數(shù)為 1.03 g·kg?1，全磷質(zhì)量分數(shù)為 0.45 g·kg?1，速效磷質(zhì)量分數(shù)為 13.92 g·kg?1，堿解氮質(zhì)量分數(shù)為43.51 g·kg?1。

1.2 試驗設計

試驗茶樹品種為烏牛早，2013年10月種植，南北向種植，穴距為30 cm，行間距為150 cm，每穴種2—3株茶苗。試驗設計3個處理：常規(guī)順坡種植（CK）；坡改梯（PT）；坡改梯+梯壁植草（PTS），每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列。梯壁植草品種為白三葉草（Trifolium repens L.），由河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝所提供，2013年10月26日播種，播種量為4.5 kg·hm?2。各試驗小區(qū)施肥水平相同，尿素180 kg·hm?2，復合肥（15-15-15）350 kg·hm?2，菜籽餅肥450 kg·hm?2，其中1/3尿素和全部復合肥、餅肥于2013年11月施入，剩下2/3尿素于次年3月初施入。試驗小區(qū)面積45 m2，坡度平均20°；小區(qū)四周用塑料薄膜圍起來，防止不同小區(qū)之間水土串流；坡底底部中央建一個徑流池，并用 PVC塑料管連接收集桶，用于收集降雨產(chǎn)生的地表徑流和泥沙。降雨徑流觀測于2015年雨季（5—10月）進行。

1.3 地表徑流樣品采集與測定

每次采集的降雨產(chǎn)流過程結束后，先用一根尺子測量池中水位，計算徑流量，將采集到的徑流池中水充分混合，保留1 L，取樣后及時將其排干并清洗干凈，以備下一次徑流樣采集。采集到的水樣帶回實驗室分為兩個部分，分別被用于泥砂質(zhì)量和化學特性的測定。將水樣充分混勻后，置于漏斗上進行過濾，將篩選出來的泥砂放入105 ℃烘箱中烘24 h，冷卻后進行稱質(zhì)量，計算徑流液中泥沙含量。徑流水樣總磷（TP）、可溶性磷（DTP）和溶解態(tài)正磷酸鹽（D-PO43?-P）采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法進行測定（魯如坤，2020）。顆粒態(tài)磷含量（PP）為TP與DTP含量之差，溶解性有機磷含量（DOP）為DTP與D-PO43-P含量之差。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

單次降雨產(chǎn)流事件磷素流失負荷計算公式為：

式中：

Qi——單次降雨磷素流失負荷（mg·m?2）；

Ci——徑流液總磷含量（mg·L?1）；

qi為徑流量（L·m?2）。

應用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理；應用SPSS 16.0進行方差分析、相關分析等，采用LSD法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）；應用Origin 8.5進行圖形制作。

2 結果與分析

2.1 不同農(nóng)藝措施對地表徑流的影響

2015年試驗地點月降雨量和月降雨日數(shù)如圖1所示，降雨主要集中在5—9月，75%的年降雨量集中在這一時期。全年降雨量最大的月份為7月，全月降雨量達163 mm，月降雨日數(shù)6月最多，3、4月雖然降雨日數(shù)較多，但由于單次降雨量較小，無徑流產(chǎn)生。2015年產(chǎn)生徑流的降雨分別是2015年的5月7日、6月23日、7月15日和8月4日，對應的降雨量分別是46.5、54.6、85、69.6 mm。從圖2可知，4次降雨徑流中，3個處理產(chǎn)流量的大小順序為CK＞PT＞PTS。方差分析表明，2種措施徑流量與對照相比呈顯著性差異（P＜0.05），除5月7日、8月4日降雨外，3個處理之間差異均顯著（P＜0.05）。與CK處理相比，4次降雨PT處理的地表徑流量分別降低了 25.2%、18.8%、18.1%和21.7%，平均為20.9%；PTS處理地表徑流量的降低幅度分別為31.0%、39.2%、30.3%和32.7%，平均為33.3%。由此可見，這兩種農(nóng)藝措施均能不同程度的減少坡耕地地表徑流，坡改梯+梯壁植草截流效果更優(yōu)。

圖1 2015年月降雨量和降雨日數(shù)Fig. 1 Monthly rainfall and rainfall days in 2015

圖2 不同農(nóng)藝措施下的地表徑流量Fig. 2 Surface runoff under different agronomic measures during the experimental season

2.2 不同農(nóng)藝措施對泥沙流失的影響

不同農(nóng)藝措施下的土壤流失量見圖3。3個處理的土壤流失量大小順次為 CK＞PT＞PTS，這一點與徑流量的順序相同。2種農(nóng)藝措施徑流量與對照相比差異顯著（P＜0.05），在 6月 23日降雨與 8月4日降雨產(chǎn)流中，PT與PTS處理之間差異顯著（P＜0.05）。與CK處理相比，4次降雨產(chǎn)流PT處理的土壤流失量分別降低了26.3%、30.1%、29.9%和33.6%，平均為30.0%；PTS處理的土壤流失量降低幅度分別為31.8%、44.4%、42.2%和50.2%，平均為42.0%。由此可見，這兩種農(nóng)藝措施均能不同程度地減少坡耕地土壤流失，坡改梯+梯壁植草減沙效果更優(yōu)。

圖3 不同農(nóng)藝措施下的土壤流失量Fig. 3 Soil losses under different agronomic measures during the experimental season

2.3 不同農(nóng)藝措施對徑流液磷素形態(tài)的影響

不同農(nóng)藝措施下歷次降雨徑流液中 TP、PP、D-PO43?-P、DTP和DOP濃度見表1。在當?shù)爻Ｒ?guī)順坡種植條件下，各處理徑流液TP的質(zhì)量濃度范圍為0.10—0.76 mg·L?1，由地表徑流引起的高濃度磷素流失對丹江口水庫的水質(zhì)產(chǎn)生了巨大威脅。3個處理之間各形態(tài)P濃度差異較明顯。與CK相比，4次降雨過程PT處理均顯著降低了TP、PP的濃度（P＜0.05），降幅范圍分別為27.0%—35.3%和25.0%—44.0%。與PT處理類似，與CK相比，PTS處理也顯著降低了 TP、PP的濃度（P＜0.05），降幅范圍分別為46.1%—63.0%和47.6%—72.0%。除5月7日降雨外，與CK相比，PT和PTS處理的DTP、D-PO43?-P和DOP濃度也顯著降低。其中，8月4日次降雨3個處理間的DTP和D-PO43?-P濃度均達到顯著性差異，其中PTS處理的效果最明顯。由圖2、表1還可知，5月7日、7月15日和8月4日徑流液中總磷的濃度隨著徑流量增大而增大，但 6月23日降雨徑流量大于5月7日，總磷濃度卻低于5月7日，這可能是由于5月7日首次降雨產(chǎn)流導致前期表層土壤積累的磷更易被徑流沖刷，導致徑流液總磷含量偏高。

從表1還可知，不同處理之間的磷素形態(tài)的比例也有一定的差異。PP/TP的比例在46.7%—73.5%之間，說明顆粒態(tài)磷素是磷素流失的主要形態(tài)，泥沙是徑流磷遷移的主要載體。而3個處理徑流液中D-PO43?-P/DTP的比例范圍為88.8%—92.3%，由此可知，流失的可溶性磷素以D-PO43?-P為主，DOP占DTP的比例在8.0%—11.3%之間，流失比例較低。與CK相比，2種農(nóng)藝措施不僅顯著降低了徑流液中PP的濃度，還降低了其占TP的比例，PTS處理PP/TP值最低降至46.7%。

表1 不同處理徑流液磷素流失濃度及比例Table 1 Phosphorous loss forms and ratios of surface runoff under different treatments

2.4 不同農(nóng)藝措施對徑流液磷素流失的防控效果

圖4所示為單次降雨事件中總磷流失通量，可以看出，2種農(nóng)藝措施均顯著降低了土壤磷素隨地表徑流流失總量，除5月7日降雨外，其余3次降雨各處理之間總磷流失量均呈顯著性差異（P＜0.05）。與CK處理相比，4次降雨產(chǎn)流PT處理對土壤總磷流失量的降低幅度分別為 51.6%、46.3%、42.9%和42.9%，平均為45.9%；PTS處理土壤總磷流失量比CK降低了69.9%、77.9%、62.2%和66.0%，平均為69.0%。由此可見，坡改梯和坡改梯+梯壁植草是控制丹江口庫區(qū)坡耕地磷素隨降雨徑流遷移的有效農(nóng)藝措施，其中，坡改梯+梯壁植草防控效果更好。

圖4 不同農(nóng)藝措施下的總磷流失量Fig. 4 Effect of different agronomic measures on total phosphorous loss

3 討論

不同農(nóng)藝措施對坡耕地水土流失的防控效應受土壤質(zhì)地、坡度、降雨量及強度和植被覆蓋等因素綜合影響。李亞龍等（2012）在長江流域的研究結果表明，坡耕地改造成梯田后，徑流量和土壤侵蝕量明顯降低，坡改梯是 25°以下坡耕地治理水土流失的有效措施。鄭海金等（2018）在紅壤定位觀測研究表明，實施坡改梯+梯壁植草綜合措施的果園比常規(guī)的梯田果園地表徑流和土壤侵蝕率分別減少 89.0%和 99.5%。林廷武等（2019）在黃土丘陵區(qū)果園研究發(fā)現(xiàn)，植被種類繁多的梯田果園上，如遇到特大暴雨，其減水減沙效益分別能達到84.7%和86.4%以上。本研究結果表明，相對于當?shù)貍鹘y(tǒng)種植區(qū)，坡改梯與坡改梯+梯壁植草可平均分別減少20.9%和33.3%的地表徑流和30.0%、42.0%的土壤泥沙流失，2種措施都表現(xiàn)出了較好的水土保持作用，控制泥沙流失的效果優(yōu)于減少徑流的效果。對于坡改梯防治水土流失的主要機理，研究者一致的觀點是認為坡改梯后，表層土壤的疏松程度提高，土壤滲透力變強，當遇到降水后會快速發(fā)生入滲，徑流流速相應下降，導致產(chǎn)流速率大大降低（李亞龍等，2012）。對于泥沙防控而言，一些研究者認為坡改梯初期，土壤表面結構被破壞，受擾動強度較大，更易遭受降雨侵蝕（曹媛等，2020），本研究發(fā)現(xiàn)坡改梯沒有增加泥沙的流失，這可能是由于坡改梯同時降低了徑流流速和攜帶泥沙的能力。梯壁植草一方面增加了植被覆蓋度，降低部分降雨能量，另一方面草類的根系在土壤內(nèi)部互相纏繞，形成一張具有抗沖蝕能力的根網(wǎng)，將根際土壤牢牢地固定在一起，增強了土體的穩(wěn)定性（武藝等，2008）。坡改梯和梯壁植草的綜合應用表現(xiàn)出了更好的水土保持能力。

坡地土壤磷素的流失與遷移是一個復雜的物理化學過程，農(nóng)藝措施不僅改變了坡面徑流過程，對徑流液磷素形態(tài)也有一定的影響。本研究結果表明，PP/TP的比例在46.7%—73.5%之間，說明顆粒態(tài)磷素是磷素流失的主要形態(tài)，顆粒態(tài)磷的流失主要以泥沙為載體，坡改梯與坡改梯+梯壁植草 2種措施都明顯削弱了降雨過程對表層土壤的濺蝕和沖刷作用，降低了泥沙的流失，相應地也就減少了隨泥沙流失的顆粒態(tài)磷的含量。流失的可溶性磷素以 D-PO43?-P為主，D-PO43?-P/DTP的比例范圍為88.8%—92.3%，DOP所占比例較小。這與王靜等（2017）的研究結果基本一致。周明華等（2010）研究紫色土坡耕地磷素流失特征時發(fā)現(xiàn) DOP是可溶性磷素流失的主要形態(tài)，這可能與施肥方式、土壤質(zhì)地等因素有關?？扇苄粤缀皖w粒態(tài)磷濃度決定了總磷的濃度，2種措施同時降低了可溶性磷和顆粒態(tài)磷濃度，使得總磷濃度也相應降低。土壤磷素隨徑流遷移的通量由其濃度和徑流量共同影響，徑流液磷素濃度取決于表層土壤磷素與徑流的相互稀釋和傳輸作用，2種農(nóng)藝措施具有明顯的控流控沙作用，從而抑制了對磷素的傳輸作用；另一方面通過植被對磷素截留、吸收作用也能降低磷素的污染負荷，這也是坡改梯+梯壁植草顯著降低磷素流失的根本原因。Liu et al.（2012）在丹江口庫區(qū)坡耕地柑橘園研究結果表明，柑橘園在常規(guī)管理模式下磷素年流失通量為160 mg·m?2；李德榮等（2004）在紅壤坡地果園進行了不同水保措施對磷素流失的影響，結果表明對照處理磷素年流失量達 143.6 mg·m?2，坡改梯和梯壁植草措施磷素流失消減到51—78 mg·m?2；李承力等（2011）對丹江口庫區(qū)坡耕地不同輪作模式下磷素流失進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)小麥-玉米輪作下磷素年流失通量達8.3 mg·m?2，比油菜-芝麻輪作流失量減少30.8%；楊皓宇等（2009）對不同農(nóng)作制下紫色土坡耕地氮磷流失的研究結果表明，該地區(qū)常規(guī)施肥順坡耕作模式下磷素年流失通量為1.8 mg·m?2。本研究結果表明，丹江口庫區(qū)坡耕地茶園常規(guī)種植下磷素年流失通量為 7.7 mg·m?2，與其他地區(qū)種植模式相比，丹江口庫區(qū)坡耕地茶園磷素徑流流失處于中等水平。但是，這僅僅是1年的降雨徑流數(shù)據(jù)，降雨量的年際差異導致了不同年份之間磷素流失的負荷差異較大，要更加準確地評估丹江口庫區(qū)坡耕地磷素流失需要長期的定位監(jiān)測研究。另外，在今后的研究中還應關注坡改梯和梯壁植草在減少地表徑流的同時，是否會增加養(yǎng)分滲漏損失；如何降低工程技術成本，使環(huán)境效益和經(jīng)濟效益都得到保障；如何選擇梯壁種植草類品種及其對茶園土壤的生態(tài)效應有何影響等。

4 結論

坡改梯與坡改梯+梯壁植草顯著影響丹江口庫區(qū)坡耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，徑流量比常規(guī)種植分別減少了 20.9%、33.3%，泥沙量分別減少了 30.0%、42.0%，土壤保水固土效果明顯增強。顆粒態(tài)磷是磷素流失的主要形態(tài)，占46.7%—73.5%，可溶性磷素以正磷酸鹽流失為主，可溶性有機磷所占比例較低。2種農(nóng)藝措施均能有效降低徑流磷的流失量，可分別降低45.9%和69.0%的磷素流失量，徑流量和泥沙流失的減少是 2種農(nóng)藝措施控制磷輸出的主要機制。該研究結果可為庫區(qū)坡耕地水土流失和面源污染的控制、重點水源地的水質(zhì)保護提供數(shù)據(jù)支撐。

致謝：感謝河南省淅川縣林業(yè)工作站李志翔、寇建宗等同志在徑流樣品采集方面提供的幫助和支持！