丹江口庫區坡耕地柑橘園套種綠肥對氮磷徑流流失的影響

李太魁, 張香凝, 寇長林, 張玉華, 馬政華, 段 然

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所, 鄭州 450002;2.農業部原陽農業環境與耕地保育科學觀測試驗站, 鄭州 450002; 3長江流域水土保持監測中心站, 武漢 430010)

坡耕地水土流失是我國乃至全世界重要的生態環境問題之一，它一方面導致表土流失，土壤生產力下降和質量退化，另一方面徑流所攜帶的養分加速了湖泊與河流的富營養化[1-2]。農業降雨徑流造成的水土流失目前已成為一種重要的面源污染形式，是一些地區地表水體氮磷的主要來源和土壤退化的直接原因[3-5]。坡耕地是我國山區重要的耕地資源，目前隨著坡耕地的開發利用，導致坡耕地土壤養分流失問題日益加劇，造成嚴重的水土流失及土壤退化，迫切需要有利的防治技術措施。

丹江口水庫作為南水北調中線工程的水源地，重點解決北京、天津、石家莊等沿線20多個城市缺水問題，對水質有很高的要求。但近年來，隨著庫區周圍社會經濟的發展，庫區局部庫灣和部分支流水質指標超過國家地表水環境質量Ⅳ類標準，其中總氮總磷明顯超標，有明顯的富營養化趨勢[6]。庫區生態環境和水庫水質的惡化必將影響到南水北調工程的調水質量。據研究果園套種綠肥，能改善果園土壤理化性質，增加土壤微生物數量及多樣性，促進作物生長，改善土壤生態環境[7-8]。利用綠肥作物覆蓋新生果園土壤，有效增強表面土壤的抗侵蝕能力，從而大幅度減少果園土壤養分流失，但其在丹江口庫區應用效果還不太清楚。本研究以丹江口庫區坡耕地柑橘園為研究對象，通過種植不同綠肥品種，研究不同綠肥植被措施對丹江口坡地柑橘園氮磷養分流失的影響，以期為庫區農業面源污染防控提供科學依據。

1　材料與方法

1.1　試驗地點及材料

試驗地點位于河南省南陽市淅川縣上集鎮賈溝村，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性氣候區，常年平均氣溫15.8℃，降雨集中、旱澇不均，初夏多干旱，中、后夏降雨較多，雨量充沛，年降雨量在391.3～1 423.7 mm，多年平均降雨量為804.3 mm，無霜期228 d。主產柑橘、小麥、玉米、紅薯、谷子和大豆等。土壤為典型的黃棕壤，土壤pH值為7.84，全氮含量1.03 g/kg，全磷含量為0.45 g/kg，全鉀含量18.9 g/kg。

1.2　試驗設計

試驗設計4個處理：對照(不種植綠肥)；種植三葉草(Trifoliumrepens)；種植黑麥草(LoliumperenneL.)、種植苕子(ViciavillosaRoth)。試驗小區面積45 m2，3次重復，隨機區組排列。每小區種植柑橘9棵，坡度平均20°，小區四周圍埂并用塑料薄膜防止水土串流。三葉草、黑麥草和苕子綠肥于2013年10月20日播種，柑橘品種為尾張，施肥根據每個小區不同株數和面積確定施肥量，每株每年施餅肥3 kg，尿素0.8 kg，硫酸鉀復合肥1.2 kg，每年分兩次施肥(春季和夏季)。防病治蟲與除草等管理措施與當地農民習慣保持一致。

1.3　地表徑流樣品采集

地表徑流采用徑流池收集監測。每個小區在坡底中央建一個徑流池，在小區的底部中間用PVC塑料管連接收集桶，用于收集地表徑流和泥沙。每次產流后，先用尺子測量池中的徑流量，將徑流池中的水攪拌均勻，取水樣500 ml，冷凍保存，取樣后及時排干并清洗徑流池備用。

1.4　測定項目與分析方法

徑流水樣總氮是指水中可溶性及懸浮顆粒中的含氮量，可溶性氮是指水中可溶性及含可濾性固體(小于0.45 μm顆粒物)的含氮量。總氮測定時先搖勻，取水、沙混合樣10 ml，堿性過硫酸鉀高溫(120℃)消解，定容，離心，然后用紫外分光光度法測定總氮含量；水樣經0.45 μm濾膜過濾后，采用上述方法測定即為可溶性氮含氮量，它包含溶解性無機氮(硝態氮、銨態氮、亞硝態氮)和溶解性有機氮；可溶性磷采用過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法，銨態氮采用靛酚藍—紫外分光光度法，硝態氮采用紫外分光光度法[9]。2,6—二氯酚靛酚鈉滴定法測定Vc含量[10]，NaOH中和滴定法測定總酸含量[11]，糖量計法測定可溶性固形物含量[11]。單位面積養分流失量=徑流水樣中養分濃度×徑流量/小區面積。

2　結果與分析

2.1　種植綠肥對果園地表徑流量的影響

2014年5月—9月共產生徑流5次，徑流觀測結果表明(圖1)，種植黑麥草處理地表徑流量最少，其次是三葉草處理，對照處理地表徑流量最大，種植黑麥草與三葉草5次降雨徑流量均與對照處理差異顯著，種植綠肥處理之間徑流量相當，未達到顯著差異。與對照相比，三葉草、黑麥草和苕子處理每平方米徑流量分別減少了24.7%，31.6%和13.9%。

注：同系列中不同小寫英文字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)，下圖同。

圖1不同綠肥處理地表徑流量

2.2　種植綠肥對果園地表徑流養分流失的影響

通過坡地徑流小區原位監測方法，研究了種植綠肥處理對徑流水中養分流失量的影響。圖2結果表明，氮磷等養分均有不同程度的流失，以氮素流失量較高(12.2～27.1 mg/m2)，磷素流失量相對較低(總磷流失量0.5～2.1 mg/m2；可溶性磷流失量0.2～1.1 mg/m2)。從流失總量上分析，對照處理氮磷流失量最大，而種植綠肥均不同程度減少了氮磷流失總量，以種植黑麥草和三葉草處理減少氮素流失最明顯，苕子處理次之。除6月10日與8月23日降雨種植綠肥處理氮磷流失量顯著低于對照外(p<0.05)，其余各次降雨地表徑流氮磷流失量在各處理間差異不顯著。與對照相比，種植黑麥草、三葉草和苕子處理總氮流失量分別減少20.6%，30.5%和23.9%，總磷流失量分別減少27.8%，42.5%和24.5%，可溶性總磷分別減少33.3%，52.8%和42.3%。通過以上分析，氮素污染風險要高于磷，防控的主要矛盾是氮素。

懸浮物主要包括泥沙、動植物殘體、藻類和部分微生物，水體懸浮物是多種生物參與地球化學循環和遷移轉化過程的重要載體，是水環境研究中的重要參數之一。本研究結果表明，種植三葉草、黑麥草和苕子處理泥沙流失量在不同時期均低于對照處理，除5月31日降雨種植綠肥處理懸浮物顯著低于對照外(p<0.05)，其余各次降雨懸浮物流失量在各處理間差異不顯著。同一處理在不同時期以7月和8月的懸浮物流失量較多，這與地表徑流量的多少明顯相關。

圖2　不同綠肥處理地表徑流養分流失

2.3　種植綠肥對果園地表徑流養分流失濃度的影響

表層土壤養分隨地表徑流進入水體是農田養分流失的主要途徑之一，表1為種植綠肥處理對徑流水中氮素流失形態的影響。本研究結果表明，氮素是農業面源污染的主要因子，柑橘園地表徑流中可溶性氮素占總氮的比例較高(41.5%～71.4%)，平均為55.9%，而可溶性氮素又以硝態氮為主。從不同種植綠肥處理來看，地表徑流中總氮濃度依次為對照>黑麥草>苕子>三葉草，與對照相比，種植綠肥可使氮素流失濃度降低16.1%～18.9%。

2.4　種植綠肥對柑橘品質和產量的影響

種植綠肥對柑橘品質和產量也有一定的影響。從表2可以看出，種植不同綠肥的產量和品質均優于對照。產量方面，三葉草、苕子處理較高，其次是黑麥草處理，對照最低。柑橘品質方面，與對照相比，種植綠肥處理能提高維生素C和可溶性固形物含量，降低柑橘總酸含量，其中，柑橘總酸的三葉草和對照處理差異達到顯著水平(p<0.05)，其他處理差異均不顯著。

表1　不同處理地表徑流氮素流失形態特征

表2　施用經濟綠肥對柑橘產量和品質的影響

注：同一列不同小寫字母表示不同處理差異顯著(p<0.05)。

3　結論與討論

地表徑流引起的農田土壤氮磷養分損失是造成農業面源污染的主要原因之一。在降雨過程中，雨水對土壤的沖擊作用可使養分隨徑流而發生遷移，其遷移量與降雨強度、植被覆蓋、施肥方式、土壤質地和地形地貌等因素有關。大量研究結果表明地表覆蓋程度與農田氮磷徑流流失的效果關系最為密切[12-13]。坡耕地果園的土壤侵蝕主要由地表徑流引起，果園套種綠肥增加了土壤覆蓋度，不僅降低了雨滴直接濺蝕地表的動能，而且增加了土壤水分滲透量，使產生的地表水快速下滲到土壤深層，消減了地表徑流的流失。對照處理植被稀疏，降雨擊濺地表產生的泥沙迅速堵塞土層的自然孔隙，導致降水難以入滲到土層，增大了地表徑流流失量。而種植三葉草和黑麥草綠肥作物后，果園裸露的地表被三葉草和黑麥草嚴密覆蓋，有效降低了降雨對土壤的沖刷，增強了土壤的保水能力。與三葉草和黑麥草相比，苕子的地表覆蓋度相對較低，以致地表徑流水量相對較多。

眾多研究表明，果園套種綠肥對徑流中氮磷表現出較高的去除率[14-15]。俞巧剛等[16]對山地果園套種綠肥的氮磷流失分析表明，可溶性氮磷是地表徑流水體中的主要形式，套種綠肥可使氮磷流失量明顯降低。路青等[17]對大豆種植區降雨徑流的分析結果表明，顆粒態氮和可溶性磷是農田養分流失的主要形式。本研究對種植不同綠肥柑橘園地表徑流水體氮磷流失分析表明，各處理中地表徑流中可溶性磷占總磷的58.6%，可溶性氮素占總氮的55.3%，可溶性氮素中又以硝態氮流失為主。其原因一方面硝態氮是旱地土壤氮素的主要形態，硝態氮又極易溶于水，另一方面銨離子帶正電荷，旱地土壤對銨態氮的吸附能力大于硝態氮的吸附能力，銨離子甚至可以進入黏土礦物的晶體中，成為固定態銨離子，從而使土壤中硝態氮比銨態氮更易于流失[18]。劉毅等[19]對坡耕地柑橘園氮磷流失的研究結果表明，土壤氮磷流失的載體不同，氮素流失的載體是徑流水，而泥沙懸浮物是磷素流失的主要載體。本研究結果發現降雨徑流中氮素含量較高，而磷素含量相對較低，其主要原因可能是氮素流失主要通過徑流液流失，且土壤中可溶性氮素含量較高，而磷的流失載體是泥沙，以顆粒態為主，因而磷在徑流水體中的濃度相對較低。因此，坡耕地種植業氮的流失對水體的影響應受到重視。要控制氮流失，關鍵是控制降雨徑流，果園套種綠肥可很好地控制地表徑流，最終在一定程度上也控制了氮磷養分流失。

果園套種綠肥還可以穩定土壤溫度及改善土壤水熱條件，避免溫度變化幅度過大對果樹根系產生傷害，同時促進果樹地上及地下部分的生長發育[20]。綠肥作物收獲后進行翻壓，可以有效培肥土壤，促進微生物的生長與活性，改善果實品質和提高果實產量[21]。本研究可以看出，果園套種綠肥后，柑橘的維生素C、可溶性固形物和產量都明顯提高，酸度則反之。種植綠肥后，由于改善了果樹的生長環境，并且降低了果園土壤的養分流失，使得土壤蓄水量和葉片的葉綠素含量增加，果實品質得到改善。總的來說，在丹江口庫區果園套種綠肥，可以增加果園的地表覆蓋，增強果園土壤水分滲透性，降低降雨產生的地表徑流，增強土壤的水土保持能力，極大提高當地農業的經濟效益和生態效益，可作為丹江口庫區果園大力推廣的重要種植模式。

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