生草栽培與坡度對(duì)桂東北坡地果園地表徑流氮磷流失的影響

李婷婷, 韋彩會(huì), 董文斌, 俞月鳳, 唐紅琴, 李忠義, 何鐵光

(1.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 南 寧 530007; 2.廣西大學(xué), 南 寧 530004)

坡地果園經(jīng)濟(jì)效益顯著，而坡面養(yǎng)分流失極易導(dǎo)致地力衰退及面源污染，控制坡地果園養(yǎng)分流失刻不容緩。養(yǎng)分流失的主要載體是地表徑流和徑流中攜帶的泥沙，影響因素包括降雨[1]、植被[2]、地形地貌[3]、施肥方式[4]及土地利用方式等[5]，其中植物與坡度對(duì)坡面養(yǎng)分流失是非常重要的因素。果園生草可提高地表覆蓋度，有效增強(qiáng)表層土壤抗蝕能力，減少土壤養(yǎng)分流失[6]。生草類(lèi)型和生草方式可影響坡地果園養(yǎng)分流失狀況，如李太魁等[7]研究認(rèn)為果園套種三葉草(Triffoliumrepens)能使地表徑流總氮和總磷分別減少30.5%和52.8%，控制效果最好，其次是黑麥草(Loliumperenne.)，最后是苕子(Viciavillosa)；高小葉等[8]對(duì)比了桃園套種白三葉(Trifoliumrepens)和菊苣(Medicagosativa)草地降低總氮、總磷的徑流流失量效果，發(fā)現(xiàn)白三葉優(yōu)于菊苣草地。李發(fā)林等[9]研究發(fā)現(xiàn)生草栽培方式中人工生草方式優(yōu)于自然生草，可顯著減少坡地果園水土及養(yǎng)分流失。多數(shù)植物之間的對(duì)比集中在同一坡度，而忽視了坡面養(yǎng)分流失狀況也會(huì)因坡度不同存在差異。坡度影響雨滴濺蝕土壤的角度和坡面承受的雨量，從而影響坡面養(yǎng)分遷移量。張佳崎等[10]研究發(fā)現(xiàn)人工模擬降雨下片麻巖山坡地土壤坡面氮素流失量和流失濃度為5°<15°<25°>30°，臨界坡度為25°，劉俏等[11]研究發(fā)現(xiàn)氮磷流失臨界坡度為10.22 ～18.55°。霍洪江等[12]研究認(rèn)為坡度不影響三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地徑流中氮的質(zhì)量濃度，但顯著影響氮素流失通量，累積氮素流失量為18°>10°>7°。而鄔燕虹等[13]研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流初期坡面總氮流失濃度隨著坡度升高而增大，產(chǎn)流后期則趨于穩(wěn)定，坡面徑流的總氮流失量隨著坡度升高而增大。

桂東北果園多開(kāi)墾于坡度為10°～50°的山區(qū)，常年清耕，地表裸露，加上施肥量大，極易導(dǎo)致該區(qū)域養(yǎng)分流失，造成地力退化、水體污染。雖然關(guān)于生草栽培和坡度對(duì)果園養(yǎng)分流失的影響已有大量研究，但之前的研究者較少考慮兩者相對(duì)貢獻(xiàn)及綜合作用，同時(shí)大多數(shù)研究較少考慮經(jīng)區(qū)域自然界優(yōu)勝劣汰法則篩選出的自然草種[14]的氮磷流失規(guī)律及與外源草種的養(yǎng)分固持能力對(duì)比。因此，本研究選用外源草種雀稗和自然汰選草種白花藿香薊，以清耕為對(duì)照，基于野外自然降雨條件下不同坡度各處理產(chǎn)生坡面養(yǎng)分流失數(shù)據(jù)，研究了2種生草栽培控制養(yǎng)分流失的效果，剖析生草栽培和坡度對(duì)坡面養(yǎng)分流失的作用，以期為桂東北坡地果園養(yǎng)分流失控制和維護(hù)土壤質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在廣西壯族自治區(qū)桂林市陽(yáng)朔縣白沙鎮(zhèn)石塘村金龜洞屯張家果園(24°50′3.44″E，110°28′59.33″N)。陽(yáng)朔縣處亞熱帶季風(fēng)氣候，日照為1 465 h，年均氣溫為19 ℃，年均降雨量為1 640 mm。長(zhǎng)期果園種植導(dǎo)致原生植物遭到破壞，果園除果樹(shù)外，其余地表多為裸露狀態(tài)。果園土壤母質(zhì)是砂頁(yè)巖，土壤pH為4.2。不同坡度試驗(yàn)區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 各坡度金桔果園土壤基本化學(xué)性質(zhì)

從2018年6月至11月，試驗(yàn)區(qū)共產(chǎn)生44次降雨，降雨量共827.58 mm。其中有8次降雨形成地表徑流，占測(cè)定時(shí)期總降雨次數(shù)的18.18%，8場(chǎng)降雨量分別為87.14 mm，44.86 mm，43.87 mm，129.78 mm，54.31 mm，62.63 mm，66.43 mm，68.09 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試金桔果樹(shù)為2001年定植實(shí)生苗，南北行向，東西距向，株行間距3.00 m×2.50 m，冠幅3.00 m左右，樹(shù)高3.50 m左右。根據(jù)SL419—2007《水土保持試驗(yàn)規(guī)程》建設(shè)徑流小區(qū)的要求及當(dāng)?shù)毓麍@實(shí)況，徑流場(chǎng)于2017年6月30日順坡而建，南向，水平投影面積為20.00 m(長(zhǎng))×3.00 m(寬)，徑流場(chǎng)兩側(cè)邊建于金桔樹(shù)行間距(3.00 m)的1.50 m處，徑流場(chǎng)小區(qū)采用防水ASA合成樹(shù)脂瓦作為邊界，插入土壤深25±5 cm固定，地上露出25±5 cm。將慧云智能種植監(jiān)控系統(tǒng)安裝在徑流場(chǎng)附近的空曠處記錄降雨過(guò)程和降雨量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，坡度范圍為0～15°，15°～30°，30°～45°，實(shí)際山體坡度分別對(duì)應(yīng)為12°，23°和42°。每個(gè)坡度設(shè)3種處理：雀稗、白花藿香薊、清耕(對(duì)照)。同樣的坡度(即同一個(gè)處理)進(jìn)行3次重復(fù)，每個(gè)坡度有9個(gè)徑流場(chǎng)小區(qū)，同一個(gè)坡度的徑流場(chǎng)并排分布在一起，共計(jì)27個(gè)徑流場(chǎng)小區(qū)。清耕即試驗(yàn)過(guò)程中采用人工鋤草的辦法，以保持地面無(wú)草。陽(yáng)朔金桔園每年11月至翌年3月采取蓋膜方式保果，雀稗和白花藿香薊于2018年3月在徑流小區(qū)內(nèi)人工撒播，撒播量為30.00 kg/hm2。施肥管理方法為在每棵金桔樹(shù)滴水線(xiàn)開(kāi)溝(深度為25±5 cm)施肥，施肥后覆土，共計(jì)3次，第1次為2018年5月份施入1.00 kg復(fù)合肥(氮：五氧化二磷：氧化鉀配比為15∶15∶15)和20.00 kg農(nóng)家肥(果農(nóng)自購(gòu)牛糞進(jìn)行堆漚處理所得)；第2次為2018年7月份施入0.50 kg復(fù)合肥(配比同上)；第3次為2018年10月份施入0.50 kg復(fù)合肥(配比同上)。2018年6月開(kāi)始觀(guān)測(cè)，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為6月至11月。

1.3 指標(biāo)測(cè)定與數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)過(guò)程中，每日降雨量觀(guān)測(cè)時(shí)間段為當(dāng)日08：00 am至次日08：00 am，24 h內(nèi)發(fā)生的所有降雨合并為1場(chǎng)降雨量。次日上午08：00測(cè)量不同處理徑流小區(qū)集流池中水面所在刻度值，根據(jù)集流池面積計(jì)算徑流量，之后用木棍將集流池中的泥水?dāng)嚢瑁鼓嗪退浞只旌暇鶆蚝螅?00 ml塑料瓶取樣。每次取樣后，將集流池用清水清洗干凈。所取得的徑流樣品在24 h內(nèi)測(cè)定總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮含量。徑流水樣總氮總磷是指水中可溶性及懸浮顆粒中的含氮量和含磷量，總氮含量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法測(cè)定；總磷采用鉬酸銨分光光度計(jì)方法測(cè)定；氨氮含量采用鈉式試劑法測(cè)定；硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度計(jì)方法測(cè)定。土壤(0—20 cm表土)采用6點(diǎn)法于2018年11月15日取樣，即徑流場(chǎng)上部2點(diǎn)，中部2點(diǎn)，下部2點(diǎn)，然后將土壤混合。土壤pH采用pH計(jì)測(cè)定(土水比為1∶2.5)，土壤化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定參考劉光崧等的方法[15].

結(jié)合本研究實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)程琴娟等[16]和曹梓豪等[17]針對(duì)相對(duì)作用大小的計(jì)算方法的借鑒和改進(jìn)，計(jì)算不同生草栽培和坡度對(duì)總氮流失量和總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)。以最小坡度(12°)作為基準(zhǔn)，計(jì)算任意坡度X°(23°，42°)下各因素引起的地表徑流總氮流失量增量和總磷流失量增量，取絕對(duì)值，計(jì)算公式為：

N=Q(X°)-Q(12°)
C=G(X°)-Q(X°)
Z=N+C;n=N/Z;c=C/Z

式中:N為坡地引起的總氮流失量變化量;Q為清耕總氮流失量;C為由生草引起的坡面總氮流失量變化量;G為生草栽培總氮流失量;Z為所有總氮流失量變化量;n為坡度對(duì)地表徑流總氮流失量影響的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù);c為生草對(duì)地表徑流總氮流失量影響的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)。按照此理可計(jì)算出生草栽培和坡度對(duì)坡面總磷流失量影響的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)。

采用IBM SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示測(cè)定結(jié)果，分別對(duì)同一坡度不同生草栽培處理進(jìn)行單因素方差分析，并用Duncan法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；GraphPad Prism 7.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度生草栽培的氮磷流失狀況

由表2可知，隨著坡度升高，同一處理的總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量逐漸升高。同一坡度下，不同生草栽培對(duì)地表徑流中氮磷含量的影響不同，總體而言，間種雀稗后果園徑流液中氮磷平均含量最高，其次為白花藿香薊、清耕。當(dāng)坡度為12°時(shí)，與清耕相比，雀稗處理的總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量分別提高了92.52%，199.33%，36.06%，2.52%，白花藿香薊處理的分別提高了26.30%，36.00%，5.52%，17.69%；當(dāng)坡度為23°時(shí)，與清耕相比，間種雀稗后果園徑流液中總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量分別提高了31.74%，141.30%，49.21%，36.54%，而白花藿香薊處理與清耕相比分別提高了17.85%，90.63%，34.35%，19.55%；當(dāng)坡度升高到42°時(shí)，雀稗處理與清耕相比，總氮、總磷、氨氮和硝態(tài)氮平均含量分別增加了51.16%，100.10%，28.55%，27.18%；白花藿香薊處理與清耕相比，分別增加了35.93%，75.00%，14.48%，14.63%。

表2 不同坡度生草栽培的地表徑流氮磷含量

同一坡度下，不同生草處理的氮磷流失量存在差異，但總體趨勢(shì)表現(xiàn)為清耕>白花藿香薊>雀稗(表3)。當(dāng)坡度為12°時(shí)，與清耕相比，雀稗的總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量分別減少了4.61%，26.49%，48.03%，96.46%，而白花藿香薊的分別減少了11.27%，10.09%，33.19%，19.41%；當(dāng)坡度為23°時(shí)，間種雀稗后地表徑流中總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量分別比清耕的減少了24.55%，15.30%，9.97%，20.17%，而白花藿香薊處理與清耕相比減少了16.17%，10.09%，1.90%，14.52%；當(dāng)坡度為42°時(shí)，相對(duì)于清耕而言，雀稗處理的總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量分別減少了14.54%，15.48%，16.21%，17.46%，白花藿香薊處理的分別減少了9.15%，13.16%，11.82%，11.67%。

表3 不同坡度生草栽培的氮磷流失量

2.2 坡度與生草栽培對(duì)總氮總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)

由表4可知，坡度、生草栽培及兩者之間的交互作用對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量均有極顯著的影響(p<0.001)。由圖1，圖2可知，雀稗和白花藿香薊對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)隨著坡度升高呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，而坡度的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)呈逐漸上升趨勢(shì)。以23°為界限，當(dāng)坡度<23°時(shí)，雀稗和白花藿香薊對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量的貢獻(xiàn)下降明顯，坡度對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量的貢獻(xiàn)明顯增加；當(dāng)坡度>23°后，生草和坡度對(duì)地表徑流總氮總磷流失量的貢獻(xiàn)變化幅度減小。當(dāng)坡度為23°時(shí)，雀稗對(duì)地表徑流總氮總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)分別為0.24,0.17，而白花藿香薊對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)分別為0.19,0.13；當(dāng)坡度為42°時(shí)，雀稗對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)分別為0.14,0.15，而白花藿香薊對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)分別為0.10,0.13，說(shuō)明在同樣的坡度下，雀稗對(duì)地表徑流總氮和總磷流失量的影響大于白花藿香薊。

表4 坡度與生草栽培對(duì)總氮總磷流失量影響的雙因素方差分析

圖1 雀稗與坡度對(duì)總氮總磷流失量的貢獻(xiàn)

圖2 白花藿香薊與坡度對(duì)總氮總磷流失量的貢獻(xiàn)

2.3 不同坡度生草栽培的土壤氮磷含量

不同坡度下各試驗(yàn)小區(qū)的土壤氮磷含量見(jiàn)表5。總體而言，隨著坡度升高，同一生草處理的土壤氮磷含量逐漸下降。當(dāng)坡度為12°時(shí)，雀稗處理的土壤水解性氮顯著低于清耕處理，而雀稗處理的全磷和有效磷顯著高于清耕和白花藿香薊；當(dāng)坡度為23°及42°時(shí)，雀稗處理的全氮和水解性氮顯著低于清耕處理和白花藿香薊處理，而雀稗處理的全磷、有效磷顯著高于清耕處理。

表5 果園生草栽培后土壤氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 討 論

降雨使土壤養(yǎng)分隨地表徑流、侵蝕泥沙遷移或隨下滲水向土壤深層遷移，而雨水的沖蝕是導(dǎo)致地表徑流中大多數(shù)氮磷流失的直接原因[18]。本研究結(jié)果表明，同一生草栽培，養(yǎng)分流失量隨坡度升高而增大，而土壤的肥力則呈下降趨勢(shì)。原因是坡度改變了土壤表層單位面積實(shí)受雨強(qiáng)，影響土壤入滲能力及坡面水流特性[19]，而徑流速度的變化導(dǎo)致坡面表土顆粒起動(dòng)、侵蝕方式和徑流攜沙能力不同，最終使坡面養(yǎng)分流失產(chǎn)生差異。本研究中，當(dāng)坡度由12°升高到42°時(shí)，清耕處理地表徑流總氮總磷平均含量分別增加了96.50%及110.64%，原因可能是因坡度產(chǎn)生的徑流流速變大，劇烈沖刷表土，較易發(fā)生面蝕，甚至細(xì)溝侵蝕，導(dǎo)致表層土壤剝落，下層土壤溶質(zhì)被不斷浸提進(jìn)入徑流中。

本研究中，同一坡度下，與對(duì)照相比，雀稗和白花藿香薊處理的地表徑流總量分別降低33.1%～50.34%和21.9%～30.1%，說(shuō)明生草栽培后土壤的保水能力增強(qiáng)，與李太魁等[7]的研究結(jié)果一致。原因是生草栽培增加了土壤覆蓋度，降低雨滴直接濺蝕地表的動(dòng)能，使產(chǎn)生的地表水快速下滲到土壤深層，消減了地表徑流的流失。而清耕處理地表裸露，降雨擊濺地表產(chǎn)生的泥沙迅速堵塞土層的自然孔隙，導(dǎo)致降水難以入滲到土層。本研究中硝態(tài)氮流失量小于氨氮流失量，與劉宗岸[20]研究結(jié)果不一致，原因可能是雖然硝態(tài)氮是旱地土壤氮素的主要形態(tài)，且極易溶于水，但是硝態(tài)氮容易通過(guò)淋溶途徑流失，而非地表徑流。本研究對(duì)不同生草栽培的坡面氮磷流失分析表明，整體而言，同一坡度下，地表徑流總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮平均含量為雀稗>白花藿香薊>清耕，與其他研究[21]表明果園生草后可降低地表徑流中的氮磷含量的結(jié)果不一致，原因可能是雀稗和白花藿香薊地表產(chǎn)流量明顯小于清耕，當(dāng)流失量(即容積)變小，養(yǎng)分濃度升高。本研究中生草栽培后的地表徑流氮磷含量高于清耕處理，但相對(duì)于清耕，雀稗和白花藿香薊處理的氮磷流失量低于清耕處理，與張亞麗等[22]認(rèn)為，草被具有“雙重作用”的研究結(jié)果一致，生草栽培使徑流濃度高于清耕處理濃度，但生草又具有固土緩流、減少水土流失作用，從而減少養(yǎng)分流失。在雙重效應(yīng)共同作用下，隨草被覆蓋度增大，氮素流失濃度增大，而流失量則呈減小趨勢(shì)。本研究中雀稗莖稈觸地生根，莖葉繁茂，而白花藿香薊單株生長(zhǎng)，且成熟期的白花藿香薊莖稈挺立，葉片較雀稗稀疏，草被覆蓋度的差異導(dǎo)致雀稗處理的氮磷平均含量最高，而流失量最小。坡度、生草栽培及兩者的交互作用對(duì)地表徑流總氮與總磷流失量均有極顯著的影響。雀稗、白花藿香薊對(duì)總氮與總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)隨著坡度升高而減小，而坡度的貢獻(xiàn)指數(shù)則呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明隨著坡度升高，生草栽培對(duì)地表徑流氮磷流失量的抑制作用減弱，而坡度對(duì)地表徑流氮磷流失量的促進(jìn)作用則增強(qiáng)。當(dāng)坡度<23°時(shí)，雀稗和白花藿香薊對(duì)總氮與總磷流失量的作用大于坡度，主要原因可能是當(dāng)坡度<25°時(shí)，采取植物措施可減少水土流失[23]，從而減少養(yǎng)分流失量。當(dāng)坡度>23°時(shí)，坡度對(duì)總氮和總磷流失量的貢獻(xiàn)作用大于生草栽培，中央[1998]15號(hào)文件和中國(guó)《水土保持法》第14條明確指出25°以上陡坡地應(yīng)該退耕還林，表明當(dāng)坡度>25°后，土壤退化嚴(yán)重，本研究結(jié)果也表明當(dāng)坡度>23°時(shí)，坡度的增加容易加劇養(yǎng)分流失。而雀稗對(duì)總氮和總磷流失量的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)始終高于白花藿香薊，說(shuō)明雀稗控制地表徑流氮磷流失的效果優(yōu)于白花藿香薊。

本研究中，隨著坡度升高，同一生草栽培處理的土壤養(yǎng)分含量下降。生草栽培后的土壤全氮及速效氮低于清耕處理可能是另一個(gè)原因——生草搶肥。生草栽培使土壤中的礦質(zhì)養(yǎng)分含量發(fā)生改變主要是因?yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)土壤水溫調(diào)節(jié)、理化性質(zhì)的改變的生草根系和植株在土壤中的積累和降解[24]。但是生草年限會(huì)影響土壤中礦質(zhì)元素含量[25]，有研究表明，生草在初期(1～3 a)會(huì)與果樹(shù)發(fā)生爭(zhēng)奪礦質(zhì)養(yǎng)分，造成土壤主要礦質(zhì)養(yǎng)分含量下降的現(xiàn)象[26]。而在長(zhǎng)期(4～7 a)生草后，大部分土壤速效養(yǎng)分會(huì)恢復(fù)，甚至顯著提升。本研究中的生草栽培屬于當(dāng)年生草，植物生長(zhǎng)需要來(lái)自表層土壤的養(yǎng)分直接供給，從而使較多表層土壤的養(yǎng)分受到消耗[27]，且生長(zhǎng)繁茂的雀稗消耗的土壤養(yǎng)分大于其他處理，尤其是土壤氮素。本試驗(yàn)對(duì)于不同坡度金桔園生草栽培的研究，目前還處于生草初期階段，探討多年生草對(duì)桂東北坡地果園養(yǎng)分流失及土壤的影響，將是下一步的研究重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 隨著坡度升高，同一生草栽培的地表徑流中總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮平均含量增加，土壤養(yǎng)分含量下降。同一坡度時(shí)，金桔園地表徑流總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮平均含量呈現(xiàn)雀稗處理>白花藿香薊處理>清耕，而間種雀稗后金桔園地表徑流總氮、總磷、氨氮及硝態(tài)氮流失量低于白花藿香薊處理和清耕，雀稗控制養(yǎng)分流失的效果優(yōu)于白花藿香薊。

(2) 生草栽培、坡度及兩者的交互作用對(duì)總氮和總磷流失量均有極顯著的影響(p<0.001)，生草栽培對(duì)地表徑流氮磷流失量的抑制作用隨著坡度升高而減弱，而坡度對(duì)地表徑流氮磷流失量的促進(jìn)作用則增強(qiáng)。雀稗對(duì)總氮和總磷流失量降低的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)高于白花藿香薊。