丹江口庫區不同種植模式下氮磷流失和經濟效益分析

李 濤, 鄢紫薇, 王 硯, 張秀玲, 嚴 昶,郝福新, 吳 山, 李 輝, 何 劍, 林 杉

(1.湖北省十堰市農業生態環境保護站, 湖北 十堰 442000; 2.華中農業大學 資源與環境學院/農業部長江中下游耕地保育重點實驗室, 武漢 430070; 3.湖北省農業生態環境保護站, 武漢 430070; 4.湖北省襄陽市農業技術推廣中心, 湖北 襄陽 441021; 5.湖北省十堰市鄖陽區農業技術推廣中心, 湖北 十堰 442514;6.湖北省丹江口市農業環境保護站, 湖北 丹江口 442700)

據全國第二次土壤普查資料，我國耕地的水土流失面積約有0.45億hm2，占到耕地總面積的34.3%，其中坡耕地是水土流失的重要發生地之一[1-2]。丹江口水庫湖北庫區坡耕地面積共有15.1萬hm2，其中≥25°的坡耕地面積達8.7萬hm2[3]。近年來，玉米單作是丹江口地區的主要種植模式，該地區經濟效益較低、水土流失嚴重，受到了廣泛關注。水土流失過程中徑流沖刷不僅導致了土壤顆粒流失、水庫渠道淤積、河床抬高等問題，而且會造成養分最為豐富的表土流失，導致受納水體的富營養化，引發嚴重的面源污染以及經濟效益降低等一系列問題[4-6]。所以，充分利用耕地資源、選取更優種植方式是有效控制坡耕地水土流失，有效改善氮磷流失以及增加單位面積耕地經濟效益的關鍵，是實現可持續發展與精準扶貧的前提。

丹江口水庫作為南水北調中線工程的水源地，重點解決北方沿線大城市的缺水問題。國家對水庫的水質有較高要求，而該庫區長期以來因為坡耕地氮磷流失引起的面源污染問題，已經成為南水北調中線工程水源區的一大隱患[7-8]。有研究表明[9]，坡耕地種植牧草可以有效減少水土流失，多年生牧草比一年生牧草水土保持效果更好，同時坡耕地種草養畜的經濟效益要高于種植農作物。李太魁等[10]研究了套種綠肥對丹江口庫區坡地柑橘園氮磷流失的影響，發現綠肥作物套種可以減少地表徑流中氮磷流失量。目前關于坡耕地面源污染的防治主要集中在養分管理方式和植物的生態攔截[11-12]，在種植過程中可以充分利用光照、雨水、節地、植物間相互依存關系，采用林藥間作、高矮搭配、遮蔭促長或輪作換茬、間歇歇田等高效生態模式，提高植物的郁閉度、減少水土流失、控制和減少氮磷的流失，同時提高林、藥的病蟲草害抗性，增加產量，以實現較好的生態與經濟效益。之前采用過玉米+白芷以及玉米+甘薯的經濟產值雖然較玉米單作有所增強，但總經濟水平仍然較低，為此，本研究以丹江口庫區坡耕地為對象，研究玉米單作、銀杏和芍藥間作及三葉菜和紅花輪作3種種植模式下坡耕地地表徑流氮磷流失特征及其經濟效益分析，以期為提高丹江口經濟效益、庫區面源污染防控及區域農業經濟的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試玉米品種為宜單629，銀杏品種為佛手，芍藥品種為美麗芍藥，紅花為散紅花，三葉菜為大葉黃花草頭，土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗位于十堰市鄖陽區安陽鎮余咀村(32°81′N，110°97′E)，試驗監測時間從2013年3月至2015年8月，試驗小區面積60 m2，坡度落差值90 cm，各小區周圍為混凝土結構，每個小區田埂處設置25 cm寬的出水口，出水口下方連著一個容積為1 m3徑流池，每次降雨產流后取樣，并計算徑流水體積。試驗設置3種種植模式，分別為玉米單作、芍藥+銀杏間作和三葉菜+紅花輪作，每個模式3次重復。玉米于每年的3月中旬播種，9月上旬收獲；芍藥和銀杏在2013年3月中旬種植，均為多年生，芍藥于3 a后收獲其地下根；三葉菜2013年8月種植，11月中上旬收獲，紅花12月種植，第二年6月收獲。玉米株距90 cm，行距160 cm；銀杏株距107 cm，行距203 cm，芍藥與銀杏間作，將芍藥移栽至銀杏條間帶，芍藥株距48 cm，行距86 cm；三葉菜和紅花輪作條播，株距5 cm，行距30 cm。

各試驗小區的施肥量相同，玉米單作、芍藥和銀杏間作、三葉菜和紅花輪作3種種植模式每年施肥水平分別控制在氮肥(N)300 kg/hm2，磷肥(P2O5)150 kg/hm2，鉀肥(K2O)120 kg/hm2；玉米單作期間，以玉米季總氮量的60%，磷肥的50%以及全部鉀肥做基肥，40%的氮肥以及剩余磷肥在玉米的大喇叭口期施入；三葉菜+紅花輪作整地時施用氮肥60%以及全部磷鉀肥作為基肥，深翻入土打底，基肥施用時間為種植前10～15 d，第二三年再進行追肥，具體施肥比例按照當地施肥習慣；銀杏+芍藥間作以總氮量70%、全部磷鉀肥作為基肥，剩余30%氮肥視當地氣候情況以及銀杏生長情況進行追肥。

1.3 樣品采集及測定方法

在試驗階段，每次降雨產流后，記錄徑流池內的水文刻度變化情況，據此以體積法計算得到降雨產生的徑流量。徑流水樣和泥沙樣的采集同步進行。在每場降雨結束后對徑流池內匯集的全部雨水進行充分攪拌，用燒杯收集500 ml渾水樣，采用過濾—烘干法測定渾水中的含沙量并推算降雨的全部產沙量。同時，用聚乙烯采樣瓶采集200 ml徑流水樣以供分析。總氮(TN)和總磷(TP)含量采用過硫酸鉀+紫外分光光度儀比色法測定。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2010對數據進行預處理，利用SPSS 22統計軟件進行數據處理和統計分析，用 Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式對地表徑流量和產沙量的影響

根據國家氣象局數據顯示，鄂西北地區每年產生地表徑流的時間主要集中在 5—8月，該階段的降雨量較大，占全年的70%以上，短時間內的強降水極易引起地表徑流以及沙土流失，因此每年于該時間范圍內分別取樣4次代表全年徑流量和產沙量。圖1和圖2分別為玉米單作、銀杏+芍藥間作、三葉菜+紅花輪作3種種植模式下2013—2015年的5—8月間試驗小區的徑流量和產沙量監測數據，監測時間內的徑流量和產沙量的總值視為當年的總和，以此來反映不同種植模式的坡耕地水土流失程度。

通過圖1與圖2可以看出，與玉米單作相比，芍藥+銀杏間作和三葉菜+紅花輪作的地表徑流總量和產沙總量在整體上均有一定程度的降低。對地表徑流的三年總量分析發現，玉米單作、芍藥+銀杏間作和三葉菜+紅花輪作三年總和分別為56.78 m3，54.03 m3，53.45 m3，3種種植方式的地表徑流三年總量差異不大，其中三年徑流總量最小的為三葉菜+紅花輪作，與玉米單作相比差異僅為3.33 m3。在產沙量方面，玉米單作、芍藥+銀杏間作和三葉菜+紅花輪作三年產沙總量分別為37.48 kg，34.37 kg和34.13 kg，芍藥+銀杏間作和三葉菜+紅花輪作之間并無明顯差異，但是相比玉米單作，后面兩種種植方式的三年產沙總量分別降低了8.30%和8.94%。

注：圖中①，②，③分別代表玉米單作、銀杏+芍藥間作、三葉菜+紅花輪作3種不同的種植模式，下同。

圖2 不同種植模式下的產沙量

經分析可得，3種種植模式下徑流量和產沙量隨年份變化雖然有所不同，但是不同種植模式之間的月徑流量、月產沙量相差不大，且總體趨勢變化也不大。2013年，銀杏+芍藥間作過程中全年的徑流量和產沙量均略高于玉米單作，可能是因為種植時間太短而使銀杏和芍藥的根系尚不穩定。到了2014年、2015年，隨著地表作物生長覆蓋率的增加，以及種植作物根系發育日趨強壯，銀杏+芍藥間作與三葉菜+紅花輪作兩種模式相比于玉米單作明顯降低，且二者間對地表徑流量和產沙量的調控效果基本一致。相比玉米單作種植模式，2014年，銀杏+芍藥間作與三葉菜+紅花輪作下地表徑流量分別減少了1.19 m3，1.25 m3，產沙量分別減少1.74 kg和1.78 kg，而在2015年，則地表徑流量降低了1.86 m3，1.57 m3，產沙量降低了1.53 kg和1.42 kg。可見，當種植系統穩定后，玉米單作模式下的地表徑流量和產沙量都是最高的，銀杏+芍藥間作與三葉菜+紅花輪作種植模式均可以有效減緩地表水土流失。同時，根據各不同種植模式下的月徑流量和月產沙量對比分析可知，除了2015年6月的地表徑流量和產沙量較多以外，其余各年份中的6月和8月的產沙量和徑流量均較低，不同種植模式間的當月趨勢相差不大，各月份間的地表徑流量和產沙量變化趨勢基本一致，這可能是當地的降水量引起的。

2.2 不同種植模式對地表氮流失的影響

監測年間，不同種植模式對地表氮流失的影響有所不同(圖3)。2013年，玉米單作與銀杏+芍藥間作差異不明顯，而三葉菜+紅花輪作略低于玉米單作；2014年和2015年，銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作均比玉米單作顯著降低了地表氮的流失量，且隨著年限增長氮流失量的下降比例有增大趨勢，其中2015年的下降比例分別為39.51%和31.03%。2013—2015年，3種種植模式地表氮素的平均流失量分別為5.89 kg/hm2，4.20 kg/hm2，4.54 kg/hm2；與玉米單作相比，后兩者種植模式的總氮流失量分別降低了28.69%和22.92%，是各模式施氮總量的1.40%和1.52%。可見，在徑流情況下，玉米單作模式下總氮的流失量最大，而銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作可以有效減少氮素流失，對坡耕地總氮流失具有顯著的阻控效應。

圖3 不同種植模式下地表徑流總氮流失量

2.3 不同種植模式對地表磷流失的影響

監測年間，3種種植模式下地表徑流總磷流失量見圖4。玉米單作、銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作三年間的地表磷素平均流失量分別為2.12 kg/hm2，1.50 kg/hm2，1.38 kg/hm2。2013年，玉米單作、銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作地表磷流失量分別為1.83 kg/hm2，1.82 kg/hm2，1.27 kg/hm2，銀杏+芍藥間作與玉米單作差異不明顯，這可能是由于芍藥+銀杏間作的根系不穩固，地表覆蓋率較低所致，而三葉菜+紅花輪作則比玉米單作的總磷流失量降低了30.43%，顯著降低了地表磷流失風險；但隨著年份的增長，芍藥+銀杏間作的根系更加牢固，使其在之后對總磷流失的抑制作用大幅度增強，2014年和2015年間，銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作的地表磷流失量均比玉米單作低得多，且隨著年份的增加，這種差距越大；銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作兩種種植模式之間的總磷流失量無顯著差異，但是銀杏+芍藥間作對總磷流失的抑制作用略強于三葉菜+紅花輪作；尤其是在2015年，相比玉米單作而言，三葉菜+紅花輪作和銀杏+芍藥間作的地表磷流失量下降了43.11%和46.24%。這些結果表明，銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作兩種種植模式均可降低坡耕地總磷流失量，從短期來看，三葉菜+紅花輪作能在初始種植時對總磷流失有較好的抑制作用，而銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作兩種種植模式對坡耕地總磷流失均有顯著的長期阻控效應。因此，三葉菜+紅花輪作種植模式更適用于對丹江口總磷流失的阻控。

圖4 不同種植模式下地表徑流總磷流失量

2.4 種植模式的經濟效益

根據作物利用價值的不同，對其產量進行統計，結果列于表2。芍藥為多年生作物，故而以其三年成長期收獲地下根(干重)的價值統計其經濟效益；三年生銀杏的葉片尚未能達到入藥要求，暫不計其經濟效益，故而僅對銀杏三年生苗木的價值統計其經濟效益；三葉菜取其鮮重統計經濟效益，紅花以干重統計經濟效益。

表2 不同種植模式下的作物產量

生產成本包括人工費用和物資費用。人工費用包括兩部分，一是為支付田間施肥、播種、移栽、收獲等田間管理產生的人工費用，二是為本項目研究人員支出的相關費用，為150元/d；物資費用包括農藥、化肥、種苗等采購費，在種苗等方面，每種植1 hm2銀杏+芍藥花費為1.4萬元，種植1 hm2三葉菜+紅花的花費為2 550元。經濟收益則來自作物本身，根據市場行情，當季農產品價格為：玉米1.6元/kg，銀杏苗木15元/株，芍藥17元/kg，三葉菜0.5元/kg，紅花80元/kg。

經計算，每公頃銀杏+芍藥間作處理三年的經濟純收入為17 380.00元，三葉菜+紅花間作處理經濟純收入為130 980.00元，而玉米單作處理經濟純收入僅為6 788.50元。與玉米單作處理相比，每1 hm2銀杏+芍藥處理和三葉菜+紅花輪作處理分別增收10 591.51元和124 191.52元。可見，三葉菜+紅花輪作的種植模式在三年間產生的經濟效益顯著高于其他兩種種植模式。此外，前述結果已表明銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作的三年氮、磷流失量顯著低于玉米單作，且二者相差不大。因此，在丹江口庫區可以大力推廣銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作來有效抑制氮磷量流失，結合經濟效益綜合分析，三葉菜+紅花輪作更好。

3 討 論

坡耕地的土壤養分流失主要是由降雨產生的地表徑流引起的，農業管理措施對地表徑流有較大影響，而這些影響因耕作、覆蓋、種植作物等不同而有所不同[13-15]。本研究中，與玉米單作相比，銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作兩種種植模式均可以顯著降低地表徑流量和產沙量，特別是試驗第三年(2015年)，銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作兩種種植模式在徑流量上較玉米單作下降了8.22%和6.94%，在產沙量上分別下降了11.09%和10.30%。有研究表明[16-21]，地表徑流量的多少與土壤的覆蓋程度、土壤的持水能力及通透性有關。根據張興昌等[21]研究結果表明，牧草和草灌間作覆蓋面積大于作物單作。本研究的銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作的作物覆蓋面積均相比于玉米單作要大，這與雍世英[9]牧草種植對坡耕地水土保持影響的研究結果相似，其主要原因是作物的種植可以增加植物覆蓋面積，減緩降雨對土壤的侵蝕，減輕坡耕地地表徑流，有利于坡耕地蓄水減流和保土減沙，提升土壤肥力。

地表徑流中氮磷的流失與眾多因素有關，包括降雨強度、種植模式、坡度、施肥量等[17-18]。劉宗岸等[19]研究苕溪流域茶園地表徑流結果表明，氮磷流失量隨降雨強度增大而增加，且等高種植徑流水中總氮、總磷低于順坡種植。李太魁等[20]研究間作三葉草和秸稈覆蓋對地表徑流氮磷流失量影響，發現秸稈覆蓋阻控效果優于間作三葉草。本研究中銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作與玉米單作相比，顯著降低了地表徑流中氮磷的流失量，這與張興昌等[21]野外徑流試驗結果相似，其研究結果表明不同植被對地表徑流養分流失阻控不同，草灌間作模式對地表徑流養分的保持能力要強于作物種植。茍桃吉等[22]研究也表明，相比玉米單作，黑麥草、墨西哥玉米草和大力士甜高粱3種牧草均能顯著減少徑流及泥沙中的氮磷養分流失量，這主要是由于牧草地表覆蓋度較高和對養分吸收能力較強所致。徐泰平等[23-24]對紫色土坡氮磷流失的結果表明，農田養分流失中顆粒態氮和可溶性磷是徑流中的主要形式，而袁敏等[25]研究表明南方紅壤的固磷能力較強，磷溶解度不大，故徑流水中可溶性磷濃度較低，此時顆粒磷的流失與總磷流失存在極顯著關系，湘南地區梯田—油茶以及梯田油茶+秸稈覆蓋、梯田—油茶+花生+植物籬、梯田—油茶+豆科牧草對磷養分的流失量，梯田—油茶單作時顆粒磷占總磷的94.0%，而后者間作后磷素流失量分別占總磷是14.3%，59.6%和52.9%，故間作能有效降低磷的流失。本研究中，三葉菜+紅花輪作以及銀杏+芍藥間作相比玉米單作也是通過有效降低顆粒磷的流失從而有效控制總磷。中藥材生態種植在近幾年也受到了廣泛關注，許雷等[26]的研究了三叉苦+千里香套作存在互利共生關系，三叉苦的地上部分為千里香提供了遮陰，其葉片和修剪后的側枝腐爛后還田，為千里香創造了適宜的生態環境，正如本研究中的銀杏+芍藥間作同樣可以有效提高環境效益和生態效益。此外，本研究發現徑流中總氮流失量要高于總磷，這可能是由于氮素的流失主要通過徑流液流失，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[27]。當然，不同的種植模式對坡地徑流氮磷流失的影響是不同的，這還需要進一步研究。

本研究根據作物的利用價值不同對其產量進行統計，進而換算出3種種植模式下作物的經濟效益，結果可見差異巨大。銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作經濟效益顯著高于玉米單作，尤其是三葉菜+紅花輪作三年純收入高達130 980元/hm2，是玉米單作純收入的19.29倍。芍藥、三葉菜和紅花均是價值較高的中藥材。因此，在丹江口庫區推廣銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作種植模式有重要的理論和實踐價值。銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作兩種種植模式，可充分發揮農田氮磷流失的阻控功能，對于維持土壤肥力的可持續性，防控農田面源污染，提高農民經濟收入有重要的現實意義，同時其合理調整種植模式有利于促進農業的可持續發展。

4 結 論

(1) 與玉米單作相比，銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作可有效降低徑流量和產沙量，在一定程度上提高了土壤保水固土能力。

(2) 銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作相比玉米單作對徑流中氮磷流失的攔截作用更加明顯。

(3) 根據三年大田小區試驗數據來看，銀杏+芍藥間作和三葉菜+紅花輪作經濟效益明顯高于玉米單作，尤其是三葉菜+紅花輪作三年總體經濟效益最高。總體來看，三葉菜+紅花輪作模式是丹江口庫區較合理的生態種植模式，可進一步推廣應用。