不同農藝措施對丹江口庫區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 ，郭戰玲 ，駱曉聲

1. 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2. 農業部原陽農業環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元素，參與植物體內某些重要化合物的代謝與合成，同時也是造成水體富營養化的關鍵因子（甄蘭等，2002）。土壤中的磷大多數以有機態和難溶性的無機態形式存在，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，農業生產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，造成水體富營養化和農業面源污染負荷增加（高超等，2015）。據研究表明，水體中的不同磷素形態對富營養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化的發生（李太魁等，2018）。溶解態有機磷和顆粒態磷是磷素存在的主要形態，雖然不能被直接利用，但是可以被胞外酶轉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工程的重任，其水質狀況關系到京津冀等沿線城市居民的用水安全，對水質要求很高。據調查數據表明，庫區部分區域總磷質量濃度為0.02—0.05 mg·L?1，有明顯的富營養化趨勢（劉增進等，2017）。隨著南水北調中線工程的完成，庫區周圍的農業結構也在進一步調整，其中柑橘、中藥材、茶葉等已成為庫區的支柱產業，坡地茶園也成為了庫區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分流失（李太魁等，2020）。如何配套農藝措施降低新建茶園水土及養分流失尤為重要。

坡改梯和梯壁植草成為中國丘陵山區農業生產發展的一條基本途徑，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定性，且在中國南方紅壤丘陵區果園、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，這些農藝措施在丹江口庫區防控水土和養分流失的應用效果尚不清楚。鑒于此，本研究以丹江口庫區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，以期為庫區水質安全保障提供一定的科學依據。

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毛堂村，研究區屬北亞熱帶季風性氣候區，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，毛堂鄉大力發展茶葉、柑橘、中藥材、煙葉等特色產業。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，有機質質量分數為26.38 g·kg?1，全氮質量分數為 1.03 g·kg?1，全磷質量分數為 0.45 g·kg?1，速效磷質量分數為 13.92 g·kg?1，堿解氮質量分數為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，隨機區組排列。梯壁植草品種為白三葉草（Trifolium repens L.），由河南省農業科學院園藝所提供，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。試驗小區面積45 m2，坡度平均20°；小區四周用塑料薄膜圍起來，防止不同小區之間水土串流；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 數據處理與統計分析

單次降雨產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進行數據處理；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6月最多，3、4月雖然降雨日數較多，但由于單次降雨量較小，無徑流產生。2015年產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。

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

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

2.2 不同農藝措施對泥沙流失的影響

不同農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。

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

2.3 不同農藝措施對徑流液磷素形態的影響

不同農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。在當地常規順坡種植條件下，各處理徑流液TP的質量濃度范圍為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產生了巨大威脅。3個處理之間各形態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，說明顆粒態磷素是磷素流失的主要形態，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坡耕地磷素隨降雨徑流遷移的有效農藝措施，其中，坡改梯+梯壁植草防控效果更好。

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

3 討論

不同農藝措施對坡耕地水土流失的防控效應受土壤質地、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）在黃土丘陵區果園研究發現，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，相對于當地傳統種植區，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種措施都表現出了較好的水土保持作用，控制泥沙流失的效果優于減少徑流的效果。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生入滲，徑流流速相應下降，導致產流速率大大降低（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），本研究發現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部互相纏繞，形成一張具有抗沖蝕能力的根網，將根際土壤牢牢地固定在一起，增強了土體的穩定性（武藝等，2008）。坡改梯和梯壁植草的綜合應用表現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，農藝措施不僅改變了坡面徑流過程，對徑流液磷素形態也有一定的影響。本研究結果表明，PP/TP的比例在46.7%—73.5%之間，說明顆粒態磷素是磷素流失的主要形態，顆粒態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現 DOP是可溶性磷素流失的主要形態，這可能與施肥方式、土壤質地等因素有關。可溶性磷和顆粒態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）在丹江口庫區坡耕地柑橘園研究結果表明，柑橘園在常規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）對丹江口庫區坡耕地不同輪作模式下磷素流失進行了研究，結果發現小麥-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）對不同農作制下紫色土坡耕地氮磷流失的研究結果表明，該地區常規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，丹江口庫區坡耕地茶園常規種植下磷素年流失通量為 7.7 mg·m?2，與其他地區種植模式相比，丹江口庫區坡耕地茶園磷素徑流流失處于中等水平。但是，這僅僅是1年的降雨徑流數據，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坡耕地磷素流失需要長期的定位監測研究。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，是否會增加養分滲漏損失；如何降低工程技術成本，使環境效益和經濟效益都得到保障；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坡耕地的產流產沙量，徑流量比常規種植分別減少了 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。顆粒態磷是磷素流失的主要形態，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種農藝措施控制磷輸出的主要機制。該研究結果可為庫區坡耕地水土流失和面源污染的控制、重點水源地的水質保護提供數據支撐。

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