赤紅壤植蔗坡地坡面徑流及溶解態氮磷流失特征

楊任翔,邱 凡,鄭佳舜,趙子貴,羅 駱,李桂芳

廣西大學農學院,南寧 530004

坡耕地土壤侵蝕導致農田氮磷養分隨之流失,造成土地退化和農業面源污染,已成為世界性的環境問題之一[1]。由于南方紅壤分布區獨特的自然地理環境和高強度降雨,使得我國南方紅壤區的水土流失與氮磷養分流失問題日益嚴重[2]。坡面水土流失受降雨特征、作物類型和土壤類型等多種因素共同影響[3],其中,降雨是引起地表徑流的動力來源[4],高降雨量極易引發地表徑流[5],而徑流是坡耕地氮磷養分流失的動力和重要載體[6—7],因此,徑流量的大小影響坡面氮磷養分的流失量[8]。不同降雨條件下坡耕地氮磷流失特征明顯不同,其中,高強度降雨是導致坡耕地養分流失的主要原因[9],坡面氮磷流失量與降雨量及雨強呈顯著正相關[10—11]。次降雨下徑流中氮磷濃度在不同降雨條件具有較大的波動性[5],但是,地表徑流中氮磷養分濃度與各降雨參數均沒有顯著相關關系[12]。

作物種植是影響坡耕地地表徑流及氮磷流失的重要因素[5]。其中,作物類型、作物生育期、作物種植方式等對坡耕地地表徑流及養分流失具有重要影響[13—14]。不同類型作物由于根系及作物植株特征不同,導致坡耕地土壤抗侵蝕能力及降雨再分配存在明顯不同,進而影響坡面侵蝕[15]。研究表明,當作物地表覆蓋度接近時,坡面徑流量與氮磷流失量均表現出紅薯>花生[16],而花生坡耕地土壤侵蝕量和氮素流失量均低于玉米坡耕地[17],可溶性磷流失總量則表現為谷子>玉米>大豆[14]。作物不同生育期主要通過影響坡面地表覆蓋度及作物生長狀況進而影響坡面徑流及氮磷流失特征[18]。模擬降雨條件下,玉米生長初期是坡面徑流及養分流失的主要時期[19],而玉米成熟期坡面徑流及氮素流失減少[20]。花生地水土流失及養分流失隨花生生長天數的增加而有不同程度減少[21]。

甘蔗是我國最重要的糖料作物,2019年全國甘蔗種植面積為139.1萬hm2,在中國廣西、云南、廣東等省份均有不同面積的種植,其中廣西是我國最大的甘蔗種植區,占全國甘蔗種植總面積的64.0%[22]。全球范圍內,甘蔗主要種植在坡度低于5o的坡地,但由于耕地面積減少以及對甘蔗產量需求的提高,甘蔗種植地已擴展到較陡峭的斜坡上(坡度≥30o),使蔗地更容易受到流水侵蝕[23]。然而,現有關于植蔗坡地坡面侵蝕特征的研究主要以年際尺度下的定性研究為主,次降雨下植蔗坡地地表徑流及其養分流失特征目前尚不明晰。同時,與其他作物相比,甘蔗生長周期長(2—12月),其快速生長期為6—9月,與種植區雨季同步[24],在此條件下,甘蔗不同生育期對坡面徑流及氮磷養分流失特征的研究相對較薄弱。基于此,本文以廣西赤紅壤植蔗坡地為研究對象,基于徑流小區原位觀測試驗,研究甘蔗種植下坡地的徑流及氮磷養分流失特點和規律,探討自然降雨下甘蔗種植對赤紅壤坡耕地坡面徑流及溶解態氮磷養分流失特征影響,研究結果可為明晰區域植蔗坡耕地水土流失及養分流失防治提供理論依據。

圖1 試驗小區示意圖Fig.1 Schematic diagram of test area

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區南寧市,試驗地點位于廣西大學校內農科試驗基地(108°17′38″E,22°50′59″N)(圖1)。研究區屬亞熱帶季風氣候區,年平均降雨量1304 mm,且降雨集中于5—9月,達全年降雨量的70%左右,年均氣溫22 ℃,年均相對濕度為79%。供試土壤類型為赤紅壤,土壤母質為第四紀紅黏土,土壤容重為1.2—1.3 g/cm3,其它基本理化性質見表1。

表1 試驗土壤基本理化性質

1.2 試驗方法

試驗采取徑流小區野外原位觀測法,甘蔗為新植蔗,觀測時間為2019年和2020年5—8月(主要包括甘蔗萌芽期、苗期、分蘗期和伸長期)。徑流小區坡長5 m,寬度2 m,坡向朝南,基于廣西野外植蔗坡地的調查,植蔗坡地坡度一般在15°以下,參考其他研究區的試驗設計[5,17],本研究中植蔗坡地徑流小區坡度設為10°。徑流小區底部修建出水口,出水口處安置矩形集流槽,用于收集自然降雨下坡面徑流泥沙樣。具體試驗處理見表2,除草等其他田間管理措施均按當地農耕習慣進行。

表2 試驗處理

1.3 樣品采集與分析

每次自然降雨結束后,測定徑流小區下部矩形集流槽內水深,將集流槽內徑流與泥沙充分攪勻后,用500 mL聚乙烯塑料瓶采集徑流樣,每個徑流小區采集3瓶,隨后立即置于4 ℃冰箱保存,并在48 h測定完畢。每次取樣后及時將集流槽清洗干凈,且用彩鋼瓦封蓋嚴實。降雨過程資料通過試驗區附近氣象站的翻斗式自記雨量器(雨后12 h內采集)獲得。

1.4 數據分析方法

利用SPSS 19.0進行數據的相關性與顯著性分析；利用Origin 2018和Excel 2013進行圖表繪制。

2 結果分析

2.1 植蔗坡地坡面徑流及溶解態氮磷流失特征

不同時期植蔗坡地坡面徑流量及溶解態氮磷流失量存在明顯不同(表3)。2019年,坡面徑流總量為1111.3 m3/hm2,其中6月徑流量最大,占比50.0%,其次是5月(23.7%)和7月(20.0%),8月最低(6.3%)。5—8月硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失總量分別為1.39 kg/hm2、0.37 kg/hm2和0.20 kg/hm2,且在各月內的分布存在明顯差異。2019年6月的硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失量均顯著高于其他月份,分別占5—8月各養分流失總量的69.1%、58.4%和56.6%。此外,8月的硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失量均為最低,僅占5—8月流失總量的4.7%、4.8%和4.1%。2020年5—8月坡面徑流總量、硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失總量分別為3 269.4 m3/hm2、15.60 kg/hm2、1.02 kg/hm2和0.27 kg/hm2。6月的徑流量、硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失量仍均顯著高于其他月份,分別占5—8月流失總量的45.7%、73.4%、62.1%和66.9%；其次是8月,分別占比35.6%、12.3%、26.3%和17.7%。

表3 赤紅壤植蔗坡地徑流及溶解態氮磷流失量

通過對研究區2019年和2020年5—8月的降雨特征分析可知(圖2),2019年5—8月降雨總量為625.0 mm,主要集中在6月和7月(162.4、187.8 mm)。2020年5—8月降雨總量為869.0 mm,其中,6月降雨量最多(283.0 mm),其次為8月(238.8 mm)。降雨在年內的分布不同,是導致坡面徑流及溶解態氮磷流失特征在年內分布存在較大差異的原因之一。

圖2 2019年和2020年研究區5—8月降雨特征Fig.2 Rainfall characteristics of the study area from May to August in 2019 and 2020

與2019年相比,2020年坡面徑流、硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失總量分別增加了194.2%、1026.0%、177.1%和37.7%,其中,硝態氮流失量的增加最為明顯,2020年各月硝態氮流失量是2019年的3—30倍不等,表明植蔗坡地坡面徑流及養分流失,尤其是硝態氮養分流失,存在較大的年際差異。2019年和2020年硝態氮流失量占溶解態氮流失量的79.0%和93.8%,除2019年7月,2019年和2020年各月硝態氮流失量在溶解態氮流失占比均超過78%,表明研究區溶解態氮素流失以硝態氮為主。同時結果還表明,2019與2020年6月坡面徑流、硝態氮、銨態氮、磷流失量均顯著高于其他月份,因此,在赤紅壤地區甘蔗生產中,需特別注意在此期間徑流養分流失問題。

2.2 次降雨條件下植蔗坡地徑流及溶解態氮磷養分流失特征

2.2.1徑流量特征

為進一步探討植蔗坡地坡面徑流流失特征,對2019—2020年侵蝕性降雨下坡面徑流及氮磷養分流失量展開深入分析。2019年和2020年5—8月共發生侵蝕性降雨41場,其中2019年18場(3.0—56.4 mm),2020年23場(4.2—74.8 mm),總侵蝕性降雨量分別為407.8 mm和668.0 mm。2019年侵蝕性降雨主要集中在6月和7月(151.2 mm和126.6 mm),2020年則集中在6月和8月(262.2 mm和222.0 mm)(圖2)。由圖3可知,次降雨下,2019—2020年坡面徑流量均隨降雨量的變化呈現出較大的波動性。2019年次降雨下植蔗坡地坡面徑流量在1.0—260.8 m3/hm2之間,整體上隨次降雨年內分布表現為增加-減少-增加-減少的變化趨勢,且與次降雨量的變化趨勢基本一致。對2020年而言,次降雨下植蔗坡地坡面徑流量介于3.7—493.8 m3/hm2,整體上表現為6—7月波動下降,7—8月表現為波動增加,隨次降雨量的增加而明顯增加。

圖3 次降雨條件下坡面徑流特征Fig.3 Slope runoff characteristics under different rainfall conditions 圖中a和b表示同一日期內第一場和第二場降雨，下同

2.2.2溶解態氮磷流失特征

圖4為研究區硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失特征,由圖4可知,2019年次降雨條件下植蔗坡地坡面徑流硝態氮流失量介于1.0—492.2 g/hm2,在年內表現為先升后降的變化趨勢,在7月以后,硝態氮流失量較低(<40 g/hm2)且變化平穩(圖4)。次降雨下,硝態氮濃度變化同樣具有明顯的波動性,表現出5—7月穩定上升,7—8月波動下降的趨勢,最高為7.44 mg/L(7月4日),最低僅為0.07 mg/L(7月11日)。2020年次降雨條件下硝態氮流失量在32.5—3129.7 g/hm2,最大流失量發生在6月3日,在此之前,硝態氮流失量表現為穩定增加的趨勢,在此之后,表現為波動下降趨勢。2020年次降雨下徑流硝態氮濃度呈現較大差異,6月和7月徑流硝態氮濃度較高,介于5.8—11.5 mg/L,而5月和8月硝態氮濃度較低,介于0.4—4.1 mg/L。

2019年徑流中銨態氮流失量在0.3—83.6 g/hm2之間(圖4),變化較大,其中流失量大于50 g/hm2的降雨有3次,都集中在5月和6月,6月以后次降雨下銨態氮流失量均低于30 g/hm2。2019年坡面徑流中銨態氮濃度變化較小(0.2—1.44 mg/L),5—7月銨態氮濃度總體上呈波動上升趨勢,在此之后則有明顯的降低趨勢。2020年次降雨條件下銨態氮流失量在6.8—302.2 g/hm2之間,其中3場降雨銨態氮流失量超過100 g/hm2,6月2場,8月1場,其余次降雨下銨態氮流失量均低于20 g/hm2。且2020年徑流中銨態氮濃度總體上差別不大,除5月11日和6月14日較高以外(濃度分別為0.7 mg/L和0.8 mg/L),其余時間銨態氮濃度均在0.1—0.5 mg/L之間,且7—8月銨態氮濃度明顯低于5—6月。

圖4 次降雨條件下溶解態氮磷流失特征Fig.4 Characteristics of dissolved nitrogen and phosphorus loss under rainfall conditions 圖中a和b表示同一日期內第一場和第二場降雨

2019年次降雨下植蔗坡地坡面徑流中可溶性磷流失量在0.1—59.5 g/hm2之間(圖4),除5月28日和6月29日3場降雨可溶性磷流失量大于20 g/hm2以外,其余降雨下可溶性磷流失量均低于10 g/hm2。2019年可溶性磷濃度波動性較大(0.04—0.41 mg/L)。2020年次降雨條件下可溶性磷流失量在0.6—121.4 g/hm2之間,峰值出現在6月14日,除此以外,次降雨下可溶性磷流失量整體差別不大,均低于25 g/hm2。2020年徑流中可溶性磷濃度在0.01—0.33 mg/L之間,且整體上差異較小。綜上可知,次降雨下,2019與2020年硝態氮、銨態氮、可溶性磷流失量總體上隨次降雨呈波動變化,且均在6月出現明顯的峰值。對于硝態氮、銨態氮、可溶性磷流失濃度,則沒有明顯的規律性,且波動性較大。

2.3 赤紅壤植蔗坡面徑流及溶解態氮磷流失量與降雨特征參數相關分析

為進一步分析蔗地坡面徑流及溶解態氮磷流失的影響因素,對37場降雨下植蔗坡地徑流流失與降雨特征參數進行了相關分析(表4)。由表4可知,植蔗坡地徑流量與降雨量和最大30 min降雨強度(I30)表現為極顯著正相關關系,而與降雨歷時和平均雨強(I)無顯著關系,表明高強度、大雨量降雨是造成蔗地坡面徑流的主要原因；硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失量與徑流量、降雨量和最大30 min降雨強度(I30)總體均表現為極顯著正相關關系,與降雨歷時和平均雨強(I)總體上呈不顯著相關關系,表明植蔗坡地溶解態氮磷流失量主要受坡面徑流量及高強度降雨的影響。

表4 徑流及溶解態氮磷流失量與降雨特征參數相關分析

3 討論

3.1 甘蔗種植對坡面徑流及氮磷流失的影響

作物種植是影響坡耕地地表徑流及氮磷流失的重要因素[5]。本研究中,2020年植蔗坡地坡面徑流總量為3269.4 m3/hm2,對比類似降雨條件下的木薯地[25],侵蝕性降雨量相近,但木薯地年徑流量遠小于蔗地,一方面可能是由于坡面條件存在差異,另一方面由于木薯地上部植株呈傘型,能更好降低降雨動能,減少地表徑流。與玉米地坡面徑流量相比[20],降雨條件接近時,玉米坡耕地坡面徑流遠高于植蔗坡地,主要原因是與玉米種植相比,甘蔗植株和種植密度更大,對降雨的截留效應更為明顯。

地表徑流氮磷等養分流失過程是表層土壤養分與降雨、徑流相互作用的過程[26],并受作物種植的影響[14]。本研究中,2019與2020年植蔗坡地硝態氮和銨態氮流失量均高于玉米地[20],可能是由于玉米生長周期較短,土壤養分在較短時間內被其吸收利用[27],使地表徑流及坡面土壤養分變化存在較大差異所致。在相似降雨量下,與花生、紅薯地[16]相比,蔗地硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失量均明顯偏高,除土壤類型不同外,可能的原因是試驗時期地表覆蓋度存在差異,本研究包含甘蔗生長的多個時期,觀測期內坡面地表覆蓋度變化較大。同時本文研究結果還表明,地表徑流中溶解態氮素流失主要以硝態氮為主,這與汪慶兵等[18]的研究結果一致。

3.2 不同生長時期植蔗坡面徑流及氮磷流失的動態特征

作物不同生長時期,坡面植被蓋度與作物生長狀況不同,進而影響坡面地表徑流及氮磷養分流失特征[19]。本文研究表明,在相似的次降雨條件下,甘蔗生長前期(7月以前)坡面徑流量整體高于甘蔗生長后期(圖3)。主要是因為甘蔗生長前期植被覆蓋度小(<30%),大部分降雨穿透植株直接擊打土壤表面,濺散土壤顆粒阻塞土壤孔隙,阻礙水分下滲,使得地表產流產沙較大[28],而在甘蔗生長后期,蔗地覆蓋度明顯增大(>60%),茂密的蔗葉和莖稈降低了雨滴動能和水流速度,從而增加地表徑流在土壤表層停留的時間,增加了水分下滲,使得地表徑流減少[29]。不同甘蔗生育期由于甘蔗植株對降雨的再分配不同,余長洪等[30]研究表明,甘蔗幼苗期至成熟期,穿透雨量從94.7%降至49.4%,而莖稈流則從5.1%增至7.3%,基于玉米植株對降雨的再分配的研究表明,不同生育期玉米植株對降雨再分配(穿透雨量、莖稈流等)特征不同,導致地表徑流的匯集及形成方式存在明顯差異,進而影響坡面產流過程[31]。地表徑流是坡面養分流失的主要載體之一,坡面養分流失過程是表層土壤養分與降雨、徑流相互作用的過程[6,26]。本文的研究結果表明,甘蔗萌芽期和苗期是坡面養分的主要流失時期,這與朱司航等[16]和馮小杰等[19]對玉米、花生等其他作物的研究結果相一致。主要原因此時植蔗坡地地表覆蓋度小(<30%),加之此時降雨相對集中(圖2),從而導致坡面徑流及其養分流失量均較大。因此在植蔗坡地的田間管理過程中,應有針對性進行甘蔗生長前期的坡面水土流失防治,通過增加地表覆蓋等措施,避免出現嚴重的水土流失問題。

3.3 降雨特征對植蔗坡面徑流及氮磷養分流失的影響

降雨是引起地表徑流和氮磷流失的重要影響因素[32]。次降雨條件下坡面徑流流失量隨降雨量增大明顯增加(圖3),與李桂芳等[25]研究結果相一致。2019年8月以后,次降雨下坡面徑流量遠低于2020年同期,主要是受降雨量的影響。但降雨量并不是影響植蔗坡地徑流量的唯一因素[33],例如,2019年7月9日降雨量(39.2 mm)高于6月29日的第一次降雨(29.2 mm),但前者產生的徑流量(8.0 m3/hm2)卻明顯低于后者(191.6 m3/hm2),主要是由于7月9號降雨歷時較長,而平均降雨強度較小,導致坡面徑流量偏低。再次表明降雨對坡面徑流的影響與降雨歷時、降雨強度等其他降雨參數密切相關[33]。此外,相同降雨量下,2020年次降雨下坡面徑流量總體高于2019年,如2019年6月25日與2020年6月24日降雨量相近(分別為25.0 mm和23.8 mm),但后者坡面徑流量是前者的1.8倍,可能是由于此時期,研究區降雨頻繁,連續降雨導致赤紅壤坡面長期處于濕潤狀態[34],進而導致坡面徑流量有所增加。

降雨對溶解態氮磷流失的影響主要是通過影響坡面徑流量,進而影響氮磷養分的流失量[8]。次降雨下,2019與2020年硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失量總體上隨次降雨呈波動變化,且均在6月出現明顯的峰值(表3與圖4),主要原因是研究區6月降雨集中,且降雨量大(圖2),導致坡面徑流增加,從而導致坡面徑流養分流失量增加。種植紫花苜蓿、香椿的坡耕地氮、磷流失量與降雨量呈顯著正相關[11],本文研究與之相似。硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失濃度同樣隨次降雨的變化表現出較大的波動性。次降雨下坡面硝態氮、銨態氮和可溶性磷濃度與徑流量及各降雨參數均表現為不顯著相關關系。本研究中,硝態氮濃度明顯受到降雨集中程度的影響,表現為在連續降雨下,硝態氮濃度呈明顯下降趨勢(圖4),例如2020年6月3日第一場降雨下硝態氮濃度(10.4 mg/L)遠高于第二場(6.2 mg/L),原因可能是硝態氮易溶解于水,在降雨初期,地表土壤中硝態氮易隨坡面徑流流失,而在連續降雨條件下,土壤中,尤其是表層土壤中的硝態氮含量在沖刷和淋溶的作用下有所減少,因此坡面徑流中的硝態氮濃度有所減小,這與任秀文等[35]、龍天渝等[36]在模擬降雨條件下坡面徑流中硝態氮流失濃度特征一致。有研究表明,銨態氮[37]和可溶性磷[38]濃度均隨降雨時間的增加而下降,本研究中,這種關系并不明顯,可能是由于以上研究基于模擬降雨條件,而本文基于自然降雨,在降雨條件上存在較大差異。此外,人類活動(施肥、耕作)也會使次降雨下徑流中氮、磷濃度具有較大波動[5]。

4 結論

(1)植蔗坡地地表徑流量及溶解態氮磷流失量年內和年際均存在差異,主要與降雨的分布有關,2019年和2020年植蔗坡地地表徑流及養分流失均集中在6月(占比>45%),且地表徑流中溶解態氮素流失均以硝態氮為主(占比>79%)。因此,在甘蔗種植過程中要注意在此期間的坡面防治,合理進行田間活動和施肥管理。

(2)次降雨條件下,植蔗坡地坡面徑流及溶解態氮磷流失量總體上隨坡面降雨量的增加而增加,降雨量及最大30 min降雨強度與坡面徑流量、硝態氮、銨態氮及可溶性磷流失量均呈極顯著或顯著正相關關系。在甘蔗生長后期,坡面徑流中溶解態氮磷流失量均明顯降低。次降雨條件下,徑流中溶解態氮磷濃度均表現出較大的波動性,且總體上表現為在甘蔗生長前期(5—6月)呈上升趨勢,甘蔗生長后期(7—8月)呈下降趨勢。