不同農藝措施對丹江口庫區坡耕地茶園氮素徑流流失的控制效果

李太魁，張香凝，郭戰玲，寇長林，毛家偉

（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.農業農村部原陽農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，河南 鄭州 450002）

坡耕地是我國山區的一種重要耕地資源。近年來，隨著耕地資源的開發和利用，降雨徑流引起的水土及養分流失問題日益加劇，這已成為造成周圍水體富營養化的主要原因之一，直接威脅著我國的水質安全，因此，亟需有利的農藝防控措施來治理坡耕地水土流失［1-3］。坡改梯和梯壁植草是我國丘陵山區農業生產發展的基本途徑，也是我國治理坡耕地水土流失的重要工程措施［4］。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［5］。然而裸露的梯壁有可能再次受到雨水的沖刷，造成更嚴重的水土流失。梯壁植草是指在梯壁上種植草類植物以防止梯壁再次受到降雨侵蝕，該項措施可以進一步增加梯田的穩定性，且在我國南方紅壤丘陵區的果園、茶園中得到了廣泛推廣和應用［6-7］。然而，其效果受氣候（降雨量、降雨強度）、地形特征（坡度）和土壤類型（黏土、沙土）等條件的影響，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如何還不太清楚。

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，該庫區65%的水土流失是由坡耕地造成的，流失的水土攜帶著養分進入水庫而直接影響著南水北調工程的水體質量［8］。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、茶葉生產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、植被覆蓋率較低的土地上，一旦降雨則極易引起水土和養分的流失［9］。配套相應的農藝措施，以降低新建茶園水土和養分的流失則顯得尤為重要。鑒于此，本研究以丹江口庫區新建茶園為研究對象，研究了坡改梯、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氮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391.3～1423.7 mm，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、中藥材等特色產業。所選茶園土壤為典型的黃棕壤，土壤pH值6.24、有機質含量26.38 g/kg、全氮含量1.03 g/kg、全磷含量0.45 g/kg、速效磷含量13.92 mg/kg、堿解氮含量43.51 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗茶樹品種為烏牛早，于2013年10月種植，南北向種植，穴距30 cm、行間距150 cm，每穴種2～3株茶苗。試驗設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，由河南省農業科學院園藝所提供，于2013年10月26日播種，播種量4.5 kg/hm2。各試驗小區施肥水平相同，即尿素180 kg/hm2、復合肥（15-15-15）350 kg/hm2、菜籽餅肥450 kg/hm2，其中，1/3的尿素和全部的復合肥、餅肥于2013年11月施入，剩下2/3的尿素于次年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；在坡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 地表徑流樣品的采集與測定

每次降雨產流過程結束后，用尺子測量池中的中間水位，計算單次降雨徑流量；將采集到的徑流池中的水充分攪拌均勻，取樣后及時將其排干并清洗干凈，準備下一次采集徑流樣。將采集到的水樣帶回實驗室，分為2個部分，分別用于泥沙質量和水樣氮素的測定。將水樣充分混勻后，置于漏斗上進行過濾，將過濾出來的泥沙放入105 ℃的烘箱中焙燒24 h，冷卻后再稱重，計算徑流液中泥沙的含量。徑流水樣總氮（TN）和溶解態總氮（DTN）含量采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定；硝態氮（NO3--N）含量采用紫外分光光度法測定；銨態氮（NH4+-N）含量采用靛酚藍—紫外分光光度法［10］測定。顆粒態氮（PN）=TN-DTN，溶解性有機氮（DON）=DTN-（NO3--N）-（NH4+-N）。

1.4 數據處理與統計分析

單次降雨產流事件氮素流失負荷的計算公式為：

式中：Qi為單次降雨氮素流失負荷（mg/m2）；Ci為徑流液總氮含量（mg/L）；qi為徑流量（L/m2）。

分別采用Excel 2007、Origin 8.5、SPSS 16.0軟件對數據進行處理、圖片制作、方差分析等，以LSD法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同農藝措施對地表徑流的影響

試驗地點每年4～9月的降雨量相對集中，根據監測結果，75%的年降雨量集中在這一時期，因此這一時期的水土流失也最嚴重。2015年產生徑流的降雨共有4次，分別發生在2015年的5月7日、6月23日、7月15日和8月4日，對應的降雨量分別為46.5、54.6、76.5、69.6 mm。從圖1可以看出，在4次降雨徑流中，3個處理的產流量大小均表現為CK＞PT＞PTS。方差分析表明，2種措施的徑流量與CK相比呈顯著性差異（P＜0.05），除5月7日的降雨之外，3個處理之間的差異均達到顯著水平（P＜0.05）。與CK相比，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要稍大一些，依次為31.0%、39.2%、30.3%和32.7%，平均為33.3%。由此可見，這2種農藝措施均能不同程度地減少坡耕地地表徑流，以坡改梯+梯壁植草的截流效果更優。

圖1 不同農藝措施下地表徑流量的比較

2.2 不同農藝措施對土壤流失的影響

不同農藝措施下的土壤流失量見圖2。3個處理的土壤流失量大小依次為CK＞PT＞PTS，這一點與徑流量的表現相同。2種措施的徑流量與CK相比，差異達到顯著水平（P＜0.05）。與CK相比，5月7日、6月23日、7月15日和8月4日的降雨中，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處理的降低幅度稍大一些，分別為31.8%、44.4%、42.2%和50.2%，平均為42.0%。由此可見，這2種農藝措施均能不同程度地減少坡耕地土壤的流失，以坡改梯+梯壁植草的減沙效果更優。

圖2 不同農藝措施下土壤流失量的比較

2.3 不同農藝措施對徑流液氮素形態的影響

在2種農藝措施下，歷次降雨徑流液中TN、NO3--N、NH4+-N、DTN、PN和DON的濃度見表1。在當地常規種植條件下，各處理徑流液TN的濃度范圍為4.19～18.39 mg/L，由地表徑流引起的高濃度氮素流失對丹江口水庫的水質產生了巨大的威脅。3個處理之間各形態N的濃度差異較明顯。與CK相比，PT和PTS處理均顯著降低了DTN、DON和PN的濃度（P＜0.05），其中，在7月15日和8月4日2次降雨中，3個處理間的PN濃度差異均達到顯著水平，其中PTS處理的效果最明顯。3個處理對TN和NO3--N濃度的影響不明顯。

表1 不同處理徑流液氮素流失的濃度及比例

此外，不同處理之間的氮素形態的比例也有一定的差異。DTN為氮素流失的主要形態，DTN/TN值在55.6%～70.4%之間，說明可溶性氮素是氮素流失的主要形態。而3個處理徑流液中NO3--N/DTN的比例范圍為36.7%～92.7%，由此可見，流失的可溶性氮素中以NO3--N為主。NH4+-N占DTN的比例在4.7%～23.2%之間，而DON流失的比例最高達到了48.5%。DON這一氮素形態的高濃度流失應該引起重視。相關研究表明，DON是微生物生長所需要的重要能量物質，為水體中藻類繁殖提供所需養分，與水體富營養化有密切關系。因此，從丹江口水庫水質安全的角度出發，應當重點關注氮素流失形態的分配比例。

2.4 不同農藝措施對徑流液氮素流失的防控效果

圖3列出了單次降雨事件中氮素流失通量，從中可以看出，2種農藝措施均顯著降低了土壤氮素隨地表徑流的流失總量。與CK相比，在5月7日、6月23日、7月15日和8月4日的降雨中，PT處理對土壤氮素流失量的降低幅度分別為33.8%、32.4%、40.5%和49.8%，平均為39.1%；PTS處理的土壤流失量比CK分別降低了42.1%、45.6%、54.3%和67.8%，平均為52.5%。由此可見，坡改梯、坡改梯+梯壁植草是控制丹江口庫區坡耕地氮素隨降雨徑流遷移的有效農藝措施，其中，以坡改梯+梯壁植草的防控效果更好。

圖3 不同農藝措施下氮素流失量的比較

3 討論與結論

不同農藝措施對坡耕地水土及養分流失的防控效應受坡度、降雨量及其強度、土壤質地和植被覆蓋等因素的綜合影響。張永濤等［11］在山東棕壤區的研究結果表明，坡耕地改造成梯田后，徑流量可減少69%，土壤侵蝕量明顯降低。張靖宇等［12］在江西紅壤區的研究結果表明，坡改梯+梯壁植草綜合措施比單獨坡改梯的蓄水保土效益分別高21.7%和30.1%。林廷武等［13］在黃土丘陵區果園中研究發現，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%。肖理等［14］在金沙江干熱河谷水稻土區上的研究結果表明，坡改梯比坡耕地可減少80.1%的地表徑流量和55.3%的產沙量。

本研究結果表明，坡改梯、坡改梯+梯壁植草措施可平均分別減少20.9%和33.3%的地表徑流和30.0%、42.0%的土壤泥沙流失量，2種措施均表現出了較好的水土保持作用，控制泥沙流失的效果要優于減少徑流的效果。對于坡改梯防止水土流失的主要機理，一般認為坡改梯后，表層土壤的疏松程度提高、土壤滲透力變強，當遇到降水后會很快入滲，徑流流速相應地也會下降，導致徑流入滲時間增加、產流速率大大降低［15］。對于泥沙防控而言，一些研究者認為：在坡改梯初期，土壤表面結構被破壞，受擾動強度較大，更易遭受降雨侵蝕［16］。本研究發現，坡改梯沒有增加泥沙的流失量，這可能是由于坡改梯的同時，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；另一方面梯壁草類比較密集，根系在土壤內部相互交織，將根際土壤牢牢地固定在一起，增強了土體的穩定性和抗沖擊能力［17］。坡改梯和梯壁植草的綜合應用表現出了更強的水土保持能力。

坡地土壤氮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，對徑流液氮素形態也有一定的影響，研究者對坡耕地氮素流失的形態分配結論不太一致。有研究認為可溶性氮是坡地土壤氮素隨地表徑流進入水體的主要形式［18］；但也有研究認為坡耕地氮素流失以泥沙吸附的顆粒態為主［19］。本研究對坡改梯、梯壁植草等農藝措施下地表徑流氮素濃度的分析表明，各處理的可溶性氮是氮素流失的主要形態，流失的可溶性氮素中以NO3--N為主，NH4+-N占DTN的比例較低，這與劉毅等［20］在丹江口庫區的研究結論相似。分析其原因，土壤中黏土礦物易吸附帶正電荷的銨態氮，成為固定態銨離子，另外，研究區域土壤本身的硝態氮含量較高，又極易溶于水，因此一旦遇到降雨徑流，硝態氮比銨態氮更容易流失［3］。顆粒態氮的流失主要以泥沙為載體，坡改梯、坡改梯+梯壁植草2種措施都降低了泥沙的流失量，相應地也就減少了隨泥沙流失的顆粒態氮量。土壤氮素隨徑流的遷移通量受濃度和徑流量共同影響，綜合看各形態氮的濃度、徑流量和土壤流失量，2種農藝措施控制氮素流失主要是通過控制徑流和泥沙來實現的。

本研究主要探討了坡改梯和梯壁植草對丹江口庫區坡地低齡茶園土壤氮素流失的防控效應，2種農藝措施都可以顯著地提高水土保持效果，減少氮素流失。因此在今后的研究中需要進一步向其他方面深入探討，例如：如何因地制宜選擇適合當地的控制技術措施，降低工程技術成本，增加經濟效益；坡改梯、梯壁植草措施在減少地表徑流的同時，是否會增加養分滲漏的損失；梯壁種植草類品種如何選擇；對茶園的生態效應、土壤養分的變化和物理性質有何影響等等。