李太魁, 張香凝, 寇長林, 張玉華, 馬政華, 段 然

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所, 鄭州 450002;2.農(nóng)業(yè)部原陽農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測試驗站, 鄭州 450002; 3長江流域水土保持監(jiān)測中心站, 武漢 430010)

坡耕地水土流失是我國乃至全世界重要的生態(tài)環(huán)境問題之一，它一方面導致表土流失，土壤生產(chǎn)力下降和質量退化，另一方面徑流所攜帶的養(yǎng)分加速了湖泊與河流的富營養(yǎng)化[1-2]。農(nóng)業(yè)降雨徑流造成的水土流失目前已成為一種重要的面源污染形式，是一些地區(qū)地表水體氮磷的主要來源和土壤退化的直接原因[3-5]。坡耕地是我國山區(qū)重要的耕地資源，目前隨著坡耕地的開發(fā)利用，導致坡耕地土壤養(yǎng)分流失問題日益加劇，造成嚴重的水土流失及土壤退化，迫切需要有利的防治技術措施。

丹江口水庫作為南水北調(diào)中線工程的水源地，重點解決北京、天津、石家莊等沿線20多個城市缺水問題，對水質有很高的要求。但近年來，隨著庫區(qū)周圍社會經(jīng)濟的發(fā)展，庫區(qū)局部庫灣和部分支流水質指標超過國家地表水環(huán)境質量Ⅳ類標準，其中總氮總磷明顯超標，有明顯的富營養(yǎng)化趨勢[6]。庫區(qū)生態(tài)環(huán)境和水庫水質的惡化必將影響到南水北調(diào)工程的調(diào)水質量。據(jù)研究果園套種綠肥，能改善果園土壤理化性質，增加土壤微生物數(shù)量及多樣性，促進作物生長，改善土壤生態(tài)環(huán)境[7-8]。利用綠肥作物覆蓋新生果園土壤，有效增強表面土壤的抗侵蝕能力，從而大幅度減少果園土壤養(yǎng)分流失，但其在丹江口庫區(qū)應用效果還不太清楚。本研究以丹江口庫區(qū)坡耕地柑橘園為研究對象，通過種植不同綠肥品種，研究不同綠肥植被措施對丹江口坡地柑橘園氮磷養(yǎng)分流失的影響，以期為庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗地點及材料

試驗地點位于河南省南陽市淅川縣上集鎮(zhèn)賈溝村，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性氣候區(qū)，常年平均氣溫15.8℃，降雨集中、旱澇不均，初夏多干旱，中、后夏降雨較多，雨量充沛，年降雨量在391.3～1 423.7 mm，多年平均降雨量為804.3 mm，無霜期228 d。主產(chǎn)柑橘、小麥、玉米、紅薯、谷子和大豆等。土壤為典型的黃棕壤，土壤pH值為7.84，全氮含量1.03 g/kg，全磷含量為0.45 g/kg，全鉀含量18.9 g/kg。

1.2　試驗設計

試驗設計4個處理：對照(不種植綠肥)；種植三葉草(Trifoliumrepens)；種植黑麥草(LoliumperenneL.)、種植苕子(ViciavillosaRoth)。試驗小區(qū)面積45 m2，3次重復，隨機區(qū)組排列。每小區(qū)種植柑橘9棵，坡度平均20°，小區(qū)四周圍埂并用塑料薄膜防止水土串流。三葉草、黑麥草和苕子綠肥于2013年10月20日播種，柑橘品種為尾張，施肥根據(jù)每個小區(qū)不同株數(shù)和面積確定施肥量，每株每年施餅肥3 kg，尿素0.8 kg，硫酸鉀復合肥1.2 kg，每年分兩次施肥(春季和夏季)。防病治蟲與除草等管理措施與當?shù)剞r(nóng)民習慣保持一致。

1.3　地表徑流樣品采集

地表徑流采用徑流池收集監(jiān)測。每個小區(qū)在坡底中央建一個徑流池，在小區(qū)的底部中間用PVC塑料管連接收集桶，用于收集地表徑流和泥沙。每次產(chǎn)流后，先用尺子測量池中的徑流量，將徑流池中的水攪拌均勻，取水樣500 ml，冷凍保存，取樣后及時排干并清洗徑流池備用。

1.4　測定項目與分析方法

徑流水樣總氮是指水中可溶性及懸浮顆粒中的含氮量，可溶性氮是指水中可溶性及含可濾性固體(小于0.45 μm顆粒物)的含氮量?？偟獪y定時先搖勻，取水、沙混合樣10 ml，堿性過硫酸鉀高溫(120℃)消解，定容，離心，然后用紫外分光光度法測定總氮含量；水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，采用上述方法測定即為可溶性氮含氮量，它包含溶解性無機氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮)和溶解性有機氮；可溶性磷采用過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法，銨態(tài)氮采用靛酚藍—紫外分光光度法，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法[9]。2,6—二氯酚靛酚鈉滴定法測定Vc含量[10]，NaOH中和滴定法測定總酸含量[11]，糖量計法測定可溶性固形物含量[11]。單位面積養(yǎng)分流失量=徑流水樣中養(yǎng)分濃度×徑流量/小區(qū)面積。

2　結果與分析

2.1　種植綠肥對果園地表徑流量的影響

2014年5月—9月共產(chǎn)生徑流5次，徑流觀測結果表明(圖1)，種植黑麥草處理地表徑流量最少，其次是三葉草處理，對照處理地表徑流量最大，種植黑麥草與三葉草5次降雨徑流量均與對照處理差異顯著，種植綠肥處理之間徑流量相當，未達到顯著差異。與對照相比，三葉草、黑麥草和苕子處理每平方米徑流量分別減少了24.7%，31.6%和13.9%。

注：同系列中不同小寫英文字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)，下圖同。

圖1不同綠肥處理地表徑流量

2.2　種植綠肥對果園地表徑流養(yǎng)分流失的影響

通過坡地徑流小區(qū)原位監(jiān)測方法，研究了種植綠肥處理對徑流水中養(yǎng)分流失量的影響。圖2結果表明，氮磷等養(yǎng)分均有不同程度的流失，以氮素流失量較高(12.2～27.1 mg/m2)，磷素流失量相對較低(總磷流失量0.5～2.1 mg/m2；可溶性磷流失量0.2～1.1 mg/m2)。從流失總量上分析，對照處理氮磷流失量最大，而種植綠肥均不同程度減少了氮磷流失總量，以種植黑麥草和三葉草處理減少氮素流失最明顯，苕子處理次之。除6月10日與8月23日降雨種植綠肥處理氮磷流失量顯著低于對照外(p<0.05)，其余各次降雨地表徑流氮磷流失量在各處理間差異不顯著。與對照相比，種植黑麥草、三葉草和苕子處理總氮流失量分別減少20.6%，30.5%和23.9%，總磷流失量分別減少27.8%，42.5%和24.5%，可溶性總磷分別減少33.3%，52.8%和42.3%。通過以上分析，氮素污染風險要高于磷，防控的主要矛盾是氮素。

懸浮物主要包括泥沙、動植物殘體、藻類和部分微生物，水體懸浮物是多種生物參與地球化學循環(huán)和遷移轉化過程的重要載體，是水環(huán)境研究中的重要參數(shù)之一。本研究結果表明，種植三葉草、黑麥草和苕子處理泥沙流失量在不同時期均低于對照處理，除5月31日降雨種植綠肥處理懸浮物顯著低于對照外(p<0.05)，其余各次降雨懸浮物流失量在各處理間差異不顯著。同一處理在不同時期以7月和8月的懸浮物流失量較多，這與地表徑流量的多少明顯相關。

圖2　不同綠肥處理地表徑流養(yǎng)分流失

2.3　種植綠肥對果園地表徑流養(yǎng)分流失濃度的影響

表層土壤養(yǎng)分隨地表徑流進入水體是農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要途徑之一，表1為種植綠肥處理對徑流水中氮素流失形態(tài)的影響。本研究結果表明，氮素是農(nóng)業(yè)面源污染的主要因子，柑橘園地表徑流中可溶性氮素占總氮的比例較高(41.5%～71.4%)，平均為55.9%，而可溶性氮素又以硝態(tài)氮為主。從不同種植綠肥處理來看，地表徑流中總氮濃度依次為對照>黑麥草>苕子>三葉草，與對照相比，種植綠肥可使氮素流失濃度降低16.1%～18.9%。

2.4　種植綠肥對柑橘品質和產(chǎn)量的影響

種植綠肥對柑橘品質和產(chǎn)量也有一定的影響。從表2可以看出，種植不同綠肥的產(chǎn)量和品質均優(yōu)于對照。產(chǎn)量方面，三葉草、苕子處理較高，其次是黑麥草處理，對照最低。柑橘品質方面，與對照相比，種植綠肥處理能提高維生素C和可溶性固形物含量，降低柑橘總酸含量，其中，柑橘總酸的三葉草和對照處理差異達到顯著水平(p<0.05)，其他處理差異均不顯著。

表1　不同處理地表徑流氮素流失形態(tài)特征

表2　施用經(jīng)濟綠肥對柑橘產(chǎn)量和品質的影響

注：同一列不同小寫字母表示不同處理差異顯著(p<0.05)。

3　結論與討論

地表徑流引起的農(nóng)田土壤氮磷養(yǎng)分損失是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因之一。在降雨過程中，雨水對土壤的沖擊作用可使養(yǎng)分隨徑流而發(fā)生遷移，其遷移量與降雨強度、植被覆蓋、施肥方式、土壤質地和地形地貌等因素有關。大量研究結果表明地表覆蓋程度與農(nóng)田氮磷徑流流失的效果關系最為密切[12-13]。坡耕地果園的土壤侵蝕主要由地表徑流引起，果園套種綠肥增加了土壤覆蓋度，不僅降低了雨滴直接濺蝕地表的動能，而且增加了土壤水分滲透量，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。對照處理植被稀疏，降雨擊濺地表產(chǎn)生的泥沙迅速堵塞土層的自然孔隙，導致降水難以入滲到土層，增大了地表徑流流失量。而種植三葉草和黑麥草綠肥作物后，果園裸露的地表被三葉草和黑麥草嚴密覆蓋，有效降低了降雨對土壤的沖刷，增強了土壤的保水能力。與三葉草和黑麥草相比，苕子的地表覆蓋度相對較低，以致地表徑流水量相對較多。

眾多研究表明，果園套種綠肥對徑流中氮磷表現(xiàn)出較高的去除率[14-15]。俞巧剛等[16]對山地果園套種綠肥的氮磷流失分析表明，可溶性氮磷是地表徑流水體中的主要形式，套種綠肥可使氮磷流失量明顯降低。路青等[17]對大豆種植區(qū)降雨徑流的分析結果表明，顆粒態(tài)氮和可溶性磷是農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要形式。本研究對種植不同綠肥柑橘園地表徑流水體氮磷流失分析表明，各處理中地表徑流中可溶性磷占總磷的58.6%，可溶性氮素占總氮的55.3%，可溶性氮素中又以硝態(tài)氮流失為主。其原因一方面硝態(tài)氮是旱地土壤氮素的主要形態(tài)，硝態(tài)氮又極易溶于水，另一方面銨離子帶正電荷，旱地土壤對銨態(tài)氮的吸附能力大于硝態(tài)氮的吸附能力，銨離子甚至可以進入黏土礦物的晶體中，成為固定態(tài)銨離子，從而使土壤中硝態(tài)氮比銨態(tài)氮更易于流失[18]。劉毅等[19]對坡耕地柑橘園氮磷流失的研究結果表明，土壤氮磷流失的載體不同，氮素流失的載體是徑流水，而泥沙懸浮物是磷素流失的主要載體。本研究結果發(fā)現(xiàn)降雨徑流中氮素含量較高，而磷素含量相對較低，其主要原因可能是氮素流失主要通過徑流液流失，且土壤中可溶性氮素含量較高，而磷的流失載體是泥沙，以顆粒態(tài)為主，因而磷在徑流水體中的濃度相對較低。因此，坡耕地種植業(yè)氮的流失對水體的影響應受到重視。要控制氮流失，關鍵是控制降雨徑流，果園套種綠肥可很好地控制地表徑流，最終在一定程度上也控制了氮磷養(yǎng)分流失。

果園套種綠肥還可以穩(wěn)定土壤溫度及改善土壤水熱條件，避免溫度變化幅度過大對果樹根系產(chǎn)生傷害，同時促進果樹地上及地下部分的生長發(fā)育[20]。綠肥作物收獲后進行翻壓，可以有效培肥土壤，促進微生物的生長與活性，改善果實品質和提高果實產(chǎn)量[21]。本研究可以看出，果園套種綠肥后，柑橘的維生素C、可溶性固形物和產(chǎn)量都明顯提高，酸度則反之。種植綠肥后，由于改善了果樹的生長環(huán)境，并且降低了果園土壤的養(yǎng)分流失，使得土壤蓄水量和葉片的葉綠素含量增加，果實品質得到改善?？偟膩碚f，在丹江口庫區(qū)果園套種綠肥，可以增加果園的地表覆蓋，增強果園土壤水分滲透性，降低降雨產(chǎn)生的地表徑流，增強土壤的水土保持能力，極大提高當?shù)剞r(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，可作為丹江口庫區(qū)果園大力推廣的重要種植模式。

參考文獻:

[1]王全九,王力,李世清.坡地土壤養(yǎng)分遷移與流失影響因素研究進展[J].西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版,2007,35(12):109-119.

[2]田衛(wèi)堂,胡維銀,李軍,等.我國水土流失現(xiàn)狀與防治對策分析[J].水土保持研究,2008,15(4):204-209.

[3]Li S Y, Gu S, Liu W Z, et al. Water quality in relation to land use and land cover in the upper Han River Basin, China [J]. Catena,2008,75(2):216-222.

[4]王永生,楊世琦.寧夏黃灌區(qū)稻田冬春休閑期硝態(tài)氮淋失量[J].生態(tài)學報,2011,31(16):4653-4660.

[5]張彪,董敦義,張燦強,等.太湖流域安吉縣森林控制土壤侵蝕及養(yǎng)分流失的效益評估[J].水土保持研究,2011,18(6):111-118.

[6]王立輝,黃進良,杜耘.南水北調(diào)中線丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境質量評價[J].長江流域資源與環(huán)境,2011(2):161-166.

[7]張桂玲.秸稈和生草覆蓋對桃園土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量及土壤酶活性的影響[J].植物生態(tài)學報,2011,35(2):1236-1244.

[8]趙秋,高賢彪,寧曉光,等.冬綠肥二月蘭間作及翻壓對北方桃園生長環(huán)境及果實品質的影響[J].中國土壤與肥料,2013(1):93-96.

[9]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學出版社,2002.

[10]李合生.植物的試驗原理與技術[M].北京:高等教育出版社,2000.

[11]李錫香,宴儒來,向長萍,等.新鮮果蔬的品質及其分析方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1994.

[12]Liu Y, Tao Y, Wan K Y, et al. Runoff and nutrient losses in citrus orchards on sloping land subjected to different surface mulching practices in the Danjiangkou Reservoir area of China [J]. Agricultural Water Management,2012,110(7):34-40.

[13]黃河仙,謝小立,王凱榮,等.不同覆被下紅壤坡地地表徑流及其養(yǎng)分流失特征[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(4):1645-1649.

[14]黃沈發(fā),唐浩,鄢忠純,等.3種草皮緩沖帶對農(nóng)田徑流污染物的凈化效果及其最佳寬度研究[J].環(huán)境污染與防治,2009,31(6):53-57.

[15]王華玲,趙建偉,程東升,等.不同植被緩沖帶對坡耕地地表徑流中氮磷的攔截效果[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2010,29(9):1730-1736.

[16]俞巧鋼,葉靜,馬軍偉,等.山地果園套種綠肥對氮磷徑流流失的影響[J].水土保持學報,2012,26(2):6-9.

[17]路青,馬友華,胡善寶,等.安徽省沿淮大豆種植區(qū)氮磷流失特征研究[J].中國農(nóng)學通報,2015,31(12):230-235.

[18]劉宗岸,楊京平,楊正超,等.苕溪流域茶園不同種植模式下地表徑流氮磷流失特征[J].水土保持學報,2012,26(2):29-32.

[19]劉毅,陶勇,萬開元,等.丹江口庫區(qū)坡耕地柑桔園不同覆蓋方式下地表徑流氮磷流失特征[J].長江流域資源與環(huán)境,2010,19(11):1340-1344.

[20]寇建村,楊文權,程國亭,等.行間種植不同草種對幼齡蘋果園土壤特性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2012,30(4):145-152.

[21]盛良學,黃道友,夏海鰲,等.紅壤橘園間作經(jīng)濟綠肥的生態(tài)效應及對柑橘產(chǎn)量和品質的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2004,10(6):677-679.