李太魁，張香凝，郭戰(zhàn)玲，寇長(zhǎng)林*，呂金嶺，楊小林

1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.農(nóng)業(yè)部原陽(yáng)農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，河南 鄭州 450002；3.河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；4.河南理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理研究中心，河南 焦作 454000

坡耕地水土流失是中國(guó)乃至全世界值得關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，水土流失一方面導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化及生產(chǎn)力下降，另一方面徑流所攜帶的養(yǎng)分加速了地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度（Shan et al.，2015；史志華等，2018；李太魁等，2018），如何防治水土流失造成的農(nóng)業(yè)面源污染是當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)工作亟待解決的重大問(wèn)題。中國(guó)山地面積約占國(guó)土面積的69%，隨著坡耕地的開(kāi)發(fā)利用，養(yǎng)分流失及土壤退化問(wèn)題日益加劇，迫切需要更有利的防治措施。間作草類(lèi)和秸稈覆蓋作為農(nóng)田土壤管理方法在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了普遍推廣和應(yīng)用，近年來(lái)，在很多易產(chǎn)生徑流地區(qū)廣泛進(jìn)行了茶園、梨樹(shù)及臍橙等果樹(shù)的各種覆蓋及草類(lèi)間作技術(shù)措施的研究，取得了良好的生態(tài)及社會(huì)效益，為這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了良好的理論依據(jù)（高茂盛等，2010；俞巧鋼等，2012）。

丹江口水庫(kù)是國(guó)家重大工程南水北調(diào)中線工程的水源地，重點(diǎn)解決北京、天津等沿線 20多座城市的飲用水問(wèn)題，對(duì)沿線生態(tài)環(huán)境和輸水水質(zhì)安全保障極其重要（劉增進(jìn)等，2017）。庫(kù)區(qū)周?chē)鸀榻?jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)類(lèi)型為特色作物種植，包括柑橘、茶葉和中藥材等，其中，茶園是丹江口庫(kù)區(qū)一種重要的土地利用方式。成年期的茶園由于植被覆蓋率較高，能夠有效地防止土壤侵蝕，其水土流失強(qiáng)度和面源污染的危害相對(duì)較弱，但對(duì)于新開(kāi)墾的幼齡茶園，由于地表覆蓋度較低，極易受水土流失的影響。因此如何降低幼齡茶園水土及氮磷養(yǎng)分流失，是茶園管理初期的一項(xiàng)重要內(nèi)容。鑒于丹江口庫(kù)區(qū)的環(huán)境敏感性及庫(kù)區(qū)周邊特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，本文以丹江口庫(kù)區(qū)坡耕地幼齡茶園為研究對(duì)象，研究秸稈覆蓋和間作三葉草方式下地表徑流氮磷流失特征，以期為庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省南陽(yáng)市淅川縣毛堂鄉(xiāng)毛堂村，屬北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的季風(fēng)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—1423.7 mm之間，多年平均降雨量為804.3 mm，無(wú)霜期228 d。近年來(lái)，毛堂鄉(xiāng)大力發(fā)展茶葉、食用菌、煙葉等特色產(chǎn)業(yè)。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，表層土壤容重1.38 g·cm-1，有機(jī)質(zhì)含量為 13.68 g·kg-1，全氮含量 1.03 g·kg-1，全磷含量為 0.45 g·kg-1，速效磷含量 13.92 mg·kg-1，堿解氮含量為43.51 mg·kg-1?？偟膩?lái)看，供試土壤肥力中等偏下，有機(jī)質(zhì)含量偏低，容重較大，土壤保水保肥能力較差。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)茶樹(shù)品種為烏牛早，2013年10月種植，南北向種植，穴距30 cm，行間距為150 cm，每穴種2—3株茶苗。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)處理：對(duì)照（清耕）；間作三葉草；秸稈覆蓋，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。綠肥品種為白三葉草，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所提供，2013年10月26日播種，播種量為4.5 kg·hm-2，供試秸稈為當(dāng)?shù)匦←溄斩?，切?0 cm左右覆蓋于地表，覆蓋量為15 t·hm-2。各試驗(yàn)小區(qū)施肥水平相同，尿素 180 kg·hm-2，復(fù)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(fù)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(yàn)小區(qū)面積45 m2，坡度平均20°，小區(qū)四周?chē)〔⒂盟芰媳∧し乐顾链?，各處理管理水平完全一致。降雨徑流觀測(cè)于2014年雨季（5—10月）進(jìn)行。

1.3 地表徑流樣品采集

地表徑流采用徑流池收集監(jiān)測(cè)。每個(gè)小區(qū)在坡底中央建一個(gè)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(cè)量池中的徑流量，將徑流池中的水?dāng)嚢杈鶆颍∷畼?00 mL，冷凍保存，取樣后及時(shí)排干并清洗徑流池備用。

1.4 測(cè)定項(xiàng)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(cè)定時(shí)先搖勻，取水、沙混合樣10 mL，堿性過(guò)硫酸鉀高溫（120 ℃）消解，定容，離心，然后用紫外分光光度法測(cè)定總氮（TN）含量；水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后，采用上述方法測(cè)定即為可溶性總氮（DTN）含氮量，它包含溶解性無(wú)機(jī)氮（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮）和溶解性有機(jī)氮；可溶性磷采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法，銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)-紫外分光光度法，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法（魯如坤，2000）。土壤溫濕度用土壤水分溫度計(jì)（英國(guó)，Delta-T）直接測(cè)定，顆粒態(tài)氮（PN）由總氮減去可溶性總氮計(jì)算得出，顆粒態(tài)磷（PP）由總磷減去溶解態(tài)總磷得出。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

單次降雨產(chǎn)流事件養(yǎng)分流失量Qi=Ci×qi，式中，Qi為養(yǎng)分流失量（mg·m-2），Ci為養(yǎng)分質(zhì)量濃度（mg·L-1），qi為徑流量（L·m-2）。

養(yǎng)分流失負(fù)荷為年內(nèi)相應(yīng)歷次降雨徑流養(yǎng)分流失量累加，計(jì)算公式為：Q=∑Qi（i=1,2,3…n，n為年降雨產(chǎn)流事件數(shù)）。

文中數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理，SPSS 16.0和Origin 8.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析、圖形制作等。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作三葉草和秸稈覆蓋對(duì)茶園地表徑流量的影響

分析 2014年試驗(yàn)地點(diǎn)月降雨量和月降雨日數(shù)（圖1），降雨主要集中在6—9月，降雨量最大的月份在9月，全月203.5 mm，月降雨日數(shù)16 d，日降雨量多在30 mm以上，最大日降雨量為34 mm；3—4月盡管月降雨日數(shù)較多，但單次降雨量小，因此不容易產(chǎn)生徑流。在雨季集中的月份，雖然月份之間的降雨日數(shù)變化不大，但月降雨總量差異明顯。短時(shí)間的強(qiáng)降水極易產(chǎn)生地表徑流且土壤侵蝕嚴(yán)重；當(dāng)土壤水分飽和時(shí)，日降雨量較小時(shí)也易產(chǎn)生徑流。將對(duì)照處理相對(duì)應(yīng)的徑流量與降雨量做相關(guān)分析（如圖 2）得出，同時(shí)期的徑流量與降雨量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），同時(shí)發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋與間作三葉草處理徑流量與降雨量也呈顯著正相關(guān)，兩者相關(guān)性方程分別為y=0.063x-0.291（R2=0.897，P＜0.05）和y=0.058x-0.256（R2=0.626，P＜0.05）。

圖1 2014年月降雨量和降雨日數(shù)Fig.1 Monthly rainfall and rainfall days in 2014

圖2 徑流量和降雨量的關(guān)系Fig.2 The correlation between runoff and rainfall

徑流是導(dǎo)致泥沙和養(yǎng)分流失的主要?jiǎng)恿?。由?可知不同處理的徑流小區(qū)因降雨產(chǎn)生的地表徑流量和泥沙量差異較大，徑流量大小順序?yàn)椋航斩捀采w＜間作三葉草＜對(duì)照。進(jìn)行方差及顯著性分析得出，秸稈覆蓋、間作三葉草的徑流量和對(duì)照的差異顯著（P＜0.05）。秸稈覆蓋、間作三葉草的徑流量比對(duì)照分別減少了45.87%、38.55%；土壤泥沙量大小順序?yàn)椋航斩捀采w＜間作三葉草＜對(duì)照，秸稈覆蓋、間作三葉草的泥沙量比對(duì)照分別減少了 45.18%、32.94%。

表1 不同處理徑流量和泥沙量Table 1 Effects of different treatments on runoff and soil erosion quantity

表2 不同處理對(duì)徑流氮濃度的影響Table 2 Effect of different treatments on N concentration in runoff mg·L-1

2.2 間作三葉草和秸稈覆蓋對(duì)茶園土壤氮素流失的影響

由表 2可知，不同處理方式對(duì)徑流氮濃度有一定的攔截作用，銨態(tài)氮介于2.42—3.23 mg·L-1；硝態(tài)氮介于 4.06—5.93 mg·L-1；可溶性總氮介于 7.17—10.31 mg·L-1，總氮介于 10.65—16.07 mg·L-1。不同處理下銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性總氮及總氮平均濃度大小均為間作三葉草與秸稈覆蓋顯著低于對(duì)照處理，說(shuō)明間作三葉草與秸稈覆蓋對(duì)徑流水樣中氮的攔截效果要好于對(duì)照。

不同處理方式下徑流氮素流失量存在較大差異（表 3）。通過(guò)方差分析得出，間作三葉草、秸稈覆蓋與對(duì)照處理之間差異顯著（P＜0.05）?？偟魇Я看笮№樞?yàn)閷?duì)照＞間作三葉草＞秸稈覆蓋，間作三葉草和秸稈覆蓋的總氮流失量分別比對(duì)照減少了59.28%、62.31%，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性總氮及顆粒態(tài)氮情況相似。從表3還可以看出，各處理中可溶性總氮流失量＞硝態(tài)氮流失量＞顆粒態(tài)氮流失量＞銨態(tài)氮流失量，可見(jiàn)不同處理方式下坡耕地氮素流失形態(tài)主要以可溶性氮素為主，而可溶性氮素又以硝態(tài)氮為主。

2.3 間作三葉草和秸稈覆蓋對(duì)茶園土壤磷素流失的影響

由表4可知，不同處理方式對(duì)徑流磷濃度有一定的攔截作用，總磷介于0.25—0.37 mg·L-1；可溶性磷介于0.09—0.13 mg·L-1。不同處理下總磷及顆粒態(tài)磷平均濃度大小均為間作三葉草與秸稈覆蓋顯著低于對(duì)照處理，說(shuō)明秸稈覆蓋和間作三葉草對(duì)顆粒態(tài)磷的攔截效果要好于降低可溶性磷的效果。

表3 不同處理對(duì)徑流氮流失量的影響Table 3 Effect of different treatments on N loss in runoff

表4 不同處理對(duì)徑流磷濃度的影響Table 4 Effect of different treatments on P concentration in runoff mg·L-1

由表 5可知，總磷流失量大小順序?yàn)閷?duì)照＞間作三葉草＞秸稈覆蓋，間作三葉草和秸稈覆蓋的總磷流失量分別比對(duì)照減少了51.82%、63.25%。3種不同處理方式下徑流中可溶性磷流失量占總磷流失量的不足38%，說(shuō)明坡耕地地表徑流中磷素流失以顆粒態(tài)磷的流失為主，最大流失量占總磷流失量的64.80%。因此減少?gòu)搅髦辛姿亓魇Я孔钣行У姆绞骄褪菧p少土壤侵蝕量。秸稈覆蓋處理總磷和顆粒態(tài)磷的流失量最小且跟其土壤侵蝕量最小有關(guān)。

表5 不同處理對(duì)徑流磷流失量的影響Table 5 Effect of different treatments on P loss in runoff

2.4 間作三葉草和秸稈覆蓋對(duì)茶園土壤環(huán)境的影響

2.4.1 間作三葉草和秸稈覆蓋的土壤水分效應(yīng)

由表6可知，間作三葉草和秸稈覆蓋均能提高不同層次土壤含水量。其中，秸稈覆蓋處理土壤含水量最高，0—10 cm土壤含水量秸稈覆蓋比對(duì)照提高了為9.87%—18.68%，間作三葉草比對(duì)照提高了4.92%—10.36%，10—20 cm土壤含水量秸稈覆蓋比對(duì)照提高了4.41%—14.55%，間作三葉草比對(duì)照提高了4.57%—6.64%，秸稈覆蓋和間作三葉草顯著增加了土壤表層的水分含量，這主要是由于地表覆蓋物減弱了土壤表面與大氣之間的交換程度，有效的抑制了蒸發(fā)，提高了表層土壤的含水量。

2.4.2 間作三葉草和秸稈覆蓋的土壤溫度效應(yīng)

秸稈覆蓋對(duì)土壤的溫度也有一定的影響，由表7可知，日較高溫度時(shí)（5月和7月），以秸稈覆蓋和間作三葉草略低于對(duì)照處理，0—10 cm土層平均溫度分別為31.25、30.45、33.55 ℃，日較低溫度時(shí)（10月和12月），秸稈覆蓋和間作三葉草卻略高于對(duì)照處理，0—10 cm土層平均溫度分別為16.10、15.9、13.80 ℃，10—20 cm土層溫度與0—10 cm土層溫度變化趨勢(shì)類(lèi)似。說(shuō)明秸稈覆蓋和間作三葉草降低了土壤溫度的變化幅度，在氣溫較高時(shí)，秸稈覆蓋降低了土壤溫度，在氣溫較低時(shí)，秸稈覆蓋土壤保持了較高的土壤溫度。

表6 不同覆蓋處理對(duì)土壤水分的影響Table 6 The influence of soil water content in different treatments %

表7 不同覆蓋處理對(duì)土壤溫度的影響Table 7 The influence of soil temperature in different treatments ℃

3 討論

坡耕地茶園的土壤侵蝕主要是由降雨產(chǎn)生的地表徑流引起的，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(guān)。特別是低齡茶園，地表較多面積疏松裸露，降水與地表接觸形成較大雨滴，擊濺沒(méi)有覆蓋的裸露地表，從而導(dǎo)致表層土壤的侵蝕流失。茶園秸稈覆蓋和間作三葉草后，土壤的覆蓋度明顯增加，不僅可以減弱雨滴濺落地面的動(dòng)能，而且可以攔截降水，多余的水分會(huì)沿土壤空隙進(jìn)入土壤深層，增加土壤蓄水能力，從而減少茶園地表徑流和水土流失（Liu et al.，2012；劉紅江等，2012）。眾多研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋和間作草本植物在防治水土流失方面有較好的效果。茍?zhí)壹龋?017）測(cè)試了黑麥草在三峽庫(kù)區(qū)坡地的水土保持功效，種植黑麥草第一年后泥沙流失量減少了49.27%?？渍亮嫉龋?015）研究表明，低齡茶園覆蓋秸稈后，與不采取措施的茶園相比，徑流量和泥沙量分別降低了21.7%和56.4%。本研究結(jié)果表明，茶園間作三葉草和秸稈覆蓋后徑流量分別比對(duì)照降低了38.55%、45.87%，泥沙量分別比對(duì)照降低了32.95%、45.18%，與秸稈覆蓋處理相比，間作三葉草的地表覆蓋度相對(duì)較低，裸露的地表面積相對(duì)較大，以致地表徑流和泥沙的減少量相對(duì)較少?？偟膩?lái)說(shuō)，在丹江口庫(kù)區(qū)，坡地茶園秸稈覆蓋是減少土壤水土流失和促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用的較好的管理措施。

大量研究表明，覆蓋與間作對(duì)徑流中的氮磷表現(xiàn)出較高的去除率。史靜等（2013）研究了水源區(qū)紅壤坡地間作三葉草對(duì)氮磷養(yǎng)分流失的影響，發(fā)現(xiàn)玉米地間作三葉草總氮、總磷流失總磷分別減少了59.96%和 48.57%。徐泰平等（2006）對(duì)紫色土坡地秸稈覆蓋方式下氮磷流失分析表明，秸稈覆蓋可使氮磷流失量明顯降低，且顆粒態(tài)氮和可溶性磷是農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要形式。本試驗(yàn)采用坡地徑流小區(qū)田間原位監(jiān)測(cè)方法，研究了茶園地表秸稈覆蓋和間作三葉草對(duì)坡地茶園氮磷流失的控制效果，結(jié)果表明間作三葉草和秸稈覆蓋的總氮流失量分別比對(duì)照減少了59.28%、62.31%，總磷流失量分別比對(duì)照減少了51.82%、63.25%，氮素流失形態(tài)主要以可溶性氮素為主，而可溶性氮素又以硝態(tài)氮為主，其原因一方面旱地土壤通氣良好，硝態(tài)氮是土壤氮素存在的主要形態(tài)，且大多存在于土壤溶液中，遇到強(qiáng)降水很容易隨徑流流失（范宏翔等，2015）；另一方面銨態(tài)氮易被土壤吸附，移動(dòng)性較小，不容易隨降雨徑流水流失（王云等，2011；井光花等，2012）。劉毅等（2010）對(duì)丹江口坡地果園氮磷流失研究結(jié)果表明，坡耕地土壤氮素流失載體是徑流水體，而磷素流失的載體主要是泥沙。本研究結(jié)果也表明，顆粒態(tài)磷流失量占總磷流失量的64.80%，磷在地表徑流水體中濃度不是太高，但由于對(duì)照處理有較高的徑流量和泥沙量，導(dǎo)致總磷的流失量也增高。因此，在丹江口庫(kù)區(qū)，控制降雨徑流是關(guān)鍵，間作三葉草和秸稈覆蓋均能不同程度的控制土壤侵蝕和降雨徑流，在一定程度上也能控制氮磷的流失。

秸稈覆蓋和間作三葉草是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一種高效生態(tài)農(nóng)業(yè)種植模式。目前，在小麥、玉米、果園、茶園等作物上發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋和間作三葉草與對(duì)照相比，都會(huì)出現(xiàn)高溫季節(jié)降溫、低溫季節(jié)增溫的現(xiàn)象，且能緩和地溫在晝夜和季節(jié)間的劇烈變化，這種措施被認(rèn)為是高效增產(chǎn)的重要機(jī)制。彭晚霞等（2006）研究表明，茶園覆蓋與間作可以改善土壤環(huán)境與林間小氣候環(huán)境，避免溫度激烈變化對(duì)樹(shù)體根系產(chǎn)生傷害，本研究在茶園得出的結(jié)論與其研究結(jié)果一致。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)間作三葉草和秸稈覆蓋均能提高不同層次土壤含水量。胡兵輝等（2015）研究也表明，由于地表覆蓋物具有蓄水保墑作用，會(huì)使土壤含水量提高，使雨季有限的水資源能在深層土壤中得到保蓄。這主要是因?yàn)樵黾油寥栏采w度可以避免土壤與大氣直接接觸，避免太陽(yáng)光的直接輻射，減緩了土壤水分的蒸發(fā)速度，從而提高了土壤蓄水量，并且一定程度上增強(qiáng)了茶園抗旱減災(zāi)能力（孫立濤等，2011）。因此，解決坡地茶園土壤的季節(jié)性干旱及氮磷養(yǎng)分流失的問(wèn)題，應(yīng)選擇合理的栽培方式，秸稈覆蓋和間作三葉草是一種切實(shí)有效和值得在丹江口庫(kù)區(qū)大力推廣的種植模式。

總體來(lái)看，本研究主要探討間作和秸稈覆蓋對(duì)坡地低齡茶園土壤養(yǎng)分流失的防控及溫度水分效應(yīng)，在今后的研究中需要進(jìn)一步向其他方面深入，比如，間作綠肥和秸稈覆蓋對(duì)茶葉生長(zhǎng)、病蟲(chóng)害、產(chǎn)量及品質(zhì)產(chǎn)生什么影響，兩種模式如何影響茶葉對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用的，綠肥品種及綠肥在茶園翻耕還田的生態(tài)效應(yīng)等等。

4 結(jié)論

（1）秸稈覆蓋、間作三葉草的徑流量比對(duì)照分別減少了45.87%、38.55%，泥沙量比對(duì)照分別減少了45.18%、32.94%。覆蓋和間作明顯減少地表徑流水量和泥沙的流失，土壤保水固土能力效果明顯加強(qiáng)。

（2）地表徑流和泥沙攜帶氮磷流失是坡地茶園養(yǎng)分流失的主要途徑，間作三葉草與秸稈覆蓋能使總氮流失分別減少59.28%、62.31%，總磷流失分別減少51.82%、63.25%，磷素流失以顆粒態(tài)磷的流失為主。覆蓋和間作可使地表徑流氮磷流失量明顯降低，有助于水體環(huán)境的保護(hù)。

（3）秸稈覆蓋、間作三葉草通過(guò)在表層截流部分降水以提升土壤水分，能明顯增加土壤不同層次的水分含量；覆蓋和間作三葉草降低了土壤溫度的變化幅度，在氣溫較高時(shí)，降低了土壤溫度，在氣溫較低時(shí)，能使土壤保持相對(duì)較高的土壤溫度。秸稈覆蓋和間作三葉草是兩種切實(shí)有效和值得在丹江口庫(kù)區(qū)大力推廣的種植模式。