羅照霞，楊志奇，馬忠明，楊虎德

(1．天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水741000;2．甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州730070;3．甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州730070)

(責(zé)任編輯 徐素霞)

黃土高原是世界最大的黃土沉積區(qū)，黃綿土疏松易侵蝕和崩塌，地面破碎，平地少斜坡多，植被稀疏，降水多集中在夏季且多暴雨，加之不合理的耕作制度，使得黃土高原易發(fā)生水土流失，氮、磷等養(yǎng)分物質(zhì)通過農(nóng)田地表徑流和農(nóng)田滲漏等流失，一方面使土壤肥力下降，另一方面導(dǎo)致水環(huán)境污染。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動(dòng)引起的農(nóng)業(yè)面源污染，已經(jīng)成為水環(huán)境污染最重要的來源［1］。從源頭上減少氮、磷排放，阻止其進(jìn)入水體，是控制農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵［2－4］。有研究表明，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的養(yǎng)分有50% ～60%來源于農(nóng)田地表徑流［5］。黃綿土坡耕地是黃土高原區(qū)主要的耕地類型，但因長(zhǎng)期以來氮、磷肥過量及不合理施用，出現(xiàn)了不同程度盈余富集，導(dǎo)致降雨時(shí)地表氮、磷養(yǎng)分流失量較大，不僅降低了養(yǎng)分利用效率和施肥效益，還提高了徑流水中的養(yǎng)分含量，從而對(duì)地表和地下水環(huán)境構(gòu)成了較大威脅。

坡耕地水土流失導(dǎo)致區(qū)域土壤質(zhì)量退化和土地生產(chǎn)力下降。南秋菊等分析認(rèn)為坡耕地土壤養(yǎng)分流失的關(guān)鍵因素為降雨特征、土壤性質(zhì)與地形因素、耕作與管理措施［6－7］。李裕元等研究認(rèn)為降雨導(dǎo)致有效養(yǎng)分在坡面遷移與流失是坡地土壤質(zhì)量退化的主要原因［8］。邱學(xué)禮等認(rèn)為地表覆蓋率是影響坡耕地水土流失的主要因素［9－10］。梁斐斐等研究認(rèn)為，降雨強(qiáng)度是影響坡耕地氮、磷流失的主要因素，降雨強(qiáng)度越大，氮、磷流失越嚴(yán)重［11］。長(zhǎng)期以來，對(duì)黃土高原區(qū)黃綿土坡耕地地表徑流氮、磷流失的研究鮮有報(bào)道。為此，本試驗(yàn)試圖通過對(duì)不同種植模式與施肥模式下黃綿土地表徑流氮、磷流失特征的研究，得出主要種植模式與施肥模式下地表徑流中氮、磷的流失規(guī)律及流失系數(shù)，以期為確定該區(qū)種植業(yè)面源污染物流失系數(shù)提供依據(jù)。

1 材料和方法

1．1 供試材料

供試作物春玉米品種為中單2 號(hào)。供試有機(jī)肥為農(nóng)家肥(全氮、全磷和全鉀的平均含量分別為0.221%、0．067% 和0．31%)、氮肥為尿素(含N 為46．4%)、磷肥為過磷酸鈣(含P2O5為12%)。

1．2 試區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在天水市農(nóng)科所中梁試驗(yàn)站試驗(yàn)示范基地(34°05'N、104°05'E)，地處天水市秦州區(qū)中梁鄉(xiāng)三灣村。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為11．5 ℃，平均海拔1 650 m，年降水量500 ～600 mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)地塊為山坡地，坡度15°，屬黃河支流渭河流域，是甘肅核心侵蝕區(qū)之一，在正常種植情況下地表徑流可造成中度侵蝕。監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤屬黃綿土，pH 值8．6，土壤肥力指標(biāo)為:有機(jī)質(zhì)11．87 g/kg，全氮0．76 g/kg，全磷0．69 g/kg，有效磷18．55 mg/kg。

1．3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)處理:①對(duì)照(CK)，不施任何肥料+條膜平作;②常規(guī)施肥+條膜平作(CON);③優(yōu)化施肥+條膜平作(OPT);④優(yōu)化施肥+條膜壟作(OPT +TR);⑤優(yōu)化施肥+全膜平作(OPT+FM);⑥優(yōu)化施肥+全膜雙壟溝+免耕(OPT+TR+FM+NT)。

常規(guī)施肥:農(nóng)家肥15 000 kg/hm2、尿素300 kg/hm2;優(yōu)化施肥:農(nóng)家肥22 500 kg/hm2、尿素675 kg/hm2、過磷酸鈣1 050 kg/hm2、硫酸鉀225 kg/hm2。除1/3 的尿素用于大喇叭口期追肥外，其余肥料起壟前均勻撒在地表作基肥。平作:寬行行距60 cm，窄行行距40 cm;壟作:壟面寬60 cm，壟溝40 cm，壟高15 cm，壟面種植;雙壟溝:小壟寬40 cm、壟高15 cm，大壟寬60 cm、壟高10 cm，壟溝種植。玉米株距均為33 cm。

隨機(jī)區(qū)組，3 次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2(順坡7．5 m×橫坡4 m)，不同小區(qū)之間用磚支砌，每個(gè)小區(qū)建一個(gè)徑流池(徑流池尺寸為長(zhǎng)1 m ×寬1 m ×高1．2 m)用來收集小區(qū)徑流雨水。2008年4月20日播種，10月20日收獲。橫坡行播，人工點(diǎn)播，保苗6 萬株/hm2，小區(qū)內(nèi)玉米于成熟期全部收獲測(cè)產(chǎn)，其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1．4 測(cè)定項(xiàng)目及計(jì)算方法

1．4．1 徑流水樣采集與分析

每次降雨產(chǎn)生徑流后，記錄各徑流池水面高度(mm)，計(jì)算徑流量。在記錄徑流量后采集徑流水樣，采樣前先用清潔木板充分?jǐn)噭驈搅鞒刂械膹搅魉?，然后利用清潔容器在徑流池不同部位、不同深度多點(diǎn)采樣(至少8 點(diǎn))，每小區(qū)采集2 個(gè)平行徑流水樣，并立即將水樣冷凍保存。每瓶水樣不少于500 mL，一個(gè)供分析測(cè)試，另一個(gè)作為備用。分析指標(biāo)為總氮(TN)、硝態(tài)氮(NO3－－N)、銨態(tài)氮(NH4+－N)、總磷(TP)和可溶性磷(TDP)。

總氮測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法;硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測(cè)定采用流動(dòng)分析儀法;總磷測(cè)定采用鉬銻比色法;可溶性總磷測(cè)定采用過硫酸鉀氧化－鉬藍(lán)比色法。

1．4．2 計(jì)算方法

以地表徑流途徑流失的氮、磷量等于整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中(一個(gè)周年)各次徑流水中氮、磷的質(zhì)量濃度與徑流水(或淋溶水)體積乘積之和。計(jì)算公式為

式中:P 為氮或磷的流失量;Ci為第i 次徑流水中氮或磷的質(zhì)量濃度;Vi為第i 次徑流水的體積;n 為徑流水樣監(jiān)測(cè)次數(shù)。

氮、磷流失系數(shù)以流失率(%)表示。以氮素為例，計(jì)算公式為

氮肥流失率(%)=(某處理氮肥流失量－對(duì)照氮肥流失量)/某處理氮肥施用量×100%

采用Excel 軟件作圖，用SPSS 16．0 進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析，并用LSD 法檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同種植模式與施肥量下地表徑流的產(chǎn)流特征

監(jiān)測(cè)期間降雨共產(chǎn)生了11 次徑流。其中，6月份產(chǎn)生徑流3 次，產(chǎn)流量最大;4月份產(chǎn)流量最小。從表1 可以看出，總體上陡坡地平作產(chǎn)流量高于壟作，不利于防止水土流失，起壟種植在一定程度上可以減輕雨水向下沖刷帶走大量泥土進(jìn)而帶走部分養(yǎng)分，有利于當(dāng)季作物吸收利用。

表1 不同種植模式與施肥量下的產(chǎn)流特征

2．2 不同種植模式與施肥量對(duì)地表徑流中氮、磷質(zhì)量濃度及形態(tài)的影響

2．2．1 地表徑流中氮、磷質(zhì)量濃度分析

由表2 可見，優(yōu)化施肥處理的地表徑流中氮、磷質(zhì)量濃度較對(duì)照(CK)和常規(guī)施肥處理(CON)高。對(duì)照處理總氮和總磷質(zhì)量濃度分別為8.967 和0．125 mg/L，常規(guī)施肥處理分別為9．692 和0．173 mg/L;優(yōu)化施肥的4 個(gè)處理總氮和總磷平均質(zhì)量濃度為12．421和0．253 5 mg/L，較對(duì)照分別增加38．52% 和102．80%，較常規(guī)處理分別增加28．16%和46．53%。由以上結(jié)果可以看出，即使不施任何肥料，只要有地表徑流產(chǎn)生就會(huì)有氮、磷流失，而施肥則增加了氮、磷的流失，加劇了對(duì)農(nóng)田水環(huán)境的污染。

表2 不同種植模式及施肥量下地表徑流中氮、磷的質(zhì)量濃度 mg/L

2．2．2 地表徑流中的氮、磷形態(tài)分析

地表徑流中總氮、總磷養(yǎng)分流失一般以泥沙結(jié)合態(tài)為主，本試驗(yàn)監(jiān)測(cè)年隨地表徑流產(chǎn)生的泥沙量極少，因此集中對(duì)地表徑流水中的總氮、總磷進(jìn)行了測(cè)試研究。表3 數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)中總氮流失較總磷大得多，不同處理可溶性總氮(TDN)占總氮(TN)的9．36% ～14．10%，可溶性總磷(TDP)占總磷(TP)的58．87% ～81．60%。在可溶性無機(jī)養(yǎng)分中以硝態(tài)氮為主，其次是銨態(tài)氮。因?yàn)楹档赝寥劳庑粤己?，硝化作用較強(qiáng)，尿素施入土壤中很快經(jīng)氨化作用轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮，又經(jīng)硝化細(xì)菌作用很快轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，且硝態(tài)氮大多存在于土壤溶液中，遇強(qiáng)降水便造成損失，而銨態(tài)氮易被帶負(fù)電荷的土壤膠體吸附，不易隨徑流水流失。

表3 不同種植模式及施肥量下地表徑流中氮、磷形態(tài) %

2．3 不同種植模式與施肥量下地表徑流中氮、磷的流失量

由表4 可以看出，優(yōu)化施肥條件下，OPT +FM 處理的總氮、銨態(tài)氮、總磷、可溶性總磷流失量最多，分別達(dá)到5．313 5、0．177 4、0．112 2 和0．065 0 kg/hm2，氮、磷流失系數(shù)也最高，分別為0．939 3%和0．126 9%;OPT+TR +FM +NT 處理的總氮、銨態(tài)氮、總磷、可溶性總磷流失量最小，分別為2．756 3、0．130 2、0．051 3和0．039 4 kg/hm2，氮、磷流失系數(shù)也最小，分別為0．229 4%和0．028 1%。優(yōu)化施肥4 個(gè)處理總氮、總磷平均流失量分別為3．785 1、0．078 9 kg/hm2，與CK相比分別增加96．06%、132．06%，與CON 處理相比，總氮、總磷平均流失量分別增加8．84%、11．76%。試驗(yàn)結(jié)果與司友斌等［12］的研究結(jié)論一致，耕地上肥料的流失比例隨施肥量的增加而增加。

表4 不同種植模式及施肥量下地表徑流中氮、磷流失量

2．4 不同種植模式與施肥量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

從計(jì)算結(jié)果和圖1 可知，就籽粒產(chǎn)量而言，優(yōu)化施肥處理＞常規(guī)施肥處理＞對(duì)照。其中，OPT +TR +FM+NT 處理產(chǎn)量最高，達(dá)到6 907．78 kg/hm2，較CK 和CON 分別提高19．53%、13．06%，差異顯著。4 個(gè)優(yōu)化施肥處理相比，OPT +TR +FM +NT 處理產(chǎn)量較OPT、OPT+TR、OPT+FM 處理分別提高11．04%、5．74%和3．05%，各處理之間差異都不顯著。玉米秸稈產(chǎn)量的變化趨勢(shì)和籽粒產(chǎn)量基本一致，都是優(yōu)化施肥處理＞常規(guī)施肥處理＞對(duì)照。分析氮、磷流失量可知，流失量大的處理帶走的氮、磷養(yǎng)分也多，這既不利于作物生長(zhǎng)，又不利于防止水土流失。研究表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過剩的氮、磷是面源污染的主要來源，沒有被當(dāng)季作物吸收利用的氮、磷，部分以地表徑流、地下淋溶的形式流失，部分氮以氨揮發(fā)的形式流失，剩下的少部分氮和大部分磷殘留在土壤中。殘留在土壤中的氮、磷在為后茬作物提供營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)，也增加了隨地表徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致了農(nóng)田周邊水體的富營(yíng)養(yǎng)化［13］。

圖1 不同種植模式及施肥量下玉米籽粒和秸稈產(chǎn)量

3 結(jié)論與討論

(1)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在相同雨強(qiáng)和降雨量條件下，平作的地表徑流量最大，土壤侵蝕也最劇烈;降雨強(qiáng)度大的階段產(chǎn)生的徑流量也大，從而產(chǎn)流系數(shù)也大。這一結(jié)論與林超文等［14］的研究一致。張麗等人也認(rèn)為，作物生育期和降雨量、降雨強(qiáng)度都是影響坡耕地養(yǎng)分流失的重要因素［15］。本研究結(jié)果表明，陡坡地橫坡平作種植不利于攔蓄地表徑流和提高土壤含水量。試驗(yàn)中產(chǎn)生地表徑流的降雨，一般是強(qiáng)度較大的暴雨，入滲強(qiáng)度小于降雨強(qiáng)度而形成徑流，與前人研究結(jié)果［16］一致;或者是強(qiáng)度不大但持續(xù)不斷的中小雨，表層土壤達(dá)到飽和后繼而形成徑流。不同覆膜條件下，全膜平作地表徑流的流速快且流量多;條膜之間的土壤行距能使一部分降雨滲漏淋溶，一定程度上可以阻止地表徑流流失;全膜壟作壟溝間蓄積大量雨水，地膜接縫處雨水自然滲透，增加了降水向下的淋溶效果，但是要注意壟的保護(hù)和定期維護(hù)。

(2)優(yōu)化施肥處理地表徑流中的氮、磷質(zhì)量濃度較CK 和CON 處理高。肥料施用量是影響地表徑流中氮、磷質(zhì)量濃度的主要因素，施肥增加了地表徑流中氮、磷的質(zhì)量濃度，農(nóng)作措施的影響相對(duì)較小。王春梅等研究表明，肥料的大量使用是造成菜地地表徑流氮、磷流失的重要原因［17］;魯耀等認(rèn)為，不同農(nóng)業(yè)措施主要通過地表徑流量影響坡耕地氮、磷流失的多少［18］;林超文等認(rèn)為，在玉米整個(gè)生長(zhǎng)季，降雨產(chǎn)生的地表徑流中總磷的質(zhì)量濃度變化受耕作措施的影響較?。?4］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，即使不施任何肥料，只要有地表徑流產(chǎn)生便會(huì)有氮、磷流失，對(duì)農(nóng)田水體環(huán)境形成威脅。

(3)施肥量相同的情況下，橫坡平作+全膜覆蓋的氮、磷流失量最大，帶走養(yǎng)分也最多;施肥量增加，氮、磷的流失總量與流失系數(shù)相應(yīng)提高。優(yōu)化施肥、橫坡壟作和秸稈覆蓋等農(nóng)藝措施能降低氮、磷流失量，尤其是橫坡壟作種植相對(duì)于順坡壟作氮、磷流失量降低了2/3 左右［18］。王云等研究表明，徑流水氮、磷養(yǎng)分流失總量與施肥量呈正比［19］。本試驗(yàn)得出相同的結(jié)論，施肥和徑流量是影響地表徑流氮、磷流失的主要因素，施肥導(dǎo)致氮、磷養(yǎng)分流失量增加，徑流量大產(chǎn)生的氮、磷流失量相應(yīng)也大。硝態(tài)氮流失量較銨態(tài)氮大，是因?yàn)橄鯌B(tài)氮比較容易流失。氮素流失量明顯高于磷素，可能是因?yàn)榱姿卦谕寥乐形焦潭ㄗ饔煤軓?qiáng)，不易被雨水淋溶損失。

(4)優(yōu)化施肥處理的玉米產(chǎn)量都高于CK 處理和CON 處理，CON 處理高于CK 處理。OPT +TR +FM +NT 處理產(chǎn)量最高，達(dá)到6 907．78 kg/hm2，較對(duì)照增產(chǎn)19．53%，差異顯著。這一結(jié)論與前人研究結(jié)果一致，認(rèn)為施用緩控釋肥或優(yōu)化氮磷鉀肥配比可提高玉米產(chǎn)量和肥料利用率［20－22］。本試驗(yàn)中OPT + TR + FM +NT 處理產(chǎn)生的徑流量最少，帶走的氮、磷養(yǎng)分少，有利于作物產(chǎn)量的提高。結(jié)合氮、磷流失量考慮，黃綿土陡坡地種植稀播作物的最佳模式為OPT + TR + FM +NT，既能保持作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，又能防止水土流失，減少氮、磷流失造成的面源污染。本試驗(yàn)結(jié)果與陳玲［23］等的研究結(jié)果一致，認(rèn)為采取橫坡壟作、平衡施肥等保護(hù)性耕作措施可減少養(yǎng)分流失;但何曉玲等認(rèn)為橫坡壟作并不是一種綜合效益很好的耕作措施，平作控制水土流失效果更好［24］。這可能與土質(zhì)、坡度大小等有關(guān)。本研究中，整個(gè)玉米生育期坡底的玉米長(zhǎng)勢(shì)一直處于劣勢(shì)，可能是由于自上而下徑流量大小不同，越到坡底徑流量匯聚越多，帶走的養(yǎng)分也越多，導(dǎo)致作物不能充分吸收利用;也可能是因?yàn)樾逼马敳拷邮苋照盏臅r(shí)間長(zhǎng)，溫度較底部高，因而作物長(zhǎng)勢(shì)較坡地好。對(duì)于這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，試驗(yàn)還將進(jìn)一步探究。

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［21］李志勇，王璞，Marion B Z，等．優(yōu)化施肥和傳統(tǒng)施肥對(duì)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響［J］．玉米科學(xué)，2003，11(3):90－93，97．

［22］譚德水，江麗華，張騫，等．南四湖過水區(qū)不同施肥模式下農(nóng)田養(yǎng)分徑流特征初步研究［J］．植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2011，17(2):464－471．

［23］陳玲，劉德富，宋林旭，等．香溪河流域坡耕地人工降雨條件下土壤氮素流失特征［J］．生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，28(6):616－621．

［24］何曉玲，鄭子成，李廷軒，等．玉米種植下紫色坡耕地徑流中磷素流失特征研究［J］．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31(12):2441－2450．