張白雪，何福紅，朱巧紅，彭新華*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東煙臺 264025)

紅壤區(qū)是我國熱帶亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物與林果生產(chǎn)基地。受季風(fēng)氣候的影響，降雨豐沛但季節(jié)分配不均，加之紅壤黏粒含量高，透水性差，人類活動強(qiáng)度大，紅壤地區(qū)水土流失嚴(yán)重[1]。據(jù)報(bào)道該區(qū) 50%以上水土流失發(fā)生在坡耕地[2]，加劇了紅壤退化，成為制約該區(qū)域生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。紅壤坡耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律得到了比較全面的認(rèn)識。一般而言，坡耕地的徑流高于林果地和植被恢復(fù)地[3-4]，可見，坡耕地由于翻耕擾動導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞是紅壤坡耕地產(chǎn)沙的一個(gè)重要因素。室內(nèi)模擬也驗(yàn)證了翻耕顯著提高了水土流失[5]。除此之外，前期土壤含水量、降雨強(qiáng)度、植被覆蓋度等因素對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響也得到充分的認(rèn)識[6-7]。紅壤坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙主要發(fā)生在雨季，這既與降雨特征密切相關(guān)，也與地表覆蓋和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等有關(guān)。據(jù)報(bào)道產(chǎn)流產(chǎn)沙隨著花生的生長和覆蓋度的提高而逐漸降低[8]。紅壤坡耕地水土保持措施也得到廣泛關(guān)注。秸稈覆蓋是農(nóng)業(yè)保護(hù)性耕作的核心技術(shù)，不僅可以增加土壤有機(jī)物投入，改善土壤的理化性質(zhì)，還增加了地表粗糙度，緩沖雨滴對地表的擊濺打擊，防止土壤結(jié)皮的產(chǎn)生，能有效地減少水土流失[9]。長期定位試驗(yàn)表明稻草覆蓋+香根草籬處理比對照降低了 50% 的徑流和60% 以上的泥沙[10]。保護(hù)性耕作和生物籬是傳統(tǒng)的水土保持措施，但是由于紅壤坡耕地秸稈資源匱乏，草籬與作物存在競爭等因素，這些水土保持措施在紅壤坡耕地推廣程度受到一定的限制。有機(jī)培肥是提升土壤肥力和提高作物產(chǎn)量的主要措施，但是有機(jī)培肥試驗(yàn)地主要建立在平坦的立地條件下，沒有考慮侵蝕作用。為此，在坡耕地開展有機(jī)培肥試驗(yàn)，通過提高土壤有機(jī)質(zhì)，提升土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加作物覆蓋度，最終實(shí)現(xiàn)水土保持效果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在中國科學(xué)院鷹潭紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站水土保持實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行(28°15′ N，116° 55′ E)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫17.8 ℃，≥10 ℃積溫為5 528 ℃；雨量豐富，年均降雨量1 795 mm，但季節(jié)分配不均，主要集中在4—6月份。區(qū)域地勢以低丘崗地為主要地形，海拔低于100 m，坡度約為10°，土壤為第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)發(fā)育的典型紅壤，質(zhì)地黏重，主要黏土礦物為高嶺石。實(shí)驗(yàn)前土壤有機(jī)碳7.44 g/kg，全氮0.73 g/kg，pH 5.34，砂粒29.1 g/kg，粉粒33.9 g/kg和黏粒37.0 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

侵蝕試驗(yàn)地建于2011年[11]，順坡旱作花生，坡度為5°～8°，設(shè)置5個(gè)處理：不施肥為對照(CK)、單施化肥(NPK)、化肥加秸稈覆蓋(NPK+Str)、化肥加生物質(zhì)炭(NPK+BC)和化肥加豬糞培肥(NPK+SM)。除對照處理外，花生季氮、磷、鉀肥的用量分別為N 1 72.5 kg/hm2，P2O590.0 kg/hm2和 K2O 180 kg/hm2。為了促進(jìn)花生對鈣元素的吸收，施用硼肥 B 0.162 kg/hm2。碳投入量為C 2 t/hm2，NPK+Str、NPK+BC和NPK+SM處理分別施秸稈(含C 400 g/kg)5.0 t/hm2、生物質(zhì)炭(含 C 500 g/kg)4.0 t/hm2和豬糞(含 C 250 g/kg)8.0 t/hm2。秸稈為水稻秸稈，生物質(zhì)炭為水稻秸稈在400 ℃下厭氧炭燒4 h制備。豬糞提前堆放到田間，漚肥待用。在花生播種前，將豬糞、生物質(zhì)炭和基肥(N、P、K、B)撒施入小區(qū)內(nèi)，翻耕混勻，然后順坡起壟播種花生。花生播種后立即將秸稈以覆蓋的方式還田。每個(gè)處理重復(fù)3次。小區(qū)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)長20 m，寬6 m，共15個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)各 13壟，每壟 100穴，每穴種植 2 株，壟距43 cm，株距20 cm。花生全生育期為4—8月，其他月份農(nóng)閑休耕。

1.3 侵蝕小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的測定

本研究產(chǎn)流產(chǎn)沙監(jiān)測時(shí)間為2015年1—12月。每一小區(qū)下端出口挖坑砌池(長×寬×高=1.5 m×1.0 m×0.5 m)，安裝翻斗式徑流儀，連接事件計(jì)數(shù)器(Onset computer corporation)，實(shí)時(shí)監(jiān)測徑流的全過程。徑流深度計(jì)算公式為：

式中：Runoff為徑流深度 (mm)；V為翻斗儀容量(2 L)；N為降雨事件的翻斗次數(shù)；A為徑流小區(qū)面積(120 m2)。

同時(shí)，翻斗計(jì)下安裝孔徑300目的濾網(wǎng)，收集每次降雨事件后的泥沙稱重(Mw)，并從中取0.5 kg濕沙烘干后再稱重(Md)，由此計(jì)算產(chǎn)沙量：

式中：Erosion為單位面積產(chǎn)沙量 (t/hm2)；Mw為泥沙濕重(kg)；Md為0.5 kg濕沙的烘干重(kg)；A為侵蝕小區(qū)面積(120 m2)。降雨數(shù)據(jù)來源于紅壤生態(tài)試驗(yàn)站氣象自動觀測儀(型號MAWS301，芬蘭VAISALA公司)，離試驗(yàn)地400 m左右。

1.4 樣品采集與分析

花生成熟后，每小區(qū)采集2個(gè)樣方(m2)的植株，將植株地上部、根系、莢果分開收集，75 ℃烘干至恒重，測定各部分生物量?；ㄉ斋@后，用鐵鍬采集0～20 cm耕層土壤，放入硬質(zhì)盒子帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干過8 mm篩，測定土壤有機(jī)碳和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等。有機(jī)碳含量采用硫酸重鉻酸鉀加熱氧化-容量法，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用Yoder濕篩法。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性用土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)來表征，計(jì)算公式為：

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、多重比較(LSD檢驗(yàn))和相關(guān)性檢驗(yàn)，采用Origin Pro 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)培肥對土壤性質(zhì)與花生產(chǎn)量的影響

由表1可知，2015年各處理的花生產(chǎn)量為0.34 ～1.39 t/hm2，施肥顯著提高了花生產(chǎn)量(P＜ 0.05)。與單施無機(jī)肥(NPK)處理相比，無機(jī)肥與豬糞配施(NPK+SM)處理提高了花生產(chǎn)量的27%，但是秸稈覆蓋(NPK+Str)和生物質(zhì)炭(NPK+BC)處理并沒有提高產(chǎn)量。與往年相比，2015年的產(chǎn)量僅為2014年產(chǎn)量(CK：0.97 t/hm2；NPK：2.53 t/hm2；NPK+Str：2.82 t/hm2；NPK+BC：2.21 t/hm2；NPK+SM：2.45 t/hm2)的35%～57%，主要原因是2015年降雨多集中在花生生長后期，花生發(fā)生了病蟲害。與CK處理相比， NPK處理雖然提高了花生產(chǎn)量與生物量(P＜0.05)，但并沒有提高土壤有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性(P＞0.05)。與 NPK處理相比，NPK+Str和NPK+BC處理沒有提高土壤有機(jī)碳含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和地上生物量(P＞0.05)，但是 NPK+SM 處理顯著提高了土壤有機(jī)碳含量、地上生物量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性(P＜0.05)。NPK+Str處理沒有提高土壤有機(jī)碳的原因是由于秸稈與土壤沒有充分接觸，即秸稈沒有參與團(tuán)聚體形成而被物理保護(hù)。生物質(zhì)炭由于自身惰性，團(tuán)聚作用不明顯[12]。本研究的田間結(jié)果再次驗(yàn)證稻草秸稈制成的生物質(zhì)炭不能提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但是其農(nóng)學(xué)效應(yīng)不明顯與他人的研究結(jié)果不一致[12-14]。盆栽試驗(yàn)或平坦的立地條件下的研究均表明生物質(zhì)炭顯著促進(jìn)了作物生長[12-14]，沒有考慮土壤侵蝕的作用。與試驗(yàn)前土壤性質(zhì)相比，土壤有機(jī)碳含量除NPK+SM處理外均有下降趨勢，其中CK處理下降幅度最大，可見侵蝕是紅壤坡耕地有機(jī)碳下降的主要原因之一。

表1 2015年有機(jī)培肥對土壤性質(zhì)與花生產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of organic fertilization on soil properties and peanut yield in 2015

2.2 有機(jī)培肥對產(chǎn)流的影響

2015年降雨量為2 089 mm，主要集中在5—6月，花生生長季4—8月占年降雨量的58%(圖1)。各處理下徑流量為222～429 mm，其中花生季占年徑流量的39%～79%(圖2)。與CK處理相比，NPK處理沒有降低徑流(P＜0.05)。與NPK處理相比，NPK+Str和 NPK+BC處理顯著降低了徑流(P＜0.05)。這一降低主要發(fā)生在花生季，僅為NPK處理的42%～69%，而在非花生季，NPK+Str處理反而提高了地表徑流(P＜0.05)。

秸稈覆蓋是傳統(tǒng)的水土保持措施。秸稈覆蓋顯著降低了雨滴動能，減緩了土壤結(jié)皮的形成速度，提高了入滲，減少了徑流[9]。生物質(zhì)炭由于自身多孔，提高了土壤孔隙度，增加了飽和導(dǎo)水率[15]。與NPK處理相比，NPK+SM處理顯著提高了徑流(P＜0.05)，特別是在花生季。施用豬糞提高了作物地上生物量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，但是由于增加的覆蓋度降低了土壤蒸發(fā)，導(dǎo)致土壤含水量高。較高的前期土壤含水量有利于產(chǎn)流[6]。其次，據(jù)前人報(bào)告[16]，豬糞可提高土壤斥水性，這利于降雨轉(zhuǎn)化成地表徑流，但是這一機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

圖1 2015年不同處理徑流深度的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variations of surface runoffs under different treatments in 2015

為了區(qū)分地表覆蓋對產(chǎn)流的影響，降雨-產(chǎn)流的關(guān)系分為花生季(4—8月)和非花生季(9—3月)兩個(gè)時(shí)段來分析(表2)。相對花生季徑流(86 ～311 mm)，非花生季徑流在各處理之間的差異較小(70～135 mm)。除NPK+Str處理外，花生季徑流系數(shù)(0.12～0.25)要高于非花生季(0.08～0.13)，這主要是花生季與雨季同期，土壤含水量高的緣故。從降雨-產(chǎn)流的關(guān)系來看，花生季的相關(guān)系數(shù)(0.806～0.889)顯著高于非花生季(0.303～0.653)，說明地表覆蓋對降雨-產(chǎn)流的關(guān)系影響較小，而前期土壤含水量是主要因子。在非花生季，NPK+Str處理的降雨-產(chǎn)流斜率最大(0.412)，NPK+BC處理的斜率最小(0.068)；在花生季，CK和 NPK+SM處理的斜率較大(0.333～0.381)，NPK+Str處理的斜率最小(0.095)。降雨-產(chǎn)流的斜率反映降雨轉(zhuǎn)化為徑流的系數(shù)，可見秸稈覆蓋處理的產(chǎn)流最少，而CK和NPK+SM處理最大，這與圖2的結(jié)果一致。但是，在非花生季，隨著秸稈進(jìn)一步腐解，腐解后所形成的細(xì)小的秸稈顆?？赡芴畛淞吮韺油寥揽紫叮瑢?dǎo)致產(chǎn)流增加。而生物質(zhì)炭提高土壤孔隙度[15]，不但削弱了降雨-產(chǎn)流相關(guān)性，也降低了產(chǎn)流。

圖2 不同處理花生季和非花生季的徑流深度Fig. 2 Runoffs under different treatments in peanut season and non-peanut season

表2 有機(jī)培肥下花生季(N=55)與非花生季(N=68)降雨量與徑流深度的回歸關(guān)系Table 2 Regression relations between rainfalls and runoffs under organic fertilization in peanut season and non-peanut season

2.3 有機(jī)培肥對產(chǎn)沙的影響

2015年產(chǎn)沙量以處理為順序：NPK(36.5 t/hm2)、CK(36.1 t/hm2)、NPK+BC(31.9 t/hm2)，NPK+SM(19.6 t/hm2)和NPK+Str(2.9 t/hm2)。以常規(guī)耕作的NPK處理為例，按容重1.2 g/cm3換算，相當(dāng)于每年約3 mm表層土被侵蝕，達(dá)到中度侵蝕[17]，也高于2014年的產(chǎn)沙量(30 t/hm2)[11]，存在明顯的年際變化。除NPK+Str處理外，侵蝕主要發(fā)生在5—6月(74%～83%)(圖3)，這與該時(shí)段降雨集中、地表覆蓋度低和翻耕擾動等有關(guān)。除NPK+Str處理外，花生季(4—8月)侵蝕量占年侵蝕量的 78% ～86%(圖4)。與CK處理相比，單施化肥(NPK)處理雖然能提高地表覆蓋度(表 1)，但是沒有降低土壤侵蝕。與NPK處理相比，NPK+Str處理極顯著地減少了土壤侵蝕(P＜0.001)，這與他人結(jié)果一致[10]。秸稈覆蓋阻控水土流失效果顯著，但是紅壤坡耕地秸稈資源較少，難以推廣。施用生物質(zhì)炭(NPK+BC)降低了地表徑流(圖 3)，但是沒有降低土壤侵蝕(P＞0.05)。在田間試驗(yàn)中，本研究觀察到大量生物質(zhì)炭隨水流失，同時(shí)泥沙中土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他處理。這說明坡耕地上施用生物質(zhì)炭，特別是秸稈生物質(zhì)炭由于質(zhì)量輕，顆粒小，團(tuán)聚能力弱，極易被沖刷出土體而損失[11]，最終改良效果不明顯(表1)。因此，生物質(zhì)炭雖然能提高土壤孔隙度[15]，對降低地表徑流有一定的作用，但是不能促進(jìn)團(tuán)聚體形成[11-12]，對水土流失阻控的效果不明顯。因此，在易遭水土流失的紅壤坡耕地上，生物質(zhì)炭的改良效果并非與盆栽試驗(yàn)或無侵蝕的平坦區(qū)的結(jié)果一致[12-13]。與 NPK處理相比，施用豬糞(NPK+SM)雖然提高了地表徑流(圖 2)，但是通過提高地表覆蓋度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性(表 1)，降低了46% 的水土流失(P＜0.05)。大量長期定位試驗(yàn)也表明豬糞能提高作物產(chǎn)量，增加土壤有機(jī)碳含量，提高水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成[18]，但是開展有機(jī)肥對水土流失阻控的研究較少。本研究區(qū)豬糞資源豐富[19]，而旱地秸稈資源缺乏。有機(jī)肥施用提高了土壤肥力，促進(jìn)了團(tuán)聚體形成，阻控了水土流失，是支撐該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

3 結(jié)論

圖3 2015年不同處理土壤侵蝕的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variations of soil erosion under different treatments in 2015

圖4 2015年不同處理花生季與非花生季的土壤侵蝕Fig.4 Soil erosion rates under different treatments in peanut season and non-peanut seasons in 2015

紅壤坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙主要發(fā)生在花生季，產(chǎn)流受地表覆蓋的影響小，而受前期土壤含水量的影響大；產(chǎn)沙受降雨、地表覆蓋和翻耕擾動等多因素的綜合影響。秸稈覆蓋能顯著降低產(chǎn)流產(chǎn)沙，但是秸稈資源在紅壤坡耕地匱乏，難以推廣；生物質(zhì)炭顯著降低產(chǎn)流，但是對減沙效果和提高作物生長不明顯，主要是生物質(zhì)炭容易隨水流失；豬糞在該區(qū)資源豐富，對提高土壤肥力，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，阻控水土流失效果顯著。因此，紅壤區(qū)應(yīng)注重花生季水土流失，增施有機(jī)肥是該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。

[1] 趙其國. 紅壤物質(zhì)循環(huán)及其調(diào)控[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2002

[2] 黃道友, 鄒永霞. 關(guān)于湖南省生態(tài)環(huán)境建設(shè)的思考[J].生態(tài)農(nóng)業(yè)研究, 2000, 8(4): 83-86

[3] 胡實(shí), 謝小立, 王凱榮．紅壤坡地不同土地利用類型地表產(chǎn)流特征[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2007, 23(4): 24-28

[4] 呂玉娟, 彭新華, 高磊, 等. 紅壤丘陵崗地區(qū)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及影響因素研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(6):19-23

[5] 李裕元, 邵明安. 土壤翻耕對坡地水分轉(zhuǎn)化與產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2003,19(1): 46-50

[6] 張向炎, 史學(xué)正, 于東升, 等. 前期土壤含水量對紅壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性的影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2010, 21(1):23-29

[7] 黃俊, 亢慶, 金平偉, 等. 南方紅壤區(qū)坡面次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征[J]. 中國水土保持科學(xué), 2016, 14(2): 23-30

[8] 朱巧紅, 彭新華, 潘艷斌, 等. 添加有機(jī)物料對花生不同生育時(shí)期產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2015,29(5): 29-33

[9] Zhou H, Peng X H, Darboux F. Effect of rainfall kinetic energy on crust formation and interrill erosion of an Ultisol in subtropical China[J]. Vadose Zone Journal, 2013, 12(4).doi:10.2136/vzj2013.01.0010

[10] 鐘義軍, 葉川, 黃欠如, 等. 紅壤緩坡花生地不同水土保持措施效果分析[J]. 中國水土保持科學(xué), 2011, 9(3):71-74

[11] Peng X H, Zhu Q H, Xie Z B, et al. The impact of manure,straw and biochar amendments on aggregation and erosion in a hillslope Ultisol[J]. Catena, 2016, 138: 30-37

[12] Peng X H, Ye L L, Wang C H, et al. Temperature-and duration-dependent rice straw-derived biochar: Characteristics and its effects on soil properties of an Ultisol in southern China[J]. Soil and Tillage Research, 2011, 112(2):159-166

[13] Zhu Q H, Peng X H, Huang T Q, et al. Effect of biochar addition on maize growth and nitrogen use efficiency in acidic red soils[J]. Pedosphere, 2014, 24(6): 699-708

[14] Xu C Y, Hosseini-Bai S, Hao Y, et al. Effect of biochar amendment on yield and photosynthesis of peanut on two types of soils[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22: 6112-6125

[15] 靳澤文, 陳效民, 李秋霞, 等. 生物質(zhì)炭對旱地紅壤理化性狀和水力學(xué)特性的影響[J]. 水土保持通報(bào), 2015,35(6): 81-85

[16] Doerr S H, Shakesby R A, Walsh R P D. Soil water repellency:Its causes, characteristics and hydro-geomorphological significance[J]. Earth-Science Reviews, 2000, 51(1): 33-65

[17] Morgan, R P C., Soil erosion and conversation[M]. 3rded.Singapore: Blackwell Publishing, 2005:152-174

[18] Yan X, Zhou H, Zhu Q H, et al. Carbon sequestration efficiency in paddy soil and upland soil under long-term fertilization in southern China[J]. Soil and Tillage Research,2013, 130(1): 42-51

[19] 周志高, 李忠佩, 何園球, 等. 紅壤丘陵區(qū)生豬規(guī)模化養(yǎng)殖及其對土壤與水環(huán)境的影響——以江西省余江縣為例[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(4): 703-711