白怡婧, 李 渝, 黃興成, 劉彥伶, 張雅蓉, 蔣太明， 秦 松

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025; 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所, 貴州 貴陽 550006;3.農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測試驗站, 貴州 貴陽 550006; 4.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所, 貴州 貴陽 550006)

貴州省地處云貴高原東大斜坡地帶，6°～25°坡耕地共2.91×106hm2，占該省耕地總面積的61.0%[1]。受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，夏季降雨量大。當(dāng)降雨強度超過地面下滲能力時，則形成地表徑流[2]。地表徑流作為土壤養(yǎng)分流失的驅(qū)動力[3]，其溶解和攜帶的養(yǎng)分物質(zhì)隨徑流而遷移，當(dāng)徑流量過大時，被攜帶流失的養(yǎng)分也隨之增加。坡耕地易發(fā)生水土流失，導(dǎo)致土壤肥力降低、土地退化嚴(yán)重、作物產(chǎn)量削減等問題[4]，嚴(yán)重制約了貴州省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。同時，部分區(qū)域化肥施用過量，導(dǎo)致肥料利用率降低，作物產(chǎn)量不穩(wěn)定性和不可持續(xù)性增加[5]。橫坡壟作[6]、秸稈覆蓋[7]、等高植物籬[8]等保護性耕作措施可降低地表徑流，減少氮磷養(yǎng)分流失，保持土壤肥力，為作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及可持續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)保障[9]。有研究[10]表明，單施化肥橫坡耕作處理穩(wěn)定性高于單施化肥順坡處理，說明耕作措施改變了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以往針對坡耕地的保護性耕作研究中[6-8]，將土壤養(yǎng)分、地表徑流、氮磷流失與作物產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性相結(jié)合的研究并不多見。隨著糧食生產(chǎn)成本不斷增加[11]，全球氣候和環(huán)境等問題日益凸顯，糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性越來越受到人們的關(guān)注。如何提高耕地質(zhì)量使作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[12]，是當(dāng)前解決糧食安全、生態(tài)發(fā)展等重大社會挑戰(zhàn)的關(guān)鍵[13]。本研究利用貴州省農(nóng)業(yè)面源污染長期定位監(jiān)測平臺，探究黃壤坡耕地地區(qū)玉米—油菜種植模式下保護性耕作對土壤養(yǎng)分、氮磷流失量及作物產(chǎn)量的影響，可為貴州坡耕地水土流失治理及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴安新區(qū)湖潮鄉(xiāng)湖潮村(106°31′52″ E，26°28′17″ N)，地處黔中丘陵區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，平均海拔1 100 m，年均氣溫14.9 ℃，2017和2018年平均降水量分別為920.2和852.1 mm，降雨主要集中于每年4—9月份。試驗地坡度15.1°，坡向西南，土壤類型為黃壤土類黃黏泥土。該試驗地為貴州省農(nóng)業(yè)面源污染長期定位監(jiān)測點，2007年開始基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和勻地，2008年開始連續(xù)監(jiān)測。本論文數(shù)據(jù)為2016年10月至2018年10月監(jiān)測數(shù)據(jù)。耕層(0—20 cm)基礎(chǔ)土樣有機質(zhì)22.37 g/kg，全氮1.21 g/kg，全磷0.68 g/kg，有效磷13.33 g/kg，有效鉀94.80 g/kg1，pH值為6.25。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗種植模式為玉米—油菜，油菜品種為芥菜型油菜，玉米品種為金玉838。試驗共設(shè)6個處理，3次重復(fù)，共18個小區(qū)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為6 m×3.5 m=21 m2。秸稈覆蓋使用前茬作物秸稈；等高植物籬為沿等高線種植兩帶黃花菜植物籬，3 m一帶，每帶兩行，行寬25 cm，株距15 cm，每穴兩株。供試化肥為尿素(含N 46.0%)、過磷酸鈣(含P2O512.0%)和氯化鉀(含K2O 60%)；有機肥為圈肥，含水率30%，含N 1.29%，含P2O50.44%，K2O 1.54%，不同施肥量詳見表1。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 徑流水樣 于每次降雨產(chǎn)流后，記錄地表徑流量(mm)，并采集水樣與泥沙的混合徑流樣置于塑料瓶速凍密閉保存。采樣后抽干并清洗徑流池，避免與下次徑流樣品混合污染。水樣測定總氮、總磷，具體方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[14]。

表1 試驗處理及施肥量

注：種植模式為玉米—油菜; TR1:不施肥+順坡平作；TR2:常規(guī)施肥+順坡平作；TR3:優(yōu)化施肥+順坡平作；TR4:優(yōu)化施肥+橫坡壟作；TR5:優(yōu)化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋；TR6:優(yōu)化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋+等高植物籬。其中，P，K肥作底肥1次施用；玉米N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥30%，第2次追肥50%；油菜N肥分3次施用，底肥20%，第1次追肥40%，第2次追肥40%。

1.3.2 土壤樣品 在玉米收獲后用梅花法采集0—20 cm多點混合樣，每個樣品采集量為1 kg，去除根系、石塊帶回室內(nèi)風(fēng)干，研磨并過0.25 mm尼龍篩，待測。共測定全氮、全磷、速效氮、有效磷和有機質(zhì)5項指標(biāo)，測試方法均參照《土壤農(nóng)化分析》(第3版)[15]。

1.3.3 作物產(chǎn)量 油菜和玉米于各自收獲季將各試驗小區(qū)作物全部收獲，脫粒、曬干后稱取風(fēng)干樣品質(zhì)量，并分別測定含水率，進而計算不同作物各小區(qū)地上部分干物質(zhì)產(chǎn)量。

1.4 計算方法及數(shù)據(jù)處理

氮、磷素年流失量為累計加和經(jīng)流水中某形態(tài)氮、磷的年流失總量，它等于整個監(jiān)測周期(一周年)每次經(jīng)流水中某形態(tài)氮、磷濃度與經(jīng)流水體積乘積之和，其計算公式[16]為：

(1)

式中：P——氮素流失量(kg/hm2)；Ci——第i次經(jīng)流水中氮的濃度；Vi——第i次經(jīng)流水的體積；n——經(jīng)流水樣次數(shù)。磷素流失量計算方法相同。

作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性是反映糧食安全的重要指標(biāo)。作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性高低用穩(wěn)定性指數(shù)(stability index, SI)衡量，SI值越低表明產(chǎn)量越穩(wěn)定，其計算公式[5]為：

(2)

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(sustainable yield index, SYI)是衡量系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)的一個重要參數(shù)，SYI越大，產(chǎn)量的可持續(xù)性越好，其計算公式[5]為：

(3)

數(shù)據(jù)的處理與分析使用Excel和SPSS 17.0，其中差異性采用鄧肯新復(fù)極差法(Duncan)檢驗，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流量及氮、磷流失量分析

同等施肥條件下，保護性耕作TR4，TR5，TR6地表徑流量比順坡平作TR3減少59.72%，74.13%，89.18%。其中，TR6減少幅率最大，為緩沖徑流的最優(yōu)處理。隨著徑流量的減少，被攜帶流失的養(yǎng)分也顯著降低。氮流失量方面，橫坡壟作TR4，TR5，TR6遠小于順坡平作TR3，TR2，TR1，呈顯著差異，TR6尤為明顯，較TR5，TR4，TR3，TR2，TR1降低了43.48%，59.38%，82.43%，79.03%，91.77%；磷流失量方面差異不顯著，整體表現(xiàn)出橫坡壟作流失量小于順坡平作。表明保護性耕作可減少徑流量及氮磷流失量，其中橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬相結(jié)合的綜合保護性耕作措施效果最明顯(表2)。

表2 不同處理下徑流量及總氮、總磷流失量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同列不同字母表示在α=0.05下差異達顯著水平。下同。

2.2 土壤養(yǎng)分分析

保護性耕作對土壤有機質(zhì)、氮、磷全量及堿解氮、有效磷含量具有不同程度的提高作用(表3)。同等施肥條件下，尤以TR5，TR6對全氮含量影響最大，且顯著高于其他4個處理，其中，比TR4高20.00%，23.67%，比TR3高23.53%，27.31%；全磷含量差異不顯著，保護性耕作處理TR4，TR5，TR6的全磷含量較順坡平作TR3都略微增加?？梢?，保護性耕作能有效提高土壤養(yǎng)分，其中橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬種植相結(jié)合的綜合保護性耕作措施效果較為明顯。

表3 不同處理下土壤養(yǎng)分含量

2.3 作物產(chǎn)量及其穩(wěn)定性、可持續(xù)性分析

不同處理下油菜和玉米的產(chǎn)量不同，其穩(wěn)定性和可持續(xù)性也不同(表4)。

保護性耕作處理與順坡平作處理下的油菜平均產(chǎn)量差異不顯著。各處理之間的玉米平均產(chǎn)量差異顯著(p<0.05)，其穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù)存在明顯差值，SI平均值的大小順序為：TR1>TR3>TR2>TR4>TR5>TR6，SYI平均值的大小順序為：TR6>TR5>TR4>TR3>TR2>TR1。其中TR4，TR5和TR6的穩(wěn)定性和可持續(xù)性良好，SI值分別為0.082，0.066和0.065，SYI值分別為0.831，0.838和0.854，其產(chǎn)量也較高(均大于14 000 kg/hm2)。從穩(wěn)產(chǎn)性和產(chǎn)量可持續(xù)性方面分析，同等施肥條件下，保護性耕作處理TR4，TR5，TR6在產(chǎn)量較高的同時SI值最低且SYI值最高，表明保護性耕作是實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、可持續(xù)性生產(chǎn)的有效耕作方式。

表4 不同處理下作物產(chǎn)量及其穩(wěn)定性(SI)、可持續(xù)性指數(shù)(SYI)

2.4 作物產(chǎn)量、徑流量、氮磷流失量和土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析

因試驗地降雨主要集中發(fā)生于每年4—9月，油菜季幾乎沒有地表徑流發(fā)生，故本研究對油菜產(chǎn)量與徑流量、氮磷流失量的相關(guān)性不作分析。將不同處理下的玉米、油菜產(chǎn)量，徑流量、氮磷流失量及各土壤養(yǎng)分進行相關(guān)分析(表5)后得出，油菜產(chǎn)量與全氮、全磷、有效磷、有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與堿解氮呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，說明油菜產(chǎn)量與5種養(yǎng)分因子呈同步增加趨勢，堿解氮的增加趨勢略低于其他4種；玉米產(chǎn)量與徑流量、氮、磷流失量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，即徑流量、氮、磷流失量越小玉米產(chǎn)量越高，與全氮、全磷、有效磷、堿解氮、有機質(zhì)之間的相關(guān)趨勢與油菜產(chǎn)量一致。氮流失量與徑流量成極顯著正相關(guān)(p<0.01)，表示徑流量的產(chǎn)生伴隨氮的流失，與全氮呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與堿解氮呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，這說明了氮流失量越大全氮、堿解氮含量越低；磷流失量與徑流量成極顯著正相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)達0.928，與全磷、有效磷都呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.753，-0.686。徑流量與玉米產(chǎn)量、氮、磷流失量、全氮、有效磷、有機質(zhì)都呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.867，0.987，0.928，-0.838，-0.783，-0.865，表明了地表徑流的發(fā)生對作物產(chǎn)量、氮磷流失量、各土壤養(yǎng)分都有顯著影響。

3 討 論

貴州地處我國西南喀斯特地區(qū)生態(tài)脆弱帶，由于先天不利的地形條件加上歷經(jīng)數(shù)代墾殖和不合理的耕作方式，導(dǎo)致水土流失，影響農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)功能和可持續(xù)發(fā)展能力。已有研究表明，保護性耕作可以顯著降低坡耕地氮、磷流失量，并保持土壤養(yǎng)分，從而促進作物增產(chǎn)[10]。本研究中，順坡平作處理TR1，TR2，TR3產(chǎn)生的徑流顯著高于保護性耕作處理TR4，TR5，TR6，這是因為橫坡壟作通過改變耕作方向在降雨量過大時促使雨水在橫壟土壤中橫向運移，增大坡耕地的儲水，減小徑流量。同等施肥條件下，在橫坡壟作的基礎(chǔ)上增加秸稈覆蓋及等高植物籬等措施更有利于減少地表徑流，地表徑流量表現(xiàn)為：TR6

表5 作物產(chǎn)量、徑流量、總氮磷流失量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)

注：“+”表示正相關(guān)(省略)，“—”示正表示表示負(fù)相關(guān)；*和**分別表示相關(guān)系數(shù)達顯著水平(p<0.05)、極顯著水平(p<0.01)。X1表示油菜產(chǎn)量，X2表示玉米產(chǎn)量，X3表示氮流失量，X4表示磷流失量，X5表示徑流量，X6表示全氮含量，X7表示全磷含量，X8表示有效磷含量，X9表示堿解氮含量，X10表示有機質(zhì)含量。

保護性耕作能有效保持氮和磷等土壤養(yǎng)分。不同處理間氮流失量規(guī)律基本與徑流量保持一致，橫坡壟作下的氮流失量顯著小于順坡平作，隨著徑流量的減小，氮流失得到有效控制。不同處理對磷流失量的影響也基本表現(xiàn)為實施保護性耕作的處理流失量較小，但處理間的差異不如氮流失量顯著，這與馬琳琳等[17]的研究一致，原因是土壤對磷的固持能力較氮的強。本研究結(jié)果表明，同等施肥條件下，保護性耕作處理的全氮含量顯著高于順坡平作，尤其是實施了秸稈覆蓋和等高植物籬種植技術(shù)的處理，這與前人研究結(jié)果相同[18]。

保護性耕作能促進作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[10]。優(yōu)化施肥處理下玉米產(chǎn)量顯著高于不施肥及常規(guī)施肥處理，而同等施肥條件下不同耕作處理之間玉米產(chǎn)量無顯著差異，但從產(chǎn)量穩(wěn)定指數(shù)及可持續(xù)性指數(shù)的表征系數(shù)來看，橫坡壟作、橫坡壟作+秸稈覆蓋、橫坡壟作+秸稈覆蓋+等高植物籬處理的穩(wěn)定性遠遠大于順坡平作處理，可持續(xù)性指數(shù)也明顯高于順坡平作處理。說明優(yōu)化施肥是提高作物產(chǎn)量最有效的方式，而秸稈覆蓋、等高植物籬種植技術(shù)措施是影響作物產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的主導(dǎo)因素。耕地是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，耕作技術(shù)與耕地質(zhì)量是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。秸稈覆蓋條件下土壤養(yǎng)分含量增加，恒溫保墑，能有效提高作物產(chǎn)量[19]。等高植物籬通過利用其根部緩減水流速度，增加徑流入滲，提高土壤含水量，促進土壤養(yǎng)分良性循環(huán)，結(jié)合橫坡壟作及秸稈覆蓋，實現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及可持續(xù)生產(chǎn)[8-9,19]。綜上，橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬種植相結(jié)合的綜合保護性耕作措施對減少徑流量、氮磷流失量、提高作物產(chǎn)量的效能大于單項保護性耕作措施，楊愛民等[20]的研究結(jié)果也表明壟作與植物籬相結(jié)合的處理對減小地表徑流量和作物增產(chǎn)的效果優(yōu)于無等高植物籬的處理。

4 結(jié) 論

與順坡平作相比，橫坡壟作、秸稈覆蓋、等高植物籬種植等保護性耕作能有效降低坡耕地地表徑流、降低氮磷流失量，防治坡耕地水土流失，改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量，為穩(wěn)定、持續(xù)增產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，其中橫坡壟作+秸稈覆蓋+等高植物籬效能最顯著，是目前西南地區(qū)坡耕地農(nóng)作物生產(chǎn)最適宜的耕作方式。