趙曉海, 唐尙柱, 張學(xué)勝, 李玉成, 王順永, 斯鑫鑫
(安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)
苦驢河小流域是派河的水源地,而派河作為巢湖主要入湖支流之一,其水質(zhì)的優(yōu)劣對巢湖的水質(zhì)安全具有重要影響。當(dāng)前,區(qū)域內(nèi)點(diǎn)源污染逐漸減輕,而農(nóng)業(yè)面源污染問題則亟待解決[1-2]。水土流失是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要途徑,苦驢河源頭農(nóng)業(yè)區(qū)土壤侵蝕的情況較為嚴(yán)重,林坡地平均土壤侵蝕模數(shù)為655.04 t/(km2·a)[3]。該地人口密度大,為了提高經(jīng)濟(jì)收入,居民大量開荒種植苗木,并且在經(jīng)果林種植中,大量使用化肥農(nóng)藥和除草劑,使得土壤退化嚴(yán)重,生態(tài)防護(hù)效益下降,生態(tài)環(huán)境惡化。此外,由于受傳統(tǒng)農(nóng)林業(yè)種植、經(jīng)營方式影響,在經(jīng)濟(jì)林地建設(shè)中,仍采用全墾、全復(fù)整地手段造林,并人為清除林下灌木及枯落物,使地表長時(shí)間裸露,引發(fā)嚴(yán)重的水土流失。根據(jù)“源頭減量—過程阻斷—養(yǎng)分再利用—生態(tài)修復(fù)”的理論體系,源頭控制是控制農(nóng)業(yè)面源污染的重要環(huán)節(jié)[4]。因此,研究林下徑流SS及N,P損失特征及土壤性質(zhì)情況對于源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。
秸稈覆蓋種植大球蓋菇技術(shù)具有改善土壤性質(zhì),提高土壤肥力,控制雜草生長的良好效果,是一種良好的消納農(nóng)業(yè)廢棄物,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效手段[5]。地面覆蓋、坡面改造措施同樣在防治水土流失方面起到良好的效果,為土地的合理布局和應(yīng)用提供了大量的研究經(jīng)驗(yàn)[6-11]。當(dāng)前對林坡地,特別是關(guān)于經(jīng)濟(jì)林下的水土流失及養(yǎng)分輸出等研究相對較少,在如何有效地實(shí)現(xiàn)林下水土流失防治上仍需進(jìn)一步的探索。
為減少苦驢河源頭區(qū)林坡地面源污染,提高當(dāng)?shù)厮春B(yǎng)能力,同時(shí)為創(chuàng)新苦驢河源頭區(qū)清水產(chǎn)流及持水保肥方法上,提供一些技術(shù)依據(jù),因此本研究在苦驢河源頭區(qū)建立試驗(yàn)平臺(tái),在經(jīng)濟(jì)林坡地下,根據(jù)不同的坡度,設(shè)置反坡梯田改造+秸稈覆蓋種植大球蓋菇、小順坡大橫坡改造+秸稈覆蓋種植大球蓋菇及順坡秸稈覆蓋種植大球蓋菇3種措施,探究其對林坡地徑流中SS,N和P的流失控制效果,以及對土壤含水率和有機(jī)質(zhì)的影響,以期為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供有益的參考。
苦驢河上游小流域的主要土壤侵蝕類型為水蝕,自然條件下對土壤侵蝕的抑制效果較低。該地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,四季分明,年平均氣溫在15.7 ℃,年降水量約1 000 mm,其中降雨集中在5—10月,6—8月易產(chǎn)生暴雨,此時(shí)降雨強(qiáng)度大,降雨量高,沖刷作用強(qiáng)勁,水土流失情況較為明顯。土壤以紫色土和黃褐土為主,土壤較為貧瘠。主要的自然植被為蒿草等雜草,主要的糧食作物為小麥、玉米等。苦驢河源頭區(qū)主要通過3條支流流出匯入苦驢河,將其命名為支流1,支流2,支流3。其中,支流1有溝塘攔截,可以起到沉淀和凈化作用,從而減少水土的進(jìn)一步輸送;支流2植被覆蓋度相對較高,可以通過植物對水土進(jìn)行有效攔截,從而該區(qū)水質(zhì)最優(yōu);支流3平均坡度最高(15°~25°),距離居民點(diǎn)也最近,因而受人為擾動(dòng)最大,生產(chǎn)強(qiáng)度大,水體環(huán)境封閉,因而水土流失情況也最為嚴(yán)重。為探究林坡地水土流失防治效果,因而將試驗(yàn)區(qū)設(shè)置于肥西縣紫蓬鎮(zhèn)新農(nóng)村(支流3林坡地)。
根據(jù)地形坡度大小設(shè)置5個(gè)處理組:在坡度較高的地方(25°)設(shè)置2個(gè)處理: ①林下常規(guī)處理(CK1); ②林下坡面反坡梯田改造+秸稈覆蓋種植大球蓋菇(RM)。在坡度較緩的地方(15°)設(shè)置3個(gè)處理: ③林下常規(guī)處理(CK2) ④林下秸稈覆蓋種植大球蓋菇(PM); ⑤林下坡面小順坡大橫坡改造+秸稈覆蓋種植大球蓋菇(CM)。其中,大球蓋菇蓋菇種植時(shí)需要先將小麥秸稈和稻糠按照7∶3的比例混合進(jìn)行預(yù)先堆漚,堆漚結(jié)束后作為鋪料。按照一層鋪料一層菌種方式,自下而上進(jìn)行鋪種,鋪種兩層菌種后,均勻覆土(約3 cm)于菌床上,再利用小麥秸稈對表層進(jìn)行覆蓋。鋪料覆蓋用量規(guī)格在10 kg/m2。通過滴灌在種植后進(jìn)行一次補(bǔ)水,補(bǔ)至滲透表層秸稈及土壤卻不流到鋪料為宜,后通過自然降雨對水分進(jìn)行補(bǔ)充,生長期間不需施肥。具體設(shè)置詳見表1。
表1 試驗(yàn)處理具體設(shè)置情況
按照大球蓋菇生長及腐朽的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可以分為4個(gè)階段,菌絲生長成熟期(MGS,4月),出菇盛期(VFS,5—6月),采摘后期(LHS,7—8月),基料腐朽期(MRS,9月)。從菌絲生長成熟期(4月)開始,對基地的水樣及土樣進(jìn)行采集,并按照月份進(jìn)行樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。采集單次降雨產(chǎn)生徑流的水樣,通過設(shè)置的引流溝槽,將由降雨產(chǎn)生的坡面徑流引入坡底已安裝的徑流收集池中,將池內(nèi)集流的水樣混合,用潤洗過的1 000 ml采樣瓶采集三次混勻后的泥水樣,最后將徑流池清洗干凈,池口覆蓋石棉瓦,以減少外界干擾,以備收集下次徑流,將該月水樣數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)月水質(zhì)指標(biāo)值。每隔10 d對土壤樣品進(jìn)行采集測量,土樣采用S形對0—20 cm的表土進(jìn)行采集,每個(gè)處理選擇5個(gè)取樣點(diǎn),然后將采集后的土樣進(jìn)行均勻混合,按照四分法留存1 kg作為試驗(yàn)土樣進(jìn)行測定,將該月土壤測量數(shù)據(jù)的平均值代表該處理下當(dāng)月的土壤指標(biāo)值。
水樣取回后通過過濾法來進(jìn)行SS的測定,總氮和溶解性總氮通過堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定,總磷、溶解態(tài)總磷通過鉬酸銨分光光度法測定;有機(jī)質(zhì)按重鉻酸鉀容量法測定。土壤含水率按照烘干法測定。
降雨過程通過HOBO Ware小型自動(dòng)氣象站對2020年降雨過程進(jìn)行記錄,降雨間隔大于6 h視為單次降雨,對大球蓋菇生長周期內(nèi)進(jìn)行6個(gè)月的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測,并將每月的降雨量進(jìn)行匯總,該地產(chǎn)流型降雨主要集中在5—8月,這一階段的降雨量占總降雨量的84.8%,此時(shí)的降雨量大,降雨強(qiáng)度大;其中6月降雨量最多,達(dá)256.6 mm,占總降雨量的34.1%。4月及9月降雨量則相對較少,降雨量占總降雨量的15.2%;其中4月降雨量最少,為47.8 mm,占總降雨量的6.3%。
在大球蓋菇菌絲成長期后,每月在單次降雨產(chǎn)生徑流后對水樣進(jìn)行采集測定,測定其徑流中SS含量,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,SS的含量與降雨量趨勢相近,隨著降雨量的增加或減少,SS含量也相應(yīng)變化。通過秸稈覆蓋種植大球蓋菇及與坡面改造處理下,SS均被有效減少。其中在坡度較高時(shí),與CK1對比,RM處理能夠顯著的減少SS,減少幅度為42.1%~59.6%,平均減少率為51.1%。在坡度相對較低時(shí),與CK2對比,PM,CM的SS減少幅度分別為16%~39.4%和31.6%~47.4%,平均減少率分別為31%和40.3%,CM處理的SS減少效果要優(yōu)于PM處理。值得注意的是,雖然RM與PM,CM相比其坡度較高,但其SS平均濃度卻最低,減少比例也最高,由此可以判斷,RM處理減少SS含量能力最為顯著,其次為CM和PM。從整個(gè)試驗(yàn)周期來看,RM,CM和PM處理下的SS最大減少率均出現(xiàn)在6月,分別達(dá)到59.6%,47.4.5%和39.4%??赡苁窃摱螘r(shí)間內(nèi),當(dāng)?shù)靥幱诿酚昙?,降雨豐沛且降雨時(shí)間長,對地表沖刷較為劇烈,而大球蓋菇正處于VFS期,出菇最為旺盛,對水土的攔截作用較為明顯。同時(shí),坡面改造措施對降雨后形成的徑流中的泥沙起到了截留和沉積效果,其減少SS能力達(dá)到最強(qiáng)。伴隨著大球蓋菇采收之后,其對SS的減少效果則開始下降并趨于穩(wěn)定。
圖1 不同措施在不同時(shí)期的固體懸浮物(SS)變化情況
由圖2可以看出,CK1總氮濃度范圍在5.66~8.9 mg/L;CK2總氮濃度范圍在4.45~7.38 mg/L,說明林下水土流失問題引發(fā)的養(yǎng)分流失較為嚴(yán)重,會(huì)對附近水體環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅,需加以重視。與空白對照CK1,CK2相比,3種措施均有效降低了總氮濃度,使得水質(zhì)得到有效改善。其中RM處理下總氮濃度與CK1相比,總氮減少率在36.8%~69.8%,平均可減少56.1%。PM處理下總氮減少率在11.2%~34.9%,平均減少25.1%;CM處理下總氮減少率在17.4%~50.2%,平均減少為36.6%。RM,CM和PM處理總氮的最高濃度均出現(xiàn)在MGS期,最低濃度均出現(xiàn)在VFS期;這可能與當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣及不同時(shí)期植物對氮素吸收能力有關(guān),前期經(jīng)濟(jì)林及大球蓋菇植株小對氮素吸收能力較弱,隨著不斷的生長,其吸收氮素能力也隨之增強(qiáng),大球蓋菇采摘之后,總氮濃度有所上升,但都趨于穩(wěn)定。從總氮濃度與較空白處理的減少比例來看,3種處理的減少總氮效果RM最優(yōu),CM次之,PM最差。
由關(guān)于總氮中可溶性總氮和顆粒態(tài)氮占比情況可以看出(圖2),CK1及CK2的可溶性氮與顆粒態(tài)比例大致相當(dāng),可溶性總氮平均占比分別為在47.4%和48.8%,通過RM,PM和CM處理,與空白組對比,都降低了顆粒態(tài)氮占比,增加了可溶性總氮的占比,這說明經(jīng)過不同處理后,延后了徑流發(fā)生時(shí)間,使得顆粒態(tài)的氮素能夠更有時(shí)間,更加充分的溶入徑流當(dāng)中。
圖2 不同措施在不同時(shí)期的總氮含量及氮素形態(tài)變化情況
由圖3可以看出,CK1的總磷濃度范圍在0.36~0.83 mg/L,CK2的總磷濃度范圍在0.32~0.76 mg/L,易對水體環(huán)境造成危害。針對坡度較高的林坡地,與CK1相比,RM處理顯著降低了徑流中總磷濃度,減少幅度為39.7%~56.6%,平均減少46.9%。針對坡度較緩的林坡地,與CK2相比,PM處理下,總磷減少幅度為11.4%~34.4%,平均減少24.7%;CM處理下,總磷減少率分為22.5%~49.7%,平均減少37.8%。不同處理下總磷濃度呈現(xiàn)雙駝峰趨勢,兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在6月和8月,這可能和當(dāng)?shù)貧庀髼l件有關(guān),這兩個(gè)月降雨豐富,降雨強(qiáng)度較大,對地表土壤造成一定擾動(dòng),因而造成總磷濃度升高。在緩坡下,與CK2相比,減少效果順序?yàn)椋篊M>PM。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)RM的平均濃度低于CM,由此可以說明,與常規(guī)林下處理相比,不同林坡地處理措施的控制磷素流失效果為:RM>CM>PM。
由總磷中可溶性總磷和顆粒態(tài)磷占比情況可以看出(圖3),不同處理下的顆粒態(tài)磷占總磷的比例均較大,占比在52.5%~85.9%,由此可知,顆粒態(tài)磷是徑流中磷素流失的主要形式,磷通過附著在土壤顆粒上,受地表徑流搬運(yùn)遷移,從而形成流失。與空白組對比,通過實(shí)施不同的措施均降低了顆粒態(tài)磷占比,這表明通過秸稈覆蓋種植大球蓋菇及進(jìn)行坡面改造之后,延緩了徑流速度,縮短了徑流時(shí)間,從而促進(jìn)了顆粒態(tài)磷素的溶解。
圖3 不同措施在不同時(shí)期的總磷含量及磷素形態(tài)變化情況
從圖4可以看出,RM處理的平均土壤含水率最高,為21.4%,其次為CM,為19.4%,PM為18.2%,CK1與CK2的平均土壤含水率相近,分別為15.4%和15.9%。與空白對照相比,RM,CM和PM土壤含水率分別提高39.1%,22.2%和14.1%,這說明通過秸稈覆蓋種植大球蓋菇及坡面改造,均可以增加土壤水分,提高保水能力。
圖4 不同措施在不同時(shí)期的土壤含水率變化情況
從整個(gè)生長期來看,5種處理的土壤含水率變化趨勢較為一致,都呈現(xiàn)先增加后下降,再增加再下降的趨勢,這與當(dāng)?shù)貧夂驐l件情況有關(guān)。CK1和CK2的變化趨勢較為劇烈,而RM,CM和PM的趨勢則相對和緩。通過RM,PM,CM處理均在一定程度上增加了降雨入滲,保水減流,調(diào)節(jié)了土壤水分,尤其在LHS期和MRS期,氣溫高,蒸發(fā)旺盛,經(jīng)濟(jì)林需水量大,較高的土壤含水率,可以為植株的生長提供良好的土壤水分條件。
由圖5可以看出,相對于空白處理來講(CK1,CK2),RM,CM及PM處理,可以有效提高有機(jī)質(zhì)含量,RM處理與CK1相比,其有機(jī)質(zhì)含量提高31.5%;CM和PM處理與CK2對比,其有機(jī)質(zhì)平均含量分別提高32.1%和29.3%。而經(jīng)過坡面改造的RM處理和CM處理與未經(jīng)坡面改造的PM處理,其有機(jī)質(zhì)含量并未發(fā)生顯著差異,這說明土壤中有機(jī)質(zhì)的提高,主要在于秸稈覆蓋種植大球蓋菇措施對土壤的影響,而坡面改造對只對地形狀況進(jìn)行了整改,對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響并不顯著。從整個(gè)生長周期來看,RM,PM,CM處理的有機(jī)質(zhì)含量均高于CK組,有機(jī)質(zhì)含量呈波浪式下降趨勢。與CK相比,3種處理在MRS期增長幅度最大,這可能是因?yàn)榫w死亡腐化及基料腐朽之后,營養(yǎng)物質(zhì)得以釋放,顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)水平。
圖5 不同措施在不同時(shí)期的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化情況
本研究通過在坡度較高的地方設(shè)置RM處理與CK1對照,以及在林下坡度較低的地方設(shè)置CM,PM處理與CK2對照,結(jié)果顯示,3種處理均呈現(xiàn)出良好的SS減少效果,其中RM處理效果最佳。有研究表明,通過改變坡面結(jié)構(gòu)形態(tài),能夠改善土壤結(jié)構(gòu),減少水土流失[12]。對于坡面改造防治水土流失,減少徑流泥沙的機(jī)理,主要體現(xiàn)在對徑流的再分配上[13-14]。降雨是水土流失和面源污染的源動(dòng)力,在降雨形成徑流后,通過坡面結(jié)構(gòu)改變,使得徑流匯入溝中,當(dāng)降雨量較小時(shí),可直接滲入地表,當(dāng)降雨量較大時(shí),當(dāng)溝內(nèi)蓄滿后,徑流再流出坡面。通過徑流—匯流—溝內(nèi)攔蓄這一過程,可以避免徑流直接順坡而下,延緩了徑流流速,降低了徑流侵蝕力,從而體現(xiàn)出來良好的減沙效應(yīng)[15]。也有學(xué)者通過增加地表覆蓋度及林菌模式等方法為水土流失防治提供了良好的思路[16-17]。秸稈覆蓋大球蓋菇秸稈技術(shù),復(fù)合了物理覆蓋和生物攔截雙重手段,可以避免降雨對土壤的直接擊濺,減緩地表結(jié)皮的形成,降低徑流沖刷,而且大球蓋菇作為低矮植物,可以利用自身生長特性,過濾和阻截徑流泥沙,從而起到了良好的水土保持作用。
當(dāng)前學(xué)者對不同措施下氮磷元素影響效果的研究結(jié)果有不同見解。王克勤等[18]在烤田坡耕地研究結(jié)果表明,通過反坡梯田對徑流中的氮磷濃度減少效果不明顯,總氮、總磷濃度均有所提高,但氮磷遷移通量均有所下降。王靜[19-20]通過試驗(yàn)表明,徑流中氮素流失以溶解態(tài)氮為主,磷素流失以顆粒態(tài)磷為主。通過植物及秸稈覆蓋等措施,顯著降低了顆粒態(tài)氮、磷的濃度,同時(shí)增加了溶解態(tài)氮、磷濃度,但對總氮、總磷濃度的影響仍具有不確定性,但在年度累計(jì)量上均有所減少。張曉佳等[21]發(fā)現(xiàn)通過坡改梯措施后有效降低了徑流中氮磷含量。本試驗(yàn)結(jié)果表明,通過秸稈覆蓋種植大球蓋菇及與坡面改造結(jié)合后,均降低了總氮、總磷濃度的濃度,并且降低了顆粒態(tài)氮、磷比例,從而增加了顆粒態(tài)氮、磷比例,這與王靜、張曉佳等[19-21-22]人的研究結(jié)果一致。
氮磷元素主要是伴隨著徑流、泥沙而流失[11]。通過秸稈覆蓋種植大球蓋菇及坡面改造等措施可以延緩徑流流速及徑流侵蝕,繼而可以減少氮磷元素的輸出;另一方面,可以加劇徑流與表層土壤的相互作用,增加了雨水入滲,從而加速了土壤溶液中溶解態(tài)營養(yǎng)元素的釋放,使得可溶性營養(yǎng)元素含量增加[19]。徑流中顆粒態(tài)氮、磷元素主要是受到降雨侵蝕和徑流沖刷的影響[20-21],通過種植大球蓋菇及與坡面改造結(jié)合的方式,減弱了降雨及徑流對地表的侵蝕,從而減少了伴隨徑流泥沙流失的顆粒態(tài)營養(yǎng)元素的輸出,從而降低了顆粒態(tài)營養(yǎng)元素的濃度。
土壤水分是生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要指標(biāo),土壤含水率的高低可以反映土壤的水分狀況,其對地面水分循環(huán)和維持生態(tài)系統(tǒng)功能有重要影響[23]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中極為重要的組成部分,對土壤的形成和土壤肥力具有重要意義[24]。張?jiān)礉櫟萚25]研究表明坡地改造通過坡地的原有形態(tài),可以改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤的通透性,提高土壤持水能力,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)形成和發(fā)育,提高表層土壤中有機(jī)質(zhì)含量。龔賽等人等[26]研究表明種植大球蓋菇提高了地塊有機(jī)質(zhì)含量,對土壤改良起到積極作用。
本研究從土壤含水率和有機(jī)質(zhì)含量的角度出發(fā),探究在不同措施下對土壤狀況的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與空白對照相比,通過CM,PM及RM,均增加了土壤含水率,提高了保水能力,這與龔賽等[26]人結(jié)果一致。坡面改造措施+秸稈覆蓋種植大球蓋菇復(fù)合措施要比單一秸稈覆蓋種植大球蓋菇更加有效。從整個(gè)生長周期來看,不同措施下的土壤含水率變化趨勢較為一致,都呈現(xiàn)先增加再下降的趨勢,這可能與當(dāng)?shù)貧夂驐l件情況有關(guān)。
與空白對照相比,通過CM,PM及RM,也均提高了有機(jī)質(zhì)含量,但3種措施下的有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著,這說明土壤中有機(jī)質(zhì)的提高,主要在于秸稈覆蓋種植大球蓋菇措施對土壤的影響,而坡面改造對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響并不顯著,這與張?jiān)礉櫟热薣25]結(jié)論有所差異,可能是本試驗(yàn)整地時(shí)間短,由于坡面改造而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)形成、發(fā)育作用未明顯體現(xiàn)。從整個(gè)生長周期來看,與CK相比,RM,CM,PM處理在MRS期增長幅度最大,這可能是因?yàn)榫w死亡腐化及基料腐朽之后,營養(yǎng)物質(zhì)得以釋放[27],從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)化。
(1) CM,PM和RM均能夠有效減少SS含量,其平均減少率分別為40.3%,31%和51.1%。
(2) CM,PM和RM均能夠有效減少TN及TP含量,TN平均減少率分別為36.6%,25.1%和56.1%;TP平均減少率分別為37.8%,24.7%和46.9%。
(3) 可溶解氮是氮素流失的主要形態(tài),顆粒態(tài)磷是磷素流失的主要形態(tài),3種處理均降低了徑流種顆粒態(tài)氮、磷比例,提高了溶解態(tài)氮、磷比例。
(4) CM,PM和RM均能夠提高土壤含水率和土壤有機(jī)質(zhì)含量,土壤含水率分別提高22.2%,14.1%和39.1%;土壤有機(jī)質(zhì)分別提高32.1%,29.3 %和31.5%。