2021, Vol. 42
在降雨和径流的作用下, 坡耕地氮(N)和磷(P)等元素发生流失, 不仅导致土壤肥力下降, 还造成下游水体富营养化[1~3].施肥和耕作的差异对坡耕地径流及N、P流失有重要影响[4, 5].近年来, 已有大量研究报道了不同施肥与耕作模式下产流、产沙及养分流失的特征[6, 7], 结果表明与单施化肥处理相比, 有机肥与化肥配施能够降低N、P流失风险.秦雪超等[8]的研究认为, 根据作物需氮量适当降低氮肥施用量, 能显著减少N流失.
紫色土是由中生代紫色砂、页岩风化而成的一种岩性土, 其养分含量丰富, 但土层较薄, 极易发生水土流失, 并导致大量养分流失[9~11].目前, 已有研究报道了紫色土坡耕地不同施肥和耕作方式对土壤养分流失的影响.如, 闫建梅等[12]分析了不同施肥水平与耕作模式对紫色土坡地产流及P流失的影响.林超文等[13]的研究发现, 与顺坡耕作相比, 横坡垄作能减少地表径流、地下径流、土壤侵蚀量及N、P等元素的流失量.然而, 目前的研究大多集中于单一措施的作用, 关于紫色土区坡耕地施肥和耕作对产流以及N、P等元素流失规律的影响仍不清楚[14, 15], 还需要长期的监测数据阐明其相关作用机制.本文基于紫色土坡耕地2008~2019年间不同施肥水平及耕作方式下地表径流监测试验, 分析了104场侵蚀性降雨事件下, 径流率、总氮(TN)、总磷(TP)流失浓度及流失率变化特征, 以期为合理确定紫色土区坡耕地的施肥水平和耕作模式及降低农业面源污染风险提供科学指导.
1 材料与方法 1.1 试验区概况研究区位于重庆市西南大学后山农业面源污染监测基地(106°24′20″E, 29°48′42″N).该区以丘陵地貌为主, 属亚热带季风气候区, 年平均气温18.3℃, 平均日照时数1 270 h, 无霜期约334 d.年平均降雨1 100 mm, 降雨主要集中在5~9月, 占全年的70%以上.土壤类型主要为沙溪庙组紫色砂泥岩母质发育中等肥力水平的紫色土.
1.2 试验设计在坡度为15°的紫色土坡面上, 水平设置15个径流小区, 规格均为长8 m, 宽4 m(图 1).小区间用宽25 cm且高于地面20 cm的水泥砖墙隔开.各小区均采用冬小麦-夏玉米轮作种植模式, 其中, 冬小麦采用穴播的方式, 于11月上旬播种, 次年5月中旬收获; 夏玉米采用移栽的方式, 于当年3月开始育苗, 4月中旬移栽, 8月上旬收获.播种用冬小麦品种为“渝麦7号”, 夏玉米品种为“中糯309”[16].
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图 1 试验小区示意 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental plots |
本研究于2008年雨季起, 开始长期定位施肥和耕作作用下地表径流监测试验.试验共设置5组处理: 顺坡耕作无施肥(CK)、顺坡耕作有机肥与化肥配施(T1)、顺坡耕作单施化肥(T2)、顺坡耕作单施化肥增量(T3)和横坡垄作单施化肥(T4), 各处理设置3个重复.T4田垄高5~8 cm, 垄距40 cm, 垄面宽40~50 cm.试验期间每年施肥量固定, 施肥方式为撒施.冬小麦播种前施底肥, 来年2月施追肥, 施肥方法为: 30%氮肥作为底肥, 60%在拔节期追肥, 10%在孕穗期追肥; 一次性施磷肥作为底肥; 70%钾肥作为底肥, 余30%在拔节期追肥.夏玉米播种前施底肥, 同年5月下旬施追肥, 施肥方法为: 全部磷肥和钾肥, 30%氮肥为底肥, 剩下70%氮肥为追肥.具体施肥量见表 1.其中, 氮、磷和钾肥分别采用尿素、过磷酸钙和氯化钾.尿素含N≥46.4%, 过磷酸钾含P2O5≥12%, 氯化钾含K2O≥60%, 有机肥为农家肥(猪粪尿), 含有机C 4.31%、N 0.24%、P2O5 0.17%和K2O 0.21%.
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表 1 2008~2019年间各处理施肥情况 Table 1 Fertilization of different treatments during the period 2008-2019 |
1.3 径流样品采集和分析
利用径流池收集径流样.在降雨产流产沙完成后, 先测定径流池内径流总量, 然后用清洁竹竿充分搅匀, 在不同部位、不同深度进行多点采样.将采集水样转入500 mL去离子水润洗后的塑料瓶中, 贴上标签, 将样品送往实验室-20℃保存, 以便后期进行相关指标的测定.在取样结束后, 抽排每个径流池中径流水, 并清洗干净, 为下次降雨事件径流采样做准备.本试验采用常规方法测定径流中的总氮(TN)和总磷(TP)浓度, 其中TN(mg·L-1)采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定(GB 11894-89, 测定波长为220 nm、275 nm), TP(mg·L-1)采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定(GB 11893-89, 测定波长为700 nm).
1.4 径流率与TN和TP流失率计算径流率计算公式为:
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(1) |
式中, R为径流率(L·m-2), q是小区总径流量(L), b是小区的宽度(m), l是小区的长度(m).
TN和TP流失率计算公式为:
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(2) |
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(3) |
式中, PTN和PTP分别为TN和TP的流失率(mg·m-2), ci为第i次径流水中TN或TP的浓度(mg·L-1); Vi为第i次径流水的体积(L), b是小区的宽度(m), l是小区的长度(m).
1.5 数据处理采用SPSS 25软件进行数据的处理与分析.利用单因素方差(One-way ANOVA)对不同处理下径流率、TN、TP流失浓度及流失率间的差异进行分析.采用Pearson分析探究TN和TP流失浓度与径流率间的相关关系, 采用回归分析建立这些变量间的数量关系.本文显著水平为: P < 0.05为差异显著, P < 0.01为差异极显著.采用Originlab 2018绘图.
2 结果与分析 2.1 长期施肥与耕作对径流率的影响长期施肥和耕作下, 各处理的径流率变化如图 2所示.对所有处理而言, 最大径流率和最小径流率分别发生在CK处理下(18.43 L·m-2)和T4处理下(0.20 L·m-2).在2008~2019年间, CK、T1、T2、T3和T4处理的径流率变化范围分别为0.27~18.43、0.36~15.52、0.43~15.55、0.28~15.79和0.20~17.40 L·m-2.T1、T2、T3和T4处理间平均径流率差异不显著(P > 0.05), 但显著低于CK(P < 0.05), 表现为CK(4.49 L·m-2)分别是T1(3.17 L·m-2)、T2(3.34 L·m-2)、T3(3.41 L·m-2)和T4(2.55 L·m-2)的1.42、1.34、1.32和1.76倍.
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不同小写字母表示不同处理差异显著(P < 0.05), 下同 图 2 不同处理下紫色土坡耕地径流率变化 Fig. 2 Changes in runoff rates under different treatments in purple sloping cropland |
长期施肥和耕作下, 各处理径流中TN流失浓度变化如图 3(a)所示.本试验期间, TN流失浓度变化范围为0.79~13.94 mg·L-1.CK处理下TN流失浓度显著高于其他处理(P < 0.05), 而T2、T3与T4处理之间差异不显著, 但均显著高于T1, 表现为: CK(7.85 mg·L-1)、T2(5.74 mg·L-1)、T3(5.93 mg·L-1)和T4(5.32 mg·L-1), 分别是T1(3.80 mg·L-1)的2.07、1.51、1.56和1.40倍.长期施肥和耕作下, 各处理径流中TP流失浓度变化如图 3(b)所示.在试验期间, TP流失浓度变化在0.30~2.69 mg·L-1.T1处理下TP流失浓度显著高于CK与T4(P < 0.05), T2与T3之间差异不显著(P > 0.05), 但它们均显著高于T4, CK显著高于T4(P < 0.05), 表现为T1(1.23 mg·L-1)分别是CK(1.01 mg·L-1)、T2(1.14 mg·L-1)、T3(1.11 mg·L-1)和T4(0.81 mg·L-1)的1.22、1.08、1.11和1.52倍.
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图 3 不同处理下TN和TP流失浓度变化 Fig. 3 Changes in TN and TP concentrations under different treatments in purple sloping cropland |
长期施肥和耕作下, 各处理径流中TN和TP流失率变化如图 4所示.在试验期间, TN流失率变化范围为0.64~224.34 mg·m-2, TP流失率变化范围为0.08~23.59 mg·m-2.可以看出CK处理下TN流失率显著高于其他处理(P < 0.05), 但T1、T2、T3和T4处理间差异不显著(P > 0.05); T4处理下TP流失率显著低于其他处理(P < 0.05), 但CK、T1、T2和T3处理间差异不显著(P > 0.05).与其他处理相比, CK(36.45 mg·m-2)处理下TN平均流失率分别是T1(12.67 mg·m-2)、T2(19.89 mg·m-2)、T3(21.38 mg·m-2)和T4(15.05 mg·m-2)的2.88、1.83、1.70和2.42倍.与T4(2.26 mg·m-2)相比, CK(4.73 mg·m-2)、T1(4.01 mg·m-2)、T2(4.01 mg·m-2)和T3(3.85 mg·m-2)处理下TP平均流失率分别是T4的2.09、1.77、1.77和1.71倍.
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图 4 不同处理下TN和TP流失率变化 Fig. 4 Changes in TN and TP loss rates under different treatments in purple sloping cropland |
长期施肥和耕作下, 各处理TN和TP流失浓度与径流率的关系如图 5所示.可以看出, 除T4处理下TN和TP流失浓度与径流率呈显著正相关(P < 0.05)外, 其它处理下TN和TP流失浓度与径流率均无显著关系(P > 0.05).T3处理下, TN与TP流失浓度呈显著负相关(P < 0.05), T4处理下TN与TP流失浓度呈显著正相关(P < 0.05), 其他处理下TN与TP流失浓度无显著关系(P > 0.05).
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图 5 不同处理下紫色土坡耕地径流率、TN与TP间流失浓度关系 Fig. 5 Relationships between runoff rate and TN as well as TP concentrations under different treatments in purple sloping cropland |
本研究结果表明, 顺坡耕作无施肥处理径流率最大, 反映出长期施肥及横坡垄作有利于降低地表径流率, 这与彭石磊等[17]的研究结果相似, 主要原因是长期施肥能够增加土壤中的C、N和P含量[16], 提高土壤团聚体稳定性[18], 增加土壤孔隙和土壤水分入渗能力, 从而改善土壤结构, 增加土壤水源涵养能力[19, 20].横坡垄作能显著降低径流率, 主要是因为横坡垄作的土垄改变了坡面微地貌, 增大了地表粗糙度和地表水流阻力, 并在降雨量过大时促使雨水在横垄中横向运移, 增长了水分入渗路径, 促使更多水流入渗而减少径流量[21, 22].
3.2 长期施肥和耕作对TN、TP流失浓度及流失率的影响本研究结果表明, 顺坡耕作无施肥处理下TN流失浓度最大, 而长期施肥及横坡垄作有利于降低TN流失浓度, 这与鲁耀等[22]的研究结果一致.这可能是因为施肥有利于提高土壤团聚体稳定性, 加大土壤的固N作用, 降低N流失浓度.顺坡耕作有机肥与化肥配施处理下TN流失浓度最低, 这可能是因为一方面有机肥能培肥地力, 改善土壤结构和促进养分再循环[23], 从而有利于土壤N养分利用; 另一方面, 施用有机肥还有利于增强土壤微生物活性, 提高微生物的固N作用, 从而降低N流失浓度[24, 25].该结果与孟令宇等[26]的研究结果相似.
本研究中, 顺坡耕作有机肥与化肥配施处理下TP流失浓度最高, 这与夏文建等[27]的研究结果相似, 这可能是因为施用有机肥能显著提高土壤P含量, 长期施用有机肥导致P在土壤中大量累积, 增加P流失浓度.横坡垄作单施化肥处理下TP流失浓度最低, 可能是因为泥沙是P流失的主要载体[14], 横坡垄作使微地貌发生变化, 泥沙淤积在沟垄中, 从而降低了P流失的风险.
在自然降雨条件下, 径流量及流失浓度是影响TN、TP流失率的控制因素.本研究中顺坡耕作无施肥处理下TN流失率最大, 这主要是因为该处理下径流率和TN流失浓度都显著高于其他处理, 因而其流失率也最大.横坡垄作单施化肥处理下TP流失率最小, 这是因为该处理下TP流失浓度最低, 且径流率也低于其他处理, 其流失率也最低.
3.3 径流率与TN和TP流失浓度的关系本研究发现, 单独考虑各处理时, 横坡垄作单施化肥处理下径流率与TN和TP流失浓度呈显著正相关, 而综合分析时径流率与TN和TP流失浓度呈极显著正相关, 表明相较于施肥, TN和TP的流失受耕作模式的影响可能更大.在顺坡耕作单施化肥增量处理下, TN、TP流失浓度呈显著负相关, 而横坡垄作单施化肥处理下TN和TP流失浓度呈显著正相关, 而综合分析各处理时, TN与TP的流失浓度相互无显著关系.高扬等[28]通过多场人工模拟降雨试验建立了紫色土坡耕地径流量与N、P浓度模型, 研究表明径流量与N、P存在显著正相关关系, 这与本研究结果相似.已有学者在不同尺度上利用SWAT模型开展了径流率与TN和TP流失浓度的关系的研究[26, 29], 总体来看, 这些变量间的相互作用关系仍不清楚.研究N及P浓度与径流(c-q)关系可加深对径流作用下土壤养分解吸及迁移过程的理解, 为提出合理的面源污染防控措施, 改善下游水体环境提供科学依据[30].因此, 长期的数据集更有利于揭示坡耕地不同施肥和耕作条件下径流率与N、P流失浓度间的耦合关系.
4 结论长期施肥及横坡耕作可以显著减少紫色土坡耕地径流率、TN流失浓度及TN流失率, 其中有机无机肥配施对减少径流中TN流失浓度的效果最好; 横坡垄作比顺坡耕作更有利于减少TP流失浓度及其流失率; 横坡垄作单施化肥处理下径流率与TN和TP流失浓度关系显著, 且TN与TP流失浓度间也呈显著正相关; 顺坡耕作单施化肥增量处理下, TN与TP的流失浓度呈显著负相关.本研究结果可为控制坡耕地径流氮、磷流失浓度, 降低农业面源污染风险及改善下游水体环境提供科学依据.
致谢: 感谢西南大学资源环境学院研究生杜映妮和袭培栋等在试验期间的辛勤付出.
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