关于不同种植模式下红壤坡田水土及养分流失的探索

作者：郑晓敏

近几年来，从中央到地方投入了，近年来随着滇池流域电源污染控制工程的实施，非点源N、P入湖污染负荷贡献率已超过50%。由农业面源污染所产生的有机物，总氮和总磷成为人湖污染的主要来源，其中农田氮磷流失、水土流失是滇池流域面源污染的主要构成。据调查，在进入滇池外海的总氮和总磷负荷中，农业面源污染分别占53%和42%。

    本试验研究的主要种植模式为紫花苜蓿一鸭茅／桃树间作模式，该模式属于林草复合模式。林草复合系统因其具有产品多样性，生产高效性、环境友好性等特点，在世界范围内得到普遍应用。紫花苜蓿、鸭茅对改善生态环境，保持水土防控，改良土壤有着一定的作用。近年来，关于林草复合模式的水土流失防控效果得到了广泛关注和研究。如卢喜平等研究了紫土区林草复合模式提高土壤抗侵蚀能力，武琳等吲研究了低海拔红壤地区不同种植模式的水土保持效益，而目前关于林草复合模式在高海拔红壤区，特别是在滇池流域水土及养分流失方面的研究还很少，且研究仅限于径流及养分流失量的测定。本文以紫花苜蓿-鸭茅/桃树模式为代表，从植被固结土壤和冠层截留效果两方面着手，分析不同种植模式对水土及径流养分流失量的影响。为滇池农业面源污染、水体富营养化的治理提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验区概况

    实验地点位于云南省昆明市大板桥镇，区域属亚热带高原季风气候，海拔1 959 m，年平均气温15℃、年均降水量1 000 mm，试验小区土壤为山地红壤，土壤呈弱酸性，土壤容重为1.15～1.48 g/cm3，土壤总孔隙度为40.47%—47.15%，土壤含水率为25.76% -28.31%。

    试验区域为缓坡地，试验小区于5月中旬构建完成，共计9个小区，各种植模式均设置3个小区，小区规格为5 mxl2 m。于每个小区下方开挖一个集水区，内置聚乙烯集水桶，并在桶上方连接PVC管，用于收集降雨时各小区产生的地表径流和径流携带的泥沙。小区之间修建土埂，便于汇水。

1.2  试验材料和播种规格

    于5月中旬对小区进行翻地播种，试验所用鸭茅（Dactylis glomerataL．）品种为美国安巴，紫花苜蓿(Medicago sativa Linn.)品种为美国ML712，播种方式为条播。各种植物的播种规格见表1。

    试验所施基肥为农业用硝酸钾和粉状过磷酸钾。试验期间，乇8月13日使用尿素对小区进行一次追肥。根据鸭茅和苜蓿的生长情况，于2013年10月12日对鸭茅和紫花苜蓿进行刈割称重。

1.3  样品采集和测定

    在自然降雨条件下，于2013年6月-8月底对试验小区进行地表径流的收集测定。试验期间共计9场降雨。降雨量在7.6-29 mm之间。其中构成中雨的降雨有5场，大雨2场，最大降雨发生在8月30日，降雨量为29 mm。

    径流采集：采样时，将集水桶内的水搅匀，用容积为1L的塑料瓶取中间部分水样，每次取满lL，剩余水体采用1.0 L的量筒测定集水桶中水的体积，精确至0.01 L．换算得到不同种植模式地表径流产生量(m'3/hm2)。采样后立即将水样送往实验室，于冰柜中4℃冷藏。

    冠层截留测定：将采用PVC材料制成的承雨装置（承雨面积为0.2 m2）随机安置在小区桃树下，每小区随机放置3个。同时在林外地安置一个承雨装置作为对照；承雨装置安置高度为距离地面40 cm以上。降雨后，用lL量筒测量承雨装置内水量，并按照承雨面积换算为降雨深(mm)。小区内各点平均值作为穿透雨量，林地外对照值作为冠上降雨量。树干径流采用野外实测法，将聚乙烯塑料管(D=l.5 cm)沿中间剪开一段，两端环绕树干向上盘旋一周后，用钉子固定两端开口，并用玻璃胶封严，塑料管下端安置承雨装置，用于收集树干径流量。

    根据水量平衡原理，由式(l)计算出林冠层截留量I ：

    式(l)中：Pi为冠上降雨量(mm)、T为穿透雨量(mm)、S为树干径流量(mm)。

    并根据式(2)计算出林冠层截留率。

    水样指标测定：参照国家标准。TN采用过碱性硫酸钾氧化一紫外分光光度法，TP采用过硫酸钾氧化一分光光度法，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法，N03--N采用紫外分光光度法，泥沙浓度采用烘干称重法。泥沙量、TN、TP、NH4+-N、N03--N流失量为各物质的浓度乘以地表径流产生量。

2  结果与分析

2.1  不同种植模式下的产流产沙分析

2.1.1  地表径流和泥沙流失总量

    径流和泥沙流失量反映了各种植模式下土壤人渗能力和抗蚀性的差异。试验期间各种植模式地表径流产沙量见表2。整个试验过程中，JZl模式地表径流量和泥沙量均为最小。相对于J22模式和DZ模式，JZl模式地表径流产生量分别减少了20.15%和27.50%；泥沙流失量分别减少了23.84%和42.13%。DZ模式由于地表的植被覆盖度很小，降雨破坏了土壤耕作层的结构，使表层土壤颗粒随水流失。即使有林分冠层截流的情况下，地表径流和泥沙流失量仍明显高于JZl模式和J22模式。

2.1.2  径流和泥沙流失动态变化

    图1和图2反映了试验期间各模式下地表径流和泥沙流失量与降雨量的动态变化。试验期间，7月19日、7月28日、8月13日和8月30日降雨量较大。从图中可知，除7月12日外，各模式地表径流流失量受降雨量影响均较大，同一场降雨后，JZl模式的径流和泥沙流失量明显小于其他2种种植模式，相比之下，泥沙流失量受降雨量影响较小。从图中还可以看出，JZl模式地表径流量和泥沙流失量均小于其它2种种植模式。说明相对于其他种植模式，降雨对JZl模式径流和泥沙流失方面的影响最小。可能的原因是采用林草复合模式后，桃树和牧草形成高低不同的群落结构，桃树林冠层对水分的截留和高覆盖度牧草拦截、吸收共同发挥作用，，增强了土壤的人渗能力；另外，研究表明，表土中有效根密度与土壤抗蚀性增强效应存在显著相关性，苜蓿、鸭茅根系发达，土壤表层具有大量的毛细根，在表土层盘结穿插，使土壤紧固密实。在一定程度上增强了土壤的抗蚀性。这对于库区普遍存在的季节性干旱的调控具有重要意义。

2.2  林冠层截留对地表径流流失的影响

    在6、7月试验基础上，分别于8月9日、8月13日、8月17日、8月22日和8月30日对种植桃树的小区进行冠层截留试验．以探讨桃树林冠层截留对径流流失的影响。结果见表3。

    由表3可知，在测定期内，8月30日降雨量最大，为26.5 mm、最小降雨量发生在8月9日，仅为2.2mm。如表3所示，2种种植桃树的模式的穿透雨量（T）和树干径流量(S)随降雨量变化较大，冠层截留量(I)随降雨量的增大而增大，但截留率则随降雨量的增大而减小。测定期内，JZl模式冠层截留量4.1 mm、截留率为9.3%；DZ模式冠层截留量4.6 mm、截留率为10.5%。可见桃树林有一定的蓄水能力。冠层截留对径流流失的控制原因主要有二：其一是冠层截留对降雨的再分配作用，降雨时，桃树冠层会储存一部分水分到叶片或枝干上，降雨过后，随着水分的蒸发，这部分雨量便通过蒸腾作用散失到空气中，因而直接地减少了径流的流失；其二是在降雨过程中，林分冠层在一定程度上降低了降雨的冲击力，雨滴落在桃树叶片上后其动能大幅减弱，削弱了其落到下方牧草或地面时的速度和能量。从而间接降低了降雨对土壤的侵蚀及径流的流失。

2.3  不同种植模式下地表径流养分流失特征

2.3.1  地表径流养分流失量

  径流中养分离子含量取决于径流与土壤的混合程度、径流量及土壤中可溶性养分离子含量等因素。本试验中，总磷流失量远小于总氮流失量，在氮素类养分中，氨态氮流失总量很小，仅占总氮流失量的0.9%，由表4可知，在地表径流养分流失总量方面，JZl模式<J22模式<DZ模式。JZl模式径流养分总流失量比J22模式和DZ模式分别减少了25.98%和37.7%。种植牧草改变了土壤的理化性质，有效的减少了土壤耕作层中养分特别是有效养分的淋失。

2.3.2  不同种植模式地表径流养分流失过程分析

    农田N、P等污染物的流失主要受降雨形成地表径流所驱动。图3~图6为整个试验过程中各模式地表径流养分流失随时间的累积变化。其中，TP流失量表现为J22模式<JZl模式<DZ模式。J22模式比JZl模式和DZ模式地表径流TP流失量分别减少了27.21%和36.07%。TN、NH4+-N和N03--N流失量均表现为JZl模式<J22模式<DZ模式。JZl模式相对于J22模式TN、NH4+-N和N03--N流失量分别减少了27.77%、28.50%和34.31%；相对于DZ模式分别减少了38.02%、43.33%和45.30%。

    从图中还可以看出，7月19日、7月28日、8月22日和8月30日径流养分流失较大；6月27日地表径流TP、NH4+-N流失量较大，很大程度上是因为所种鸭茅、紫花苜蓿还处于生长初期，根系尚未发达，土壤固结能力较弱；植株较小，对养分的吸收效果较差。

    试验结果表明，各种植模式总氮流失量均远大于总磷的流失量，这与其他一些学者得出的结论一致。这可能与植被覆盖度、苜蓿生物固氮作用、施肥方式、氮磷在土壤中转化过程有关。坡耕地降雨产流过程中，泥沙流失主要以表层土粒随水散失为主，表土颗粒吸附大量的氮，成为氮素流失的主要部分。而磷肥作为基肥在播种时一次性深施入土，且60%以上磷肥都被固定在土壤深层。在降雨过程中，只有当雨量大到雨水入渗到土壤深层，使深层难溶磷分溶解，才能随径流流出。

    此外，由紫花苜蓿一鸭茅/桃树间作模式构成的林草复合模式，由于遮阴和养分竞争等原因，与紫花苜蓿一鸭茅间作模式形成2种不同的生态区域，造成牧草生长情况的差异，从而影响了牧草根系对地表径流养分的吸收，原因是在林草复合模式中，林木往往具有更大的养分竞争能力。林分的生长会抑制一些牧草的分蘖数量和和蘖枝相对生长量，可能会不利于牧草的生产，甚至推迟其成熟期。如本试验中，TP的流失量表现为J22模式<JZl模式。很可能是因为不同的生态区域对紫花苜蓿和鸭茅的生长产生差异，导致了苜蓿根瘤菌溶磷能力的差异，苜蓿一鸭茅间作模式下牧草生长情况更好，更发达的根系可以改变深层土壤的理化性质，使土壤深层难被植物吸收的磷活化，更易被植物根系吸收利用。

3  结论

    9次降雨过程中，地表径流产生量和泥沙流失量表现为JZl模式<J22模式<DZ模式。相对于J22模式和DZ模式，JZl模式地表径流产生量分别减少了20.15%和27.50%；泥沙流失量分别减少了23.84%和42.13%。降雨量对径流流失量影响较大，但对泥沙流失量影响较小。桃林冠层截留和植被拦截、吸收作用是控制小区内水土流失的主要原因。冠层截留率在5.2 %-18.4%之间。且截留率随雨量增大呈降低趋势。养分流失方面，TP流失量表现为J22模式<JZl模式<DZ模式；TN、NH4+-N、N03--N流失量表现为JZl模式<J22模式<DZ模式。JZl模式相对于J22模式TN、NH4 +-N和N03 --N流失量分别减少了27.77%、

28.50%和34.31%；相对于DZ模式分别减少了38.02%、43.33%和45.30%。各种植模式对地表径流养分流失的影响主要是靠植物对地表径流的拦截、对养分的吸收。综合来看，由于林草复合模式群落结构的优越性，JZl模式在控制水土及养分流失方面，冠层截留和植被拦截、吸收可同时发挥作用，除总磷外，各项指标的控制效果均优于其它两种模式。

4摘要：于2013年5月-10月在滇池流域宝象河库区面山垦殖区建立9个种植小区，测定了地表径流、泥沙及径流养分流失量，并进行冠层截留试验，探讨不同种植模式对水土及径流养分流失的控制效果。结果表明：地表径流、泥沙及径流中TN、NH4+-N、N03--N的流失量均表现为紫花苜蓿一鸭茅／桃树间作<紫花苜蓿一鸭茅间作<桃树单作。TP流失量表现为紫花苜蓿一鸭茅间作<紫花苜蓿一鸭茅／桃树间作<桃树单作；桃林冠层截留效果对径流流失量有一定影响，截留率在5.2%-18.4%之间。总的来说，紫花苜蓿一鸭茅／桃树间作模式对坡耕地水土及径流养分流失有明显的控制作用。