不同農(nóng)業(yè)管理方式下地表徑流及氮磷流失特征研究

不同農(nóng)業(yè)管理方式下地表徑流及氮磷流失特征研究

云南省是一個典型的山區(qū)省份，94%的面積在山區(qū)和高原。642.13萬hm耕地中有1423.93萬hm，其中25萬hm以上的陡坡耕地已占75.53萬hm。多山的地貌,充沛的降雨,干濕季節(jié)分明的氣候條件,造成云南嚴(yán)重的坡耕地土壤侵蝕,據(jù)2004年遙感調(diào)查,全省有水土流失面積13.42萬km2,占全省面積的35%,年流失土壤5億多t,而坡耕地造成的水土流失總量最大,是江河泥沙的主要來源地。關(guān)于坡耕地土壤養(yǎng)分侵蝕特征與規(guī)律,國內(nèi)外已經(jīng)有許多研究,但結(jié)合烤煙(Nicotianatabacum)田間管理措施及施肥對坡耕地徑流及氮、磷素流失的影響報道較少。云南省是我國烤煙種植面積和產(chǎn)量最多的省份,根據(jù)2008年中國農(nóng)業(yè)資料統(tǒng)計,全省播種面積38.72萬hm2,產(chǎn)量83.94萬t,分別占全國31.47%和32.00%,但由于自然條件限制,大多數(shù)烤煙種植在坡耕地,坡耕地嚴(yán)重的水土流失對山區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了極大的威脅,其中隨水土流失產(chǎn)生的N、P等面源污染物成為河流、湖泊富營養(yǎng)化的主要成因。因此,本研究在2008—2010年,連續(xù)對云南省曲靖市馬龍縣紅壤坡耕地進(jìn)行了定位徑流小區(qū)試驗,了解當(dāng)?shù)爻Ｒ姷膸追N烤煙田間管理措施及施肥對紅壤坡耕地徑流量及氮、磷流失量的影響。1材料和方法1.1土壤條件及地形試驗地點:曲靖市馬龍縣舊縣鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)村大水沖的丘陵緩坡地,東經(jīng)103°22′57.0″、北緯25°21′17.0″,海拔1885m。屬低緯度高原季風(fēng)氣候,具有冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,干冷同期,雨熱同季的特點。年平均氣溫13.6℃,多年平均降雨量1001.8mm,年均日照2158h,年均相對濕度75%,年均無霜期247d。土壤類型為厚層山巖紅壤,土壤質(zhì)地為砂壤土,地形為緩坡丘陵。試驗時間:2008年5月至2010年10月。1.2不同坡位的小麥秸稈覆蓋試驗共設(shè)6個處理,3次重復(fù),共18個徑流小區(qū),設(shè)置在同一坡面上,徑流小區(qū)面積為32m2(順坡8m×橫坡4m),坡度8.50°,坡向東南,不同小區(qū)之間用磚支砌。徑流小區(qū)下方設(shè)徑流泥沙收集池,徑流池容積為寬1m×長2m×深0.75m=1.5m3。各處理措施如表1所示。順坡壟作:徑流小區(qū)內(nèi)沿順坡方向種植3行,每行栽種12棵煙,壟面上覆蓋黑色地膜。橫坡壟作:徑流小區(qū)內(nèi)沿等高線方向種植6行,每行栽種6棵煙,壟面上覆蓋黑色地膜。橫順坡壟作的移栽規(guī)格:行距133cm,株距65cm,定植800株·667m-2。處理4的小麥秸稈覆蓋量為每小區(qū)16kg?？緹熞圃?5d進(jìn)行揭膜培土。常規(guī)施肥量:有機(jī)肥3500kg·hm-2,N79kg·hm-2,P2O593kg·hm-2,K2O166kg·hm-2。優(yōu)化施肥量:有機(jī)肥3500kg·hm-2,N90kg·hm-2,P2O5120kg·hm-2,K2O225kg·hm-2。1.3耕層土壤農(nóng)化性狀試驗土壤類型為紅壤,亞類為山原紅壤,土屬為泥質(zhì)山原紅壤,土種為泥質(zhì)紅砂土。表層土壤質(zhì)地為中壤,犁底層和心土層土壤質(zhì)地為重壤,底土層土壤質(zhì)地為砂壤。表層土壤結(jié)構(gòu)為團(tuán)粘,犁底層和心土層土壤結(jié)構(gòu)為小塊,底土層土壤無結(jié)構(gòu),整個土壤剖面中都無新生體。0~25耕層土壤農(nóng)化性狀:pH值5.65,有機(jī)質(zhì)23.3g·kg-1,全氮1.2g·kg-1,全磷0.6g·kg-1,全鉀18.2g·kg-1,堿解氮109.8mg·kg-1,有效磷14.06mg·kg-1,有效鉀63.8mg·kg-1,硝態(tài)氮11.49mg·kg-1,銨態(tài)氮5.66mg·kg-1。試驗作物為烤煙,品種為云煙85,為當(dāng)?shù)刂髟云贩N之一。1.4對地下水位進(jìn)行確定,進(jìn)行水沿面覆蓋供試驗肥料為:牛糞、煙草專用復(fù)合肥(18-5-22)、普鈣(P2O516%)、硝酸鉀(13.5-0-44.5)。各處理各小區(qū)肥料稱量混勻后以底肥一次性施入,施肥方式為塘施,施肥時間為烤煙移栽前。試驗點為坡耕地徑流監(jiān)測點,因灌溉水源缺乏,所有處理都以降水為農(nóng)業(yè)用水。因栽種作物為烤煙,烤煙移栽前期要進(jìn)行劃線理墑。理墑方向因處理不同分為順坡和橫坡?？緹熞圃院笤趬劽嫔线M(jìn)行薄膜覆蓋。薄膜覆蓋可以防止前期土壤水分蒸騰損失。覆蓋薄膜為黑色薄膜有效防止雜草生長。1.5水樣及分析方法對每次降雨產(chǎn)生的徑流的水深進(jìn)行觀測記錄,并計算所產(chǎn)生的徑流體積。在記錄徑流量后,用預(yù)先準(zhǔn)備好的竹竿充分?jǐn)嚢杈鶆驈搅鞒乩锏乃?多點采集不同深度的水混合后準(zhǔn)確采取2500mL徑流水樣,同時加濃硫酸調(diào)節(jié)pH值小于2,貼上徑流池及對應(yīng)小區(qū)編號。當(dāng)天送到試驗分析室,用冰箱冷凍保存。徑流水總氮(TN)、溶解態(tài)總氮(DTN)用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法測定;銨態(tài)氮(NH4-N)用納氏試劑分光光度法測定;硝態(tài)氮(NO3-N)用紫外分光光度計法測定;總磷(TP)、溶解態(tài)總磷(DTP)使用鉬酸鹽比色法。顆粒態(tài)氮(PN)由總氮減去溶解態(tài)總氮計算得出,顆粒態(tài)磷(PP)由總磷減去溶解態(tài)總磷得出。2結(jié)果與分析2.1全年降水分析由圖1可見,試驗區(qū)2008、2009、2010年總降雨量分別為951.9、745.4、818.5mm。2008年全年降雨量主要集中在5月到7月,占全年總降雨量的73.3%,其中,5月降雨量占全年降雨量的14.57%,6月占全年的28.58%,7月占全年的27.07%,其余各月降雨量占全年降雨量的3.08%。2009年全年降雨量主要集中在6月到8月,占全年總降雨量的78.66%,其中,6月降雨量占全年降雨量的34.48%,7月占全年的21.90%,8月占全年的22.28%,其余各月降雨量占全年降雨量的百分?jǐn)?shù)低于5%。2010年全年降雨量主要集中在6月至10月,占全年總降雨量的82.43%,其中,6月降雨量占全年降雨量的30.13%,7月占全年的14.17%,8月占全年13.33%,9月占全年的11.06%,10月占全年的13.74%,其余各月降雨量占全年降雨量的百分?jǐn)?shù)低于5%。綜上可見,試驗區(qū)域3a平均降雨量為838.6mm,主要集中在5月到10月,旱濕季極其分明。2.2不同處理的徑流產(chǎn)生量和產(chǎn)徑流分布情況由表2可見,2008年5、6、7、8月徑流產(chǎn)生量分別占全年徑流量的4.61%、50.19%、33.01%、12.19%,2009年5、6、7、8月徑流產(chǎn)生量分別占全年徑流量的5.53%、32.38%、31.37%、30.72%,2010年5、6、7、8、9月徑流產(chǎn)生量分別占全年徑流量的6.74%、34.73%、28.12%、19.91%、10.51%。由此可見,試驗區(qū)徑流產(chǎn)生于5月到9月,集中在6月到8月,大小依次是6月最多,其次是7月和8月,再次是5月和9月,且2008年相對集中,2010年相對分散,這與試驗區(qū)降雨規(guī)律基本一致。處理0、1、2、3、4、5三年平均徑流產(chǎn)生量分別為172.4、168.9、159.0、56.01、48.04、51.4L·m-2。2008年、2009年徑流產(chǎn)生量差異很小,2010年由于降雨分散和延滯,導(dǎo)致徑流產(chǎn)生量大大減少。不同處理之間相比較,徑流產(chǎn)生量大小依次是處理0>處理1>處理2>處理3>處理5>處理4,對照不施肥條件下徑流產(chǎn)量最多,覆蓋秸稈時最少。常規(guī)施肥比對照平均降低1.99%,優(yōu)化施肥比對照降低6.26%~10.23%,平均為7.74%;優(yōu)化施肥比常規(guī)施肥降低2.85%~10.69%,平均為5.86%;橫坡種植比順坡降低61.66%~66.77%,平均為64.78%;揭膜比不揭膜降低0.05%~15.54%,平均為8.17%,秸稈覆蓋比不覆蓋平均降低6.61%。根據(jù)公式:徑流系數(shù)(%)=總徑流量/產(chǎn)徑流總降雨量×100,計算各處理徑流小區(qū)的徑流系數(shù)(表2),其中:產(chǎn)徑流總降雨量2008年為697.9mm,產(chǎn)生時間為5—8月,2009年為664.7mm,產(chǎn)生時間為5—9月,2010年為723.7mm,產(chǎn)生時間為5—10月,處理0、1、2、3、4、5三年平均徑流系數(shù)分別為24.8%、24.3%、22.9%、8.1%、6.9%、7.4%。徑流系數(shù)的變化和徑流量產(chǎn)生變化的規(guī)律一致,主要表現(xiàn)為種植方式對徑流量產(chǎn)生較大影響,順坡種植年平均徑流量是橫坡種植的3.2倍,揭膜、秸稈覆蓋及優(yōu)化施肥等農(nóng)作措施可以降低徑流產(chǎn)生。2.3優(yōu)化施肥及不揭膜條件下各化學(xué)成分流失情況氮、磷絕對流失量計算以地表徑流途徑流失的氮、磷等于整個監(jiān)測周期中(一個完整的周年)各次徑流水中污染物濃度與徑流水體積乘積之和。計算公式如下:式中:P為污染物流失量;C為第i次徑流水中氮、磷濃度;V為第i次徑流水的體積。由表3可見:從2008年到2010年TN累積流失量來看,不施肥條件下TN流失最多,2008年較多為17.34kg·hm-2,2009年為9.99kg·hm-2,2010年為7.85kg·hm-2,年均N流失達(dá)到11.73kg·hm-2;在順坡壟作及不揭膜條件下,TN3a平均流失量,常規(guī)施肥比對照不施肥減少1.33kg·hm-2,年均減少11.33%,優(yōu)化施肥比對照不施肥減少1.57kg·hm-2,年均減少13.41%,優(yōu)化施肥比常規(guī)施肥減少0.24kg·hm-2,年均減少2.34%;在優(yōu)化施肥及不揭膜條件下,橫坡壟作比順坡壟作減少6.45kg·hm-2,年均減少63.46%;在優(yōu)化施肥及橫坡壟作條件下,揭膜比不揭膜減少0.55kg·hm-2,年均減少14.86%;在優(yōu)化施肥橫坡壟作及揭膜條件下,秸稈覆蓋比不覆蓋減少0.08kg·hm-2,年均減少2.48%。從2008—2010年TP累積流失量來看,不施肥條件下TP流失最多,2008年較多為7.62kg·hm-2,2009年為1.51kg·hm-2,2010年為2.18kg·hm-2;在順坡壟作及不揭膜條件下,TP3a平均流失量,常規(guī)施肥比對照不施肥減少0.31kg·hm-2,年均減少8.11%,優(yōu)化施肥比對照不施肥減少0.36kg·hm-2,年均減少9.59%,優(yōu)化施肥比常規(guī)施肥減少0.06kg·hm-2,年均減少1.61%;在優(yōu)化施肥及不揭膜條件下,橫坡壟作比順坡壟作減少2.01kg·hm-2,年均減少58.98%;在優(yōu)化施肥及橫坡壟作條件下,揭膜比不揭膜減少0.13kg·hm-2,年均減少9.35%;在優(yōu)化施肥橫坡壟作及揭膜條件下,秸稈覆蓋比不覆蓋增加0.05kg·hm-2,年均增加4.23%。綜上,不施肥條件下,總氮、總磷流失量最大,優(yōu)化施肥、揭膜、橫坡壟作及秸稈覆蓋等農(nóng)藝措施能降低氮、磷流失量,尤其是橫坡壟作種植,相對于順坡壟作氮、磷流失總量降低了2/3左右。從月度來看,2008年5、6、7、8月氮流失量分別占全年的4.36%、67.29%、22.94%、5.41%,2009年5、6、7、8月分別占13.21%、56.54%、16.34%、13.90%,2010年5、6、7、8、9月分別占5.35%、33.82%、23.49%、22.86%、14.47%;2008年5、6、7、8月磷流失量分別占全年的35.56%、37.95%、21.53%、4.79%,2009年5、6、7、8月分別占13.87%、61.06%、12.24%、10.84%,2010年5、6、7、8、9月分別占9.13%、59.77%、12.71%、12.67%、5.73%(表2)。從年度來看,2008年由于本地效應(yīng)氮磷流失量較大,2009、2010年氮磷流失量減少,約為2008年的1/2,且趨于穩(wěn)定。由此可見,試驗區(qū)氮磷流失與徑流產(chǎn)生規(guī)律基本一致,在常規(guī)施肥處理下徑流量和氮磷流失量之間呈極顯著指數(shù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為R=0.8974**和R=0.5297**(圖2)。2.4tdn/tn流失量由表4可見,2008、2009、2010年TDN/TN分別為19.27%、38.53%、22.20%,平均為24.58%;NO3-N/TN分別為3.14%、15.98%、11.52%,平均為8.41%;NH3-N/TN分別為14.65%、13.31%、7.80%,平均為12.65%;TDP/TP分別為3.76%、22.45%、7.10%,平均為7.00%;TN/TP分別為208.88%、505.92%、325.14%,平均為272.01%。不同處理之間,TDN/TN以處理5最高,其次是處理4,常規(guī)施肥高于對照不施肥,優(yōu)化施肥高于常規(guī)施肥,揭膜高于不揭膜,橫坡壟作和順坡壟作之間差異很小。NO3-N/TN以處理5最高,其次是處理2,優(yōu)化施肥高于常規(guī)施肥和對照不施肥,常規(guī)施肥和對照不施肥之間差異很小,揭膜高于不揭膜,順坡壟作高于橫坡壟作。NH3-N/TN以處理2最高,其次是處理5,優(yōu)化施肥高于常規(guī)施肥和對照不施肥,常規(guī)施肥和對照不施肥之間差異很小,揭膜高于不揭膜,順坡壟作高于橫坡壟作。TDP/TP以處理5最高,其次是處理3,優(yōu)化施肥、常規(guī)施肥和對照不施肥之間差異很小,揭膜高于不揭膜,橫坡壟作高于順坡壟作。TN/TP以對照不施肥處理最高,其次是處理1、2,優(yōu)化施肥和常規(guī)施肥處理之間差異很小,橫坡壟作低于順坡壟作,揭膜低于不揭膜。秸稈覆蓋條件下,TDN/TN、NO3-N/TN、NH3-N/TN、TDP/TP和TN/TP均降低。綜上,不同形態(tài)氮的流失量TN>TDN,TDN占TN的25%左右;TDN>NH3-N和NO3-N,2008年NH3-N>NO3-N且差值較大,而2009、2010年NH3-N<NO3-N且差值較小。TDP占TP的7%左右,TN流失量是TP的3倍左右。不同形態(tài)氮、磷流失比例,年際之間的變異性較大。3討論3.1降雨主要原因分析降雨造成的徑流流失是農(nóng)田土壤中氮磷養(yǎng)分進(jìn)入水體的主要途徑,不僅造成了土壤退化,化肥利用率降低,而且引起水體富營養(yǎng)化。云南降雨主要集中在雨季,暴雨是發(fā)生水土流失的主要原因,試驗區(qū)在2008—2010年的降雨量低于當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅?001.8mm的16%,暴雨主要集中在6、7、8月份,在此期間降雨量多,降雨強(qiáng)度大,易發(fā)生地表徑流、土壤侵蝕和養(yǎng)分輸出。本試驗研究表明,地表徑流在降雨量超過入滲量時才會產(chǎn)生,坡耕地徑流量與降雨量之間具有顯著的相關(guān)性,產(chǎn)流量隨著降雨量的增加而增加,這與宋婭麗等的研究結(jié)果一致。而李其林等研究表明,土壤氮、磷流失量和流失率在降雨量增加到一定程度時即達(dá)最大值,繼續(xù)增加降雨量,氮、磷流失量和流失率呈下降趨勢。3.2不同施肥方案對地表徑流、氮流失量的影響地表徑流氮磷等養(yǎng)分流失過程實際是表層土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過程,養(yǎng)分流失的多少主要受相互作用的限制。不同耕作與管理措施主要包括土地利用和耕作方式、施肥、覆蓋、坡地農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營等,且對養(yǎng)分流失的影響差異很大。本試驗結(jié)果表明,種植方式對徑流量和氮磷流失量具有較大影響,橫坡壟作種植能顯著降低徑流量和氮磷流失量,僅是順坡種植的1/3。這與袁東海等研究結(jié)果具有一致性,即:與傳統(tǒng)順坡農(nóng)作比較,水平草帶、水平溝、休閑、等高農(nóng)作和等高土埂均具有明顯的控制水土流失和氮、磷養(yǎng)分流失作用,并以等高農(nóng)作和等高土埂效果最好。汪濤、徐泰平等研究結(jié)果表明,相對于無肥區(qū)和單施氮肥區(qū),平衡施肥處理泥沙量減少了60%~65%,徑流量減少了28%~33%,增施了磷、鉀肥后,總氮遷移量分別降低了41.10%和46.11%,總磷流失減少了52%~61%。本研究結(jié)果表明,相對于對照不施肥,優(yōu)化(平衡)施肥條件下地表徑流、總氮、總磷年流失量分別平均降低7.74%、13.41%、8.11%,相對于常規(guī)施肥處理分別平均降低5.86%、2.34%、1.61%。由此可見,兩者試驗結(jié)果的變化規(guī)律是一致的,但本試驗結(jié)果沒有汪濤、徐泰平等試驗效果顯著。本研究結(jié)果表明,在優(yōu)化施肥及橫坡壟作條件下,進(jìn)行揭膜提溝培土及揭膜后覆蓋秸稈均能明顯降低地表徑流及氮、磷流失,這與多數(shù)人的研究結(jié)果是一致的。徐泰平等研究表明,相比單施化肥處理,秸稈還田紫色土坡耕地泥沙量減少了70%~82%,地表徑流量減少了26%~31%,秸稈還田顯著減少N、P流失量的60%~76%;免耕輔以秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作,使徑流量和產(chǎn)沙量較傳統(tǒng)耕作處理分別減少了8.35%和88.11%。免耕覆蓋和深松覆蓋延遲產(chǎn)流時間,縮短降水結(jié)束后徑流持續(xù)時間,徑流系數(shù)較傳統(tǒng)耕作分別減少了97.49%和81.20%,徑流量和土壤侵蝕量減少80%以上。在順坡壟作、平作、橫坡壟作的條件下進(jìn)行秸稈覆蓋能顯著減少地表徑流,幅度分別達(dá)79.3%、82.0%、84.7%。本研究結(jié)果表明,地表徑流量揭膜比不揭膜年平均降低8.17%,秸稈覆蓋比不覆蓋年平均降低6.61%;總氮流失量揭膜比不揭膜年均減少14.86%,秸稈覆蓋比不覆蓋年均減少2.48%;總磷流失量揭膜比不揭膜年均減少9.35%。3.3地表徑流養(yǎng)分流失主要表現(xiàn)在顆粒態(tài)和磷流失率之間的關(guān)系坡耕地土壤養(yǎng)分流失通過兩個途徑:一是土壤養(yǎng)分溶解于坡耕地表面的徑流,隨著徑流而損失,二是徑流攜帶的泥沙本身含有或吸附的有機(jī)無機(jī)養(yǎng)分。通過前者損失的養(yǎng)分為溶解態(tài),后者為顆粒態(tài)。一些研究結(jié)果表明坡耕地地表徑流氮、磷流失以顆粒態(tài)氮為主,如黃滿湘等研究發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)氮濃度占徑流全氮濃度的88.19%(施尿素)和98%以上(未施氮肥),是農(nóng)田徑流氮損失的主要途徑;汪濤等研究表明不同施肥制度下隨地表徑流遷移的顆粒態(tài)氮占總氮的比例大部分都在60.0%以上,顆粒態(tài)氮隨地表徑流的遷移是紫色土坡耕地氮素遷移的主要途徑。地表徑流損失是P的主要流失途徑,但徑流中全磷和速效磷含量很低,顆粒態(tài)是地表徑流中P的主要遷移形態(tài)。但有一些報道恰好相反,如宋婭麗等研究發(fā)現(xiàn)滇中坡耕地地表徑流輸出主要以可溶態(tài)為主,可溶態(tài)氮中硝態(tài)氮占全氮濃度比例為21.02%~83.55%,銨態(tài)氮僅占總氮的1.02%~38.58%。徐泰平等研究表明溶解態(tài)總氮在地表徑流N流失中所占比例超過50%;劉毅等研究表明坡耕地柑橘園地表徑流中可溶性磷流失量占總磷的61.4%,可溶性氮素占總氮的52.2%,且在可溶性氮素中又以NO3-N為主。而袁東海研究表明坡耕地徑流流失的N素中又以水溶態(tài)N素為主,約占徑流流失N素的78%~87.6%,P素的流失形態(tài)則以泥沙結(jié)合態(tài)占多數(shù),這是因為紅壤酸性較強(qiáng),極易固定外源素,而酸性的