生草栽培对果园面源污染的控制：三种牧草的比较研究

高小叶，张兴兴，朱建国，安渊

(上海交通大学农业与生物学院，农业部都市农业(南方)重点实验室，上海 200240)

生草栽培对果园面源污染的控制：三种牧草的比较研究

高小叶，张兴兴，朱建国，安渊*

(上海交通大学农业与生物学院，农业部都市农业(南方)重点实验室，上海 200240)

摘要：本文选择菊苣、紫花苜蓿和白三叶，在桃园分别建立3种生草栽培模式，并以清耕为对照。通过人工模拟暴雨的降雨过程，研究不同施肥条件下，3种生草栽培模式对地表径流和果园面源污染的影响，结果表明，桃园种植菊苣、紫花苜蓿和白三叶明显减少了地表径流，与对照相比，径流量依次降低41.6%，35.0%和58.4%，但三者之间差异不显著。地表径流量与草地盖度呈现显著负相关(P<0.05)，与草地密度和基盖度的相关性不显著。不同施氮条件下，菊苣、紫花苜蓿和白三叶草地的铵态氮、总氮和总磷径流量明显下降，其中，白三叶草地对降低铵态氮、总氮和总磷的径流流失量效果最好，其次是菊苣草地。本研究结果表明不同生草栽培模式对果园面源污染的防控效果存在差异，研究结果为果园建立适宜的生草栽培模式提供了依据。

关键词：果园生草; 面源污染; 地表径流; 草地

我国是水土流失比较严重的国家，水土流失面积达356万km2，其中受水力侵蚀的水土流失面积165万km2，主要分布在长江上游的云南、贵州、重庆、湖北和黄河中游的山西、甘肃、内蒙古等省(区、市)。在农业生态系统中，土壤侵蚀主要由降雨所造成，尤其是在土壤结构比较松散的地区。水土流失给农田生态系统造成多方面的危害。首先，水土流失带走部分农田土壤，随之也带走许多营养元素，造成土壤肥力下降，从而影响作物生长，降低产量[2-3]；其次，农业生产中大量使用化肥，土壤中水溶性的氮、磷、钾等营养物质大量积累，降雨引起的地表径流会将溶解在水中的营养元素带入河流、湖泊中，引起面源污染，加剧水体富营养化，危害水生态系统安全[4-5]。大量的研究结果表明，水体富营养化现象的发生与农田土壤中氮、磷等养分流失有着密切的关系[6-7]。

果树在我国农业结构中占有很大的比例，果树栽培面积超过870万hm2，产量超过7200万t，是农业生产的重要组成部分。目前，我国果树种植普遍采用清耕制度，果园中大面积土地裸露，而且很多地区果树一般种植在丘陵或坡地，当降雨量较大时，雨水很容易形成地表径流，造成水土流失。果园生草是在果园中人工种植适生的草本植物或保留果园原生植被，并采取刈割等管理措施对草层高度进行控制。果园生草可以在果园裸露的地面形成比较致密的下垫面，从而减少水土流失。因此，果园生草措施不仅能减少果园土壤和养分的流失，增加土壤矿化速率，提高土壤肥力，还能有效控制面源污染，减轻当地水体的富营养化，是一种有效的绿色生态农业耕作措施[10]。目前，有关果园生草对土壤营养和果树生长的研究已有报道[11-12]，但关于生草与控制面源污染的研究报道比较少。果园生草一方面能够改善果园生态环境，同时，可以成为果园复合生产体系的组成部分。果园养鸡是果园复合生产常见的生产模式，在选择果园种草的品种时，一方面要考虑草品种的耐阴性能和与果树的营养竞争关系，同时，要考虑果园鸡对牧草的采食率和消化性能。鉴于以上原因，本研究选择了鸡喜食的菊苣(Cichoriumintybus)、紫花苜蓿(Medicagosativa)和白三叶(Trifoliumrepens)作为果园草地建植的品种，以达到果园生态环境保护和果园草地综合利用双重目的。本文采用人工模拟暴雨降雨过程，研究3种果园生草类型对地表径流的影响，以及对不同氮肥施用量下，果园面源污染的控制作用，为正确认识生草对果园面源污染的防控作用和建立适宜的果园草地类型提供依据。

1材料与方法

1.1　试验设计

种草和施肥试验设计：试验地位于上海市南汇区大团镇一个5年树龄的桃园，面积2 hm2。采取裂区试验设计，设4个种草处理，分别种植菊苣、紫花苜蓿和白三叶，以及无草覆盖的对照，播期为2013年3月2号。每种草种植面积0.5 hm2，对照区0.4 hm2。试验于当年7月20号进行，各草地种群特征见表1。沿着果园排水沟，在每个生草处理区选择9个面积为1 m2(1 m×1 m)的小区，坡度为7°左右。小区三面垂直插入塑料板，入土深度10 cm，地上部分距地面10 cm，一面开口，与果园排水沟相连。在排水沟内铺设塑料薄膜，用于收集雨水。薄膜与生草区衔接处用土铺平，保证雨水畅流、无渗漏。在每个生草区选择的9个小区中，随机设置3个施氮肥(尿素)处理，施肥量分别为300 kg/hm2、150 kg/hm2和不施肥；施肥方式采用叶面喷施的方法，以达到均匀施肥的目的。每个施肥处理3次重复，施肥处理1 h后，开始人工模拟降雨过程。

表1　不同草地类型的种群特征

注：同行字母不同者差异显著(P<0.05)。

Note:Different letters within the same row indicate significant difference atP<0.05.

人工模拟降雨设计：为保证人工降雨径流的收集，雨量设计为暴雨水平。雨量设计参考邬伦和李佩武[13]的设计，降雨量为1 mm/min左右。用喷壶模拟降雨，时间10 min，用水量10 L。模拟降雨结束后，收集汇集在已铺设塑料薄膜中的水，计算径流量，同时取50 mL水，用于氮、磷、钾含量测定。

1.2　测定指标和方法

地上生物量：模拟降雨试验结束后，将小区牧草刈割，留茬8 cm，称重；另取部分样品带回实验室，65℃烘48 h至恒重，称重，计算干湿比。高度：每个小区随机选取5株牧草，测定高度，计算平均值，作为该小区草层高度。密度：对每个小区内所有牧草进行计数。盖度：用尼龙线将1 m2样方等分为100个0.01 m2(10 cm×10 cm)的方格，放置在待测定草地，目测其盖度。基盖度：模拟降雨试验结束后，将小区牧草刈割，目测基盖度。地表径流量：采集试验小区内产生的地表径流，用量筒进行测量。水样铵态氮含量和总氮含量(mg/L)：采用连续流动注射分析仪(BRAN+LUEBBE 公司，德国) 进行测定。水样总磷含量(mg/L)：采用碱性过硫酸钾消解钼蓝比色法测定[14]。

1.3　数据处理

采用SAS 9.1(SAS Institute, USA)软件进行方差分析和相关分析, Sigma Plot 12.5 作图。

2结果与分析

图1　种植不同牧草对模拟降雨下地表径流的影响Fig.1　The total amount of surface runoff after simulated rainfall under different treatment　　　不同字母表示差异显著(P<0.05)。Different letters mean significant difference at P<0.05.下同The same below.

2.1　不同人工草地对降雨过程中地表径流的影响

在模拟降雨条件下，种植不同牧草均可以显著降低地表径流的总量(图1)。种植菊苣、紫花苜蓿和白三叶后，地表径流量分别比对照减少了833, 700和1167 mL，降低幅度为41.6%, 35.0%和58.4%，种植白三叶的效果优于种植菊苣和紫花苜蓿，但彼此间差异不显著。对地表径流量和草地的密度、盖度和基盖度之间进行相关分析可以看出，地表径流量与草地的盖度显著负相关(P<0.05)，相关系数为-0.728；与草地的密度以及基盖度之间也呈现负相关，但相关性不显著(表2)。

2.2　不同草地类型对果园地表径流中养分浓度的影响

在不同施肥量条件下，3种草地均不同程度地降低了地表径流中氮、磷的浓度(图2~4)。当施肥量为300 kg/hm2时，菊苣、紫花苜蓿和白三叶草地的地表径流中铵态氮、总氮和总磷的浓度明显低于对照(P<0.05)，其中，铵态氮的浓度分别比对照降低8.8，8.7和5.9 mg/L，降幅达到57.3%, 56.8%和38.7%；总氮的浓度分别比对照降低5.3，4.9和1.8 mg/L，降幅为31.5%, 29.1%和11.0%；总磷的浓度分别比对照减少1.6, 1.6和1.4 mg/L，降幅为39.2%, 40.3%和34.6%。当施肥量为150 kg/hm2时，种植菊苣和紫花苜蓿均可显著降低地表径流中铵态氮、总氮以及总磷的浓度，其中，铵态氮浓度的下降幅度依次为32.9%和21.0%，总氮浓度降幅依次为10.4%和4.3%，总磷浓度则依次降低43.8%和53.7%。白三叶草地的地表径流中，总磷浓度下降显著，与对照相比降幅达58.3%，而铵态氮浓度与对照无显著差异(P>0.05)，总氮浓度甚至高于对照(P<0.05)。在未施肥草地，除菊苣草地的地表径流中铵态氮和总磷的浓度显著低于对照外，其他处理之间的养分浓度与对照的差异均不显著。

表2　地表径流与草地种群特征的相关分析

注：*表示相关性显著(P<0.05)。

Note:* indicate a significant correlation atP<0.05.

2.3　不同草地类型对果园土壤养分流失总量的影响

在不同施肥量条件下，3种草地均可显著减少模拟降雨地表径流所带走的铵态氮(图5)、总氮(图6)和总磷(图7)。菊苣、紫花苜蓿和白三叶草地的地表径流中铵态氮、全氮和全磷的总量均显著低于对照(P<0.05)。在施肥量为300 kg/hm2时，铵态氮径流量依次比对照降低75.1%, 71.9%和74.5%，总氮径流量依次降低60.1%, 53.9%和62.9%，总磷径流量依次降低64.6%, 61.3%和72.8%；在施肥量为150 kg/hm2时，与对照相比，铵态氮径流量依次降低60.8%, 48.7%和57.2%，总氮径流量依次降低47.8%, 37.9%和55.2%，总磷径流量依次降低67.2%, 70.0%和82.7%；在不施肥情况下，铵态氮径流量依次比对照降低78.2%, 14.0%和54.0%，总氮径流量依次降低44.0%, 34.4%和57.5%，总磷径流量依次降低66.4%, 49.8%和67.4%。总体而言，白三叶草地降低铵态氮、总氮和总磷随着地表径流流失的效果最好，其次是菊苣草地。

图2　不同施肥量下3种草地地表径流中铵态氮的浓度Fig.2　Concentration of NH4+-N in surface runoff under application of fertilizes

图3　不同施肥量下3种草地地表径流中总氮的浓度Fig.3　Concentration of total-N in surface runoff under application of fertilizes

图4　不同施肥量下3种草地地表径流中总磷的浓度Fig.4　Concentration of total-P in surface runoff under application of fertilizers

图5　不同施肥量下草地对地表径流中铵态氮总量的影响Fig.5　Effect of application of fertilizers on total NH4+-N loss in surface runoff

图6　不同施肥量下草地对地表径流中全氮总量的影响Fig.6　Effect of application of fertilizers on total-N loss in surface runoff

图7　不同施肥量下草地对地表径流中全磷总量的影响Fig.7　Effect of application of fertilizers on total-P loss in surface runoff

3讨论

固持土壤，降低水土流失是草地主要的生态功能之一。果园种草同样具有较好的固土蓄水功能[15-16]。在山地果园中全园或带状种植三叶草可延迟地表径流的产生时间，降低地表径流量[17]。在红壤丘陵地区的经济林下种植龙须草(Juncuseffusus)，径流产生时间比无植被对照晚20 min，但径流持续时间延长9 min，径流量减少20.23 mm[18]。在土地相对平整的荔枝(Litchichinensis)园种植百喜草(Paspalumnatatu)，径流量比对照减少74.13%，土壤流失量减少92.75%[10]。本研究中，桃园种植3种牧草后，地表径流均显著下降，与上述研究结果一致。种草对降低地表径流的作用主要体现在：1)在地表形成的草垫，减轻了雨水对土壤的溅击，同时雨水顺着草层缓慢下渗，减慢了径流的产生时间；2)种草土壤的容重下降，孔隙度增加，提高土壤的渗透性，减少了地表径流量；3)植株对地表径流的阻挡作用减缓了径流流速，增加水分渗透，从而减少地表径流量。地表径流量与草地的密度、盖度和基盖度的相关性分析表明，草地地表径流量与草地的盖度呈显著负相关，表明盖度越大，草地的减流效果越显著。其主要机制是减缓了雨水顺着草层流到地面的时间，延长了水分下渗到土壤的时间。地表径流量与草地密度和基盖度的相关性不显著，表明草地密度和基盖度对减轻暴雨的径流作用相对比较小。由于白三叶草地的盖度达到100%，明显高于菊苣和紫花苜蓿草地，因此，其减流效果最明显。菊苣叶片比较大，对雨水流到地面时间的减缓作用比较明显，因此，减流的作用比紫花苜蓿明显。

果园清耕措施是加剧面源污染的重要因素之一。黄红艳等研究表明果园旁地下水和地表水中磷素浓度在降雨后明显增加，降雨形成的地表径流加剧了果园磷素流失。此外，果园旁和河道旁地下水中氮浓度明显高于居民区地下水的氮浓度，表明果园清耕措施对地下水的污染状况也十分严重[19]。大量研究表明果园种草具有改善果园生态环境，提高果实品质的作用[20-24]，也有研究表明果园种草能够有效减轻果园面源污染。山地果园全园和带状种植三叶草可降低地表径流中的铵态氮、硝态氮、全氮、有效磷和全磷的浓度[17]。在琯溪蜜柚园带状(1.5 m宽)播种百喜草，总氮和总磷流失量分别比对照降低41.11%~49.06%和33.86%~41.73%。本研究中，桃园种植白三叶、菊苣和紫花苜蓿的单位面积地表径流中，铵态氮、全氮和全磷的总流失量在300 kg/hm2、150 kg/hm2和不施肥3个处理下均明显低于对照处理(清耕地施肥处理)，与已有报道结果一致。白三叶草地的径流中，铵态氮浓度和总氮浓度在150 kg/hm2施肥量下与对照处理差异不明显，其原因是白三叶草地盖度和密度高，喷施的尿素部分保留在叶片冠层，随着雨水直接流入径流收集装置中。另外，在不施肥处理下，白三叶草地的地表径流中铵态氮浓度和总氮浓度也略高于对照处理，说明其地表氮含量相对比较高，这也是白三叶草地径流中铵态氮浓度和总氮浓度在150 kg/hm2施肥量下高于对照处理的原因之一。果园面源污染程度与地表径流中的氮、磷浓度有关，也受到地表径流总量的影响。尽管白三叶草地在150 kg/hm2施肥量下，单位体积径流液中的铵态氮浓度和总氮浓度略高，但因其径流总量低于菊苣和紫花苜蓿草地，因此，总氮流失量仍然最小。从控制面源污染的效果看，白三叶草地的效果最显著，其次是菊苣草地。

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A comparison of the effect of three grass species on controlling non-point pollution in orchards

GAO Xiaoye, ZHANG Xingxing, ZHU Jianguo, AN Yuan*

CollegeofAgricultureandBiology,MOAKeyLaboratoryofUrbanAgriculture(South),ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China

Abstract:Pastures of alfalfa (Medicago sativa), chicory (Cichorium intybus) and white clover (Trifolium repens) were established separately to study their effects on controlling runoff and non-point pollution under the application of fertilizers in a peach orchard. Simulations of torrential rain were conducted. The results showed that the amount of runoff in the chicory, alfalfa, and white clover pastures decreased 41.6%, 35.0% and 58.4% respectively, in comparison with the control, but there is no difference between these three pastures. The relationship between runoff amount and pasture coverage was significantly negative, but relationships between runoff amount and density, as well as runoff amount and basal coverage of pasture, were not significant. Compared to the control, the content of ammonium nitrogen, total nitrogen and total phosphorus in runoff significantly decreased in the three pastures with the application of fertilizers. This decrease was most pronounced with white clover, with chicory in second place. This study suggests that establishing pastures in orchards can help to control runoff and non-point pollution and that the effectiveness of this control depends on the types of pasture (e.g. plant species or coverage).

Key words:orchard; non-point pollution; runoff; pasture

*通讯作者

Corresponding author. E-mail:anyuan@sjtu.edu.cn

作者简介：高小叶(1986-)，女，陕西安塞人，在读博士。E-mail:gaoxiaoye1220@163.com

基金项目：国家科技支撑项目(2011BAD17B02),上海市农委攻关项目[沪农科攻字(2013)第5-10号]和上海市科委基础重点项目(13JC1403200)资助。

*收稿日期：2014-01-09；改回日期：2014-03-14

DOI：10.11686/cyxb20150206

http://cyxb.lzu.edu.cn

高小叶， 张兴兴， 朱建国， 安渊. 生草栽培对果园面源污染的控制：三种牧草的比较研究. 草业学报， 2015， 24(2)： 49-54.

Gao X Y, Zhang X X, Zhu J G, An Y. A comparison of the effect of three grass species on controlling non-point pollution in orchards. Acta Prataculturae Sinica， 2015， 24(2)： 49-54.