林草复合系统削减滇池流域农业面源污染研究

陈 澍，荆文涛，祖艳群，陈建军

(云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201)

林草复合系统削减滇池流域农业面源污染研究

陈 澍，荆文涛，祖艳群，陈建军

(云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201)

林草复合系统；地表径流；TN；TP；SS；滇池流域

2013年6—9月在试验地进行了自然降雨条件下的田间试验，目的是分析滇池流域面山垦殖区3种种植模式下的径流、泥沙流失量和养分流失情况。试验结果显示：黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式地表径流流失量为0.74 mL/m2，TN、TP和SS流失量分别为1.83、0.17、3.37 mg/m2；黑麦草+苜蓿的牧草单作模式地表径流流失量为0.84 mL/m2，TN、TP和SS流失量分别为2.51、0.25、4.21 mg/m2；桃树单作地表径流流失量为0.92 mL/m2，TN、TP和SS流失量分别为2.69、0.26、4.10 mg/m2。结果表明黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作种植模式削减农田地表径流和径流污染的效果较好。

农田径流污染是指农田地表沉积物与大气沉降物等在降水的淋溶和冲刷作用下，扩散性地进入水体，造成地表水环境质量下降的过程[1]。据统计，我国湖泊50%以上的氮、磷来自农业面源污染[2]，农田径流污染已成为河流、湖泊水体富营养化的重要营养物质来源。由于污染物的大量排入，使得滇池已成为水体富营养化程度最严重的湖泊之一。滇池流域总氮和总磷负荷中农业污染贡献率分别达到33%～53%和30%～58%，构成了非点源污染中氮、磷的主要来源[3-4]，因此采取有针对性的农业面源污染防治措施是解决滇池水体富营养化的关键。作物种植模式对农业面源污染物的产生和运移有着重要影响，合理的种植模式可以有效削减农田地表径流和营养物质的流失[5-10]，通过改变种植模式控制农业面源污染已经引起了人们的广泛关注。

林草复合系统作为农林复合的一个重要组成部分被广泛应用，其生态效益和经济效益是林草复合模式研究的热点,特别是林草复合模式对林产品品质和产量的影响、对水土流失的控制作用、其地下根系对土壤的改良作用，以及对环境生物的影响等[11]，而关于林草复合系统对农业面源污染负荷的削减效果方面的研究成果很少。为此，本研究重点分析了林草复合系统对滇池流域农田地表径流量与径流中氮、磷等养分流失量的影响，以期为滇池治理提供参考数据。

1 试验小区概况

试验地点位于昆明市官渡区宝象河流域大板桥镇大东冲村，属滇池流域面山垦殖区。试验地为坡耕地，在坡耕地上修建了9个标准径流观测小区，各小区基本情况见表1。在每个小区下坡向开挖一个集水池，用以收集(用 PVC 管引入集水池)并测量各小区内产生的降雨径流量。

表1 径流小区基本情况

2013年5月初在试验地种植黑麦草(LoliumperenneL.)和苜蓿(MedicagosativaLinn.)。种植模式为黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式(JZ)、黑麦草+苜蓿的牧草单作模式(DZ1)和桃树单作模式(DZ2)，不同种植模式的种植规格见表2。各小区所施肥料品种相同，分别为农用硝酸铵钾(全水溶速效氮钾肥)，每100 kg含氮(N)≥20%、钾(K2O)≥10%(含硝酸钾)；

表2 不同种植模式的种植规格

粉状过磷酸钾，有效磷(P2O5)≥16%。于2013年5月初种植黑麦草、苜蓿，种植当日施用农用硝酸铵钾和粉状过磷酸钾，并于7月29日进行追肥，每个小区施肥、追肥量均为1 kg(农用硝酸铵钾500 g、粉状过磷酸钾500 g)。

2 试验方法

水样的采集密度为每场降雨后采集一次，以雨停后6 h内未再降雨作为一场降雨。 2013 年6—9月试验地发生降雨产流的共有9次，分别为6月27日、7月12日、7月19日、7月28日、8月2日、8月9日、8月13日、8月22日、8月30日降雨，降雨量分别为15.6、17.2、26.8、35.8、11.0、9.2、30.2、6.8、29.2 mm。根据2006年国家防汛抗旱总指挥部办公室编制的《防汛手册》，7月19日、7月28日、8月13日、8月30日降雨强度较大，属强降雨。

水样分析方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)。采样时将集水桶中的水和泥沙搅拌均匀，取中间部分水样，每次采集500 mL。采样后立即运往实验室，放入冰箱冷藏保存，于7 d内完成测定。水体固体悬浮物(SS)采用烘干称重法，水样用0.45 μm玻璃纤维微孔滤膜过滤后进行TN、TP的测定，TN 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，TP采用钼锑抗分光光度法测定。以TN、TP、SS浓度乘以单位面积地表径流量得到TN、TP、SS单位面积流失量，用Excel 2003进行数据分析。

3 结果与分析

(1)农田地表径流量。一般来说降雨量的大小会直接影响径流产生量，降雨量越大，径流量也越大，降雨经过土壤渗透，多余的部分便会形成径流流出，造成水土流失进而产生农业面源污染[12]。上述9次降雨中，在相同降雨条件下，黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式的地表径流流失量要小于黑麦草+苜蓿的牧草单作模式和桃树单作模式(图1)。不同种植模式下的平均产流量分别为黑麦草+苜蓿+桃树0.74 mL/m2、黑麦草+苜蓿0.84 mL/m2、桃树单作0.92 mL/m2。

图1 不同种植模式下地表径流量

相比黑麦草+苜蓿、桃树单作，黑麦草+苜蓿+桃树减少径流量分别提高了11.9%、19.6%。

(2)农田地表径流SS流失量。9次降雨径流中SS流失量最大的是6月27日、8月13日降雨。相同降雨强度条件下，黑麦草+苜蓿+桃树林草间作模式的SS流失量要小于黑麦草+苜蓿牧草单作模式和桃树单作模式(图2)。不同种植模式下农田地表径流SS平均流失量分别为黑麦草+苜蓿+桃树3.37 mg/m2、黑麦草+苜蓿4.21 mg/m2、桃树单作4.10 mg/m2。相比黑麦草+苜蓿、桃树单作，黑麦草+苜蓿+桃树减少地表径流SS平均流失量分别提高了20.0%、17.8%。

图2 不同种植模式下地表径流SS流失量

(3)农田地表径流TN流失量。9次降雨中，TN流失量以7月28日降雨径流TN流失量最大，其次是8月2日降雨产流。相同降雨条件下，黑麦草+苜蓿+桃树林草间作模式的TN流失量要小于黑麦草+苜蓿牧草单作模式和桃树单作模式(图3)。不同种植模式下TN平均流失量分别为黑麦草+苜蓿+桃树1.83 mg/m2、黑麦草+苜蓿2.51 mg/m2、桃树单作2.69 mg/m2。相比黑麦草+苜蓿、桃树单作，黑麦草+苜蓿+桃树减少地表径流TN平均流失量分别提高了27.1%、32.0%。

图3 不同种植模式下地表径流TN流失量

(4)农田地表径流TP流失量。9次降雨中，TP流失量以8月13日降雨径流TP流失量最大，其次是7月19日降雨产流。相同降雨条件下，黑麦草+苜蓿+桃树林草间作模式的TP流失量要小于黑麦草+苜蓿牧草单作模式及桃树单作模式(图4)。不同种植模式下的TP平均流失量分别为黑麦草+苜蓿+桃树0.17 mg/m2、黑麦草+苜蓿0.25 mg/m2、桃树单作0.26 mg/m2。相比黑麦草+苜蓿、桃树单作，黑麦草+苜蓿+桃树减少地表径流TP流失量提高了32.0%、34.6%。

图4 不同模式下地表径流TP流失量

4 讨 论

4.1 不同作物种植模式对农田面源污染的影响

针对不同农业种植区和农业类型，采取合理的农业种植模式能够有效削减农业面源污染。大量研究表明，林草复合模式能够有效拦截降水，减少地表径流，提高土壤涵养水源的能力，在生态系统恢复过程中起到了重要的作用[13-16]。林草间作模式削减农业面源污染主要是通过植被的地上和地下两部分共同实现：地上部分的作用主要是截留降雨，削减降雨动能，减少降雨侵蚀力，增加地表糙度，降低径流对地表冲刷能力等；地下部分的作用主要体现在根系增强土壤抗冲性能和改善土壤结构等方面[17-19]。试验中桃树与黑麦草、苜蓿间作种植，牧草覆盖地面的能力较大，并且随着牧草的生长，数量众多、发达的须根系统形成纵横交错的根网，对截断地表径流效果明显。降雨过程中一部分雨滴降落在桃树树冠上，其大部分动能被消耗，抑制了雨滴对地表的直接溅蚀，附着于桃树树冠和茎干上的雨水进一步滑落到下层牧草上，由于牧草草冠距地面距离小，削减了降雨的动能，间接增加了土壤的抗冲能力，减弱了降雨对地表的冲击。

作物截留地表径流的能力与作物的覆盖度和冠层截留有关。在相同降雨强度条件下，农田植被覆盖度是影响农田地表径流量和土壤侵蚀量的主要因素[20]，作物株高、冠幅不同，小区的覆盖程度不同，对雨水的截留能力也不同[21]。该试验地种植的是桃树、苜蓿和黑麦草，其中苜蓿和黑麦草覆盖地表的能力较大。在9次收集到地表径流的降雨过程中，随着牧草的生长，种植模式不同的小区，其农田地表径流污染物浓度随着覆盖度的变化呈现一定的动态规律：在牧草生长初期，牧草覆盖度较低，不同种植模式的植被覆盖率为黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式>桃树单作模式>黑麦草+苜蓿的牧草单作模式。6月27日降雨产流正处于牧草生长初期，地表径流产生量为黑麦草+苜蓿+桃树<桃树单作<黑麦草+苜蓿，这是由于黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式和桃树单作模式能保证在牧草生长初期仍有桃树树冠遮盖部分地表，遮挡降雨，削弱了雨滴对地面的溅蚀，起到了冠层截留的作用，减少了径流的产生。随着牧草的生长，随后的几次降雨产流过程中，小区植被株高、叶面积指数和丛径均在增大，不同种植模式的植被覆盖率呈现黑麦草+苜蓿+桃树>黑麦草+苜蓿>桃树单作，因此地表径流产生量黑麦草+苜蓿+桃树<黑麦草+苜蓿<桃树单作。黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式对地表径流污染负荷削减作用强于黑麦草+苜蓿的牧草单作模式，分析其原因，可能是桃树与牧草的相互作用，提高了养分利用率，增强了土层结固作用。

4.2 农田地表径流养分流失规律

农田土壤中N、P等养分的流失主要受降雨形成的地表径流所驱动，因此土壤养分的大量流失通常发生在强降雨条件下[22]。本次试验中农田地表径流养分流失主要集中在4次强降雨过程中，这4次降雨中各小区产流量占桃树单作模式径流量的62.4%～72.8%，占黑麦草+苜蓿牧草单作模式径流量的53.4%～61.0%，占黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式径流量的60.8%～69.8%。因此，在强降雨条件下防止土壤侵蚀，减小降雨对地表的扰动，控制强降雨条件下农田地表径流养分流失，是有效削减农业面源污染的重要措施。SS流失量最大的两次降雨发生在6月27日和8月13日，这两次降雨径流SS流失量占黑麦草+苜蓿模式径流SS总产生量的69.0%、占桃树单作模式总产生量的63.3%，占黑麦草+苜蓿+桃树模式总产生量的65.4%，说明初次降雨产流和产流量较大时SS流失量较大。在相同降雨强度条件下，不同种植模式下的TN、TP、SS流失量均为间作<单作。6月27日和8月2日在弱降雨条件下TP流失量较大，原因是当时试验地牧草种植不久，在土壤中施加基肥，土壤表层磷素相对富集，极易随水体流失，说明施肥时间对污染物的流失有明显影响。8月22日黑麦草+苜蓿+桃树林草间作模式的SS流失量、TP流失量与黑麦草+苜蓿的牧草单作模式和桃树单作模式差异很小，可能是由于试验地在8月20日进行了人工拔除杂草，拔除杂草后的土壤表层土质疏松，容易流失。

综上分析可知，雨强、径流量、植被覆盖、施肥、人类活动等因素都会影响农田地表径流污染物的流失，而合理的种植模式能提高作物对土壤水肥资源的利用率、改变作物根系的分布特征、增强作物根系对土壤的固结能力[23]，所以在采取合理种植模式的情况下，农田地表径流带走的氮、磷等污染物也减少了。本试验成果对滇池流域面山垦殖区农业面源污染控制和湖泊水体富营养化治理具有重要指导意义。

5 结 语

在试验地设置黑麦草+苜蓿+桃树林草间作模式、黑麦草+苜蓿牧草单作模式和桃树单作模式径流小区，于2013年6月至9月进行降雨径流试验。结果表明，在9场降雨产流过程中，黑麦草+苜蓿+桃树林草间作模式的地表径流量为0.74 mL/m2，TN、TP和SS流失量分别为1.83、0.17、3.37 mg/m2，其削减农田地表径流和径流污染的效果最好；与黑麦草+苜蓿的牧草单作模式相比，黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式削减地表径流量、TN、TP和SS分别提高11.9%、27.1%、32.0%、20.0%；与桃树单作模式相比，黑麦草+苜蓿+桃树的林草间作模式削减地表径流量、TN、TP和SS分别提高19.6%、32.0%、34.6%、17.8%。

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(责任编辑 李杨杨)

国家水体污染控制与治理科技重大专项，湖泊主题滇池项目(2012ZX07102-003-04)

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1000-0941(2015)04-0046-04

陈澍(1989—)，女，河南洛阳市人，硕士研究生，研究方向为农业面源污染；通信作者陈建军(1970—)，男，重庆市人，副教授，博士，从事农业面源污染控制方面的研究。

2014-12-04