覆盖与间作对丹江口库区坡地茶园氮磷流失和土壤环境的影响

李太魁，张香凝，郭战玲，寇长林*，吕金岭，杨小林

1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.农业部原阳农业环境与耕地保育科学观测实验站，河南 郑州 450002；3.河南省农业生态环境重点实验室，河南 郑州 450002；4.河南理工大学安全与应急管理研究中心，河南 焦作 454000

坡耕地水土流失是中国乃至全世界值得关注的生态环境问题，水土流失一方面导致土壤质量退化及生产力下降，另一方面径流所携带的养分加速了地表水体的富营养化程度（Shan et al.，2015；史志华等，2018；李太魁等，2018），如何防治水土流失造成的农业面源污染是当前农业环境保护工作亟待解决的重大问题。中国山地面积约占国土面积的69%，随着坡耕地的开发利用，养分流失及土壤退化问题日益加剧，迫切需要更有利的防治措施。间作草类和秸秆覆盖作为农田土壤管理方法在国内外已经得到了普遍推广和应用，近年来，在很多易产生径流地区广泛进行了茶园、梨树及脐橙等果树的各种覆盖及草类间作技术措施的研究，取得了良好的生态及社会效益，为这些地区的农业可持续发展提供了良好的理论依据（高茂盛等，2010；俞巧钢等，2012）。

丹江口水库是国家重大工程南水北调中线工程的水源地，重点解决北京、天津等沿线 20多座城市的饮用水问题，对沿线生态环境和输水水质安全保障极其重要（刘增进等，2017）。库区周围为经济欠发达地区，当地主要经济类型为特色作物种植，包括柑橘、茶叶和中药材等，其中，茶园是丹江口库区一种重要的土地利用方式。成年期的茶园由于植被覆盖率较高，能够有效地防止土壤侵蚀，其水土流失强度和面源污染的危害相对较弱，但对于新开垦的幼龄茶园，由于地表覆盖度较低，极易受水土流失的影响。因此如何降低幼龄茶园水土及氮磷养分流失，是茶园管理初期的一项重要内容。鉴于丹江口库区的环境敏感性及库区周边特色产业发展的需求，本文以丹江口库区坡耕地幼龄茶园为研究对象，研究秸秆覆盖和间作三叶草方式下地表径流氮磷流失特征，以期为库区农业面源污染防控提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验地点位于河南省南阳市淅川县毛堂乡毛堂村，属北亚热带向暖温带过渡的季风性气候区，常年平均气温 15.8 ℃，降雨集中、旱涝不均，初夏多干旱，中、后夏降雨较多，雨量充沛，年降雨量在391.3—1423.7 mm之间，多年平均降雨量为804.3 mm，无霜期228 d。近年来，毛堂乡大力发展茶叶、食用菌、烟叶等特色产业。所选茶园为种植品种乌牛早的新茶园，土壤为典型的黄棕壤，土壤pH为6.24，表层土壤容重1.38 g·cm-1，有机质含量为 13.68 g·kg-1，全氮含量 1.03 g·kg-1，全磷含量为 0.45 g·kg-1，速效磷含量 13.92 mg·kg-1，碱解氮含量为43.51 mg·kg-1。总的来看，供试土壤肥力中等偏下，有机质含量偏低，容重较大，土壤保水保肥能力较差。

1.2 试验设计

试验茶树品种为乌牛早，2013年10月种植，南北向种植，穴距30 cm，行间距为150 cm，每穴种2—3株茶苗。试验设计3个处理：对照（清耕）；间作三叶草；秸秆覆盖，每个处理3次重复，随机区组排列。绿肥品种为白三叶草，由河南省农业科学院园艺所提供，2013年10月26日播种，播种量为4.5 kg·hm-2，供试秸秆为当地小麦秸秆，切成20 cm左右覆盖于地表，覆盖量为15 t·hm-2。各试验小区施肥水平相同，尿素 180 kg·hm-2，复合肥（15-15-15）350 kg·hm-2，菜籽饼肥 450 kg·hm-2，其中1/3尿素和全部复合肥、饼肥于2013年11月施入，剩下2/3尿素于次年3月初施入。试验小区面积45 m2，坡度平均20°，小区四周围埂并用塑料薄膜防止水土串流，各处理管理水平完全一致。降雨径流观测于2014年雨季（5—10月）进行。

1.3 地表径流样品采集

地表径流采用径流池收集监测。每个小区在坡底中央建一个径流池，在小区的底部中间用 PVC塑料管连接收集桶，用于收集地表径流和泥沙。每次产流后，先用尺子测量池中的径流量，将径流池中的水搅拌均匀，取水样500 mL，冷冻保存，取样后及时排干并清洗径流池备用。

1.4 测定项目与分析方法

径流水样总氮是指水中可溶性及悬浮颗粒中的含氮量，可溶性氮是指水中可溶性及含可滤性固体（小于0.45 μm颗粒物）的含氮量。总氮测定时先摇匀，取水、沙混合样10 mL，碱性过硫酸钾高温（120 ℃）消解，定容，离心，然后用紫外分光光度法测定总氮（TN）含量；水样经0.45 μm滤膜过滤后，采用上述方法测定即为可溶性总氮（DTN）含氮量，它包含溶解性无机氮（硝态氮、铵态氮、亚硝态氮）和溶解性有机氮；可溶性磷采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法，铵态氮采用靛酚蓝-紫外分光光度法，硝态氮采用紫外分光光度法（鲁如坤，2000）。土壤温湿度用土壤水分温度计（英国，Delta-T）直接测定，颗粒态氮（PN）由总氮减去可溶性总氮计算得出，颗粒态磷（PP）由总磷减去溶解态总磷得出。

1.5 数据处理与分析

单次降雨产流事件养分流失量Qi=Ci×qi，式中，Qi为养分流失量（mg·m-2），Ci为养分质量浓度（mg·L-1），qi为径流量（L·m-2）。

养分流失负荷为年内相应历次降雨径流养分流失量累加，计算公式为：Q=∑Qi（i=1,2,3…n，n为年降雨产流事件数）。

文中数据采用Excel 2007进行处理，SPSS 16.0和Origin 8.0进行方差分析、相关分析、图形制作等。

2 结果与分析

2.1 间作三叶草和秸秆覆盖对茶园地表径流量的影响

分析 2014年试验地点月降雨量和月降雨日数（图1），降雨主要集中在6—9月，降雨量最大的月份在9月，全月203.5 mm，月降雨日数16 d，日降雨量多在30 mm以上，最大日降雨量为34 mm；3—4月尽管月降雨日数较多，但单次降雨量小，因此不容易产生径流。在雨季集中的月份，虽然月份之间的降雨日数变化不大，但月降雨总量差异明显。短时间的强降水极易产生地表径流且土壤侵蚀严重；当土壤水分饱和时，日降雨量较小时也易产生径流。将对照处理相对应的径流量与降雨量做相关分析（如图 2）得出，同时期的径流量与降雨量呈显著正相关（P＜0.05），同时发现秸秆覆盖与间作三叶草处理径流量与降雨量也呈显著正相关，两者相关性方程分别为y=0.063x-0.291（R2=0.897，P＜0.05）和y=0.058x-0.256（R2=0.626，P＜0.05）。

图1 2014年月降雨量和降雨日数Fig.1 Monthly rainfall and rainfall days in 2014

图2 径流量和降雨量的关系Fig.2 The correlation between runoff and rainfall

径流是导致泥沙和养分流失的主要动力。由表1可知不同处理的径流小区因降雨产生的地表径流量和泥沙量差异较大，径流量大小顺序为：秸秆覆盖＜间作三叶草＜对照。进行方差及显著性分析得出，秸秆覆盖、间作三叶草的径流量和对照的差异显著（P＜0.05）。秸秆覆盖、间作三叶草的径流量比对照分别减少了45.87%、38.55%；土壤泥沙量大小顺序为：秸秆覆盖＜间作三叶草＜对照，秸秆覆盖、间作三叶草的泥沙量比对照分别减少了 45.18%、32.94%。

表1 不同处理径流量和泥沙量Table 1 Effects of different treatments on runoff and soil erosion quantity

表2 不同处理对径流氮浓度的影响Table 2 Effect of different treatments on N concentration in runoff mg·L-1

2.2 间作三叶草和秸秆覆盖对茶园土壤氮素流失的影响

由表 2可知，不同处理方式对径流氮浓度有一定的拦截作用，铵态氮介于2.42—3.23 mg·L-1；硝态氮介于 4.06—5.93 mg·L-1；可溶性总氮介于 7.17—10.31 mg·L-1，总氮介于 10.65—16.07 mg·L-1。不同处理下铵态氮、硝态氮、可溶性总氮及总氮平均浓度大小均为间作三叶草与秸秆覆盖显著低于对照处理，说明间作三叶草与秸秆覆盖对径流水样中氮的拦截效果要好于对照。

不同处理方式下径流氮素流失量存在较大差异（表 3）。通过方差分析得出，间作三叶草、秸秆覆盖与对照处理之间差异显著（P＜0.05）。总氮流失量大小顺序为对照＞间作三叶草＞秸秆覆盖，间作三叶草和秸秆覆盖的总氮流失量分别比对照减少了59.28%、62.31%，硝态氮、铵态氮、可溶性总氮及颗粒态氮情况相似。从表3还可以看出，各处理中可溶性总氮流失量＞硝态氮流失量＞颗粒态氮流失量＞铵态氮流失量，可见不同处理方式下坡耕地氮素流失形态主要以可溶性氮素为主，而可溶性氮素又以硝态氮为主。

2.3 间作三叶草和秸秆覆盖对茶园土壤磷素流失的影响

由表4可知，不同处理方式对径流磷浓度有一定的拦截作用，总磷介于0.25—0.37 mg·L-1；可溶性磷介于0.09—0.13 mg·L-1。不同处理下总磷及颗粒态磷平均浓度大小均为间作三叶草与秸秆覆盖显著低于对照处理，说明秸秆覆盖和间作三叶草对颗粒态磷的拦截效果要好于降低可溶性磷的效果。

表3 不同处理对径流氮流失量的影响Table 3 Effect of different treatments on N loss in runoff

表4 不同处理对径流磷浓度的影响Table 4 Effect of different treatments on P concentration in runoff mg·L-1

由表 5可知，总磷流失量大小顺序为对照＞间作三叶草＞秸秆覆盖，间作三叶草和秸秆覆盖的总磷流失量分别比对照减少了51.82%、63.25%。3种不同处理方式下径流中可溶性磷流失量占总磷流失量的不足38%，说明坡耕地地表径流中磷素流失以颗粒态磷的流失为主，最大流失量占总磷流失量的64.80%。因此减少径流中磷素流失量最有效的方式就是减少土壤侵蚀量。秸秆覆盖处理总磷和颗粒态磷的流失量最小且跟其土壤侵蚀量最小有关。

表5 不同处理对径流磷流失量的影响Table 5 Effect of different treatments on P loss in runoff

2.4 间作三叶草和秸秆覆盖对茶园土壤环境的影响

2.4.1 间作三叶草和秸秆覆盖的土壤水分效应

由表6可知，间作三叶草和秸秆覆盖均能提高不同层次土壤含水量。其中，秸秆覆盖处理土壤含水量最高，0—10 cm土壤含水量秸秆覆盖比对照提高了为9.87%—18.68%，间作三叶草比对照提高了4.92%—10.36%，10—20 cm土壤含水量秸秆覆盖比对照提高了4.41%—14.55%，间作三叶草比对照提高了4.57%—6.64%，秸秆覆盖和间作三叶草显著增加了土壤表层的水分含量，这主要是由于地表覆盖物减弱了土壤表面与大气之间的交换程度，有效的抑制了蒸发，提高了表层土壤的含水量。

2.4.2 间作三叶草和秸秆覆盖的土壤温度效应

秸秆覆盖对土壤的温度也有一定的影响，由表7可知，日较高温度时（5月和7月），以秸秆覆盖和间作三叶草略低于对照处理，0—10 cm土层平均温度分别为31.25、30.45、33.55 ℃，日较低温度时（10月和12月），秸秆覆盖和间作三叶草却略高于对照处理，0—10 cm土层平均温度分别为16.10、15.9、13.80 ℃，10—20 cm土层温度与0—10 cm土层温度变化趋势类似。说明秸秆覆盖和间作三叶草降低了土壤温度的变化幅度，在气温较高时，秸秆覆盖降低了土壤温度，在气温较低时，秸秆覆盖土壤保持了较高的土壤温度。

表6 不同覆盖处理对土壤水分的影响Table 6 The influence of soil water content in different treatments %

表7 不同覆盖处理对土壤温度的影响Table 7 The influence of soil temperature in different treatments ℃

3 讨论

坡耕地茶园的土壤侵蚀主要是由降雨产生的地表径流引起的，地表径流量的多少，与土壤的覆盖程度、土壤的持水能力及通透性有关。特别是低龄茶园，地表较多面积疏松裸露，降水与地表接触形成较大雨滴，击溅没有覆盖的裸露地表，从而导致表层土壤的侵蚀流失。茶园秸秆覆盖和间作三叶草后，土壤的覆盖度明显增加，不仅可以减弱雨滴溅落地面的动能，而且可以拦截降水，多余的水分会沿土壤空隙进入土壤深层，增加土壤蓄水能力，从而减少茶园地表径流和水土流失（Liu et al.，2012；刘红江等，2012）。众多研究发现秸秆覆盖和间作草本植物在防治水土流失方面有较好的效果。苟桃吉等（2017）测试了黑麦草在三峡库区坡地的水土保持功效，种植黑麦草第一年后泥沙流失量减少了49.27%。孔樟良等（2015）研究表明，低龄茶园覆盖秸秆后，与不采取措施的茶园相比，径流量和泥沙量分别降低了21.7%和56.4%。本研究结果表明，茶园间作三叶草和秸秆覆盖后径流量分别比对照降低了38.55%、45.87%，泥沙量分别比对照降低了32.95%、45.18%，与秸秆覆盖处理相比，间作三叶草的地表覆盖度相对较低，裸露的地表面积相对较大，以致地表径流和泥沙的减少量相对较少。总的来说，在丹江口库区，坡地茶园秸秆覆盖是减少土壤水土流失和促进农业废弃物综合利用的较好的管理措施。

大量研究表明，覆盖与间作对径流中的氮磷表现出较高的去除率。史静等（2013）研究了水源区红壤坡地间作三叶草对氮磷养分流失的影响，发现玉米地间作三叶草总氮、总磷流失总磷分别减少了59.96%和 48.57%。徐泰平等（2006）对紫色土坡地秸秆覆盖方式下氮磷流失分析表明，秸秆覆盖可使氮磷流失量明显降低，且颗粒态氮和可溶性磷是农田养分流失的主要形式。本试验采用坡地径流小区田间原位监测方法，研究了茶园地表秸秆覆盖和间作三叶草对坡地茶园氮磷流失的控制效果，结果表明间作三叶草和秸秆覆盖的总氮流失量分别比对照减少了59.28%、62.31%，总磷流失量分别比对照减少了51.82%、63.25%，氮素流失形态主要以可溶性氮素为主，而可溶性氮素又以硝态氮为主，其原因一方面旱地土壤通气良好，硝态氮是土壤氮素存在的主要形态，且大多存在于土壤溶液中，遇到强降水很容易随径流流失（范宏翔等，2015）；另一方面铵态氮易被土壤吸附，移动性较小，不容易随降雨径流水流失（王云等，2011；井光花等，2012）。刘毅等（2010）对丹江口坡地果园氮磷流失研究结果表明，坡耕地土壤氮素流失载体是径流水体，而磷素流失的载体主要是泥沙。本研究结果也表明，颗粒态磷流失量占总磷流失量的64.80%，磷在地表径流水体中浓度不是太高，但由于对照处理有较高的径流量和泥沙量，导致总磷的流失量也增高。因此，在丹江口库区，控制降雨径流是关键，间作三叶草和秸秆覆盖均能不同程度的控制土壤侵蚀和降雨径流，在一定程度上也能控制氮磷的流失。

秸秆覆盖和间作三叶草是近年来国内外发展起来的一种高效生态农业种植模式。目前，在小麦、玉米、果园、茶园等作物上发现，秸秆覆盖和间作三叶草与对照相比，都会出现高温季节降温、低温季节增温的现象，且能缓和地温在昼夜和季节间的剧烈变化，这种措施被认为是高效增产的重要机制。彭晚霞等（2006）研究表明，茶园覆盖与间作可以改善土壤环境与林间小气候环境，避免温度激烈变化对树体根系产生伤害，本研究在茶园得出的结论与其研究结果一致。另外，本研究还发现间作三叶草和秸秆覆盖均能提高不同层次土壤含水量。胡兵辉等（2015）研究也表明，由于地表覆盖物具有蓄水保墒作用，会使土壤含水量提高，使雨季有限的水资源能在深层土壤中得到保蓄。这主要是因为增加土壤覆盖度可以避免土壤与大气直接接触，避免太阳光的直接辐射，减缓了土壤水分的蒸发速度，从而提高了土壤蓄水量，并且一定程度上增强了茶园抗旱减灾能力（孙立涛等，2011）。因此，解决坡地茶园土壤的季节性干旱及氮磷养分流失的问题，应选择合理的栽培方式，秸秆覆盖和间作三叶草是一种切实有效和值得在丹江口库区大力推广的种植模式。

总体来看，本研究主要探讨间作和秸秆覆盖对坡地低龄茶园土壤养分流失的防控及温度水分效应，在今后的研究中需要进一步向其他方面深入，比如，间作绿肥和秸秆覆盖对茶叶生长、病虫害、产量及品质产生什么影响，两种模式如何影响茶叶对土壤养分的吸收利用的，绿肥品种及绿肥在茶园翻耕还田的生态效应等等。

4 结论

（1）秸秆覆盖、间作三叶草的径流量比对照分别减少了45.87%、38.55%，泥沙量比对照分别减少了45.18%、32.94%。覆盖和间作明显减少地表径流水量和泥沙的流失，土壤保水固土能力效果明显加强。

（2）地表径流和泥沙携带氮磷流失是坡地茶园养分流失的主要途径，间作三叶草与秸秆覆盖能使总氮流失分别减少59.28%、62.31%，总磷流失分别减少51.82%、63.25%，磷素流失以颗粒态磷的流失为主。覆盖和间作可使地表径流氮磷流失量明显降低，有助于水体环境的保护。

（3）秸秆覆盖、间作三叶草通过在表层截流部分降水以提升土壤水分，能明显增加土壤不同层次的水分含量；覆盖和间作三叶草降低了土壤温度的变化幅度，在气温较高时，降低了土壤温度，在气温较低时，能使土壤保持相对较高的土壤温度。秸秆覆盖和间作三叶草是两种切实有效和值得在丹江口库区大力推广的种植模式。