模拟降雨下不同农作措施紫色土坡耕地氮磷流失特征

袭培栋，张鹏程，何为媛，唐柄哲，何丙辉†，李天阳

(1.西南大学资源环境学院，400715，重庆；2.重庆市农业生态与资源保护站，401121，重庆)

土壤侵蚀严重制约着资源-环境-社会经济的可持续发展，已成为最严重的全球性环境问题[1]。坡耕地土壤氮(N)、磷(P)流失过程是土壤与降雨、径流相互作用的结果，流失的N、P会在湖泊、水库中不断积累，导致面源污染，因此坡耕地水土流失治理对面源污染防控具有重要意义[2]。横坡垄作和施加有机肥是坡耕地面源污染防控的常用措施。横坡垄作可通过拦截地表径流，从而减少土壤养分的流失，有利于土壤中N、P的积累[3]；另外，施肥方式对N、P流失也有重要影响[4]。研究表明施加以动物粪便为原料的有机肥，可提高土壤中植物所需的各种营养元素含量和作物产量，同时改善微生物环境和土壤理化性质[5]。无机肥配施有机肥可以提高土地生产力并改善土壤性状，还能明显减少土壤N、P淋溶流失[6]。

紫色土是由紫色母岩发育而成的幼年土，在我国西南地区广泛分布，是该区域最主要的土壤类型[7]。紫色土坡耕地土层薄、土壤质地疏松、孔隙度大、团聚稳定小、抗侵蚀能力差，土壤N、P等养分流失严重[8]。目前，已开展较多关于紫色土横坡垄作和有机肥的研究，但同时对比施肥与耕作方式对紫色土坡耕地N、P流失特征的研究较少[9-10]。本研究通过野外人工模拟降雨试验，对比分析不同农作处理下的N、P流失过程和径流系数、产沙量及N、P流失量之间的差异，明确3种农作措施下紫色土坡耕地N、P流失的变化及其流失量的削减特征，探究径流系数、产沙量与N、P流失量的关系，为紫色土坡耕地水土流失及面源污染防控提供科学依据。

1 研究区概况

试验点位于重庆市北碚区西南大学水土保持试验基地(E 106°22′20″，N 29°48′42″)。研究区地貌以丘陵为主，海拔216 m，属亚热带季风湿润气候，年平均降雨量1 100 mm，降雨主要集中在5—9月，年平均气温18.3 ℃，平均日照时间1 270 h，无霜期334 d。试验基地以坡耕地为主，主要种植农作物为玉米(Zeamays)、小麦(Triticumaestivum)、红薯(Ipomoeabatatas)等。土壤类型主要为沙溪庙组紫色砂泥岩母质发育的紫色土，肥力中等。

2 材料与方法

2.1 试验小区

在试验基地内的紫色土坡耕地建立径流小区，开展试验。根据三峡库区紫色土坡耕地坡度分布情况[11]，设置径流小区的坡度为15°，长8.0 m，宽4.0 m。径流小区均采用“冬小麦-夏玉米”的轮作种植模式，设置3种农作处理：顺坡耕作单施化肥(T1，对照)、顺坡耕作化肥配施有机肥(T2)、横坡垄作单施化肥(T3)，各处理3次重复，共设置9个小区。小区间用水泥砖墙隔开，彼此独立互不影响。各小区末端均设有独立集水槽，与室内径流池相连，用于收集径流、泥沙。各处理施用的N、P化肥分别为尿素(N≥46.4%)、过磷酸钙(P2O5≥12.0%)，有机肥为未腐熟新鲜有机肥(猪粪)，其中养分质量分数为N=0.24%、P=0.17%，具体施肥量见表1。小区内的农作物为玉米，各小区土壤基本理化性质见表2。

表1 不同处理施肥情况Tab.1 Fertilization in different treatments kg/hm2

表2 试验前各处理土壤理化特征Tab.2 Physical and chemical properties of the soil before the test

2.2 模拟降雨

采用组合侧喷式野外人工模拟降雨装置进行降雨模拟[12-13]。该装置包括供水系统和降雨系统两部分，可通过改变供水流量和喷头出流孔大小来调节降雨强度，在每次模拟降雨前进行降雨强度校正。模拟降雨时喷头距地面5 m，可获得降雨强度范围为30～230 mm/h的降雨，均匀系数达到80%，可保证雨滴落地速度与自然降雨相近。

根据研究区多年的降雨强度记录，本实验设计3个降雨强度，分别为60、90和120 mm/h。试验在2015年6月中旬开展，各场次模拟降雨从产流开始时记录时间，预试验结果显示在产流20 min左右TN、TP流失浓度保持稳定，故本试验模拟降雨从产量开始后持续30 min。T1、T2和T3处理均进行3次不同降雨强度的降雨，每次降雨可满足3个小区同时进行试验，共进行27场降雨试验，每次降雨间隔24 h。在每次降雨前用15 mm/h降雨强度进行30 min不产流降雨，以保证相同处理下表层土壤水分含量基本一致。之后用锄头打磨小区表层土，防止土壤表面不平整和地表结皮影响试验结果。本试验模拟降雨用水为自来水，试验前测定水中N、P含量作为背景值，在计算径流中N、P含量时予以扣除。

2.3 测定指标与方法

本试验测定方法采用常规方法，主要测定地表径流的产流量、产沙量、总氮(N)和总磷(P)含量。产流量利用径流桶测定，产沙量利用烘箱称量法测定的含沙量计算。N采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度计比色法。P采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法[14]。

2.4 径流系数及N、P流失量计算

径流系数可通过模拟降雨产流期间的降雨量和径流量计算得出，降雨量可根据降雨强度、产流时间和小区面积计算得出，同时进行单位的换算，具体公式如下：

(1)

式中：φ为径流系数，%；V为径流量，L；q为降雨强度，mm/h；T为产流时间，min；A为小区面积，m2。

N、P流失量可通过径流中的N、P质量浓度与产流量计算得出，再根据小区面积进行单位的换算，具体公式如下：

(2)

(3)

式中：LN为径流N流失量，g/m2；LP为径流P流失量，g/m2；CN为径流N流失质量浓度，mg/L；CP为径流P流失质量浓度，mg/L；V为径流量，L；A为小区面积，m2。

2.5 数据分析

数据分析主要利用软件SPSS statistics 25和Excel 2016。采用单因素方差(One-way ANOVA)对不同降雨强度、不同处理下各指标间的差异性进行分析，用Duncan法进行多重比较。利用Pearson相关分析探究径流系数、产沙量及N、P流失量之间的关系。利用回归分析探究径流系数、产沙量与N、P流失量间的耦合关系。采用OriginPro 2018绘图。

3 结果与分析

3.1 不同农作措施对N、P流失过程的影响

在降雨前期各处理下的氮素流失较少，随后逐渐增大，在达到峰值后保持一定的波动性(图1)。在各降雨强度条件下，T1的氮素流失最多，T2与T3的氮素流失则较少。在降雨强度为60 mm/h，T2和T3的氮素流失量明显减少且变化趋势基本一致，T3的氮素流失量略低于T2。在降雨强度为90 mm/h情况下，T2处理控制氮素流失的能力有所降低，在降雨初期与T1的氮素流失过程相似，在中后期T2氮流失量开始降低，而该降雨强度下T3的流失过程变化不大。在降雨强度120 mm/h情况下，变化趋势与60 mm/h相似，但波动性更大。

图1 不同农作措施下N、P流失量Fig.1 N and P losses under different farming treatments

不同降雨强度和处理下磷素的变化趋势主要有2种(图1)。在60 mm/h降雨强度的T2、T3和90 mm/h降雨强度的T3，磷素流失量在降雨初期上升，在达到峰值后存在一定程度的波动。其他处理下磷素的变化趋势则表现为在降雨初期上升，在达到一个峰值之后开始波动性下降。60 mm/h降雨强度的T2和T3的磷素流失量明显低于T1，但T3的磷素流失量最少。T2处理在90 mm/h降雨强度条件下，磷素流失量略低于T1，与氮素的流失情况相似，而T3在90 mm/h降雨强度条件下仍能明显较少磷素的流失。在120 mm/h降雨强度条件下，相比在60 mm/h降雨强度条件下T2和T3控制磷素流失的能力都有所下降。

3.2 不同农作措施对径流系数、产沙量及N、P流失量的影响

除90 mm/h降雨强度条件下农作措施对径流系数的影响不显著(P>0.05)，其他处理下农作措施对径流系数、产沙量及N、P流失量的影响均达到了显著水平(P<0.05)(图2)。结果表明，相比于T1，T2和T3均能减少径流系数、产沙量及N、P流失量，且随着降雨强度的增大，T2、T3减少产流产沙和N、P流失的能力会逐渐降低。当降雨强度为60 mm/h时，T2、T3减少径流系数、产沙量及N、P流失量的比例分别为34.63%和60.18%、69.60%和84.85%、62.19%和78.45%、58.01%和82.27%，T2、T3的削减效果都比较明显，但T3略高于T2。当降雨强度为90 mm/h时，T2、T3的削减比例分别为21.20%和42.46%、80.23%和88.57%、19.36%和62.05%、20.03%和69.56%，削减比例都有所下降，T3仍高于T2，但T2除产沙量的削减比例之外下降尤为明显。当降雨强度为120 mm/h，T2的削减比例有所回增，T3的削减比例仍有所下降，但T2、T3削减比例相差不大，分别为42.77%和32.05%、91.21%和74.27%、45.33%和47.09%、45.13%和50.97%。

不同小写字母表示各处理间P<0.05的差异性。Different lowercase letters indicate differences in P<0.05 amongtreatments. 图2 不同农作措施下径流系数、产沙量及N、P流失量差异Fig.2 Differences in runoff coefficient, sediment yield, and N and P losses under different farming treatments

3.3 径流系数、产沙量与N、P流失量的关系

径流系数、产沙量均分别与N、P流失量呈极显著正相关(P<0.01)(图3)。径流系数与N流失量和P流失量均存在极显著的幂函数拟合关系，且均为正相关，R2分别为0.834和0.893。N、P流失量随径流系数的变化趋势相似，增加幅度随径流系数的增加逐渐增大。产沙量与N流失量和P流失量同样存在极显著的幂函数拟合关系，且为正相关，R2分别为0.807和0.787。N、P流失量随产沙量的变化趋势相似，但是增加幅度与径流系数的相反，随产沙量的增加而逐渐减小。

图3 径流系数、产沙量与N、P流失量间的函数关系Fig.3 Functional relationship between runoff coefficient, sediment yield and N and P losses

4 讨论

笔者发现N流失量随雨强的增大而增加，这是因为降雨强度增大，地表径流相应增大，快速将表层土壤带走，并继续侵蚀下层土壤，因此径流与土壤的相互作用也更加的充分[15]，最终导致N流失量的增加，这与王月等[16]的研究结果一致。P流失量同样随降雨强度的增大而增加，由于磷素的流失形式主要是以颗粒态为主，随着降雨强度的增大，地表径流会带走更多的泥沙，导致更多磷素的流失，这与杨丽霞等[17]的研究结果一致。但与王月等[16]的研究结果相反，其认为TP流失浓度随降雨强度的增加而逐渐降低。原因可能有2点：一是可能由于本试验设置的降雨强度远大于其降雨强度，降雨强度越大径流量越大，带走的泥沙也越多，导致P流失量表现为随降雨强度的增大而增大。二是可能与坡度有关，本研究设置的径流小区坡度为15°，而其试验为人工模拟的平面旱地。陈晓安等[18]研究发现地表径流量随坡度的增大先增加后减少，但均大于平地。

施加有机肥可以明显减少产流产沙及N、P流失量，这与廖义善等[5]的研究结果一致。施加有机肥可以减少地表径流及泥沙的产生，而N、P流失量与径流系数和产沙量存在极显著的幂函数正相关，从而导致N、P流失量的减少。但有研究发现施加有机肥在增加作物产量的同时，会增加地表径流中N、P总量[19]。原因可能有2个：第一个原因可能是因为有机肥施入量过多，导致过多的养分不能被植物及时吸收。有研究表明当季农作物只能吸收部分有机肥中的养分[20]，因此会有一定量的N、P累积在土壤中，从而表现为在施肥初期N、P的流失量会有所减少，而在施肥后期N、P的流失量反而增加[21]。第二个原因可能是因为本试验开展时距离有机肥施入有一定的时间间隔，存在N、P在试验前就开始流失的情况。

通过分析横坡垄作对产流产沙及N、P流失量的影响，发现横坡垄作在3种降雨强度条件下都可以明显减少N、P的流失。这是因为横坡垄作下的垄沟与径流的流向不一致，横坡拦蓄作用延长了径流与土壤表面相互作用的时间，增加雨水向土壤入渗的时间[22]，同时也会使得部分泥沙沉积。由于N流失量与径流系数之间存在极显著的幂函数正相关，说明横坡垄作是通过减少径流量来减少N流失量，这与张兴昌的研究结果[23]一致。而横坡垄作对P流失量的影响与部分研究结果不同，本文研究结果表明横坡垄作可以明显减少径流中P的流失量，这与何晓玲等[24]的研究结果一致。而于兴修等[25]认为横坡垄作延长径流与土壤的相互作用时间，导致土壤中的磷释放到径流中，因此在相同降雨强度下径流中的可溶性总磷浓度增大。这可能是由于本研究的设计降雨强度较大，产生的径流量相比其要更大，从而没有出现浓度增加的现象。另一个原因可能是由于本研究未考虑土壤中N、P的淋溶作用，存在部分N、P通过淋溶流失的情况。

笔者还发现，在降雨强度为90 mm/h时，配施有机肥处理对N、P流失的削减效果有所降低。可能是因为施加有机肥使得土壤结构更加松散，并有大量养分富集在土壤之中，在雨水击溅和冲刷作用下，养分高的土壤细粒首先随径流流失，随着表层土壤养分的降低，径流与土壤之间的养分交换趋于平衡，养分流失逐渐稳定[26]。因此在施加有机肥处理下可能存在影响N、P流失的临界降雨强度，当降雨较小时，地表径流较小，携带的表层高养分土壤也较少，当降雨强度逐渐增大，径流带走大量表层养分含量高的土壤，而径流与土壤的交换作用较小，径流中的养分会直接流失，但随着降雨强度继续增大，径流与土壤的交换作用也逐渐加强并逐渐平衡，径流中的部分养分又被土壤吸附，从而使得养分流失相对减少。因此配施有机肥容易受到外界降雨强度大小的影响，配施有机肥情况下降雨强度对N、P流失量的影响需进一步研究。

5 结论

1)N、P流失量在产流过程中的变化规律有一定的相似性，都为先升高后稳定，磷流失量存在达到峰值后下降并趋于稳定的情况。

2)不同农作措施显著影响紫色土坡耕地径流系数、产沙量及N、P流失量(P<0.05)。配施有机肥和横坡垄作能明显减少径流中的N、P流失量，且在小降雨强度条件下保持水土、减少N、P流失的效果最为明显。径流系数、产沙量与N、P流失量之间均存在极显著的幂函数正相关。

3)采用配施有机肥或者横坡垄作的耕作方式，可有效减少水土流失及N、P的排放，对于坡耕地面源污染防控具有较明显作用。横坡垄作保持水土的效果较为稳定，配施有机肥受降雨强度影响较大，对于有机肥的施肥量和施肥间隔还需要更深一步的研究。