甘蔗种植方式对蔗地土壤侵蚀及氮素流失特征的影响

黄艳荟宁嘉丽李桂芳杨任翔王坚桦陈钊柱

(广西大学 农学院 广西农业环境与农产品安全重点实验室,广西 南宁530004)

中国南方红壤区年均降雨量大、降雨集中且单点暴雨发生的频率较高,是水土流失高发地区[1-2]。由于红壤坡耕地的不合理开发利用,使得水土流失和氮磷养分流失问题日益严重,导致耕地土壤生产力下降,水体富营养化等环境问题,影响农业的可持续发展[3-5]。因此研究红壤区坡耕地水土流失对农业面源污染和耕作质量保育具有重要意义。坡耕地土壤侵蚀是土壤与降雨、径流相互作用的结果[6]。土壤侵蚀过程受多种因素共同影响,如降雨特征,降雨量[7]、降雨强度[8]、降雨历时等[9]。崔璨等[7]基于三峡库区小流域的研究结果表明,降雨量对三峡流域产沙的影响程度高于降雨强度;而李桂芳等[10]通过对自然降雨观测试验发现,I30是导致南方红壤地区坡耕地径流流失的主要降雨因子;李叶鑫等[11]研究了降雨对辽西坡耕地的影响,结果表明降雨历时对坡面溅蚀量具有重要影响。此外,作物类型[12]、作物生育期[13]、作物种植方式等[14]均会影响坡耕地侵蚀过程。作物类型不同,其地上部分冠层覆盖和茎秆对降雨再分配不同,地下部分根系对土壤抗侵蚀能力的影响也不同,促使坡面径流形成及侵蚀过程也存在明显差异[15-17]。肖继兵等[18]研究不同作物种类对土壤侵蚀的影响时,指出甘薯地的坡面侵蚀量大于谷子地。对于同一种作物,生育期不同,植被覆盖度差异显著,进而对坡面侵蚀的影响存在不同[15],Lin等[19]认为植被覆盖度差异是影响小麦各生育期产流产沙量差异的主要因素。在模拟降雨条件下,玉米植被覆盖度最低时产流产沙量及氮素流失量最高[20],徐宁等[13]在大豆调节坡耕地土壤侵蚀影响研究中也得出相似结论,并指出随着大豆生育期的推进坡耕地的产流产沙量逐渐减小。作物种植方式通过影响坡耕地表层土壤性质及地表粗糙度,增加坡耕地的拦蓄能力,提高抗侵蚀能力[21]。如轮作、间作、套作等种植方式可以提高地表覆盖度,增加地面粗糙度,有效减小降雨侵蚀[12];横坡耕作比顺坡耕作具有更好的水土保持效果,杨任翔等[22]认为,横坡蔗地比顺坡蔗地,坡耕地径流侵蚀量分别减少了51.8%和43.6%。

甘蔗是重要的糖料作物,主要种植在广西、云南、广东等南亚热带地区[23]。据资料显示,广西壮族自治区的甘蔗种植约有70%分布在旱坡地上[24],且由于降雨频繁,甘蔗种植对坡面侵蚀及养分流失存在显著影响[24-26]。杨任翔等[5]基于径流小区原位观测试验结果表明,蔗地的氮素流失以硝态氮为主,占径流氮素流失总量的79%以上,同时还指出蔗地坡面侵蚀量及养分流失量在年内分布存在明显差异,其流失量主要集中在甘蔗苗期。与木薯和玉米等作物相比,甘蔗可在一定程度上降低坡面侵蚀量[27],Anache等[28]基于巴西长期定位观测数据,指出甘蔗种植坡耕地的地表径流量和侵蚀量显著大于灌木和牧草地。Li等[29]基于流域尺度的研究,表明新植蔗地的年平均侵蚀量比宿根蔗地高10%,宿根蔗可以有效降低沟蚀的发生。甘蔗快速生长期(6—9月)与种植区的雨季相重[25],在降雨高峰期蔗地土壤养分极易随地表径流流失[30]。根据栽培年限把甘蔗种植方式划分宿根蔗和新植蔗,前者是由留在土壤中蔗蔸的芽萌发,而后者由蔗种直接萌发[14]。宿根年限多为2～3 a,中国宿根蔗栽培面积约占植蔗面积的40%～60%[31]。但现有自然降雨条件下甘蔗种植对土壤侵蚀特征研究主要集中在新植蔗或者年际尺度蔗地土壤侵蚀变化,而次降雨下,新植蔗和宿根蔗种植对坡面侵蚀及养分流失的特征目前尚不清晰。鉴于此,本文以宿根蔗和新植蔗坡地为研究对象,基于径流小区原位观测试验,通过测定次降雨条件下植蔗坡面径流、侵蚀以及氮素(硝态氮和铵态氮)流失量,分析甘蔗种植方式对蔗地土壤侵蚀的影响;结合降雨特征参数分析,探讨影响宿根蔗地和新植蔗地土壤侵蚀及养分流失的主要降雨因子,研究结果可为甘蔗的合理种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于广西南宁市广西大学校内试验基地(108°17′38″E,22°50′59″N)。研究区属亚热带季风气候区,年平均降雨量1 110.7 mm[32],年均气温22.1℃,年均相对湿度为79%。供试土壤类型为赤红壤,土壤母质为第四纪红黏土,土壤质地为黏性中壤土,土壤容重为1.3～1.4 g/cm3。基本理化性质详见表1。

表1 试验土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验采用径流小区野外原位观测法,观测时间为2021年5—10月。径流小区水平投影长5 m,宽2 m,坡向正南,基于广西野外植蔗坡地的调查,植蔗坡地坡度一般在15°以下,参考其他研究区的试验设计[33-34],本研究中植蔗坡地径流小区坡度设为10°。小区四周均砌水泥围墙,小区下端设有出水口,出水口与集流槽相通,集流槽槽壁设有标尺用于观测集流槽内的水深。

试验设新植蔗和宿根蔗2种种植方式,各设置1个重复。甘蔗采用双芽段单行双株种植,顺坡种植2列,间距为1 m。供试甘蔗品种为“桂糖42号”,宿根蔗于2021年1月16日砍收,新植蔗于2021年3月13日下种。施肥量为氮肥(N)360 kg/hm2,磷肥(P2O5)90 kg/hm2,钾肥(K2O)75 kg/hm2,其中氮肥与钾肥按基肥30%+追肥70%施用,磷肥全部作基肥施用。主要的施肥方案详见表2,其他田间管理措施均按常规进行。

表2 试验田间管理与施肥方案

1.3 样品采集与分析

本试验中自然降雨数据资料由翻斗式自计雨量器采集。降雨资料通过径流小区附近气象站的翻斗式自记雨量器(雨后12 h内采集)获得,包括降雨日期、降雨量(P)、降雨历时(T)、平均降雨强度(I),最大15 min降雨强度(I15)、最大30 min降雨强度(I30)、最大60 min降雨强度(I60)等。本试验将导致土壤侵蚀发生的降雨称为侵蚀性降雨[7],降雨间歇时间小于6 h的降雨视为1场降雨[35]。径流小区下方设有集流槽,用于承接降雨产生的径流泥沙。每次降雨结束后,利用标尺测量小区集流槽内的水位,通过体积法测定小区径流量[36];将集流槽中的径流与泥沙搅拌均匀,用500 ml塑料瓶在槽中的不同位置取浑浊水样,每个小区取3瓶,静置,上清液存于4℃冰箱,塑料瓶中的沉淀泥沙转移后低温烘干(＜45℃)并称量,并计算次降雨下径流的泥沙浓度,泥沙浓度与集流槽内径流泥沙体积的乘积即为坡面侵蚀量[36]。水样过0.45μm微孔滤膜后,用连续流动化学分析仪(型号:AA3,产地:德国)测定地表径流中的硝态氮和铵态氮浓度;侵蚀泥沙经2 mol/L氯化钾溶液提取后,利用连续流动分析仪测定侵蚀泥沙中的硝态氮和铵态氮含量。

1.4 数据分析方法

利用SPSS 19.0进行降雨特征参数与径流、侵蚀及氮素流失量的回归分析,并利用Origin 2018和Microsoft Office 2013进行图表绘制。

2 结果

2.1 降雨特征分析

试验区2021年5—10月降雨量分布如图1所示。共计降雨95场,降雨量介于0.2～96.2 mm,总降雨量为1 158.0 mm,其中降雨主要发生在6—7月,降雨场次为35场,累计降雨量为650.6 mm,占总降雨量的56.2%。2021年5—10月宿根蔗和新植蔗地分别发生侵蚀性降雨40场和43场,累计侵蚀性降雨量分别为981.8和1 013.0 mm,分别占总降雨量的84.7%和87.5%。2021年5—10月蔗地侵蚀性降雨量在3.8～96.2 mm,降雨历时在0.3～35.3 h,平均降雨强度在0.4～46.4 mm/h,I15在5.6～126.4 mm/h,I30在3.2～88.4 mm/h,I60在1.6～49.8 mm/h。

图1 试验区2021年5—10月降雨分布特征

2.2 不同种植方式下坡面径流、侵蚀及氮流失量分布特征

由表3可知,2021年5—10月宿根蔗和新植蔗地侵蚀中的氮素均主要随地表径流流失(比例为97.0%和96.2%),以硝态氮流失为主,占氮素流失总量的67.1%和69.2%。不同种植方式下坡面地表径流中硝态氮流失量占径流硝态氮和铵态氮流失总量的70.0%,是径流中铵态氮流失量的2.2～2.5倍;而侵蚀泥沙中氮素流失则以铵态氮为主,比例在80.0%以上。观测期内新植蔗坡面径流、侵蚀总量分别是宿根蔗处理下的2.5,6.1倍;新植蔗坡面径流中硝态氮和铵态氮流失量则是宿根蔗的2.3和2.1倍,侵蚀泥沙中则分别为6.9和2.5倍。结果表明,与新植蔗相比,宿根蔗处理可以显著降低坡面径流侵蚀及氮素流失量,尤其是坡面径流量和氮素养分流失量。

表3 不同种植方式下植蔗坡面径流量、侵蚀量及氮素流失量

2.3 次降雨条件下蔗地坡面径流、侵蚀及氮素流失特征

2.3.1 次降雨下蔗地径流及氮素流失特征 2021年5—10月测定的宿根蔗地坡面径流量介于1.7～346.8 m3/hm2(图2),呈明显的波动变化,除个别场次外,整体上坡面径流量＜200.0 m3/hm2,径流量最大值出现在6月3日。次降雨下宿根蔗坡面径流中硝态氮流失量和硝态氮流失浓度在3.5～1 973.7 g/hm2,0.1～9.3 mg/L之间;坡面硝态氮流失量在5—6月较大,且波动明显,7月之后整体小于100.0 g/hm2。坡面径流中铵态氮流失量和铵态氮浓度分别介于0.3～709.7 g/hm2和0.04～9.3 mg/L,铵态氮流失主要集中在6月的几场侵蚀性降雨,最大流失量出现在6月22日,7月之后坡面径流中铵态氮流失量均较小(0.3～88.3 g/hm2),坡面径流中铵态氮浓度与铵态氮流失量变化趋势类似。

在观测期内新植蔗坡面的径流量介于2.3～471.1 m3/hm2(图2),最大值出现在7月22日次降雨中,其余整体上坡面径流量都小于150.0 m3/hm2。次降雨条件下新植蔗坡面径流中硝态氮流失量和硝态氮流失浓度分别在1.4～3 015.1 g/hm2和0.4～18.5 mg/L之间,前期(5—6月)硝态氮流失量较大,波动明显(21.7～3 015.1 g/hm2),7月后除个别场次外,70%以上的次降雨下坡面径流中硝态氮流失量均小于200.0 g/hm2。硝态氮浓度的变化与流失量变化相似,在5—7月呈剧烈的波动变化,且在6月16日次降雨下出现极大值,8月以后整体上波动较小。坡面径流中的铵态氮流失量和铵态氮浓度在0.1～1 962.8 g/hm2和0.03～11.7 mg/L之间,铵态氮流失主要集中在6月,最大流失量出现在6月22日降雨中,在7月以后,次降雨下铵态氮流失量及浓度均较小且差异不大,在0.1～270.8 g/hm2,0.03～1.2 mg/L范围内波动变化。此外,次降雨下蔗地坡面径流中硝态氮流失量明显高于铵态氮。不同种植方式下坡面径流量、硝态氮流失量和铵态氮流失量均表现为:宿根蔗＜新植蔗,宿根蔗坡面径流中的硝态氮流失浓度和铵态氮流失浓度均小于新植蔗。由图2还可知,蔗地坡面追肥后,2021年6月16—24日降雨下坡面径流中硝态氮和铵态氮浓度及流失量均有不同程度的增加,其中新植蔗的增幅更为明显。

图2 次降雨下宿根蔗和新植蔗坡面径流及氮素流失特征

2.3.2 次降雨下蔗地侵蚀泥沙及氮素流失特征 由图3可知,次降雨下宿根蔗地坡面侵蚀量介于3.0～1 903.1 kg/hm2之间,主要集中在6月,坡面最大侵蚀量出现在6月3日,6月以后除0722,0728,0813外,侵蚀量均小于200.0 kg/hm2。次降雨条件下宿根蔗坡面侵蚀泥沙中硝态氮流失量和硝态氮含量分别在0.003～8.4 g/hm2,0.1～9.0 mg/kg之间,极大值均出现在7月22日;硝态氮流失量除在6月较大外,其余整体上小于1.0 g/hm2。侵蚀泥沙中铵态氮流失量和铵态氮含量在0.1～101.6 g/hm2和10.4～115.0 mg/kg之间,其中极大值均出现在7月22日,变化趋势与硝态氮相似。新植蔗地坡面侵蚀量介于5.7～11 346.7 kg/hm2之间,最大侵蚀量出现在6月10日,坡面侵蚀主要集中在6月10日至7月28日降雨中,8月以后,侵蚀量整体小于1 000 kg/hm2。新植蔗地坡面侵蚀泥沙中硝态氮流失量和硝态氮含量在0.007～36.6 g/hm2和0.5～14.3 mg/kg之间;侵蚀泥沙中硝态氮流失主要集中在6月3—28日,7月22日和28日降雨中(＞10.0 g/hm2)。

图3 次降雨下宿根蔗和新植蔗坡面侵蚀及氮素流失特征

由图3可知,新植蔗地坡面侵蚀泥沙中铵态氮流失量和铵态氮含量在0.2～233.9 g/hm2和5.6～110.0 mg/kg之间,侵蚀泥沙中的铵态氮流失主要集中在6—7月的几场侵蚀性降雨中,其余时段铵态氮流失量主要在10.0 g/hm2左右变化;侵蚀泥沙中铵态氮含量整体上呈明显的波动,前期(5—6月)在5.5～27.4 mg/kg,后期(7—10月)在8.4～110.0 mg/kg。由图3可知,不同种植方式下,宿根蔗地和新植蔗地的侵蚀泥沙中硝态氮流失量和铵态氮流失量表现为:宿根蔗地＜新植蔗地。

3 讨论

3.1 甘蔗种植模式对蔗地坡面土壤侵蚀的影响

不同作物种植方式导致坡面覆盖、田间管理措施及土壤性质存在明显差异[13],从而影响到坡面侵蚀情况。宿根蔗地坡面径流、侵蚀和养分流失量显著低于新植蔗,由不同种植方式下坡面水沙关系可知(图4),随着径流量的增加,新植蔗地坡面侵蚀量的增幅更为明显。主要是由于宿根蔗生长快,使得整体上,尤其5—7月宿根蔗地植被覆盖度明显大于新植蔗地,而较大的植被覆盖度可以有效降低降雨动能,从而避免降雨对表土的直接作用,而密集的植被覆盖度密集的植被可以降低径流速度,减轻径流输沙能力,从而减少坡面径流量和侵蚀量[18];宿根蔗地表土扰动程度较低,土壤较为紧实,抗侵蚀能力较强;此外,宿根蔗在上一年收获后做留根处理,其根系密度高,细根数量多,根系固土效率高,对径流的阻碍作用更强,对降雨入渗的促进作用更强,导致了宿根蔗地土壤抗地表径流侵蚀的能力较强[30,37]。与宿根蔗相比,新植蔗种植较晚,两者生长时间不同且生长性状差异较大[31],5—7月新植蔗植株较为幼小,植被覆盖度低;且新植蔗种植过程中,地表翻耕程度大,表土结构破坏严重,使得新植蔗地坡面抗侵蚀能力低[13,37]。Li等[29]在那辣流域的研究结果表明,相比新植蔗地,宿根蔗地有上一年的甘蔗落叶,覆盖更高,促使坡面沟渠侵蚀量明显减少。这与本人的试验研究结果相似。

图4 不同种植方式下坡面水沙关系

宿根蔗地和新植蔗地氮素流失随着地表径流侵蚀量、施肥和甘蔗生长变化而波动[30]。地表径流和侵蚀是坡地氮素迁移的主要载体,而氮素流失量是氮素浓度与径流侵蚀量共同作用的结果[3]。由图2可知,径流量与氮素流失量的变化趋势较为一致。不同种植模式下氮素流失量均表现为宿根蔗低于新植蔗,与宿根蔗相比,新植蔗在种植过程时需经过翻耕等人为活动,而梁珂等[38]研究表明,翻耕会增加坡面侵蚀及坡面养分流失概率。坡面径流中的硝态氮和铵态氮流失量随着时间的推进逐渐降低,这可能是由于作物的生长,植株高度和植被覆盖度都发生了变化,作物结构改变了降雨过程中雨滴对表土的作用,削弱了植被覆盖度下氮素流失对径流量侵蚀量的响应[20]。

3.2 降雨对蔗地坡面土壤侵蚀的影响

降雨是坡面径流产生的主要驱动因子,是造成坡面土壤侵蚀及养分流失的主要影响因素[39]。本文研究结果表明,蔗地坡面径流量、侵蚀量及养分流失量均主要集中在甘蔗5—7月,所占比例在73.3%～94.4%,尤其是6—7月,这与杨任翔等[5]和Gomes等[40]的研究结果相似。主要原因之一是研究区6—7月的降雨量之和占观测期内总侵蚀性降雨量的60.3%,毛妍婷等[41]对江西红壤和陈仕奇等[42]对三峡库区小流域的研究均指出坡面径流侵蚀及养分流失集中在降雨高峰期。由图2—3可知,蔗地坡面径流侵蚀流失主要集中在6—7月的几场侵蚀性降雨,以新植蔗坡面为例,在0603,0610,0622,0722次降雨下坡面径流和侵蚀量占坡面径流侵蚀总量的18.2%和52.9%。由表4可知,不同种植方式下坡面径流侵蚀及其氮流失量均与降雨量、降雨强度(I15,I30和I60)表现为显著相关或极显著正相关关系,而与降雨历时和平均降雨强度整体上无显著相关关系,说明降雨量和降雨强度是影响坡面土壤侵蚀和养分流失的主要影响因素(表4)。这与姚一文等[8]的研究结果相似。

表4 坡面径流、侵蚀及养分流失量与降雨量(P)、降雨历时(T)及降雨强度(I)相关分析

为进一步筛选影响径流侵蚀的主要降雨因子,将各降雨因子与径流侵蚀和养分流失量进行逐步回归分析。由表5可知,在回归拟合过程中,经过自检剔除了降雨历时、平均降雨强度,表明坡面径流、侵蚀量及养分流失量与降雨历时、平均降雨强度无直接的线性关系。通过标准化系数分析[43],可知不同甘蔗种植方式下坡面径流侵蚀及养分对降雨特征的响应存在不同,I60是影响宿根蔗地径流量和侵蚀量的主要因子,而新植蔗地分别受I30和I15;I30是宿根和新植蔗地径流中的氮流失主要的影响因子,而降雨量是影响侵蚀泥沙中氮流失的主要因子。

表5 坡面径流、侵蚀量与养分流失量与降雨量(P)、降雨历时(T)及降雨强度(I)的回归分析

4 结论

(1)2021年5—10月宿根蔗和新植蔗地发生分别发生侵蚀性降雨40场和43场,累计侵蚀性降雨981.8,1 013.0 mm。次降雨下,蔗地坡面径流呈波动变化,整体上新植蔗地坡面径流、侵蚀量高于宿根蔗,径流量是宿根蔗的1.0～8.5倍,侵蚀量是宿根蔗的1.1～17.9倍。不同种植方式下蔗地坡面径流和侵蚀泥沙中的氮素(硝态氮和铵态氮)主要随地表径流流失,主要流失形态为硝态氮。

(2)I30和降雨量是影响蔗地坡面径流中的氮素和侵蚀泥沙中的氮素流失的主要降雨因子;降雨量、降雨强度(I15,I30和I60),其中I60是影响宿根蔗径流量和侵蚀量的主要降雨因子,而影响新植蔗坡面径流量和侵蚀量的主要降雨因子是I30和I15。