赤红壤植蔗坡地坡面径流及溶解态氮磷流失特征

杨任翔,邱 凡,郑佳舜,赵子贵,罗 骆,李桂芳

广西大学农学院,南宁 530004

坡耕地土壤侵蚀导致农田氮磷养分随之流失,造成土地退化和农业面源污染,已成为世界性的环境问题之一[1]。由于南方红壤分布区独特的自然地理环境和高强度降雨,使得我国南方红壤区的水土流失与氮磷养分流失问题日益严重[2]。坡面水土流失受降雨特征、作物类型和土壤类型等多种因素共同影响[3],其中,降雨是引起地表径流的动力来源[4],高降雨量极易引发地表径流[5],而径流是坡耕地氮磷养分流失的动力和重要载体[6—7],因此,径流量的大小影响坡面氮磷养分的流失量[8]。不同降雨条件下坡耕地氮磷流失特征明显不同,其中,高强度降雨是导致坡耕地养分流失的主要原因[9],坡面氮磷流失量与降雨量及雨强呈显著正相关[10—11]。次降雨下径流中氮磷浓度在不同降雨条件具有较大的波动性[5],但是,地表径流中氮磷养分浓度与各降雨参数均没有显著相关关系[12]。

作物种植是影响坡耕地地表径流及氮磷流失的重要因素[5]。其中,作物类型、作物生育期、作物种植方式等对坡耕地地表径流及养分流失具有重要影响[13—14]。不同类型作物由于根系及作物植株特征不同,导致坡耕地土壤抗侵蚀能力及降雨再分配存在明显不同,进而影响坡面侵蚀[15]。研究表明,当作物地表覆盖度接近时,坡面径流量与氮磷流失量均表现出红薯>花生[16],而花生坡耕地土壤侵蚀量和氮素流失量均低于玉米坡耕地[17],可溶性磷流失总量则表现为谷子>玉米>大豆[14]。作物不同生育期主要通过影响坡面地表覆盖度及作物生长状况进而影响坡面径流及氮磷流失特征[18]。模拟降雨条件下,玉米生长初期是坡面径流及养分流失的主要时期[19],而玉米成熟期坡面径流及氮素流失减少[20]。花生地水土流失及养分流失随花生生长天数的增加而有不同程度减少[21]。

甘蔗是我国最重要的糖料作物,2019年全国甘蔗种植面积为139.1万hm2,在中国广西、云南、广东等省份均有不同面积的种植,其中广西是我国最大的甘蔗种植区,占全国甘蔗种植总面积的64.0%[22]。全球范围内,甘蔗主要种植在坡度低于5o的坡地,但由于耕地面积减少以及对甘蔗产量需求的提高,甘蔗种植地已扩展到较陡峭的斜坡上(坡度≥30o),使蔗地更容易受到流水侵蚀[23]。然而,现有关于植蔗坡地坡面侵蚀特征的研究主要以年际尺度下的定性研究为主,次降雨下植蔗坡地地表径流及其养分流失特征目前尚不明晰。同时,与其他作物相比,甘蔗生长周期长(2—12月),其快速生长期为6—9月,与种植区雨季同步[24],在此条件下,甘蔗不同生育期对坡面径流及氮磷养分流失特征的研究相对较薄弱。基于此,本文以广西赤红壤植蔗坡地为研究对象,基于径流小区原位观测试验,研究甘蔗种植下坡地的径流及氮磷养分流失特点和规律,探讨自然降雨下甘蔗种植对赤红壤坡耕地坡面径流及溶解态氮磷养分流失特征影响,研究结果可为明晰区域植蔗坡耕地水土流失及养分流失防治提供理论依据。

图1 试验小区示意图Fig.1 Schematic diagram of test area

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区南宁市,试验地点位于广西大学校内农科试验基地(108°17′38″E,22°50′59″N)(图1)。研究区属亚热带季风气候区,年平均降雨量1304 mm,且降雨集中于5—9月,达全年降雨量的70%左右,年均气温22 ℃,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,土壤容重为1.2—1.3 g/cm3,其它基本理化性质见表1。

表1 试验土壤基本理化性质

1.2 试验方法

试验采取径流小区野外原位观测法,甘蔗为新植蔗,观测时间为2019年和2020年5—8月(主要包括甘蔗萌芽期、苗期、分蘖期和伸长期)。径流小区坡长5 m,宽度2 m,坡向朝南,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[5,17],本研究中植蔗坡地径流小区坡度设为10°。径流小区底部修建出水口,出水口处安置矩形集流槽,用于收集自然降雨下坡面径流泥沙样。具体试验处理见表2,除草等其他田间管理措施均按当地农耕习惯进行。

表2 试验处理

1.3 样品采集与分析

每次自然降雨结束后,测定径流小区下部矩形集流槽内水深,将集流槽内径流与泥沙充分搅匀后,用500 mL聚乙烯塑料瓶采集径流样,每个径流小区采集3瓶,随后立即置于4 ℃冰箱保存,并在48 h测定完毕。每次取样后及时将集流槽清洗干净,且用彩钢瓦封盖严实。降雨过程资料通过试验区附近气象站的翻斗式自记雨量器(雨后12 h内采集)获得。

1.4 数据分析方法

利用SPSS 19.0进行数据的相关性与显著性分析；利用Origin 2018和Excel 2013进行图表绘制。

2 结果分析

2.1 植蔗坡地坡面径流及溶解态氮磷流失特征

不同时期植蔗坡地坡面径流量及溶解态氮磷流失量存在明显不同(表3)。2019年,坡面径流总量为1111.3 m3/hm2,其中6月径流量最大,占比50.0%,其次是5月(23.7%)和7月(20.0%),8月最低(6.3%)。5—8月硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失总量分别为1.39 kg/hm2、0.37 kg/hm2和0.20 kg/hm2,且在各月内的分布存在明显差异。2019年6月的硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失量均显著高于其他月份,分别占5—8月各养分流失总量的69.1%、58.4%和56.6%。此外,8月的硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失量均为最低,仅占5—8月流失总量的4.7%、4.8%和4.1%。2020年5—8月坡面径流总量、硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失总量分别为3 269.4 m3/hm2、15.60 kg/hm2、1.02 kg/hm2和0.27 kg/hm2。6月的径流量、硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失量仍均显著高于其他月份,分别占5—8月流失总量的45.7%、73.4%、62.1%和66.9%；其次是8月,分别占比35.6%、12.3%、26.3%和17.7%。

表3 赤红壤植蔗坡地径流及溶解态氮磷流失量

通过对研究区2019年和2020年5—8月的降雨特征分析可知(图2),2019年5—8月降雨总量为625.0 mm,主要集中在6月和7月(162.4、187.8 mm)。2020年5—8月降雨总量为869.0 mm,其中,6月降雨量最多(283.0 mm),其次为8月(238.8 mm)。降雨在年内的分布不同,是导致坡面径流及溶解态氮磷流失特征在年内分布存在较大差异的原因之一。

图2 2019年和2020年研究区5—8月降雨特征Fig.2 Rainfall characteristics of the study area from May to August in 2019 and 2020

与2019年相比,2020年坡面径流、硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失总量分别增加了194.2%、1026.0%、177.1%和37.7%,其中,硝态氮流失量的增加最为明显,2020年各月硝态氮流失量是2019年的3—30倍不等,表明植蔗坡地坡面径流及养分流失,尤其是硝态氮养分流失,存在较大的年际差异。2019年和2020年硝态氮流失量占溶解态氮流失量的79.0%和93.8%,除2019年7月,2019年和2020年各月硝态氮流失量在溶解态氮流失占比均超过78%,表明研究区溶解态氮素流失以硝态氮为主。同时结果还表明,2019与2020年6月坡面径流、硝态氮、铵态氮、磷流失量均显著高于其他月份,因此,在赤红壤地区甘蔗生产中,需特别注意在此期间径流养分流失问题。

2.2 次降雨条件下植蔗坡地径流及溶解态氮磷养分流失特征

2.2.1径流量特征

为进一步探讨植蔗坡地坡面径流流失特征,对2019—2020年侵蚀性降雨下坡面径流及氮磷养分流失量展开深入分析。2019年和2020年5—8月共发生侵蚀性降雨41场,其中2019年18场(3.0—56.4 mm),2020年23场(4.2—74.8 mm),总侵蚀性降雨量分别为407.8 mm和668.0 mm。2019年侵蚀性降雨主要集中在6月和7月(151.2 mm和126.6 mm),2020年则集中在6月和8月(262.2 mm和222.0 mm)(图2)。由图3可知,次降雨下,2019—2020年坡面径流量均随降雨量的变化呈现出较大的波动性。2019年次降雨下植蔗坡地坡面径流量在1.0—260.8 m3/hm2之间,整体上随次降雨年内分布表现为增加-减少-增加-减少的变化趋势,且与次降雨量的变化趋势基本一致。对2020年而言,次降雨下植蔗坡地坡面径流量介于3.7—493.8 m3/hm2,整体上表现为6—7月波动下降,7—8月表现为波动增加,随次降雨量的增加而明显增加。

图3 次降雨条件下坡面径流特征Fig.3 Slope runoff characteristics under different rainfall conditions 图中a和b表示同一日期内第一场和第二场降雨，下同

2.2.2溶解态氮磷流失特征

图4为研究区硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失特征,由图4可知,2019年次降雨条件下植蔗坡地坡面径流硝态氮流失量介于1.0—492.2 g/hm2,在年内表现为先升后降的变化趋势,在7月以后,硝态氮流失量较低(<40 g/hm2)且变化平稳(图4)。次降雨下,硝态氮浓度变化同样具有明显的波动性,表现出5—7月稳定上升,7—8月波动下降的趋势,最高为7.44 mg/L(7月4日),最低仅为0.07 mg/L(7月11日)。2020年次降雨条件下硝态氮流失量在32.5—3129.7 g/hm2,最大流失量发生在6月3日,在此之前,硝态氮流失量表现为稳定增加的趋势,在此之后,表现为波动下降趋势。2020年次降雨下径流硝态氮浓度呈现较大差异,6月和7月径流硝态氮浓度较高,介于5.8—11.5 mg/L,而5月和8月硝态氮浓度较低,介于0.4—4.1 mg/L。

2019年径流中铵态氮流失量在0.3—83.6 g/hm2之间(图4),变化较大,其中流失量大于50 g/hm2的降雨有3次,都集中在5月和6月,6月以后次降雨下铵态氮流失量均低于30 g/hm2。2019年坡面径流中铵态氮浓度变化较小(0.2—1.44 mg/L),5—7月铵态氮浓度总体上呈波动上升趋势,在此之后则有明显的降低趋势。2020年次降雨条件下铵态氮流失量在6.8—302.2 g/hm2之间,其中3场降雨铵态氮流失量超过100 g/hm2,6月2场,8月1场,其余次降雨下铵态氮流失量均低于20 g/hm2。且2020年径流中铵态氮浓度总体上差别不大,除5月11日和6月14日较高以外(浓度分别为0.7 mg/L和0.8 mg/L),其余时间铵态氮浓度均在0.1—0.5 mg/L之间,且7—8月铵态氮浓度明显低于5—6月。

图4 次降雨条件下溶解态氮磷流失特征Fig.4 Characteristics of dissolved nitrogen and phosphorus loss under rainfall conditions 图中a和b表示同一日期内第一场和第二场降雨

2019年次降雨下植蔗坡地坡面径流中可溶性磷流失量在0.1—59.5 g/hm2之间(图4),除5月28日和6月29日3场降雨可溶性磷流失量大于20 g/hm2以外,其余降雨下可溶性磷流失量均低于10 g/hm2。2019年可溶性磷浓度波动性较大(0.04—0.41 mg/L)。2020年次降雨条件下可溶性磷流失量在0.6—121.4 g/hm2之间,峰值出现在6月14日,除此以外,次降雨下可溶性磷流失量整体差别不大,均低于25 g/hm2。2020年径流中可溶性磷浓度在0.01—0.33 mg/L之间,且整体上差异较小。综上可知,次降雨下,2019与2020年硝态氮、铵态氮、可溶性磷流失量总体上随次降雨呈波动变化,且均在6月出现明显的峰值。对于硝态氮、铵态氮、可溶性磷流失浓度,则没有明显的规律性,且波动性较大。

2.3 赤红壤植蔗坡面径流及溶解态氮磷流失量与降雨特征参数相关分析

为进一步分析蔗地坡面径流及溶解态氮磷流失的影响因素,对37场降雨下植蔗坡地径流流失与降雨特征参数进行了相关分析(表4)。由表4可知,植蔗坡地径流量与降雨量和最大30 min降雨强度(I30)表现为极显著正相关关系,而与降雨历时和平均雨强(I)无显著关系,表明高强度、大雨量降雨是造成蔗地坡面径流的主要原因；硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失量与径流量、降雨量和最大30 min降雨强度(I30)总体均表现为极显著正相关关系,与降雨历时和平均雨强(I)总体上呈不显著相关关系,表明植蔗坡地溶解态氮磷流失量主要受坡面径流量及高强度降雨的影响。

表4 径流及溶解态氮磷流失量与降雨特征参数相关分析

3 讨论

3.1 甘蔗种植对坡面径流及氮磷流失的影响

作物种植是影响坡耕地地表径流及氮磷流失的重要因素[5]。本研究中,2020年植蔗坡地坡面径流总量为3269.4 m3/hm2,对比类似降雨条件下的木薯地[25],侵蚀性降雨量相近,但木薯地年径流量远小于蔗地,一方面可能是由于坡面条件存在差异,另一方面由于木薯地上部植株呈伞型,能更好降低降雨动能,减少地表径流。与玉米地坡面径流量相比[20],降雨条件接近时,玉米坡耕地坡面径流远高于植蔗坡地,主要原因是与玉米种植相比,甘蔗植株和种植密度更大,对降雨的截留效应更为明显。

地表径流氮磷等养分流失过程是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程[26],并受作物种植的影响[14]。本研究中,2019与2020年植蔗坡地硝态氮和铵态氮流失量均高于玉米地[20],可能是由于玉米生长周期较短,土壤养分在较短时间内被其吸收利用[27],使地表径流及坡面土壤养分变化存在较大差异所致。在相似降雨量下,与花生、红薯地[16]相比,蔗地硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失量均明显偏高,除土壤类型不同外,可能的原因是试验时期地表覆盖度存在差异,本研究包含甘蔗生长的多个时期,观测期内坡面地表覆盖度变化较大。同时本文研究结果还表明,地表径流中溶解态氮素流失主要以硝态氮为主,这与汪庆兵等[18]的研究结果一致。

3.2 不同生长时期植蔗坡面径流及氮磷流失的动态特征

作物不同生长时期,坡面植被盖度与作物生长状况不同,进而影响坡面地表径流及氮磷养分流失特征[19]。本文研究表明,在相似的次降雨条件下,甘蔗生长前期(7月以前)坡面径流量整体高于甘蔗生长后期(图3)。主要是因为甘蔗生长前期植被覆盖度小(<30%),大部分降雨穿透植株直接击打土壤表面,溅散土壤颗粒阻塞土壤孔隙,阻碍水分下渗,使得地表产流产沙较大[28],而在甘蔗生长后期,蔗地覆盖度明显增大(>60%),茂密的蔗叶和茎秆降低了雨滴动能和水流速度,从而增加地表径流在土壤表层停留的时间,增加了水分下渗,使得地表径流减少[29]。不同甘蔗生育期由于甘蔗植株对降雨的再分配不同,余长洪等[30]研究表明,甘蔗幼苗期至成熟期,穿透雨量从94.7%降至49.4%,而茎秆流则从5.1%增至7.3%,基于玉米植株对降雨的再分配的研究表明,不同生育期玉米植株对降雨再分配(穿透雨量、茎秆流等)特征不同,导致地表径流的汇集及形成方式存在明显差异,进而影响坡面产流过程[31]。地表径流是坡面养分流失的主要载体之一,坡面养分流失过程是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程[6,26]。本文的研究结果表明,甘蔗萌芽期和苗期是坡面养分的主要流失时期,这与朱司航等[16]和冯小杰等[19]对玉米、花生等其他作物的研究结果相一致。主要原因此时植蔗坡地地表覆盖度小(<30%),加之此时降雨相对集中(图2),从而导致坡面径流及其养分流失量均较大。因此在植蔗坡地的田间管理过程中,应有针对性进行甘蔗生长前期的坡面水土流失防治,通过增加地表覆盖等措施,避免出现严重的水土流失问题。

3.3 降雨特征对植蔗坡面径流及氮磷养分流失的影响

降雨是引起地表径流和氮磷流失的重要影响因素[32]。次降雨条件下坡面径流流失量随降雨量增大明显增加(图3),与李桂芳等[25]研究结果相一致。2019年8月以后,次降雨下坡面径流量远低于2020年同期,主要是受降雨量的影响。但降雨量并不是影响植蔗坡地径流量的唯一因素[33],例如,2019年7月9日降雨量(39.2 mm)高于6月29日的第一次降雨(29.2 mm),但前者产生的径流量(8.0 m3/hm2)却明显低于后者(191.6 m3/hm2),主要是由于7月9号降雨历时较长,而平均降雨强度较小,导致坡面径流量偏低。再次表明降雨对坡面径流的影响与降雨历时、降雨强度等其他降雨参数密切相关[33]。此外,相同降雨量下,2020年次降雨下坡面径流量总体高于2019年,如2019年6月25日与2020年6月24日降雨量相近(分别为25.0 mm和23.8 mm),但后者坡面径流量是前者的1.8倍,可能是由于此时期,研究区降雨频繁,连续降雨导致赤红壤坡面长期处于湿润状态[34],进而导致坡面径流量有所增加。

降雨对溶解态氮磷流失的影响主要是通过影响坡面径流量,进而影响氮磷养分的流失量[8]。次降雨下,2019与2020年硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失量总体上随次降雨呈波动变化,且均在6月出现明显的峰值(表3与图4),主要原因是研究区6月降雨集中,且降雨量大(图2),导致坡面径流增加,从而导致坡面径流养分流失量增加。种植紫花苜蓿、香椿的坡耕地氮、磷流失量与降雨量呈显著正相关[11],本文研究与之相似。硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失浓度同样随次降雨的变化表现出较大的波动性。次降雨下坡面硝态氮、铵态氮和可溶性磷浓度与径流量及各降雨参数均表现为不显著相关关系。本研究中,硝态氮浓度明显受到降雨集中程度的影响,表现为在连续降雨下,硝态氮浓度呈明显下降趋势(图4),例如2020年6月3日第一场降雨下硝态氮浓度(10.4 mg/L)远高于第二场(6.2 mg/L),原因可能是硝态氮易溶解于水,在降雨初期,地表土壤中硝态氮易随坡面径流流失,而在连续降雨条件下,土壤中,尤其是表层土壤中的硝态氮含量在冲刷和淋溶的作用下有所减少,因此坡面径流中的硝态氮浓度有所减小,这与任秀文等[35]、龙天渝等[36]在模拟降雨条件下坡面径流中硝态氮流失浓度特征一致。有研究表明,铵态氮[37]和可溶性磷[38]浓度均随降雨时间的增加而下降,本研究中,这种关系并不明显,可能是由于以上研究基于模拟降雨条件,而本文基于自然降雨,在降雨条件上存在较大差异。此外,人类活动(施肥、耕作)也会使次降雨下径流中氮、磷浓度具有较大波动[5]。

4 结论

(1)植蔗坡地地表径流量及溶解态氮磷流失量年内和年际均存在差异,主要与降雨的分布有关,2019年和2020年植蔗坡地地表径流及养分流失均集中在6月(占比>45%),且地表径流中溶解态氮素流失均以硝态氮为主(占比>79%)。因此,在甘蔗种植过程中要注意在此期间的坡面防治,合理进行田间活动和施肥管理。

(2)次降雨条件下,植蔗坡地坡面径流及溶解态氮磷流失量总体上随坡面降雨量的增加而增加,降雨量及最大30 min降雨强度与坡面径流量、硝态氮、铵态氮及可溶性磷流失量均呈极显著或显著正相关关系。在甘蔗生长后期,坡面径流中溶解态氮磷流失量均明显降低。次降雨条件下,径流中溶解态氮磷浓度均表现出较大的波动性,且总体上表现为在甘蔗生长前期(5—6月)呈上升趋势,甘蔗生长后期(7—8月)呈下降趋势。