不同农艺措施对丹江口库区坡耕地茶园氮素径流流失的控制效果

李太魁，张香凝，郭战玲，寇长林，毛家伟

（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.农业农村部原阳农业环境与耕地保育科学观测实验站，河南 郑州 450002）

坡耕地是我国山区的一种重要耕地资源。近年来，随着耕地资源的开发和利用，降雨径流引起的水土及养分流失问题日益加剧，这已成为造成周围水体富营养化的主要原因之一，直接威胁着我国的水质安全，因此，亟需有利的农艺防控措施来治理坡耕地水土流失［1-3］。坡改梯和梯壁植草是我国丘陵山区农业生产发展的基本途径，也是我国治理坡耕地水土流失的重要工程措施［4］。梯田能够降低坡面坡度和降雨径流的冲刷、减少水土流失，从而起到保水保土的作用［5］。然而裸露的梯壁有可能再次受到雨水的冲刷，造成更严重的水土流失。梯壁植草是指在梯壁上种植草类植物以防止梯壁再次受到降雨侵蚀，该项措施可以进一步增加梯田的稳定性，且在我国南方红壤丘陵区的果园、茶园中得到了广泛推广和应用［6-7］。然而，其效果受气候（降雨量、降雨强度）、地形特征（坡度）和土壤类型（黏土、沙土）等条件的影响，这些农艺措施在丹江口库区防控水土和养分流失的应用效果如何还不太清楚。

丹江口水库肩负着南水北调工程的重任，其水质状况关系到京津冀等沿线城市居民的用水安全，对水质要求很高。据调查数据，该库区65%的水土流失是由坡耕地造成的，流失的水土携带着养分进入水库而直接影响着南水北调工程的水体质量［8］。随着南水北调中线工程的完成，库区周围的农业结构也在进一步调整，其中柑橘、中药材、茶叶生产等已成为库区的支柱产业，坡地茶园也成为了库区一种重要的土地利用方式。新建茶园一般位于坡陡土薄、植被覆盖率较低的土地上，一旦降雨则极易引起水土和养分的流失［9］。配套相应的农艺措施，以降低新建茶园水土和养分的流失则显得尤为重要。鉴于此，本研究以丹江口库区新建茶园为研究对象，研究了坡改梯、坡改梯+梯壁植草2种农艺措施在自然降雨条件下对水土和氮素径流迁移的防控效果，以期为库区水质安全保障提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验设在河南省南阳市淅川县毛堂乡毛堂村，研究区属北亚热带季风性气候区，平均气温15.8 ℃；年降雨量391.3～1423.7 mm，降雨集中、旱涝不均，且集中分布在夏季的4～9月，无霜期228 d。近年来，毛堂乡大力发展茶叶、柑橘、中药材等特色产业。所选茶园土壤为典型的黄棕壤，土壤pH值6.24、有机质含量26.38 g/kg、全氮含量1.03 g/kg、全磷含量0.45 g/kg、速效磷含量13.92 mg/kg、碱解氮含量43.51 mg/kg。

1.2 试验设计

试验茶树品种为乌牛早，于2013年10月种植，南北向种植，穴距30 cm、行间距150 cm，每穴种2～3株茶苗。试验设3个处理：常规顺坡种植（CK）、坡改梯（PT）、坡改梯+梯壁植草（PTS），每个处理3次重复，随机区组排列。

梯壁植草品种为白三叶草，由河南省农业科学院园艺所提供，于2013年10月26日播种，播种量4.5 kg/hm2。各试验小区施肥水平相同，即尿素180 kg/hm2、复合肥（15-15-15）350 kg/hm2、菜籽饼肥450 kg/hm2，其中，1/3的尿素和全部的复合肥、饼肥于2013年11月施入，剩下2/3的尿素于次年3月初施入。

试验小区面积45 m2，坡度平均20°，小区四周用塑料薄膜围起来，防止不同小区之间水土串流；在坡底部中央建一个径流池，并用PVC塑料管连接收集桶，用于收集降雨产生的地表径流和泥沙。降雨径流观测于2015年雨季（5～10月）进行。

1.3 地表径流样品的采集与测定

每次降雨产流过程结束后，用尺子测量池中的中间水位，计算单次降雨径流量；将采集到的径流池中的水充分搅拌均匀，取样后及时将其排干并清洗干净，准备下一次采集径流样。将采集到的水样带回实验室，分为2个部分，分别用于泥沙质量和水样氮素的测定。将水样充分混匀后，置于漏斗上进行过滤，将过滤出来的泥沙放入105 ℃的烘箱中焙烧24 h，冷却后再称重，计算径流液中泥沙的含量。径流水样总氮（TN）和溶解态总氮（DTN）含量采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定；硝态氮（NO3--N）含量采用紫外分光光度法测定；铵态氮（NH4+-N）含量采用靛酚蓝—紫外分光光度法［10］测定。颗粒态氮（PN）=TN-DTN，溶解性有机氮（DON）=DTN-（NO3--N）-（NH4+-N）。

1.4 数据处理与统计分析

单次降雨产流事件氮素流失负荷的计算公式为：

式中：Qi为单次降雨氮素流失负荷（mg/m2）；Ci为径流液总氮含量（mg/L）；qi为径流量（L/m2）。

分别采用Excel 2007、Origin 8.5、SPSS 16.0软件对数据进行处理、图片制作、方差分析等，以LSD法进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同农艺措施对地表径流的影响

试验地点每年4～9月的降雨量相对集中，根据监测结果，75%的年降雨量集中在这一时期，因此这一时期的水土流失也最严重。2015年产生径流的降雨共有4次，分别发生在2015年的5月7日、6月23日、7月15日和8月4日，对应的降雨量分别为46.5、54.6、76.5、69.6 mm。从图1可以看出，在4次降雨径流中，3个处理的产流量大小均表现为CK＞PT＞PTS。方差分析表明，2种措施的径流量与CK相比呈显著性差异（P＜0.05），除5月7日的降雨之外，3个处理之间的差异均达到显著水平（P＜0.05）。与CK相比，PT处理的地表径流量分别降低了25.2%、18.8%、18.1%和21.7%，平均为20.9%；PTS处理地表径流量的降低幅度要稍大一些，依次为31.0%、39.2%、30.3%和32.7%，平均为33.3%。由此可见，这2种农艺措施均能不同程度地减少坡耕地地表径流，以坡改梯+梯壁植草的截流效果更优。

图1 不同农艺措施下地表径流量的比较

2.2 不同农艺措施对土壤流失的影响

不同农艺措施下的土壤流失量见图2。3个处理的土壤流失量大小依次为CK＞PT＞PTS，这一点与径流量的表现相同。2种措施的径流量与CK相比，差异达到显著水平（P＜0.05）。与CK相比，5月7日、6月23日、7月15日和8月4日的降雨中，PT处理的土壤流失量分别降低了26.3%、30.1%、29.9%和33.6%，平均为30.0%；PTS处理的降低幅度稍大一些，分别为31.8%、44.4%、42.2%和50.2%，平均为42.0%。由此可见，这2种农艺措施均能不同程度地减少坡耕地土壤的流失，以坡改梯+梯壁植草的减沙效果更优。

图2 不同农艺措施下土壤流失量的比较

2.3 不同农艺措施对径流液氮素形态的影响

在2种农艺措施下，历次降雨径流液中TN、NO3--N、NH4+-N、DTN、PN和DON的浓度见表1。在当地常规种植条件下，各处理径流液TN的浓度范围为4.19～18.39 mg/L，由地表径流引起的高浓度氮素流失对丹江口水库的水质产生了巨大的威胁。3个处理之间各形态N的浓度差异较明显。与CK相比，PT和PTS处理均显著降低了DTN、DON和PN的浓度（P＜0.05），其中，在7月15日和8月4日2次降雨中，3个处理间的PN浓度差异均达到显著水平，其中PTS处理的效果最明显。3个处理对TN和NO3--N浓度的影响不明显。

表1 不同处理径流液氮素流失的浓度及比例

此外，不同处理之间的氮素形态的比例也有一定的差异。DTN为氮素流失的主要形态，DTN/TN值在55.6%～70.4%之间，说明可溶性氮素是氮素流失的主要形态。而3个处理径流液中NO3--N/DTN的比例范围为36.7%～92.7%，由此可见，流失的可溶性氮素中以NO3--N为主。NH4+-N占DTN的比例在4.7%～23.2%之间，而DON流失的比例最高达到了48.5%。DON这一氮素形态的高浓度流失应该引起重视。相关研究表明，DON是微生物生长所需要的重要能量物质，为水体中藻类繁殖提供所需养分，与水体富营养化有密切关系。因此，从丹江口水库水质安全的角度出发，应当重点关注氮素流失形态的分配比例。

2.4 不同农艺措施对径流液氮素流失的防控效果

图3列出了单次降雨事件中氮素流失通量，从中可以看出，2种农艺措施均显著降低了土壤氮素随地表径流的流失总量。与CK相比，在5月7日、6月23日、7月15日和8月4日的降雨中，PT处理对土壤氮素流失量的降低幅度分别为33.8%、32.4%、40.5%和49.8%，平均为39.1%；PTS处理的土壤流失量比CK分别降低了42.1%、45.6%、54.3%和67.8%，平均为52.5%。由此可见，坡改梯、坡改梯+梯壁植草是控制丹江口库区坡耕地氮素随降雨径流迁移的有效农艺措施，其中，以坡改梯+梯壁植草的防控效果更好。

图3 不同农艺措施下氮素流失量的比较

3 讨论与结论

不同农艺措施对坡耕地水土及养分流失的防控效应受坡度、降雨量及其强度、土壤质地和植被覆盖等因素的综合影响。张永涛等［11］在山东棕壤区的研究结果表明，坡耕地改造成梯田后，径流量可减少69%，土壤侵蚀量明显降低。张靖宇等［12］在江西红壤区的研究结果表明，坡改梯+梯壁植草综合措施比单独坡改梯的蓄水保土效益分别高21.7%和30.1%。林廷武等［13］在黄土丘陵区果园中研究发现，植被种类繁多的梯田果园上，如遇到特大暴雨，其减水减沙效益分别能达到84.7%和86.4%。肖理等［14］在金沙江干热河谷水稻土区上的研究结果表明，坡改梯比坡耕地可减少80.1%的地表径流量和55.3%的产沙量。

本研究结果表明，坡改梯、坡改梯+梯壁植草措施可平均分别减少20.9%和33.3%的地表径流和30.0%、42.0%的土壤泥沙流失量，2种措施均表现出了较好的水土保持作用，控制泥沙流失的效果要优于减少径流的效果。对于坡改梯防止水土流失的主要机理，一般认为坡改梯后，表层土壤的疏松程度提高、土壤渗透力变强，当遇到降水后会很快入渗，径流流速相应地也会下降，导致径流入渗时间增加、产流速率大大降低［15］。对于泥沙防控而言，一些研究者认为：在坡改梯初期，土壤表面结构被破坏，受扰动强度较大，更易遭受降雨侵蚀［16］。本研究发现，坡改梯没有增加泥沙的流失量，这可能是由于坡改梯的同时，降低了径流流速和携带泥沙的能力。梯壁植草一方面增加了植被覆盖度，降低部分降雨能量；另一方面梯壁草类比较密集，根系在土壤内部相互交织，将根际土壤牢牢地固定在一起，增强了土体的稳定性和抗冲击能力［17］。坡改梯和梯壁植草的综合应用表现出了更强的水土保持能力。

坡地土壤氮素的流失与迁移是一个复杂的物理化学过程，农艺措施不仅改变了坡面径流过程，对径流液氮素形态也有一定的影响，研究者对坡耕地氮素流失的形态分配结论不太一致。有研究认为可溶性氮是坡地土壤氮素随地表径流进入水体的主要形式［18］；但也有研究认为坡耕地氮素流失以泥沙吸附的颗粒态为主［19］。本研究对坡改梯、梯壁植草等农艺措施下地表径流氮素浓度的分析表明，各处理的可溶性氮是氮素流失的主要形态，流失的可溶性氮素中以NO3--N为主，NH4+-N占DTN的比例较低，这与刘毅等［20］在丹江口库区的研究结论相似。分析其原因，土壤中黏土矿物易吸附带正电荷的铵态氮，成为固定态铵离子，另外，研究区域土壤本身的硝态氮含量较高，又极易溶于水，因此一旦遇到降雨径流，硝态氮比铵态氮更容易流失［3］。颗粒态氮的流失主要以泥沙为载体，坡改梯、坡改梯+梯壁植草2种措施都降低了泥沙的流失量，相应地也就减少了随泥沙流失的颗粒态氮量。土壤氮素随径流的迁移通量受浓度和径流量共同影响，综合看各形态氮的浓度、径流量和土壤流失量，2种农艺措施控制氮素流失主要是通过控制径流和泥沙来实现的。

本研究主要探讨了坡改梯和梯壁植草对丹江口库区坡地低龄茶园土壤氮素流失的防控效应，2种农艺措施都可以显著地提高水土保持效果，减少氮素流失。因此在今后的研究中需要进一步向其他方面深入探讨，例如：如何因地制宜选择适合当地的控制技术措施，降低工程技术成本，增加经济效益；坡改梯、梯壁植草措施在减少地表径流的同时，是否会增加养分渗漏的损失；梯壁种植草类品种如何选择；对茶园的生态效应、土壤养分的变化和物理性质有何影响等等。