秸秆覆盖和绿肥种植对丘陵茶园氮磷流失的影响

俞巧钢,姜铭北,孙万春,黄郑宸,3,王 峰,王 强,马军伟,*

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021; 2.淳安县农业农村发展服务中心,浙江 淳安 311700; 3.浙江农林大学 环境与资源学院,浙江 杭州 311300)

千岛湖位于浙皖山区中部,是我国首批15个水质良好湖泊之一,于2019年成为杭州市千万人口的饮用水水源地。千岛湖风景优美,在水库四周的丘陵山区密集分布着大量茶园。随着茶叶产业的快速发展,当地茶园面积逐年增加。茶农为了追求茶叶高产稳产,往往投入高量肥料,造成土壤养分积累量剧增,遇强降雨时极易导致氮磷养分随地表径流大量流失,进入湖泊和地下水体,引发面源污染[1-3]。近年来,浙江千岛湖水体开始出现氮磷含量增加、浮游植物异常增殖等现象,亟须采取相应措施控制氮磷的输入负荷[4]。

地表植被的覆盖程度影响降水的再分配进程,改变雨水产汇条件,进而影响土壤中水分的迁移和氮磷等养分的径流流失[5-6]。通过合理优化改变地表植被的结构,可减轻降水对土壤颗粒物的剥夺分离,改善土壤物理结构和化学性质,抑制土壤侵蚀发生,减少径流流失发生量和携带的泥沙流失[7-8]。利用各种作物秸秆覆盖土壤是传统农业种植中常采用的技术手段之一,不仅能解决秸秆资源化消纳的问题,而且还具有改良土壤微环境的作用[9-10]。绿肥作物——鼠茅草(Vulpiamyuros),有“果园地毯”之称,是近年来发现的唯一能自然倒伏的生草。现有研究表明,其密集丛生的浅根系特性不仅不会与深根作物竞争水分和养分,而且还可以改善土壤结构,增强土壤透气蓄水的性能[11-14]。

目前,探究茶园覆盖秸秆和种植绿肥对茶叶产量和品质影响的研究相对较多,但在南方丘陵山区茶园利用秸秆覆盖和绿肥种植来调控茶园氮磷养分流失的研究还相对欠缺。千岛湖是重要的国家一级饮用水源保护区,当地的山区丘陵具有独特的地理气候环境,但关于当地茶园的氮磷养分流失特征、成因、治理技术与模式等还缺乏深入系统研究。为此,本文以千岛湖周边茶园为对象,将秸秆和鼠茅草相结合用于土壤覆盖调控,系统探索其对茶园氮磷养分径流流失、土壤肥力和茶叶产量的影响,以期为减少南方丘陵茶园氮磷养分流失和保护河流湖泊水体环境提供关键性科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验茶园位于浙江淳安千岛湖汾口镇,系浙江西部丘陵区。当地属中亚热带季风气候,温暖湿润,雨量充沛,四季分明,年平均气温17 ℃,1月平均气温5.0 ℃,7月平均气温28.9 ℃,年平均降水量1 430 mm,年平均日照时数1 951 h。试验茶园的茶树长势基本一致,系已经种植10 a的成龄茶园,品种为龙井43。土壤类型为红壤土类黄红泥土土属,pH值4.23,有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为54.8 g·kg-1、2.56 g·kg-1、196 mg·kg-1、267 mg·kg-1和204 mg·kg-1。试验区内土壤肥力分布较为均匀一致。

1.2 试验材料

试验茶园覆盖所用秸秆来自于附近农户种植的水稻。鼠茅草绿肥种子由浙江沃土生态科技有限公司提供。鸡粪有机肥由当地有机肥企业——杭州鸿沃肥料科技有限公司提供,N、P2O5、K2O含量分别为1.58%、2.02%、1.91%。三元复合肥(N 21%,P2O57%,K2O 12%)由浙江惠多利肥料科技有限公司生产。尿素(N 46.0%)由浙江巨化股份有限公司生产。

1.3 试验设计

径流小区建于2019年3月,小区四周采用砖块水泥包裹围隔,以防止小区间串水串肥,围隔出露地面15 cm,地面下深度40 cm。在小区地势较低的一边建有配备水阀的径流收集池,底部的排水阀能确保采样完成后排干径流池水样(图1)。径流收集池能贮存、收集1.5 m3的水样,上部安装铁皮遮盖,防止自然降水进入。在小区地势较低的底部位置设有径流收集汇入口,同时覆盖铁丝网,避免小动物的出入干扰水样采集。试验小区略有一定的地势高差,可保证降水产生的径流通过PVC管向径流池单向流动,以便充分且完全地收集地表径流水。

1～9为试验小区,①～⑨为径流收集池。试验小区与径流收集池之间通过PVC管相连。Numbers 1-9 show experimental plots, and ①-⑨ show runoff capture tank. The test plots and corresponding collection tanks are connected by PVC pipe.图1 试验点小区与径流收集池示意图Fig.1 Sketch of test plots and runoff capture tanks

试验茶园采用单条等高的种植方式,坡度平均为10o,种植行距和丛距分别为150 cm和33 cm,树高和树冠平均为75 cm和85 cm。各小区长宽统一设置为4.5 m和7 m,面积30 m2。小区围隔建设过程中,土壤按照分层挖取分层回填的方式,尽量与原来土层保持一致。为最大限度地减少径流设施建设对茶园的扰动,确保试验研究的科学性和准确性,在各小区采用常规管理措施自然种植恢复约1.5 a后,于2020年11月开展氮磷养分径流流失试验研究。

试验共设计3个处理:常规种植处理(CK),按照当地传统习惯进行种植;覆盖秸秆处理(JG),在常规种植的基础上,采用水稻秸秆进行覆盖,秸秆用量为3 000 kg·hm-2,覆盖厚度3～5 cm,在秋冬季茶园基肥沟施覆土后均匀铺于茶行和茶树间隙等土壤裸露处;种植绿肥处理(LF),在常规种植的基础上,在茶园行间播种鼠茅草,播种量22.5 kg·hm-2,在秋冬季茶园基肥沟施覆土后均匀撒施于土壤裸露处。各处理均重复3次。

各处理统一于2020年11月10日施用鸡粪有机肥15 000 kg·hm-2和三元复合肥450 kg·hm-2作基肥,2021年6月12日施用三元复合肥450 kg·hm-2和尿素150 kg·hm-2作追肥。为促进茶树对养分的均衡吸收,基肥采用在茶行间开挖深20 cm条沟的方式施入,然后覆土。各处理的施肥、病虫害防治和水分管理等均按当地传统习惯进行。

1.4 样品采集与分析

试验区域的降水产流主要发生在1—9月,因此在2021年1—9月的每月下旬采集径流池中水样。每次采集时,先用干净木棒搅动池水,待充分混合后采集1 000 mL水样于干净的塑料瓶。各径流池中的水深用带刻度的直尺测定,根据水深和底面积计算径流水体积。每次采集水样后,通过水阀将径流池内的水排空并冲洗干净。水样中的铵态氮、硝态氮、总氮、总磷含量分别采用靛酚蓝比色法、紫外分光光度法、碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法和过硫酸钾消解—钼锑抗比色法测定[15]。于2021年10月采集茶园0～20 cm土层土壤,自然风干过筛后,分别用开氏法、碱解扩散法、盐酸-氟化铵法、乙酸铵提取法、高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量[15]。

试验数据采用Excel 2016和SPSS 16.0软件进行处理,并制作图表。

2 结果与分析

2.1 茶园径流水量和泥沙流失量

试验地的降水主要分布于1—9月,其中,尤以2—4月的春雨和5—7月的梅雨为主。从每月的径流水量可见,1—6月径流水量总体逐渐增加,7—9月径流水量逐渐减少。与CK相比,JG和LF的径流水量都明显更低,且其差异于降雨发生频繁的3—6月最为明显(图2)。从1—9月总的径流水量看,各处理相比,LF的最少,其次是JG,CK最大,且三者差异显著(P<0.05)(表1)。与CK相比,JG的径流水量减少51.4%,LF减少62.0%。

表1 不同处理的径流总量和泥沙流失量Table 1 Runoff and sediment loss of tea garden under different treatments

图2 茶园不同时期的径流水量Fig.2 Amount of runoff water at different periods in tea garden

泥沙流失的主要因素是降水引发大量径流,因而泥沙流失量与径流水量有着较为明显的关系,具体表现为随着径流水量增大,泥沙流失量增加。相应地,试验期间CK、JG、LF的泥沙流失量分别为36.5、13.3、8.8 kg·hm-2,且三者差异显著(P<0.05)。与CK相比,JG的泥沙流失量减少63.6%,LF减少75.8%。总的来看,种植绿肥和覆盖秸秆均可显著减少茶园的径流水量和泥沙流失量,具有较好的保水和保土的效果,二者相比,以种植绿肥的效果更好。

2.2 茶园铵态氮和硝态氮的径流流失

在1—9月发生的降水径流中,CK、JG、LF径流水的铵态氮质量浓度分别为0.25～2.33、0.14～1.39 、0.20～1.06 mg·L-1(图3)。总的来看,各处理下径流水的铵态氮质量浓度均以3月和6月较高,1月和2月较低,采取覆盖秸秆或种植绿肥的措施可以不同限度地降低各月径流水中的铵态氮质量浓度。经测算,1—9月CK、JG、LF径流水中铵态氮的平均质量浓度分别为1.06、0.73、0.65 mg·L-1,与CK相比,JG和LF径流水中铵态氮的平均质量浓度分别降低了31.1%和38.7%。

图3 不同处理茶园径流水中铵态氮和硝态氮的质量浓度Fig.3 Mass concentration of ammonium and nitrate nitrogen in runoff water of tea garden under different treatments

在1—9月发生的降水径流中,CK、JG、LF径流水的硝态氮质量浓度分别为1.98～9.91、1.95～6.26、1.18～6.11 mg·L-1。总的来看,各处理下径流水的硝态氮质量浓度总体以1月、4月和6月较高,5月、7月和8月较低。从1—9月径流水中硝态氮的平均质量浓度看,CK、JG、LF分别为4.89、3.62、3.23 mg·L-1,与CK相比,JG和LF径流水中硝态氮的平均质量浓度分别降低26.0%和33.9%。

分别测算各处理下1—9月铵态氮和硝态氮的径流流失量(表2、表3),结果显示,均以6月份最多。推测其主要原因是,6月份正值梅雨季,降雨多,径流发生量大。将1—9月的数据累加,CK铵态氮和硝态氮的流失总量分别为1.02、4.16 kg·hm-2,硝态氮的流失总量是铵态氮的4.08倍;JG铵态氮和硝态氮的流失总量分别为0.32、1.41 kg·hm-2,硝态氮的流失总量是铵态氮的4.41倍;LF铵态氮和硝态氮的流失总量分别为0.21、1.01 kg·hm-2,硝态氮的流失总量是铵态氮的4.81倍。以上结果说明,茶园径流中的无机氮流失以硝态氮为主,铵态氮相对较少。与CK相比,JG和LF铵态氮的流失总量分别显著(P<0.05)减少68.6%和79.4%,硝态氮的流失总量分别显著(P<0.05)减少66.2%和75.8%。也就是说,无论是覆盖秸秆还是种植绿肥,都可以使茶园不同时期的铵态氮和硝态氮径流流失量较CK大幅下降,且以种植绿肥的效果更好。

表2 各处理铵态氮的径流流失量Table 2 Runoff loss of ammonium nitrogen in tea garden under different treamtments kg·hm-2

表3 各处理硝态氮的径流流失量Table 3 Runoff loss of nitrate nitrogen in tea garden under different treatments kg·hm-2

2.3 茶园总氮和总磷的径流流失

经测算,1—9月,CK、JG、LF径流水中总氮的质量浓度分别为3.42～15.96、3.04～11.96、2.40～8.93 mg·L-1(图4)。各处理径流水中总氮的质量浓度均以1月、4月和6月较高,7月、8月和9月相对较低。从1—9月各处理径流水中总氮的平均质量浓度来看,CK、JG、LF分别为7.61、5.48、4.86 mg·L-1,与CK相比,JG和LF径流水中总氮的平均质量浓度分别降低28.0%和36.1%。

图4 茶园径流水中总氮和总磷浓度Fig.4 Total nitrogen and total phosphorus concentration in runoff water of tea garden

1—9月,CK、JG、LF径流水中总磷的质量浓度分别为0.21～0.93、0.16～0.80、0.13～0.79 mg·L-1。各处理径流水中总磷的质量浓度均以1月、4月和6月较高,2月和3月相对较低。从1—9月径流水中总磷的平均质量浓度来看,CK、JG、LF分别为0.57、0.44、0.40 mg·L-1,与CK相比,JG和LF径流水中总磷的质量浓度分别降低22.8%和29.8%。

与铵态氮和硝态氮的径流流失量相似,各处理总氮和总磷的径流流失量也以6月份最高(表4、表5)。经测算,1—9月,CK、JG、LF总氮的流失总量分别为6.44、2.36、1.55 kg·hm-2,总磷的流失总量分别为0.45、0.18、0.13 kg·hm-2。茶园氮、磷养分的径流流失以总氮为主,总磷相对较少。与CK相比,1—9月,JG和LF的总氮流失总量分别显著(P<0.05)减少63.4%和75.9%,总磷流失总量分别显著(P<0.05)减少60.7%和72.2%。也就是说,采用覆盖秸秆或种植绿肥的措施均可有效削减总氮、总磷的流失总量,且以种植绿肥的效果更好。

表4 各处理总氮的径流流失量Table 4 Runoff loss of total nitrogen in tea garden under different treatments kg·hm-2

表5 各处理总磷的径流流失量Table 5 Runoff loss of total phosphorus in tea garden under different treatments kg·hm-2

2.4 对茶园土壤肥力和茶叶产量的影响

与CK相比,JG的土壤全氮、有效磷、速效钾和有机质含量分别显著(P<0.05)增加14.6%、10.7%、18.9%和10.5%,LF的土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量分别显著(P<0.05)增加17.8%、13.2%、13.3%、9.6%和8.3%(表6)。从茶叶的产量看,CK、JG、LF分别为971.7、1 034.6和1 018.4 kg·hm-2。与CK相比,JG和LF的鲜叶产量分别显著(P<0.05)增加6.47%和4.81%。这可能是因为,覆盖秸秆或种植绿肥均有助于增加茶园土壤的地表覆盖度,可通过地表径流水力学参数的改变减少土壤中氮、磷养分经径流或泥沙携带流失。同时,秸秆的矿化降解,以及鼠茅草地上部和地下浅根系的枯萎矿化降解,均可向土壤提供有机质和其他养分,进而改善茶园土壤的肥力,提高茶叶产量。

表6 不同处理下茶园土壤的养分含量与茶叶产量Table 6 Soil nutrients contents and tea yield under different treatments in tea garden

2.5 茶园径流水量、氮磷流失负荷与土壤肥力的相关分析

相关分析的结果显示,土壤径流水量与铵态氮、硝态氮、总氮、总磷的径流流失量之间均存在极显著(P<0.01)的正相关性(表7),相关系数均高于0.857;铵态氮、硝态氮、总氮、总磷的径流流失量相互之间也存在极显著(P<0.01)的正相关关系,相关系数均高于0.707。这说明,茶园采用秸秆覆盖或种植绿肥的措施,可通过增加雨水的地表入渗作用降低径流水量,从而削减氮磷养分的流失量。

表7 茶园径流水量与氮磷流失总量负荷的相关分析Table 7 Correlation analysis of water runoff and nitrogen and phosphorus losses in tea garden

土壤全氮含量与径流水量、泥沙流失量,以及总氮、总磷的径流流失量之间存在显著(P<0.05)的负相关关系(表8);土壤碱解氮含量与径流水量、泥沙流失量,以及总氮、总磷的径流流失量之间也存在显著(P<0.05)的负相关关系; 土壤有效磷含量与径流水量、泥沙流失量,以及总氮、总磷的径流流失量之间也存在显著(P<0.05)的负相关关系。这说明,土壤全氮、碱解氮、有效磷含量受降雨径流的影响非常明显,茶园采用秸秆覆盖和种植绿肥的措施可通过地表覆盖削减径流量,降低总氮、总磷流失,从而有效提高茶园土壤氮、磷养分的含量。

表8 土壤肥力指标与氮磷流失总量负荷的相关分析Table 8 Correlation analysis of soil fertility and nitrogen and phosphorus runoff losses

3 讨论

降水产流与土壤水分的入渗作用密不可分,雨水溅蚀可使土壤,尤其是裸露的土壤结构破碎,造成细颗粒淤塞孔隙,阻碍水分渗入,从而加剧径流发生,并促使携带的泥沙流失[5,16-17]。覆盖秸秆能大幅增加茶园近地表土壤的粗糙度,增加雨水入渗,减少产流量,具有非常好的固定养分和拦截泥沙的效应[18-20]。鼠茅草近90%的细根生物量分布于表层土壤,其庞大的地下根系有着非常好的固定黏结土壤颗粒的作用,同时其地表生物量可达7 500 kg·hm-2,能够紧密匍匐覆盖裸露土壤,使无覆盖的土壤基本消失[13]。在地表覆盖秸秆和种植鼠茅草,还可通过腐殖化作用积累有机质,促使土壤团聚体由小颗粒向中颗粒转化,增加土壤大团粒水稳性团聚体的数量,促进毛管孔隙形成,提高土壤的通透性和水分入渗能力,从而提高土壤的蓄水能力[14,16,21-22]。本试验表明,茶园覆盖秸秆和种植鼠茅草可有效减轻降水对土壤的冲刷,显著降低茶园的径流水量和泥沙流失量。土壤中的氮、磷养分主要通过径流及其携带的泥沙流失[7,16]。雨水的侵蚀率与近地面雨滴的动能呈显著正相关性,将秸秆覆盖于茶园裸露地表或在茶园裸露地表种植鼠茅草,均可避免雨水对土壤的直接击溅侵蚀,进而有效削弱径流和泥沙损失,以及伴随的氮磷养分流失[5,16]。土壤胶体颗粒固持吸附磷的能力也十分强大,因此大部分的磷主要以颗粒态形式存在于土壤中。当降水发生时,土壤中的磷易受雨滴击溅而伴随径流或泥沙流失,流失形态也以颗粒态为主;因此,降低土壤磷素流失最有效的方式就是减少径流水量和泥沙携带量[9,23]。本试验表明,覆盖秸秆和种植绿肥可通过减少地表土壤侵蚀径流,降低茶园总氮和总磷的流失水平。同时,覆盖秸秆和种植绿肥都还能明显减少茶园土壤中铵态氮、硝态氮等无机氮的流失。分析其原因,首先仍是覆盖秸秆有效削减了雨水的冲刷溅蚀,减轻了土壤无机氮的大量溶出,以及随水流发生的迁移。其次,鼠茅草从1月份开始就可逐渐旺盛生长并覆盖于土壤上,且鼠茅草直立性弱,易倒伏,具有非常好的致密遮盖作用,可有效避免雨水冲击,从而减轻土壤无机氮的释放,以及随水流的流失[8,11]。再次,覆盖秸秆于土壤表层,其降解过程可缓慢向土壤补充活性有机质,促进土壤微生物生长繁殖并固定部分无机氮,进而降低土壤无机氮的流失[10]。此外,鼠茅草生长过程中会吸收一部分近表层土壤的无机氮养分,这也有助于降低土壤的无机氮流失。

茶园土壤为酸性,一般不利于氨氧化反应的进行,土壤铵态氮含量较高,这有助于喜铵作物——茶树的生长[24]。铵根离子带正电荷,虽容易被土壤黏粒矿物胶体所吸附固持,但当其浓度过高、土壤吸附饱和时也容易随径流发生流失[25]。硝态氮移动性强,不易被带负电荷的土壤胶体黏粒吸附固持,极易随降水产流流失[25]。本试验表明,茶园土壤中的铵态氮和硝态氮在降水发生时都可随径流流失,但流失量差异较大。在1—9月发生的径流中,常规种植处理下硝态氮的流失量是铵态氮的4.08倍,在覆盖秸秆和种植绿肥处理下硝态氮的流失量是铵态氮的4.41～4.81倍,说明茶园可溶性无机氮的流失以硝态氮为主要形态,铵态氮的流失相对较低。这与席运官等[2]的研究结果相似。

总体而言,茶园氮磷养分的流失主要与降水环境下发生的地表径流有关,而地表径流水量则与土壤的地表覆盖程度、土壤渗透性和持水能力等因素关系密切。受施肥翻耕等的影响,茶园地表土壤疏松裸露,当强降水发生时,大量养分极易伴随径流和泥沙流失。覆盖秸秆和种植绿肥的措施,可有效增加土壤覆盖程度,发挥拦截降水、增加入渗的作用,进而减轻茶园土壤氮磷养分的径流流失,从而提升地力[5,12,26]。本试验表明,覆盖秸秆和种植绿肥均可培肥土壤,提升茶叶产量。覆盖秸秆和种植绿肥之所以能够增加茶叶产量,一方面是因土壤氮磷养分随径流流失的数量减少,另一方面是其可提升冬春季低温环境下土壤的地温,具有增温保墒的效应,可促进茶叶幼芽萌发[6,11]。

千岛湖周围耕地较少,利用丘陵坡耕地种植农作物的开发强度大,存在水土和氮磷养分流失、加剧水环境污染的风险。茶园是千岛湖库区一种典型的土地利用方式。成年茶园虽然植被生物量大、覆盖度较高,但在肥料投入强度较大、表层土壤养分积累量高的背景下,强降水造成氮磷养分流失的风险仍不容忽视。新开垦的幼龄茶园,土壤裸露情况较为严重,极低的地表植被覆盖更易引发土壤侵蚀和养分流失。利用农业废弃物(如水稻秸秆)覆盖地表,可通过资源化手段解决秸秆消纳问题,适于在秸秆资源丰富的茶园区域采用。对于秸秆资源紧张、搬运不便的茶园,种植绿肥作物(如鼠茅草)是一种非常有效的对策。种植绿肥可提升土壤有机质含量,改善土壤肥力,还可有效增加土壤覆盖度,减少水土流失,尤其适合于交通不便和土壤肥力较为贫瘠的新垦茶园。

综上,本研究表明,千岛湖周边茶园的地表径流主要发生在1—9月的春雨和梅雨季节,6月是氮磷流失量最大的时期,无机氮流失的主要形态是硝态氮。与常规种植相比,茶园采用覆盖秸秆或种植绿肥的措施,径流水量和泥沙流失量可分别削减51.4%和63.6%以上,总氮和总磷流失量分别降低63.4%和60.7%以上,蓄水固土效果明显,还可促进茶园土壤肥力的提升,增加茶叶产量,具有显著的蓄水固土保肥一体化功效,宜在南方丘陵茶园推广应用。