保护性耕作对地表径流和水土流失氮素损失的影响分析

李沛沛，袁廷利，董金凤，杨雅琼

(山东省威海市水文中心，山东 威海 264009)

0 引言

为了满足日益增长的粮食需求，农民通常施加适量甚至过量的无机氮和有机氮肥来增加农作物的产量，氮肥的长期使用使得河水和周边地表水体水质显著下降。在许多地方，农业用地耕种中大量使用氮、磷肥导致河流水质污染现象频发[1]。如何增加粮食产量的同时确保农业用地不会造成水污染已引起了国内外许多学者的重视，研究当前农业系统的土壤地表径流和水土流失与氮之间的平衡关系是保护土地资源、防止土壤退化同时最大可能保持年度作物最佳产量的迫切需要[2]。地表径流和水土流失是氮素损失的重要原因[3]。王凌云[4]指出，总氮流失总量的一半以上均为可溶性氮，地表径流氮损失的铵态氮高于硝态氮，且随着农作物的生长时间的增加而逐渐减少。张雪莲[5]指出，流域系统中氮和磷污染水的主要原因之一是水土流失。王甜[6]指出在降雨带来的径流过程中，地表径流中氮素浓度与壤中流中的氮素浓度存在差异，在短时强降雨的情况下，地表径流氮损失程度随降雨强度的增加而增大，最小化地表径流及沉积物中的氮浓度对于保护水域和防止富营养化非常重要。通过尝试采用有效的方法以减少肥料的使用，在保持作物产量的基础上同时减少水污染，有学者[7]指出豆科植物能够显着改善土壤的化学和生物学特性，与无机肥料相结合，可以显著减少土壤的养分损失。

本文通过试验分析土壤地表径流和水土流失与氮之间的平衡关系，研究保护性耕作对氮损失的影响，为减少水污染、防止土壤退化、增加粮食产量提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

模拟试验区选自典型农业生态系统内进行，当地年平均水土流失量为1400mm，夏季多雨，平均相对湿度为63.8%，年平均气温14.5℃，平均日照为2165h。试验区内浅层土壤的容重为1.35g/cm3、水土比2.5∶1，PH为5.16。供试作物为玉米。

1.2 试验设计

试验设置3个变量为：①使用植物纤维毯和不使用植物纤维毯；②覆盖作物的类型；③根据当地农民常规方法进行耕作和免耕。本实验开展周期共2年，第2年进行数据采集。植物纤维毯由3层制成，外层为门冬叶，中间填充层为白茅叶。植物纤维毯可提供约10t/ha的有机物量。覆盖作物有豇豆(V-U)、菽麻(C-J)、木豆(C-C)。每个试验地块的大小为18m2，共有60个试验地块，玉米种植间距为75cm×20cm，植物纤维毯覆盖在种植区的表面并设置种植孔，覆盖作物残留物是在前一个种植季节的旱季开始时在每个地块种植中获得的。免耕处理仅通过人工清除杂草。常规耕作的所有地块均按照当地农民的做法施肥，施加肥料用量为：N=90kg/ha，P2O5=30kg/ha，K2O=25kg/ha，其中磷肥在种植时施加，氮肥和钾肥在种植后7d施加1/3，种植40d后施加剩余部分肥料。在与塑料罐制成的径流收集器相连的2m×1m地块中测量了地表径流和水土流失造成的氮损失。

1.3 取样和分析

对于氮来源共有3种，即人工肥料、覆盖作物残留物和植物纤维毯。豆类覆盖作物的氮总含量借鉴了前人的研究，其中豇豆、菽麻、木豆的氮含量为别为2.8%、1.7%、1.8%。通过对地表径流和水土流失的分析，确定地表径流和水土流失过程中引起的氮损失。土壤侵蚀测量是通过下雨天采集沉积物以及地表径流进行的，通过测量玉米生长过程中每一次水土流失时在收集器中的地表径流体积来确定地表径流。为了确定径流和土壤侵蚀中的氮含量，对1L径流进行取样，然后过滤，以分离径流和沉积物，通过凯氏定氮法分析水土流失中的样本水径流(Nr)和沉积物(Ns)。

通过地表径流的氮损失：

(1)

式中，NR—地表径流总氮损失，kg/ha；V—径流收集器中的水量，m3；A—面积，m2；Nr—1L地表径流中的总氮含量，kg/m3。

通过水土流失的氮-土壤损失：

(2)

式中，NS0—水土流失总氮损失，kg/ha；S—1L地表径流中的沉积物，kg/m3；NS—总氮含量沉淀物，kg/kg。

玉米作物中的氮含量由收获玉米的重量乘单位重量玉米作物中氮含量确定。玉米作物的重量通过试验区中玉米的干重来测量。

2 结果与分析

2.1 氮的输入

在常规耕作方法中，玉米作物仅通过90kg/ha的人工肥料获得氮，若在种植玉米时进行作物覆盖，会增加土壤中的氮含量，但增加幅度较小，其中菽麻覆盖效果最好，可增加氮含量约50kg/ha，木豆覆盖作物残留物仅能增加约0.1倍的氮，如图1所示。在免耕情况下，覆盖作物后氮增加约0.1～0.4倍，表明在免耕的土壤中氮累计总量低于传统耕作。

图1 土层氮含量对比

采用常规耕作方式时，植物纤维毯的应用为玉米种植提供了115kg/ha的氮，植物纤维毯和覆盖作物的联合应用使土壤中的氮含量得到显著提升。木豆、菽麻、豇豆作物覆盖和无作物覆盖的相比，土层氮含量分别增加了21.2%、7.3%、85.7%，覆盖作物的土壤氮增加量约为40～180kg/ha，玉米种植系统中的总氮输入量增加至235～396kg/ha。由此可见，在常规耕作方式下，植物纤维毯和豇豆覆盖的综合应用对土壤氮输入具有最佳提升的作用。

采用免耕方式时，植物纤维毯的应用为玉米种植同样提供了115kg/ha的氮，与常规耕作相比，免耕情况下的植物纤维毯和覆盖作物的联合应用使土壤中的氮含量得到更大幅度提升。木豆、菽麻、豇豆作物覆盖和无作物覆盖情况下，土层氮含量分别增加了32.1%、11.6%、92.8%，覆盖作物的土壤氮增加量约为50～200kg/ha，玉米种植系统中的总氮输入量增加至241～416kg/ha。由此可见，与无植物纤维毯、常规耕作和无覆盖相比，免耕和植物纤维毯的联合应用且在前一种植季节作物覆盖的方式具有更好的土壤肥力条件，为作物生长提供足量的氮源。

2.2 地表径流和水土流失对氮损失的影响

2.2.1地表径流对氮损失的影响

玉米种植系统一个周期的地表径流中溶解氮的损失水平相对较低，为0.03～0.45kg/ha，如图2所示，玉米营养生长期通过地表径流造成的氮损失相对高于玉米的生殖生长阶段。与免耕相比，传统耕作导致地表径流的氮损失更高，在玉米营养生长期地表径流的氮损失为0.37kg/ha，生殖生长期地表径流的氮损失为0.062kg/ha。免耕较常规耕作在营养生长期和生殖生长期地表径流的氮损失分别下降了58.5%、48.4%。在常规耕作和植物纤维毯联合应用的情况下，不同覆盖物种类对氮损失有不同的影响，木豆、菽麻覆盖都降低了玉米在营养生长期和生殖生长期地表径流的总氮损失，但豇豆覆盖反而增加了地表径流的总氮损失。与常规耕作和不使用植物纤维毯相比，免耕方式和植物纤维毯的联合应用显著减少了地表径流总氮损失，如图2(d)所示，使营养生长期和生殖生长期的氮损失均降低在0.05kg/ha水平以下。

图2 地表径流的总氮损失

2.2.2水土流失对氮损失的影响

玉米种植系统一个周期内，水土流失导致的总氮损失远高于地表径流导致的总氮损失，如图3所示。在常规耕作和不使用植物纤维毯的情况下，如图3(a)所示，水土流失造成的氮损失达到15kg/ha以上，玉米营养生长期通过水土流失造成的氮损失相对高于玉米的生殖生长阶段。与常规耕作相比，免耕水土流失的氮损失显著降低，在无作物覆盖的情况下玉米营养生长期地表径流的氮损失为3.7kg/ha，生殖生长期水土流失的氮损失接近于零，在菽麻和豇豆覆盖的情况下反而增加了玉米在生殖生长期的氮损失。在常规耕作和植物纤维毯联合应用的情况下，水土流失氮损失较无植物纤维毯应用时有明显下降，水土流失造成的氮损失在营养生长期和生殖生长期均下降至5kg/ha以下。免耕与植物纤维毯的情况下，可将水土流失造成的氮损失减少至仅0.3～5kg/ha，如图3(d)所示，不同覆盖物种类对水土流失氮损失影响较小，可见免耕和植物纤维毯对减少水土流失氮损失起到主要的作用，这与其他学者的研究结果相似[8]。

图3 水土流失的总氮损失

免耕玉米种植和植物纤维毯的应用是保护性耕作应用的一部分，保护性耕作系统中氮损失大部分是由地表径流和水土流失原因造成的。分析其原因，与使用圆盘犁、凿子犁等处理的常规耕作相比，保护性耕作能够显著减少氮损失，其中地表径流氮损失远低于水土流失氮流失，土壤中的氮含量与粘土量有关。同时作物覆盖的应用也可以减少氮损失，减少边坡产沙量，降低泥沙输送量，从而降低土壤侵蚀率。在覆盖应用中，与使用塑料覆盖相比，更推荐使用作物覆盖。

3 结论

本文通过对比分析保护性耕作对氮素损失的影响，结果表明植物纤维毯和免耕覆盖物可显著提高土层中氮总量；传统耕作导致地表径流的氮损失更高，免耕方式和植物纤维毯的联合应用显著减少了地表径流总氮损失；玉米种植周期内，地表径流对溶解氮的损失相对较低，水土流失远高于地表径流导致的总氮损失。常规耕作和不使用植物纤维毯的情况下，水土流失造成的氮损失较高。免耕与植物纤维毯的情况下，水土流失造成的氮损失减少。为满足农业可持续发展，可大力推广保护性耕作在作物耕作中的应用。由于试验数据有限，结论具有局限性，需要在大面积保护性耕作中取样验证。