丹江口水库水源涵养地坡耕地水土保持和氮磷养分流失的治理措施

丹江口水库水源涵养地坡耕地水土保持和氮磷养分流失的治理措施

在降雨直径流的条件下，倾斜农用地的土壤受到严重侵蚀，不仅土壤生产力降低，氮、磷等养分损失，随地表直径从耕地流入各种水体，对地表水和地下水构成压力，导致水体富营养化等问题。全球70%的国家和地区受到水土流失的危害,据第二次全国土壤普查,我国耕地水土流失面积共有4.54×107hm2,是世界上水土流失最严重的国家之一,且主要分布在坡耕地上。我国坡耕地面积4.65×107hm2,占耕地总面积的35.09%,坡耕地水土流失带来的污染已不容忽视。十堰市作为南水北调中线工程水源区,水域面积占丹江口水库水域总面积的60%,该区域的水土流失情况直接关系着丹江口水库的水质安全。全国第二次遥感调查成果显示:十堰市现有水土流失面积11905.12km2,已占到土地总面积的50.26%,水土流失形势严峻。据统计,十堰市化肥利用率仅有30%~40%,其余60%~70%化肥进入环境,经地表径流或地下水直接进入湖库。本文在十堰市开展不同农艺措施对坡耕地水土和养分流失影响的研究,研究结果对保障丹江口水库水质和南水北调中线工程长期效益都具有重要的现实意义。1一般试验条件和试验方法1.1月降雨分析试验区设在十堰市茅箭区茅塔乡廖家村二组,地处东经109°11′-111°16′,北纬31°30′-33°16′之间的鄂西北山区,汉江中上游,是南水北调中线工程主要水源区。该地区多年平均降雨量800mm以上,暴雨洪水发生在4-10月,降雨量占全年83.6%,6-8月雨量充沛,暴雨强度大,每年100mm以上的暴雨有2~3次,降水占全年雨量的17.7%,最多的年份占43.2%。该区域多由变质岩和石灰岩构成,地形起伏、地貌复杂、岩层古老、易于风化、土壤疏松、抗蚀力小,一遇到大暴雨,水土就会大量流失。试验小区选在山坡中下部,坡地上方是山林和树木,下方是茅塔河。十堰市坡耕地占耕地总面积的49.9%,供试坡耕地在十堰市小流域中具有代表性。试验区坡耕地土壤pH值为5.7~7.1,碱解氮含量为68.31~81.96mg/kg,速效磷含量为6.12~18.27mg/kg,速效钾含量为51.92~94.89mg/kg,有机质含量为14.94~18.95mg/kg。1.2紫穗槐的种植及施肥试验设有5个径流处理小区,编号分别为T1、T2、T3、T4、T5,每小区长22m,宽6m,面积132m2,坡度5.7°,坡向西南,小区间用砖和水泥砌成高度50cm的隔墙,每个小区下端设置大小为50cm×50cm×50cm集水井,收集地表径流和侵蚀泥沙。2007年12月在处理小区T1、T2、T3、T4下方沿等高线各种植1行紫穗槐植物篱。紫穗槐株距80cm,占地面宽度约为30cm。植物篱上方种植夏玉米(2008年5月至11月)。试验于2008年5月整地,6月播种,各小区的试验设置为:小区T1~T4采用植物篱和农艺措施相结合的模式,除了小区下方种植植物篱之外,小区T1种植玉米,平衡施肥;小区T2种植玉米间作黄豆,并进行垄作,普通施肥;T3种植玉米间作黄豆,普通施肥;T4种植玉米,普通施肥;T5作为对照小区,种植玉米,普通施肥,无植物篱。普通施肥是指小区T1~T5每小区基施8.92kg尿素,15.68kg碳铵,12.95kg过磷酸钙。平衡施肥为在普通施肥基础上,每小区增施4.95kg氯化钾,0.30kg硫酸锌。小区T1~T5种植玉米株数保持一致,每小区约630株。小区T1、T4、T5单独种植玉米,行距0.6m,株距0.3m;小区T2、T3间作黄豆,玉米行距0.4m,株距0.2m,黄豆行距0.4m,株距0.1m。播种时先施入基肥,在玉米生长的拔节期和喇叭期,分别对其进行追肥。拔节期,小区T1~T5各追施5.62kg尿素,15.68kg碳铵;喇叭期,小区T1~T5各追施2.04kg尿素。1.3土壤理化性质测定播种前和收割后,按5点梅花形法采集各小区0-20cm土样。土壤碱解氮采用碱解扩散法,速效磷采用0.5mol/LNaHCO3浸提钼锑抗比色法,速效钾采用1mol/L中性NaOAc浸提火焰光度计法,有机质采用重铬酸钾容量法测定。1.4土壤侵蚀量测定每次降雨结束后,记录降雨历时和降雨量,测定每个小区集水井内径流量,并取混合水样1L,带回实验室过滤、烘干、称重,测定水样中的土壤侵蚀量;根据水样中的侵蚀量和小区总径流量,换算出每次降雨产流后各小区的土壤总侵蚀量。1.5试剂和光度法每次降雨后收集集水井内地表径流样,采用标准方法测定地表径流水样。其中pH采用pH计测定;SS采用烘干恒重法;CODMn采用高锰酸钾氧化法;TN采用高锰酸钾氧化法;NH+4-N采用纳氏试剂光度法;NO-3-N采用酚二磺酸光度法;TP采用钼锑抗分光光度法;DP采用钼锑抗分光光度法。将每次降雨产生的地表径流中养分含量乘以每次的产流量,可得各试验小区养分流失总量。1.6土壤有机碳处理对小区土壤养分的影响试验数据采用SAS统计软件进行分析,对小区土壤养分进行t检验,利用LSD法对不同处理在不同降雨量下的径流量、侵蚀量和氮磷流失量进行多重比较。2结果与分析2.1试验期间的降水玉米和黄豆生长期为2008年6月至10月,对玉米和黄豆播种之后的每次降雨收集情况见表1。2.2不同植被对土壤侵蚀量的影响径流是导致泥沙输移和养分流失的原动力。表2为供试坡耕地产流量和泥沙侵蚀量,由表2可知,不同小区因降雨产生的地表径流量和侵蚀量差异较大,径流量大小顺序为:T1<T4<T3<T2<T5。方差分析及多重比较表明,小区T1、T3、T4的径流量和对照小区T5的差异显著(P<0.05)。小区T1~T4的径流量分别比T5减少了55.5%,9.17%,27.8%,32.8%;侵蚀量大小顺序为:T1<T2<T4<T3<T5,T1~T4的侵蚀量分别是T5的32.8%,42.6%,59.2%,49.9%,说明紫穗槐植物篱能有效涵养水分、保持水土,同时T1的径流量和侵蚀量分别是T2的66.11%和65.75%,即平衡施肥可以减少坡地径流产生和泥沙侵蚀,这可能是因为平衡施肥促进了作物的生长,从而提高了作物对径流的拦蓄作用和抗蚀力。本试验的结果表明,坡耕地平衡施肥对径流和泥沙拦截率分别达到33.89%和34.25%,控制水土流失效果显著。垄作和间作则有一定的效果,有研究表明,坡地玉米和豆科作物间作,地面覆盖显著增加,从而可以减少45%的水土流失。但因为黄豆的植株矮小,且覆盖率不及玉米,其防止雨滴溅蚀的效果反而不及单种玉米的小区。2.3地表径流的养分损失特征径流中养分含量取决于径流冲击土壤程度、径流量及土壤中可溶性养分含量等因素。本研究集中对试验小区氮磷养分流失情况进行监测。2.3.1氮、磷流失量由表3、表4可知,在玉米和黄豆生长期不同时期降雨过程中,各小区之间降雨径流带走的水溶性氮、磷流失量差异显著。比较后发现,11次降雨过程中植物篱小区T4的氮、磷流失量基本上都低于对照小区T5,这说明紫穗槐植物篱的存在,能够更好地保持土壤氮、磷养分,提高土壤的肥料利用率。林超文等研究表明,紫穗槐植物篱能够显著提高坡面上部的氮素含量,提高土壤磷含量达44.1%,同时试验小区的有机质含量比对照增加了19%,说明豆科植物篱培肥地力的效果显著。进一步观察发现,采取平衡施肥小区T1的氮磷流失量和T4相比没有明显的差异,如小区T1的氮、磷流失量分别为12.17×10-2kg/hm2和1.12×10-2kg/hm2;小区T4的氮、磷流失量分别为9.69×10-2kg/hm2和1.35×10-2kg/hm2。这可能是受了土壤背景中氮含量差异的影响。由图1可以看出,小区T1初始土壤养分含量均高于T4。在多数降雨过程中,玉米和黄豆间作小区T2的氮磷流失量低于间作和垄作结合的小区T3。由图1可知,小区T2土壤背景中氮磷钾含量与小区T3相差不大,这说明黄豆和玉米垄作的措施较黄豆和玉米间作的措施更能降低土壤氮、磷流失量。小区T3与T4相比,T3的氮磷流失量大多数情况下都高于小区T4,可能的原因是土壤背景中小区T3的养分含量高于T4,并且黄豆在和玉米间作的过程中,黄豆的植株矮小,且覆盖率不及玉米,对雨滴溅蚀的缓冲力不如玉米,植株对氮、磷的吸收较玉米弱。因此,小区T3在降雨中被径流带走的氮磷含量稍高。综合分析表明,降雨过程中,处理小区的氮、磷流失量都低于对照小区。进一步分析可知,T5中氮流失量与降雨量有显著相关性,相关系数R为0.923,回归方程为y=0.1478x-2.1941,相反,植物篱和农艺措施处理T1~T4却与降雨量没有相关性,说明植物篱和农艺措施作用下,氮流失量和降雨量之间的相关关系被打乱,从而说明这些措施对氮的流失产生了积极的影响。同时,单纯的植物篱措施和施肥措施(T1、T4)对氮、磷的截留效果要优于黄豆和玉米间作、垄作和植物篱相结合的处理措施(T2、T3),但差异不显著。这可能是因为土壤背景中T1和T4的氮、磷含量稍低,也可能是因为黄豆在和玉米间作的过程中,黄豆的植株矮小,且覆盖率不及玉米,植株对磷的吸收也不及玉米。综合比较植物篱和农艺措施处理小区T1~T4和对照小区T5对土壤中氮磷的截留效果可知(图2),降雨过程中,处理小区的氮磷流失量多数都低于对照小区,在玉米和黄豆生长期间,对照小区的总氮和总磷流失量分别为49.74×10-2kg/hm2和2.16×10-2kg/hm2,处理小区的总氮和总磷流失量分别为13.44×10-2kg/hm2和1.58×10-2kg/hm2,分别是对照的27.0%和73.1%,说明植物篱和农艺措施相结合的综合处理措施,能够很好地固定土壤氮、磷,提高肥料利用率,减少养分流失,对土壤的保肥效果明显。2.3.2不同措施对坡耕地土壤养分流失的影响随着作物的生长,土壤氮磷流失量也随之变化(图3)。在玉米各生育期中,试验小区土壤中氮随地表径流而流失的总量顺序为抽雄期>拔节期>成熟期,土壤中磷随地表径流而流失的总量顺序为拔节期>抽雄期>成熟期,即随着作物的生长,磷流失越来越少。8月中旬玉米进入成熟期,覆盖度高,虽然降雨充沛、降雨时间长,但由于每次降雨强度小,降雨带走的氮磷流失较少。拔节期的磷流失量最高,原因一是虽然降雨量较抽雄期小,但降雨时间短,雨强大,形成的地表径流大,二是刚播种,植株矮小,覆盖率低。因此,土壤中磷的流失主要取决于植株的覆盖率和降雨强度。虽然对照小区拔节期的氮流失总量低于抽雄期,主要是因为追施氮肥后第2天降雨径流带走大量还未被作物吸收的养分。而T3、T4拔节期的氮流失却较抽雄期高,说明植物篱措施加上玉米和黄豆垄作能够削弱氮的流失。由表1可知,降雨量为23.2mm,26.7mm和18.5mm时,即播种后1d,32d,63d分别为玉米和黄豆播种、第一次追肥和第二次追肥期。从图2可看出,追肥对各小区的氮磷流失有一定的影响,尤其是在施肥后降雨,会造成大量的化肥养分来不及被植物吸收而随着降雨径流流失。比较各个试验小区可知,单独植物篱措施对截留磷效果不显著,但能有效地降低氮流失;平衡施肥与植物篱相结合的截留氮磷效果最佳,间作黄豆也能减少氮磷流失,但垄作对减少氮磷流失更加有效。由以上分析可知,作物的生育期和降雨量、降雨强度都是影响坡耕地养分流失的重要因素。同时由图3可看出,对照小区T5在玉米成熟期的氮流失量是29.62×10-2kg/hm2,占玉米生育期氮流失总量的59.5%,这说明在没有任何植物篱和农艺措施的情况下,玉米成熟期是氮流失的高峰期,而经过这些措施之后,玉米成熟期的氮流失量平均为3.39×10-2kg/hm2,仅为对照小区的11.45%。3玉米地下水、土、肥、流失量的变化规律植物篱能够有效控制水土和土壤氮磷养分的流失。在坡耕地上等高种植紫穗槐植物篱,能够有效减少31.3%的地表径流和53.9%的土壤侵蚀量发生,植物篱小区的氮、磷流失量分别是对照的27.0%和73.1%。平衡施肥能促进植物对土壤中各种养分的均衡吸收,增加作物对地表的覆盖,防止水土流失,对阻滞径流对养分的迁移起到明显的效果。玉米黄豆间作也能够削弱土壤养分的迁移。植物篱与平衡施肥、间作和垄作等农艺措施相结合,能有效削弱坡耕地的水、土、肥流失,减少氮、磷素流失分别为31.22×10-2~40.05×10-2kg/hm2和0.03×10-2~1.04×10-2kg/hm2。同时,作物生育期