丹江口水庫水源涵養(yǎng)地坡耕地水土保持和氮磷養(yǎng)分流失的治理措施

丹江口水庫水源涵養(yǎng)地坡耕地水土保持和氮磷養(yǎng)分流失的治理措施

在降雨直徑流的條件下，傾斜農(nóng)用地的土壤受到嚴(yán)重侵蝕，不僅土壤生產(chǎn)力降低，氮、磷等養(yǎng)分損失，隨地表直徑從耕地流入各種水體，對地表水和地下水構(gòu)成壓力，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等問題。全球70%的國家和地區(qū)受到水土流失的危害,據(jù)第二次全國土壤普查,我國耕地水土流失面積共有4.54×107hm2,是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一,且主要分布在坡耕地上。我國坡耕地面積4.65×107hm2,占耕地總面積的35.09%,坡耕地水土流失帶來的污染已不容忽視。十堰市作為南水北調(diào)中線工程水源區(qū),水域面積占丹江口水庫水域總面積的60%,該區(qū)域的水土流失情況直接關(guān)系著丹江口水庫的水質(zhì)安全。全國第二次遙感調(diào)查成果顯示:十堰市現(xiàn)有水土流失面積11905.12km2,已占到土地總面積的50.26%,水土流失形勢嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì),十堰市化肥利用率僅有30%~40%,其余60%~70%化肥進(jìn)入環(huán)境,經(jīng)地表徑流或地下水直接進(jìn)入湖庫。本文在十堰市開展不同農(nóng)藝措施對坡耕地水土和養(yǎng)分流失影響的研究,研究結(jié)果對保障丹江口水庫水質(zhì)和南水北調(diào)中線工程長期效益都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1一般試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法1.1月降雨分析試驗(yàn)區(qū)設(shè)在十堰市茅箭區(qū)茅塔鄉(xiāng)廖家村二組,地處東經(jīng)109°11′-111°16′,北緯31°30′-33°16′之間的鄂西北山區(qū),漢江中上游,是南水北調(diào)中線工程主要水源區(qū)。該地區(qū)多年平均降雨量800mm以上,暴雨洪水發(fā)生在4-10月,降雨量占全年83.6%,6-8月雨量充沛,暴雨強(qiáng)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%。該區(qū)域多由變質(zhì)巖和石灰?guī)r構(gòu)成,地形起伏、地貌復(fù)雜、巖層古老、易于風(fēng)化、土壤疏松、抗蝕力小,一遇到大暴雨,水土就會大量流失。試驗(yàn)小區(qū)選在山坡中下部,坡地上方是山林和樹木,下方是茅塔河。十堰市坡耕地占耕地總面積的49.9%,供試坡耕地在十堰市小流域中具有代表性。試驗(yàn)區(qū)坡耕地土壤pH值為5.7~7.1,堿解氮含量為68.31~81.96mg/kg,速效磷含量為6.12~18.27mg/kg,速效鉀含量為51.92~94.89mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量為14.94~18.95mg/kg。1.2紫穗槐的種植及施肥試驗(yàn)設(shè)有5個徑流處理小區(qū),編號分別為T1、T2、T3、T4、T5,每小區(qū)長22m,寬6m,面積132m2,坡度5.7°,坡向西南,小區(qū)間用磚和水泥砌成高度50cm的隔墻,每個小區(qū)下端設(shè)置大小為50cm×50cm×50cm集水井,收集地表徑流和侵蝕泥沙。2007年12月在處理小區(qū)T1、T2、T3、T4下方沿等高線各種植1行紫穗槐植物籬。紫穗槐株距80cm,占地面寬度約為30cm。植物籬上方種植夏玉米(2008年5月至11月)。試驗(yàn)于2008年5月整地,6月播種,各小區(qū)的試驗(yàn)設(shè)置為:小區(qū)T1~T4采用植物籬和農(nóng)藝措施相結(jié)合的模式,除了小區(qū)下方種植植物籬之外,小區(qū)T1種植玉米,平衡施肥;小區(qū)T2種植玉米間作黃豆,并進(jìn)行壟作,普通施肥;T3種植玉米間作黃豆,普通施肥;T4種植玉米,普通施肥;T5作為對照小區(qū),種植玉米,普通施肥,無植物籬。普通施肥是指小區(qū)T1~T5每小區(qū)基施8.92kg尿素,15.68kg碳銨,12.95kg過磷酸鈣。平衡施肥為在普通施肥基礎(chǔ)上,每小區(qū)增施4.95kg氯化鉀,0.30kg硫酸鋅。小區(qū)T1~T5種植玉米株數(shù)保持一致,每小區(qū)約630株。小區(qū)T1、T4、T5單獨(dú)種植玉米,行距0.6m,株距0.3m;小區(qū)T2、T3間作黃豆,玉米行距0.4m,株距0.2m,黃豆行距0.4m,株距0.1m。播種時(shí)先施入基肥,在玉米生長的拔節(jié)期和喇叭期,分別對其進(jìn)行追肥。拔節(jié)期,小區(qū)T1~T5各追施5.62kg尿素,15.68kg碳銨;喇叭期,小區(qū)T1~T5各追施2.04kg尿素。1.3土壤理化性質(zhì)測定播種前和收割后,按5點(diǎn)梅花形法采集各小區(qū)0-20cm土樣。土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,速效磷采用0.5mol/LNaHCO3浸提鉬銻抗比色法,速效鉀采用1mol/L中性NaOAc浸提火焰光度計(jì)法,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定。1.4土壤侵蝕量測定每次降雨結(jié)束后,記錄降雨歷時(shí)和降雨量,測定每個小區(qū)集水井內(nèi)徑流量,并取混合水樣1L,帶回實(shí)驗(yàn)室過濾、烘干、稱重,測定水樣中的土壤侵蝕量;根據(jù)水樣中的侵蝕量和小區(qū)總徑流量,換算出每次降雨產(chǎn)流后各小區(qū)的土壤總侵蝕量。1.5試劑和光度法每次降雨后收集集水井內(nèi)地表徑流樣,采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定地表徑流水樣。其中pH采用pH計(jì)測定;SS采用烘干恒重法;CODMn采用高錳酸鉀氧化法;TN采用高錳酸鉀氧化法;NH+4-N采用納氏試劑光度法;NO-3-N采用酚二磺酸光度法;TP采用鉬銻抗分光光度法;DP采用鉬銻抗分光光度法。將每次降雨產(chǎn)生的地表徑流中養(yǎng)分含量乘以每次的產(chǎn)流量,可得各試驗(yàn)小區(qū)養(yǎng)分流失總量。1.6土壤有機(jī)碳處理對小區(qū)土壤養(yǎng)分的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,對小區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行t檢驗(yàn),利用LSD法對不同處理在不同降雨量下的徑流量、侵蝕量和氮磷流失量進(jìn)行多重比較。2結(jié)果與分析2.1試驗(yàn)期間的降水玉米和黃豆生長期為2008年6月至10月,對玉米和黃豆播種之后的每次降雨收集情況見表1。2.2不同植被對土壤侵蝕量的影響徑流是導(dǎo)致泥沙輸移和養(yǎng)分流失的原動力。表2為供試坡耕地產(chǎn)流量和泥沙侵蝕量,由表2可知,不同小區(qū)因降雨產(chǎn)生的地表徑流量和侵蝕量差異較大,徑流量大小順序?yàn)?T1<T4<T3<T2<T5。方差分析及多重比較表明,小區(qū)T1、T3、T4的徑流量和對照小區(qū)T5的差異顯著(P<0.05)。小區(qū)T1~T4的徑流量分別比T5減少了55.5%,9.17%,27.8%,32.8%;侵蝕量大小順序?yàn)?T1<T2<T4<T3<T5,T1~T4的侵蝕量分別是T5的32.8%,42.6%,59.2%,49.9%,說明紫穗槐植物籬能有效涵養(yǎng)水分、保持水土,同時(shí)T1的徑流量和侵蝕量分別是T2的66.11%和65.75%,即平衡施肥可以減少坡地徑流產(chǎn)生和泥沙侵蝕,這可能是因?yàn)槠胶馐┓蚀龠M(jìn)了作物的生長,從而提高了作物對徑流的攔蓄作用和抗蝕力。本試驗(yàn)的結(jié)果表明,坡耕地平衡施肥對徑流和泥沙攔截率分別達(dá)到33.89%和34.25%,控制水土流失效果顯著。壟作和間作則有一定的效果,有研究表明,坡地玉米和豆科作物間作,地面覆蓋顯著增加,從而可以減少45%的水土流失。但因?yàn)辄S豆的植株矮小,且覆蓋率不及玉米,其防止雨滴濺蝕的效果反而不及單種玉米的小區(qū)。2.3地表徑流的養(yǎng)分損失特征徑流中養(yǎng)分含量取決于徑流沖擊土壤程度、徑流量及土壤中可溶性養(yǎng)分含量等因素。本研究集中對試驗(yàn)小區(qū)氮磷養(yǎng)分流失情況進(jìn)行監(jiān)測。2.3.1氮、磷流失量由表3、表4可知,在玉米和黃豆生長期不同時(shí)期降雨過程中,各小區(qū)之間降雨徑流帶走的水溶性氮、磷流失量差異顯著。比較后發(fā)現(xiàn),11次降雨過程中植物籬小區(qū)T4的氮、磷流失量基本上都低于對照小區(qū)T5,這說明紫穗槐植物籬的存在,能夠更好地保持土壤氮、磷養(yǎng)分,提高土壤的肥料利用率。林超文等研究表明,紫穗槐植物籬能夠顯著提高坡面上部的氮素含量,提高土壤磷含量達(dá)44.1%,同時(shí)試驗(yàn)小區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量比對照增加了19%,說明豆科植物籬培肥地力的效果顯著。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),采取平衡施肥小區(qū)T1的氮磷流失量和T4相比沒有明顯的差異,如小區(qū)T1的氮、磷流失量分別為12.17×10-2kg/hm2和1.12×10-2kg/hm2;小區(qū)T4的氮、磷流失量分別為9.69×10-2kg/hm2和1.35×10-2kg/hm2。這可能是受了土壤背景中氮含量差異的影響。由圖1可以看出,小區(qū)T1初始土壤養(yǎng)分含量均高于T4。在多數(shù)降雨過程中,玉米和黃豆間作小區(qū)T2的氮磷流失量低于間作和壟作結(jié)合的小區(qū)T3。由圖1可知,小區(qū)T2土壤背景中氮磷鉀含量與小區(qū)T3相差不大,這說明黃豆和玉米壟作的措施較黃豆和玉米間作的措施更能降低土壤氮、磷流失量。小區(qū)T3與T4相比,T3的氮磷流失量大多數(shù)情況下都高于小區(qū)T4,可能的原因是土壤背景中小區(qū)T3的養(yǎng)分含量高于T4,并且黃豆在和玉米間作的過程中,黃豆的植株矮小,且覆蓋率不及玉米,對雨滴濺蝕的緩沖力不如玉米,植株對氮、磷的吸收較玉米弱。因此,小區(qū)T3在降雨中被徑流帶走的氮磷含量稍高。綜合分析表明,降雨過程中,處理小區(qū)的氮、磷流失量都低于對照小區(qū)。進(jìn)一步分析可知,T5中氮流失量與降雨量有顯著相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R為0.923,回歸方程為y=0.1478x-2.1941,相反,植物籬和農(nóng)藝措施處理T1~T4卻與降雨量沒有相關(guān)性,說明植物籬和農(nóng)藝措施作用下,氮流失量和降雨量之間的相關(guān)關(guān)系被打亂,從而說明這些措施對氮的流失產(chǎn)生了積極的影響。同時(shí),單純的植物籬措施和施肥措施(T1、T4)對氮、磷的截留效果要優(yōu)于黃豆和玉米間作、壟作和植物籬相結(jié)合的處理措施(T2、T3),但差異不顯著。這可能是因?yàn)橥寥辣尘爸蠺1和T4的氮、磷含量稍低,也可能是因?yàn)辄S豆在和玉米間作的過程中,黃豆的植株矮小,且覆蓋率不及玉米,植株對磷的吸收也不及玉米。綜合比較植物籬和農(nóng)藝措施處理小區(qū)T1~T4和對照小區(qū)T5對土壤中氮磷的截留效果可知(圖2),降雨過程中,處理小區(qū)的氮磷流失量多數(shù)都低于對照小區(qū),在玉米和黃豆生長期間,對照小區(qū)的總氮和總磷流失量分別為49.74×10-2kg/hm2和2.16×10-2kg/hm2,處理小區(qū)的總氮和總磷流失量分別為13.44×10-2kg/hm2和1.58×10-2kg/hm2,分別是對照的27.0%和73.1%,說明植物籬和農(nóng)藝措施相結(jié)合的綜合處理措施,能夠很好地固定土壤氮、磷,提高肥料利用率,減少養(yǎng)分流失,對土壤的保肥效果明顯。2.3.2不同措施對坡耕地土壤養(yǎng)分流失的影響隨著作物的生長,土壤氮磷流失量也隨之變化(圖3)。在玉米各生育期中,試驗(yàn)小區(qū)土壤中氮隨地表徑流而流失的總量順序?yàn)槌樾燮?gt;拔節(jié)期>成熟期,土壤中磷隨地表徑流而流失的總量順序?yàn)榘喂?jié)期>抽雄期>成熟期,即隨著作物的生長,磷流失越來越少。8月中旬玉米進(jìn)入成熟期,覆蓋度高,雖然降雨充沛、降雨時(shí)間長,但由于每次降雨強(qiáng)度小,降雨帶走的氮磷流失較少。拔節(jié)期的磷流失量最高,原因一是雖然降雨量較抽雄期小,但降雨時(shí)間短,雨強(qiáng)大,形成的地表徑流大,二是剛播種,植株矮小,覆蓋率低。因此,土壤中磷的流失主要取決于植株的覆蓋率和降雨強(qiáng)度。雖然對照小區(qū)拔節(jié)期的氮流失總量低于抽雄期,主要是因?yàn)樽肥┑屎蟮?天降雨徑流帶走大量還未被作物吸收的養(yǎng)分。而T3、T4拔節(jié)期的氮流失卻較抽雄期高,說明植物籬措施加上玉米和黃豆壟作能夠削弱氮的流失。由表1可知,降雨量為23.2mm,26.7mm和18.5mm時(shí),即播種后1d,32d,63d分別為玉米和黃豆播種、第一次追肥和第二次追肥期。從圖2可看出,追肥對各小區(qū)的氮磷流失有一定的影響,尤其是在施肥后降雨,會造成大量的化肥養(yǎng)分來不及被植物吸收而隨著降雨徑流流失。比較各個試驗(yàn)小區(qū)可知,單獨(dú)植物籬措施對截留磷效果不顯著,但能有效地降低氮流失;平衡施肥與植物籬相結(jié)合的截留氮磷效果最佳,間作黃豆也能減少氮磷流失,但壟作對減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、降雨強(qiáng)度都是影響坡耕地養(yǎng)分流失的重要因素。同時(shí)由圖3可看出,對照小區(qū)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總量的59.5%,這說明在沒有任何植物籬和農(nóng)藝措施的情況下,玉米成熟期是氮流失的高峰期,而經(jīng)過這些措施之后,玉米成熟期的氮流失量平均為3.39×10-2kg/hm2,僅為對照小區(qū)的11.45%。3玉米地下水、土、肥、流失量的變化規(guī)律植物籬能夠有效控制水土和土壤氮磷養(yǎng)分的流失。在坡耕地上等高種植紫穗槐植物籬,能夠有效減少31.3%的地表徑流和53.9%的土壤侵蝕量發(fā)生,植物籬小區(qū)的氮、磷流失量分別是對照的27.0%和73.1%。平衡施肥能促進(jìn)植物對土壤中各種養(yǎng)分的均衡吸收,增加作物對地表的覆蓋,防止水土流失,對阻滯徑流對養(yǎng)分的遷移起到明顯的效果。玉米黃豆間作也能夠削弱土壤養(yǎng)分的遷移。植物籬與平衡施肥、間作和壟作等農(nóng)藝措施相結(jié)合,能有效削弱坡耕地的水、土、肥流失,減少氮、磷素流失分別為31.22×10-2~40.05×10-2kg/hm2和0.03×10-2~1.04×10-2kg/hm2。同時(shí),作物生育期