李婷婷, 韦彩会, 董文斌, 俞月凤, 唐红琴, 李忠义, 何铁光

(1.广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所, 南 宁 530007; 2.广西大学, 南 宁 530004)

坡地果园经济效益显著，而坡面养分流失极易导致地力衰退及面源污染，控制坡地果园养分流失刻不容缓。养分流失的主要载体是地表径流和径流中携带的泥沙，影响因素包括降雨[1]、植被[2]、地形地貌[3]、施肥方式[4]及土地利用方式等[5]，其中植物与坡度对坡面养分流失是非常重要的因素。果园生草可提高地表覆盖度，有效增强表层土壤抗蚀能力，减少土壤养分流失[6]。生草类型和生草方式可影响坡地果园养分流失状况，如李太魁等[7]研究认为果园套种三叶草(Triffoliumrepens)能使地表径流总氮和总磷分别减少30.5%和52.8%，控制效果最好，其次是黑麦草(Loliumperenne.)，最后是苕子(Viciavillosa)；高小叶等[8]对比了桃园套种白三叶(Trifoliumrepens)和菊苣(Medicagosativa)草地降低总氮、总磷的径流流失量效果，发现白三叶优于菊苣草地。李发林等[9]研究发现生草栽培方式中人工生草方式优于自然生草，可显著减少坡地果园水土及养分流失。多数植物之间的对比集中在同一坡度，而忽视了坡面养分流失状况也会因坡度不同存在差异。坡度影响雨滴溅蚀土壤的角度和坡面承受的雨量，从而影响坡面养分迁移量。张佳崎等[10]研究发现人工模拟降雨下片麻岩山坡地土壤坡面氮素流失量和流失浓度为5°<15°<25°>30°，临界坡度为25°，刘俏等[11]研究发现氮磷流失临界坡度为10.22 ～18.55°。霍洪江等[12]研究认为坡度不影响三峡库区紫色土坡耕地径流中氮的质量浓度，但显著影响氮素流失通量，累积氮素流失量为18°>10°>7°。而邬燕虹等[13]研究发现产流初期坡面总氮流失浓度随着坡度升高而增大，产流后期则趋于稳定，坡面径流的总氮流失量随着坡度升高而增大。

桂东北果园多开垦于坡度为10°～50°的山区，常年清耕，地表裸露，加上施肥量大，极易导致该区域养分流失，造成地力退化、水体污染。虽然关于生草栽培和坡度对果园养分流失的影响已有大量研究，但之前的研究者较少考虑两者相对贡献及综合作用，同时大多数研究较少考虑经区域自然界优胜劣汰法则筛选出的自然草种[14]的氮磷流失规律及与外源草种的养分固持能力对比。因此，本研究选用外源草种雀稗和自然汰选草种白花藿香蓟，以清耕为对照，基于野外自然降雨条件下不同坡度各处理产生坡面养分流失数据，研究了2种生草栽培控制养分流失的效果，剖析生草栽培和坡度对坡面养分流失的作用，以期为桂东北坡地果园养分流失控制和维护土壤质量提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在广西壮族自治区桂林市阳朔县白沙镇石塘村金龟洞屯张家果园(24°50′3.44″E，110°28′59.33″N)。阳朔县处亚热带季风气候，日照为1 465 h，年均气温为19 ℃，年均降雨量为1 640 mm。长期果园种植导致原生植物遭到破坏，果园除果树外，其余地表多为裸露状态。果园土壤母质是砂页岩，土壤pH为4.2。不同坡度试验区土壤化学性质见表1。

表1 各坡度金桔果园土壤基本化学性质

从2018年6月至11月，试验区共产生44次降雨，降雨量共827.58 mm。其中有8次降雨形成地表径流，占测定时期总降雨次数的18.18%，8场降雨量分别为87.14 mm，44.86 mm，43.87 mm，129.78 mm，54.31 mm，62.63 mm，66.43 mm，68.09 mm。

1.2 试验设计

供试金桔果树为2001年定植实生苗，南北行向，东西距向，株行间距3.00 m×2.50 m，冠幅3.00 m左右，树高3.50 m左右。根据SL419—2007《水土保持试验规程》建设径流小区的要求及当地果园实况，径流场于2017年6月30日顺坡而建，南向，水平投影面积为20.00 m(长)×3.00 m(宽)，径流场两侧边建于金桔树行间距(3.00 m)的1.50 m处，径流场小区采用防水ASA合成树脂瓦作为边界，插入土壤深25±5 cm固定，地上露出25±5 cm。将慧云智能种植监控系统安装在径流场附近的空旷处记录降雨过程和降雨量。试验设计为随机区组设计，坡度范围为0～15°，15°～30°，30°～45°，实际山体坡度分别对应为12°，23°和42°。每个坡度设3种处理：雀稗、白花藿香蓟、清耕(对照)。同样的坡度(即同一个处理)进行3次重复，每个坡度有9个径流场小区，同一个坡度的径流场并排分布在一起，共计27个径流场小区。清耕即试验过程中采用人工锄草的办法，以保持地面无草。阳朔金桔园每年11月至翌年3月采取盖膜方式保果，雀稗和白花藿香蓟于2018年3月在径流小区内人工撒播，撒播量为30.00 kg/hm2。施肥管理方法为在每棵金桔树滴水线开沟(深度为25±5 cm)施肥，施肥后覆土，共计3次，第1次为2018年5月份施入1.00 kg复合肥(氮：五氧化二磷：氧化钾配比为15∶15∶15)和20.00 kg农家肥(果农自购牛粪进行堆沤处理所得)；第2次为2018年7月份施入0.50 kg复合肥(配比同上)；第3次为2018年10月份施入0.50 kg复合肥(配比同上)。2018年6月开始观测，试验监测时间为6月至11月。

1.3 指标测定与数据处理

试验过程中，每日降雨量观测时间段为当日08：00 am至次日08：00 am，24 h内发生的所有降雨合并为1场降雨量。次日上午08：00测量不同处理径流小区集流池中水面所在刻度值，根据集流池面积计算径流量，之后用木棍将集流池中的泥水搅拌，使泥和水充分混合均匀后，用600 ml塑料瓶取样。每次取样后，将集流池用清水清洗干净。所取得的径流样品在24 h内测定总氮、总磷、氨氮、硝态氮含量。径流水样总氮总磷是指水中可溶性及悬浮颗粒中的含氮量和含磷量，总氮含量采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度计方法测定；氨氮含量采用钠式试剂法测定；硝态氮含量采用紫外分光光度计方法测定。土壤(0—20 cm表土)采用6点法于2018年11月15日取样，即径流场上部2点，中部2点，下部2点，然后将土壤混合。土壤pH采用pH计测定(土水比为1∶2.5)，土壤化学指标的测定参考刘光崧等的方法[15].

结合本研究实际情况，通过对程琴娟等[16]和曹梓豪等[17]针对相对作用大小的计算方法的借鉴和改进，计算不同生草栽培和坡度对总氮流失量和总磷流失量的相对贡献指数。以最小坡度(12°)作为基准，计算任意坡度X°(23°，42°)下各因素引起的地表径流总氮流失量增量和总磷流失量增量，取绝对值，计算公式为：

N=Q(X°)-Q(12°)
C=G(X°)-Q(X°)
Z=N+C;n=N/Z;c=C/Z

式中:N为坡地引起的总氮流失量变化量;Q为清耕总氮流失量;C为由生草引起的坡面总氮流失量变化量;G为生草栽培总氮流失量;Z为所有总氮流失量变化量;n为坡度对地表径流总氮流失量影响的相对贡献指数;c为生草对地表径流总氮流失量影响的相对贡献指数。按照此理可计算出生草栽培和坡度对坡面总磷流失量影响的相对贡献指数。

采用IBM SPSS 21.0进行数据统计分析，用平均值和标准差表示测定结果，分别对同一坡度不同生草栽培处理进行单因素方差分析，并用Duncan法对各测定数据进行多重比较；GraphPad Prism 7.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同坡度生草栽培的氮磷流失状况

由表2可知，随着坡度升高，同一处理的总氮、总磷、氨氮和硝态氮平均含量逐渐升高。同一坡度下，不同生草栽培对地表径流中氮磷含量的影响不同，总体而言，间种雀稗后果园径流液中氮磷平均含量最高，其次为白花藿香蓟、清耕。当坡度为12°时，与清耕相比，雀稗处理的总氮、总磷、氨氮和硝态氮平均含量分别提高了92.52%，199.33%，36.06%，2.52%，白花藿香蓟处理的分别提高了26.30%，36.00%，5.52%，17.69%；当坡度为23°时，与清耕相比，间种雀稗后果园径流液中总氮、总磷、氨氮和硝态氮平均含量分别提高了31.74%，141.30%，49.21%，36.54%，而白花藿香蓟处理与清耕相比分别提高了17.85%，90.63%，34.35%，19.55%；当坡度升高到42°时，雀稗处理与清耕相比，总氮、总磷、氨氮和硝态氮平均含量分别增加了51.16%，100.10%，28.55%，27.18%；白花藿香蓟处理与清耕相比，分别增加了35.93%，75.00%，14.48%，14.63%。

表2 不同坡度生草栽培的地表径流氮磷含量

同一坡度下，不同生草处理的氮磷流失量存在差异，但总体趋势表现为清耕>白花藿香蓟>雀稗(表3)。当坡度为12°时，与清耕相比，雀稗的总氮、总磷、氨氮及硝态氮流失量分别减少了4.61%，26.49%，48.03%，96.46%，而白花藿香蓟的分别减少了11.27%，10.09%，33.19%，19.41%；当坡度为23°时，间种雀稗后地表径流中总氮、总磷、氨氮及硝态氮流失量分别比清耕的减少了24.55%，15.30%，9.97%，20.17%，而白花藿香蓟处理与清耕相比减少了16.17%，10.09%，1.90%，14.52%；当坡度为42°时，相对于清耕而言，雀稗处理的总氮、总磷、氨氮及硝态氮流失量分别减少了14.54%，15.48%，16.21%，17.46%，白花藿香蓟处理的分别减少了9.15%，13.16%，11.82%，11.67%。

表3 不同坡度生草栽培的氮磷流失量

2.2 坡度与生草栽培对总氮总磷流失量的相对贡献

由表4可知，坡度、生草栽培及两者之间的交互作用对地表径流总氮和总磷流失量均有极显著的影响(p<0.001)。由图1，图2可知，雀稗和白花藿香蓟对地表径流总氮和总磷流失量的相对贡献指数随着坡度升高呈现逐渐下降的趋势，而坡度的相对贡献指数呈逐渐上升趋势。以23°为界限，当坡度<23°时，雀稗和白花藿香蓟对地表径流总氮和总磷流失量的贡献下降明显，坡度对地表径流总氮和总磷流失量的贡献明显增加；当坡度>23°后，生草和坡度对地表径流总氮总磷流失量的贡献变化幅度减小。当坡度为23°时，雀稗对地表径流总氮总磷流失量的相对贡献指数分别为0.24,0.17，而白花藿香蓟对地表径流总氮和总磷流失量的相对贡献指数分别为0.19,0.13；当坡度为42°时，雀稗对地表径流总氮和总磷流失量的相对贡献指数分别为0.14,0.15，而白花藿香蓟对地表径流总氮和总磷流失量的相对贡献指数分别为0.10,0.13，说明在同样的坡度下，雀稗对地表径流总氮和总磷流失量的影响大于白花藿香蓟。

表4 坡度与生草栽培对总氮总磷流失量影响的双因素方差分析

图1 雀稗与坡度对总氮总磷流失量的贡献

图2 白花藿香蓟与坡度对总氮总磷流失量的贡献

2.3 不同坡度生草栽培的土壤氮磷含量

不同坡度下各试验小区的土壤氮磷含量见表5。总体而言，随着坡度升高，同一生草处理的土壤氮磷含量逐渐下降。当坡度为12°时，雀稗处理的土壤水解性氮显著低于清耕处理，而雀稗处理的全磷和有效磷显著高于清耕和白花藿香蓟；当坡度为23°及42°时，雀稗处理的全氮和水解性氮显著低于清耕处理和白花藿香蓟处理，而雀稗处理的全磷、有效磷显著高于清耕处理。

表5 果园生草栽培后土壤氮磷质量分数

3 讨 论

降雨使土壤养分随地表径流、侵蚀泥沙迁移或随下渗水向土壤深层迁移，而雨水的冲蚀是导致地表径流中大多数氮磷流失的直接原因[18]。本研究结果表明，同一生草栽培，养分流失量随坡度升高而增大，而土壤的肥力则呈下降趋势。原因是坡度改变了土壤表层单位面积实受雨强，影响土壤入渗能力及坡面水流特性[19]，而径流速度的变化导致坡面表土颗粒起动、侵蚀方式和径流携沙能力不同，最终使坡面养分流失产生差异。本研究中，当坡度由12°升高到42°时，清耕处理地表径流总氮总磷平均含量分别增加了96.50%及110.64%，原因可能是因坡度产生的径流流速变大，剧烈冲刷表土，较易发生面蚀，甚至细沟侵蚀，导致表层土壤剥落，下层土壤溶质被不断浸提进入径流中。

本研究中，同一坡度下，与对照相比，雀稗和白花藿香蓟处理的地表径流总量分别降低33.1%～50.34%和21.9%～30.1%，说明生草栽培后土壤的保水能力增强，与李太魁等[7]的研究结果一致。原因是生草栽培增加了土壤覆盖度，降低雨滴直接溅蚀地表的动能，使产生的地表水快速下渗到土壤深层，消减了地表径流的流失。而清耕处理地表裸露，降雨击溅地表产生的泥沙迅速堵塞土层的自然孔隙，导致降水难以入渗到土层。本研究中硝态氮流失量小于氨氮流失量，与刘宗岸[20]研究结果不一致，原因可能是虽然硝态氮是旱地土壤氮素的主要形态，且极易溶于水，但是硝态氮容易通过淋溶途径流失，而非地表径流。本研究对不同生草栽培的坡面氮磷流失分析表明，整体而言，同一坡度下，地表径流总氮、总磷、氨氮及硝态氮平均含量为雀稗>白花藿香蓟>清耕，与其他研究[21]表明果园生草后可降低地表径流中的氮磷含量的结果不一致，原因可能是雀稗和白花藿香蓟地表产流量明显小于清耕，当流失量(即容积)变小，养分浓度升高。本研究中生草栽培后的地表径流氮磷含量高于清耕处理，但相对于清耕，雀稗和白花藿香蓟处理的氮磷流失量低于清耕处理，与张亚丽等[22]认为，草被具有“双重作用”的研究结果一致，生草栽培使径流浓度高于清耕处理浓度，但生草又具有固土缓流、减少水土流失作用，从而减少养分流失。在双重效应共同作用下，随草被覆盖度增大，氮素流失浓度增大，而流失量则呈减小趋势。本研究中雀稗茎秆触地生根，茎叶繁茂，而白花藿香蓟单株生长，且成熟期的白花藿香蓟茎秆挺立，叶片较雀稗稀疏，草被覆盖度的差异导致雀稗处理的氮磷平均含量最高，而流失量最小。坡度、生草栽培及两者的交互作用对地表径流总氮与总磷流失量均有极显著的影响。雀稗、白花藿香蓟对总氮与总磷流失量的相对贡献指数随着坡度升高而减小，而坡度的贡献指数则呈增大趋势，说明随着坡度升高，生草栽培对地表径流氮磷流失量的抑制作用减弱，而坡度对地表径流氮磷流失量的促进作用则增强。当坡度<23°时，雀稗和白花藿香蓟对总氮与总磷流失量的作用大于坡度，主要原因可能是当坡度<25°时，采取植物措施可减少水土流失[23]，从而减少养分流失量。当坡度>23°时，坡度对总氮和总磷流失量的贡献作用大于生草栽培，中央[1998]15号文件和中国《水土保持法》第14条明确指出25°以上陡坡地应该退耕还林，表明当坡度>25°后，土壤退化严重，本研究结果也表明当坡度>23°时，坡度的增加容易加剧养分流失。而雀稗对总氮和总磷流失量的相对贡献指数始终高于白花藿香蓟，说明雀稗控制地表径流氮磷流失的效果优于白花藿香蓟。

本研究中，随着坡度升高，同一生草栽培处理的土壤养分含量下降。生草栽培后的土壤全氮及速效氮低于清耕处理可能是另一个原因——生草抢肥。生草栽培使土壤中的矿质养分含量发生改变主要是因为可实现土壤水温调节、理化性质的改变的生草根系和植株在土壤中的积累和降解[24]。但是生草年限会影响土壤中矿质元素含量[25]，有研究表明，生草在初期(1～3 a)会与果树发生争夺矿质养分，造成土壤主要矿质养分含量下降的现象[26]。而在长期(4～7 a)生草后，大部分土壤速效养分会恢复，甚至显著提升。本研究中的生草栽培属于当年生草，植物生长需要来自表层土壤的养分直接供给，从而使较多表层土壤的养分受到消耗[27]，且生长繁茂的雀稗消耗的土壤养分大于其他处理，尤其是土壤氮素。本试验对于不同坡度金桔园生草栽培的研究，目前还处于生草初期阶段，探讨多年生草对桂东北坡地果园养分流失及土壤的影响，将是下一步的研究重点。

4 结 论

(1) 随着坡度升高，同一生草栽培的地表径流中总氮、总磷、氨氮及硝态氮平均含量增加，土壤养分含量下降。同一坡度时，金桔园地表径流总氮、总磷、氨氮及硝态氮平均含量呈现雀稗处理>白花藿香蓟处理>清耕，而间种雀稗后金桔园地表径流总氮、总磷、氨氮及硝态氮流失量低于白花藿香蓟处理和清耕，雀稗控制养分流失的效果优于白花藿香蓟。

(2) 生草栽培、坡度及两者的交互作用对总氮和总磷流失量均有极显著的影响(p<0.001)，生草栽培对地表径流氮磷流失量的抑制作用随着坡度升高而减弱，而坡度对地表径流氮磷流失量的促进作用则增强。雀稗对总氮和总磷流失量降低的相对贡献指数高于白花藿香蓟。