不同耕作方式對作物養(yǎng)分利用率及地表徑流的影響

肥料是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要手段之一。增加化肥投資已成為提高耕地生產(chǎn)力的主要途徑之一。近30年來,單位耕地的化肥用量迅猛增長,但化肥養(yǎng)分報酬逐漸遞減,大量的養(yǎng)分以不同方式進入環(huán)境。地表徑流是耕地養(yǎng)分流失的重要途徑之一,徑流水攜帶的N、P是造成水體富營養(yǎng)化重要來源。Parry的研究,湖泊、河流富營養(yǎng)化的養(yǎng)分分別有50%、60%來源于農(nóng)田徑流水。Sharpley等認為,當季磷肥的流失量通常不超過5%,但對水體富營養(yǎng)化具有關(guān)鍵的作用。紅壤是我國亞熱帶地區(qū)重要的土壤資源,且該區(qū)域多為低山丘陵,雨熱資源豐富,加上人類長期不合理利用和集中強降水加劇了該區(qū)域水土流失。水土流失量主要受降雨量、降雨強度、地形、土壤質(zhì)地、土壤肥力狀況、地表植被、肥料用量、耕作方式和人為管理等多種因素影響,由于年際間降雨及時空分布差異明顯,要準確估算區(qū)域土壤侵蝕導(dǎo)致的養(yǎng)分流失量比較困難。國內(nèi)外對旱坡地的研究主要集中在采用人工降雨方法研究不同雨強條件下裸土養(yǎng)分流失的規(guī)律,不同土地利用類型對養(yǎng)分流失的影響以及養(yǎng)分流失的形態(tài)研究,而對于不同土地耕作方式對旱地養(yǎng)分流失的影響研究較少,不同耕作方式與施肥方式相結(jié)合的研究更少。張麗研究了植物籬與不同農(nóng)藝措施相結(jié)合對旱地養(yǎng)分流失影響,結(jié)果表明,紫穗槐植物籬能有效涵養(yǎng)水分、保持水土,同時平衡施肥可以減少坡地徑流產(chǎn)生和泥沙侵蝕,且單純植物籬措施和植物籬與平衡施肥相結(jié)合措施效果優(yōu)于植物籬與壟作相結(jié)合的措施。但重點考慮了植物籬的作用,而對于不同農(nóng)藝措施對養(yǎng)分流失的單獨作用沒有研究。林超文研究了紫色土不同雨強條件下不同耕作方式對養(yǎng)分流失規(guī)律的影響,但采用的是人工降雨,忽略了季節(jié)變化及氣候?qū)ν寥鲤B(yǎng)分流失的影響。本文主要通過田間實地監(jiān)測,研究自然降雨條件下,采取不同施肥水平及不同耕作方式下對作物養(yǎng)分利用率的影響,地表徑流發(fā)生規(guī)律及徑流養(yǎng)分的流失量的影響,為旱作物施肥和坡耕地氮磷流失農(nóng)藝阻控提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1氣候區(qū)地貌及土壤類型監(jiān)測點位于江西省東鄉(xiāng)縣境內(nèi)的江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院贛東北紅壤試驗區(qū),地理位置東經(jīng)116°34′58.3″,北緯28°11′9″,屬亞熱帶濕潤氣候區(qū),年均氣溫17.7℃,年降水量1710.4mm,全年無霜期271d。地形為淺丘緩坡地,監(jiān)測地塊坡度7°。土壤類型為第四季紅色黏土發(fā)育成的紅壤。耕作層土壤基本理化性狀為有機質(zhì)13.25g·kg-1,全氮0.87g·kg-1,硝態(tài)氮1.37mg·kg-1,銨態(tài)氮34mg·kg-1,全磷0.53g·kg-1,有效磷5.4mg·kg-1,有效鉀65.84mg·kg-1,pH4.95。1.2施肥量、療效及花生品種試驗共設(shè)5個處理:不施肥+順坡耕作(CK),常規(guī)施肥+順坡耕作(CA),優(yōu)化施肥+順坡耕作(OA),優(yōu)化施肥+橫坡壟作(OH),優(yōu)化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋(OHB)。各處理3次重復(fù),隨機排列。試驗按照徑流小區(qū)設(shè)計,各徑流小區(qū)用磚混結(jié)構(gòu)田埂分隔,小區(qū)面積24m2(長8m,寬3m),徑流池容積2.2m3(長2m,寬1m,高1.1m)。種植制度為傳統(tǒng)的蘿卜-花生。供試蘿卜品種為信豐白蘿卜,于2007年10月21日播種,條播,播種量10kg·hm-2,行距35cm,播后覆土2~3cm,全部采用平作,于4月23日測定其生物量;蘿卜常規(guī)施肥量N、P2O5、K2O分別為96、18、0kg·hm-2,氮肥75%做基肥、25%做追肥,磷肥全部做基肥;優(yōu)化施肥采用“減氮增鉀”,N、P2O5、K2O分別為69、18、54kg·hm-2,氮肥75%做基肥、25%做追肥,磷肥全部做基肥,鉀肥75%做基肥、25%做追肥。蘿卜于2008年4月23日收獲,次日播種花生。供試花生品種為粵油552,條播,行距45cm,株距15cm,播種量230kg·hm-2,順坡耕作處理采用平作,橫坡壟作處理的壟高10cm,壟寬50cm,壟上種植2行花生;花生常規(guī)施肥量N、P2O5、K2O分別為135、90、135kg·hm-2,氮肥50%做基肥、25%在苗期追施、25%在下針期追施,磷肥全部做基肥,鉀肥基施、苗期和下針期追施分別占施肥量的1/3;優(yōu)化施肥是在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上采取“減氮增磷、增基減追”,N、P2O5、K2O分別為108、97.5、135kg·hm-2,氮肥65%做基肥、15%在苗期追施、20%在下針期追施,磷肥全部基施,鉀肥75%做基肥、25%在下針期追施?；ㄉ?008年9月6日收獲。供試肥料品種分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。1.3徑流水生態(tài)采集降雨量采用標準雨量筒計量,在每次產(chǎn)生降水后的次日上午9:00記錄降雨量并采集降水樣品;徑流水樣在每次產(chǎn)生徑流后的次日上午9:00采集,先用卷尺測量各小區(qū)徑流池中水深并根據(jù)徑流池面積折算徑流量,然后用木棒將徑流池中的水混勻,用塑料勺將徑流水樣裝入干凈的礦泉水瓶中;采集的降水樣和徑流水樣及時放置冰箱中冷凍保存待測。蘿卜收獲后各小區(qū)按5點取樣法采集新鮮植株(含地下直根)混合樣帶回實驗室,將蘿卜切碎、混勻后在50℃的烘箱中鼓風(fēng)烘3~4h,然后置于100℃的烘箱中烘1~2h至恒重;花生收獲后各小區(qū)按5點取樣法采集新鮮植株混合樣帶回實驗室,分果實和秸稈兩部分在105℃烘干3~4h至恒重。經(jīng)烘干后的植株樣品先測定其生物量,然后用高速粉碎機粉碎用于養(yǎng)分測定。1.4分析方法指標水樣測定:總氮(TN)測定前將水樣搖勻,迅速吸取樣品10mL采用堿性過硫酸鉀消煮(120℃,200kPa消煮40min),紫外分光光度法(GB11894—1989)測定;硝態(tài)氮(NO3--N)經(jīng)定性濾紙過濾,采用紫外分光光度法(HJ/T346—2007)測定;銨態(tài)氮(NH4+-N)經(jīng)定性濾紙過濾后采用水楊酸分光光度法(GB7481—1987)測定;總磷(TP)測定前將水樣搖勻,迅速吸取樣品25mL采用過硫酸鉀消煮(120℃,200kPa消煮40min),鉬酸銨分光光度法(GB11893—1989)測定;可溶性總磷(STP)經(jīng)0.45μm濾膜后過硫酸鉀消煮(120℃,200kPa消煮40min),鉬藍比色法測定。植株樣品測定:全氮采用硫酸-雙氧水消煮開氏蒸餾法測定,全磷采用硫酸-雙氧水消煮釩鉬黃比色法測定。1.5計算方法1.5.1徑流水體積累積地表徑流氮、磷流失總量等于整個監(jiān)測周期中各次徑流水中氮、磷濃度與徑流水體積乘積之和。計算公式如下:式中:P為氮、磷流失總量,kg·hm-2;Ci為第i次徑流水中氮、磷濃度,mg·L-1;Vi為第i次徑流水的體積,L·hm-2。1.5.2化肥流失率養(yǎng)分流失系數(shù)以流失率(%)表示。以氮素為例,計算公式如下:氮肥流失率(%)=(施肥處理氮素流失量-對照處理氮素流失量)/肥料氮施用量×100%1.5.3測定指標及方法養(yǎng)分利用率采用差減法計算。以氮素為例,計算方法如下:氮肥利用率(%)=(施肥處理植株氮素吸收量-對照處理植株氮素吸收量)/肥料氮施用量×100%其中:蘿卜植株養(yǎng)分吸收量=蘿卜生物量×蘿卜養(yǎng)分含量花生植株養(yǎng)分吸收量=花生籽粒產(chǎn)量×籽粒養(yǎng)分含量+花生秸稈產(chǎn)量×秸稈養(yǎng)分含量籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、氮素含量等指標均統(tǒng)一以烘干基表示。1.5.4處理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析及圖表采用SPSS16.0和MicrosoftExcel2010處理。2結(jié)果和討論2.1施肥與栽培對作物養(yǎng)分的吸收和利用2.1.1不同施肥方案對蘿卜干物質(zhì)積累、氮素利用率的影響由表1可以看出,各施肥處理與不施肥(CK)相比,蘿卜干物質(zhì)積累量增加330~495kg·hm-2,差異顯著,同時施肥有利于提高蘿卜對氮磷養(yǎng)分的吸收利用,表明紅壤旱坡地施肥是提高蘿卜產(chǎn)量的重要措施。在順坡耕作條件下,優(yōu)化施肥(OA)與常規(guī)施肥(CA)比較,對蘿卜干物質(zhì)積累沒有影響,對磷素吸收量和磷素利用率影響也不顯著,但可顯著提氮素吸收量和氮素利用率,氮素吸收量提高了6.75kg·hm-2、增加15%,氮素利用率提高了15.3個百分點;表明在紅壤坡耕地傳統(tǒng)施肥基礎(chǔ)上適當減少氮肥用量的同時配施適量鉀肥對蘿卜產(chǎn)量沒有負面影響,并能促進蘿卜對氮素吸收利用,降低紅壤旱坡地氮素養(yǎng)分流失風(fēng)險。優(yōu)化施肥與常規(guī)施肥比較,因磷肥用量相同,故對蘿卜磷素吸收利用影響較小,同時由于紅壤對磷的固定能力較強,因而蘿卜磷肥當季利用率較低,只有8%左右,增加了強降雨情況下的流失風(fēng)險。2.1.2優(yōu)化施肥條件由表2可以看出,各施肥處理的花生莢果和秸稈干物質(zhì)積累量均顯著高于對照(CK),莢果產(chǎn)量增加325~795kg·hm-2。在順坡耕作條件下,優(yōu)化施肥(OA)與常規(guī)施肥(CA)比較,花生莢果干物質(zhì)積累量沒有顯著變化;但在優(yōu)化施肥的基礎(chǔ)上橫坡壟作及覆蓋能顯著增加花生莢果干物質(zhì)積累量,減少了秸稈干物質(zhì)積累量,莢果干物質(zhì)積累量增加510~540kg·hm-2,增長18.9%~20.0%。在順坡耕作條件下,OA與CA比較,花生莢果和秸稈氮磷養(yǎng)分的吸收量與干物質(zhì)積累量基本一致,而氮素利用率較常規(guī)施肥提高3.3個百分點,效果顯著;但對磷素養(yǎng)分利用率影響很小,主要是由于優(yōu)化施肥減少了20%氮肥用量和磷肥用量增加較少。因此,紅壤旱坡地花生在順坡種植條件下,減少氮肥用量的同時增加磷肥用量是提高肥料利用率、減少養(yǎng)分流失的有效途徑。在優(yōu)化施肥條件下,橫坡壟作(OH)和橫坡壟作及覆蓋(OHB),較之順坡耕作顯著提高花生氮、磷養(yǎng)分吸收量和利用率,花生莢果氮吸收量分別增加1.45、2.80kg·hm-2,磷吸收量增加1.4kg·hm-2左右;氮素養(yǎng)分利用率分別提高12.1和12.8個百分點,磷素養(yǎng)分利用率提高了1.3個百分點左右。主要是壟作加厚了活土層,有利于根系伸展下扎,提高根系對土壤養(yǎng)分吸收利用,同時增加了碳水化合物的合成與運轉(zhuǎn),使養(yǎng)分更多的用于莢果的形成,增加花生莢果產(chǎn)量。在橫坡壟作基礎(chǔ)上,秸稈覆蓋(OHB)與無覆蓋(OH)相比,花生果實和秸稈產(chǎn)量及氮磷的養(yǎng)分吸收量均沒有明顯差異,這與蘿卜秸稈C/N比較低,易腐爛,對減少養(yǎng)分流失效果不明顯有關(guān)。優(yōu)化施肥或橫坡壟作盡管能提高花生磷素養(yǎng)分利用率,但紅壤旱坡地花生磷素養(yǎng)分利用率很低,磷肥當季利用率僅4%左右。一般情況下,豆科作物具有較強的吸磷能力。本試驗花生的磷素利用率較低,可能與供試土壤有效磷含量較低,加上紅壤對磷的固定能力較強等有關(guān)。2.2施肥與農(nóng)業(yè)對地表徑流的影響2.2.1月降雨時產(chǎn)生徑流時造成的影響分析2008年監(jiān)測點月降雨量和月降雨日數(shù)(圖1),降雨主要集中在3—7月,降雨量最大的月份在6月,全月321mm,月降雨日數(shù)13d,且多以高強度的暴雨形式出現(xiàn),日降雨量多在30mm以上,最大日降雨量為98mm;1—2月盡管月降雨日數(shù)較多,但單次降雨量小,因此不容易產(chǎn)生徑流。在雨季集中的月份,雖然月份之間的降雨日數(shù)變化不大,但月降雨總量差異明顯。短時間的強降水極易產(chǎn)生地表徑流且土壤侵蝕嚴重;當土壤水分飽和時,日降雨量較小時也易產(chǎn)生徑流。2.2.2降水與地表徑流之間的關(guān)系將降水量與對照處理相對應(yīng)的徑流量做相關(guān)分析(如圖2)得出,同時期的徑流量與降雨量呈顯著正相關(guān)(r=0.86)。2.2.3減少地表徑流本次監(jiān)測試驗從花生種植開始采集徑流水,到花生收獲時共采集9次徑流水。各處理徑流總量7.47×105~8.42×105L·hm-2,其中以對照(CK)的徑流總量最大,這與對照處理植被覆蓋度低有關(guān)。植被覆蓋度提高,能減弱降水對地面的直接沖刷作用,而且增加了降水入滲時間,增大雨水的入滲量和蓄積量,從而減少了地表徑流量。施肥與不施肥比較,地表徑流量降低了0.38×105~0.95×105L·hm-2,降低幅度為4.5%~11.3%(表3);優(yōu)化施肥(OA)與常規(guī)施肥(CA)比較,徑流總量基本沒有差異。壟作加厚了活土層,降低了土壤容重,有利于根系下扎和保持水土,防止土壤板結(jié),提高降水入滲能力,同時橫坡壟溝攔截徑流,因此橫坡壟作能顯著降低紅壤旱坡地地表徑流量。橫坡壟作(OH)與順坡耕作(OA)比較,徑流總量降低0.43×105L·hm-2,降低幅度達到5.3%。橫坡壟作+秸稈覆蓋(OHB)與順坡耕作(OA)比較,徑流總量降低0.57×105L·hm-2,降低幅度達到7.1%。在橫坡壟作條件下,秸稈覆蓋可以減輕雨水的擊濺能力,起到一定的緩沖作用,同時也可截留降水,因此覆蓋處理(OHB)與無覆蓋(OH)相比,徑流總量降低0.14×105L·hm-2,降低幅度為1.8%。2.3土壤養(yǎng)分流失隨時間的變化情況見表1由圖3~圖7可以看出,在整個監(jiān)測周期中,對照處理(CK)徑流水氮、磷養(yǎng)分濃度始終低于各施肥處理,表明施肥會增加徑流水中氮磷養(yǎng)分濃度。前期徑流水中各處理(除CK外)養(yǎng)分濃度(除NH4+-N外)差異不大,后期徑流水可溶性養(yǎng)分(NO3--N、NH4+-N和STP)濃度在順坡耕作條件下,優(yōu)化施肥(OA)與常規(guī)施肥(CA)差異較小,但在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上,橫坡壟作(OH和OHB)較順坡耕作(OA)有明顯差異。這可能與前期花生植株較小,覆蓋度低,對養(yǎng)分的吸收較少,壟作對減少養(yǎng)分流失效果不明顯,而后期壟作提高作物對養(yǎng)分的吸收利用率,且作物以吸收可溶性無機養(yǎng)分為主,減少了可溶性養(yǎng)分流失有關(guān)。各處理氮磷養(yǎng)分濃度(除NH4+-N外)隨時間推移都呈急劇降低后迅速增加又急劇下降的趨勢。因為在監(jiān)測前期,降雨首先帶走土壤表層養(yǎng)分較高的細顆粒,隨時間推移,降水開始搬運養(yǎng)分含量較低的大顆粒,又適逢5—6月為降雨集中且以高強度出現(xiàn)時期,養(yǎng)分流失嚴重,所以徑流水養(yǎng)分濃度隨時間變化迅速降低,但在7月下旬徑流水養(yǎng)分濃度都出現(xiàn)最大峰值,氮素濃度增加與后期追施氮肥有關(guān),但磷肥作為基肥一次性施入,后期迅速增加,可能與氮肥施入有關(guān),氮肥可以活化土壤中的閉蓄磷,增加磷素流失風(fēng)險。此外,可能與降水中養(yǎng)分濃度有關(guān),該時期正是南方對耕地進行翻耙以及大量施肥時期,對土壤擾動較大,再加上后期溫度較高,養(yǎng)分隨地表水蒸發(fā)嚴重,增加了降水中養(yǎng)分濃度。因此,我們要注意肥料的適量施用,采取最佳施用方式(如肥料深施等),并注意施肥時的天氣狀況,以減少蒸發(fā)損失。徑流水中NH4+-N濃度自始至終緩慢變化,且初期和末期徑流水濃度相似,這與氮肥的轉(zhuǎn)化有關(guān),尿素施入土壤后迅速轉(zhuǎn)化成NH4+-N,所以初期遇強降水,NH4+-N流失較嚴重,又由于NH4+-N容易被土壤吸附,在徑流水中含量很少,所以末期隨時間變化徑流水中NH4+-N濃度變化較小。2.4優(yōu)化施肥條件下磷素流失形態(tài)變化各處理養(yǎng)分流失總量(如表4)均以對照(CK)最少,這與對照處理土壤養(yǎng)分低且無外源養(yǎng)分輸入有關(guān)。在順坡耕作條件下,優(yōu)化施肥(OA)與常規(guī)施肥(CA)各種養(yǎng)分流失總量均有顯著差異,且與施肥量呈正比,TN流失減少0.2kg·hm-2,NO3--N流失減少0.029kg·hm-2,NH4+-N流失減少0.023kg·hm-2,TP流失增加0.033kg·hm-2,STP流失增加0.028kg·hm-2,說明減氮處理對于減少氮素流失作用明顯。同時,增施磷肥也會增加TP和STP的流失總量,這與磷肥施入土壤后易被表層土壤固定,大多數(shù)磷肥在土壤表層產(chǎn)生富集作用有關(guān),而該階段降雨多以連續(xù)性高強度暴雨出現(xiàn),表層土壤磷素很容易以泥沙形式流失,且該地區(qū)降雨酸性較大,泥沙中的磷素易于溶解進入水溶液中有關(guān)。在優(yōu)化施肥條件下,橫坡壟作(OH和OHB)與順坡耕作(OA)比較,氮磷各種形態(tài)養(yǎng)分流失總量均有所減少,TN流失減少0.26kg·hm-2和0.41kg·hm-2,NO3--N流失減少0.051kg·hm-2和0.063kg·hm-2,NH4+-N流失減少0.027kg·hm-2和0.036kg·hm-2,TP流失減少0.027kg·hm-2和0.032kg·hm-2,STP流失減少0.021kg·hm-2和0.025kg·hm-2,這與壟作提高了花生養(yǎng)分利用率有關(guān)。在橫坡壟作條件下,秸稈覆蓋(OHB)與無覆蓋(OH)相比,可以顯著減少各形態(tài)氮素的流失量,TN流失減少0.15kg·hm-2,NO3--N流失減少0.012kg·hm-2,NH4+-N流失減少0.009kg·hm-2,但不能顯著減少磷素流失總量。由此可知,紅壤坡耕地作物壟作和覆蓋栽培是減少養(yǎng)分流失的重要農(nóng)藝措施。由表5可知,TN流失系數(shù)各處理間均差異顯著,優(yōu)化施肥+橫坡壟作+秸稈覆蓋(OHB)流失系數(shù)最小,僅0.05%;常規(guī)施肥+順坡耕作(CA)流失系數(shù)最大,達0.37%?？偭琢魇禂?shù)常規(guī)施肥+順坡耕作(CA)與優(yōu)化施肥+橫坡壟作(OH和OHB)相當且較小,僅為0.05%左右,優(yōu)化施肥+順坡耕作(OA)最大,達0.076%,這與增施磷肥有關(guān)。氮素流失形態(tài)主要以