2022, Vol. 59
2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008;
3. 中国科学院大学，北京 100049;
4. 湖北省秭归县农业技术推广中心，湖北秭归 443600
2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Zigui Agriculture Technology Extension Centre, Zigui, Hubei 443600, China
以三峡库区为核心的长江中上游沿江区域是我国重要的柑橘产地之一[1]，库区柑橘产量高，品质好。随着三峡工程的兴建和库区农业结构的调整与优化，作为传统名特优农产品，柑橘的种植得到了广泛的推广。库区柑橘的种植面积从1998年的2.5万hm2[2]增加至2017年的9.3万hm2 [3]。柑橘产业的发展提高了部分库区农村移民的经济收入，促进了区域农业的发展，真正实现了移民“安得稳，逐步能致富”的目标[4]。然而，由于三峡库区坡耕地坡度较陡，水土流失严重，生态环境退化剧烈，土壤普遍砂质化，养分贫瘠[5-6]。另一方面，由于传统的有机肥生产萎缩，施用化肥满足柑橘增产需求成为橘农的倾向性选择。目前库区橘园施肥出现严重的供大于需[7-8]。有研究[9]表明，目前库区橘园氮磷钾的投入量分别达到678 kg·hm–2、450 kg·hm–2和572 kg·hm–2。而推荐的氮磷钾施肥量范围为250~350 kg·hm–2、150~200 kg·hm–2和150~250 kg·hm–2 [10]。化肥大量施用加上自然雨养条件下土壤水肥难以协调供应，使得肥料的养分利用率低，养分大量流失[11]。柑橘产区已成为三峡库区氮磷农业面源污染的主要来源地之一[12]。并且长期过量施用化肥会降低土壤pH，不利于土壤的可持续利用[13]。
我国已有农田养分流失研究多针对周年或季节性的农作物[14-15]。柑橘产业近20多年在我国得到区域性规模化发展，而国内相关研究开展相对滞后。目前柑橘园的研究主要集中在地表径流氮磷流失规律和保护性植被控制水土流失[16-17]，对施肥量与氮磷流失量的关系尤其是有关柑橘园氮磷渗漏流失的研究，尚未见系统野外观测与准确分析。本研究采用野外定点小区试验的方法，选择三峡库区砂质土梯田橘园，观测自然降雨条件下，柑橘园地表径流、渗漏的形成特征，进一步研究不同施肥水平对柑橘园氮磷地表径流和渗漏流失的影响。研究结果不仅可为当地农民和技术部门优化柑橘园养分管理、控制氮磷面源污染提供依据，且为今后其他类型果园的可持续管理提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验点和野外布设试验点位于三峡库首的湖北省秭归县茅坪镇九里村（110°57′51.9″ E，30°48′21.8″ N）。地处亚热带湿润季风气候，年平均气温16~19℃，降水量1 100 mm左右[18-19]。海拔245 m，自然坡度28º。选择的橘园地为三峡库区普遍的陡坡地人工梯田，供试土壤为中性结晶岩黄壤，土壤平均土层厚度为50 cm，其基本理化指标见表 1。该类岩土构型的土壤在我国南方柑橘产区均有一定分布，其薄层化、砂质化和贫营养化代表了三峡库区退化山地土壤的典型特征。
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil |
试验选择的柑橘品种为枸橘砧弗罗斯特，定植于2001年，树龄15年。柑橘树体处于树势扩展与结果同步期，植株间无枝叶交叉。在定植前为改善根际土壤性状，提高底层土壤养分水平，采用表土深翻，将养分含量较丰富的表层土壤深翻入底；并在离地面50 cm处施用一层鸡粪，平均每棵树施用20 kg。选择土壤条件、植株长势一致的个体作为试验用树，共选择3排梯田21棵。每个处理的田面坡度保持一致。试验小区设置7个处理，3个重复，平均行株距为4.7 m×3.4 m。其中T1处理为不施肥对照小区。T2、T3、T4、T5、T6和T7处理小区的氮磷钾施肥量如表 2所示。2016年由于前期开花和着果量大，未施肥。花期结束后，于5月18日施用保果肥，于8月28日施用果实膨大肥，实际氮磷钾施肥量为设计处理施肥量的75%；2017年分三次施肥，分别为保果肥和2次果实膨大肥，施肥时间分别为3月15日、6月15日和9月12日。每次施肥均采用沿树冠滴水线环形挖沟20 cm施肥后覆土方法。脐橙园不施除草剂也不人工除草，实行自然生草覆盖。
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表 2 不同处理小区的施肥量 Table 2 Fertilization amount in different treatment plots/(kg·hm–2) |
本试验于2015年5月开始野外布设。在垂直植株滴水线的地下60 cm深度位置埋设渗漏液收集装置（图 1）。埋设时，装置对应的地面面积和其对应的施肥区面积比与整个小区面积和小区施肥面积比保持一致。渗漏液收集装置为聚氯乙烯（PVC）板制成，长、宽、深分别为1 m、0.2 m、0.1 m的长方体集水盒。集水盒底部与四周均由PVC板制成，上部用不锈钢纱网封盖。为了便于塑料管吸出入渗径流水，底部PVC板制成V字形；在集水盒四周PVC板上部9 cm处嵌入20目不锈钢纱网，纱网上部均匀布设厚度约5 mm的石英砂透水层，石英砂上部覆土。在集水盒底部，设置一个内径5 mm的硬质塑料管且引出地面，用作渗漏液收集管，采用抽真空吸入法收集渗漏液。在小区间埋设50 cm深的塑料板围隔（地表10 cm，地下40 cm），控制相邻小区根部侧向入侵和输入的养分侧向迁移，同时分隔各小区径流；在梯田下沿，在塑料板地上部分设置出水口，由PVC管穿过桶盖引流至径流收集桶。在柑橘植株冠层上设置干湿沉降桶，加5 cm深纯净水，逐月计量桶内水量并采集水样，分析全氮（TN）和全磷（TP）浓度并计算干湿沉降TN和TP总量。
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图 1 渗漏装置示意图 Fig. 1 Diagram of lysimeter and sampling system |
采用SPECTRUM公司的WatchDog观测站，实时观测干湿球温度、辐射、气压、风向、风速和降雨量等气象数据和不同深度土壤含水量。WatchDog的水分传感器分别安装于橘园内地下5 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm和70 cm深度，其中60 cm以上为土层，60 cm以下为岩石或碎屑物。采用联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的彭曼（Penman-Monteith）模型，利用气象参数计算参考作物蒸散量ET0，然后利用作物系数Kc对ET0进行修正，获得柑橘生长需水ETc [20]。本项试验橘园树龄15年，且保留园地杂草，植被覆盖稳定；而砂质土毛管上升水量低，表层土水势变化对蒸散发量影响小，因此采用成年橘园留草覆盖的标准状态下作物系数对蒸散发量加以矫正，雨前和雨后的Kc值均为0.8[21]。逐日进行蒸散发量估算。
| ${\text{E}}{{\text{T}}_{\text{C}}} = {{\text{K}}_C}{\text{E}}{{\text{T}}_0} $ | (1) |
阶段降雨渗漏量（I）采用水分平衡的原理进行估算，公式如下：
| $ I = P - {\text{E}}{{\text{T}}_{\text{C}}} - R - \Delta W $ | (2) |
式中，P为阶段降雨量，mm；ETc为阶段蒸散发量，mm；R为阶段地表径流量，mm；△W为阶段第一天与最后一天剖面土壤加权含水量的变化（mm），增高为正，降低为负。其中，地表径流量按次降雨产流读取；阶段降雨渗漏量按照式（2）进行计算。
1.2 样品采集和指标测定降雨产流后，首先用标尺测量每个小区径流桶的水深，在每个径流桶不同位置测量三次取平均值，为最终的水深，根据径流桶直径计算地表径流量。然后将桶中水沙充分搅匀，采集1 L水沙混合样。待泥沙全部沉入桶底，将水排出，采集径流泥沙样，带至室内风干待测。
采集到的径流水沙混合样静置30 min后采集250 mL上清液用以测定TN和TP浓度，剩下的样品用滤纸过滤后，105℃烘干后称重测定泥沙含量[22]。水体TN的测定采用碱性过硫酸钾消煮—紫外分光光度法[23]，水体TP的测定采用过硫酸钾消煮—钼酸铵分光光度法[24]，径流泥沙态TN的测定采用半微量凯氏法[25]，泥沙态TP的测定采用硫酸-高氯酸消煮—钼锑抗比色法[26]。
1.3 数据处理经Excel 2010整理实验数据后，采用SPSS 21.0统计学分析软件对数据进行单因素方差分析，最小显著差异方法（LSD）对数据进行多重检验和皮尔森相关性分析（Pearson correlation），采用Origin2020作图。
2 结果与讨论 2.1 橘园降雨产流与氮磷输入降水产流是氮磷流失的驱动因子和载体，岩土结构的砂壤土不仅地表径流造成氮磷流失，入渗形成的渗漏在岩土交界面形成的侧向流也会带走氮磷等营养盐。观测表明，2016年降水（表 3）通过渗漏流失量最多，占降水量的53.0%；地表径流很低，仅占降水量的1.4%。2017年降水随渗漏流失占降水量的44.8%，地表径流损耗的水量占2.05%。已有的研究多在坡耕地上开展，试验土壤多为壤土或黏壤土，稳定入渗率相对较低，因此地表径流系数相对较高[27]。本研究采用的土壤为砂土，稳定入渗率较高[28]；且园地为人工梯田，地形相对平缓；加上自然生草覆盖，更利于阻滞径流，减少地表径流，增加入渗形成渗漏[29]。降水主要集中于3月至11月份，这一时期也是径流产生量最高的阶段。就施肥管理而言，催花保果肥和果实膨大肥也在这一阶段施用，季节性降水分布不均和橘园水肥供应不协调，容易造成肥料养分流失。过去，三峡库区有关研究多集中于地表径流与水、土和营养盐流失的产生与防治；本项研究表明，坡改梯加生草覆盖生态治理后，砂质土橘园降雨入渗形成的渗漏是降水产流的主要部分，形成的营养盐流失需要予以重视。
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表 3 研究期脐橙园水分收支情况 Table 3 Water budget of the citrus orchard in the research period |
2016—2017年研究期橘园大气沉降氮和磷总输入分别为38.2 kg·hm–2和0.4 kg·hm–2。对于水体而言，大气干湿沉降是面源污染的一个组成部分；而在橘园，干湿沉降形成氮磷输入是橘园系统氮磷营养盐输入的一部分。本项试验各处理小区（T1对照除外）施肥氮输入和磷输入分别介于262.5~1 138 kg·hm–2和57.3~248.2 kg·hm–2。平均施氮肥输入分别占总氮收入的87.3%~96.8%；平均施磷肥输入分别占总磷输入的99.3%~99.8%。因此，橘园绝大部分的氮磷收入来源于施肥，干湿沉降所占比例很低。
2.2 地表径流氮磷流失2016—2017年观测期地表平均径流水总量和泥沙总量分别为165.9 m3·hm–2和47.1 kg·hm–2。径流量越大，产沙量越多。其中，T4和T6径流量和泥沙量较多（表 4），T1、T2、T5和T7径流量和泥沙量小。可见，施肥多少对地表径流和产沙无影响。已有观测显示，三峡库区坡耕地研究的产流量和产沙量分别为50~200 m3·hm–2和10.8~29.9 kg·hm–2 [30]，本项试验用地已经采用坡改梯和生草覆盖管理模式，加上供试土壤为岩土构型的砂质结构[31]，地表径流得到有效控制，土壤侵蚀降低，入渗增高，所以虽然坡度陡，但地表径流量和产沙量相对较低。自然雨养条件下，雨水是重要的水资源，控制地表径流不仅能减少水土流失，而且还能涵养水源，改善土壤水分供给。但是岩土构型的砂质土壤透水性好，持水能力低，当降水量高于土壤持水量的时候，会在岩土界面形成侧向渗漏，进一步慢渗汇入地表径流。
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表 4 2016—2017年研究期地表径流水量和泥沙量 Table 4 Surface runoff and sediment volume during the study period in 2016-2017 |
分析表明，地表径流全氮平均流失量为3.8 kg·hm–2（图 2 a），其中T5全氮流失量最小，为2.8 kg·hm–2；T6全氮流失量最大，为5.9 kg·hm–2。全磷平均流失量为0.71 kg·hm–2（图 2 b），其中T3和T7全磷流失量较少，T4全磷流失量最大，为1.03 kg·hm–2。可见，施肥量对地表径流氮磷流失量的影响不显著，这与橘园环沟施肥再覆土的施肥方式以及土壤入渗快和入渗率高有关。结果还表明，径流水和泥沙流失的全氮量分别占68.7%和33.6%；全磷量分别占65.2%和34.8%。可见，地表径流水体氮素和磷素流失比例较高，而已有研究的坡耕地地表径流养分主要通过泥沙态流失[16]，泥沙携带氮素流失占55.86%~65.16%，磷素流失占55%~70%[32]。橘园实施坡改梯，且砂质土壤养分贫瘠，入渗快，地表生草覆盖，抗溅蚀；地面径流量少，冲刷力弱，土壤侵蚀低，因此氮磷流失以径流水体氮磷流失较多，而泥沙态流失偏少。
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图 2 2016—2017年研究期地表径流全氮（a）和全磷（b）流失量 Fig. 2 Total nitrogen loss(a)and total phosphorus loss(b)in surface runoff during the study period in 2016-2017 |
2016—2017年研究期渗漏全氮的平均流失量为376.9 kg·hm–2，其中未施肥的T1小区全氮流失量最小，为172.9 kg·hm–2；施肥量最大的T7小区全氮流失量最大，为603.9 kg·hm–2（表 5）。渗漏全氮的流失随着施肥量的增加而增多。渗漏全磷的平均流失量为2.4 kg·hm–2，其中T1全磷流失量最小，为0.9 kg·hm–2；T5全磷流失量最大，为3.5 kg·hm–2（表 6）。施肥较多小区的全磷流失量较多。施肥处理小区渗漏全氮和全磷的流失量远大于地表径流全氮和全磷的流失量（图 3），其中渗漏全氮和全磷平均流失量分别占全氮和全磷总流失量的99.0%和76.9%。去除未施肥处理小区的渗漏氮磷流失量，渗漏导致的氮磷平均流失量分别占施肥量的34.3%和5.1%，最高为38.0%和6.8%，最低为30.4%和2.6%。以接近推荐施肥量[10]的T4处理计算，渗漏氮磷流失量占氮磷输入总量的30.4%和6.4%。由此可见，渗漏是砂质土梯田氮磷流失的主要途径。由于三峡库区水土流失严重，地表径流造成养分的流失[30]一直为人们关注，而对渗漏的研究重视不足。采用生态工程治理后的橘园，水土流失得到有效控制，由于水土流失造成的营养盐流失也大幅降低，但是柑橘产区氮磷面源污染问题依然困扰着人们。本项研究表明，生态治理后的砂质土壤柑橘园，虽然地表径流引起的氮磷流失很低，入渗形成渗漏引起的氮磷流失是值得人们重视的环境问题。因此，进一步优化柑橘园水肥管理，阻控渗漏氮磷流失，提高肥料利效率，从而增产增效，是今后必须面临和解决的现实问题。
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表 5 2016—2017年研究期渗漏全氮流失量 Table 5 Total nitrogen loss in interflow during the study period in 2016-2017/(kg·hm–2) |
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表 6 2016-2017年研究期渗漏全磷流失量 Table 6 Total phosphorus loss in interflow during the study period in 2016-2017/(kg·hm–2) |
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图 3 2016—2017年研究期橘园施肥与沉降氮磷输入比例和氮磷流失占输入的比例 Fig. 3 The proportion of nitrogen and phosphorus income and the proportion of nitrogen and phosphorus loss in the income of citrus orchard were studied in 2016-2017 |
试验表明，对照在连续2年不施肥条件下，渗漏氮磷流失量分别为172.9±28.1 kg·hm–2、0.92±0.39 kg·hm–2，可见，试验前土壤中具有一定量速效态氮磷的残存。将各个施肥处理渗漏氮磷的流失量分别扣除T1对照小区渗漏氮磷的流失量，以反映不同施肥量处理对氮磷流失的影响，表示为施肥引起的氮磷流失增量。结果发现，各处理渗漏氮流失增量与施肥量有显著的线性相关关系（P＜0.01＝（图 4 a），拟合公式为y=0.35x–5.77（y为氮流失增加量，x为施肥量）。说明随着氮肥施用量的增加，渗漏氮素淋失增量呈线性增高。但是，磷流失量与施肥量无显著的相关关系（P=0.05）（图 4 b）。主要由于氮素进入土壤后经过硝化过程后，多呈硝态氮形态，硝态氮容易在土壤中迁移[33]而通过渗漏淋失；而肥料释放的磷素在被根系利用的同时，残余的磷素被耕层土壤吸附固定，仅有少量能够下渗淋失至土壤底层[34]。所以，不同施肥处理间肥料磷输入量具有较大的差异，但是渗漏的流失量均较低。其次，定植柑橘树前在离地面50 cm的地下施用一层富含磷素的鸡粪（P2O5含量为34.2 g·kg–1），并将表土深埋。鸡粪经过矿化分解后，氮素多淋失，而磷素被土壤矿质颗粒吸附而缓慢释放；加上深埋表层土壤形成的磷释放，因而对不同施肥水平引起的磷素流失效应造成影响。
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注：图中渗漏氮磷流失量是2016—2017年各施肥处理渗漏氮磷流失总量扣除对照组氮磷流失总量的值。 Note: The amount of leakage nitrogen and phosphorus loss in the figure is the total amount of leakage nitrogen and phosphorus loss of each fertilization treatment deducting the total amount of nitrogen and phosphorus loss of the control group from 2016 to 2017. 图 4 2016—2017年研究期橘园氮磷施用量与渗漏氮磷流失量的关系 Fig. 4 The relationship between the NP fertilization and the NP losses in citrus orchards in 2016-2017 |
由上可见，自然降雨条件下，岩土构型砂质土梯田成年橘园采用留草覆盖的管理模式，降雨除消耗于蒸散发外，主要通过渗漏流失；采用环沟施肥，渗漏形成的氮磷养分流失是氮磷流失的主要途径，且施肥量越高氮素淋失量呈线性增高；不同施肥量对地表径流氮磷流失无显著影响。由于柑橘养分需求大，而退化山地土壤养分贫瘠，施肥仍为必要措施，且容易造成过量施肥，土壤肥料残存量高。试验表明，在不施肥情况下，氮素渗漏损失平均达86 kg·hm–2。此外，现有常规管理年度一般分2~3次施肥，但在自然降雨条件下，土壤水肥难以协调供应，肥料养分利用率低，且不利于增产增收。因此，柑橘园实施配方施肥，改善肥料运筹的同时，需要进一步优化水肥调控，促进养分高效利用。
3 结论通过对橘园小区两年的野外试验发现，自然雨养的砂土梯田橘园在生草覆盖生态保护模式下，地表径流和土壤侵蚀已得到有效控制，养分的主要流失途径为渗漏。研究期降水随渗漏流失量平均占降水量的48.9%，地表径流仅占降水量的1.73%。橘园氮磷流失量占施肥量的比例分别为34.5%和6.4%，其中通过渗漏流失，平均分别占施肥量的34.3%和5.1%，氮磷通过地表径流流失量较小。渗漏氮流失量随着施肥量的增多而增大，二者呈显著的线性正相关。因此，砂质土梯田橘园渗漏养分流失，尤其是氮渗漏问题应当引起重视。经过水土流失生态治理后，砂质土壤橘园施肥管理必须注意水肥协调，在实施配方施肥的基础上，改善肥料运筹，根据橘周年营养生理需求，实行水肥同步供应，避免过量养分残存与强降雨相遇造成养分的渗漏损失，从而实现养分高效利用和增产增效，且进一步降低环境负荷。
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