原创 陈隆升等 南京林业大学学报
论文推荐油茶林生草栽培对地表径流及氮磷流失特征的影响陈隆升1，梅 莉2*, 陈永忠1，赵泽尧2，许彦明1，张 震1，胡亚军3，刘彩霞1，苏以荣31.湖南省林业科学院，国家油茶工程技术研究中心；2.华中农业大学园艺林学学院，湖北省林业信息工程技术研究中心；3.中国科学院亚热带农业生态研究所。
农业面源污染的氮磷来源主要为灌溉退水、降雨地表径流和壤中流。经济林生态系统中灌溉退水与土壤壤中流远低于地表径流。因此,经济林氮磷污染的载体主要为地表径流及其携带的泥沙。目前,梯面工程、园地生草、保护性耕作是经济林水土流失阻控的主要措施。研究表明,提高植被覆盖能够促进雨水入渗、增强表层土壤抗蚀能力，大幅减少地表径流和氮磷流失,降低氮磷流失量的幅度达30% ~ 50%。一般而言,人工生草方式对坡地果园的水土和养分流失的阻控优于自然生草方式,但园地的生草类型显著影响了表径流和氮磷流失量。在紫色土中,黑麦草(Lolium perenne)种植较长柔毛野豌豆(Vicia villosa)和二月兰(Orychophragmus violaceus)对柑橘园径流和养分。
阻控效果更优。在砂页岩红壤中，雀稗(Paspalum thunbergii)对金桔园总氮和总磷流失量降低的相对贡献指数高于白花藿香蓟( Ageratum conyzoides)。在黄棕壤中,三叶草( Trifolium repens)对柑橘园氮磷径流流失的阻控优于黑麦草和光叶苕子。在不同的气候、地貌和土壤条件下，草种的气候适应性及其长势可能是影响氮磷流失阻控的关键。
亚热带红壤丘陵区降雨充沛,且雨量分布不均、暴雨多发。同时,亚热带红壤丘陵区的土壤具有较高的可蚀性因子(K值),土壤侵蚀的风险和严重程度仅次于黄土高原。在我国开展的水土流失阻控模式研究多针对北方黄土高原,如刘秀兰提出的黄土丘陵沟壑区五道防线综合治理模式。高强度人为扰动下的果园林下侵蚀较其他区域少见,考虑到亚热带红壤区气候及高度发达的农业生产特点,需要研发适宜的区域水土阻控模式。油茶(Camellia oleifera)作为我国特有木本油料经济树种,在亚热带红壤丘陵区广泛种植目前,油茶造林大多采用大面积全垦、带垦整地方式,导致大面积林地表土裸露,土壤侵蚀尤为严重。以往研究发现,油茶林地生草不仅能够提高土壤养分含量,还能改善土壤物理性质,比如降低土壤容重、提高土壤空隙度和田间持水量，这表明亚热带丘陵区油茶林地生草栽培在水土流失阻控方面潜力巨大。
多年生禾本科植物百喜草( Paspalum notatum)和菊科植物金鸡菊(Coreopsis basalis )根系发达在酸性红壤中生长良好,在种植后地面覆盖度高,在冬季和早春的非生长季枯落物亦能对表层土壤进行有效覆盖,理论上具有良好的水土保持效果。此外,多年生的生理特性赋予百喜草和金鸡菊一次性种植省时省力的特点,这对油茶林经营成本至关重要。尽管已有关于油茶林引入百喜草和金鸡菊种植的研究,但主要侧重于“以草抑草、以草养园”的省力化栽培方面,有关油茶林间种草本植物对林地产流以及氮磷元素流失规律的影响仍不清楚。为此,本期论文推荐的作者笔者研究了间种百喜草、金鸡菊等草本植物对油茶林地表径流量及随径流流失的氮、磷元素的影响,以期为降低油茶林经营的面源污染风险并改善下游水体环境提供科学依据,为油茶的高效生态经营提供参考。
下面跟学报君一探究竟！
作者简介
通讯作者
梅莉，女，1978年生，华中农业大学副教授，硕士生导师。国林学会森林培育分会青年理事；中国林学会森林生态学会青年理事；湖北省科技特派员；湖北省林学会自然教育分会副主任委员。主要从事植物营养与地下生态学研究。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金、国家重点研发项目子专题，博士后科学基金、湖北省自然科学基金等项目。发表科研论文30余篇，获梁希优秀林业青年科技论文二等奖2项、梁希科技进步二等奖、黑龙江省科技进步二等奖等。
第一作者
陈隆升，男，1983年生，湖南省林业科学院副研究员，湖南省油茶产业协会秘书长，主要从事油茶高效栽培技术研究。主持湖南省自然基金项目、中央财政林业科技推广项目等项目10余项。获梁希林业科学技术奖科技进步一、二等奖、湖南省科技进步三等奖等省部级奖项5项，发表文章20多篇。
关键词：油茶林；金鸡菊；百喜草；氮、磷流失；地表径流基金项目：国家重点研发计划(2017YFCO505503);湖南省科技重大专项项目(2018NK1030)。引文格式：陈隆升,梅莉,陈永忠,等.油茶林生草栽培对地表径流及氮磷流失特征的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版), 2021,45(6):125-132.CHEN L S,MEI L,CHEN Y Z,et al.Efects of interplantingherbage on surface runoff associated with nitrogen and phosphorus losses in Camellia oleifera plantations[J].Jourmal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition) ,2021,45(6):125-132.DOI：10.12302/j. issn.1000-2006.202101035.
1目的
研究间种草本植物对油茶林地表径流并随径流流失的溶解态氮磷的影响,以期降低油茶林面源污染风险并改善下游水体环境,为油茶高效生态经营提供方案。
2方法
选取林下植被覆盖度低的5年生油茶幼林,设计3个试验处理:无间种对照、间种百喜草和间种金鸡菊,每个试验处理面积600㎡ ,3次重复,同时,在每个试验样地建设水平投影为16 mx7 m的标准径流监测小区,共计9个径流监测区。经过2年的生草处理后,间种百喜草和金鸡菊的油茶林下植被覆盖度从对照的31.13%分别提高到90.47%和80.40%。在此基础上,通过土壤理化性质测定、多场次的地表径流及其氮磷含量的监测,比较各处理样地的地表径流量、土壤侵蚀量﹑径流溶解态氮(DN)和溶解态磷(DP)流失量的变化特征,分析南方油茶幼林生草栽培对地表径流及氮磷流失的影响。2.1 试验材料
试验地位于湖南省邵阳县塘渡口镇塘坪村(111°19'42.00”E,26°58'35.54”N),为丘陵山地，海拔112 m,属中亚热带季风湿润气候区,雨量充沛,阳光充足,生长季长。年平均气温16.0~17.8 ℃,年平均无霜期288 d,年平均降水量1 255 mm。试验基地于2013年冬季至2014年春季造林,品种为‘湘林210’、‘华金’、‘华硕’等,造林株行距均为2.5 m×3.0 m,试验基地土壤为红黄壤。
▲油茶林间种百喜草
▲油茶林下间种金鸡菊
▲油茶园区生态防护体系构建2.2 研究方法
设对照(不间种,CK)、间种百喜草(T1)、间种金鸡菊(T2)3个处理,每个处理设置3个600 ㎡重复样地,各样地中间设置10 m隔离带,共9个样地,采用随机区组排列。设置的9个油茶样地位于山地的同一朝向(南坡),每个油茶样地在垂直方向含有3个油茶种植梯面,梯面的高度差为0.8~1.5 m(图1)。于2018年春季,采用种子条播的方式在油茶林地间种多年生草本植物百喜草和金鸡菊,在油茶行间条播两行,条播间距及其与油茶树兜距离约为1 m,随后由百喜草和金鸡菊自然繁殖扩散。对照处理不间作草本植物,存在少量自然生长的杂草,主要以狗尾草(Setaria viridis ) 、橘草( Cymbopogon goeringii)和香丝草( Conyzabon ariensis)等。百喜草和金鸡菊种子购于山东瑞禾种业有限公司。
▲图 1 径流监测小区示意
2019年8月,在每个试验样地建设水平投影为16 m×7 m的标准径流监测小区(图1),共计9个小径流监测区,小区坡度13°。小区的围梗采用不透水的PVC板,埋入地下20 cm,高出地表20cm,在每个小区左右两侧设置排水沟,上方设置截留沟以防止暴雨期间小区外的水样进入小区造成干扰。在小区的底部设置集流槽以收集场降雨的径流及泥沙,集流槽上部高度与小区土壤表层的高度一致,在集流槽右下角外侧处设置导流管,将槽内收集到的水样引流至集流桶和分流桶中。每个集流桶下方设置2个分流桶,集流桶直径0.9 m、高0.9 m,在桶0.7 m处设置10个分流管,其中一个分流管连接一级分流桶的进水口,一级分流桶也设置10个分流管,其中一个连接二级分流桶的进水口。集流槽﹑导流管、集流桶、分流桶均采用硬质不透水的PVC材料。于2019年8月15日—2020年7月31日进行观测,并于2020年6月12日—7月20日期间获得5次完整径流观测数据。用目估法[ 14]估算植被覆盖度(表1)。
▼表 1 试验样地植被覆盖度
注:CK.对照;T1.间种百喜草;T2.间种金鸡菊。下同。
3结果
油茶林下间种百喜草和金鸡菊2年后,土壤有机质、全氮及全磷含量均比对照有增加趋势。2020年6至7月间,试验区共观测到5场侵蚀性降雨事件。与对照处理相比,间种百喜草和金鸡菊的处理在5场侵蚀性降雨事件中均显著降低了地表径流量和土壤侵蚀量(P<0.05)。与对照相比,间种百喜草和金鸡菊处理的地表总径流量分别减少了35.04%和33.56% ,土壤累积侵蚀量分别减少了83.89%和79.85%。不同场次径流中DN和DP浓度变化趋势不一致,第Ⅰ和第2场径流中DN浓度较低而DP浓度较高,第4和第5场径流中DN浓度较高而DP浓度较低。所有观测场次的径流DN和DP浓度均值超过了GB3838—2002《地表水环境质量标准》中总氮、总磷V类标准限值。与对照相比,间种百喜草能够降低径流中DN和DP浓度(P<0.05) ,减少量分别为4.67%和16.88%;而间种金鸡菊后径流DP浓度显著降低了16.88%( P<0.05) ,但DN浓度却增加了5.14%(P<0.05)。总体上,与对照处理相比,间种百喜草和金鸡菊分别降低了径流DN流失量26.66%和21.49%、径流DP流失量63.06%和50.57%。
3.1 生草栽培对油茶林土壤氮磷养分及有机质含量的影响
油茶林间种百喜草(T1)和金鸡菊(T2)后,土壤有机质、全氮及全磷含量均比对照有增加趋势，间种金鸡菊的油茶林地土壤全磷含量显著(P<0.05)高于对照处理(表2)。
▼表 2 不同处理下林地土壤有机质、全氮及全磷含量
3.2 生草栽培对油茶林地表径流量的影响
2020年6月12日至2020年7月26日的监测周期内,降雨日数为15d,共有5场侵蚀性降雨事件:①6月16—18日期间降雨14.6 mm; ②6月23—24日期间降雨19.7 mm;37月1—4日期间降雨60.8 mm;④7月9—13日期间降雨72.4 mm;⑤7月19—20日期间降雨12.2 mm。3种不同处理方式的油茶林地径流量如图2所示,在相同降雨条件下,油茶林间种百喜草(T1)和金鸡菊(T2)均显著(P<0.05)降低地表径流量,6月16—18日,6月23—24日,7月1—4日和7月19—20日的径流量均以T1处理最低,其中6月23—24日和7月19—20日的径流量显著(P<0.05)低于T2处理;7月9—13日的径流量则以T2最低。
3个处理的5次总径流量同样存在显著差异(P<0.05)(表3 )，以T1处理最低，为20.40 m³/ h㎡,比CK处理减少了35.04% , T2处理为20.87 m³/h㎡,比 CK处理减少了33.56%。
▼表 3 不同处理油茶林地表径流和氮磷流失总量
▲图 2 不同处理下油茶林地表径流变化
注:同一时间不同小写字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。下同。3.3 生草栽培对油茶林土壤侵蚀量的影响
研究发现,与CK相比, T1和T2处理均显著降低土壤侵蚀量(P<0.05)(图3)。6月16—18日的土壤侵蚀量以T2处理最低，6月23—24 日,7月1—4 日,7月9—13日和7月19—20日的土壤侵蚀量均以T1处理低。3个处理的5次累计土壤侵蚀量同样存在显著差异(P<0.05)(表3),以T1处理最低,为57.93 kg/h㎡,比 CK处理减少了83.89%,其次是T2处理,为72.50 kg/ h㎡,比 CK处理减少了79.85％。
3.4 生草栽培对径流中DN和DP浓度的影响响
3个处理在各次径流事件的径流DN浓度差异显著(P<0.05) , CK处理的径流DN浓度在6月16—18日,7 月9—13日和7月19—20日径流事件中最低,T2处理在6月23—24日径流事件中最低,T1处理在7月1—4日径流事件中最低(图4A)。其中,CK、T1 和T2处理的单次径流DN浓度分别为63.26~304.29 nmol/L,46.59 ~ 328.97nmol/L,56.91 ~348.34 nmol/L。3个处理的径流DN浓度均值分别为152.62、145.60、160.76nmol/L,均超出了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中总氮V类标准限值( 142.86 nmol/L)。对5次径流DN浓度均值方差分析表明(表3),与CK相比,油茶林间种百喜草呈现降低径流中DN浓度趋势,而间种金鸡菊有增加径流中的DN浓度的趋势,但3种处理差异不显著(P>0.05)。
各处理径流DP浓度均出现波动,总体呈下降趋势(图4B)。除7月1—4日外,3个处理的其余4次径流事件的径流DP浓度差异显著(P<0.05),6月16—18日,7月9—13日和7月19—20日径流事件的径流DP浓度均为T1和T2处理显著低于CK(P<0.05) ,6月23—24-日径流事件的径流DP浓度则为T1处理显著高于CK ( P<0.05)。CK 、 T1 和T2处理的单次径流DP浓度分别在14.01~42.44、8.21 ~37.31、11.40~33.19 nmol/L。如表3所示,3个处理的径流DP浓度均值分别为24.77、20.70、20.51 nmol/L,均超出了GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中总磷V类标准限值(12.90 nmol/L)。5次径流DP浓度均值方差分析表明,与CK相比,油茶林间种百喜草和金鸡菊均显著(P<0.05)降低了径流中的DP浓度。
▲图 4 不同处理下油茶林地表径流DN和DP浓度变化
3.5 生草栽培对径流中DN和DP流失量的影响
监测周期内,3种不同处理方式DN、DP流失量呈先升后降的趋势,CK、T1和T2处理的单次径流DN流失量分别为1.82 ~60.48、0.58~ 47.34、0.66~45.21 g/ h㎡，DN 流失量分别为0.50 ~9.49,0.13~3.35,0.25~4.45 g/ h㎡,变幅较大(图5)。除7月1—4日外,其余4次单次径流DN流失量大多为T1和T2处理显著(P<0.05)低于CK。5次单次径流DP流失量均为T1 和T2处理显著(P<0.05)低于CK。
▲图 5 不同处理下油茶林地表径流DN和DP流失量变化
监测周期内,3个处理总DN、 DP流失量存在显著差异( P<0.05),均以T1处理最低,分别为57.92、7.29 g/ h㎡,分别比CK处理减少26.66% 、63.06%(表3)。其次是T2处理,为62.00、9.76g/h㎡,分别比CK处理减少了21.49% 、50.57% ,表明油茶林间种白喜草和金鸡菊有效减少了地表径流氮磷流失,且以间种百喜草的效果最明显。
4结论
间种百喜草和金鸡菊的油茶林地显著降低了地表径流量和土壤侵蚀量,显著减少了径流溶解态氮磷流失量,相较而言,油茶幼林间种百喜草对林地地表径流及其可溶性氮磷流失的阻控效果比间种金鸡菊的好。
关注我们，更多精彩
