秸秆覆盖对紫色土坡耕地径流硝态氮和铵态氮流失的影响

Effects of straw mulching on nitrate and ammonium nitrogen losses in runoff from sloping farmland of purple soil

摘要

目的 紫色土坡耕地具有耕层浅薄、结构稳定性差等特点，极易发生水土流失，探究秸秆覆盖对紫色土坡耕地NO₃^--N和NH₄⁺-N流失的影响，为面源污染防治提供新的思路与途径。 方法 以覆盖秸秆15个月后的紫色土坡耕地为研究对象，通过野外模拟降雨试验，在90 mm/h雨强、15°坡度组合条件下，分析了5个秸秆覆盖用量（0，0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m²）坡面径流NO₃^--N和NH₄⁺-N的流失规律。 结果 （1） 不同秸秆覆盖用量下，产流率随降雨历时表现为快速上升—动态平衡的变化模式，产沙率随降雨历时表现为快速上升—缓慢下降—动态平衡的变化模式。与秸秆覆盖用量为0 kg/m²相比，0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量下平均产沙率显著降低17.07%~66.95%（p<0.05），且0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量下平均产沙率显著低于0.2 kg/m²秸秆覆盖用量，表明高秸秆覆盖用量减少产沙的效果更好。（2） 不同秸秆覆盖用量下，NO₃^--N和NH₄⁺-N流失浓度随降雨历时表现为快速上升—缓慢下降—动态平衡的变化模式，NO₃^--N和NH₄⁺-N的流失量均表现为快速上升—动态平衡的变化模式。不同秸秆覆盖用量下NO₃^--N累积流失量差异性显著（p<0.05），与秸秆覆盖用量为0 kg/m²相比，0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量可减少NO₃^--N累积流失量14.35%~29.69%。大部分NH₄⁺-N流失浓度和流失量随秸秆覆盖用量增加呈减少趋势。NO₃^--N的流失浓度和流失量远大于NH₄⁺-N，养分流失以NO₃^--N为主。（3） 平均产流率与NO₃^--N累积流失量呈线性正相关（p<0.01），秸秆覆盖用量与平均产沙率呈线性负相关（p<0.05）。 结论 秸秆覆盖能够有效减少NO₃^--N和NH₄⁺-N的流失，高秸秆覆盖用量在防治坡耕地N素流失方面效果较好。

Abstract

Objective Sloping farmland with purple soil is characterized by shallow plow layers and poor structural stability， making it highly susceptible to soil and water loss. This study aims to investigate the effects of straw mulching on nitrate nitrogen （NO₃^--N） and ammonium nitrogen （NH₄⁺-N） losses from purple soil sloping farmland， providing new ideas and approaches for the prevention and control of non-point source pollution. Methods Sloping farmland with purple soil subjected to 15 months of straw mulching was selected as the study object. Field-simulated rainfall experiments were conducted under the combined conditions of 90 mm/h rainfall intensity and a 15° slope gradient. The loss patterns of NO₃^--N and NH₄⁺-N in slope runoff were analyzed under five straw mulching amounts （0， 0.2， 0.4， 0.6， and 0.8 kg/m²）. Results （1） Under different straw mulching amounts， the runoff generation rate showed a rapid increase followed by dynamic equilibrium with rainfall duration， and the sediment production rate showed a rapid increase， slow decrease， and eventual dynamic equilibrium. Compared with a straw mulching amount of 0 kg/m²， the average sediment production rate significantly decreased by 17.07%~66.95% （p<0.05） under amounts of 0.2， 0.4， 0.6， and 0.8 kg/m². The average sediment production rates under 0.6 and 0.8 kg/m² were significantly lower than that under 0.2 kg/m²， indicating that higher straw mulching amounts had better effects on reducing sediment production. （2） Under different straw mulching amounts， the concentrations of NO₃^--N and NH₄⁺-N in runoff exhibited a rapid increase， slow decrease， and eventual dynamic equilibrium with rainfall duration， and their losses increased rapidly before reaching dynamic equilibrium. The cumulative loss of NO₃^--N differed significantly among different straw mulching amounts （p<0.05）. Compared with 0 kg/m²， straw mulching amounts of 0.2， 0.4， 0.6， and 0.8 kg/m² reduced cumulative losses of NO₃^--N by 14.35%~29.69%. Most NH₄⁺-N concentrations and losses decreased with increasing straw mulching amounts. The concentrations and losses of NO₃^--N were much greater than those of NH₄⁺-N， indicating that nutrient loss was mainly NO₃^--N. （3） The average runoff generation rate showed a linear positive correlation with the cumulative loss of NO₃^--N （p<0.01）， and the straw mulching amount showed a linear negative correlation with the average sediment production rate （p<0.05）. Conclusion Straw mulching can effectively reduce NO₃^--N and NH₄⁺-N losses， and high straw mulching amounts have better effects on preventing and controlling nitrogen loss from sloping farmland.

Graphical abstract

关键词

水土保持 / 模拟降雨 / 产流率 / 产沙率 / 养分流失

Key words

soil and water conservation / simulated rainfall / runoff generation rate / sediment production rate / nutrient loss

紫色土坡耕地是我国西南地区粮食生产和农业活动的基础，是广大人民群众赖以生存和发展的生产用地^［1］。紫色土坡耕地地形起伏较大、人地矛盾突出，再加上紫色土风化速度快，土层薄，土壤结构疏松，水力侵蚀严重^［2］。水土流失是世界上最主要的环境问题之一，导致土壤退化、面源污染、水体富营养化等问题，严重阻碍了环境和经济的可持续发展^［3-4］。氮（N）是作物生长发育所必需的元素，由于紫色土坡耕地耕层浅薄且结构稳定性差，在水土流失作用下，N等土壤养分流失严重，作物产量也受到影响^［5］。降雨冲刷和地表径流是土壤N迁移的主要驱动力，在降雨冲刷和径流输移的共同作用下，表层土壤中的N组分会随径流迁移至水体中^［6］。总体而言，N元素有多种形式通过径流流失，其中硝态氮（NO₃^--N）和铵态氮（NH₄⁺-N）具有较高的可溶性，且能通过硝化或反硝化作用而相互转化，是N元素流失的主要形式^［7］。已有的研究表明，坡耕地N流失受到降雨强度、地表覆盖和耕作措施等多因素的共同影响^［8］。

秸秆覆盖作为一种有效的水土保持措施，能显著增加地表糙率、降低径流冲刷剥蚀能力，从而减少坡面产流产沙，可实现减少坡耕地N的流失和提高作物产量等目标^［9］。此外，覆盖的秸秆分解转化可增加土壤N含量，增强土壤抗蚀能力，从而起到增强肥力，改善土壤质量的作用^［10］。已有研究表明，秸秆覆盖可使地表径流量和泥沙量减少19.1%和63.6%^［11］。同时，秸秆覆盖可使N损失减少4.21%~11.59%^［12］，其中NO₃^--N损失占溶解态总氮损失的60%~95%，远大于NH₄⁺-N^［13］。秸秆覆盖用量是衡量秸秆覆盖效果的一个重要指标，不适宜的秸秆覆盖用量不仅无法有效减少产流产沙，甚至可能加剧土壤侵蚀^［14］。Jing等^［15］研究发现坡耕地秸秆还田能够显著减少地表径流量，但同时也增加了N通过壤中流流失的风险。然而，目前针对秸秆覆盖下NO₃^--N和NH₄⁺-N流失规律及其与产流产沙的响应关系尚不清楚，秸秆覆盖下紫色土坡耕地产流产沙和NO₃^--N及NH₄⁺-N流失的定量研究还有待深入。鉴于此，本文采用野外模拟降雨试验，研究不同秸秆覆盖用量对紫色土坡耕地产流产沙和NO₃^--N及NH₄⁺-N流失的影响，为优化紫色土坡耕地秸秆覆盖措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在西南大学后山水土保持试验基地（106°24′20″E，29°48′42″N）开展。试验区地处亚热带季风气候区，具有典型的四季分明气候特征，年均降水总量达1 100 mm，但时空分布不均，主要集中在5—9月。试验区年均气温18.3 ℃，无霜期长达334 d，年日照时数1 270 h。试验土壤为紫色土，成土母质为中生代侏罗纪沙溪庙组紫色砂泥岩，偏弱碱性。试验区坡耕地农作物类型以小麦、玉米等粮食作物为主。

1.2 试验设计

2022年4月，在西南大学后山水土保持试验基地选取坡度为15°的紫色土坡耕地，设立长2 m，宽0.5 m的径流小区，每个小区安装径流桶，用于采集径流泥沙。各小区之间用水泥埂隔开，水泥边埂均高于小区地表15 cm，以阻断周围来水。在径流小区底部出口设置引流槽，将整个小区的地表径流及泥沙导入到小区出口下方带体积刻度的径流桶中，以测定地表径流泥沙总量。试验区收获的玉米秸秆年最大干重为0.8 kg/m²，因此设置秸秆覆盖用量为0，0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m²，每个秸秆覆盖处理各设置2次重复，共计设有10个径流小区。在小区建设完成后，采集小区0—20 cm土样，测试初始土壤理化性质，具体包括土壤容重1.2 g/cm³，土壤有机质含量3.9 g/kg，全氮含量0.5 g/kg，土壤pH为8.5。将秸秆按20 cm一段截取，置于清水中洗净以去除秸秆表面的浮尘等杂物，之后取出晾干并均匀覆盖于地表。

2023年7月在径流小区开展野外模拟降雨试验，采用组合式侧喷人工模拟降雨系统进行试验。该试验装置由供水系统与降雨系统组成，通过调节供水流量与喷头出流孔参数以精准控制降雨强度。在每轮模拟降雨前，均进行降雨强度的校准，确保试验雨强为90 mm/h。利用降雨器进行小雨强预降雨，以便使各小区土壤含水量一致。

1.3 样品采集与分析

雨强校准后开始模拟降雨试验，在观察到径流时开始计时，模拟降雨时间共计持续60 min。降雨中，前10分钟每隔2分钟采集一次径流和泥沙混合样品，后50分钟每隔5分钟采集一次径流泥沙样品。每场模拟降雨共采集15个样品。采集结束后对径流桶中的径流泥沙体积进行读数，用2个经去离子水润洗过的塑料瓶（500 ml）采集混合样品，其中一瓶作为储备样品保存，另一瓶带回实验室进行相关指标的测定。

首先测定混合样品的总体积及分离泥沙后的径流体积，将分离得到的泥沙置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，测得泥沙质量和浓度。再将分离后的径流过0.45 μm醋酸纤维素膜抽滤，得到抽滤的径流，于冰箱4 ℃避光保存。根据室内分析得到的径流、泥沙浓度，与试验测得的总体积换算后得到各降雨时间的产流量和产沙量。其中，室内试验分析在每场模拟降雨取得样品的72 h内完成。另一瓶混合样品作为储备样品储存，需-18 ℃冷冻储存，以供后期实验室分析。采用酚二磺酸分光光度法测定NO₃^--N^［16］，采用靛酚蓝法测定NH₄⁺-N^［16］。

1.4 数据处理与分析

每场模拟降雨的产流率、产沙率分别由下式计算：

R_{\mathrm{r}}=V{Q}_{\mathrm{r}}/Q_{t}tA（1）

S_{\mathrm{r}}=m{Q}_t/tA（2）

式中：R_r为产流率〔L/（min · m²）〕；S_r为产沙率〔g/（min · m²）〕；V为降雨时测定的径流和泥沙的总体积（L）；Q_r为室内分析测定的样品的径流体积（L）；Q_t 为室内分析测定样品的径流和泥沙的总体积（L）；m为室内分析时烘干泥沙恒重（g）；t为取样间隔（min）；A为野外径流小区面积（m²）。

每场模拟降雨的N流失量由下式计算：

L=c\times Q_r（3）

式中：L为N流失量（mg）；c为室内分析测定样品中N的流失浓度（mg/L）；Q_r为室内分析测定样品的径流体积（L）。

每场模拟降雨的平均产流率、平均产沙率、累积N流失量和平均N流失浓度分别由下式计算：

A_{\mathrm{r}}=Q/TA（4）

A_{\mathrm{s}\mathrm{r}}=S/TA（5）

A_n={\displaystyle \sum _{n=\mathrm{1}}^{\mathrm{15}}}\left(\frac{V_n{Q}_{rn}{C}_n}{Q_{tn}}\right)（6）

A_{\mathrm{c}}=A_n/Q（7）

式中：A_r为平均产流率〔L/（min · m²）〕；A_sr 为平均产沙率〔g/（min · m²）〕；A_n 为累积N流失量（mg）；A_c为平均N流失浓度（mg/L）；Q为累积径流量（L）；S为累积产沙量（g）；T为每场模拟降雨总降雨历时（60 min）；A为径流小区面积（m²）；V_n 为每场模拟降雨中第n个样品测定的径流和泥沙的总体积（L）；Q_rn 为每场模拟降雨中第n个样品室内分析测定的样品的径流体积（L）；Q_tn 为每场模拟降雨中第n个样品室内分析测定样品的径流和泥沙的总体积（L）；C_n 为每场模拟降雨中第n个样品测得的N浓度（mg/L）；n为正整数（1≤n≤15）。

通过Microsoft Excel 2019平台完成数据预处理和基础计算，运用SPSS 26统计软件开展统计分析。采用单因素方差分析（ANOVA）检验不同处理间各变量的差异显著性；采用Pearson相关分析检验各变量间的相关性。在相关分析基础上，构建回归模型以建立不同变量间的数学关系。本文显著水平设置为p<0.05为关系显著，p<0.01为关系极显著。使用Origin 2022软件进行相关图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆覆盖用量下产流与产沙变化

不同秸秆覆盖用量下产流率和产沙率随降雨历时变化如图1所示。不同秸秆覆盖用量下，产流率随降雨历时表现为快速上升—动态平衡的变化模式。不同秸秆覆盖用量下，产沙率随降雨历时表现为快速上升—缓慢下降—动态平衡的变化模式。产流率和产沙率均在降雨历时10 min左右达到峰值。

不同秸秆覆盖用量下坡面平均产流率和平均产沙率不同（图2）。与0 kg/m²秸秆覆盖用量相比，0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量处理对平均产流率无显著影响。与0 kg/m²秸秆覆盖用量相比，0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量处理的平均产沙率显著降低17.07%，41.99%，66.95%和60.01%（p<0.05）。0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量处理的平均产沙率降低效果显著高于0.2 kg/m²秸秆覆盖用量处理（p<0.05）。

2.2 不同秸秆覆盖用量下NO₃^--N和NH₄⁺-N流失变化

NO₃^--N和NH₄⁺-N流失浓度、流失量随降雨历时变化如图3所示。不同秸秆覆盖用量下，NO₃^--N和NH₄⁺-N流失浓度随降雨历时表现为快速上升—缓慢下降—动态平衡的变化模式。不同秸秆覆盖用量下，NO₃^--N和NH₄⁺-N的流失量均表现为快速上升—动态平衡的变化模式。不同秸秆覆盖用量下，NO₃^--N和NH₄⁺-N的流失浓度、流失量均在降雨历时10~20 min内达到峰值。

NO₃^--N和NH₄⁺-N平均流失浓度、累积流失量在不同秸秆覆盖用量下的差异性分析如图4所示。NO₃^--N流失浓度和流失量远大于NH₄⁺-N。秸秆覆盖对地表径流中NO₃^--N平均流失浓度无显著影响，且0.2，0.4 kg/m²秸秆覆盖用量处理的NO₃^--N平均流失浓度小于0.6 kg/m²秸秆覆盖用量处理。与0 kg/m²秸秆覆盖用量处理相比，0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量处理的NO₃^--N累积流失量分别显著降低19.86%，16.80%，14.35%和29.69%（p<0.05）。各处理下NH₄⁺-N平均流失浓度和累积流失量大小顺序均为0.6 kg/m²>0 kg/m²>0.4 kg/m²>0.2 kg/m²>0.8 kg/m²，但各处理之间无显著差异，且0.6 kg/m²秸秆覆盖用量处理的NH₄⁺-N平均流失浓度和累积流失量大于0 kg/m²秸秆覆盖用量处理。

2.3 不同秸秆覆盖用量下NO₃^--N和NH₄⁺-N流失与产流产沙的关系

秸秆覆盖用量和产流产沙及NO₃^--N， NH₄⁺-N流失相关关系如表1所示。结果表明，秸秆覆盖用量与产沙率呈显著负相关（p<0.05），NH₄⁺-N流失量与NO₃^--N流失浓度和NH₄⁺-N流失浓度均呈显著正相关（p<0.05），产流率与NO₃^--N流失量呈极显著正相关（p<0.01）。为探究秸秆覆盖用量对产沙率、产流率对NO₃^--N流失量的影响，对其进行回归分析，结果如图5所示。秸秆覆盖用量与产沙率之间存在显著的线性关系，产沙率随着秸秆覆盖用量的增大呈现减小趋势。产流率与NO₃^--N流失量之间存在极显著线性关系，NO₃^--N流失量随着产流率的增大呈现增大趋势。

3 讨 论

3.1 不同秸秆覆盖用量对产流产沙的影响

随着降雨历时的增加，产流率表现为快速上升—动态平衡的变化模式。这是因为高强度降雨初期，超渗产流迅速发生，导致产流率骤升，随着降雨持续湿润、下渗，土壤的入渗能力逐渐降低趋于稳定，因此产流率呈现动态变化。产沙率随降雨历时表现为快速上升—缓慢下降—动态平衡的变化模式，这与孙佳美等^［17］的研究结果一致。高强度的降雨对土壤的打击作用很强，使土体崩解为更细小颗粒，堵塞土壤孔隙，降低土壤水分入渗，大量细颗粒被迅速搬运，因此在降雨初期，产沙率达到最大值^［18］。随着降雨进行，土壤表层形成结皮，可搬运的材料减少，使得产沙率呈减小至稳定的趋势^［19］。

研究结果表明，秸秆覆盖可显著减少产流率和产沙率。一般来说，高秸秆覆盖用量比低秸秆覆盖用量降低产流率效果好^［12］。一方面随着秸秆覆盖用量增高，地表粗糙度显著增大，能够促进雨水在地表分散，降低径流流速，从而延缓产流和减少水流功率^［20］，另一方面秸秆覆盖用量越高的坡面，其腐解后输入土壤的有机质越多，能够显著降低土壤容重、提高土壤含水量，进而提高土壤的抗蚀性和蓄水能力^［21］。但在本研究中，不同秸秆覆盖用量下的产流率差异不显著，这可能是因为高雨强下雨滴对土壤表层打击作用更强烈，促进土壤颗粒分散压实，导致表层土壤孔隙体积减小并堵塞，从而在地表形成结皮，导致土壤入渗能力降低^［19］。这会削弱秸秆覆盖通过延缓产流和改善土壤理化性质来减小地表径流量的作用，因而导致不同秸秆覆盖用量之间的产流率均无显著差异。秸秆覆盖用量与产沙率呈线性负相关关系，这与Li等^［22］研究结果相似。这是由于与裸坡相比，秸秆覆盖显著增加地表覆盖度，可有效阻止坡面溅蚀、减小坡面径流量并吸收降雨动能，进而减小坡面上可被径流搬运的泥沙和径流的携沙力，使得秸秆覆盖用量越高其产沙率越小^［11］。

3.2 不同秸秆覆盖用量对NO₃^--N和NH₄⁺-N流失的影响

研究发现，NO₃^--N和NH₄⁺-N流失浓度在产流初期最大，一方面是因为产流初期表层土壤N含量较高，沉积物—水界面氮浓度梯度大，促进N从土壤向地表径流扩散加速流失，另一方面，降雨动能和雨滴击溅促进了土壤中的N溶解进入地表径流^［23］。随着降雨的持续进行，流失浓度总体呈现先下降后波动变化的趋势，这与Wu等^［24］的研究结果相似。其原因可能是土壤逐渐被压实，部分N随降雨渗入土壤深层，需要经过广泛的片流才能从土壤中溶解出来^［25］，因此流失浓度有所下降。本试验中，秸秆覆盖能够增加地表粗糙度、削减雨水的冲刷溅蚀、就地拦截泥沙、减少土壤N的大量溶出等改变了土壤养分的迁移过程^［26］，这使后期NO₃^--N和NH₄⁺-N流失浓度呈波动变化趋势。

本研究发现，秸秆覆盖显著降低NO₃^--N流失量，且最大的秸秆覆盖用量降低效果最好。将秸秆覆盖于裸露地表，可避免雨水对土壤的直接击溅作用，进而有效减少径流和泥沙损失，以及伴随的N养分流失^［11］。此外，腐解的秸秆能够有效改善土壤理化性质，增强土壤抗蚀能力，减少养分流失^［21］。秸秆腐解会提高土壤碳氮比，刺激微生物将土壤中的NH₄⁺-N固定为自身生物量，降低土壤中NH₄⁺-N含量并减少流失^［27］。本研究发现秸秆覆盖处理对NH₄⁺-N的流失浓度和流失量有削减效果，但各秸秆覆盖处理之间效果差异均不显著。这可能是因为一方面秸秆覆盖时间相对较短，对NH₄⁺-N含量的影响不显著，另一方面高强度降雨对地表的打击作用剧烈，且部分溶解态氮受径流下渗作用的影响渗入土壤深层^［28］，导致秸秆覆盖减少养分流失的效果无显著差异。研究发现，NO₃^--N流失浓度和流失量远大于NH₄⁺-N，这是因为土壤颗粒带负电荷，带正电荷的铵根离子容易被土壤黏粒矿物胶体所吸附固持，而硝酸盐离子带负电荷，与土壤颗粒互相排斥，更容易溶解于水中，极易随降水产流流失^［13］。因此，本研究得出产流率与NO₃^--N流失量呈极显著线性关系。研究发现0.6 kg/m²秸秆覆盖用量处理下NH₄⁺-N流失浓度和流失量大于0 kg/m²秸秆覆盖用量处理。这与Guo等^［29］研究结果类似，他们认为秸秆覆盖在拦截径流的同时延长了径流与土壤颗粒的接触时间，促进了N的溶解流失。

4 结 论

（1） 秸秆覆盖条件下随降雨历时增加产流率呈现先增加后波动变化的趋势，产沙率呈现先增加后减少的趋势。与秸秆覆盖用量为0 kg/m²相比，0.4，0.6，0.8 kg/m²秸秆覆盖用量的平均产沙率分别降低41.99%，66.95%和60.01%（p<0.05），秸秆覆盖对产流率有削减效果，但差异不显著。

（2） 随降雨历时变化，秸秆覆盖条件下NO₃^--N和NH₄⁺-N的流失浓度呈现先增加后减少的趋势，流失量呈现先增加后波动变化的趋势。与秸秆覆盖用量为0 kg/m²时相比，布设秸秆覆盖能显著降低紫色土坡耕地的NO₃^--N流失量14.35%~29.69%（p<0.05）。秸秆覆盖对NO₃^--N， NH₄⁺-N的流失浓度和NH₄⁺-N流失量无显著影响。

（3） 回归分析表明平均产流率与NO₃^--N累积流失量、秸秆覆盖用量与平均产沙率存在显著线性关系（p<0.05）。随秸秆覆盖用量增加，产流产沙和NO₃^--N， NH₄⁺-N流失呈现减小趋势。研究结果为紫色土区合理配施秸秆覆盖及坡耕地农业面源污染防控提供理论依据。

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基金资助

国家重点研发计划课题(2023YFF1305204)

国家自然科学基金项目(42107347)

重庆市技术创新与应用发展专项(CSTB2023TIAD-GPX0045)