彭嘉宇 區(qū)惠平 周柳強 黃金生 謝如林 朱曉暉 曾艷 譚宏偉 劉潔云

摘要：通過分析甘蔗‖貓豆間作模式的合理性，旨在為蔗區(qū)徑流污染的削減及面源污染治理提供理論依據(jù)。采用田間徑流小區(qū)試驗，設(shè)置不同甘蔗‖貓豆間作密度，觀測并記錄降雨量、穿透雨量，統(tǒng)計貓豆生育期內(nèi)的徑流次數(shù)、徑流量、泥沙量、徑流中的氮磷含量，并進行相關(guān)性分析，研究不同間作密度下的地表徑流、泥沙及氮磷流失量的差異及甘蔗‖貓豆間作對氮磷流失的削減作用。結(jié)果表明，甘蔗冠層下穿透雨率有隨著降雨量的增加而升高的趨勢，間作處理的平均穿透雨率為54.7%～71.9%，與單作甘蔗相比，間作甘蔗地表徑流流失量降低了8.7%～24.9%，泥沙平均流失量減少了8.5%～23.2%，總氮、總磷流失量分別減少了13.25%～25.97%、6.71%～42.28%，其中硝態(tài)氮的流失量大于銨態(tài)氮的流失量，分別占總氮量的52.98%～53.94%、12.48%～15.36%。穿透雨率與總磷流失量、徑流量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.80、0.77，總氮流失量、硝態(tài)氮流失量、總磷流失量與徑流量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.73、0.80、0.85，氮、磷流失量與徑流量的產(chǎn)生規(guī)律基本一致。甘蔗與貓豆間作能減少因暴雨產(chǎn)生的徑流流失，與貓豆間作時株距為1～2 m的效果最優(yōu)，可有效消減坡耕地蔗區(qū)徑流造成的氮、磷流失。

關(guān)鍵詞：甘蔗；貓豆；間作；氮磷流失

中圖分類號：S566.106；S157??文獻標志碼：A??文章編號：1002-1302（2023）09-0234-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：32060293）；廣西重點研發(fā)計劃（編號：桂科AB21196049）；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室開放基金（編號：AESMA-OPP-2019003）；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項（編號：桂農(nóng)科2021YT036）；廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技發(fā)展基金（編號：桂農(nóng)科2019ZX124、2019ZX125）。

作者簡介：彭嘉宇（1987—），男，廣西桂平人，碩士，助理研究員，主要從事植物營養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究。E-mail：pjy8086@163.com。

通信作者：譚宏偉，研究員，主要從事植物營養(yǎng)與肥料研究。E-mail：

間作是一種可以高效利用資源的種植模式，在滿足作物高產(chǎn)的同時又能夠保持水土、減少農(nóng)田地表徑流量［1-2］。目前，關(guān)于玉米的間作研究已經(jīng)得到系統(tǒng)開展，且結(jié)論較為一致，通過間作可以提高玉米的地表覆蓋度，同時可有效提高土壤肥力、延遲地表徑流的初始發(fā)生時間，從而促進玉米根系發(fā)育、有效減少玉米農(nóng)田地表徑流量和養(yǎng)分流失量，有助于作物高產(chǎn)，同時也能保持水土［3-6］。甘蔗的種植行距普遍在1 m以上，如果在甘蔗封行前遇上強降雨，地表徑流使地表裸露，更易造成水土流失。處于苗期的甘蔗對水、光及養(yǎng)分資源的供給并不敏感，此時對光熱資源的利用并不充分［7］。目前，國內(nèi)外研究者依據(jù)生物的互利共生原則探討了甘蔗‖西瓜、甘蔗‖南瓜、甘蔗‖大豆、甘蔗‖花生等多種甘蔗間作模式的產(chǎn)量效應(yīng)，以期達到充分利用資源、增產(chǎn)增效、用養(yǎng)相結(jié)合的目的。目前關(guān)于甘蔗間作對地表徑流消減效應(yīng)的報道較少，且模式以甘蔗套種花生為主?；ㄉ诙蹋言诟收岱庑星暗?月底收獲，廣西地區(qū)的雨季集中于每年的4—9月，且77%的地表徑流發(fā)生在6—8月［8-9］。因此，選擇收獲期滯后于集中強降雨期的間作作物對甘蔗地地表徑流氮、磷污染的消減至關(guān)重要。

貓豆［Mucuna pruriens （L.） DC.］為豆科藜豆屬一年生蔓生作物，由于其生長迅速、生命力旺盛，與甘蔗間作后可優(yōu)化甘蔗根際的微生物群落結(jié)構(gòu)，增強生物多樣性，改善蔗田的土壤養(yǎng)分供給，是夏季常用的綠肥［10-11］。貓豆的生育期與甘蔗同步，并且營養(yǎng)生長期與降雨集中期同步，刈割后形成的甘蔗冠層、貓豆冠層、貓豆覆蓋層等立體空間可有效起到多次攔截的作用。由此推測，采用甘蔗‖貓豆間作能確保甘蔗產(chǎn)量，同時有效消減坡耕地蔗區(qū)徑流污染。本研究開展于2020年，通過徑流小區(qū)試驗的方式分析不同甘蔗‖貓豆間作密度下地表徑流、泥沙及氮磷流失量的差異及其對氮磷流失的削減作用，以期篩選出合理的甘蔗‖貓豆間作模式，為蔗區(qū)徑流污染的削減及面源污染治理提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗點基本情況

試驗地位于廣西南寧市武鳴區(qū)廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院里建基地（23.242 75°N，108.054 5°E），試驗地屬濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔120 m，光熱資源充足，年平均氣溫21.7 ℃，年平均日照時數(shù)1 660 h，多年平均降雨量達1 300 mm。供試土壤為發(fā)育于砂頁巖的赤紅壤，基本理化性質(zhì)如下：pH值5.9，有機質(zhì)含量26.5 g/kg，全氮含量1.03 g/kg，硝態(tài)氮含量1.90 mg/kg，銨態(tài)氮含量4.80 mg/kg，堿解氮含量112.00 mg/kg。

1.2?試驗設(shè)計

供試甘蔗品種為桂糖42。本試驗中的處理如下：（1）單作甘蔗（CK）；（2）甘蔗‖貓豆間作，貓豆株距3 m（T-1處理）；（3）甘蔗‖貓豆間作，貓豆株距2 m（T-2處理）；（4）甘蔗‖貓豆間作，貓豆株距1 m（T-3處理）。試驗按隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)3次重復(fù)，各處理施肥量見表1。貓豆種植在甘蔗行間，當(dāng)高度為120 cm時進行首次刈割，此后待貓豆長至100 cm高時刈割1次，留茬高度為40 cm，將貓豆莖葉覆蓋于種植溝進行原位還田。徑流小區(qū)的設(shè)計參考秦芳等的方法［12］。所有施肥處理的氮肥為尿素，其余處理的磷、鉀肥用量相同，其中磷肥為過磷酸鈣（P2O5），施用量為112.50 kg/hm2，鉀肥為氯化鉀（K2O），施用量為375.00 kg/hm2。分基肥（100%磷肥+5%鉀肥+25%尿素）、分蘗肥（65%鉀肥+40%尿素）、伸長肥（30%鉀肥+35%尿素）施用。

試驗開始于2020年，小區(qū)面積為55 m2，種植5行甘蔗，行距為1 m，每行設(shè)置60段雙芽苗，每個小區(qū)設(shè)置300段雙芽苗，共600段芽，種植密度為 54 545段/hm2 （以雙芽段計）。小區(qū)四周用塑料膜包裹田埂，避免小區(qū)間水分的串流及側(cè)滲。新植甘蔗于3月9日播種，貓豆于5月16日播種，分別于5月10日、6月26日施用分蘗肥、伸長肥，將肥料撒施于種植溝后進行覆土。本試驗采用典型的雨養(yǎng)甘蔗方法，全生育期內(nèi)不灌溉，病蟲害管理等與當(dāng)?shù)卦耘嗔?xí)慣一致。

1.3?樣品的采集

穿透雨的測定采用內(nèi)徑10.7 cm、外徑 11.6 cm、高14.3 cm的塑料量杯作為雨量收集容器，在甘蔗行間布置，共布置3排，每排連續(xù)擺放5個測量杯，共擺放15個測量杯。降雨事件發(fā)生后，讀取測量杯穿透雨的體積。統(tǒng)計貓豆生育期內(nèi)的徑流次數(shù)、降雨量、徑流量及徑流中氮、磷含量，根據(jù)當(dāng)?shù)卮?、夏季較多發(fā)生降雨的特點，選取24 h降雨量25 mm以下的降雨事件統(tǒng)計穿透雨率［13］。采用體積法測定產(chǎn)流產(chǎn)沙量，于每次降雨事件后測定徑流桶內(nèi)的徑流量。收集桶內(nèi)的徑流與泥沙充分攪勻后，用塑料樣品瓶采收徑流泥沙樣，再用烘干法（105 ℃）測定其中的泥沙量。徑流小區(qū)設(shè)置自動氣象站，帶有雨量計，自動記錄降雨參數(shù)。

穿透雨率為單位面積單位時間內(nèi)的穿透雨量與其相應(yīng)的降雨量的比率，計算公式如下：

穿透雨率=穿透雨量（mm）降雨量（mm）×100%。

地表徑流中氮、磷流失量的計算公式如下：

式中：P為氮、磷流失量；Ci為每次徑流水中氮、磷的濃度；Vi為徑流水量。

1.4?測定分析

將徑流樣品靜置，充分沉淀后，過濾100 mL上清液用于測定地表徑流中的總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、可溶性磷含量，分別用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、靛酚藍比色法、紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法進行測定。土壤中的有機質(zhì)、全氮含量分別用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法進行測定；pH值用無CO2的蒸餾水浸提（液料比設(shè)為 2.5 mL ∶?1 g），再用電位滴定法測定；土壤用氯化鉀浸提（液料比設(shè)為5 mL ∶?1 g），分別用靛酚藍比色法、紫外分光光度法測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量；用擴散法測定土壤中的堿解氮含量。

1.5?數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010、Origin 8.0軟件進行整理及作圖，用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析，用Duncans新復(fù)極差法進行多重比較。

2?結(jié)果與分析

2.1?試驗區(qū)降雨特征

由圖1可以看出，2020年試驗區(qū)的總降雨量達1 246.3 mm，其中6、7、9月的降雨量最多，分別為268.7、173.9、185.1 mm，4—9月的降雨量占全年降雨量的72.5%。單日最大降雨量出現(xiàn)在6月5日，達到88.0 mm，其次為9月7日，達到68.7 mm，全年單日降雨量超過50.0 mm的共有3 d，其中67%出現(xiàn)在6—9月。2020年影響廣西的臺風(fēng)有4個，數(shù)量接近常年，可能由于試驗區(qū)離臺風(fēng)中心較遠，沒有遭遇100.0 mm以上的大暴雨，使得觀測結(jié)果未受到臺風(fēng)天氣的重大影響。

2.2?甘蔗與貓豆間作條件下甘蔗的冠下穿透雨分布特征

如圖2所示，在與貓豆以不同株距間作時，試驗區(qū)甘蔗冠層下穿透雨率隨著降雨量的增加而升高，當(dāng)降雨量為6.4～18.1 mm時，CK、T-1、T-2、T-3處理的平均穿透雨率分別為75.1%、71.9%、54.7%、58.5%。從各處理結(jié)果看，甘蔗間作貓豆處理的平均穿透雨率低于甘蔗單作的處理，T-2、T-3處理的平均穿透雨率低于T-1處理，在較高貓豆間作密度處理下，冠下穿透雨率整體小于較低貓豆間作密度的處理。

2.3?自然降雨下的地表徑流量

試驗區(qū)的地表徑流量見圖3。6—9月為2020年降雨的主要集中期，在種植貓豆后共發(fā)生了6次地表徑流事件，其中67.7%的地表徑流事件集中在6—7月，各處理最大徑流量、最小徑流量分別出現(xiàn)在6月5日、6月24日，2次降雨量分別為88.0、33.2 mm，自然降雨量與地表徑流量的變化大體相同。觀測期內(nèi)地表徑流產(chǎn)流峰值出現(xiàn)在6月5日，當(dāng)日不同處理間的地表產(chǎn)流量總體表現(xiàn)為CK＞T-1 處理＞T-2處理＞T-3處理。6—9月T-1、T-2、T-3處理的地表產(chǎn)流量分別較CK降低了8.7%、24.9%、23.58%，說明間作貓豆能減少暴雨發(fā)生時甘蔗地的地表徑流量。各處理之間以T-2處理的平均產(chǎn)流量最少，當(dāng)貓豆間作株距為2 m時，降低緩坡甘蔗地徑流量的效果最優(yōu)。

2.4?不同間作處理對泥沙流失量的影響

由表2可知，CK處理的泥沙流失量最高，每年的泥沙平均流失量為2 538.2 kg/hm2，T-2處理的泥沙流失量最低，每年的泥沙流失量平均為 1 949.8 kg/hm2。在降雨產(chǎn)流過程中，間作貓豆處理的泥沙流失量均小于甘蔗單作處理，通過間作貓豆，每年平均泥沙流失量比單作甘蔗減少了8.5%～23.2%，T-2、T-3處理的徑流量顯著小于CK處理。但同為間作貓豆的T-1、T-2與T-3處理的泥沙流失量差異較大，這與間作貓豆的不同株距有關(guān)，地表徑流中泥沙流失量的差異受到作物種植密度、地表植被覆蓋程度的影響。

2.5?不同處理對地表徑流總氮濃度的影響

由圖4可以看出，觀測期內(nèi)的地表徑流總氮濃度為4.60～10.03 mg/L之間，且各處理的地表徑流中總氮濃度呈現(xiàn)先升高后平穩(wěn)的趨勢。T-1、T-2、

T-3處理與CK的徑流中總氮濃度分別為6.03～9.38、5.92～8.88、4.60～9.55、6.63～10.03 mg/L。

2.6?不同處理對地表徑流中總磷濃度的影響

如圖5所示，觀測期內(nèi)地表徑流總磷濃度為0.52～2.30 mg/L，T-1、T-2、T-3處理與CK的徑流銨態(tài)氮濃度變化范圍分別為0.52～1.53、0.57～2.30、0.58～2.05、0.65～2.00 mg/L，各處理間的總磷濃度波動較大。

2.7?地表徑流中氮、磷的含量特征

由圖6、圖7可以看出，各處理中硝態(tài)氮含量占總氮比例的變化范圍為54.48%～57.14%，銨態(tài)氮含量占總氮比例的變化范圍為12.07%～16.23%，其他氮含量占總氮含量比例的變化范圍為27.01%～33.46%，可溶性磷含量占總磷含量比例的變化范圍為10.54%～17.60%。徑流水樣中銨態(tài)氮含量要低于硝態(tài)氮含量，地表徑流中的無機氮以硝態(tài)氮為主。

2.8?甘蔗與貓豆間作條件下地表徑流中氮、磷的流失特征

由表3可知，各處理地表總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷、可溶性磷的流失量分別為7.04～9.51、3.73～5.09、0.98～1.35、1.01～1.49、0.10～0.16 kg/hm2，間作貓豆處理的徑流氮、磷流失總量均低于甘蔗單作處理。其中T-1、T-2處理的總氮、硝態(tài)氮流失量顯著低于CK處理，與CK處理相比總氮流失量分別減少了24.71%、25.97%，硝態(tài)氮流失量分別減少了24.95%、26.72%，T-2、T-3處理的銨態(tài)氮流失量顯著低于CK處理，與CK處理相比銨態(tài)氮流失量分別減少了27.41%、23.70%，T-1處理的總磷流失量顯著低于CK處理，與CK處理相比減少了42.28%。就各形態(tài)氮而言，硝態(tài)氮流失量＞銨態(tài)氮流失量，分別占總氮量的52.98%～53.94%、12.48%～15.36%，流失的氮以硝態(tài)氮為主。

2.9?氮磷與水土流失量的相關(guān)關(guān)系

對氮、磷及水土流失量進行進一步分析，由表4發(fā)現(xiàn)總氮、硝態(tài)氮、總磷流失量與徑流量達到極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為?0.73、0.80、0.85，徑流小區(qū)的氮、磷流失量與徑流量基本趨同，同時穿透雨率與總氮流失量、徑流量之間呈顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.80、0.77，與總氮、硝態(tài)氮流失量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.68和0.62。

3?討論

3.1?降雨量與徑流流失量的關(guān)系

農(nóng)田土壤中氮、磷元素主要通過降雨造成的徑流流失進入水體環(huán)境，是農(nóng)業(yè)面源污染中主要的污染源，可使地表水體富營養(yǎng)化、硝酸鹽淋溶并在地下水中富集等，同時降低肥料利用率，產(chǎn)生一系列不利于社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的問題［14-16］。土壤養(yǎng)分的流失量、流失形態(tài)受到季節(jié)降雨特征、降雨量、降雨強度和降雨方式等因素的影響［17-18］。覆蓋度是影響緩坡蔗區(qū)地表產(chǎn)流量的重要因素，降雨由于受到作物葉片的阻滯，減少了對土面的直接沖刷，同時減少了地表產(chǎn)流量，廣西的雨季主要從5月份開始，5—9月的降雨量占全年的86.98%［8］。在本研究中，全年單日降雨量超過50 mm的共有3 d，其中67%出現(xiàn)在6—9月，單日最大降雨量出現(xiàn)在6月5日，達到88 mm，地表徑流產(chǎn)流峰值也在該日出現(xiàn)，表明地表徑流量與降水量的變化趨同。

3.2?甘蔗間作貓豆對降雨再分配及水土流失量的影響

作物植被通過對降雨進行再分配，從而增大入滲、減小徑流，起到防治土壤侵蝕、改善土壤結(jié)構(gòu)的作用［19］。間作模式增加了高低落差的層次，在相同降雨條件下，相較于單作時的1次緩沖，雨滴經(jīng)高稈植株攔截后濺落至低矮稈作物時，形成2次緩沖，可以增加地表糙率，減弱雨滴沖擊地表的動能，增加徑流形成所需時間，從而減少地表徑流產(chǎn)生的次數(shù)，促使雨水滲入到土體中［20］。此外，間作模式下的根形分布更加錯綜復(fù)雜，加強了根系纏繞固結(jié)作用，進一步使固土保水能力得到增強［21］。甘蔗在降雨到達地面前改變了其空間分布，部分降雨經(jīng)冠層截留后順莖稈流下，地表沒有雨滴的直接打擊，減少了由于濺蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕。前人研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗冠下穿透雨率隨葉面積指數(shù)的增大而減少，到成熟期下降至49%［19］。在本研究中，甘蔗與貓豆間作處理的平均穿透雨率為54.7%～71.9%，均低于甘蔗單作的處理，其中T-2、T-3處理的平均穿透雨率低于T-1處理，說明增加貓豆間作密度，冠下穿透雨率有降低的趨勢，表明在小到中雨的降水強度下，甘蔗間作貓豆具有減少降雨直接接觸地表的作用，從而起到保持水土的效果。已有研究結(jié)果表明，與單作高粱、單作豇豆相比，高粱/豇豆間作分別可使徑流流失減少20%～30%、45%～55%［22-23］；與單作玉米相比，玉米‖紅三葉草間作可以使徑流顯著降低45%～87%，土壤侵蝕顯著降低46%～78%［24］。在本研究中，甘蔗與貓豆間作處理的泥沙流失量均小于甘蔗單作處理，通過間作貓豆，每年的泥沙平均流失量比單作甘蔗減少了9.4%～22.9%，間作處理的地表徑流量、泥沙產(chǎn)生量總體均表現(xiàn)為減少，與前人研究結(jié)果較一致。隨著貓豆種植密度的增大，甘蔗冠層內(nèi)穿透雨率差異變大，可能是隨著種植密度增加，葉尖逐漸向行間伸展增加了隨機性，同時葉尖水滴向下方形成匯集出水，使分布變得更不均勻。

3.3?甘蔗間作貓豆對地表徑流氮、磷流失量的影響

間作在控制農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失方面表現(xiàn)出了顯著的降低作用，傅志興等研究發(fā)現(xiàn)，與單作模式相比，玉米‖青花菜和馬鈴薯可消減84.2%的總磷量［25］。與單作玉米、單作大豆相比，玉米‖大豆間作分別可使徑流中總磷含量降低25.6%、12.2%［26］。渭北旱塬坡耕地玉米‖苜蓿間作模式總磷、總氮的損失量分別比單作模式減少10.0、0.1 mg/kg［27］。在本研究中，與CK處理相比，甘蔗與貓豆間作的T-1、T-2處理的總氮流失量分別減少了24.71%、25.97%，硝態(tài)氮流失量分別減少了24.95%、26.72%。甘蔗與貓豆間作處理的總磷流失量少于甘蔗單作處理，其中T-1、T-2處理與CK相比差異達到顯著水平，與CK處理相比分別減少了42.28%、32.21%，但是可溶性磷的流失量波動較大，變化差異不顯著，可能由于施入的磷元素容易在土壤中被固定，使得大多數(shù)磷富集在土壤表層，而雨季多暴雨，降水強度高且持續(xù)性強，表土中顆粒態(tài)磷容易在降雨產(chǎn)流過程中隨水和泥沙的遷移而流失，另外酸雨的發(fā)生在一定程度上也促進了泥沙中磷素的溶解［28-29］。總體上看，地表徑流量和氮磷流失量受到間作措施的影響較大，通過間作貓豆能有效降低蔗地徑流量、氮磷流失量。

4?結(jié)論

通過甘蔗與貓豆間作，能降低甘蔗冠層下穿透雨率，減少因暴雨產(chǎn)生的徑流流失，相比單作甘蔗，地表產(chǎn)流量降低了8.7%～24.9%，泥沙流失量減少了8.5%～23.2%。當(dāng)間作貓豆株距在1～2 m時，對減少緩坡甘蔗地徑流中氮、磷養(yǎng)分流失的效果最優(yōu)，相比單作甘蔗，總氮、總磷流失量分別減少了13.25%～25.91%、6.71%～42.28%，可見甘蔗與貓豆間作能有效消減坡耕地蔗區(qū)徑流中的氮、磷流失。

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