农业面源污染是现代农业生产中普遍存在的环境问题，主要表现为农田氮磷等养分流失导致的土壤质量退化和水土富营养化[1]，而氮磷排放量主要取决于土壤养分浓度、降雨强度、土壤质地、地形地貌、施肥方式等条件的影响[2]。目前，有关农业面源污染发生机制及控制措施等研究已成为农业面源污染防控的主要热点[3]。

三峡库区是中国典型的水土流失严重发生区，由于长期人为对土地过度开发利用，农业活动不科学不合理，土壤退化和面源污染的问题已引起国内外广泛关注[4,5,6]。近年来，对三峡库区面源污染防治已开展大量研究工作，主要集中在植物配置模式削减地表径流和氮磷流失[1,2]，保护性耕作对土壤养分的影响[4]，坡地耕作模式筛选[7,8]，施肥方式优化减量[6]，种植模式控制土壤侵蚀和养分流失[5]，面源污染防控体系构建[9]，以及施肥管理对农业产量的影响[10,11]等方面。然而，大多数研究主要针对单项面源污染防控技术开展，而将施肥方式与植物配置措施相结合进行面源污染防治的研究仍旧不足。

柑橘园是三峡库区坡耕地种植面积最大的农业生产类型[12]，截至2016年，柑橘园占三峡库区农用地面积的35.84%[11]，且主要分布在库区低海拔河谷地带且临近库区水体的区域。由于农户在柑橘园经营过程中长期严重依赖大量施用肥料来获取高产，且盲目过量不合理施肥，不仅增加种植成本，且极易引起农业面源污染发生，严重威胁三峡库区水质生态安全[7]。因此，如何有效控制水肥合理投入，科学优化管理措施，提升肥料的利用率，降低肥料流失对环境污染风险，已成为三峡库区柑橘产业可持续发展的关键[13]。基于此，本研究以三峡库区常规施肥柑橘园和水肥一体化柑橘园为研究对象，配置以植物篱和生草覆盖等植物措施，研究不同施肥管理方式和水保措施配置对柑橘园土壤氮磷养分和地表径流氮磷养分流失的影响，旨在为库区农业面源污染防控和柑橘园经营管理提供科学依据。

1、材料与方法

1.1研究区概况

试验地点位于湖北省宜昌市秭归县茅坪镇，地处三峡库区西陵峡地段，是湖北省著名的柑橘种植区。气候属亚热带大陆性季风气候，年均温18℃，年均空气相对湿度77%，无霜期307天，年均日照时数1624.8h，年均降雨量为991.90mm,5—9月降雨量占全年总降雨量的70%。土壤类型为花岗岩母质出露发育的石英砂土，土质疏松，保水保肥性较差，土壤侵蚀严重。海拔500m以上主要以马尾松(Pinusmassoniana)次生林和松栎混交林为主，间有灌木林、荒草地夹杂；500m以下多以经济作物为主，包括茶叶(Camelliasinensis)、板栗(Castaneamollissima)、柑橘(Citrusreticulata)，少量耕地零星种植花生(Arachishypogaea)、玉米(Zeamays)、红薯(Ipomoeabatatas)等[5]。

1.2试验设计

2018年，在常规管理柑橘园和水肥一体化柑橘园内，选择立地条件基本一致，坡度在15°左右坡面修建6个5m×10m径流小区作为试验观测小区。每个径流小区四周用混凝土砖块切成围埂，高出地表25cm，埋深25cm，小区下面修建矩形集水槽，承接小区径流和泥沙，并连接径流池，同时用石棉瓦遮盖以防止降雨及其他因素干扰。共设计6个处理：常规施肥(CF)、常规施肥+生草覆盖(CF+GC)、常规施肥+生草覆盖+植物篱(CF+GC+PH)、水肥一体化(IWF)、水肥一体化+生草覆盖(IWF+GC)、水肥一体化+生草覆盖+植物篱(IWF+GC+PH)，每个处理未设重复。生草覆盖利用人工播撒光叶苕子(Viciavillosa)草籽进行人工生草，用籽量为37.5kg/hm2。植物篱为沿水平种植3带栽植黄花菜(Hemerocalliscitrine)等高植物篱，篱宽30cm，株距10cm，交错栽植。

施肥方案：（1）常规施肥：12月份开大槽，深度60～70cm，环施草木灰1260kg/hm2、尿素1260kg/hm2、复合肥252kg/hm2。3月份环施复合肥472.5kg/hm2和饼肥630kg/hm2;7月份底穴施复合肥472.5kg/hm2，总施肥量折纯氮、磷和钾含量分别为778.98、88.29、173.19kg/hm2。（2）水肥一体化施肥：12月份按比例1:1环施饼肥和有机肥作为基肥，用量为3750kg/hm2。3—8月利用水肥一体化设备分6次施入N:P:K为20:20:20的水溶性肥，且含有微量元素，用量约为504kg/hm2，总施肥量折纯氮、磷和钾含量分别为175.74、55.26、126.0kg/hm2。不同管理类型柑橘园土壤施基肥前基本化学性质见表1。

1.3样品采集及测定

1.3.1样品采集方法

土样采集结合常规施肥柑橘园施肥规律，分别于2019年4、7、11月在每个径流区的上、中、下部避开施肥区域设置3个采样点，取样深度为30cm，装入自封袋带回实验室，土样充分混匀、自然风干、过筛后用于分析土壤化学分析。径流水样监测时间为2019年6—9月，每次降雨产生径流后于次日上午采集，样品收集完后清扫集水槽和径流池，以免对下次样品产生污染。水样保存于4℃恒温冰箱，在48h内完成样品分析。

1.3.2分析方法

土样和水样主要检测指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3-N)。土样TN采用半微量开氏法测定，TP采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定，NH4+-N和NO3--N采用KCL溶液提取后利用化学间断分析仪测定；水样TN采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法，TP采用钼酸铵分光光度法，NH4+-N和NO3--N采用化学间断分析仪测定其质量浓度。试验区安装1套自动气象站（型号：天析）用于观测大气温度、降雨等数据，2019年基本气象数据见图1。应用Excel2010软件进行试验数据统计分析并作图。

表1土壤基本理化性质

图12019年试验点大气温度和降雨量特征

2、结果与分析

2.1不同管理措施下柑橘园土壤氮、磷含量变化

不同管理措施下柑橘园土壤总氮、总磷、铵态氮和硝态氮含量结果见图2。各处理土壤总氮含量平均值变化范围为1.02～2.52g/kg，表现为IWF+GC>IWF+GC+PH>IWF>CF+GC+PH>CF+GC>CF,IWF+GC处理是CF处理的2.43倍，采取水肥一体化施肥处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)土壤总氮含量较常规施肥处理(CF,CF+GC,CF+GC)平均高了92.37%。配置生草覆盖和植物篱等措施均不同程度提高了土壤总氮含量，平均增加的比例范围为17.30%～39.10%。比较不同月份各处理总氮含量发现，各处理均以4月份最低，7月和11月均表现为增加，且配置植物措施处理(CF+GC,CF+GC+PH,IWF+GC,IWF+GC+PH)均较无植物措施处理（CF和IWF）高（图2A）。

本研究仅测定了不同管理措施柑橘园在4月和7月的土壤总磷含量，其结果见图2B。各处理土壤总磷平均含量变化范围为2.35～3.36g/kg，表现为IWF>IWF+GC>IWF+GC+PH>CF+GC+PH>CF+GC>CF，水肥一体化施肥处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)较常规施肥处理(CF,CF+GC,CF+GC)平均高了32.45%。同时，7月份均较4月份总磷含量明显上升，平均增加了16.25%～107.09%，主要可能与7月份施肥有关，但配置生草覆盖和植物篱对土壤总磷并无规律影响。

各处理柑橘园土壤硝态氮含量变化范围为7.53～13.74mg/kg，大小排序为IWF>CF+GC>CF>IWF+GC+PH>IWF+GC>CF+GC+PH，施肥方式以及配置生草覆盖和植物篱对土壤硝态氮未表现出规律影响（图2C）。随着月份的增加，常规施肥处理(CF,CF+GC,TCF+GC+PH)和水肥一体化处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)间变化存在差异，其中CF、CF+GC、CF+GC+PH处理呈逐渐降低趋势，而IWF、IWF+GC、IWF+GC+PH处理呈先升高后降低趋势。

不同处理柑橘园土壤铵态氮含量平均值变化范围为0.92～2.00mg/kg，大小排序为CF+GC+PH>IWF+GC+PH>CF+GC>IWF+GC>IWF>CF，可见配置生草覆盖和植物篱措施能够明显提升土壤铵态氮含量（图2D）。随着月份的增加，常规施肥和水肥一体化柑橘园土壤铵态氮变化存在差异，其CF、CF+GC、CF+GC+PH处理呈先升高后降低趋势，而IWF、IWF+GC、IWF+GC+PH处理则呈逐渐升高趋势。

图2不同管理措施下柑橘园土壤氮磷含量动态变化

2.2不同管理措施下柑橘园地表径流量变化

2019年6—9月共产生地表经流6次，径流观测结果见图3。随着降雨量的增加，地表径流量均呈逐渐增加的趋势。比较不同管理模式柑橘园的地表径流量可知，以CF处理最高，IWF+GC+PH处理最低，实施水肥一体化管理可有效降低地表径流的发生。同时，配置生草覆盖和植物篱措施均明显降低了地表径流量，其中对于常规施肥柑橘园，CF+GC处理和CF+GC+PH处理较CF处理平均减少了61.42%和72.05%，而水肥一体化柑橘园中，IWF+GC处理和IWF+GC+PH处理较IWF处理平均减少了38.05%和52.21%，可见生草覆盖+植物篱较单一措施具有更好的削减地表径流效果。

图3不同管理措施对柑橘园地表径流量的影响

2.3不同管理措施下柑橘园地表径流氮、磷养分浓度特征

氮磷对水体富营养化起关键作用，因此随地表径流产生的氮磷流失是面源污染发生的重要因素[8]。由图4A可知，在6—9月观测期，各处理地表径流中总氮平均含量为14.41～23.07mg/L，以IWF处理最高，CF处理次之，以IWF+GC+PH处理最小。从同一雨次比较不同处理间，无论是常规施肥处理(CF,CF+GC,TCF+GC+PH)还是水肥一体化处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)，配置植物篱和生草覆盖均可有效降低总氮流失，减小比例范围为15.39%～37.55%。

由图4B可知，各处理间地表径流中总磷平均含量为0.69～2.07mg/L，表现为CF>CF+GC>IWF>CF+GC+PH>IWF+GC>IWF+GC+PH。在同一降雨强度下，水肥一体化处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)径流总磷含量均低于常规施肥处理(CF,CF+GC,TCF+GC+PH)，且二者均表现出配置植物措施更能有效降低地表径流总磷流失。同时，水肥一体化处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)在7月11日前，地表径流的总磷含量基本都低于0.5mg/L，而7月11日之后则维持在1.0mg/L，而常规施肥处理(CF,CF+GC,TCF+GC+PH)则表现出先高后低。

不同处理地表径流铵态氮和硝态氮含量变化结果见图4C和4D，各处理间地表径流中铵态氮平均含量为1.74～3.18mg/L，占径流总氮含量的比例为10.97%～15.29%，硝态氮平均含量为8.23～19.62mg/L，占径流总氮含量的比例在50.54%～85.04%，说明不同管理措施柑橘园地表径流氮流失仍以硝态氮为主。由图4C可知，各处理地表径流铵态氮含量以CF处理最高(3.18mg/L),IWF+GC+PH处理最低(1.74mg/L)，水肥一体化处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)径流中铵态氮含量较常规施肥处理(CF,CF+GC,CF+GC+PH)降低了9.01%～20.34%。由图4D可知，各处理地表径流硝态氮含量在19.62～8.23mg/L，表现为IWF>IWF+GC>CF>IWF+GC+PH>CF+GC>CF+GC+PH，土壤养分较高的水肥一体化处理(IWF,IWF+GC,IWF+GC+PH)较常规施肥管理(CF,CF+GC,CF+GC+PH)具有较高的硝态氮流失风险，且植被配置模式可削减水体硝态氮含量25.34%～47.96%。

3、结论

笔者通过综合考虑施肥管理方式和植物配置，对比分析不同管理措施对柑橘园土壤养分及地表径流氮磷养分流失的影响，主要结论如下：（1）相较常规施肥管理柑橘园，水肥一体化管理平均提高土壤总氮和总磷含量分别为92.37%和32.45%，配置生草覆盖和植物篱等措施平均提升土壤总氮含量增加比例为17.30%～39.10%。施肥方式以及配置生草覆盖和植物篱对土壤硝态氮未表现出规律影响，配置生草覆盖和植物篱措施能够明显提升土壤铵态氮含量。土壤氮磷养分含量变化与施肥时间存在明显联系。（2）水肥一体化管理可有效降低柑橘园地表径流的发生，配置生草覆盖和植物篱措施均明显降低了地表径流量，平均降低了38.05%～72.05%，以水肥一体化+生草覆盖+植物篱(IWF+GC+PH)处理地表径流量最低。（3）水肥一体化柑橘园地表径流中TN和NO3--N浓度相对较高，而TP和NH4+-N浓度则相对较低。同时，配置植物措施可降低TN浓度比例15.88%～37.55%,TP浓度比例23.48%～55.54%,NH4+-N浓度比例14.11%～39.92%,NO3--N浓度比例25.34%～47.96%。

图4不同管理措施对柑橘园地表径流水中氮、磷浓度的影响

4、讨论

一直以来，农户过于依赖肥料大量施用来获取高产，但长期过量施用化肥导致柑橘园肥料增产能力和利用率却不断下降[14]，进而引起土壤退化和农业面源污染。合理地耕作方式和地表植被覆盖方式能够显著改善地表状况和土壤特性[15]，且施肥方式、施肥种类和灌溉方式等对土壤养分分布产生影响[11]。本研究中，相较常规施肥管理柑橘园，水肥一体化管理平均提高土壤总氮和总磷含量分别为92.37%和32.45%，配置生草覆盖和植物篱等措施平均促使土壤总氮含量增加比例为17.30%～39.10%。产生此结果的主要原因：一是水肥一体化管理技术可根据作物不同生理阶段的水肥需求和土壤供给缺口，以保证土壤养分的持续稳定，施肥属少量多次且采用滴灌方式，可适时、准确地将水肥供给作物吸收利用[7]；二是植物篱和生草覆盖在其稳定后，根系的穿插作用以及绿肥干枯腐解后向土壤中提供大量有机质及养分[16]，且配置植物措施扩大了果园土壤对氮磷的缓冲能力[8]，有效阻滞径流与侵蚀泥沙携带的氮磷养分损失[15]，进而提高了土壤氮磷养分含量。另外，笔者发现施肥方式以及配置生草覆盖和植物篱对土壤硝态氮不具有规律性影响，而配置生草覆盖和植物篱措施能够明显提升土壤铵态氮含量，这可能主要与硝态氮易于溶于土壤溶液，遇强降雨便于损失，而铵态氮易被土壤胶体吸附，不易随径流损失有关[2,17]，配置植物措施通过影响地表泥沙和径流而对土壤硝态氮和铵态氮产生差异性影响。

已有研究表明，影响土壤氮磷养分流失的因素包括降雨量、降雨强度、土壤母质、地形地貌、植被覆盖、土壤利用方式和施肥措施等[11,18]，肥料施用量是影响地表径流中氮、磷质量浓度的关键因素[19]，施肥量增加的同时，氮磷面源污染负荷也在增加[8]。本研究结果支持此结论，施肥方式改变也会影响坡地泥沙和径流损失量[6]，水肥一体化管理柑橘园明显较常规施肥柑橘地表径流量低，且不同施肥时间也对地表径流养分浓度均会产生明显影响。这与许多研究结果类似，如黄丽华等[20]采用水肥一体化对梨、大豆、玉米等作物氮肥影响发现，相比常规施肥管理，梨、大豆、玉米单位产量氮肥消耗量分别降低了22.8%、26.6%、30.8%，氮流失量分别削减45.2%、14.5%和26.3%，可见采用水肥一体化管理可以有效减少肥料用量并改进了肥料施用技术，对土壤养分流失具有显著效果。同时研究也发现，水肥一体化管理柑橘园地表径流中氮磷元素含量在多数阶段较常规柑橘园高，这可能与施肥量和施肥周期有关，水肥一体化属于少量多次持续性施肥，导致土壤氮含量维持高水平，而常规施肥则单次施肥量较大，仅在前期由于过量施肥导致氮磷养分在土壤中富集，从而导致径流中养分较高[5]，而后期则较低，因此合理调控肥料施用量和施肥频次，寻找适宜的水肥投入对于水肥一体化管理也十分必要[13]。

另外，本研究中在水肥一体化管理和常规施肥管理柑橘园配置生草覆盖和植物篱措施均明显降低了地表径流量，平均降低了38.05%～72.05%，以水肥一体化+生草覆盖+植物篱(IWF+GC+PH)处理地表径流量最低。配置植物措施可降低TN浓度比例15.88%～37.55%,TP浓度降低23.48%～55.54%,NH4+-N浓度降低14.11%～39.92%,NO3--N浓度降低25.34%～47.96%，这主要是果园中配置水保型植物措施通过增加土壤覆盖度，降低雨滴对地表的直接溅蚀，增加土壤水分渗透量，进而降低了径流流速，减少了土壤养分流失[2,3]。这与多数研究结果相一致，如张杰等[21]对红壤坡地柑橘园植物措施、耕作措施、工程措施+植物措施、工程措施等对径流养分流失和土壤理化性质影响研究发现，植物措施稳定后，在减流减沙、减少养分流失及土壤改良等水土保持综合效益方面表现最优。李太魁等[2]在丹江口柑橘园以生草覆盖方式套种绿肥发现，在相同施肥水平下，自然生草和人工生草处理可极显著降低果园径流各形态氮磷的流失量[8]，土壤氮磷流失量分别仅有清耕处理的2.44%和13.26%。张洋等[1]对三峡库区农桑配置对地表氮磷流失的影响发现，农桑配置方式能够显著阻抗地表径流和氮磷流失，铵态氮降低幅度为5.88%～29.4%，硝态氮22.2%～29.6%，全氮12.8%～43.6%，全磷19.3%～58.6%，可溶性磷10.7%～55.7%。因此，在果园中进行生草覆盖和植物篱等水保措施配置，对于控制土壤养分流失具有重要意义。

由上可知，不同施肥阶段对土壤养分含量以及和径流氮磷流失均存在动态影响，这是因为同一作物不同时期对养分的需求也不同[22]，而人为管理方式差异会造成土壤和水体养分产生较大变化[23]。因此，为了有效降低三峡库区柑橘园面源污染发生，建议当地农户应根据柑橘对肥水的需求规律，通过科学调整施肥时间和施肥方式、改变施肥种类和施肥量，以达到保证土壤内有效氮磷含量的同时，减少氮磷流失量的目的[5]。另外，应着重考虑植物型水保措施对减少养分扩散的影响，如种植等高植物篱、生草覆盖、保护性耕作以及坡改梯等措施[8,24]，通过改变微地形或增加地表覆盖延长径流发生时间，进而进一步减少随地表径流的养分流失，提高肥料利用率，减缓面源污染发生强度和频度。

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