桂東北坡地果園生草栽培減流減沙效應

李婷婷, 何鐵光, 俞月鳳, 董文斌, 韋彩會, 唐紅琴, 李忠義

(1.廣西大學 農(nóng)學院, 廣西 南寧 530004; 2.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 廣西 南寧 530007)

坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙受多因素影響，其中植物和坡度影響顯著。果園生草栽培于20世紀40年代興起[1]。早在1961年，Perrier[2]對果園生草栽培進行了研究。1998年果園生草作為綠色果品生產(chǎn)技術(shù)在我國進行推廣。在果園中種植適生草本植物或保留園中有益原生植被，可防治水土流失、維持坡地果園健康發(fā)展[3-6]。有多數(shù)研究學者已針對不同植物措施的減流減沙效應等研究開展不少工作，如張賢明等[7]認為雀稗可在紅壤果園發(fā)揮較好的水土保持作用，王恒松等[8]在喀斯特石漠化區(qū)，定量研究發(fā)現(xiàn)典型鄉(xiāng)土植物刺梨在自然降雨條件下，可對坡耕地起到減流減沙作用；謝頌華等[9]在南方紅壤丘陵區(qū)的研究結(jié)果表明喬—草模式與對照相比可減流90%以上；黃炎和等[10]針對果園生草方式與土壤侵蝕的關系分析也得到了相同的研究結(jié)果。但大多數(shù)不同植物之間的對比多集中在同一坡度的比較，而忽視了即便在相同降雨條件下，水土流失狀況會因坡度差異而存在較大不同。如杜捷等[11]的模擬放水沖刷試驗結(jié)果表明減沙效益與坡度有顯著相關性，王蕙等[12]采用人工模擬降雨方式研究了紅壤坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流率產(chǎn)沙量與坡度呈正相關關系。而較多的野外試驗表明坡面產(chǎn)沙存在臨界坡度，如，文雅琴等[13]針對黔東北喀斯特地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究表明，隨著坡度增大，產(chǎn)沙量表現(xiàn)為先增大后減小，25°是臨界坡度；郭軍權(quán)等[14]針對坡度與坡面淺溝侵蝕產(chǎn)沙的野外放水沖刷試驗研究表明產(chǎn)沙量也呈現(xiàn)同樣的趨勢，只是臨界坡度不同。

桂東北果園多為金桔園，金桔產(chǎn)值高，是重要的經(jīng)濟支柱。然而金桔園多開墾于坡度為10°～50°的山區(qū)，母質(zhì)大多為砂頁巖，土層薄，加上常年清耕，地表裸露，抗蝕性弱，坡耕地易導致該區(qū)域水土流失，果園狀況堪憂。關于生草栽培和坡度對坡地果園減流減沙效應的研究，之前的研究者較少考慮兩者綜合作用及相對貢獻影響，同時大多數(shù)研究只考慮外源引入草種對坡面減流減沙的影響，較少考慮經(jīng)區(qū)域自然界優(yōu)勝劣汰法則篩選出的自然草種[15]的產(chǎn)流侵蝕規(guī)律及與外源草種的緩流固土能力對比。因此，本研究選用外源草種雀稗和自然汰選草種白花藿香薊，以清耕作為對照，基于野外自然降雨條件下不同坡度各處理產(chǎn)生地表徑流量和土壤流失量的數(shù)據(jù)，研究了2種生草栽培減流減沙效果，剖析生草栽培和坡度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的作用，旨在能為桂東北坡地果園的水土保持提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設在廣西桂林市陽朔縣白沙鎮(zhèn)石塘村金龜洞屯張家果園(110°28′59.33″N，24°50′3.44″E)，果園土壤母質(zhì)是砂頁巖，土壤類型為紅壤，pH值為4.5～5.5。陽朔縣年均氣溫和年均降雨量分別為19 ℃和1 640 mm，日照為1 465 h，處亞熱帶季風氣候。由于長期果園種植，原生植物遭到破壞，現(xiàn)存植物多為果樹，果園其余地表多為裸露狀態(tài)。

1.2 研究方法

供試金桔品種為實生苗，2001年定植，東西距向，南北行向，株行間距3 m×2.5 m，樹高3.5 m左右，冠幅3 m左右。根據(jù)《水土保持試驗規(guī)程(SL419-2007)》建設徑流小區(qū)的要求及當?shù)毓麍@實況，2017年6月30日徑流場順坡而建，南向，水平投影面積為20 m(長)×3 m(寬)，徑流場兩側(cè)邊建于金桔樹行間距(3 m)的1.5 m處，徑流場小區(qū)邊界用材料為防水ASA合成樹脂瓦，插入土壤(深25±5 cm)固定，地上露出25±5 cm在徑流場附近的空曠處，安裝慧云智能種植監(jiān)控系統(tǒng)記錄降雨過程和降雨量。在試驗設計中，坡度范圍為0～15°，15°～30°，30°～45°，實際山體坡度分別對應為12°，23°和42°。每個坡度設3種處理：雀稗、白花藿香薊、清耕(對照)。同樣的坡度(即同一個處理)進行3次重復，每個坡度有9個徑流場小區(qū)，同一個坡度的徑流場并排分布在一起，共計27個徑流場小區(qū)。清耕即試驗過程中采用人工鋤草的辦法，以保持地面無草。陽朔金桔園每年11月至翌年3月采取蓋膜方式保果，雀稗和白花藿香薊于2018年3月在徑流小區(qū)內(nèi)人工撒播，撒播量為30 kg/hm2。2018年6月開始觀測，試驗監(jiān)測時間為6—11月。結(jié)合本研究實際情況，通過對程琴娟等[16]和曹梓豪等[17]針對相對作用大小的計算方法的借鑒和改進，計算不同生草栽培和坡度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)。以最小坡度(12°)作為基準，計算任意坡度X°(23°，42°)下各因素引起的坡面產(chǎn)流量增量和產(chǎn)沙量增量,取絕對值，計算公式為：

PLB=QL(X°)-QL(12°)

CLB=CL(X°)-QL(X°)

ZLC=PLB+CLB

Pi=PLB/ZLC

Ci=CLB/ZLC

式中：PLB為坡地引起的產(chǎn)流變化量；QL為清耕產(chǎn)流量；CLB為由生草引起的坡面產(chǎn)流變化量；CL為生草栽培產(chǎn)流量；ZLC為總產(chǎn)流變化量；Pi為坡度對坡面產(chǎn)流量影響的相對貢獻指數(shù)；Ci為生草對坡面產(chǎn)流量影響的相對貢獻指數(shù)。按照此理可計算出生草栽培和坡度對坡面產(chǎn)沙量影響的相對貢獻指數(shù)。

1.3 徑流泥沙觀測與數(shù)據(jù)處理

試驗過程中，每日降雨量觀測時間段為當日8：00 am至次日8：00 am，24 h內(nèi)發(fā)生的所有降雨合并為1場降雨量。次日上午8：00測量不同處理徑流小區(qū)集流池中水面所在刻度值，根據(jù)集流池面積計算徑流量，之后用木棍將集流池中的泥水攪拌，使泥和水充分混合均勻后，用600 ml塑料瓶取樣。每次取樣后，將集流池用清水清洗干凈。將樣品帶回室內(nèi)過濾，烘干，稱量，計算，測定泥土重量(t/hm2)。根據(jù)集流池體積推算得到的徑流量，結(jié)合徑流泥沙濃度，計算土壤流失量。采用SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

從2018年6月5日至2018年11月3日，試驗區(qū)共降雨44次，降雨量共827.58 mm。6，7及8月分別降雨5，2和8次，9，10和11月分別有18，10及1次降雨。發(fā)生小雨，中雨，大雨，暴雨和大暴雨次數(shù)分別占測定時期總降雨次數(shù)的61.36%，11.35%，15.91%，9.09%和2.27%。小雨是該區(qū)此時段內(nèi)降雨的主要類型。暴雨級別的降雨在6，7，8，9，10月均有發(fā)生，7月甚至出現(xiàn)了一次大暴雨。其中，有8次降雨形成地表徑流(表1)，占測定時期總降雨次數(shù)的18.18%，產(chǎn)生地表徑流的8場降雨中暴雨級別的占50%。

表1 研究區(qū)坡面產(chǎn)流的8場降雨量

2.2 不同坡度下的徑流量和土壤流失量

不同坡度下各試驗小區(qū)的水土流失情況如圖1—2所示。不同生草措施對坡面產(chǎn)流均有一定的控制效果。同一降雨條件下，同一處理的坡面產(chǎn)流量隨著坡度增大而逐漸增多，當坡度為12°，23°和42°時，清耕地面徑流量分別為81.06，131.71及159.59 mm。而雀稗和白花藿香薊兩種生草栽培可有效降低小區(qū)徑流。12°坡度條件下，與清耕相比，雀稗和白花藿香薊減少徑流分別為50.35%，28.85%；23°坡度條件下，雀稗與白花藿香薊分別比清耕減少徑流39.05%，26.96%；42°坡度條件下，雀稗與白花藿香薊比清耕減少徑流分別為33.06%，21.89%。隨著坡度增大，生草栽培的控制效果減弱。坡面產(chǎn)沙量隨著坡度增大而增大。相對于清耕，采取生草栽培的小區(qū)的坡面產(chǎn)沙量明顯降低，泥沙減少比例均在40%以上。但不同生草栽培產(chǎn)生的土壤治理效果不同，其中，雀稗效果最好，均在65%以上。當坡度為12°時，相對比于清耕，雀稗泥沙減少百分比達77%，白花藿香薊泥沙減少比例為47%；當坡度為23°時，雀稗和白花藿香薊泥沙減少比例分別為68.03%和45.73%；當坡度為42°時，雀稗減少泥沙比率為67.09%,白花藿香薊減少泥沙比率為41.65%。坡度越大，生草栽培對土壤流失治理效果有所降低。

圖1 研究區(qū)不同生草措施3個坡度下各小區(qū)產(chǎn)流量

圖2 研究區(qū)不同生草措施3個坡度下各小區(qū)產(chǎn)沙量

2.3 降雨量與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的關系

由表2可知，當坡度為12°時，所有處理的坡地產(chǎn)流量與降雨量呈顯著的線性相關關系(p<0.05)，而只有雀稗與白花藿香薊處理的坡地土壤流失量與降雨量的關系顯著，說明在12°坡度下，降雨量對雀稗及白花藿香薊的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量起主要的貢獻作用。當坡度為23°時，白花藿香薊與清耕的坡面產(chǎn)流量與降雨量呈顯著的線性相關關系(p<0.05)。在低坡度下，降雨量對雀稗及白花藿香薊坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙起主要作用。

2.4 坡度與生草栽培對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對貢獻

由表3可知，坡度、生草栽培及兩者之間的交互作用對坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均有極顯著的影響(p<0.001)。由圖3—4可知，雀稗和白花藿香薊對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)隨著坡度增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而坡度的相對貢獻指數(shù)呈逐漸上升趨勢。以23°為界限，當坡度<23°時，雀稗和白花藿香薊對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻下降明顯，坡度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻明顯增加；當坡度>23°后，生草和坡度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻變化幅度減小。當坡度為23°時，雀稗對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)分別為0.50和0.67，而白花藿香薊對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)分別為0.41，0.57；當坡度為42°時，雀稗對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)分別為0.40，0.58，而白花藿香薊對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)分別為0.31和0.47，說明在同樣的坡度下，雀稗對坡面的影響大于白花藿香薊。在42°坡度條件下，種植雀稗時，坡度對坡面產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)為0.41，低于雀稗；而同樣的坡度條件下，種植白花藿香薊時，坡度對坡面產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)為0.53，高于白花藿香薊。

表2 降雨量與坡面產(chǎn)流量產(chǎn)沙量線性回歸分析

注：Y為坡面產(chǎn)流量(m3/hm2)，X為降雨量(mm)，S為土壤流失量(t/hm2)； *表示在p<0.05水平顯著相關。

表3 坡度與生草類型對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的雙因素方差分析結(jié)果

注：***表示因素對產(chǎn)流量或產(chǎn)沙量的影響極顯著(p<0.001)。

圖3 雀稗與坡度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻分析

圖4 白花藿香薊與坡度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的貢獻分析

3 討 論

生草栽培可發(fā)揮緩流減蝕作用[18]，原因在于提高了植被蓋度[19]，增強土壤水分入滲能力[20-21]，植物根系增加了邊坡穩(wěn)定性[22-23]，減緩土壤侵蝕。本研究中，在12°，23°和42°坡度條件下，兩種生草栽培模式均明顯降低降雨造成的坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，但不同生草栽培的作用存在差異。相對于清耕，雀稗表現(xiàn)優(yōu)于白花藿香薊，說明草種生物學性狀影響坡面減流減沙效果，雀稗莖稈觸地生根，根系在地表形成網(wǎng)格狀，莖葉繁茂，而白花藿香薊根系是直根系，單株生長，互不相連，且成熟期的白花藿香薊莖稈挺立，葉片較雀稗稀疏。進一步說明草種之間的葉面積指數(shù)及植被蓋度的差異導致緩解雨水直接沖刷的能力不同，同時，草種根系在土壤表層中形成的特定網(wǎng)絡特征，改善下墊面狀況，減緩流速及減小水流中攜帶的泥沙含量，另外根系自身具有吸水和保水特性，從而減少土壤侵蝕。修正后的通用土壤流失方程(RUSLE)預測，坡度與產(chǎn)沙量之間的關系為冪函數(shù)和線性函數(shù)[24]。本研究中，同一生草栽培條件下，隨著坡度的增加，土壤流失量增大，與多數(shù)野外自然降雨條件下存在臨界坡度影響土壤流失量大小的研究結(jié)果[13-14]不一致，原因可能是降雨特征及下墊面具有區(qū)域特征性。降雨量、雨強、降雨時長等降雨特征對水土流失的影響多地已有研究[25-28]，但區(qū)域降雨特征存在差異，需因地制宜進一步探討。

坡度、生草栽培及兩者的交互作用對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙均有極顯著的影響，與馬波等[29]結(jié)果一致。隨著坡度增加，雀稗、白花藿香薊對坡面產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量的貢獻指數(shù)基本下降，而坡度的貢獻指數(shù)基本呈上升趨勢，說明隨著坡度增大，坡度的作用逐漸增大，與曹梓豪的研究結(jié)果一致[17]，而生草栽培的作用逐漸減弱。當坡度<23°時，雀稗和白花藿香薊對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的作用大于坡度，這與李秋艷等[30]研究認為當坡度<25°時，采取植物措施可減少水土流失的結(jié)果一致。我國《水土保持法》第14條明確規(guī)定“禁止在25°以上陡坡地開墾種植農(nóng)作物”，中央[1998]15號文件指出25°以上陡坡地應該退耕還林，表明當坡度>25°后，土壤侵蝕程度會迅速加重，土壤退化嚴重。本研究中當坡度升高到42°時，坡度對坡面產(chǎn)沙的作用大于白花藿香薊，而雀稗對坡面產(chǎn)沙的相對貢獻高于坡度，占主導作用，說明在高坡度的山地選擇適合的草種可以有效緩解因坡度而引起水土流失的增強效應。綜上，一定的坡度范圍內(nèi)，雀稗和白花藿香薊均能增強土壤抗蝕性，超過一定坡度時，雀稗的坡面減沙效果優(yōu)于白花藿香薊。

4 結(jié) 論

(1) 試驗期間，當坡度為12°時，降雨量對雀稗及白花藿香薊的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙有顯著影響。

(2) 隨著坡度增大，同一生草栽培坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量增加。相對于清耕，雀稗減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量分別為33.06%～50.35%和67.09%～77%，白花藿香薊減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量分別為21.89%～28.85%及41.65%～47%，雀稗減流減沙效果優(yōu)于白花藿香薊。

(3) 在生草栽培和坡度對紅壤坡地果園的產(chǎn)流產(chǎn)沙影響中，生草栽培、坡度及兩者的交互作用對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙均有極顯著的影響；在生草栽培和坡度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的交互作用下，生草栽培的作用隨坡度的增加而逐漸減小，而坡度的作用逐漸增強，但雀稗對坡面產(chǎn)沙的相對貢獻指數(shù)始終高于坡度。