不同樹齡坡地果園土壤養(yǎng)分和水質(zhì)特征

孫莉英，裴 亮，馬 凌，栗清亞，吳 輝，陳臘嬌

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4.浙江傳媒學(xué)院 智能媒體技術(shù)研究院，浙江 杭州 310018；5.中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

隨著人口增加及人地矛盾的提升，坡地果園不斷被開發(fā)并逐漸成為贛南地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)[1-2]。然而傳統(tǒng)的果園清耕或粗放式整地等不合理的坡地開發(fā)方式，造成了贛南紅壤丘陵區(qū)坡地果園嚴重的水土流失和土壤養(yǎng)分流失，導(dǎo)致坡地土壤生產(chǎn)力下降和下游水體富營養(yǎng)化等生態(tài)與環(huán)境問題[3-6]。因此，亟需分析紅壤丘陵區(qū)坡地果園開發(fā)對土壤肥力及非點源污染的影響，為坡地果園精細化管理及水保措施優(yōu)化配置提供科學(xué)參考，為紅壤丘陵區(qū)坡地果園經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

關(guān)于南方紅壤區(qū)不同水保措施對水土流失及土壤養(yǎng)分的調(diào)控效果已有大量研究[6-11]，結(jié)果表明南方紅壤坡地果園土壤養(yǎng)分受水土保持措施、施肥、除草、病蟲害防治、經(jīng)營模式、果樹生長等諸多因素影響，植物措施可有效控制水土流失與養(yǎng)分流失，其調(diào)控效果與植物種類、土壤性質(zhì)和水文過程密切相關(guān)。例如，陳志等[3]研究指出植被覆蓋可有效控制土壤總氮和總磷的遷移，提高紅壤坡地土壤養(yǎng)分，減少養(yǎng)分隨降雨徑流的流失。劉銀等[4]研究表明不合理的經(jīng)營模式是導(dǎo)致黃果柑坡地果園土壤養(yǎng)分下降的主要原因，集體經(jīng)營模式優(yōu)于散戶經(jīng)營模式。張展羽等[11]研究了紅壤坡地果園土壤養(yǎng)分流失對植被措施的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明果園氮磷流失以水土流失所導(dǎo)致的泥沙攜帶為主，果樹+百喜草覆蓋可有效控制氮磷的流失。熊偉等[12]研究指出合理的施肥技術(shù)既可有效提高果園營養(yǎng)元素的利用率，也可有效降低果園徑流中氮磷元素，從而影響水體水質(zhì)。目前，紅壤丘陵區(qū)坡地果園的生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)隨開發(fā)年份的變化特征已經(jīng)引起了學(xué)者的關(guān)注。例如，Tu等[9]利用觀測小區(qū)試驗研究了水保措施15年內(nèi)減水減沙效果。Qiang等[10]研究了西南地區(qū)柑橘果園開發(fā)年份對土壤微生物群落和酶活性的影響。然而，土壤養(yǎng)分及塘壩水體水質(zhì)隨果園開發(fā)及水保措施實施年份的變化規(guī)律及機制尚不清晰。因此，本研究通過實地采樣、室內(nèi)測試和統(tǒng)計分析，探討贛南相似水保措施和果園管理措施下不同樹齡坡地果園土壤養(yǎng)分和水質(zhì)變化規(guī)律，揭示贛南坡地果園養(yǎng)分流失與果園塘壩水體水質(zhì)間的關(guān)系，可為紅壤丘陵坡地果園精細開發(fā)、水保措施優(yōu)化配置及果園綜合效益提升提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

在典型南方紅壤丘陵區(qū)，選取五個不同樹齡坡地果園為研究區(qū)域(圖1和圖2)：①大路背果園(0年樹齡)，位于江西省寧都縣石上鎮(zhèn)(26°39′46″～26°40′03″ N，116°07′02″～116°07′33″ E)，果園面積為0.25 km2；②小洋村果園(3年樹齡)，位于江西省寧都縣固厚鄉(xiāng)小洋村(26°16′41″～26°18′42″ N，116°04′35″～116°06′24″ E)，果園面積為0.44 km2；③桐口村果園(6年樹齡)，位于江西省寧都縣會同鄉(xiāng)桐口村(26°32′24″～26°32′46″ N；116°04′01″～116°04′34″ E)，果園面積為0.34 km2；④吳家含果園(9年樹齡)，位于江西省寧都縣梅江鎮(zhèn)吳家村(26°42′02″～26°42′26″ N；116°00′38″～116°01′03″ E)，果園面積為0.26 km2；⑤蓮坊塘果園(15年樹齡)，位于江西省寧都縣會同鄉(xiāng)上壇村附近(26°29′38″～26°29′57″ N；116°04′38″～116°05′10″ E)，果園面積為0.24 km2。

圖2 不同樹齡坡地果園全景圖Fig.2 Panoramic view of slope orchardswith different tree ages

五個不同樹齡坡地果園同屬于贛南梅川江流域，具有相似的自然條件，地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為18.9 ℃，多年平均降水量為1 550.6 mm。降水年內(nèi)分配不均，主要集中在4～6月，約占全年降水量的49.8%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，年降水量最大為2 438.9 mm，主汛期降水量772 mm，地貌類型以低山、丘陵為主。五個不同樹齡坡地果園均按照“頂林、腰果、谷農(nóng)、底漁”農(nóng)林復(fù)合開發(fā)技術(shù)形成水土流失綜合防治體系，在坡面修建梯田，前埂后溝，梯壁植草，結(jié)合坡面地形特征修建蓄水池、沉沙池、路網(wǎng)排水溝、水平竹節(jié)溝等水系調(diào)控設(shè)施，可有效控制水土流失。

1.2 土壤樣品采集與分析方法

采用五點采樣法進行土壤采樣，兼顧均勻、等量和多點混合的原則[13-14]，充分考慮地形因子影響，均勻布設(shè)采樣點：0年果園布設(shè)8個采樣點，3年果園布設(shè)6個采樣點，6年果園布設(shè)11個采樣點，9年果園布設(shè)8個采樣點，15年果園布設(shè)10個采樣點。以布設(shè)的采樣點為中心，制定30 m×30 m樣方，分別在樣方的中心點和四個頂點依次用梅花形采樣法[14]采集土樣，并記錄五點的經(jīng)緯度。取樣時去掉表面凋落物和土壤中的植物根系、礫石等雜物，取0～10 cm左右的土壤，采集土壤重量約為0.5 kg。

土壤性質(zhì)測定包括總氮(TNs)、總磷(TPs)、總鉀(TKs)和有機質(zhì)(SOM)。測定TNs，TPs，TKs，SOM前，將土樣自然風(fēng)干，研磨過篩(標準檢驗篩，GB/T6003.1-2012，目數(shù)：100；孔徑：0.15 mm)，備用。根據(jù)參考文獻[15]，采用TOC分析儀測定SOM，采用凱氏定氮法測定TNs，采用鉬酸銨分光光度法測定TPs，采用火焰光度計法測定TKs。

1.3 水樣采集與分析方法

根據(jù)各果園塘壩水體特征，沿塘壩水體橫斷面平均布設(shè)采樣點：0年果園布設(shè)4個采樣點，3年果園布設(shè)10個采樣點，6年果園布設(shè)5個采樣點，9年果園布設(shè)6個采樣點，15年果園布設(shè)5個采樣點。按照《水質(zhì)·采樣技術(shù)指導(dǎo)》(GB 12998-91)[16]規(guī)定進行地表水采樣，采集樣品按照《水質(zhì)采樣·樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(GB 12999-91)[17]規(guī)定進行現(xiàn)場記錄、樣品的保存和運輸。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[18]規(guī)定，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定水體總氮(TNw)，采用納氏試劑分光光度法測定水體氨氮(NH3-N)，采用鉬酸銨分光光度法測定水體總磷(TPw)，采用重鉻酸鉀法測定化學(xué)需氧量(CODcr)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

據(jù)已有研究[19]，采用土壤肥力指數(shù)(Sfi)來表征土壤肥力，由式(1)計算Sfi的分值(SSfi)，其中各指標的計算標準見表1。采用水質(zhì)指數(shù)(Wqi)來表征果園塘壩水體地表水水質(zhì)，由式(2)計算水質(zhì)指數(shù)的分值(SWqi)，各指標評分標準參考地表水水質(zhì)標準(GB 3838-02)[20]，見表2。利用SPSS 22.0 采用變異系數(shù)分析法 (ANOVA)進行不同樹齡果園各土壤肥力指標和水質(zhì)指標的差異性分析，顯著性水平α取0.05。

表1 土壤肥力指數(shù)各指標評分標準Tab.1 Criteria for soil fertility index

表2 水質(zhì)指數(shù)各指標評分標準Tab.2 Criteria for water quality index

SSfi=0.25STNs+0.22STPs+0.18STKs+0.35SSOM

(1)

SWqi=0.12STNw+0.28STPw+

0.25SNH3-N+0.35SCODcr

(2)

式中：SSfi為土壤肥力分值；STNs為土壤總氮分值；STPs為土壤總磷分值；STKs為土壤總鉀分值；SSOM為土壤有機質(zhì)分值；SWqi為水質(zhì)分值；STNw為水體總氮分值；STPw為水體總磷分值；SNH3-N為水體氨氮分值；SCODcr為水體CODcr分值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同樹齡果園土壤養(yǎng)分差異性分析

不同樹齡果園土壤養(yǎng)分差異性分析見圖3。除TKs外，土壤養(yǎng)分隨果園種植年份呈增加趨勢。0、3、6年果園TNs，TPs，SOM無顯著性差異，而9年后TNs，TPs，SOM急劇上升并隨果園樹齡增加呈顯著性差異，15年坡地果園TNs,TPs,SOM分別達到0年果園的2.2倍、3.0倍和3.5倍。見表3，各樹齡果園STPs，STKs均高于90分，但STNs變化范圍為17～52分，SSOM變化范圍為16～61分，兩者均隨果園種植年份增加而呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，變化順序為3年果園<6年果園<0年果園<9年果園<15年果園，從而導(dǎo)致SSfi的變化順序亦為3年果園<6年果園<0年果園<9年果園<15年果園，3年果園分值最低為48分，15年果園分值最高為74分。

圖3 不同樹齡坡地果園土壤養(yǎng)分差異性分析(不同大寫字母表征土壤養(yǎng)分呈顯著性差異)Fig.3 Difference analysis of soil nutrient in slope orchards with different tree ages (different capital letters represent significant difference in soil nutrient)

表3 不同樹齡果園土壤肥力指數(shù)、水質(zhì)指數(shù)及各指標分值Tab.3 Scores of soil fertility index,water quality index and their indexes in slope orchards with different tree ages

本研究坡地果園在9年后土壤養(yǎng)分呈穩(wěn)定上升趨勢，土壤肥力指數(shù)逐漸提升，但短期(6年)內(nèi)幼齡果園土壤養(yǎng)分與新開發(fā)的果園(0年)相比雖無顯著性差異，仍呈下降趨勢，3年坡地果園TNs、SOM、TPs最低，分別為0年果園的74%、77%和64%。陳春平[21]分析了江西省不同種植年份(1年、2年、4年、6年)桔園土壤養(yǎng)分，指出4年桔園土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量最低，與本文研究結(jié)果基本一致。

果園不同樹齡坡地土壤養(yǎng)分變化特征受水土保持措施、施肥措施、果樹養(yǎng)分消耗等多因素影響。楊潔等[22]研究指出南方紅壤坡地果園目前大部分采用機修梯田，易造成原有土壤結(jié)構(gòu)破壞，在短期內(nèi)難以恢復(fù)，而導(dǎo)致幼齡果園水土保持措施調(diào)控效果較差。丁光敏等[23]研究表明南方紅壤區(qū)坡地果園水土流失主要出現(xiàn)在幼齡期，在坡度10°的條件下，平臺式梯田措施前3年內(nèi)水土流失強度可達中度。Tu等[9]同樣指出紅壤坡地果園前4年是水土流失防治的關(guān)鍵期。此外，果園施肥措施亦可增加土壤養(yǎng)分，提升土壤肥力，水保措施和施肥措施的綜合作用導(dǎo)致不同樹齡坡地果園土壤養(yǎng)分在9年后急劇增加，而短期(6年)內(nèi)難以平衡果園養(yǎng)分消耗與流失，果園土壤養(yǎng)分下降。從土壤肥力指數(shù)及各指標分值來看(表3)，15年果園STKs和STPs分值達到100分，而15年坡地果園STNs和SSOM僅為52分和61分，SSfi僅為74分。因此，紅壤坡地果園水保措施應(yīng)增加植被覆蓋和改善植草種類，以降低幼齡果園(6年內(nèi))土壤養(yǎng)分流失，在植物種類上應(yīng)考慮可提高固氮能力和土壤有機質(zhì)的植物，以提升土壤肥力指數(shù)分值。

2.2 水質(zhì)指標隨樹齡變化特征

不同樹齡果園塘壩水體水質(zhì)變化見圖4，果園塘壩水體水質(zhì)指標隨樹齡增加而改變的差異性低于土壤養(yǎng)分且變化規(guī)律不一致。15年果園塘壩水體TNw急劇上升，水質(zhì)惡化，達到0年果園的1.9倍，而其他各樹齡果園TNw無顯著性差異。0年果園、6年果園和15年果園塘壩水體TPw低于檢測值，而3年和6年果園塘壩水體TPw無顯著性差異。各樹齡果園塘壩水體NH3-N均呈顯著性差異，隨果園種植年份呈先增加后降低的趨勢，6年果園塘壩水體NH3-N達到最高值，約為0年果園塘壩水體NH3-N的5.5倍，而15年果園塘壩水體NH3-N下降至略高于0年果園。五個果園塘壩水體CODcr(18.7～20.9 mg·L-1)變化差異性較小，9年果園塘壩水體CODcr最低為18.7 mg·L-1，與其他樹齡果園呈顯著性差異。

圖4 不同樹齡坡地果園塘壩水體水質(zhì)指標變化(不同大寫字母表征水體水質(zhì)呈顯著性差異)Fig.4 Changes of water quality indexes in ponds of slope orchards with different tree ages (different capital letters representing significant differences in water quality)

SWqi水質(zhì)分值隨樹齡增加呈波動趨勢，6年果園塘壩水體水質(zhì)指數(shù)分值最高達到78分，9年果園塘壩水體水質(zhì)指數(shù)分值最低達到69分，15年果園塘壩水體水質(zhì)指數(shù)分值回歸與0年果園一致，為71分(表3)。果園塘壩水體水質(zhì)指數(shù)分值與果園坡地果園施肥措施、水保措施及土壤養(yǎng)分流失密切相關(guān)。短期(6年內(nèi))雖然坡地果園水保措施對養(yǎng)分調(diào)控效果尚未顯現(xiàn)，但施肥措施作用亦尚未顯現(xiàn)，同時由于果樹對養(yǎng)分的消耗，土壤養(yǎng)分流失對塘壩水體水質(zhì)的影響低于水質(zhì)自凈作用，水質(zhì)指標分值略有升高趨勢。9年果園水質(zhì)指數(shù)下降可歸因于施肥所引起的面源污染加劇[24]，而15年果園水質(zhì)指數(shù)分值的再次回升則可歸因于水保措施(特別是植被措施)對于土壤養(yǎng)分流失調(diào)控作用的增強。

各果園STNw均為0分，表明TNw是研究區(qū)果園塘壩水體主要污染物，屬劣IV類。不同樹齡果園STPw和SNH3-N均高于70分，優(yōu)于III類。SCODcr在50～70分，處于III類到IV類之間，CODcr為研究區(qū)果園塘壩水體次要污染物。因此，果園管理措施應(yīng)控制水體總氮和有機質(zhì)的輸入，以提升果園STNw、SCODcr及SWqi。

2.3 土壤肥力指標與水質(zhì)指標相關(guān)性分析

研究區(qū)坡地果園土壤肥力指標與水質(zhì)指標相關(guān)性分析結(jié)果見表4?？梢姡琒OM與TPs、TNs具有極顯著性正相關(guān)關(guān)系，表明土壤有機物質(zhì)輸入與土壤氮磷來源密切相關(guān)。林圣玉[25]同樣指出南方紅壤區(qū)坡地果園有機質(zhì)與全氮、全磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系，建議果園管理應(yīng)提高養(yǎng)分利用率，減少過量施肥引起的非點源污染。各水質(zhì)指標之間無顯著線性相關(guān)關(guān)系。

表4 土壤肥力指標與水質(zhì)指標相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between soil fertility index and water quality index

本研究表明不同樹齡坡地果園塘壩水體水質(zhì)指標變化幅度較土壤養(yǎng)分的變化程度低，而塘壩水體水質(zhì)與土壤養(yǎng)分無顯著線性相關(guān)關(guān)系。但兩者并非沒有聯(lián)系，果園STNs和SSOM分值較低同時塘壩水體STNw和SCODcr分值較低，表明塘壩主要污染物TNw與CODcr主要來源于TNs與SOM的流失。15年樹齡果園TNs、SOM與TNw、CODcr同時顯著上升，表明TNs、SOM顯著提升的同時TNs和SOM的流失量也在增加，9年后水保措施對TNs、SOM流失的調(diào)控作用低于施肥措施對于TNs和SOM增加的作用，養(yǎng)分回升的主導(dǎo)因素為施肥措施。15年樹齡果園與9年樹齡果園TNs與SOM的比值分別為1.54和1.84，而15年樹齡果園與9年樹齡果園TNw與CODcr的比值分別為1.94和1.11，表明水保措施對TNs的調(diào)控作用低于SOM的調(diào)控作用，因此果園水保措施優(yōu)化應(yīng)著重在于提高固氮能力。

3 結(jié) 論

1)研究區(qū)不同樹齡坡地果園土壤養(yǎng)分的變化差異性較塘壩水體水質(zhì)指標變化差異性高。坡地果園水土保持措施與果園施肥措施的綜合作用短期(6年)內(nèi)難以平衡果園養(yǎng)分消耗與流失，果園土壤養(yǎng)分下降；果園種植9年后土壤養(yǎng)分穩(wěn)步增加，地力提升，主導(dǎo)作用為施肥措施，15年坡地果園土壤肥力指數(shù)最高(74)分。建議果園水保措施優(yōu)化配置以降低土壤養(yǎng)分流失為主，考慮增加植物措施以提升土壤有機質(zhì)和固氮能力，以固氮能力提升為重點。

2)研究區(qū)不同樹齡坡地果園塘壩水體水質(zhì)指標與與土壤養(yǎng)分無顯著線性相關(guān)關(guān)系，主要污染物和次要污染物分別為總氮(TNw)和化學(xué)需氧量(CODcr)，主要來源于坡地果園土壤總氮(TNs)和土壤有機質(zhì)(SOM)的流失。15年果園塘壩水體水質(zhì)與0年果園基本一致，水質(zhì)指數(shù)分值為71分，果園管理措施應(yīng)著重于控制水體總氮和有機質(zhì)的輸入。