不同地表覆被對(duì)贛北柑橘園土壤抗蝕性及產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

湯崇軍，李忠武，陳曉安，張 杰

（1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌，712100；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；3.江西省水利科學(xué)院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌，330029）

0 引言

柑橘是南方分布較廣的果樹品種之一。柑橘園作為南方紅壤丘陵區(qū)主要的土地利用形式，一般采用林下清耕（裸露）的方式進(jìn)行管理，但由于南方地區(qū)充沛的降雨以及不合理的耕作導(dǎo)致柑橘園水土流失嚴(yán)重[1]。地表覆被措施具有良好的保持水土、涵養(yǎng)水源、改良土壤的作用[2]，可以改善土壤理化性質(zhì)尤其是土壤的抗蝕性，進(jìn)而減小土壤水土流失[3]。植物籬、草灌過(guò)濾帶、殘茬覆蓋等措施可以有效緩沖水流、攔截泥沙[4]，進(jìn)而有效減少養(yǎng)分流失，柑橘園生草措施被證明在改善土壤理化性質(zhì)、防治水土流失方面有積極效益[5，6]。幼林期由于果樹缺乏經(jīng)濟(jì)效益，在生產(chǎn)過(guò)程中常采用林下套種進(jìn)行復(fù)合經(jīng)營(yíng)，然而林下套種等復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式在土壤理化性質(zhì)改良、水土流失防控等方面的效益有待進(jìn)一步量化。因此，定量研究不同地表覆被措施下土壤抗蝕性及其減流減沙效益，進(jìn)而篩選合適的柑橘園地表覆被措施，為紅壤區(qū)柑橘園的水土流失防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江西水土保持生態(tài)科技園地處江西省德安縣燕溝小流域，位于東經(jīng) 115°42′38″～115°43′06″、北緯 29°16′37″～29°17′40″之間，總面積 80hm2。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，且雨熱同期。多年平均降雨量1 350.9mm，因受季風(fēng)影響而在季節(jié)分配上極不均勻，形成明顯的干季和濕季。最大年降雨量為1 807.7mm，最小年降雨量為865.6mm。多年平均氣溫16.7℃，年日照時(shí)數(shù)1 650～2 100h，無(wú)霜期245～260d。

該園位于我國(guó)紅壤的中心區(qū)域，屬全國(guó)土壤侵蝕二級(jí)類型區(qū)的南方紅壤區(qū)，具有典型代表性。其地層為元古界板溪群泥質(zhì)巖、新生界第四紀(jì)紅色粘土、近代沖積與殘積物。地貌類型為淺丘崗地，海拔一般在30～100m之間，坡度多在5°～25°。土壤為發(fā)育于泥質(zhì)巖類風(fēng)化物、第四紀(jì)紅粘土母質(zhì)的紅壤；土質(zhì)類型主要為中壤土、重壤土和輕粘土；土壤呈酸性至微酸性，土壤中礦物營(yíng)養(yǎng)元素缺乏，氮、磷、鉀都少，尤其是磷更少?？萍紙@建園初期水土流失十分嚴(yán)重，面積達(dá)72.0hm2，占土地總面積的85.7%，土壤侵蝕模數(shù)為2 948t/（km2·a），土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)設(shè)置

柑橘園徑流小區(qū)（圖1）建成于1999年底。在土層厚度、坡度、土壤理化特性較一致的同一坡面上，布設(shè)4個(gè)徑流試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)寬5m（與等高線平行），長(zhǎng)20m（水平投影），其水平投影面積100m2，坡度均為12°。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)周邊設(shè)置圍埂，圍埂出露地表30cm，地下埋深45cm，以攔擋外部徑流。小區(qū)下面修筑集水槽承接小區(qū)徑流和泥沙，并通過(guò)PVC管引入徑流池。

圖1 柑橘園徑流小區(qū)

徑流池根據(jù)當(dāng)?shù)?4小時(shí)50年一遇的最大暴雨和徑流量設(shè)計(jì)成A、B、C三池。A池按1.0m×1.2m×1.0m（長(zhǎng)×寬×高）、B和C池按1.0m×1.2m×0.8m（長(zhǎng)×寬×高）方形構(gòu)筑，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆而成。A池在墻壁兩側(cè)0.75m處、B池在墻壁兩側(cè)0.55m處設(shè)有五分法“V”型三角分流堰，其中A池正面4份排出，內(nèi)側(cè)1份流入B池；B池與A池一樣。三角分流堰板采用不銹鋼材料，堰角均為60°。徑流池內(nèi)壁正面均安裝有搪瓷量水尺，率定后可直接讀數(shù)計(jì)算地表徑流深。

除對(duì)照區(qū)外，每個(gè)小區(qū)栽植2年生柑橘12株，由上至下種植6行，行距3.0m，每行2株，株距2.5m。套種黃豆和蘿卜的小區(qū)，在每年4月中旬～8月中旬種植黃豆，8月中旬～次年3月中旬種植蘿卜；帶狀覆蓋小區(qū)，帶寬1.0m，種植百喜草，帶狀間隔1.1m。不同徑流小區(qū)具體措施見表1。

表1 徑流小區(qū)地表覆被

2.2 指標(biāo)觀測(cè)與計(jì)算

2016年對(duì)4個(gè)地表覆被柑橘小區(qū)采集表層（0～20cm）土壤樣品，每個(gè)小區(qū)按“S”形布點(diǎn)，取5點(diǎn)土樣混合，采用4分法保留1kg左右，裝入無(wú)菌保鮮袋，帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

土壤團(tuán)聚體含量運(yùn)用干篩、濕篩方法測(cè)定。土壤微團(tuán)聚體及機(jī)械組成采用吸管法進(jìn)行分析，并對(duì)不同粒徑團(tuán)聚體進(jìn)行砂粒校正[7]。不同植被覆被條件下柑橘園土壤抗蝕性特征用結(jié)構(gòu)體破壞率、＞0.5mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（WSA）和團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）表征。其中團(tuán)聚體平均重量直徑又分為干篩和濕篩團(tuán)聚體平均重量直徑。各指標(biāo)計(jì)算方法如下：

徑流小區(qū)徑流泥沙數(shù)據(jù)選擇2016年定位觀測(cè)數(shù)據(jù)，每次降雨結(jié)束之后，測(cè)量三個(gè)池子里的徑流總量，計(jì)算每次降雨徑流深，每個(gè)池子采集500ml混合樣，測(cè)定含沙量，計(jì)算每次降雨產(chǎn)沙量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地表覆被下柑橘園土壤抗蝕性特征

土壤干篩主要反映土壤機(jī)械穩(wěn)定性情況。如表2所示，不同地表覆被柑橘園土壤干篩下大團(tuán)聚體（＞2mm）含量從大到小依次為ZC＞CK＞HP＞SP。不同地表覆被下柑橘園土壤干篩大團(tuán)聚體（0.25～2mm）含量從大到小依次為SP＞HP＞CK＞ZC。不同地表覆被下柑橘園土壤干篩微團(tuán)聚體含量（＜0.25mm）從大到小依次為HP＞SP＞CK＞ZC?？傮w來(lái)看，裸露對(duì)照小區(qū)及帶狀覆蓋百喜草小區(qū)主要以大團(tuán)聚體為主，占比在70%以上。順坡耕作小區(qū)及橫坡耕作小區(qū)大團(tuán)聚體比例較為接近，均在40%以上。順坡耕作及橫坡耕作小區(qū)微團(tuán)聚體比例遠(yuǎn)大于裸露對(duì)照小區(qū)及帶狀覆蓋百喜草小區(qū)。

表2 不同地表覆被下柑橘園土壤團(tuán)聚體干、濕篩粒徑分布%

濕篩主要反映土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性。不同地表覆被下柑橘園土壤濕篩大團(tuán)聚體（＞2mm）趨勢(shì)為ZC＞SP＞HP＞CK。濕篩 0.25～2mm 大團(tuán)聚體趨勢(shì)為 CK＞ZC＞HP＞SP，柑橘園干篩微團(tuán)聚體（＜0.25mm）趨勢(shì)為 CK＞SP＞HP＞ZC?？傮w來(lái)看，與干篩相比，不同地表覆被下柑橘園土壤濕篩大團(tuán)聚體均有所降低，主要是團(tuán)聚體遇水后發(fā)生消散作用。其中，裸露對(duì)照小區(qū)大團(tuán)聚體比例下降最大，下降了69.4%，帶狀覆蓋小區(qū)土壤大團(tuán)聚體穩(wěn)定性最強(qiáng)，下降比例僅為42.6%。

如表3所示，不同地表覆被下柑橘園土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破碎率從大到小依次為CK＞ZC＞SP＞HP。與裸露對(duì)照小區(qū)相比，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)、順坡耕作小區(qū)及橫坡耕作小區(qū)結(jié)構(gòu)破壞率分別降低了11.5%、13.3%和20.6%。＞0.5mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體百分含量從大到小依次為ZC＞HP＞SP＞CK。與裸露對(duì)照小區(qū)相比，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)、順坡耕作小區(qū)及橫坡耕作小區(qū)WSA分別提高了37.7%、27.7%和33.0%。干篩團(tuán)聚體平均重量直徑從大到小依次為ZC＞CK＞HP＞SP。與裸露對(duì)照小區(qū)相比，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)干篩MWD提高了0.63%，順坡耕作小區(qū)和橫坡耕作小區(qū)降低了1.0%和1.0%。濕篩團(tuán)聚體平均重量直徑從大到小依次為ZC＞HP＞SP＞CK。與裸露對(duì)照小區(qū)相比，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)、順坡耕作小區(qū)及橫坡耕作小區(qū)濕篩MWD分別提高了0.64%、0.54%和0.59%。

表3 不同地表覆被下柑橘園土壤團(tuán)聚體抗蝕性特征

3.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

如圖2所示，不同地表覆被下柑橘園小區(qū)年徑流深從大到小依次為CK＞SP＞HP＞ZC。其中裸露對(duì)照小區(qū)徑流深最大，為163mm，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)最小，僅有12mm。與裸露對(duì)照小區(qū)相比，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)、順坡耕作小區(qū)及橫坡耕作小區(qū)對(duì)徑流的消減率分別為92.7%、48.3%和73.5%。由此可以看出帶狀覆蓋百喜草小區(qū)對(duì)徑流的消減作用最大。其次是橫坡耕作，比順坡耕作的徑流消減率高出25.1%，說(shuō)明橫坡耕作比順坡耕作的徑流攔截作用更強(qiáng)。

圖2 不同地表覆被柑橘園徑流小區(qū)年徑流深

如圖3所示，不同地表覆被下柑橘園小區(qū)年土壤侵蝕模數(shù)從大到小依次為CK＞SP＞HP＞ZC。與裸露對(duì)照小區(qū)相比，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)、順坡耕作小區(qū)及橫坡耕作小區(qū)對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的消減比例分別為99.8%、21.6%和84.4%?？芍獛罡采w百喜草小區(qū)侵蝕模數(shù)最低，僅有0.01 t/km2，說(shuō)明其對(duì)泥沙的攔截作用最大。其次是橫坡耕作小區(qū)，土壤侵蝕模數(shù)為144.06 t/km2，遠(yuǎn)低于順坡耕作的723.83 t/km2，說(shuō)明橫坡耕作可以更好的攔截泥沙保持水土。裸露對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大，為923.53 t/km2，遠(yuǎn)高于其他柑橘園小區(qū)。

圖3 不同地表覆被柑橘園徑流小區(qū)年土壤侵蝕模數(shù)

4 討論

干篩條件下，裸露對(duì)照小區(qū)大團(tuán)聚體含量較高，而濕篩條件下大團(tuán)聚體含量大幅下降，這說(shuō)明裸露小區(qū)土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性較差，遇水則容易分散，因而易隨徑流流失進(jìn)而導(dǎo)致裸露對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大。帶狀覆蓋百喜草小區(qū)干篩條件下大團(tuán)聚體含量最大，原因可能是植物根系對(duì)土壤的纏繞作用導(dǎo)致。同時(shí)，帶狀覆蓋百喜草小區(qū)＞0.5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體最大，說(shuō)明土壤水穩(wěn)定性較強(qiáng)，可能是由于植物根系分泌物的膠結(jié)作用促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而導(dǎo)致水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量增加。除帶狀覆蓋百喜草小區(qū)外，橫坡耕作小區(qū)水穩(wěn)定性亦較強(qiáng)，說(shuō)明與傳統(tǒng)的順坡耕作相比，等高耕作或橫坡耕作可以有效改善土壤理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。

綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同地表覆被下柑橘園小區(qū)年徑流深差異與年土壤侵蝕模數(shù)差異一致，且均與＞0.5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（WSA）成相反趨勢(shì)。研究表明，地表覆被可提高水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（WSA），增強(qiáng)土壤抗蝕性，減少土壤侵蝕[8]。同時(shí)，因減少雨滴濺蝕和徑流沖刷，地表覆被具有良好的水土保持功能[9]。因此，地表覆被的坡地柑橘園產(chǎn)流、產(chǎn)沙顯著小于裸地對(duì)照，與相關(guān)研究結(jié)論一致[10]。

5 結(jié) 論

（1）與裸露對(duì)照小區(qū)相比，橫坡耕作小區(qū)結(jié)構(gòu)體破壞率最低；帶狀覆蓋百喜草小區(qū)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體（WSA）比例最高，其次是橫坡耕作小區(qū)；帶狀覆蓋百喜草小區(qū)干篩與濕篩團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）均最高。

（2）帶狀覆蓋百喜草小區(qū)減流減沙效果最佳，其次是橫坡耕作小區(qū)。相比裸露對(duì)照小區(qū)，林下套種措施對(duì)土壤理化性質(zhì)具有一定的改良作用，但對(duì)徑流泥沙的防控能力較弱，在實(shí)際應(yīng)用中，可采用帶狀覆蓋和耕作措施相結(jié)合模式來(lái)提升水土保持綜合效益。