地表覆蓋方式對廣西柑橘果園土壤水分特征的影響

鄧婉珍，黃太慶，甘 磊，黃雁飛，路 丹

（1廣西農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007；2桂林理工大學/廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；3廣西大學農學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

【研究意義】廣西是全國柑橘種植面積最大和產量最高的省份，但土壤退化和季節(jié)性干旱嚴重制約著廣西柑橘產業(yè)的發(fā)展。由于廣西柑橘果園多分布于低山丘陵，土壤保水保肥性能差、水土流失嚴重，加之柑橘園管理方式粗放，造成土壤有機質含量降低、有效養(yǎng)分不均衡、土壤板結等一系列土壤生態(tài)功能退化問題（譚宏偉等，2019；易曉曈等，2019）。同時，由于廣西降雨季節(jié)分配不均，季節(jié)性干旱頻發(fā)，造成柑橘果園土壤季節(jié)性缺水，供水能力下降，影響柑橘保花保果和果實膨大，阻礙柑橘產量和品質的提升（譚俊杰等，2020）。因此，研究廣西柑橘果園不同地表覆蓋方式對土壤質量和水分運移特征的影響，對提升廣西柑橘果園的科學管理水平，促進廣西柑橘產業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】地表覆蓋作為田間雜草控制、水熱調控的重要手段，對土壤生態(tài)產生重要影響，進而影響作物的發(fā)育生長（湯瑛芳等，2015；韓瑞蕓等，2016）。防草布覆蓋既能避免雨滴對表層土壤的直接擊濺沖刷侵蝕，防止水土流失，又可有效防草，抑制土壤水分蒸發(fā)，保持土壤墑情，提高持水量和貯水量，增強土壤蓄水保墑能力（尉亞妮，2020；劉偉等，2021）。果園生草覆蓋可通過草根系生長活動，增加土壤孔隙數(shù)量，使土壤變得相對疏松，增強土壤積蓄雨水能力和入滲能力，減少土壤侵蝕，改善土壤水肥環(huán)境，提高土壤有機質和有效養(yǎng)分含量，增加土壤濕度（劉偉等，2021），進而影響土壤生物多樣性、微生物生物量和土壤酶活性等（Zhou et al.，2017；Wang et al.，2020），且不同生草品種、果園類型和區(qū)域位置的影響規(guī)律有著明顯差異。姜莉莉等（2019）采用高通量測序技術分析不同生草栽培對陽谷縣蘋果園土壤微生物群落的影響，結果表明種植黑麥草可提高土壤鏈格孢菌和曲霉的相對豐度，白三葉處理可提高土壤赤霉的相對豐度，鼠茅草處理可增加土壤短梗菌屬和毛殼屬真菌的相對豐度；井趙斌等（2020）研究秦嶺北麓獼猴桃果園不同牧草品種對土壤酶活性和微生物的影響，結果表明生草處理可提高土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性，但其影響程度因牧草不同而存在差異，同時土壤中細菌、真菌和放線菌數(shù)量的變化在不同生草處理中表現(xiàn)也不同；劉業(yè)萍等（2021）對泰山市蘋果園不同生草栽培下的土壤微生物多樣性和生物學性質開展研究，結果表明不同處理下土壤微生物的豐富度和多樣性表現(xiàn)有所不同，土壤酶活性和有機碳含量也有差異?！颈狙芯壳腥朦c】南方亞熱帶果園的雜草管理是日常管理的重要工作之一，不同的雜草管理會導致不同的地表覆蓋，而目前關于地表覆蓋模式（目前采用較多的防草布覆蓋和自然生草割刈覆蓋）對廣西柑橘園土壤性質和水分變化的影響研究報道較少?！緮M解決的關鍵問題】通過田間試驗研究防草布覆蓋和自然生草割刈對廣西柑橘園土壤剖面基本理化性質、水分特征曲線、速效水量、含水量及貯水量的影響，探究不同覆蓋方式對柑橘果園地力提升及保水供水的效應，從而為廣西柑橘園節(jié)水灌溉的優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在廣西南寧市武鳴區(qū)的廣西農業(yè)科學院里建科學研究基地（東經108°02＇，北緯23°14＇）進行。該區(qū)域屬亞熱帶季風氣候，春秋干旱易發(fā)，夏季炎熱多雨，冬季溫暖少雨，光照充足，熱量豐富，年平均氣溫21.7 ℃。年均降水量1304.2 mm，4—9月占全年降水量的80%。試驗區(qū)土壤成土母質為第四紀紅土，土壤類型為紅壤，土層深厚，土壤呈酸性，pH 5.86。

1.2 試驗設計

試驗柑橘品種為沃柑，屬于晚熟型雜交柑橘，于2018年3月定植，從2019年4月開始進行不同覆蓋處理。共設3種覆蓋處理，分別為噴施除草劑（地表裸露）的對照（CK）、防草布覆蓋（GPC）和自然生草割刈（NGM），每處理設3個重復，共9個小區(qū)，每小區(qū)長17 m、寬9 m，面積153 m2，柑橘株行距2.5 m×3 m，詳細措施見表1。采用常規(guī)灌溉管理，柑橘種植區(qū)內裝有自動化水肥灌溉設備，對柑橘進行統(tǒng)一的肥料、灌溉和病蟲害管理，冬季于柑橘成熟時施用以有機肥和鈣、鎂、鋅、硼等中微量元素為主的肥料，其中有機肥為10 kg/株，中微量元素根據(jù)樹勢而定；春季于柑橘萌芽前施用氮磷鉀復合肥（15-15-15）1 kg/株；膨果期施用氮磷鉀復合肥（15-15-15）1 kg/株；并在柑橘生長過程中根據(jù)長勢淋施水溶肥和噴施葉面肥。每小區(qū)分層安裝土壤水分自動采集器，土壤含水量數(shù)據(jù)采集時間為2020年3月1日—2021年2月28日，土壤樣品采集時間為2021年7月。

表1 試驗設計及各處理措施Table 1 Experiment design and measures of treatments

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤基本理化性質 使用規(guī)格為100 cm3的環(huán)刀采集各小區(qū)土壤剖面0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm和50～70 cm 4個土層的原狀土，用于測定土壤容重和水分特征曲線。利用土鉆以梅花形布點法采集各小區(qū)相同土壤深度的土樣，用于測定土壤有機質含量。土壤容重采用烘干法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定（鮑士旦，2000）。

1.3.2 土壤總孔隙度 土壤總孔隙度是單位土壤容積內孔隙所占的百分數(shù)，表示土壤中各種大小孔隙的總和，計算公式如下：

1.3.3 土壤水分特征曲線 土壤水分特征曲線根據(jù)飽和脫濕法，采用美國SOIL MOISTURE EQUIPMENT CORP生產的壓力膜儀進行0、30、50、100、300、500、1000和1300 kPa逐級加壓測定，并采用van-Genuchten模型（van Genuchten，1980）進行擬合，即：

式中，θ為土壤體積含水率（cm3/cm3），θs和θr分別為飽和含水率和殘余含水率（cm3/cm3），ψ為土壤基質勢（kPa），α和n為無量綱的擬合參數(shù)，m=1-1∕n。

1.3.4 土壤含水量 采用國產SS-TRS401型土壤水分監(jiān)測傳感器（準確度＜±3%，分辨率為0.1%）長期定位監(jiān)測9個小區(qū)5、20、40和60 cm深度土壤的含水量。土壤水分監(jiān)測傳感器每隔1 h記錄一次土壤含水量數(shù)據(jù)。

1.3.5 土壤速效水 土壤速效水即易被植物吸收利用的土壤水，一般把-30～-1000 kPa的土壤含水量認為是速效水含量（李源等，2021）。

1.3.6 土壤貯水量 土壤貯水量是一定面積和土層內儲存水分的數(shù)量，根據(jù)下式（趙丹陽等，2021）計算：

式中，W為0～70 cm土層土壤貯水量（mm），θi為第i層土壤的體積含水量（cm3/cm3），Di為第i層土壤厚度（cm）。

1.4 統(tǒng)計分析

利用Excel 2019進行數(shù)據(jù)匯總整理，SPSS 25.0進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗，以Origin 2018作圖，并利用RETC中的van-Genuchten模型求解土壤水分特征曲線的水力參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋處理對土壤基本理化性質的影響

由表2可知，不同覆蓋處理對土壤表層（0～10 cm）的容重、總孔隙度和有機質含量有較大影響。NGM和GPC處理在0～10 cm土層的容重均低于CK，分別降低7.52%和3.01%，且NGM處理降低達顯著水平（P＜0.05，下同）；NGM和GPC處理在10～30 cm土層的容重也呈降低趨勢，較CK分別降低5.38%和4.62%，但均未達顯著水平（P＞0.05，下同）；而不同覆蓋處理對30～50 cm和50～70 cm土層容重影響較小。與CK相比，NGM和GPC處理均提高0～10 cm土層的總孔隙度，其中NGM處理有顯著影響；在10～30 cm土層，NGM和GPC處理的土壤總孔隙度較CK分別提高5.26%和4.47%；在30～50 cm和50～70 cm土層，不同處理間的土壤總孔隙度差異較小。NGM處理有助于提高土壤有機質含量，在0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm和50～70 cm土層較CK分別提高7.99%、8.07%、4.07%和1.64%；GPC處理在0～10 cm和10～30 cm土層的有機質含量低于CK，分別降低14.15%和2.56%，在30～50 cm和50～70 cm土層則高于CK，分別提高6.50%和0.87%；統(tǒng)計分析結果表明，在0～10 cm土層，NGM處理的土壤有機質含量顯著高于GPC處理，而其他土層的有機質含量在各處理之間無顯著差異。

表2 不同覆蓋處理下的土壤基本理化性質Table 2 Basic soil physicochemical properties under different mulching treatments

2.2 不同覆蓋處理下的土壤水分特征曲線

由圖1可知，不同覆蓋處理下土壤水分特征曲線的形態(tài)相似，具體表現(xiàn)為：在低吸力段（土壤水吸力為0～100 kPa），主要是土壤大孔隙的水分被排走，土壤釋水能力強，各處理0～70 cm土層的土壤含水量均迅速下降，各土壤水分特征曲線密集且陡直，比水容重大；在中高吸力段（土壤水吸力為100～1300 kPa），隨著壓力的增大，土壤對水分的吸持能力增大，只有小孔隙保有水分，土壤釋水能力變弱，含水量下降幅度減緩，各土壤水分特征曲線逐漸趨于平緩，比水容重小。雖然3種覆蓋處理各土層的土壤含水量均表現(xiàn)出隨土壤水吸力的增大而先迅速下降后緩慢下降并趨于平穩(wěn)的變化趨勢，但不同處理間存在差異。當土壤水吸力相同時，在0～10 cm和10～30 cm土層中，不同覆蓋處理的土壤含水量整體表現(xiàn)為GPC＞CK＞NGM，但在0～10 cm土層中各處理的土壤含水量差異較小，在10～30 cm土層GPC處理的土壤含水量明顯高于NGM處理和CK；在30～50 cm土層，CK和GPC處理的土壤含水量基本相同，且明顯高于NGM處理；在50～70 cm土層，不同覆蓋處理的土壤含水量表現(xiàn)為CK＞NGM＞GPC，差異明顯。

圖1 不同覆蓋處理下的土壤水分特征曲線Fig.1 Soil moisture characteristic curves under different mulching treatments

從圖2可看出，各處理間土壤速效水含量差異不顯著，隨著土層深度的增大，CK和NGM處理的土壤速效水含量呈逐漸降低趨勢，而GPC處理的土壤速效水含量呈先降低后升高的變化趨勢。在0～10 cm土層中，NGM處理的土壤速效水含量最高，為0.079 cm3/cm3，較CK提高11.27%，GPC處理則最低，較CK降低6.74%。在10～30 cm土層中，NGM處理和CK的土壤速效水含量基本相同，GPC處理的土壤速效水含量最低。在30～50 cm和50～70 cm土層，不同處理的土壤速效水含量均表現(xiàn)為GPC＞NGM＞CK，其中GPC處理較CK分別提高11.00%和18.12%，NGM處理較CK分別提高1.09%和7.22%。

圖2 不同覆蓋處理下的土壤速效水含量Fig.2 Available water content in soil under different mulching treatments

2.3 不同覆蓋處理下土壤含水量的變化特征

圖3為柑橘1年生長周期內不同覆蓋處理下0～70 cm土層土壤含水量變化特征，可以看出，隨著柑橘生育期的變化，3種覆蓋處理的月平均土壤含水量在0～70 cm土層中表現(xiàn)出不同變化特征。在0～10 cm土層，GPC和NGM處理的土壤含水量在各生育期明顯高于CK，尤其是果實膨大期（2020年7—8月）和物質累積期（2020年9—11月），且以GPC處理最佳，GPC處理在2020年7—11月的土壤含水量較CK提高8.28%～18.83%；10～30 cm土層中，GPC和NGM處理在春夏兩季的土壤含水量高于CK，但進入果實膨大期后，NGM處理的土壤含水量與CK接近，進入果實成熟期（2020年12月—2021年2月）后，GPC處理的土壤含水量低于CK；30～50 cm土層中，GPC和NGM處理的土壤含水量在柑橘全生育期內均高于CK，但土壤含水量增幅小于0～10 cm土層；50～70 cm土層的土壤含水量與30～50 cm土層相似，且NGM處理的土壤含水量增幅大于0～10 cm土層?？傮w而言，柑橘全生育期內GPC和NGM處理0～70 cm土層的蓄水保墑能力均明顯強于CK，其中，0～30 cm土層的土壤含水量表現(xiàn)為GPC＞NGM＞CK，而30～70 cm土層的土壤含水量表現(xiàn)為NGM＞GPC＞CK。

圖3 不同覆蓋處理下柑橘生育期0～70 cm土層土壤含水量變化Fig.3 Changes of soil moisture content at 0-70 cm soil layers during citrus growth period under different mulching treatments

2.4 不同覆蓋處理下土壤貯水量的變化特征

圖4為不同覆蓋處理下柑橘果園0～70 cm土層土壤貯水量的變化特征，可以看出，在柑橘全生育期內，不同覆蓋處理下土壤貯水量大致呈先升高后降低的變化趨勢，即柑橘抽梢開花期（2020年3月）、幼果期（2020年4—6月）和果實成熟期（2020年12月—2021年2月）的土壤貯水量較低，果實膨大期（2020年7—8月）和物質累積期（2020年9—11月）的土壤貯水量較高，且不同生育期的土壤貯水量均表現(xiàn)出GPC和NGM處理顯著高于CK。在抽梢開花期，GPC和NGM處理0～70 cm土層土壤貯水量較CK分別顯著提高2.83%和4.55%，且NGM處理的土壤貯水量顯著高于GPC；在幼果期，GPC與NGM處理的土壤貯水量無顯著差異，但較CK 分別顯著提高4.26%和4.41%；在果實膨大期和物質累積期，GPC和NGM處理的土壤貯水量較CK分別顯著提高2.83%和4.55%；在果實成熟期，GPC和NGM處理的土壤貯水量也較CK顯著提高，分別提高3.36%和4.02%。

圖4 不同覆蓋處理下土壤貯水量變化動態(tài)Fig.4 Variation of soil moisture storage capacity under different mulching treatments

3 討論

土壤水分特征曲線可表征土壤的持水性和水分有效性，同時能間接反映土壤孔隙大小的分布，因此，能影響土壤孔隙的因素均會對土壤水分特征曲線產生影響（Gan et al.，2019）。本研究通過對比各層土壤水分特征曲線，發(fā)現(xiàn)果園上層（0～10 cm和10～30 cm）土壤含水量整體呈現(xiàn)出GPC＞CK＞NGM。王醒等（2021）研究認為土壤水分特征曲線van-Genuchten模型的擬合參數(shù)θs與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤孔隙度呈極顯著正相關，即土壤容重越小，土壤結構越疏松，土壤的持水性可能越強。同時土壤持水性還受土壤孔隙結構的影響，水分從大孔隙中排出較容易，而從小孔隙中排出較難（陳印平等，2019）。在本研究中，NGM處理改善了土壤結構，降低土壤容重，土壤通氣孔隙增加，毛管孔隙減少，從而在相同吸力下，土壤含水量降低；而GPC處理，一方面增加土壤容重，另一方面也加速土壤有機質的分解，降低的土壤有機質提高了毛管孔隙數(shù)量，減少重力孔隙數(shù)量，最終使土壤表現(xiàn)為通透性降低，而持水性提高（于博等，2018）。土壤速效水含量能反映土壤水分被植物吸收利用的難易程度，其要求土壤的孔隙不能過大，也不能過細。本研究結果表明，在表層土壤，NGM處理的速效水含量最高，說明自然生草刈割覆蓋有助于改善表層土壤結構；而GPC處理的速效水含量低于CK，可能是因為覆蓋防草布會引起表層土壤板結，惡化土壤結構。

本研究結果表明，在柑橘生育期內，GPC和NGM處理0～70 cm土層的土壤含水量均高于CK，且GPC處理在0～30 cm土層表現(xiàn)出更強的保水性，NGM處理則在30～70 cm土層表現(xiàn)出更強的保水性。與前人研究結果一致，即防草布覆蓋具有保墑、透氣、抑制田間雜草生長、減少水肥流失的作用，在高溫季節(jié)能降低地溫，提高土壤濕度（余舜堯等，2021）；而生草覆蓋不僅能抑制土壤表面水分蒸發(fā)，提高表層土壤水分含量，還能增強土壤入滲性能，從而有效提高果樹根系分布層的土壤水分含量（劉偉等，2021）。究其原因主要有：（1）地面覆蓋處理減少地表裸露面積，有效阻隔太陽直射地表，削弱土壤水分蒸發(fā)（Gan et al.，2013），以及有機質含量的增加促進土壤團聚體形成（Fu et al.，2020），使土壤水分保持較高水平；（2）CK的地表裸露面積大，土壤與大氣直接相通，太陽輻射直照地表，水勢梯度加大，加速土壤水分的無效蒸散發(fā)（Gan et al.，2013）；（3）作物生長發(fā)育增大對土壤水分的消耗，導致下層土壤水分含量得到的補給較少，含水量相對減?。ㄆ昭┛傻龋?020）；（4）生草割刈覆蓋由于草根系生長，會在土壤中不斷穿插，同時其根系死亡后被腐解，導致土壤內部形成大量不規(guī)則孔隙，使得土壤的通氣性和水分入滲能力提高，更有利于降水和灌溉水較快地入滲至土壤中轉為土壤水（劉偉等，2021），由上而下補充不同土層的土壤水分，加之下層土壤得到更多來自上層水分的補給，下層土壤含水量進而得到提高。

土壤貯水量是土壤水分保持與田間灌溉的重要參數(shù)，能反映土壤水分蓄存狀況和涵養(yǎng)水源能力（高茂盛等，2010），其大小對緩沖農田耕地干旱或水澇情勢具有重要作用。有研究表明，地表覆蓋可改變果園土壤水分的運移方式，增強土壤蓄水保墑能力，提高各層土壤的貯水量，也可在缺水條件下緩解土壤的水分虧缺情勢，促進維持土壤水分平衡，但地表覆蓋的保墑能力會因不同的覆蓋處理、地理條件、氣候條件、作物種類等因素而呈現(xiàn)不同效果（Zribi et al.，2015；鄭悅等，2019）。本研究結果表明，在柑橘的不同生育期，GPC和NGM處理均能有效提高柑橘園0～70 cm土層的平均貯水量，改善柑橘果園土壤水分環(huán)境，為柑橘根系的伸長、發(fā)育提供良好的水分條件。同時，本研究發(fā)現(xiàn)在柑橘不同的生育期，GPC和NGM處理的蓄水保墑效應也不盡相同，在柑橘抽梢開花期3月和果實成熟期2月，NGM處理的蓄水保墑能力優(yōu)于GPC處理，其土壤貯水量顯著高于CK和GPC處理，可能是因為自然生草根系的生長及腐爛，使土壤大孔隙增多，促進降水及時下滲，減少地面徑流；而在柑橘果實物質累積期的10—11月，GPC處理的土壤貯水量顯著高于CK和NGM處理，其蓄水保墑性能表現(xiàn)最優(yōu)，可能是因為自然生草快速生長也消耗掉一部分土壤水分。前人研究結果表明，土壤有機質含量及孔隙度等因素對土壤貯水能力的影響較大（李洪兵等，2015；Du et al.，2015）。本研究中，柑橘園進行自然生草割刈覆蓋后，提高了土壤有機質含量，利于土壤微生物活動，改善土壤結構，從而促進土壤貯水量的增加，使得在高溫蒸發(fā)量大的夏季和耗水量巨大的果實成熟期也能增強土壤對柑橘根系的供水給水能力。在實際中可視防草布覆蓋和自然生草割刈覆蓋具體的蓄水保墑效應減少灌溉用水，實現(xiàn)節(jié)水增效。

4 結論

地表覆蓋對柑橘園土壤理化性質和水分狀況具有重要影響，其中自然生草割刈覆蓋能更好改善柑橘園表層的土壤環(huán)境，增加土壤有機質含量和保水供水能力；防草布覆蓋處理在保水方面也有較大優(yōu)勢，可提高抽梢開花期、幼果期、膨果期和果實成熟期的土壤貯水量，但會導致土壤有機質含量降低。因此，從地力培育和土壤保水供水方面考慮，在生產中建議采用自然生草割刈覆蓋的管理方式。