金銀花植物籬在紅壤果園水土流失治理中的水土保持效益研究

胡 松,張 杰

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029； 2.鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)水利技術(shù)創(chuàng)新中心，江西 南昌 330029；3.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

果樹(shù)種植是江西省坡地農(nóng)業(yè)的主要模式與鞏固脫貧攻堅(jiān)成果的有效措施之一，但由于在開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)戶(hù)缺乏水土保持意識(shí)及相應(yīng)的水保措施，因此近70%的果園都存在不同程度的水土流失[1]。嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致果園土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，果樹(shù)產(chǎn)量低且不穩(wěn)，果園經(jīng)濟(jì)效益低下，直接影響土地利用的效益[2]。同時(shí)，流失的水土將土壤中的無(wú)機(jī)氮、磷、鉀帶入地表水體中，還造成了水體的富營(yíng)養(yǎng)化[3]。

大部分果園進(jìn)行坡改梯后雖一定程度上減輕了水土流失[4]，但傳統(tǒng)清耕果園的裸露地塊仍存在較為嚴(yán)重的水土流失，其中坡改梯后形成的裸露梯壁水土流失尤為嚴(yán)重[5]。目前針對(duì)果園水土流失的治理措施，主要包括工程措施、耕作措施及生物措施等。植物籬作為水土保持生物措施中的一種，可緩解農(nóng)業(yè)面源污染，攔蓄坡面地表徑流、泥沙，減緩坡度，形成生物梯田，并增強(qiáng)土壤抗蝕性，從而控制水土流失[6-7]。植物籬生長(zhǎng)需要一定的水肥條件，不合適的植物籬與農(nóng)作物搭配會(huì)導(dǎo)致種間抑制而減產(chǎn)[8]，因此植物籬的品種及種植部位也非常關(guān)鍵。金銀花是較為常用的植物籬品種，生活力、適應(yīng)性均很強(qiáng)，匍匐莖可攀爬纏繞于梯壁之上起到固持土壤、減少侵蝕的作用[9]，同時(shí)其花為傳統(tǒng)的大宗中藥材，管理簡(jiǎn)單、效益高，種植3 a后即進(jìn)入豐產(chǎn)期，且豐產(chǎn)期長(zhǎng)達(dá)30 a，一次種植多年收益，是集藥用經(jīng)濟(jì)型與水保生態(tài)型于一體的多功能植物[10]，享有“國(guó)寶一枝花”的美譽(yù)。因此，研究金銀花植物籬在果園梯壁上的應(yīng)用具有重要意義。本研究以江西省寧都縣紅壤丘陵果園為研究區(qū)域，結(jié)合前人關(guān)于植物籬等方面的相關(guān)研究，探討金銀花植物籬在水土流失治理方面的效益，以期為我國(guó)南方紅壤地區(qū)的植物籬運(yùn)用提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省寧都縣水土保持科技示范園(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“示范園”)內(nèi)(116°02′40″～116°02′55″E，26°37′03″～26°37′34″N)。示范園位于贛江(鄱陽(yáng)湖水系五大河流之一)的一級(jí)支流梅江流域中下游，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和、光照充足、雨量充沛、四季分明、無(wú)霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)。多年平均氣溫18.3 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，極端最低氣溫-6.2 ℃，無(wú)霜期279 d；多年平均降水量1 691 mm，年內(nèi)分配不均，集中在4—6月，期間降水量占全年降水量的48%，多以暴雨形式出現(xiàn)。土壤主要為紅砂巖及花崗巖發(fā)育的紅壤，風(fēng)化顆粒較粗，滲水量大且快，加之降水集中、沖刷力大，對(duì)土壤的溶解作用強(qiáng)、侵蝕力大，在植被破壞區(qū)易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在示范園的臍橙園建立2個(gè)臨時(shí)徑流收集小區(qū)，每個(gè)小區(qū)種有3棵臍橙樹(shù)，其中一個(gè)小區(qū)為傳統(tǒng)臍橙園小區(qū)，梯壁裸露，另一個(gè)小區(qū)梯壁種植金銀花。將每個(gè)小區(qū)用防水布進(jìn)行隔離，收集小區(qū)的雨水，并用PVC管導(dǎo)入到徑流桶內(nèi)，定期開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)觀測(cè)。

1.3 樣品采集及測(cè)定

1.3.1 樣品采集

對(duì)不同措施小區(qū)土壤進(jìn)行一次取樣。土壤樣品采集方法：采用土鉆取樣，在距金銀花主根10～20 cm處隨機(jī)選取2個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)取0～20 cm土層土樣進(jìn)行混合。

1.3.2 樣品測(cè)定

土壤物理指標(biāo)：土壤容重及田間持水量測(cè)定方法采用環(huán)刀法；團(tuán)聚體測(cè)定方法采用干濕篩機(jī)械篩分法[11]。其中，水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(WSA)=(>0.25 mm濕篩團(tuán)聚體質(zhì)量/干篩團(tuán)聚體總質(zhì)量)×100%，結(jié)構(gòu)體破壞率(SPBR)=(>0.25 mm干篩團(tuán)聚體質(zhì)量->0.25 mm濕篩團(tuán)聚體質(zhì)量)/>0.25 mm干篩團(tuán)聚體質(zhì)量。

土壤化學(xué)指標(biāo)：土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤全磷含量采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測(cè)定。

水樣化學(xué)指標(biāo)：總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨態(tài)氮及硝態(tài)氮采用紫外分光光度法；總磷采用硫酸鉀消解-鉬藍(lán)比色法測(cè)定，可溶性磷采用鉬酸銨分光光度法。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤抗侵蝕效益

對(duì)試驗(yàn)開(kāi)始2 a后的臍橙園梯壁裸露小區(qū)及梯壁種植金銀花小區(qū)土壤分別取樣并進(jìn)行干篩分析其機(jī)械穩(wěn)定性(見(jiàn)表1)，可以發(fā)現(xiàn)：梯壁裸露小區(qū)土壤干篩條件下>0.25 mm的大團(tuán)聚體比例為76.24%，梯壁種植金銀花小區(qū)土壤干篩條件下>0.25 mm的大團(tuán)聚體比例為81.24%；與梯壁裸露小區(qū)土壤對(duì)比，梯壁種植金銀花小區(qū)土壤>10 mm、5～10 mm、2～5 mm三個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體比例均有不同程度上升。這說(shuō)明臍橙園梯壁種植金銀花可以有效提升土壤大團(tuán)聚體比例，增加土壤的機(jī)械穩(wěn)定性。

表1 臍橙園梯壁不同措施干、濕篩下團(tuán)聚體粒級(jí)分布

通過(guò)濕篩分析其水穩(wěn)定性后，與干篩相比，梯壁裸露小區(qū)及梯壁種植金銀花小區(qū)土壤>2 mm團(tuán)聚體比例分別由33.17%及42.44%下降至13.71%及17.90%，說(shuō)明臍橙園梯壁土壤仍然存在隨徑流流失的可能。

由表2可知，梯壁種植金銀花小區(qū)1 a后土壤SPBR值為0.26，比梯壁裸露小區(qū)1 a后的土壤SPBR值0.24增加了8.33%，說(shuō)明種植金銀花植物籬初期反而使土壤結(jié)構(gòu)體破壞率有所增加；與梯壁裸露小區(qū)1 a后土壤對(duì)比，梯壁裸露小區(qū)2 a后土壤SPBR值下降到0.17，下降比例為29.16%，說(shuō)明不采取植物籬等水保措施，只要不擾動(dòng)，梯壁土壤結(jié)構(gòu)體破壞率就會(huì)隨年限增加而有所降低；梯壁種植金銀花小區(qū)2 a后土壤SPBR下降至0.07，與梯壁種植金銀花小區(qū)1 a后土壤相比降低了73.08%，與梯壁裸露小區(qū)2 a后土壤相比降低了58.82%，說(shuō)明梯壁種植金銀花小區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)體破壞率也隨年限增加而降低，并且遠(yuǎn)低于梯壁裸露小區(qū)。

表2 臍橙園梯壁不同措施下土壤抗蝕性指標(biāo)

由表2還可知，臍橙園梯壁種植金銀花小區(qū)1 a后土壤WSA比同年限梯壁裸露小區(qū)提高了4.03%，說(shuō)明梯壁種植金銀花可以提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例；梯壁種植金銀花小區(qū)2 a后土壤WSA比同年限梯壁裸露小區(qū)提高了19.63%，比梯壁種植金銀花小區(qū)1 a后土壤提高了17.74%，說(shuō)明梯壁種植金銀花小區(qū)的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例隨年限增加逐漸提高，且明顯高于梯壁裸露小區(qū)。

2.2 減沙效益

由圖1可知，在不同降雨量下，梯壁裸露小區(qū)泥沙流失量均大于梯壁種植金銀花小區(qū)，并且梯壁裸露小區(qū)泥沙流失量隨降雨量增大而增大，而梯壁種植金銀花小區(qū)泥沙流失量隨降雨量的增大呈減小趨勢(shì)。與梯壁裸露小區(qū)對(duì)比，梯壁種植金銀花小區(qū)在中雨條件下減沙效益為20.89%，在大雨條件下的減沙效益可達(dá)73.49%，說(shuō)明金銀花植物籬對(duì)減少果園土壤流失有較好的效果。

圖1 臍橙園小區(qū)泥沙流失量

2.3 減少養(yǎng)分流失效益

由圖2可知，兩種措施下臍橙園小區(qū)總氮流失量均隨降雨量增大而增大，但不同降雨量下梯壁種植金銀花小區(qū)總氮流失量均小于梯壁裸露小區(qū)，在中雨條件下梯壁種植金銀花小區(qū)比梯壁裸露小區(qū)總氮流失量減少30.49%，在大雨條件下總氮流失量減少15.97%。在不同降雨量下，梯壁裸露小區(qū)均是硝態(tài)氮流失量大于氨態(tài)氮流失量，而梯壁種植金銀花小區(qū)則是在大雨下氨態(tài)氮流失量大于硝態(tài)氮流失量；硝態(tài)氮流失量是梯壁裸露小區(qū)大于梯壁種植金銀花小區(qū)，而氨態(tài)氮流失量則是梯壁種植金銀花小區(qū)大于梯壁裸露小區(qū)。

圖2 臍橙園梯壁不同措施下氮素流失量

由圖3可知，在不同降雨量下，兩種措施下臍橙園小區(qū)總磷流失量趨勢(shì)與總氮有所不同，梯壁裸露小區(qū)總磷流失量隨降雨量增大而增大，但梯壁種植金銀花小區(qū)總磷流失量隨降雨量增大而略有減?。慌c梯壁裸露小區(qū)相比，梯壁種植金銀花小區(qū)在中雨條件下總磷流失量減少35.00%，在大雨條件下總磷流失量減少59.78%。兩種措施下臍橙園小區(qū)可溶性磷流失量都隨降雨量的增大而減小，在中雨條件下梯壁種植金銀花小區(qū)可溶性磷流失量小于梯壁裸露小區(qū)，在大雨條件下則略大于梯壁裸露小區(qū)。

圖3 臍橙園梯壁不同措施下磷素流失量

2.4 土壤肥力提升效益

對(duì)臍橙園梯壁附近土壤進(jìn)行采樣分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，臍橙園梯壁種植金銀花小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量大于梯壁裸露小區(qū)，并且隨著種植年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。與同年限梯壁裸露小區(qū)相比，梯壁種植金銀花小區(qū)1 a后土壤有機(jī)質(zhì)含量提高8.97%，2 a后土壤有機(jī)質(zhì)含量提高16.59%。

表3 臍橙園梯壁不同措施下土壤養(yǎng)分含量 g/kg

由表3還可知，兩種措施下梯壁土壤總氮、總磷含量均隨年限增加而有所增加，但相同年限梯壁種植金銀花小區(qū)土壤總氮、總磷含量均大于梯壁裸露小區(qū)，其中梯壁種植金銀花小區(qū)1 a后土壤總氮、總磷含量分別比同年限梯壁裸露小區(qū)提高27.78%、133.33%，2 a后土壤總氮、總磷含量分別比同年限梯壁裸露小區(qū)提高25.71%、20.00%。

3 討 論

地表徑流是引起果園梯壁水土流失的主要原因。金銀花植物籬能通過(guò)莖葉攔截雨水減少?gòu)搅髁?、減輕雨滴擊濺侵蝕，通過(guò)根系穿插固持土壤，增強(qiáng)土壤抗沖性，改善土壤理化性質(zhì)，提高土體抗剪強(qiáng)度[12]，通過(guò)機(jī)械攔擋作用減緩徑流速度、降低徑流攜帶泥沙能力[13]，進(jìn)而有效減少?gòu)搅骱颓治g。土壤中養(yǎng)分的流失與水土流失呈顯著正相關(guān)[14]，減少了水土流失也就減少了土壤養(yǎng)分的流失。本研究中梯壁裸露小區(qū)土壤流失的可溶性氮素以硝態(tài)氮為主，而梯壁種植金銀花小區(qū)土壤流失的可溶性氮素以氨態(tài)氮為主，這一點(diǎn)與相關(guān)研究結(jié)論[15]有所不同，可能與土壤所施氮肥是硝酸鹽類(lèi)肥料還是銨態(tài)氮類(lèi)肥料有關(guān)，也有可能與種植作物類(lèi)型是固氮類(lèi)植物或非固氮類(lèi)植物有關(guān)。磷素主要隨泥沙流失[16]，通過(guò)對(duì)比不同措施小區(qū)泥沙流失量也可以看出，梯壁種植金銀花小區(qū)在大雨條件下泥沙流失量反而比中雨條件下小，所以導(dǎo)致其在大雨條件下的總磷流失量也比中雨條件下略小。

4 結(jié) 論

(1)在土壤物理性質(zhì)方面，梯壁種植金銀花之后土壤>0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例上升，而<0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體有明顯下降，說(shuō)明種植金銀花之后，梯壁土壤水穩(wěn)性有較大提升，土壤結(jié)構(gòu)有所改善。梯壁種植金銀花2 a后土壤SPBR下降至0.07，與梯壁種植金銀花1 a后相比降低了73.08%，與梯壁裸露2 a后土壤相比降低了58.82%，說(shuō)明種植金銀花植物籬的梯壁土壤結(jié)構(gòu)體破壞率隨年限增加而降低，并且其結(jié)構(gòu)體破壞率遠(yuǎn)低于裸露梯壁。梯壁種植金銀花2 a后土壤WSA與梯壁種植金銀花1 a后土壤相比，提高了17.74%，與梯壁裸露2 a后土壤相比提高了19.63%，說(shuō)明種植金銀花植物籬的土壤抗蝕性逐漸增強(qiáng)。

(2)在減蝕效益方面，與梯壁裸露小區(qū)相比，梯壁種植金銀花小區(qū)在中雨條件下減沙效益為20.89%，在大雨條件下可達(dá)73.49%，說(shuō)明金銀花植物籬對(duì)減少果園土壤侵蝕有較好的效果。

(3)在削減面源污染方面，與梯壁裸露小區(qū)相比，梯壁種植金銀花小區(qū)在中雨條件下總氮流失量減少30.49%、總磷流失量減少35.00%，在大雨條件下總氮流失量減少15.97%、總磷流失量減少59.78%，說(shuō)明金銀花植物籬可以有效減少臍橙園氮磷流失，并且減磷效果要優(yōu)于減氮效果。

(4)在土壤化學(xué)性質(zhì)方面，臍橙園梯壁種植金銀花小區(qū)1 a后土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別比同年限梯壁裸露小區(qū)提高8.97%、27.78%、133.33%，2 a后土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別比同年限梯壁裸露小區(qū)提高16.59%、25.71%、20.00%，說(shuō)明金銀花植物籬對(duì)改良土壤有較好的效果。