覆蓋方式對浙西低丘橘園土壤碳庫和養(yǎng)分流失的影響

陳 翔，劉永紅，商小蘭，黃 越，章明奎，郭水榮*

（1.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 浙江 桐廬 311500；2.杭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 310020；3.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310058）

0 引言

浙西地區(qū)是浙江省典型的山地丘陵區(qū)，地處中亞熱帶地區(qū)，具有適宜經(jīng)濟作物生產(chǎn)的氣候條件，是浙江省柑橘的重點產(chǎn)區(qū)。鄭銘潔等［1］研究認為，該區(qū)果園普遍存在土壤酸化、有機質(zhì)含量較低、土體緊實、表土磷的養(yǎng)分富集等問題。加之當?shù)赜斜硎┓柿系牧晳T，地表養(yǎng)分流失風險較大，另外，由于地處低丘，季節(jié)性缺水問題也較為突出。果園的科學經(jīng)營是一項綜合性技術(shù)活動，要求兼顧經(jīng)濟與生態(tài)效益，采取綜合措施來減少水分蒸發(fā)、降低水土流失以及持續(xù)提高地力，以保障農(nóng)產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。如何提高土壤有機質(zhì)含量、降低土壤容重、增強土壤滲透能力及減少地表養(yǎng)分流失等是該地區(qū)果園科學經(jīng)營管理的關(guān)鍵問題。徐紅梅等［2-4］研究表明，地表覆蓋可穩(wěn)溫保墑、控制與降低水土流失。根據(jù)覆蓋材料的差異，農(nóng)地覆蓋包括地膜覆蓋、園藝地布覆蓋、生草覆蓋和秸稈覆蓋等方式。地膜覆蓋和園藝地布覆蓋存在環(huán)境污染［5-6］或投資成本較高的問題［4］，應(yīng)用范圍也有一定的局限性；而生草覆蓋和秸稈覆蓋可實現(xiàn)適地適草，兼具培肥土壤、防止水土流失和促進作物增產(chǎn)的優(yōu)點，適用性廣［7-10］。覆蓋的秸稈在土壤微生物的作用下，會逐漸轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)，改良土壤結(jié)構(gòu)，提供作物生長所需的養(yǎng)分，減少土壤水分蒸發(fā)，從而改善作物根系的生長環(huán)境［11-14］。我國果園生草管理已形成了多種模式，包括人工種草和自然生草模式；因區(qū)域環(huán)境條件的差異，覆蓋試驗對水土保持與養(yǎng)分減排、土壤改良、地表微域環(huán)境改善、果品調(diào)優(yōu)、生態(tài)防控等作用效果有較大變化［15-19］。浙西地區(qū)的土地利用方式多樣，有豐富的秸稈資源，具備果園秸稈覆蓋的條件。近年來，農(nóng)業(yè)部門在該地區(qū)推行間作綠肥培肥的模式對該地區(qū)水土保持等已取得了一定的成效。但至今，不同覆蓋方式對浙西地區(qū)低丘果園土壤質(zhì)量的影響及適用性還缺少全面的評估。為了明確秸稈覆蓋、自然生草及人工種草的綜合生態(tài)效果，在浙西丘陵區(qū)選擇具有代表性的果園，開展了為期2 a的試驗，比較研究了自然生草、人工種草及秸稈覆蓋對果園土壤有機質(zhì)含量及地表養(yǎng)分流失等的影響，以期為科學管理果園提供參考依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 試驗方法

試驗地為9 a園齡的成年柑橘園，柑橘品種為宮川；果園地表坡度為15°~20°；土壤為凝灰?guī)r風化發(fā)育形成的黃泥沙土(屬于紅壤土類、黃紅壤亞類)，質(zhì)地為黏壤土。試驗時間為2020年1月—2021年12月。試驗區(qū)柑橘園為梯田，條狀等高種植，行距約400 cm，株距300 cm。試驗設(shè)置4個處理，每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為60 m2，4個處理分別為：（1）對照：清園處理，為當?shù)剞r(nóng)戶主要管理方式；分別在春季和夏季清除地表雜草1次，1 a中多數(shù)時間地表裸露；每年12月底翻耕松土1次。（2）覆蓋秸稈：在行間100%的地上覆蓋10 cm厚度的稻草；稻草于每年3月切成20~30 cm長度，散施于地表，至12月底翻入30 cm表土中。（3）自然生草：不進行清園，讓雜草自然生長，每年12月底翻入30 cm表土中。（4）人工種草：于3月下旬播種印度豇豆，播種量為3.5 kg/667 m2，每年12月底翻入30 cm表土中。除上述試驗處理外，各試驗小區(qū)施肥水平與其他管理相同，所用肥料為硫酸鉀型復(fù)合肥（N-P-K=18-8-14；含Mg≥2%），春肥和夏肥施用量分別為30和50 kg/667 m2，施肥方式均為地表撒施。

于試驗第2年的2、5、8和11月，在每1小區(qū)中選擇代表性點位，用土鉆分別采集0~30、30~60和60~90 cm土層土樣，觀察土壤水分的變化。于第2年的12月對土壤采樣進行理化分析，為多點混合樣，采樣深度土層為0~30 cm。土樣經(jīng)室內(nèi)風干，過2 mm土篩；取少量過2 mm篩的土樣進一步磨細過0.125 mm土篩，進行土壤分析。于2020年11月柑橘成熟時在每個小區(qū)選擇3棵果樹進行測產(chǎn)，同時檢測果品品質(zhì)；用糖度計測定糖分，用中和法測定可滴定酸。

于試驗第2年進行水土流失觀察，觀察時間為1 a。在每個觀察小區(qū)的匯流下端各布置1個塑料容器用于收集地表徑流。為了便于收集，塑料容器埋于地面，試驗小區(qū)與徑流收集池采用口徑為10 cm的塑料導(dǎo)水槽連接。各收集池上用塑料板遮蓋，防止雨水進入。記錄每次產(chǎn)生徑流的各小區(qū)徑流量，根據(jù)徑流量與小區(qū)面積換算為徑流深度（mm）；徑流樣分小區(qū)各貯存于1個塑料容器中，按月合并為1個分析樣進行分析。徑流水樣分析內(nèi)容包括泥沙含量、全P、全N、水溶性P和顆粒態(tài)P。泥沙、養(yǎng)分年流失量根據(jù)徑流量與徑流中泥沙及養(yǎng)分濃度計算，全年徑流中平均泥沙、養(yǎng)分含量根據(jù)各次徑流量進行加權(quán)計算。

1.2 測定方法

徑流分析樣混勻后分為3部分：一部分用過濾—烘干法測定徑流中泥沙含量；一部分未經(jīng)過濾，直接經(jīng)過消化處理后測定全P和全N含量；另一部分過0.45 μm濾膜后，用于水溶性P含量的測定。水樣用過硫酸鉀消解，鉬酸銨分光光度法測定P含量（GB/T 11893—1989），用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法測定水中總氮含量（GB/T 11894—1989）。顆粒態(tài)P含量為總P與水溶性P含量的差值。

土壤pH值、陽離子交換量（CEC）、有機質(zhì)、全氮、全磷、交換性酸、有效磷、NH4-N、NO3-N、速效鉀含量均采用常規(guī)法測定［20］。土壤容重采用環(huán)刀法測定，水穩(wěn)定性團聚體采用濕篩法測定。土壤中水溶性有機碳含量采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，Shimadzu TOC自動分析儀測定；易氧化有機碳含量采用袁可能等［21］的研究方法測定；微生物生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸—硫酸鉀提取法測定［22］，提取液中的碳含量用Shimadzu TOC自動分析儀測定。

碳庫管理指數(shù)（CPMI）［23］的相關(guān)計算公式為：

式（1）~式（5）中，CPI代表碳庫指數(shù)；AI代表碳庫活度指數(shù)；A代表碳庫活度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理，應(yīng)用SPSS 12.0軟件進行顯著性方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理方式對土壤容重、水穩(wěn)定性團聚體和水分狀況的影響

由表1可知，秸稈覆蓋處理下的土壤容重較對照下降了4.65%；但自然生草和人工種草處理下的土壤容重變化不明顯。3種處理方式較對照均顯著增加了土壤中水穩(wěn)定性團聚體含量，秸稈覆蓋、自然生草和人工種草處理下的土壤中水穩(wěn)定性團聚體含量分別較對照增加了34.63%、10.26%和13.83%，其中秸稈覆蓋處理的增加幅度最大。秸稈覆蓋的土壤pH值較對照增加了0.16個單位，其土壤交換性酸含量較對照顯著降低；自然生草與人工種草處理對土壤pH值和交換性酸含量的影響不明顯。3種處理方式的土壤CEC較對照變化幅度不大，秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下的土壤CEC分別較對照增加了7.08%、3.22%和2.43%，其中以秸稈覆蓋處理的增加幅度最大。

表1 不同處理方式對土壤容重、水穩(wěn)定性團聚體含量、pH值、交換性酸含量和CEC的影響

2.2 不同處理方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表2可知，3種處理方式下的土壤全P含量較對照均無顯著變化，而有效P、速效K、NO3-N、NH4-N等含量均有明顯變化。其中，秸稈覆蓋和人工種草處理下的土壤全N含量較對照分別提高了11.40%和4.39%，但自然生草處理下的土壤全N含量較對照無明顯變化。由于試驗地土壤本底有效P含量較高，采取3種處理方式后的土壤有效P含量較對照均有不同程度的下降，秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下的土壤有效P含量和NH4-N含量較對照分別下降了21.08%、15.93%、26.76%，38.17%、22.27%和32.33%。秸稈覆蓋處理下的土壤速效K含量較對照提高了12.03%，而自然生草與人工種草處理下的土壤速效K含量較對照有所降低。3種處理方式下的土壤NO3-N含量較對照均有增加，秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下的土壤NO3-N含量分別較對照提高了25.71%、23.15%和10.91%。

表2 不同處理方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3 不同處理方式對土壤有機碳組成的影響

由表3可知，3種處理方式均可提高土壤中的有機碳總量、易氧化有機碳、微生物生物量碳和水溶性有機碳含量。與對照相比，秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下的土壤有機碳總量分別提高了26.37%、2.34%和10.84%，土壤易氧化有機碳含量分別提高了43.17%、8.74%和16.12%，土壤微生物生物量碳含量分別提高了69.86%、34.25%和41.10%，土壤水溶性有機碳含量分別提高了118.18%、40.91%和68.18%，其中以秸稈覆蓋處理下的增幅最大，其次是人工種草，自然生草的增幅相對最小。秸稈覆蓋處理后不同形態(tài)的有機碳變化情況也不相同，含量增幅最大的為水溶性有機碳，其次是微生物生物量碳、易氧化有機碳，有機碳總量的增幅相對最小，表明秸稈覆蓋處理對活性有機碳組分（易氧化有機碳、微生物生物量碳和水溶性碳）的影響大于對有機碳總量的影響。

表3 不同處理方式對土壤有機碳組成的影響

碳庫管理指數(shù)是表征土壤碳庫變化的指標，研究設(shè)定對照園地的土壤碳庫管理指數(shù)為100，采用3種覆蓋處理后土壤碳庫管理指數(shù)均高于100，說明3種覆蓋處理對土壤碳庫均有所改善。由表3可知，采取不同覆蓋措施后的土壤碳庫管理指數(shù)均有所增加，表明覆蓋后土壤碳庫均有所改善，其中秸稈覆蓋的碳庫管理指數(shù)較對照提高了55.00%，表明其對土壤碳庫的改善效果最佳，其次是人工種草，自然生草的改善效果相對較弱。

2.4 不同處理方式對土壤含水量的影響

由表4可知，不同處理方式對深層（60~90 cm）土壤含水量影響不明顯；整體來看，5月的土壤含水量最高，其次為8月，11月最低。大多數(shù)秸稈覆蓋處理的土壤含水量較高，其次為人工種草。與對照相比，春夏季（5月）時秸稈覆蓋、自然生草與人工種草0~30 cm土層的土壤含水量分別提高了6.77%、1.54%和3.20%，30~60 cm土層的土壤含水量分別提高了4.22%、3.04%和7.13%；在秋冬季（11月），秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下0~30 cm土層的土壤含水量較對照分別提高了17.71%、2.37%和3.26%，30~60 cm土層的土壤含水量較對照分別提高了18.89%、6.76%和10.36%；地表覆蓋在11月的整體保水效果優(yōu)于5月。

2.5 不同處理方式對徑流量、泥沙與養(yǎng)分流失量的影響

由表5可知，1、2、11、12月等4個月因降水量較少或降水強度較弱沒有產(chǎn)生地表徑流。3—10月均產(chǎn)生了一定的徑流量，并以5、6、7和9月的地表徑流量最多。3種處理方式均明顯降低了地表徑流的產(chǎn)生，對照處理的年累計徑流量為204 mm，秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下的年累計徑流量分別為79、133和125 mm，較對照分別降低了61.27%、34.80%和38.73%，其中以秸稈覆蓋處理下的降幅最大，對果園地表徑流量的影響最明顯。

由表6可知，4個處理收集到的徑流水樣中泥沙平均含量介于0.12~0.43 g/L之間，秸稈覆蓋處理的小區(qū)徑流中泥沙平均含量顯著低于對照，秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理的徑流中泥沙平均含量較對照分別降低了72.09%、34.88%和46.51%；覆蓋處理后地表徑流中全N、全P、可溶性P和顆粒態(tài)P等平均含量均有較大程度的降低。秸稈覆蓋處理下的地表徑流中全N、全P、可溶性P和顆粒態(tài)P含量較對照分別下降了46.35%、69.21%、27.59%和79.71%；自然生草處理下的地表徑流中全N、全P、水溶性P和顆粒態(tài)P含量較對照分別下降了30.12%、50.46%、18.39%和58.55%；人工種草處理下的地表徑流中全N、全P、水溶性P和顆粒態(tài)P含量較對照分別下降了37.65%、59.49%、20.69%和69.28%。3種處理方式中以秸稈覆蓋處理對全N、全P、水溶性P和顆粒態(tài)P含量的降幅影響最為顯著；全P含量的降幅大于全N，顆粒態(tài)P含量的降幅大于對水溶性P含量。

表6 不同處理方式對果園地表徑流量中泥沙與養(yǎng)分濃度以及流失量的影響

由于覆蓋后地表徑流量和徑流中污染物同時下降，園地因水土流失輸出的泥沙和養(yǎng)分的降幅比以上徑流中對應(yīng)污染物含量的降幅更為明顯。秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下的泥沙流失量較對照分別降低了89.31%、58.03%和67.59%，全P流失量較對照分別降低了87.50%、68.18%和75.00%，全N流失量較對照分別降低了79.24%、54.44%和61.82%。

2.6 不同處理方式對柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表7可知，地表覆蓋可小幅增加柑橘產(chǎn)量，秸稈覆蓋、自然生草與人工種草處理下的柑橘產(chǎn)量較對照分別增加了13.80%、8.67%和4.47%，但由于柑橘樹單株個體產(chǎn)量變化較大，與對照相比，其增產(chǎn)均未達到顯著水平。秸稈覆蓋處理可明顯提高柑橘的糖度，降低其可滴定酸含量，小幅度增加其總可溶性固形物含量及可食用率；自然生草和人工種草處理對柑橘品質(zhì)的影響不明顯。

表7 不同處理方式對柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

3 討論

地表覆蓋是近年來國內(nèi)外發(fā)展起來的果園生態(tài)栽培模式［24-26］。果園地表覆蓋后，直接改變了土壤與環(huán)境之間的物質(zhì)能量交換方式。試驗結(jié)果表明，連續(xù)2 a進行不同處理方式覆蓋地表均顯著提高了表土有機質(zhì)含量以及土壤的碳庫管理水平；土壤有機質(zhì)的積累促進了土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，降低了土壤容重，從而提高了地表土壤的透水性和土壤水庫，降低了地表徑流量及養(yǎng)分的流失量，這與文獻報道的結(jié)果一致［27-32］。試驗結(jié)果表明，3種處理方式以秸稈覆蓋處理效果最佳，其次為人工種草，自然生草處理的效果相對最差；導(dǎo)致3種覆蓋方式生態(tài)效果的差異可能與3種覆蓋方式在果園地表形成覆蓋物的持續(xù)時間以及覆蓋物生物量不同有關(guān)［33-34］。秸稈覆蓋從3月份開始就形成覆蓋層，可吸持自然降水，多余的水分穿透覆蓋層向下沿土壤孔隙、生物孔穴等進入土壤深層并保蓄在土壤之中，有效地減少了地表徑流，緩解了雨水對土壤的沖刷；而人工種草和自然生草處理由于受到氣候的影響，一般在5月份以后才能形成較多的生物量，且它們的生物量一般要明顯低于秸稈覆蓋，因此，其覆蓋效果遠低于秸稈覆蓋。自然生草處理的生物量明顯低于人工種草，因此后者的覆蓋效果更佳。由于通過秸稈覆蓋投入的生物量較高，至12月份翻耕時，進入土壤的有機質(zhì)含量也明顯高于其他2種覆蓋方式，因此秸稈覆蓋處理輸入的有機碳含量較高，其形成的腐殖質(zhì)含量也相應(yīng)地明顯提高，從而使土壤容重降低、CEC提高及土壤結(jié)構(gòu)改良的效果也更加明顯。秸稈覆蓋后土壤氮素和速效鉀含量均有一定程度的提高，這可能是秸稈引入所致。

采用不同的處理方式，土壤氮和磷的流失量較對照明顯減弱，主要是因為覆蓋增加了地表的粗糙度，明顯影響了土壤顆粒物的移動?？扇苡谒奈镔|(zhì)仍可隨地表徑流發(fā)生移動，因此，通過覆蓋方式對降低顆粒態(tài)磷的效果要好于水溶性磷。采取3種覆蓋方式后土壤有效磷和NH4-N含量均有不同程度的降低，可能與秸稈覆蓋、自然生草與人工種草翻入土壤后在微生物生物量碳提高時發(fā)生的同化過程中消耗了部分磷和氮素有關(guān)；而土壤對NO3-N的吸附能力很弱，NO3-N可隨著地表徑流發(fā)生遷移流失，而覆蓋處理后降低了地表徑流，從而減少了NO3-N的流失，因此，不同覆蓋方式處理后土壤中NO3-N含量均有不同程度的提高。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，柑橘園采用秸稈覆蓋、自然生草和人工種草等3種覆蓋方式均可提高表土不同形態(tài)的有機質(zhì)積累，提高水穩(wěn)定性團聚體含量和土壤水分貯量并降低表層的土壤容重。秸稈覆蓋處理的效果明顯優(yōu)于自然生草和人工種草。秸稈覆蓋后土壤有機質(zhì)和碳庫管理指數(shù)明顯提高，年累計徑流量、泥沙流失量及全氮和全磷流失量較對照均顯著降低。秸稈覆蓋處理可小幅提高柑橘的產(chǎn)量和糖度。本研究認為，南方紅壤果園行間覆蓋農(nóng)作物秸稈具有良好的生態(tài)效應(yīng)，能夠有效降低水土流失，改善土壤理化性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，可作為南方山區(qū)果園的水保措施。