赣南脐橙园不同水保措施应用效果研究

2016-08-15孙永明黄欠如王亮亮成艳红钟义军

中国水土保持 2016年8期

关键词：毛管水保径流量

孙永明，叶　川，黄欠如，王亮亮，熊　文，黄　齐，成艳红，钟义军

(1.江西省红壤研究所，江西南昌 331717； 2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；3.江西省山江湖开发治理委员会办公室，江西南昌 330046)

赣南脐橙园不同水保措施应用效果研究

孙永明1，叶川1，黄欠如1，王亮亮2，熊文1，黄齐3，成艳红1，钟义军1

(1.江西省红壤研究所，江西南昌 331717； 2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；3.江西省山江湖开发治理委员会办公室，江西南昌 330046)

脐橙园；水土流失；水保措施；径流；土壤物理性状；综合评价；赣南

赣南脐橙园水土流失严重，为有效防治水土流失、改善果园生态环境，通过合理配置工程、生物、化学措施，研究了7种种植模式的水土保持效果并进行了综合评价，结果表明：与裸露果园(对照)相比，其余各处理径流量减少596.70～1 332.31 m3/hm2、减幅38.7%～86.4%，泥沙量减少3.92～12.31 t/hm2、减幅29.2%～91.8%，土壤容重降低0.7%～15.2%，土壤毛管孔隙度增加4.0%～22.4%，土壤入渗率、土壤水分涵养效果显著提升；综合评价得出的最佳水土保持型果园种植模式为处理7(草沟+梯壁种植百喜草+梯面施土壤改良剂)。

脐橙产业是赣南的特色产业和农业主导产业，是继“世界钨都”“稀土王国”之后赣南的另一张“名片”。经过近30年的发展，赣南脐橙已成为赣南苏区名副其实的农业“当家树”、农村“致富树”和农民的“摇钱树”[1-2]。然而，随着果业的发展，制约发展的生态问题日渐凸显，如在果园开发时片面追求面积的扩大而忽视对原有生态系统的保护，传统清耕和粗放的果园土壤管理模式使果园水土流失严重。据资料显示，赣南脐橙园水土流失面积高达10.975万hm2，占赣州市耕地面积(32.727万hm2)的33.54%，其中：轻度流失面积占脐橙园水土流失面积的53.92%、中度占33.62%、强烈占12.46%[3]。严重的水土流失使土层变薄、养分流失，每年要流失肥土 1 cm 以上，相当于1 hm2土地每年要流失肥土60 t左右，折合1 hm2土地损失全氮81.0 kg、全磷93.0 kg、全钾85.8 kg[4]；使赣江、抚河、饶河、信河、修河五大河流输沙量每年平均增加2.3%，淤积在鄱阳湖的泥沙每年平均增加2.5%[4]。此外，水土流失还是诱发干旱、崩岗等自然灾害的主要因素。据赵其国报道，赣南一带有6万多处侵蚀崩岗[5]，危害极其严重[6]。因此，改善果园生态环境，防治果园水土流失是当前的迫切任务。鉴于此，我们开展了脐橙园不同水保措施应用效果研究，旨在探索果农容易掌握、费用低廉、生态高效的水土保持型果园种植模式，为实现脐橙园生态效益、经济效益同步增长提供技术支撑。

1　试验设置与方法

1.1试验区概况

试验区位于赣州市信丰县庄高村，地理坐标为北纬25°23′、东经114°55′，属中亚热带季风湿润气候，日照充足，降雨较多，年均气温19.2 ℃，年均降水量1 500 mm，多集中在5—10月。试验区土壤以紫砂岩发育的红壤为主，地貌为丘陵岗地，海拔142～280 m，坡度25°。果园开垦方式为梯地，条带宽度3 m，建园时间为2011年。

1.2试验设置

在已建的径流场内设置7个试验处理，分别是：处理1，自然裸露果园(对照)；处理2，草沟(在梯坎下开挖的水平竹节沟内种植百喜草)；处理3，草沟+梯壁种植百喜草；处理4，草沟+梯壁种植百喜草+梯面生草(种植白三叶和圆叶决明)；处理5，草沟+梯壁种植百喜草+梯面施生物黑炭(施用量6 t/hm2)；处理6，草沟+梯壁种植百喜草+梯面秸秆覆盖；处理7，草沟+梯壁种植百喜草+梯面施土壤改良剂(土壤改良剂为聚丙烯酰胺，施用量0.3 t/hm2)。每个小区投影面积为154 m2。

1.3观测指标及方法

(1)“控源”指标：测定降雨量、地表径流量、土壤侵蚀量。降雨量采用小型气象站(NL-5)观测，地表径流量、土壤侵蚀量采用径流自动观测仪(WLL-12-PVB2.0)监测。

(2)“增渗”指标：测定土壤入渗率、土壤容重、孔隙度。土壤入渗率采用双环入渗仪测定，土壤容重、孔隙度采用环刀法测定。

(3)“扩容”指标：测定连续干旱胁迫下各处理土壤含水量(0～20、20～40、40～60 cm)，采用烘干法测定，于7～9月份在一次充分降雨后的第1、4、9、13、17天连续5次采样测定(采样期间必须保证无降雨，如有降雨将重新测定)。

2　结果与分析

2.1不同水保措施对地表径流及土壤侵蚀的影响

根据径流自动观测仪记载(表1)，2014年各处理径流量大小依次为：处理1(对照)>处理2>处理3>处理7>处理4>处理5>处理6。相比对照，其他处理径流量减少596.70～1 332.31 m3/hm2，减幅38.7%～86.4%，其中处理6截流效果最佳，其主要原因是百喜草有强大的辫子状匍匐茎和厚厚的叶层，既可减少雨滴对地面的直接溅击，又可以增强土壤的渗透能力[7]，同时秸秆自身的吸水性良好，饱和吸水率高达427.9%[8]。由表1知，各处理泥沙量大小依次为：处理1(对照)>处理2>处理3>处理5>处理7>处理4>处理6。相比对照，其他各处理泥沙量减少3.92～12.31 t/hm2，减幅29.2%～91.8%，其中除处理5外，其余处理的泥沙量与径流量呈正相关关系，处理5泥沙量偏高的原因主要是生物黑炭被径流带出。为了比较各个处理之间的差异性，我们利用2014年1—12月份各个处理径流量与降雨量的比值得出产流系数进行重复测量方差分析(图1)，结果表明：与对照相比，除处理2外，其余处理的产流系数均显著降低(P<0.05)。

表1　2014年各处理径流量及泥沙量统计

图1　产流系数方差分析

2.2不同水保措施对土壤物理性状的影响

2.2.1土壤容重

测定结果显示，处理1至处理7的土壤容重分别为1.45、1.46、1.44、1.37、1.29、1.34、1.23 g/cm3。与对照相比，除处理2略微升高外，其余处理土壤容重降低幅度为0.7%～15.2%，其中处理5和处理7的降幅较大，主要原因是生物黑炭和土壤改良剂中含有丰富的碳水化合物、长链烯烃等有机大分子，有利于提高土壤孔隙度和表面积，降低土壤的拉伸强度进而提高根系穿透能力，降低土壤密度[9-10]。方差分析表明(图2)，各处理土壤容重与对照相比，除处理5和处理7差异达显著水平(P<0.05)外，其余处理与对照无显著差异。

图2　不同水保措施对土壤容重的影响

2.2.2毛管孔隙度

测定结果显示，处理1至处理7的毛管孔隙度分别为28.44%、26.67%、29.59%、30.86%、33.26%、30.71%、34.81%。与对照相比，除处理2略微降低外，其余处理土壤毛管孔隙度增幅为4.0%～22.4%，其中处理7的增幅最大。方差分析表明(图3)，各处理土壤毛管孔隙度与对照相比，除处理5、处理7差异达显著水平(P<0.05)外，其余处理与对照无显著差异。

图3　不同水保措施对土壤毛管孔隙度的影响

2.2.3土壤入渗率

测定结果显示，所有处理的入渗率均呈现由最开始的速度较快然后逐步递减最终趋于平衡的变化趋势(图4)。从初始入渗率(第1分钟)测定结果来看，处理1至处理7的入渗率分别为3.77、5.19、4.72、5.66、9.91、4.72、7.55 mm/min，其中处理5入渗速度最快，与对照相比，初始入渗率高出162.86%，处理2、3、4、6、7的初始入渗率分别比对照升高37.67%、25.20%、50.13%、25.20%、100.27%。稳渗速率表现为处理5>处理7>处理4>处理6>处理3>处理2=处理1，与处理1和处理2相比，处理3至处理7稳渗速率分别增加15.78%、198.24%、414.03%、82.45%、363.15%。同时，不同处理到达稳渗的时间也不相同，处理1和处理2达稳渗的时间为15 min，处理3和处理6达稳渗的时间为20 min，处理4、5、7达稳渗的时间为25 min。

图4　各处理土壤入渗率变化趋势

2.3不同水保措施对土壤水分的影响

测定结果表明(表2)，连续干旱胁迫下各个处理0～20 cm土层土壤含水量随着干旱时间的延长呈现递减趋势，这主要是表层水分蒸发所致。但从表层储水效果来看，处理6效果最佳，延续至雨后第13天与对照相比仍然达到显著差异(P<0.05)，土壤含水量高出对照42%，这是因为秸秆覆盖抑制了表层土壤蒸发；雨后第17天各个处理表层土壤含水量无显著差异。20～40 cm土层含水量受不同处理影响随时间变化无明显趋势，雨后第1天各处理土壤含水量无显著差异，雨后第4天至13天不同处理对土壤含水量影响较大，以处理4和处理5效果最好，土壤含水量显著高于对照(P<0.05)，雨后17天各处理土壤水分无显著差异。40～60 cm土层含水量受不同处理影响随时间变化大多表现为在雨后第4天或第9天达到峰值，这主要受土壤中水分二次分配的影响；雨后第1天、第17天各处理土壤含水量无显著差异；雨后第4天至13天不同处理对土壤含水量影响较大，以处理6保水效果最好。

表2　雨后连续干旱胁迫下各处理土壤含水量

2.4不同水保措施应用效果综合评价

为了全面评价不同水保措施的应用效果以及探寻果园最佳的水土保持型种植模式，我们对7个不同处理的6个因子(径流量、泥沙量、土壤容重、毛管孔隙度、入渗率、干旱第17天土壤含水量)进行主成分分析，结果显示(表3)：在所有的主成分构成中，信息主要集中在前两个主成分，第一主成分贡献率最大，为75.64% ，其次为第二主成分，贡献率为20.51%，前两个主成分累积贡献率达到96.15%，基本概括了所有信息。在第一主成分的特征向量中，载荷最大且符号为正的是径流量、泥沙量，说明第一主成分得分高的处理样本(见表4)的径流量、泥沙量大，而径流量、泥沙量越大表明水保效果越差，排名就越靠后。在第二主成分中，载荷最大且符号为负的是土壤含水量，表明在第二主成分中土壤含水量成为主导因子。提取第一、第二主成分，运用公式Z=FW(F是主成分得分矩阵，W是权重)，计算综合得分，结果见图5。根据综合得分越高水保效果越差，各处理水保效果排序为：处理7>处理5>处理6>处理4>处理3>处理2>对照。

表3　主成分分析各因子载荷量及贡献率

表4　主成分分析得分

图5　主成分分析综合评价值

3　讨　论

赣南脐橙园水土流失问题早已引起众多学者的关注，其水土流失治理措施已有相关报道[11]。在治理低丘新垦果园梯带外坡水土流失的生物防护技术中，人工栽植百喜草被列为首选技术措施，具有治理工期短、见效快，且能最大程度地节省治理时间和后期管理用工成本的优点。此外，赣南各地在不断摸索实践中总结了不少有效的水土流失治理工程措施，例如在果园台地、梯田内侧开挖坎下竹节沟，在果园的山脚下和集雨面较大的治理区依山就势开挖山塘、蓄水池、拦沙坝等，并取得了一定的成绩[12]。但是，现阶段大多果农对水土保持的认识还很不够，水土保持措施单一、投入不足，水土流失状况没有得到根本好转，生态环境还很脆弱。因此，必须通过工程、生物、化学、农耕措施的合理配置，才能实现生态、经济、社会效益的同步增长。

4　结　论

综上所述，从拦截地表径流、减少土壤侵蚀量(控源)角度出发，处理6水土保持效果最佳，相比对照径流量减少1 332.31 m3/hm2、减幅86.4%，泥沙量减少12.31 t/hm2、减幅91.8%；从改善土壤物理结构、增加土壤入渗(增渗)角度出发，处理7和处理5优于其他处理，与对照相比土壤容重显著降低，降幅11.0%～15.2%，土壤毛管孔隙度提高16.9%～22.4%，土壤稳渗率提高363.15%～414.03%；从涵养土壤水分(扩容)角度出发，处理6储水效果最佳，表层土壤含水量延续至雨后13天与对照相比仍然达到显著差异(P<0.05)，高出对照42%；综合评价得出的最佳水土保持型果园种植模式为处理7。

[1] 黄传龙,祁春节.赣南脐橙产业发展的成就、经验与未来展望[J].中国果业信息,2010,27(7):1-5.

[2] 匡兵,杨晓伶,陈根生.赣南脐橙产业现状与发展趋势分析[J].农业工程技术,2010(3):34-37.

[3] 孙永明,叶川,王学雄,等.赣南脐橙果园水土流失现状调查分析[J].水土保持研究,2014,21(2):67-71.

[4] 胡正月,胡美蓉,谢日星,等.论赣南脐橙栽培与江西生态果园建设[J].江西农业科技,1999(1):29-32.

[5] 赵其国.闽西南及赣南地区水土流失治理问题的思考与建议[J].中国水土保持,2006(8):1-3.

[6] 白俞,熊平生,谢世友,等.赣南红壤崩岗侵蚀区生态退化及其修复研究[J].国土与自然资源研究,2011(2):57-59.

[7] 廖绵清,余喜初,叶川，等.百喜草治理水土流失及改善生态的研究[J].农业工程学报,2003,19(11):156-158.

[8] 孙梦辉.水稻秸秆编织物覆盖对坡耕地红壤水土流失的影响[D].昆明：云南农业大学,2009.

[9] 张文玲,李桂花,高卫东.生物质炭对土壤性状和作物产量的影响[J].中国农学通报,2009,25(17):153-157.

[10] 王成己,王义祥,林宇航,等.生物黑炭输入对果园土壤性状及活性有机碳的影响[J].福建农业学报,2012,27(2):196-199.

[11] 张永荣.信丰县果业开发中的水土保持实践[J].中国水土保持,2006(12):49-50.

[12] 郭晓敏,牛德奎,刘苑秋，等.赣南水土保持型果业发展模式探讨[J].水土保持研究,2000,7(3):187-189.