云南典型丘陵区茶园有机管理措施对土壤侵蚀的影响

刘世梁,董玉红,尹艺洁,成方妍,董世魁

(1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室,北京 100875;2.中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091)



云南典型丘陵区茶园有机管理措施对土壤侵蚀的影响

刘世梁1①,董玉红2,尹艺洁1,成方妍1,董世魁1

(1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室,北京 100875;2.中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091)

针对云南省典型丘陵区有机茶园管理措施,利用坡面土壤侵蚀机理模型——水蚀预报模型(WEPP),模拟了提高植被覆盖率与秸秆覆盖量对坡面土壤侵蚀的影响。结果表明,无论是常规茶园还是有机茶园,降雨强度显著影响坡面土壤流失量和泥沙输出量;但坡长不是主要影响因子。秸秆覆盖使得土壤表层养分含量明显增加,同时也明显降低土壤侵蚀量,特别是在大暴雨和特大暴雨情况下,下降程度更明显;当秸秆覆盖量提高至1.0 kg·m-2时,土壤侵蚀量明显降低。模拟结果表明,随着有机茶园植被覆盖率的增加,土壤侵蚀量有所降低。对不同植被覆盖率和秸秆覆盖量组合效应的模拟结果表明,不同管理措施的综合作用对土壤流失量和泥沙输出量有明显减缓作用,特别当有机茶园覆盖率低的情况下,秸秆覆盖对土壤侵蚀的减缓作用更明显。

土壤侵蚀;有机茶园;秸秆覆盖;植被覆盖率;WEPP模型

近年来,我国有机茶园建设发展迅速[1]。有机茶园是不施用任何化肥、农药,依靠有机肥培肥土壤,依靠生物防治控制病虫害,并通过有机食品认证机构检测颁证的茶叶种植模式[2]。由于有机茶园管理措施有别于传统茶园,很多研究分析了不同管理措施下茶园生态环境的变化。研究表明不同种植年限有机茶园土壤微生物群落组成及活性呈显著升高趋势[2],且稻秸覆盖对有机茶园土壤起到改善作用[3]。退耕植茶地土壤总有机碳质量分数呈先降低后升高趋势,土壤总有机碳密度和土壤活性有机碳质量分数显著增加[4]。

有机茶园的建设与管理对水土流失防治起着重要作用。由于采取秸秆覆盖及有机肥施用等措施,坡面降雨拦蓄和入渗能力加强,从而影响径流产生[5-6],也会影响侵蚀过程[7]。茶园中土壤养分变化已成为评价生态系统恢复效果的指标之一[8],水蚀导致土壤养分流失,进而影响土壤肥力和作物产量[9-10]。目前,关于有机茶园有效管理对水土流失过程影响的定量研究仍然较少[11]。模型应用是探讨水蚀效应及其影响机理的重要方法之一。在坡面尺度上,水蚀预报模型(water erosion prediction project,WEPP)可以预测土壤侵蚀以及不同土地利用类型的产沙和输沙状况[12-13]。目前,我国学者在WEPP模型方面做了大量有益探索,如坡度[14]和坡长[15]对侵蚀量的影响分析,并对不同地区的模型适应性进行评价[16-17]。在我国南方红壤地区的土壤侵蚀研究中,WEPP模型也具有实际应用性[18-19]。

云南丘陵区多山地且年降水量较高,水土流失较严重[20-21],不同的农林管理措施对土壤侵蚀的影响较大[22]。有机茶园管理对土壤水蚀过程的影响研究亟需加强,而基于WEPP模型的土壤侵蚀研究仍较少[23]。目前,云南省部分地区开始大力推广有机茶园建设,如普洱市已经完成超过1.33万hm2有机茶园转换。由于有机茶园管理措施与普通茶园有较大差异,该研究针对典型丘陵区有机茶园管理措施,采用WEPP坡面土壤流失模型,分析有机茶园建设后对水土流失的影响,研究有机茶园在水土保持方面的效果,对于有机茶园建设的生态环境效应及耕作措施管理具有一定的指导意义。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究地点选择云南省普洱市倚象区大草地有机茶场(22°46′05″ N,101°04′47″ E)。该区属中亚热带气候区,年均气温为17 ℃,最热月均温为18～19 ℃,最冷月均温为8～10 ℃,≥10 ℃年积温为6 050 ℃,年降水量约为1 600 mm。

该地区主要土地利用类型为茶园、耕地、林地、灌木地和建设用地。研究区土壤类型为红壤,对表层土壤进行随机采样,并均匀混合,测定其基本理化属性。于2014年8月对3个有机茶园坡面进行采样调查,包括研究区景观特征、有机茶园管理措施和坡面基本属性(表1),以及土壤机械组成(如砂粒、黏粒和砾石含量)和有机质含量。覆盖茶园和未覆盖茶园对照试验地的海拔、坡度、坡向、地形和土壤条件基本一致,且其他管理措施水平相同。

表1 有机茶园坡面的基本属性

Table 1 Basic features of the studied slope

坡面编号海拔高度/m坡长/m坡度/(°)茶树行数Ⅰ1560～158710027.038Ⅱ1550～15678028.325Ⅲ1556～15769025.031

3个坡面茶树密度均为6万丛·hm-2,平均株高均为1.5 m。

为探究土壤秸秆覆盖有机茶园土壤养分的变化情况,利用有机茶园与常规茶园土壤养分含量的比值来表示,若比值大于1,表明有机茶园的秸秆覆盖对土壤养分的存留具有促进作用。

1.2 WEPP模型的设定

根据野外调查,依据有机茶园的地形、管理、气候和土壤属性,输入WEPP模型所需参数。具体参数如下:坡面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ坡度和坡长见表1;砂粒、黏粒和有机质质量分数分别为27.4%、11.5%和3.0%～4.5%,CEC为99 mmol·kg-1,传导系数为9.8 mm·h-1。有机茶园茶树的种植措施与常规茶园一致,按有机茶园模式建成等高茶园,采用双行单株模式,大行距为140～200 cm,小行距为40～60 cm,株距为25～30 cm,依据测定的行间距与坡度属性输入坡面参数。

结合有机茶园管理措施,设定WEPP模型所需的管理措施参数,有机茶园管理措施主要为采取行间种植技术和土壤表层秸秆覆盖处理。设定常规茶园对照组(无秸秆覆盖)和有机茶园0.2、0.5、1.0、2.0和3.0 kg·m-2土壤秸秆覆盖处理。常规茶园植被覆盖率约为70%,有机茶园采取行间种植技术,使得植被覆盖率提高。该研究针对植被覆盖率进行了情景假设,假设茶园植被管理措施显著不同,植被覆盖率分别设为70%、75%、80%和85%。土壤参数根据实测土壤数据获取。

气候因子对土壤侵蚀的影响主要是降水量的差异,WEPP模型可以输入长时间降水数据,也可以输入不同暴雨情景。该研究基于中国气象局降水的划分标准[24],并根据WEPP模型进行初步计算,中雨水平以下不存在泥沙输出,故设置大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨4种降雨强度模式,并依据表2中参数进行分析,降雨等级取值为中间值。

表2 降雨强度等级划分[24]

Table 2 Grading of rainfall intensity

降雨强度等级24h降水总量/mm12h降水总量/mm大雨—暴雨33.0～74.923.0～49.9暴雨50.0～99.930.0～69.9暴雨—大暴雨75.0～174.950.0～104.9大暴雨100.0～249.970.0～139.9大暴雨—特大暴雨175.0～299.9105.0～169.9

2 结果与讨论

2.1 有机茶园管理措施对土壤养分的影响

与常规茶园土壤养分含量相比,有机茶园土壤秸秆覆盖措施对土壤养分有明显促进作用(图1)。

图1 有机茶园管理措施对土壤养分的影响

常规茶园土壤表层(0～20 cm)养分含量较低,而有机茶园速效养分含量约为常规茶园的1.85倍,且有机质含量约为常规茶园的1.8倍。这表明有机茶园覆盖秸秆能增加土壤有机质并提高土壤肥力。土壤秸秆覆盖措施不仅影响土壤养分特征,同时也影响土壤物理性状,如机械组成和水分特征。研究表明,土壤秸秆覆盖可使土壤表层水分维持湿润状态[25]。而且土壤秸秆覆盖对降水也具有一定的缓冲作用,土壤养分含量的差异也影响土壤流失养分含量。

2.2 不同等级降雨强度对有机茶园土壤侵蚀的影响

采用WEPP模型分析了不同降雨强度条件下有机茶园土壤流失量和泥沙输出量(图2)。由图2可知,随着降雨强度的增加,有机茶园土壤侵蚀量显著增加。在大雨模式下,土壤侵蚀量很低,而暴雨使得土壤流失量迅速增加,但是总体仍然维持在较低水平。有研究表明,坡面土壤侵蚀模数往往与降雨强度呈指数函数或幂函数关系[26],由于土壤侵蚀受次降雨强度影响显著,降雨达到一定强度时才开始产生径流,在强暴雨过程中,土壤侵蚀从单纯的雨水输移转变为泥沙混合。不同的降雨强度、历时和土质条件对于土壤的入渗与产流效应有所不同。同一降雨强度条件下,不同坡度、坡长和管理措施也会影响产流过程[27]。图2表明,相同降雨强度条件下不同坡面土壤侵蚀量差异较小;坡面Ⅱ坡度略高,坡长最短,其土壤流失量却略有增加,说明坡长不是主要影响要素。

图2 不同降雨强度条件下有机茶园土壤流失量和泥沙输出量比较

不同降雨强度条件下坡面土壤流失量和坡面底部泥沙输出量的差异见表3～4。可以看出,总体上降雨强度对土壤侵蚀的影响明显,但在同一降雨强度条件下常规茶园土壤侵蚀与有机茶园存在一定差异。以坡面I为例,常规茶园土壤流失量由0.002上升至0.088 kg·m-2,而有机茶园从0.001上升至0.050 kg·m-2(表3)。就泥沙输出量而言,常规茶园从0.021上升至0.884 t·hm-2,而有机茶园从0.013上升至0.520 t·hm-2(表4)。

可以看出,随着降雨强度的增加,常规茶园土壤侵蚀与有机茶园的差异逐渐增加,且坡面Ⅱ土壤流失量和泥沙输出量都相对较大。

表3 不同降雨强度条件下有机茶园管理措施对土壤流失量的影响

Table 3 Effects of organic tea plantation management measures on soil loss under different rainfall intensities

坡面编号茶园类型土壤流失量/(kg·m-2)大雨暴雨大暴雨特大暴雨Ⅰ常规0.0020.0220.0570.088有机0.0010.0130.0350.050Ⅱ常规0.0020.0230.0580.090有机0.0010.0130.0350.051Ⅲ常规0.0020.0220.0550.086有机0.0010.0130.0350.052

表4 不同降雨强度条件下有机茶园管理措施对泥沙输出量的影响

Table 4 Effects of organic tea plantation management measures on sediment yield under different rainfall intensities

坡面编号茶园类型泥沙输出量/(t·hm-2)大雨暴雨大暴雨特大暴雨Ⅰ常规0.0210.2230.5690.884有机0.0130.1330.3400.520Ⅱ常规0.0210.2270.5790.900有机0.0140.1330.3500.530Ⅲ常规0.0200.2170.5520.875有机0.0130.1330.3400.520

2.3 不同秸秆覆盖处理水平对有机茶园土壤侵蚀的影响

有机茶园土壤秸秆覆盖处理是增加有机肥的重要手段,而土壤秸秆覆盖处理过程也同样对土壤流失产生影响。利用WEPP模型分析了不同土壤秸秆覆盖处理水平与土壤流失量和泥沙输出量的关系,结果见图3。图3显示,土壤秸秆覆盖量与降雨强度都影响土壤侵蚀状况,随着土壤秸秆覆盖量的增加,土壤流失量逐步降低,且泥沙输出量也呈降低趋势。对于特大暴雨来说,土壤流失量从0.077下降到0.037 kg·m-2,而泥沙输出量则从0.77下降到0.50 t·hm-2。总体上看,在特大暴雨过程中土壤流失量和泥沙输出量的降低趋势更明显,特别是当土壤秸秆覆盖量上升至1.0 kg·m-2时,土壤侵蚀量显著降低。实验研究也表明,对坡耕地采取一些水土保持耕作措施如免耕和秸秆还田,可有效防止水土流失,减少径流量和产沙量[28]。

图3 不同土壤秸秆覆盖处理水平对有机茶园土壤流失量和泥沙输出量的影响

2.4 植被覆盖度变化对有机茶园土壤侵蚀的影响

就土壤秸秆覆盖量为1.0 kg·m-2处理而言,不同植被覆盖率条件下土壤流失量和泥沙输出量比较见图4。可以看出,随着植被覆盖率的增加,土壤侵蚀量呈现下降趋势。但随着降雨强度的增加,植被覆盖率的影响也越明显,暴雨水平下,土壤流失量有所不同,但泥沙输出量差异不大。WEPP模型结果也表明,就不同土壤秸秆覆盖量水平而言,植被覆盖率的影响大致呈现一致趋势,随着植被覆盖率的增加,土壤侵蚀量均呈现下降趋势。

图4 不同植被覆盖率条件下有机茶园土壤流失量和泥沙输出量比较

2.5 不同措施综合对有机茶园土壤侵蚀的影响

不同土壤秸秆覆盖水平与不同植被覆盖率条件下有机茶园土壤流失量和泥沙输出量比较见图5。由175 mm大暴雨情景下的模拟结果可以看出,植被覆盖率和土壤秸秆覆盖水平的综合效应明显,与对照相比,土壤流失量和泥沙输出量有所下降。值得关注的是,在植被覆盖率较低的情况下,秸秆覆盖促使土壤侵蚀量降低的趋势明显,土壤秸秆覆盖量由0提高至1.0 kg·m-2时,土壤侵蚀量下降明显,而当超过此覆盖量时,降低趋势平缓。而在植被覆盖率相对较高的情况下,秸秆覆盖促使土壤侵蚀量降低的趋势相对平缓。从不同曲线的趋势可以看出,土壤秸秆覆盖处理与植被覆盖率都可以影响土壤侵蚀量。通过土壤流失量的比值可以看出,低植被覆盖条件下不同秸秆覆盖处理比较,对照为最高秸秆覆盖量的1.7倍,高于无秸秆覆盖处理下高植被覆盖和低植被覆盖的比值。所以,总体来看,植被覆盖率对有机茶园土壤侵蚀的减缓效果略低于秸秆覆盖量水平的减缓效果。就实际茶园管理而言,如果在提高植被覆盖率的同时增加秸秆覆盖量,可以更好地达到防治土壤侵蚀的目的。

图5 不同土壤秸秆覆盖水平和植被覆盖率对有机茶园土壤侵蚀的综合影响

从情景模拟方法入手,探讨了有机茶园管理措施对坡面水土保持效应的影响。对于有机茶园来说,坡面径流过程较复杂,在不具备实验条件的情况下,通过对基于物理过程的WEPP模型的研究,可以为模拟不同管理措施情况下的土壤侵蚀变化提供支撑。

3 结论

利用坡面土壤侵蚀WEPP模型模拟了云南省典型有机茶园不同管理措施下的水蚀变化。基于情景分析方法,针对不同降雨强度、土壤秸秆覆盖处理水平与植被管理措施对有机茶园的水土保持效应进行分析,得出以下主要结论。

(1)WEPP机理模型可以对不同管理措施下有机茶园土壤侵蚀情况进行模拟。结果表明,当降水超过大雨水平,即超过75 mm时有机茶园才有产流现象。随着降雨强度的增加,土壤流失量和泥沙输出量显著增加,特大暴雨条件下较暴雨条件下约增加3倍。不同坡面土壤侵蚀差异不明显,说明坡长的影响较小。目前,常规茶园的土壤侵蚀受到关注,与常规茶园相比,有机茶园土壤流失量和泥沙输出量降低,随着降雨强度的增加,降低效应增强,有机茶园建设对于坡地土壤侵蚀的控制具有积极效应。

(2)结合有机茶园管理措施进行的情景模拟结果表明,有机茶园土壤秸秆覆盖处理可明显降低土壤侵蚀量,特别是在大暴雨和特大暴雨情况下,下降程度更明显。研究发现,当秸秆覆盖量提高至1.0 kg·m-2时,土壤侵蚀量仍明显降低。随着植被覆盖率的增加,土壤侵蚀量呈现下降趋势。有机管理的综合措施具有叠加效应,使得暴雨侵蚀强度大为降低。管理措施的综合作用结果表明,有机茶园坡面土壤流失量和泥沙输出量都明显下降,在30%以上。在植被覆盖率低的情况下,秸秆覆盖对土壤侵蚀的减缓作用更明显。研究结果可为有机茶园的深入管理提供科学依据,对于长期土壤侵蚀过程及不同坡度的对比等方面的研究仍需要进一步分析。

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(责任编辑： 李祥敏)

Effects of Organic Management Measures for Tea Plantations on Control of Soil Erosion in a Typical Hilly Region in Yunnan Province.

LIU Shi-liang1, DONG Yu-hong2, YIN Yi-jie1, CHENG Fang-yan1, DONG Shi-kui1

(1.State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2.Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

A study was carried out in a typical hilly region in Yunnan Province in order to investigate effects of organic farming measures for management of tea plantations on soil erosion. A water erosion prediction project(WEPP) model specific for mechanism of soil erosion on slopes was used to simulate effects of higher vegetation coverage and/or higher straw mulching rate on soil erosion on slopes. Results show that rainfall intensity is the major factor, rather than slope length, significantly affecting soil loss and sediment output in either conventional or organic tea plantation on slope. Straw mulching significantly increases soil nutrient contents in the surface soil layer, and at the same time reduces soil erosion rate remarkably, and the soil conservation effect is more obvious, especially in the cases of heavy rain shower and rainstorm. Soil erosion rate drops significantly when straw mulching rate reaches 1.0 kg·m-2. The simulation shows that soil erosion rate reduces with increasing vegetation coverage. The simulation of combined effect of vegetation coverage and straw mulching indicates that the combination of different management measures can significantly reduce soil erosion and sediment yield, especially in tea plantations with low vegetation coverage, where the effect of straw mulching is more obvious.

soil erosion;organic tea garden;straw mulching;vegetation coverage;WEPP model

2016-01-12

国家自然科学基金面上项目(41571173);国家科技支撑计划(2014BAK19B06)

S157

A

1673-4831(2016)05-0788-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.015

刘世梁(1976—),男,山东沂水人，教授,博士,主要从事景观生态学和土壤学方面的研究。E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn

① 通信作者E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn