不同地表覆被对赣北柑橘园土壤抗蚀性及产流产沙的影响

2022-02-14汤崇军李忠武陈晓安

江西水利科技 2022年1期

汤崇军，李忠武，陈晓安，张杰

（1.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌，712100；2.中国科学院大学，北京，100049；3.江西省水利科学院江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌，330029）

0 引言

柑橘是南方分布较广的果树品种之一。柑橘园作为南方红壤丘陵区主要的土地利用形式，一般采用林下清耕（裸露）的方式进行管理，但由于南方地区充沛的降雨以及不合理的耕作导致柑橘园水土流失严重[1]。地表覆被措施具有良好的保持水土、涵养水源、改良土壤的作用[2]，可以改善土壤理化性质尤其是土壤的抗蚀性，进而减小土壤水土流失[3]。植物篱、草灌过滤带、残茬覆盖等措施可以有效缓冲水流、拦截泥沙[4]，进而有效减少养分流失，柑橘园生草措施被证明在改善土壤理化性质、防治水土流失方面有积极效益[5，6]。幼林期由于果树缺乏经济效益，在生产过程中常采用林下套种进行复合经营，然而林下套种等复合经营模式在土壤理化性质改良、水土流失防控等方面的效益有待进一步量化。因此，定量研究不同地表覆被措施下土壤抗蚀性及其减流减沙效益，进而筛选合适的柑橘园地表覆被措施，为红壤区柑橘园的水土流失防控提供科学依据。

1 研究区概况

江西水土保持生态科技园地处江西省德安县燕沟小流域，位于东经 115°42′38″～115°43′06″、北纬 29°16′37″～29°17′40″之间，总面积 80hm2。属亚热带季风气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，光照充足，且雨热同期。多年平均降雨量1 350.9mm，因受季风影响而在季节分配上极不均匀，形成明显的干季和湿季。最大年降雨量为1 807.7mm，最小年降雨量为865.6mm。多年平均气温16.7℃，年日照时数1 650～2 100h，无霜期245～260d。

该园位于我国红壤的中心区域，属全国土壤侵蚀二级类型区的南方红壤区，具有典型代表性。其地层为元古界板溪群泥质岩、新生界第四纪红色粘土、近代冲积与残积物。地貌类型为浅丘岗地，海拔一般在30～100m之间，坡度多在5°～25°。土壤为发育于泥质岩类风化物、第四纪红粘土母质的红壤；土质类型主要为中壤土、重壤土和轻粘土；土壤呈酸性至微酸性，土壤中矿物营养元素缺乏，氮、磷、钾都少，尤其是磷更少。科技园建园初期水土流失十分严重，面积达72.0hm2，占土地总面积的85.7%，土壤侵蚀模数为2 948t/（km2·a），土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主。

2 研究方法

2.1 径流小区设置

柑橘园径流小区（图1）建成于1999年底。在土层厚度、坡度、土壤理化特性较一致的同一坡面上，布设4个径流试验小区，小区宽5m（与等高线平行），长20m（水平投影），其水平投影面积100m2，坡度均为12°。在每个试验小区周边设置围埂，围埂出露地表30cm，地下埋深45cm，以拦挡外部径流。小区下面修筑集水槽承接小区径流和泥沙，并通过PVC管引入径流池。

图1 柑橘园径流小区

径流池根据当地24小时50年一遇的最大暴雨和径流量设计成A、B、C三池。A池按1.0m×1.2m×1.0m（长×宽×高）、B和C池按1.0m×1.2m×0.8m（长×宽×高）方形构筑，为钢筋混凝土结构现浇而成。A池在墙壁两侧0.75m处、B池在墙壁两侧0.55m处设有五分法“V”型三角分流堰，其中A池正面4份排出，内侧1份流入B池；B池与A池一样。三角分流堰板采用不锈钢材料，堰角均为60°。径流池内壁正面均安装有搪瓷量水尺，率定后可直接读数计算地表径流深。

除对照区外，每个小区栽植2年生柑橘12株，由上至下种植6行，行距3.0m，每行2株，株距2.5m。套种黄豆和萝卜的小区，在每年4月中旬～8月中旬种植黄豆，8月中旬～次年3月中旬种植萝卜；带状覆盖小区，带宽1.0m，种植百喜草，带状间隔1.1m。不同径流小区具体措施见表1。

表1 径流小区地表覆被

2.2 指标观测与计算

2016年对4个地表覆被柑橘小区采集表层（0～20cm）土壤样品，每个小区按“S”形布点，取5点土样混合，采用4分法保留1kg左右，装入无菌保鲜袋，带回实验室备用。

土壤团聚体含量运用干筛、湿筛方法测定。土壤微团聚体及机械组成采用吸管法进行分析，并对不同粒径团聚体进行砂粒校正[7]。不同植被覆被条件下柑橘园土壤抗蚀性特征用结构体破坏率、＞0.5mm水稳定性团聚体质量百分数（WSA）和团聚体平均重量直径（MWD）表征。其中团聚体平均重量直径又分为干筛和湿筛团聚体平均重量直径。各指标计算方法如下：

径流小区径流泥沙数据选择2016年定位观测数据，每次降雨结束之后，测量三个池子里的径流总量，计算每次降雨径流深，每个池子采集500ml混合样，测定含沙量，计算每次降雨产沙量。

3 结果与分析

3.1 不同地表覆被下柑橘园土壤抗蚀性特征

土壤干筛主要反映土壤机械稳定性情况。如表2所示，不同地表覆被柑橘园土壤干筛下大团聚体（＞2mm）含量从大到小依次为ZC＞CK＞HP＞SP。不同地表覆被下柑橘园土壤干筛大团聚体（0.25～2mm）含量从大到小依次为SP＞HP＞CK＞ZC。不同地表覆被下柑橘园土壤干筛微团聚体含量（＜0.25mm）从大到小依次为HP＞SP＞CK＞ZC。总体来看，裸露对照小区及带状覆盖百喜草小区主要以大团聚体为主，占比在70%以上。顺坡耕作小区及横坡耕作小区大团聚体比例较为接近，均在40%以上。顺坡耕作及横坡耕作小区微团聚体比例远大于裸露对照小区及带状覆盖百喜草小区。

表2 不同地表覆被下柑橘园土壤团聚体干、湿筛粒径分布%

湿筛主要反映土壤团聚体水稳定性。不同地表覆被下柑橘园土壤湿筛大团聚体（＞2mm）趋势为ZC＞SP＞HP＞CK。湿筛 0.25～2mm 大团聚体趋势为 CK＞ZC＞HP＞SP，柑橘园干筛微团聚体（＜0.25mm）趋势为 CK＞SP＞HP＞ZC。总体来看，与干筛相比，不同地表覆被下柑橘园土壤湿筛大团聚体均有所降低，主要是团聚体遇水后发生消散作用。其中，裸露对照小区大团聚体比例下降最大，下降了69.4%，带状覆盖小区土壤大团聚体稳定性最强，下降比例仅为42.6%。

如表3所示，不同地表覆被下柑橘园土壤团聚体结构破碎率从大到小依次为CK＞ZC＞SP＞HP。与裸露对照小区相比，带状覆盖百喜草小区、顺坡耕作小区及横坡耕作小区结构破坏率分别降低了11.5%、13.3%和20.6%。＞0.5mm水稳定性团聚体百分含量从大到小依次为ZC＞HP＞SP＞CK。与裸露对照小区相比，带状覆盖百喜草小区、顺坡耕作小区及横坡耕作小区WSA分别提高了37.7%、27.7%和33.0%。干筛团聚体平均重量直径从大到小依次为ZC＞CK＞HP＞SP。与裸露对照小区相比，带状覆盖百喜草小区干筛MWD提高了0.63%，顺坡耕作小区和横坡耕作小区降低了1.0%和1.0%。湿筛团聚体平均重量直径从大到小依次为ZC＞HP＞SP＞CK。与裸露对照小区相比，带状覆盖百喜草小区、顺坡耕作小区及横坡耕作小区湿筛MWD分别提高了0.64%、0.54%和0.59%。

表3 不同地表覆被下柑橘园土壤团聚体抗蚀性特征

3.2 产流产沙特征

如图2所示，不同地表覆被下柑橘园小区年径流深从大到小依次为CK＞SP＞HP＞ZC。其中裸露对照小区径流深最大，为163mm，带状覆盖百喜草小区最小，仅有12mm。与裸露对照小区相比，带状覆盖百喜草小区、顺坡耕作小区及横坡耕作小区对径流的消减率分别为92.7%、48.3%和73.5%。由此可以看出带状覆盖百喜草小区对径流的消减作用最大。其次是横坡耕作，比顺坡耕作的径流消减率高出25.1%，说明横坡耕作比顺坡耕作的径流拦截作用更强。

图2 不同地表覆被柑橘园径流小区年径流深

如图3所示，不同地表覆被下柑橘园小区年土壤侵蚀模数从大到小依次为CK＞SP＞HP＞ZC。与裸露对照小区相比，带状覆盖百喜草小区、顺坡耕作小区及横坡耕作小区对土壤侵蚀模数的消减比例分别为99.8%、21.6%和84.4%。可知带状覆盖百喜草小区侵蚀模数最低，仅有0.01 t/km2，说明其对泥沙的拦截作用最大。其次是横坡耕作小区，土壤侵蚀模数为144.06 t/km2，远低于顺坡耕作的723.83 t/km2，说明横坡耕作可以更好的拦截泥沙保持水土。裸露对照小区土壤侵蚀模数最大，为923.53 t/km2，远高于其他柑橘园小区。

图3 不同地表覆被柑橘园径流小区年土壤侵蚀模数

4 讨论

干筛条件下，裸露对照小区大团聚体含量较高，而湿筛条件下大团聚体含量大幅下降，这说明裸露小区土壤团聚体水稳定性较差，遇水则容易分散，因而易随径流流失进而导致裸露对照小区土壤侵蚀模数最大。带状覆盖百喜草小区干筛条件下大团聚体含量最大，原因可能是植物根系对土壤的缠绕作用导致。同时，带状覆盖百喜草小区＞0.5 mm水稳定性团聚体最大，说明土壤水稳定性较强，可能是由于植物根系分泌物的胶结作用促进了大团聚体的形成，进而导致水稳性大团聚体含量增加。除带状覆盖百喜草小区外，横坡耕作小区水稳定性亦较强，说明与传统的顺坡耕作相比，等高耕作或横坡耕作可以有效改善土壤理化性质及结构。

综合对比发现，不同地表覆被下柑橘园小区年径流深差异与年土壤侵蚀模数差异一致，且均与＞0.5 mm水稳定性团聚体质量百分数（WSA）成相反趋势。研究表明，地表覆被可提高水稳定性团聚体质量百分数（WSA），增强土壤抗蚀性，减少土壤侵蚀[8]。同时，因减少雨滴溅蚀和径流冲刷，地表覆被具有良好的水土保持功能[9]。因此，地表覆被的坡地柑橘园产流、产沙显著小于裸地对照，与相关研究结论一致[10]。