地表覆盖方式对广西柑橘果园土壤水分特征的影响

邓婉珍，黄太庆，甘 磊，黄雁飞，路 丹

（1广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西 南宁 530007；2桂林理工大学/广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；3广西大学农学院，广西 南宁 530004）

0 引言

【研究意义】广西是全国柑橘种植面积最大和产量最高的省份，但土壤退化和季节性干旱严重制约着广西柑橘产业的发展。由于广西柑橘果园多分布于低山丘陵，土壤保水保肥性能差、水土流失严重，加之柑橘园管理方式粗放，造成土壤有机质含量降低、有效养分不均衡、土壤板结等一系列土壤生态功能退化问题（谭宏伟等，2019；易晓曈等，2019）。同时，由于广西降雨季节分配不均，季节性干旱频发，造成柑橘果园土壤季节性缺水，供水能力下降，影响柑橘保花保果和果实膨大，阻碍柑橘产量和品质的提升（谭俊杰等，2020）。因此，研究广西柑橘果园不同地表覆盖方式对土壤质量和水分运移特征的影响，对提升广西柑橘果园的科学管理水平，促进广西柑橘产业可持续发展具有重要现实意义。【前人研究进展】地表覆盖作为田间杂草控制、水热调控的重要手段，对土壤生态产生重要影响，进而影响作物的发育生长（汤瑛芳等，2015；韩瑞芸等，2016）。防草布覆盖既能避免雨滴对表层土壤的直接击溅冲刷侵蚀，防止水土流失，又可有效防草，抑制土壤水分蒸发，保持土壤墒情，提高持水量和贮水量，增强土壤蓄水保墒能力（尉亚妮，2020；刘伟等，2021）。果园生草覆盖可通过草根系生长活动，增加土壤孔隙数量，使土壤变得相对疏松，增强土壤积蓄雨水能力和入渗能力，减少土壤侵蚀，改善土壤水肥环境，提高土壤有机质和有效养分含量，增加土壤湿度（刘伟等，2021），进而影响土壤生物多样性、微生物生物量和土壤酶活性等（Zhou et al.，2017；Wang et al.，2020），且不同生草品种、果园类型和区域位置的影响规律有着明显差异。姜莉莉等（2019）采用高通量测序技术分析不同生草栽培对阳谷县苹果园土壤微生物群落的影响，结果表明种植黑麦草可提高土壤链格孢菌和曲霉的相对丰度，白三叶处理可提高土壤赤霉的相对丰度，鼠茅草处理可增加土壤短梗菌属和毛壳属真菌的相对丰度；井赵斌等（2020）研究秦岭北麓猕猴桃果园不同牧草品种对土壤酶活性和微生物的影响，结果表明生草处理可提高土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性，但其影响程度因牧草不同而存在差异，同时土壤中细菌、真菌和放线菌数量的变化在不同生草处理中表现也不同；刘业萍等（2021）对泰山市苹果园不同生草栽培下的土壤微生物多样性和生物学性质开展研究，结果表明不同处理下土壤微生物的丰富度和多样性表现有所不同，土壤酶活性和有机碳含量也有差异。【本研究切入点】南方亚热带果园的杂草管理是日常管理的重要工作之一，不同的杂草管理会导致不同的地表覆盖，而目前关于地表覆盖模式（目前采用较多的防草布覆盖和自然生草割刈覆盖）对广西柑橘园土壤性质和水分变化的影响研究报道较少。【拟解决的关键问题】通过田间试验研究防草布覆盖和自然生草割刈对广西柑橘园土壤剖面基本理化性质、水分特征曲线、速效水量、含水量及贮水量的影响，探究不同覆盖方式对柑橘果园地力提升及保水供水的效应，从而为广西柑橘园节水灌溉的优化提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在广西南宁市武鸣区的广西农业科学院里建科学研究基地（东经108°02＇，北纬23°14＇）进行。该区域属亚热带季风气候，春秋干旱易发，夏季炎热多雨，冬季温暖少雨，光照充足，热量丰富，年平均气温21.7 ℃。年均降水量1304.2 mm，4—9月占全年降水量的80%。试验区土壤成土母质为第四纪红土，土壤类型为红壤，土层深厚，土壤呈酸性，pH 5.86。

1.2 试验设计

试验柑橘品种为沃柑，属于晚熟型杂交柑橘，于2018年3月定植，从2019年4月开始进行不同覆盖处理。共设3种覆盖处理，分别为喷施除草剂（地表裸露）的对照（CK）、防草布覆盖（GPC）和自然生草割刈（NGM），每处理设3个重复，共9个小区，每小区长17 m、宽9 m，面积153 m2，柑橘株行距2.5 m×3 m，详细措施见表1。采用常规灌溉管理，柑橘种植区内装有自动化水肥灌溉设备，对柑橘进行统一的肥料、灌溉和病虫害管理，冬季于柑橘成熟时施用以有机肥和钙、镁、锌、硼等中微量元素为主的肥料，其中有机肥为10 kg/株，中微量元素根据树势而定；春季于柑橘萌芽前施用氮磷钾复合肥（15-15-15）1 kg/株；膨果期施用氮磷钾复合肥（15-15-15）1 kg/株；并在柑橘生长过程中根据长势淋施水溶肥和喷施叶面肥。每小区分层安装土壤水分自动采集器，土壤含水量数据采集时间为2020年3月1日—2021年2月28日，土壤样品采集时间为2021年7月。

表1 试验设计及各处理措施Table 1 Experiment design and measures of treatments

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤基本理化性质 使用规格为100 cm3的环刀采集各小区土壤剖面0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm和50～70 cm 4个土层的原状土，用于测定土壤容重和水分特征曲线。利用土钻以梅花形布点法采集各小区相同土壤深度的土样，用于测定土壤有机质含量。土壤容重采用烘干法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法—外加热法测定（鲍士旦，2000）。

1.3.2 土壤总孔隙度 土壤总孔隙度是单位土壤容积内孔隙所占的百分数，表示土壤中各种大小孔隙的总和，计算公式如下：

1.3.3 土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线根据饱和脱湿法，采用美国SOIL MOISTURE EQUIPMENT CORP生产的压力膜仪进行0、30、50、100、300、500、1000和1300 kPa逐级加压测定，并采用van-Genuchten模型（van Genuchten，1980）进行拟合，即：

式中，θ为土壤体积含水率（cm3/cm3），θs和θr分别为饱和含水率和残余含水率（cm3/cm3），ψ为土壤基质势（kPa），α和n为无量纲的拟合参数，m=1-1∕n。

1.3.4 土壤含水量 采用国产SS-TRS401型土壤水分监测传感器（准确度＜±3%，分辨率为0.1%）长期定位监测9个小区5、20、40和60 cm深度土壤的含水量。土壤水分监测传感器每隔1 h记录一次土壤含水量数据。

1.3.5 土壤速效水 土壤速效水即易被植物吸收利用的土壤水，一般把-30～-1000 kPa的土壤含水量认为是速效水含量（李源等，2021）。

1.3.6 土壤贮水量 土壤贮水量是一定面积和土层内储存水分的数量，根据下式（赵丹阳等，2021）计算：

式中，W为0～70 cm土层土壤贮水量（mm），θi为第i层土壤的体积含水量（cm3/cm3），Di为第i层土壤厚度（cm）。

1.4 统计分析

利用Excel 2019进行数据汇总整理，SPSS 25.0进行统计分析和差异显著性检验，以Origin 2018作图，并利用RETC中的van-Genuchten模型求解土壤水分特征曲线的水力参数。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖处理对土壤基本理化性质的影响

由表2可知，不同覆盖处理对土壤表层（0～10 cm）的容重、总孔隙度和有机质含量有较大影响。NGM和GPC处理在0～10 cm土层的容重均低于CK，分别降低7.52%和3.01%，且NGM处理降低达显著水平（P＜0.05，下同）；NGM和GPC处理在10～30 cm土层的容重也呈降低趋势，较CK分别降低5.38%和4.62%，但均未达显著水平（P＞0.05，下同）；而不同覆盖处理对30～50 cm和50～70 cm土层容重影响较小。与CK相比，NGM和GPC处理均提高0～10 cm土层的总孔隙度，其中NGM处理有显著影响；在10～30 cm土层，NGM和GPC处理的土壤总孔隙度较CK分别提高5.26%和4.47%；在30～50 cm和50～70 cm土层，不同处理间的土壤总孔隙度差异较小。NGM处理有助于提高土壤有机质含量，在0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm和50～70 cm土层较CK分别提高7.99%、8.07%、4.07%和1.64%；GPC处理在0～10 cm和10～30 cm土层的有机质含量低于CK，分别降低14.15%和2.56%，在30～50 cm和50～70 cm土层则高于CK，分别提高6.50%和0.87%；统计分析结果表明，在0～10 cm土层，NGM处理的土壤有机质含量显著高于GPC处理，而其他土层的有机质含量在各处理之间无显著差异。

表2 不同覆盖处理下的土壤基本理化性质Table 2 Basic soil physicochemical properties under different mulching treatments

2.2 不同覆盖处理下的土壤水分特征曲线

由图1可知，不同覆盖处理下土壤水分特征曲线的形态相似，具体表现为：在低吸力段（土壤水吸力为0～100 kPa），主要是土壤大孔隙的水分被排走，土壤释水能力强，各处理0～70 cm土层的土壤含水量均迅速下降，各土壤水分特征曲线密集且陡直，比水容重大；在中高吸力段（土壤水吸力为100～1300 kPa），随着压力的增大，土壤对水分的吸持能力增大，只有小孔隙保有水分，土壤释水能力变弱，含水量下降幅度减缓，各土壤水分特征曲线逐渐趋于平缓，比水容重小。虽然3种覆盖处理各土层的土壤含水量均表现出随土壤水吸力的增大而先迅速下降后缓慢下降并趋于平稳的变化趋势，但不同处理间存在差异。当土壤水吸力相同时，在0～10 cm和10～30 cm土层中，不同覆盖处理的土壤含水量整体表现为GPC＞CK＞NGM，但在0～10 cm土层中各处理的土壤含水量差异较小，在10～30 cm土层GPC处理的土壤含水量明显高于NGM处理和CK；在30～50 cm土层，CK和GPC处理的土壤含水量基本相同，且明显高于NGM处理；在50～70 cm土层，不同覆盖处理的土壤含水量表现为CK＞NGM＞GPC，差异明显。

图1 不同覆盖处理下的土壤水分特征曲线Fig.1 Soil moisture characteristic curves under different mulching treatments

从图2可看出，各处理间土壤速效水含量差异不显著，随着土层深度的增大，CK和NGM处理的土壤速效水含量呈逐渐降低趋势，而GPC处理的土壤速效水含量呈先降低后升高的变化趋势。在0～10 cm土层中，NGM处理的土壤速效水含量最高，为0.079 cm3/cm3，较CK提高11.27%，GPC处理则最低，较CK降低6.74%。在10～30 cm土层中，NGM处理和CK的土壤速效水含量基本相同，GPC处理的土壤速效水含量最低。在30～50 cm和50～70 cm土层，不同处理的土壤速效水含量均表现为GPC＞NGM＞CK，其中GPC处理较CK分别提高11.00%和18.12%，NGM处理较CK分别提高1.09%和7.22%。

图2 不同覆盖处理下的土壤速效水含量Fig.2 Available water content in soil under different mulching treatments

2.3 不同覆盖处理下土壤含水量的变化特征

图3为柑橘1年生长周期内不同覆盖处理下0～70 cm土层土壤含水量变化特征，可以看出，随着柑橘生育期的变化，3种覆盖处理的月平均土壤含水量在0～70 cm土层中表现出不同变化特征。在0～10 cm土层，GPC和NGM处理的土壤含水量在各生育期明显高于CK，尤其是果实膨大期（2020年7—8月）和物质累积期（2020年9—11月），且以GPC处理最佳，GPC处理在2020年7—11月的土壤含水量较CK提高8.28%～18.83%；10～30 cm土层中，GPC和NGM处理在春夏两季的土壤含水量高于CK，但进入果实膨大期后，NGM处理的土壤含水量与CK接近，进入果实成熟期（2020年12月—2021年2月）后，GPC处理的土壤含水量低于CK；30～50 cm土层中，GPC和NGM处理的土壤含水量在柑橘全生育期内均高于CK，但土壤含水量增幅小于0～10 cm土层；50～70 cm土层的土壤含水量与30～50 cm土层相似，且NGM处理的土壤含水量增幅大于0～10 cm土层。总体而言，柑橘全生育期内GPC和NGM处理0～70 cm土层的蓄水保墒能力均明显强于CK，其中，0～30 cm土层的土壤含水量表现为GPC＞NGM＞CK，而30～70 cm土层的土壤含水量表现为NGM＞GPC＞CK。

图3 不同覆盖处理下柑橘生育期0～70 cm土层土壤含水量变化Fig.3 Changes of soil moisture content at 0-70 cm soil layers during citrus growth period under different mulching treatments

2.4 不同覆盖处理下土壤贮水量的变化特征

图4为不同覆盖处理下柑橘果园0～70 cm土层土壤贮水量的变化特征，可以看出，在柑橘全生育期内，不同覆盖处理下土壤贮水量大致呈先升高后降低的变化趋势，即柑橘抽梢开花期（2020年3月）、幼果期（2020年4—6月）和果实成熟期（2020年12月—2021年2月）的土壤贮水量较低，果实膨大期（2020年7—8月）和物质累积期（2020年9—11月）的土壤贮水量较高，且不同生育期的土壤贮水量均表现出GPC和NGM处理显著高于CK。在抽梢开花期，GPC和NGM处理0～70 cm土层土壤贮水量较CK分别显著提高2.83%和4.55%，且NGM处理的土壤贮水量显著高于GPC；在幼果期，GPC与NGM处理的土壤贮水量无显著差异，但较CK 分别显著提高4.26%和4.41%；在果实膨大期和物质累积期，GPC和NGM处理的土壤贮水量较CK分别显著提高2.83%和4.55%；在果实成熟期，GPC和NGM处理的土壤贮水量也较CK显著提高，分别提高3.36%和4.02%。

图4 不同覆盖处理下土壤贮水量变化动态Fig.4 Variation of soil moisture storage capacity under different mulching treatments

3 讨论

土壤水分特征曲线可表征土壤的持水性和水分有效性，同时能间接反映土壤孔隙大小的分布，因此，能影响土壤孔隙的因素均会对土壤水分特征曲线产生影响（Gan et al.，2019）。本研究通过对比各层土壤水分特征曲线，发现果园上层（0～10 cm和10～30 cm）土壤含水量整体呈现出GPC＞CK＞NGM。王醒等（2021）研究认为土壤水分特征曲线van-Genuchten模型的拟合参数θs与土壤容重呈极显著负相关，与土壤孔隙度呈极显著正相关，即土壤容重越小，土壤结构越疏松，土壤的持水性可能越强。同时土壤持水性还受土壤孔隙结构的影响，水分从大孔隙中排出较容易，而从小孔隙中排出较难（陈印平等，2019）。在本研究中，NGM处理改善了土壤结构，降低土壤容重，土壤通气孔隙增加，毛管孔隙减少，从而在相同吸力下，土壤含水量降低；而GPC处理，一方面增加土壤容重，另一方面也加速土壤有机质的分解，降低的土壤有机质提高了毛管孔隙数量，减少重力孔隙数量，最终使土壤表现为通透性降低，而持水性提高（于博等，2018）。土壤速效水含量能反映土壤水分被植物吸收利用的难易程度，其要求土壤的孔隙不能过大，也不能过细。本研究结果表明，在表层土壤，NGM处理的速效水含量最高，说明自然生草刈割覆盖有助于改善表层土壤结构；而GPC处理的速效水含量低于CK，可能是因为覆盖防草布会引起表层土壤板结，恶化土壤结构。

本研究结果表明，在柑橘生育期内，GPC和NGM处理0～70 cm土层的土壤含水量均高于CK，且GPC处理在0～30 cm土层表现出更强的保水性，NGM处理则在30～70 cm土层表现出更强的保水性。与前人研究结果一致，即防草布覆盖具有保墒、透气、抑制田间杂草生长、减少水肥流失的作用，在高温季节能降低地温，提高土壤湿度（余舜尧等，2021）；而生草覆盖不仅能抑制土壤表面水分蒸发，提高表层土壤水分含量，还能增强土壤入渗性能，从而有效提高果树根系分布层的土壤水分含量（刘伟等，2021）。究其原因主要有：（1）地面覆盖处理减少地表裸露面积，有效阻隔太阳直射地表，削弱土壤水分蒸发（Gan et al.，2013），以及有机质含量的增加促进土壤团聚体形成（Fu et al.，2020），使土壤水分保持较高水平；（2）CK的地表裸露面积大，土壤与大气直接相通，太阳辐射直照地表，水势梯度加大，加速土壤水分的无效蒸散发（Gan et al.，2013）；（3）作物生长发育增大对土壤水分的消耗，导致下层土壤水分含量得到的补给较少，含水量相对减小（普雪可等，2020）；（4）生草割刈覆盖由于草根系生长，会在土壤中不断穿插，同时其根系死亡后被腐解，导致土壤内部形成大量不规则孔隙，使得土壤的通气性和水分入渗能力提高，更有利于降水和灌溉水较快地入渗至土壤中转为土壤水（刘伟等，2021），由上而下补充不同土层的土壤水分，加之下层土壤得到更多来自上层水分的补给，下层土壤含水量进而得到提高。

土壤贮水量是土壤水分保持与田间灌溉的重要参数，能反映土壤水分蓄存状况和涵养水源能力（高茂盛等，2010），其大小对缓冲农田耕地干旱或水涝情势具有重要作用。有研究表明，地表覆盖可改变果园土壤水分的运移方式，增强土壤蓄水保墒能力，提高各层土壤的贮水量，也可在缺水条件下缓解土壤的水分亏缺情势，促进维持土壤水分平衡，但地表覆盖的保墒能力会因不同的覆盖处理、地理条件、气候条件、作物种类等因素而呈现不同效果（Zribi et al.，2015；郑悦等，2019）。本研究结果表明，在柑橘的不同生育期，GPC和NGM处理均能有效提高柑橘园0～70 cm土层的平均贮水量，改善柑橘果园土壤水分环境，为柑橘根系的伸长、发育提供良好的水分条件。同时，本研究发现在柑橘不同的生育期，GPC和NGM处理的蓄水保墒效应也不尽相同，在柑橘抽梢开花期3月和果实成熟期2月，NGM处理的蓄水保墒能力优于GPC处理，其土壤贮水量显著高于CK和GPC处理，可能是因为自然生草根系的生长及腐烂，使土壤大孔隙增多，促进降水及时下渗，减少地面径流；而在柑橘果实物质累积期的10—11月，GPC处理的土壤贮水量显著高于CK和NGM处理，其蓄水保墒性能表现最优，可能是因为自然生草快速生长也消耗掉一部分土壤水分。前人研究结果表明，土壤有机质含量及孔隙度等因素对土壤贮水能力的影响较大（李洪兵等，2015；Du et al.，2015）。本研究中，柑橘园进行自然生草割刈覆盖后，提高了土壤有机质含量，利于土壤微生物活动，改善土壤结构，从而促进土壤贮水量的增加，使得在高温蒸发量大的夏季和耗水量巨大的果实成熟期也能增强土壤对柑橘根系的供水给水能力。在实际中可视防草布覆盖和自然生草割刈覆盖具体的蓄水保墒效应减少灌溉用水，实现节水增效。

4 结论

地表覆盖对柑橘园土壤理化性质和水分状况具有重要影响，其中自然生草割刈覆盖能更好改善柑橘园表层的土壤环境，增加土壤有机质含量和保水供水能力；防草布覆盖处理在保水方面也有较大优势，可提高抽梢开花期、幼果期、膨果期和果实成熟期的土壤贮水量，但会导致土壤有机质含量降低。因此，从地力培育和土壤保水供水方面考虑，在生产中建议采用自然生草割刈覆盖的管理方式。