不同治理措施对坡地芒果园水土流失的治理效果

胡 斌， 张瀚曰，2， 李晓明， 潘宏兵， 包维楷

(1.中国科学院 山地生态恢复与生物资源利用重点实验室, 生态恢复与生物多样性保育四川省重点实验室,中国科学院成都生物研究所， 四川 成都 610041； 2.中国科学院大学 北京 100049； 3.攀枝花市农林科学研究院 四川 攀枝花 617061)

水土流失作为一个世界性的环境问题，它不但能直接导致土壤质量退化、降低土地生产力，还能通过地表径流引起的土壤养分物质流失造成面源污染，因而逐渐受到研究者的广泛关注[1-3]。一般而言，水土流失治理模式依据治理对象的不同可以大致分为3类技术体系： ①以治理坡面土壤侵蚀为目的的生物措施体系，主要包括植树造林、植被自然恢复以及修建梯田； ②以治理沟道土壤侵蚀为目的的工程措施体系，主要包括修建淤地坝以及最近开展的治沟造地工程； ③以改变微地形以及改良土壤为目的的农业技术体系，主要包括等高耕作、间作套种以及免耕少耕等措施[4-5]。坡地水土流失治理采取的生物措施主要优点是简单易行、成本低、具有较好的实用价值；而工程措施主要针对坡度较高、治理难度较大的区域开展，常会结合生物措施形成综合治理技术体系，缺点是成本高、施工要求高，但治理效果显著；农业技术措施是综合治理坡耕地的重要措施之一，它的特点是投资少，省工，简便易行，效益好[4-5]。在实际水土流失治理过程中，要结合治理对象的立地条件、地形地貌、基质类型、治理成本等综合因素，选择合适的措施针对性的、更高效地进行水土流失治理。

金沙江干热河谷峡谷区气候干燥、降雨集中、植被覆盖率低和坡地面积大等自然因素使得该地区生态环境极其脆弱，再加上无序、过度开发等人类活动的影响，导致该区水土流失极其严重[6]。有研究报道[7]，1988—1999年，攀枝花市水土流失面积由2 682.7 km2增加至4 256.5 km2，其中中度和强度流失面积分别增加298.4 km2和133.03 km2。贺奋琴[8]等2003年通过遥感和GIS技术提取攀枝花部分地区水土流水因子信息分析研究发现，研究区域水土流失总面积为2 335.1 km2，占研究区域总面积的50.6%。可以看出，位于金沙江干热河谷峡谷区核心区域的攀枝地区水土流失现状同样严峻，开展水土流失治理技术的研发工作迫在眉睫。攀枝花芒果(Mangiferaindica)种植区是中国五大芒果优势产业带之一金沙江干热河谷晚熟芒果优势产业带的重要组成部分[9]。据报道，截至2018年年底，攀枝花市芒果种植面积已达3.40×104hm2，实际投产面积已达1.40×104hm2，年产量2.40×105t，年产值达2.50×109元[10]。实地调查发现，由于地形原因，该区芒果多栽培在较陡的坡地，且不合理的果园管理措施导致芒果园林下土壤大面积裸露，加剧了果园土壤的水土流失。但是，目前较多的研究是利用遥感解译等技术在区域尺度上分析攀枝花地区水土流失现状[7-8]，未见针对该区坡地芒果园水土流失治理技术研发的相关研究。

因此，本研究主要针对攀枝花地区坡地芒果园不合理的种植及经营管理导致的水土流失严重的问题，对坡地芒果园实施工程和生物治理措施，通过比较不同治理措施对芒果园地表径流、产沙量、径流液养分含量以及果园地表土壤养分含量影响，评价治理成效，选择适合该区坡地芒果园的水土流失治理措施，为金沙江干热河谷峡谷区坡地芒果园水土流失治理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于四川省攀枝花市盐边县金河乡(101°48′48″E，26°43′23″N)锐华农业开发有限责任公司芒果园基地，海拔高度为1 319 m。该区地貌属深切割侵蚀剥蚀中山类型，地势走向既有南北向也有东西向，以东西向为主，地势崎岖，山高坡陡，山地坡度多在26°～40°之间。该区位于南亚热带干热河谷气候区，属典型的南亚热带半干旱季风气候，冬暖、春温高、夏秋凉，气温年差较小、日差较大，冬季低层逆温效应显著。太阳辐射强，日照充沛，蒸发旺盛，干、雨季分明，降雨集中，多夜雨和雷阵雨。该区年均温20 ℃左右，年均降雨量800 mm左右，降雨主要集中在6—10月，年无霜期300 d以上。试验样地平均坡度30.9°，朝向西南，整地类型为鱼鳞坑型台地，土壤类型为山地燥红土[11-13]。

2 研究方法

2.1 样地设置

试验样地种植芒果品种为凯特芒(Mangiferaindica)，树龄15年，种植密度3 m × 3 m。本研究于2018年7月开始野外试验布置，共设置如下4个处理： ①对照(CK)； ②每层台地安装水泥挡板(D1)； ③隔一层台地安装水泥挡板(D2)； ④每层台地林下行间种植紫花苜蓿(Medicagosativa, A)。各处理示意图见图1。每处理设置3个重复，共12个小区，小区完全随机排列。在每个试验小区内建一个小型径流小区，确保每一径流小区内都能完整包含实验处理，径流小区长为5 m，宽为3 m。

图1 不同治理措施实验处理示意图

分别在开花前、开花期后和果实膨大期完成3次灌溉，每次每株约30 kg。采果后沟施3～4 kg有机肥，果实膨大期用水冲施一次大量元素肥，分别在坐果初期、果实膨大期和套袋前21 d内完成3次叶面肥的喷施，以中微量元素肥为主。套袋前完成疏果，根据芒果长势在套袋前或采果后进行修枝。

2.2 样品收集

(1) 径流液收集。自2019 年7月雨季开始，每次降雨之后按照标准方法完成径流量的记录和径流样品采集工作。2019年采集8次，2020年采集9次，两年合计采集17次样品。

(2) 土壤样品的采集。分别在2019年和2020年11月底进行土壤样品的采集，在每处理径流小区内上、中、下3个位置的树冠滴水线处各取一钻0—20 cm土层样品，3钻混合成一个样品。土壤样品过2 mm筛后分成两份，一份4 ℃冷藏保存用于速效养分测定，另一份置于阴凉干燥处风干用于常量养分测定。

2.3 测定方法

2.4 计算和统计方法

不同治理措施对坡地芒果园径流量、产沙量、径流液中养分含量和土壤理化性状的影响差异分析采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)，LSD多重比较进行显著性检验(α=0.05)。数据整理和统计分析在Excel 2010和SPSS 21.0(SPSS, Chicago, USA)中完成，作图在Sigmaplot 14.5(Systat, USA)中完成，图表中数据均表示为平均值(mean)±标准误(SE)。

3 结果与分析

3.1 不同治理措施对坡地芒果园径流量和产沙量的影响

2019年和2020年两个试验期，共收集17次径流样品。D1，D2和A处理分别收集的总径流量(42 435±2 980)，(34 402±1 495)，(22 515±1 528) ml，而对照样地收集的总径流量为(40 950±2 108) ml。其中，D2和A处理的总径流量分别比对照减少16%和45%。结果显示，17次径流量收集中，有8次取样中A处理收集的径流量显著低于对照(图2a—2b)。两年采样期，D1，D2和A处理总产沙量分别是(1.87±0.21)，(2.24±0.17)，(1.65±0.13) kg，而对照样地的总产沙量为(2.31±0.13) kg，其中A处理和D1处理的产沙量分别比对照减少28.3%、19.0%。17次样品收集中，有4次采样A处理的产沙量显著低于对照(图2c—2d)。

注：“*”，“**”和“***”分别表示p<0.05，p<0.01，p<0.001。误差棒表示标准误(N=3)。

3.2 不同治理措施对径流液中养分含量的影响

不同治理措施下芒果园径流液中全碳、全氮和全磷含量如图3 所示。在2019年8月7日和10日以及2020年9月15日和10月21日4次采样中，A处理径流液中的全碳含量显著高于对照，其它采样时间不同处理之间径流液中全碳含量无显著差异。2019年8月10日和10月7日以及2020年10月21日3次采样A处理径流液中的全氮含量显著高于对照，其它采样时间不同治理措施之间径流液中全氮含量无显著差异。不同治理措施对径流液中全磷含量没有显著影响。

图3 不同治理措施下芒果园径流液中全碳、全氮和全磷含量

不同治理措施芒果园径流液中全钾、铵态氮和硝态氮含量如图4所示。2019年7月12日、23日以及2020年9月6日、12日4次取样中，D2和A处理径流液中全钾含量显著高于对照。2019年7月26日和2020年9月25日采样中，A处理径流液中全钾含量显著低于对照。2019年8月1日、7日以及2020年8月20日3次取样，D2处理径流液中全钾含量显著高于对照。不同治理措施对径流液中氨态氮含量没有显著影响。2019年10月7日采样D1和D2处理径流液中硝态氮含量显著低于对照。2020年8月25日及29日A处理径流液中硝态氮含量显著低于对照。其他采样时间不同治理措施径流液中硝态氮含量与对照无显著差异。

图4 不同治理措施芒果园径流液中全钾、铵态氮和硝态氮含量

3.3 不同治理措施对芒果园土壤养分的影响

不同治理措施芒果园0—20 cm土层的土壤养分含量见表1。与对照相比，工程措施(D1和D2)和生物措施(A)对土壤含水量、pH值、土壤有机碳、全氮、硝态氮和铵态氮的含量均无显著差异。仅在2020年采样期，种植苜蓿处理(A)土壤全磷和速效磷含量显著高于对照，D2处理速效磷含量显著高于对照。

表1 不同治理措施对坡地芒果园土壤养分的影响(N=3)

4 讨论与结论

攀枝花市地处金沙江干热河谷峡谷区，地势崎岖、山高坡陡，当地芒果多栽培在开垦的坡地上。由于该地区果农长期使用除草剂，导致芒果园林下土壤大面积裸露，不合理的管理措施更加剧了芒果园的水土流失。因此，本研究为了探寻有效的坡地果园水土流失治理手段，根据果园坡度、治理难度等实际情况选择两个工程措施(在果园梯级台地边缘修筑水泥挡板，处理D1和D2)和一个生物措施(在果园行间种植紫花苜蓿，处理A)进行水土流失治理成效评价。

植物篱技术是坡地上的一种重要且有效的水土流失治理技术，且水土保持作用随种植年限的增长而增强，该技术的特点是简单易行、成本低，具有较好的实用价值，还可以改善土壤养分状况、改变土壤微生物、调节农田小气候、促进生物多样性等，具有良好的生态、经济和社会效益[14-16]。坡地果园径流量和泥沙流失量的大小可以反映不同治理措施下土壤的抗蚀能力[17]。聂军等[18]在长沙县坡地种植辣椒的研究发现，与传统种植方式相比，香根草生物篱处理能够有效地降低地表径流，包括总产流量、次产流量和最大产流量。他们还发现香草生物篱处理总产流量比对照降低了41.9%，土壤侵蚀量比对照降低64.5%。姚源升等[19]对百色坡地芒果园水土流失治理研究中发现，生物覆盖和生物栅篱均能有效减少雨水对果园表土的冲刷，降低果园雨季的水土流失量和土壤侵蚀量，平均比对照分别降低63.7%和83.7%。本研究结果发现，两年试验期，A处理收集的总径流液22 515 ml，比对照减少45%，D2处理比只比对照减少16%，而D1处理径流总量与对照相似。在17次径流液采集中，有8次取样A处理收集的径流量显著低于对照。另外，两年采样期A处理的总产沙量为1.65 kg，比对照减少28.3%，D1处理产沙量比对照减少19.0%，而D2处理的总产沙量与对照相近。因此，我们可以认为在坡地果园行间种植苜蓿的植物措施具有更强的抗蚀能力，可以有效地减少地表径流量和泥沙产量。

土壤表面养分随地表径流进入河流和水网的自然输出，是导致耕地水土流失和土壤退化的主要因素[20]，也可能造成潜在的面源污染。聂军等[18]和姚源升等[19]的研究发现，生物篱处理能够显著降低地表径流中铵态氮和硝态氮含量，较好地改善果园土壤质量。廖晓勇等[21]在三峡库区坡地种植饲草玉米生物篱的研究发现，陡坡地营建饲草玉米生物篱能够显著改善土壤理化性状、培肥土壤和改善地力。然而在本研究中，2019和2020年两个采样年内多次收集的径流液中的全钾和硝态氮含量虽然在不同处理之间差异显著，但没有一致的变化规律，治理措施试验处理(D2和A)时而高于对照，时而显著低于对照。另外，各处理径流液中的全碳和全氮含量仅在极个别采样期有显著差异，而径流液中全磷和硝态氮含量在不同处理之间没有显著差异。研究还发现，3种治理措施下果园地表土壤理化性状与对照之间也没有显著差异。一般研究认为，降雨强度是造成径流液养分流失的主要因素[18]。但在本研究中，不同治理措施对养分流失和土壤质量没有明显一致的改善效果可能是由于该地区降雨强度、土壤质地、施肥管理等多方面原因导致的，还需在后续进一步的研究中进行深入探讨。

综上所述，针对攀枝花市坡地果园水土流失治理而言，在果园行间种植紫花苜蓿的生物措施能够相对较多地减少地表径流和产沙量，进而更有效地减少坡地芒果园的水土流失，该措施适合在金沙江干旱河谷峡谷区坡地果园水土流失治理中推广应用。