覆盖方式对浙西低丘橘园土壤碳库和养分流失的影响

陈 翔，刘永红，商小兰，黄 越，章明奎，郭水荣*

（1.桐庐县农业技术推广中心， 浙江 桐庐 311500；2.杭州市农业技术推广中心，浙江 杭州 310020；3.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058）

0 引言

浙西地区是浙江省典型的山地丘陵区，地处中亚热带地区，具有适宜经济作物生产的气候条件，是浙江省柑橘的重点产区。郑铭洁等［1］研究认为，该区果园普遍存在土壤酸化、有机质含量较低、土体紧实、表土磷的养分富集等问题。加之当地有表施肥料的习惯，地表养分流失风险较大，另外，由于地处低丘，季节性缺水问题也较为突出。果园的科学经营是一项综合性技术活动，要求兼顾经济与生态效益，采取综合措施来减少水分蒸发、降低水土流失以及持续提高地力，以保障农产品的优质高产。如何提高土壤有机质含量、降低土壤容重、增强土壤渗透能力及减少地表养分流失等是该地区果园科学经营管理的关键问题。徐红梅等［2-4］研究表明，地表覆盖可稳温保墒、控制与降低水土流失。根据覆盖材料的差异，农地覆盖包括地膜覆盖、园艺地布覆盖、生草覆盖和秸秆覆盖等方式。地膜覆盖和园艺地布覆盖存在环境污染［5-6］或投资成本较高的问题［4］，应用范围也有一定的局限性；而生草覆盖和秸秆覆盖可实现适地适草，兼具培肥土壤、防止水土流失和促进作物增产的优点，适用性广［7-10］。覆盖的秸秆在土壤微生物的作用下，会逐渐转化为土壤腐殖质，改良土壤结构，提供作物生长所需的养分，减少土壤水分蒸发，从而改善作物根系的生长环境［11-14］。我国果园生草管理已形成了多种模式，包括人工种草和自然生草模式；因区域环境条件的差异，覆盖试验对水土保持与养分减排、土壤改良、地表微域环境改善、果品调优、生态防控等作用效果有较大变化［15-19］。浙西地区的土地利用方式多样，有丰富的秸秆资源，具备果园秸秆覆盖的条件。近年来，农业部门在该地区推行间作绿肥培肥的模式对该地区水土保持等已取得了一定的成效。但至今，不同覆盖方式对浙西地区低丘果园土壤质量的影响及适用性还缺少全面的评估。为了明确秸秆覆盖、自然生草及人工种草的综合生态效果，在浙西丘陵区选择具有代表性的果园，开展了为期2 a的试验，比较研究了自然生草、人工种草及秸秆覆盖对果园土壤有机质含量及地表养分流失等的影响，以期为科学管理果园提供参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 试验方法

试验地为9 a园龄的成年柑橘园，柑橘品种为宫川；果园地表坡度为15°~20°；土壤为凝灰岩风化发育形成的黄泥沙土(属于红壤土类、黄红壤亚类)，质地为黏壤土。试验时间为2020年1月—2021年12月。试验区柑橘园为梯田，条状等高种植，行距约400 cm，株距300 cm。试验设置4个处理，每个处理3次重复，小区面积为60 m2，4个处理分别为：（1）对照：清园处理，为当地农户主要管理方式；分别在春季和夏季清除地表杂草1次，1 a中多数时间地表裸露；每年12月底翻耕松土1次。（2）覆盖秸秆：在行间100%的地上覆盖10 cm厚度的稻草；稻草于每年3月切成20~30 cm长度，散施于地表，至12月底翻入30 cm表土中。（3）自然生草：不进行清园，让杂草自然生长，每年12月底翻入30 cm表土中。（4）人工种草：于3月下旬播种印度豇豆，播种量为3.5 kg/667 m2，每年12月底翻入30 cm表土中。除上述试验处理外，各试验小区施肥水平与其他管理相同，所用肥料为硫酸钾型复合肥（N-P-K=18-8-14；含Mg≥2%），春肥和夏肥施用量分别为30和50 kg/667 m2，施肥方式均为地表撒施。

于试验第2年的2、5、8和11月，在每1小区中选择代表性点位，用土钻分别采集0~30、30~60和60~90 cm土层土样，观察土壤水分的变化。于第2年的12月对土壤采样进行理化分析，为多点混合样，采样深度土层为0~30 cm。土样经室内风干，过2 mm土筛；取少量过2 mm筛的土样进一步磨细过0.125 mm土筛，进行土壤分析。于2020年11月柑橘成熟时在每个小区选择3棵果树进行测产，同时检测果品品质；用糖度计测定糖分，用中和法测定可滴定酸。

于试验第2年进行水土流失观察，观察时间为1 a。在每个观察小区的汇流下端各布置1个塑料容器用于收集地表径流。为了便于收集，塑料容器埋于地面，试验小区与径流收集池采用口径为10 cm的塑料导水槽连接。各收集池上用塑料板遮盖，防止雨水进入。记录每次产生径流的各小区径流量，根据径流量与小区面积换算为径流深度（mm）；径流样分小区各贮存于1个塑料容器中，按月合并为1个分析样进行分析。径流水样分析内容包括泥沙含量、全P、全N、水溶性P和颗粒态P。泥沙、养分年流失量根据径流量与径流中泥沙及养分浓度计算，全年径流中平均泥沙、养分含量根据各次径流量进行加权计算。

1.2 测定方法

径流分析样混匀后分为3部分：一部分用过滤—烘干法测定径流中泥沙含量；一部分未经过滤，直接经过消化处理后测定全P和全N含量；另一部分过0.45 µm滤膜后，用于水溶性P含量的测定。水样用过硫酸钾消解，钼酸铵分光光度法测定P含量（GB/T 11893—1989），用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法测定水中总氮含量（GB/T 11894—1989）。颗粒态P含量为总P与水溶性P含量的差值。

土壤pH值、阳离子交换量（CEC）、有机质、全氮、全磷、交换性酸、有效磷、NH4-N、NO3-N、速效钾含量均采用常规法测定［20］。土壤容重采用环刀法测定，水稳定性团聚体采用湿筛法测定。土壤中水溶性有机碳含量采用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，Shimadzu TOC自动分析仪测定；易氧化有机碳含量采用袁可能等［21］的研究方法测定；微生物生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸—硫酸钾提取法测定［22］，提取液中的碳含量用Shimadzu TOC自动分析仪测定。

碳库管理指数（CPMI）［23］的相关计算公式为：

式（1）~式（5）中，CPI代表碳库指数；AI代表碳库活度指数；A代表碳库活度。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件进行数据统计处理，应用SPSS 12.0软件进行显著性方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式对土壤容重、水稳定性团聚体和水分状况的影响

由表1可知，秸秆覆盖处理下的土壤容重较对照下降了4.65%；但自然生草和人工种草处理下的土壤容重变化不明显。3种处理方式较对照均显著增加了土壤中水稳定性团聚体含量，秸秆覆盖、自然生草和人工种草处理下的土壤中水稳定性团聚体含量分别较对照增加了34.63%、10.26%和13.83%，其中秸秆覆盖处理的增加幅度最大。秸秆覆盖的土壤pH值较对照增加了0.16个单位，其土壤交换性酸含量较对照显著降低；自然生草与人工种草处理对土壤pH值和交换性酸含量的影响不明显。3种处理方式的土壤CEC较对照变化幅度不大，秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下的土壤CEC分别较对照增加了7.08%、3.22%和2.43%，其中以秸秆覆盖处理的增加幅度最大。

表1 不同处理方式对土壤容重、水稳定性团聚体含量、pH值、交换性酸含量和CEC的影响

2.2 不同处理方式对土壤养分含量的影响

由表2可知，3种处理方式下的土壤全P含量较对照均无显著变化，而有效P、速效K、NO3-N、NH4-N等含量均有明显变化。其中，秸秆覆盖和人工种草处理下的土壤全N含量较对照分别提高了11.40%和4.39%，但自然生草处理下的土壤全N含量较对照无明显变化。由于试验地土壤本底有效P含量较高，采取3种处理方式后的土壤有效P含量较对照均有不同程度的下降，秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下的土壤有效P含量和NH4-N含量较对照分别下降了21.08%、15.93%、26.76%，38.17%、22.27%和32.33%。秸秆覆盖处理下的土壤速效K含量较对照提高了12.03%，而自然生草与人工种草处理下的土壤速效K含量较对照有所降低。3种处理方式下的土壤NO3-N含量较对照均有增加，秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下的土壤NO3-N含量分别较对照提高了25.71%、23.15%和10.91%。

表2 不同处理方式对土壤养分含量的影响

2.3 不同处理方式对土壤有机碳组成的影响

由表3可知，3种处理方式均可提高土壤中的有机碳总量、易氧化有机碳、微生物生物量碳和水溶性有机碳含量。与对照相比，秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下的土壤有机碳总量分别提高了26.37%、2.34%和10.84%，土壤易氧化有机碳含量分别提高了43.17%、8.74%和16.12%，土壤微生物生物量碳含量分别提高了69.86%、34.25%和41.10%，土壤水溶性有机碳含量分别提高了118.18%、40.91%和68.18%，其中以秸秆覆盖处理下的增幅最大，其次是人工种草，自然生草的增幅相对最小。秸秆覆盖处理后不同形态的有机碳变化情况也不相同，含量增幅最大的为水溶性有机碳，其次是微生物生物量碳、易氧化有机碳，有机碳总量的增幅相对最小，表明秸秆覆盖处理对活性有机碳组分（易氧化有机碳、微生物生物量碳和水溶性碳）的影响大于对有机碳总量的影响。

表3 不同处理方式对土壤有机碳组成的影响

碳库管理指数是表征土壤碳库变化的指标，研究设定对照园地的土壤碳库管理指数为100，采用3种覆盖处理后土壤碳库管理指数均高于100，说明3种覆盖处理对土壤碳库均有所改善。由表3可知，采取不同覆盖措施后的土壤碳库管理指数均有所增加，表明覆盖后土壤碳库均有所改善，其中秸秆覆盖的碳库管理指数较对照提高了55.00%，表明其对土壤碳库的改善效果最佳，其次是人工种草，自然生草的改善效果相对较弱。

2.4 不同处理方式对土壤含水量的影响

由表4可知，不同处理方式对深层（60~90 cm）土壤含水量影响不明显；整体来看，5月的土壤含水量最高，其次为8月，11月最低。大多数秸秆覆盖处理的土壤含水量较高，其次为人工种草。与对照相比，春夏季（5月）时秸秆覆盖、自然生草与人工种草0~30 cm土层的土壤含水量分别提高了6.77%、1.54%和3.20%，30~60 cm土层的土壤含水量分别提高了4.22%、3.04%和7.13%；在秋冬季（11月），秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下0~30 cm土层的土壤含水量较对照分别提高了17.71%、2.37%和3.26%，30~60 cm土层的土壤含水量较对照分别提高了18.89%、6.76%和10.36%；地表覆盖在11月的整体保水效果优于5月。

2.5 不同处理方式对径流量、泥沙与养分流失量的影响

由表5可知，1、2、11、12月等4个月因降水量较少或降水强度较弱没有产生地表径流。3—10月均产生了一定的径流量，并以5、6、7和9月的地表径流量最多。3种处理方式均明显降低了地表径流的产生，对照处理的年累计径流量为204 mm，秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下的年累计径流量分别为79、133和125 mm，较对照分别降低了61.27%、34.80%和38.73%，其中以秸秆覆盖处理下的降幅最大，对果园地表径流量的影响最明显。

由表6可知，4个处理收集到的径流水样中泥沙平均含量介于0.12~0.43 g/L之间，秸秆覆盖处理的小区径流中泥沙平均含量显著低于对照，秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理的径流中泥沙平均含量较对照分别降低了72.09%、34.88%和46.51%；覆盖处理后地表径流中全N、全P、可溶性P和颗粒态P等平均含量均有较大程度的降低。秸秆覆盖处理下的地表径流中全N、全P、可溶性P和颗粒态P含量较对照分别下降了46.35%、69.21%、27.59%和79.71%；自然生草处理下的地表径流中全N、全P、水溶性P和颗粒态P含量较对照分别下降了30.12%、50.46%、18.39%和58.55%；人工种草处理下的地表径流中全N、全P、水溶性P和颗粒态P含量较对照分别下降了37.65%、59.49%、20.69%和69.28%。3种处理方式中以秸秆覆盖处理对全N、全P、水溶性P和颗粒态P含量的降幅影响最为显著；全P含量的降幅大于全N，颗粒态P含量的降幅大于对水溶性P含量。

表6 不同处理方式对果园地表径流量中泥沙与养分浓度以及流失量的影响

由于覆盖后地表径流量和径流中污染物同时下降，园地因水土流失输出的泥沙和养分的降幅比以上径流中对应污染物含量的降幅更为明显。秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下的泥沙流失量较对照分别降低了89.31%、58.03%和67.59%，全P流失量较对照分别降低了87.50%、68.18%和75.00%，全N流失量较对照分别降低了79.24%、54.44%和61.82%。

2.6 不同处理方式对柑橘产量和品质的影响

由表7可知，地表覆盖可小幅增加柑橘产量，秸秆覆盖、自然生草与人工种草处理下的柑橘产量较对照分别增加了13.80%、8.67%和4.47%，但由于柑橘树单株个体产量变化较大，与对照相比，其增产均未达到显著水平。秸秆覆盖处理可明显提高柑橘的糖度，降低其可滴定酸含量，小幅度增加其总可溶性固形物含量及可食用率；自然生草和人工种草处理对柑橘品质的影响不明显。

表7 不同处理方式对柑橘产量和品质的影响

3 讨论

地表覆盖是近年来国内外发展起来的果园生态栽培模式［24-26］。果园地表覆盖后，直接改变了土壤与环境之间的物质能量交换方式。试验结果表明，连续2 a进行不同处理方式覆盖地表均显著提高了表土有机质含量以及土壤的碳库管理水平；土壤有机质的积累促进了土壤团粒结构的形成，降低了土壤容重，从而提高了地表土壤的透水性和土壤水库，降低了地表径流量及养分的流失量，这与文献报道的结果一致［27-32］。试验结果表明，3种处理方式以秸秆覆盖处理效果最佳，其次为人工种草，自然生草处理的效果相对最差；导致3种覆盖方式生态效果的差异可能与3种覆盖方式在果园地表形成覆盖物的持续时间以及覆盖物生物量不同有关［33-34］。秸秆覆盖从3月份开始就形成覆盖层，可吸持自然降水，多余的水分穿透覆盖层向下沿土壤孔隙、生物孔穴等进入土壤深层并保蓄在土壤之中，有效地减少了地表径流，缓解了雨水对土壤的冲刷；而人工种草和自然生草处理由于受到气候的影响，一般在5月份以后才能形成较多的生物量，且它们的生物量一般要明显低于秸秆覆盖，因此，其覆盖效果远低于秸秆覆盖。自然生草处理的生物量明显低于人工种草，因此后者的覆盖效果更佳。由于通过秸秆覆盖投入的生物量较高，至12月份翻耕时，进入土壤的有机质含量也明显高于其他2种覆盖方式，因此秸秆覆盖处理输入的有机碳含量较高，其形成的腐殖质含量也相应地明显提高，从而使土壤容重降低、CEC提高及土壤结构改良的效果也更加明显。秸秆覆盖后土壤氮素和速效钾含量均有一定程度的提高，这可能是秸秆引入所致。

采用不同的处理方式，土壤氮和磷的流失量较对照明显减弱，主要是因为覆盖增加了地表的粗糙度，明显影响了土壤颗粒物的移动。可溶于水的物质仍可随地表径流发生移动，因此，通过覆盖方式对降低颗粒态磷的效果要好于水溶性磷。采取3种覆盖方式后土壤有效磷和NH4-N含量均有不同程度的降低，可能与秸秆覆盖、自然生草与人工种草翻入土壤后在微生物生物量碳提高时发生的同化过程中消耗了部分磷和氮素有关；而土壤对NO3-N的吸附能力很弱，NO3-N可随着地表径流发生迁移流失，而覆盖处理后降低了地表径流，从而减少了NO3-N的流失，因此，不同覆盖方式处理后土壤中NO3-N含量均有不同程度的提高。

4 结论

研究结果表明，柑橘园采用秸秆覆盖、自然生草和人工种草等3种覆盖方式均可提高表土不同形态的有机质积累，提高水稳定性团聚体含量和土壤水分贮量并降低表层的土壤容重。秸秆覆盖处理的效果明显优于自然生草和人工种草。秸秆覆盖后土壤有机质和碳库管理指数明显提高，年累计径流量、泥沙流失量及全氮和全磷流失量较对照均显著降低。秸秆覆盖处理可小幅提高柑橘的产量和糖度。本研究认为，南方红壤果园行间覆盖农作物秸秆具有良好的生态效应，能够有效降低水土流失，改善土壤理化性质和生态环境，可作为南方山区果园的水保措施。