生草减肥措施对坡地芒果园氮磷流失及养分吸收的影响

陈开骥,彭嘉宇,周柳强,雷秋良,沈小微,谭宏伟,黄金生,刘昔辉,唐新莲,区惠平

(1.广西大学农学院,南宁 530004;2.广西农业科学院农业资源与环境研究所/广西耕地保育重点实验室/农业农村部华南植物营养与施肥技术科学观测实验站/国家农业环境南宁观测实验站,南宁 530007;3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室,北京 100081;4.中国农业科学院甘蔗研究中心/广西农业科学院甘蔗研究所/广西甘蔗遗传改良重点实验室/农业农村部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室,南宁 530007)

【研究意义】百色市位于广西西部,光温充足,是我国芒果优势产区,也是全国地级市中规模最大的芒果生产基地[1],但其山地丘陵地貌、丰沛降雨、清耕管理方式及过量施肥措施,致使果园土层薄、蓄水差、水土侵蚀及氮(N)和磷(P)流失严重[2-4],是广西水土流失的重点治理区[5]。生草减肥是在果园行间选留原生杂草或种植绿肥和非原生草类并结合化肥减施以有效控制果园水土和养分流失的栽培方式。南方果园侧重选留白三叶、百喜草、雀稗和白花藿香蓟[6-8]等草本植物,或保持果园自然生草,然而芒果园的自然生草以鬼针草、狼把草、马唐、小飞蓬、旱稗和莲子草等恶性杂草为主[3,9],不仅在生长前期与果树争水争肥,在生长后期挡光,还容易加剧果树生理病害[2]。太阳花为马齿苋科马齿苋属一年生草本花卉,株型低矮,花期长、花色鲜艳,具有观赏和药用价值[10],能引蜂促进芒果授粉,但目前关于化肥减施结合选用太阳花在芒果园林下种植对芒果园整体减流减排及养分吸收情况缺乏了解。因此,探究生草减肥管理措施对坡地芒果园N和P流失及养分吸收的影响状况,对促进芒果绿色生产及改善生态环境具有重要意义。【前人研究进展】施肥是农业生产过程中向湖泊和河流扩散污染的主要来源,由施肥引起的N和P流失量分别占N和P施肥量的52%和68%[11-12]。我国自2015年实施化肥零增长行动以来,化肥施用量得到控制并有所减少,但果园林下植被覆盖度低导致的土壤流失问题依然存在[13]。Li等[11]研究提出,集约化农业下的侵蚀及N和P养分输出防控不应局限于化肥减施,还应配合土地管理。林下栽培草本植物增加土壤覆盖度具有截留降水和防治水土流失的作用[14]。不同草本植被因株高、覆盖度、生物量和配置方式等的差异影响着坡面的径流效应[15-16]。王坚桦等[3]研究表明,芒果园清耕处理下的坡面土壤侵蚀量是自然生草刈割处理的9.20～52.20倍。余波等[17]研究发现,脐橙园林下种植白三叶减流减沙效果最佳,产流量比林下种植艾蒿、马齿苋、草木犀和清耕分别减少54.09%、53.15%、58.07%和69.85%,产沙量分别减少61.53%、59.94%、68.88%和87.26%。李婷婷等[18]研究表明,桂东北坡地金桔园种植雀稗的减流减沙效果优于种植白花藿香蓟。宋科等[19]研究发现,与常规施肥相比,水肥一体化结合植物篱可减少田间径流发生频次,径流量、径流液全N和全P浓度及N和P流失总量显著降低。刘瑞等[20]研究表明,在紫色土坡耕地柑橘园周年种植绿肥可显著降低地表径流量8.70%～27.00%、总N流失量30.10%～50.60%和总P流失量32.40%～62.90%,且流失效应表现为黑麦草>光叶苕子>二月兰。Mo等[21]研究证实,与常规管理相比,红壤坡耕地柑橘园树下种植狗牙草可增加水分入渗,年径流量显著降低,产沙量降低99.38%～99.67%。郭伟等[22]研究表明,垄沟覆草条件下山地果树N肥吸收利用率提高6.65%～13.41%。【本研究切入点】迄今,关于生草减肥管理措施对坡地芒果园N和P流失及养分吸收状况的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】在广西百色市芒果主产区坡地芒果园,选用太阳花进行生草减肥管理,采用径流小区,通过野外监测果园水土流失、N和P随着地表径流流失及果树N、P和钾(K)养分吸收的变化情况,探讨生草减肥条件下的减排减流及养分增效效应,为防控坡地芒果园水土流失和面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西百色市田东县芒果绿色生态园内(107°06′53.9928″ E,23°34′24.7836″ N)。该地属南亚热带湿润季风气候区,光、温、热、水资源丰富,年均降水量1172.3 mm,年均气温21.9 ℃,年均日照时数1869 h,年均蒸发量1774.7 mm。果园属于典型山地丘陵地貌,海拔119 m,坡度15～18°。土壤类型为赤红壤,成土母岩为沙页岩。土层薄,保水保肥性差,土壤侵蚀严重。

1.2 试验材料

选择树龄5年的热农果树作为研究对象。综合考虑果树的树冠长势,芒果林下种植一年生草本植物太阳花(品种为大花马齿苋)[2],其植株高度15.0～20.0 cm,卧地簇生,茎顶开花。化肥为硫酸钾型复合肥(17-17-17)、水溶型复合肥(14-2-13)和水溶型复合肥(15-5-25),均购自当地市场。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 设常规管理(常规施肥+果园清耕管理)和生草减肥(林下种草+化肥减量)2个处理。常规管理处理:果树株施化肥N 522.50 g、P2O5402.50 g和K2O 512.50 g,分别在采果后、开花前和果实膨大期施肥,其中,采果后在树冠滴水线投影处挖宽20.0～30.0 cm、深15.0～20.0 cm的环状沟施肥,株施硫酸钾型复合肥(17-17-17)2.25 kg,施肥后盖土,开花前和果实膨大期采用淋冲方式施肥,株施水溶型复合肥(14-2-13)各0.50 kg;为避免果树发生炭疽病、白粉病和煤烟病等病害,田间杂草管理常年使用除草剂控草、人工清园的清耕方式。生草减肥处理:株施化肥N 405.00 g、P2O5305.00 g和K2O 505.00 g,总化肥用量较常规管理处理减量15.50%,分采果后、开花前和果实膨大期3次施肥,均采用根区固定施肥管进行深施,即在树冠滴水线投影处的东南西北4个方向各埋设固定施肥管1根,固定施肥管埋深40.0 cm,露出地面10.0 cm。固定施肥管选用PVC给水管,内径110.0 cm,管长50.0 cm,管的两头畅通,管的10.0～40.0 cm区域均匀交错布设孔径6.0 mm的小孔,小孔行间距2.5 cm×6.0 cm。施肥时直接将化肥通过固定管施入土壤40.0 cm处。采果后株施硫酸钾型复合肥(17-17-17)1.50 kg,开花前和果实膨大期株施水溶型肥(15-5-25)各0.50 kg,林下梯面生草覆盖。太阳花于2021年3月20日采用扦插方式种植,行距为15.0 cm×20.0 cm;采果后、开花前和果实膨大期的施肥时间分别为2021年8月上旬、12月下旬和5月中旬。2个处理的病虫害防治管理措施一致。

采用野外径流小区监测。在园内选择坡度、坡向、梯宽和土壤理化性质等立地条件较均一的坡面分别设置常规管理(面积0.47 hm2)和生草减肥(面积0.33 hm2)2个大片区,选择树势相近的坡面各建立3个投影100.0 m2(12.5 m×8.0 m)的径流小区。为防止小区外水土进入及小区内水土外流,小区四周设30.0 cm高的保护田埂。小区内果树采用高梯地种植,每小区2梯,每梯3株果树,共6株果树。梯田宽约3.0 m,芒果株距4.0 m,树高约2.5 m。小区内布设气象站用于收集降雨数据,降雨观测时间为2021年4—11月。

1.3.2 样品采集及指标测定 径流采集与测定:在每个径流小区下方设置集流桶和7孔分流桶,用于承接降雨产生的径流,桶内标有水位刻度尺;每次降雨产流后,先记录集流桶和分流桶内的水位刻度尺读数,根据集流桶与分流桶的面积及水位计算径流量,接着将集流桶和分流桶内样品充分搅拌混匀,采用500 mL干净塑料瓶迅速采集,同时清洗集流桶与分流桶;采用烘干法测定泥沙含量[11],碱性过硫酸钾消解,紫外分光光度法测定水的总N含量[23],钼酸铵分光光度法测定水的总P含量[24];当遇上多天连续降雨时,采集1次径流的最大间隔时间为7 d。芒果植株样品采集与测定:在芒果收获期,实收测定小区内单株芒果产量,同时调查单株芒果树上当季抽生的全部秋梢数,并在每株果树树冠的东南西北4个方向采集当季抽生的秋梢枝条12个及枝条上的全部芒果,分别混合称取生物量,带回实验室105 ℃杀青30 min,70 ℃烘干至恒重,粉碎;采用H2SO4-H2O2法消化,以凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度计法分别测定N、P和K含量[25]。 泥沙含量(g/L)=泥沙烘干量(g)/径流水体积(L)[11]

产沙量(kg/hm2)=泥沙含量(g/L)×径流量(m3/hm2)×1000[26]

N(P)流失量(g/hm2)=径流量(m3/hm2)×径流液总N(P)含量(mg/L)[26]

秋梢枝条N(P、K)吸收量(g/株)=秋梢数×单枝秋梢生物量(g)×N(P、K)含量(g/kg)

芒果N(P、K)吸收量(g/株)=芒果产量(kg/株)×N(P、K)含量(g/kg)

果树N(P、K)总吸收量(g/株)=秋梢枝条N(P、K)吸收量(g/株)+芒果N(P、K)吸收量(g/株)

偏生产力(kg/kg)=单株芒果产量(kg/株)/N、P、K 施用总量(kg/株)[27]

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行整理、制图和统计,以成对双样本—t检验进行处理间差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理坡地芒果园的降雨、径流和泥沙含量特征

从图1可看出,降雨主要集中在5—8月,降水量共728.32 mm,占总降水量的70.68%;共发生降雨118场,参考降雨量等级划分标准[28],发生小雨87场,占总降雨场次的73.73%,虽然中雨以上等级降雨仅占总降雨场次的26.27%,但累积降水量达总降水量的77.28%(表1)。

本研究将连续降雨下发生的产沙产流视为同一场侵蚀降雨事件。图2显示,观测期内发生9场侵蚀降雨,且与降雨发生时间一致,也集中在5—8月;侵蚀降水量达502.96 mm,占观测期降水量的48.80%,9场侵蚀降雨有6场为单场降雨,3场为连续中大降雨,降水量范围为30.20～113.20 mm。果园径流发生于连续中大降雨或单场降水量大于30.00 mm的降雨事件,单场中雨或小雨事件未产生径流。

图2 侵蚀降雨下不同处理坡地芒果园径流量和泥沙含量的变化情况Fig.2 Variations in runoff and sediment content of slope mango orchard under different treatments and different erosion rainfall events

从图2-A可看出,2个处理的径流量随着降雨而变化的趋势大体一致,其中,单场降雨下的径流量变化均较平缓,而连续中大降雨下的径流量明显增加,径流累积量在355.7～978.1 m3/hm2,占总径流量的69.43%～74.70%,说明坡地芒果园地表径流受连续中大降雨影响明显;9场侵蚀性降雨的径流量和径流液泥沙含量(图2-B)变化范围分别为0.9～393.5 m3/hm2和0.38～6.17 g/L,表现为生草减肥处理低于常规管理处理。其中,生草减肥处理的总径流量为476.2 m3/hm2,泥沙平均含量为1.35 g/L,较常规管理处理(总径流量和泥沙平均含量分别为1408.7 m3/hm2和4.02 g/L)(表2)分别极显著减少66.20%和66.42%(P<0.01,下同)。可见,生草减肥措施能有效拦蓄坡地芒果园的降雨径流,减少地表水土流失。

表2 不同处理对坡地芒果园总径流及泥沙、N和P流失总量的影响Table 2 Effects of different treatments on total runoff,total sediment load,total N load and total P load of slope mango orchard

2.2 不同处理对坡地芒果园泥沙、N和P流失量的影响

从图3可看出,芒果园泥沙及N和P流失量与径流量的变化趋势相似。其中,单场降雨下2个处理的泥沙及N和P流失量变化均较平缓,而在连续中大降雨下的泥沙及N和P流失量明显增加;在生草减肥处理中,连续中大降雨产生的泥沙及N和P流失累积量分别为590.6 kg/hm2、842.8 g/hm2和63.8 g/hm2,分别占泥沙及N和P流失累积总量的85.74%、83.06%和85.18%;在常规管理处理中,连续中大降雨产生的泥沙及N和P流失累积量分别为4518.6 kg/hm2、3628.2 g/hm2和353.8 g/hm2,分别占泥沙及N和P流失总量的74.23%、73.70%和77.88%。可见,芒果园坡面泥沙及N和P流失主要由连续中大降雨引起。

图3 侵蚀降雨下坡地芒果园泥沙及N和P流失量的变化情况Fig.3 Variations of sediment,N and P load in slope mango orchard under erosion rainfall events

从图3还可看出,生草减肥处理的泥沙及N和P流失量范围分别为2.0～337.9 kg/hm2、1.3～344.3 g/hm2和0.1～33.7 g/hm2,累积总量分别为688.8 kg/hm2、1014.7 g/hm2和74.9 g/hm2(表2),分别较常规管理处理的累积总量(泥沙6087.0 kg/hm2、N 4922.9 g/hm2和P 454.3 g/hm2)极显著降低88.68%、79.39%和83.51%。

2.3 降水量与泥沙、N和P流失量的相关分析

从图4可知,2个处理坡地芒果园的降水量与地表径流量及N、P和泥沙流失量均呈极显著正相关,相关系数分别为0.9811～0.9815、0.9762～0.9844、0.9508～0.9771和0.8648～0.9038,说明降水量是影响坡地芒果园产流产沙及养分流失的主要因素。其中,常规管理处理径流及N、P和泥沙的流失速率分别为4.5007 m3/(hm2·mm)、17.0570 g/(hm2·mm)、1.8136 g/(hm2·mm)和22.9600 kg/(hm2·mm),分别是生草减肥处理的2.53、3.92、5.05和7.07倍。可见,生草减肥措施对坡地芒果园具有明显的减流减排效应。

图4 降水量与泥沙及N和P流失量的相关分析Fig.4 Relationship between rainfall and sediment, N and P load

2.4 不同处理对坡地芒果N、P和K养分吸收的影响

由表3可知,与常规管理处理相比,生草减肥处理可提高坡地芒果的产量与果树的N、P和K养分吸收量,以及偏生产力。其中,生草减肥处理的芒果产量及果树的N和K养分吸收量分别显著提高9.30%、8.68%和8.98%(P<0.05),偏生产力极显著提高29.53%,果树P养分吸收量提高9.33%。可见,生草减肥措施可促进坡地芒果树吸收养分。

表3 不同处理对坡地芒果树N、P和K养分吸收量的影响Table 3 Effects of different treatments on N,P and K uptake of mango tree

3 讨 论

3.1 降雨对坡地芒果园径流的影响

降雨是坡地地表径流产生的直接驱动力[29]。已有研究表明,对于西南地区紫色土,中雨降雨等级几乎不产流产沙[30],大雨和暴雨降雨等级引起紫色土区[30]、赤红壤区[31-32]、岩溶槽谷区[33]和喀斯特黄壤区[34]坡地产流产沙。土壤含水量是影响坡地土壤径流与侵蚀的关键因素[35],当土壤含水量未饱和且降水量较小时,雨水入渗被土壤吸持,当降水量大且超过土壤的最大吸持能力时,多余的雨水转化为径流,产生地表冲刷和土壤侵蚀。在连续降雨条件下,随着降雨历时的延长,坡面土壤含水量逐渐饱和,雨水入渗率逐渐下降,坡面产流增大[36-37]。陈钊柱等[31]研究表明,赤红壤坡地蔗区的降雨历时与坡面径流量呈显著或极显著正相关。本研究结果与上述研究结果相似,地表径流发生于连续中大雨或单场降雨大于30.00 mm的降雨,尤其地表径流和受侵蚀泥沙含量受连续中大降雨影响更明显,而单场中雨及小雨降雨等级未发生地表径流。可见,坡地芒果园径流的产生受降水量与降雨历时的综合影响。

3.2 生草减肥对径流及泥沙和养分流失的影响

生态栽培是控制果园水土及养分流失的有效手段[38]。本研究结果显示,生草减肥处理相比常规管理处理可显著减少地表径流及泥沙流失量。一方面,与芒果林下垫面条件优化有关。林下种植太阳花增加了土壤覆盖度,能减弱降雨对地表的直接冲刷,同时可有效拦截降雨,从而减缓径流及减少径流水中的泥沙含量。另一方面,与降雨入渗过程的改变密切相关。入渗是水分自土表垂直进入土壤的过程,入渗性能直接决定降雨转化为土壤水和径流水的量[39],土壤的理化性质、孔隙状况和下垫面条件等是影响土壤入渗性能的重要因素[40]。土壤入渗性能与土壤有机质、孔隙度和粒径>0.25 mm水稳性团聚体呈极显著或显著正相关,与土壤容重呈极显著或显著负相关[41]。在常规管理下,果园长期采用清耕的管理方式,其土壤表面裸露,在雨水的打击下易形成结皮,减少水分入渗[42];而在生草栽培下,草与果树根系的相互穿插生长可促使土壤形成大孔隙,在一定程度上提高土壤孔隙度,从而提高土壤的渗水能力[21,43],同时,草与果树根系分泌物及根系死亡、腐解形成的腐殖质和有机质可促进土壤水稳性团聚体形成,增加土壤非毛管孔隙度,改善土壤孔隙结构,提高土壤水分入渗能力[44-45]。

肥料施用量和施用方法是影响地表径流中N和P浓度的关键因素[46]。石艳平等[47]研究发现,肥料深施条件下地表径流的N和P平均浓度降低53.00%和39.00%。夏红霞等[48]研究表明,在人工模拟径流条件下,施肥处理的径流液总N含量是不施肥的3.4～9.1倍。司友斌等[49]研究指出,在耕地上每增施1.0 kg/hm2N素,地表径流损失N增加0.56～0.72 kg/hm2。本研究中,生草减肥处理的化肥采用根区固定施肥管进行深施,可有效阻挡肥料向地表迁移,避免地表径流对肥料的直接冲刷,因此可显著减少坡地芒果园N和P的流失量。此外,生草减肥条件下果树对N和P养分吸收的提高也有助于减少N和P养分流失。

3.3 生草减肥对养分吸收的影响

已有研究表明,在不足、合理及过量施N水平下,采用垄面覆膜垄沟覆草的水土保持措施均能显著提高苹果树的叶片N含量,且叶片N含量在合理的施N水平下最高[50]。可见,合理施肥结合生态栽培有助于提高果树对养分的吸收。本研究中,与常规管理相比,生草减肥处理芒果树的N、P和K养分吸收量分别提高8.68%、9.33%和8.98%,偏生产力提高29.53%。究其原因,一方面是化肥投入合理,在生草减肥条件下,每株芒果的N、P和K投入比为1.00∶0.75∶1.25,与芒果的适宜施用量相近。另一方面,土壤结构的改善有利于促进根系伸展,提高植株根冠比,增大根长、根长密度及根表面积,从而提高对养分的吸收量[51]。

4 结 论

在广西百色市芒果产区坡地芒果园,坡地芒果园地表径流发生于连续中大降雨或单场降雨大于30.00 mm的降雨,且与降水量呈极显著正相关,果园产流产沙量及N和P流失量受连续中大降雨的影响更明显。与常规管理相比,生草减肥措施可在有效减少地表径流及泥沙、N和P流失量的同时提高偏生产力及N、P和K养分的吸收量。