果园不同保护性耕作措施对土壤水土保持效果的影响

丛子健,丛和均,肖继兵

(1.辽宁省旱地农林研究所,辽宁 朝阳 122000; 2.朝阳县林业和草原事务服务中心,辽宁 朝阳 122000)

土壤是人们赖以生存及发展的物质基础,是人类开发利用最早的一类生产资料[1]。 我国农林等产业可持续发展的重要物质基础即为提高土壤的质量[1]。 因此需要加强对土壤数量及质量的保护工作。 辽西地区的地貌特点以低山丘陵居多,坡度超过5°的低山丘陵区占比达到近48%;此类地块土地生产能力低,发展农作物种植的效益不高,目前当地积极用于果园建设,为山区经济发展起到了积极的带动作用。

目前,辽西地区种植果树的面积达到35 万hm2以上,在当地农村经济发展中成为重要的支柱性产业。 但是大规模的开发利用山地资源,加上未及时采取有效的水土保持措施,原有的生态系统遭到了不同程度的破坏,导致了地表的植被及地貌形态的大幅度变化、水土流失现象加重,地力严重退化[1],不利于果园的优质丰产。 果树果品的产量及品质与土壤的营养状况密切相关[2],因此提高果品产量及品质的有效手段之一即为改变果园内传统的清耕制管理方式、以达到土壤营养状况改善的效果[3～4]。 目前,辽西地区提高地力的重要措施之一即为地表覆盖这种保护性耕作技术,在地温调节、水土保持、蓄水保墒等方面有着积极的作用,在我国干旱地区的果业生产中大面积推广应用[5]。

保护性耕作技术通过尽量少耕、免耕、地表覆盖等,减少对土壤的干扰、降低对土壤的侵蚀、提高土壤的保水性能,实现土地资源的可持续利用[6]。 目前有关保护性耕作措施在果园内应用的研究较多,Adekalu 等研究认为,在果园内生草覆盖等可对土壤的理化性质起到显著的改善效果,降低水土流失量及养分的损失,是保持水土、减少地表径流、减弱土壤侵蚀作用的有效措施之一[7～8];董海强等研究结果表明,在果园内通过覆盖,可以调节果园内土壤的含水量及地温,覆盖的材料不同则产生的调节效果存在差异[9]。 多数果园内的保护性耕作措施研究集中在我国的西北干旱地区,而有关辽西地区的果园研究相对较少。本研究基于辽西地区,在山区的果园内设置了几种不同的保护性耕作的覆盖处理,以探索适合在当地推广的、利于果园优质丰产、水土保持效果好的有效途径。

1 材料与方法

1.1 试验果园情况

试验在朝阳市郊区某建园12 年左右的寒富苹果树果园内,果园坡度在10 °以上,苹果树按照3 m×4 m 的株行距进行种植。 果园内的土壤类型为淤积粉沙土,有较好的透水效果,保肥保水的效果不佳。

1.2 试验设计

试验在果园内共设计了6 个处理,分别为没有覆盖的清耕对照(CK)、行间自然生草、覆盖玉米秸秆、覆盖地膜+玉米秸秆、全园种植百喜草、沿着坡横向带状种植百喜草+大豆。

清耕对照:对坡上的果园翻耕整地,苹果树之间的空地不种植任何植物,保持地表的裸露状态,通过人工除草等方式控制果园内杂草生长。

行间自然生草:保护果园内自然状态下长出的生草,当其高度达到40 cm 左右时进行1 次刈割,草茬的高度控制在15 cm 左右,割倒的生草在树盘上覆盖。

覆盖玉米秸秆:在果树两侧紧挨着果树2 m的位置沿着果树行覆盖玉米干秸秆,带状分布,带宽1 m,行间预留工作区(宽度2 m 左右),玉米干秸秆切成30 cm 的小段,第1 年覆盖秸秆的厚度在10～20 cm 左右,之后每年覆盖量在5 cm 左右即可,覆草后适当覆盖1 层薄土。

覆盖地膜+玉米秸秆:在覆盖玉米秸秆的基础上,覆盖1 层0.015 mm 厚的聚乙烯塑料膜(无色透明)地膜厚度0.015 mm,无色透明。 铺设薄膜时适当扎一些孔;每年在5、11 月清理旧的地膜,并将已经腐熟的玉米秸秆翻入到土壤中,再用新的玉米秸秆小段铺设1 层,厚度在5 cm 左右,最后用新的相同规格的塑料膜铺设1 层(扎孔)。

全园种植百喜草:果园类除了果树冠幅以内的位置,其余地表均按照20 cm×20 cm 的行株距进行百喜草的种植,实现全园覆盖。 当百喜草的高达到40 cm 左右时按照15 cm 左右的茬高进行刈割,前2 次刈割后全部用于果园行间空地处的覆盖,之后刈割的百喜草结合需要适当用于地表裸露处的覆盖。

沿着坡横向带状种植百喜草+大豆:在果园内,果树的行间沿着坡的横向梯面带状种植百喜草,宽度为100 cm,其余地表选择短期作物大豆进行种植。 当百喜草的高达到40 cm 左右时按照15 cm 左右的茬高进行刈割,前2 次刈割后全部用于果园行间空地处的覆盖,之后刈割的百喜草结合需要适当用于地表裸露处的覆盖。

各处理均设3 次重复,随机排列,小区的面积为100 m2(20 m×5 m)。

1.3 试验方法

除了试验设计操作不同以外,各处理果园内的其余措施均保持一致,全部进行套袋管理。 各小区在试验开始前均用空心砖砌墙进行隔离,每个小区的下方建1 组径流观测区(长×宽为10 m×6 m 左右)。 观测区的长边与等高线垂直,短边与等高线平行。 每个小区的上方提前将排水沟开好,以将外围坡面上的径流起到拦截效果、减少对试验结果的影响。 小区的下方提前将截洪沟、量水堰、沉沙池建设好。 每次雨后各小区处理内出现径流后,对量水堰内的水量进行测定;并将量水堰的水搅拌均匀后,取500 ml 过滤,烘干泥沙后称重[6]。 每次雨后测定结束后,对量水堰进行1次清洗,以用于下次降雨后测量。 沉沙池内如果沉积泥沙,也需要将其烘干后进行称重。 全年的取样完成后进行径流及泥沙量的分析[9]。

2019 年3 月开始果园内按照试验设计的要求进行各类保护性耕作措施处理。 2022 年3 月进行每次雨后径流及泥沙的取样、调查,持续到2023 年3 月。 每次雨后进行泥沙的处理及径流的测量,并对径流及泥沙中的养分等进行测定、分析。 参照文献资料的方法进行养分含量的测定[10]。 径流量及泥沙量取全年总值,每个处理3个重复小区的数据取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同保护性耕作措施对果园内径流及泥沙量的影响

根据表1 可知,径流量及泥沙量均以清耕对照处理为最多,分别达到了2 531.2 m3/hm2、5 513.4 t/km2。 其余处理,径流量按照从大到小的顺序依次为:覆盖玉米秸秆＞覆盖地膜+玉米秸秆＞沿着坡横向带状种植百喜草+大豆＞全园种植百喜草＞行间自然生草,比对照处理降低的幅度均超过了80%;泥沙量的变化趋势同径流量,田间覆盖处理比对照处理降幅均达到了99%以上。表明通过在果园内进行覆盖这项保护性耕作措施,可明显降低果园内的径流量及泥沙量,其中行间自然生草、种植百喜草及百喜草+大豆这3 个处理属于生物覆盖措施,在降低径流、泥沙量方面效果更好,覆盖秸秆及地膜的处理效果稍次,但是效果均好于清耕处理。

表1 不同耕作措施下果园内径流及泥沙量的比较

2.2 不同保护性耕作措施对果园内径流氮磷浓度的影响

根据表2 可知,各处理中径流中总氮及总磷的含量均低于清耕对照处理。 各覆盖处理的总氮的含量在1.02～2.12 mg/L,均低于清耕对照处理(3.35 mg/L),分析其原因,可能是清耕处理的径流中悬移质的含量较多。 各处理硝态氮含量在0.31 ～0.52 mg/L, 均低于清耕对照处理(0.81 mg/L);各处理可溶性氮的含量在0.50 ～1.05 mg/L,均低于清耕对照处理(1.88 mg/L);各处理氨态氮含量在0.42～1.08 mg/L,其中覆盖地膜+玉米秸秆的处理高于清耕对照处理(0.91 mg/L),其余处理均低于对照。

表2 不同耕作措施下果园内径流氮磷含量的比较

各覆盖处理总磷的含量在0.11～0.35 mg/L,均低于清耕对照处理(0.51 mg/L);可溶性磷含量在0.005 ～0.010 mg/L,均低于清耕对照处理(0.016 mg/L)。 表明通过对果园进行覆盖这种保护性耕作措施,可以减少果园内径流中氮磷养分的含量,减少径流中养分的流失;在各覆盖处理中,行间自然生草与种植百喜草及百喜草+大豆这3 个处理属于生物覆盖措施,径流中氮及磷含量均低于覆盖秸秆及地膜的处理;径流中流失的氮养分主要形态为可溶性氮;径流中磷的形态主要有可溶性磷、结合态磷,结合可溶性磷的含量分析,其在磷总量中占比非常低,可知径流中磷的主要形态为与泥沙结合的结合态磷。

2.3 不同保护性耕作措施对果园内泥沙氮磷浓度的影响

泥沙中的养分是坡地上果园养分流失的一个重要的组成[11]。 根据表3 可知,各覆盖处理果园内泥沙的氮磷含量均以清耕的对照处理为最低,其中含量最高的均为行间自然生草,其次为全园种植百喜草,2 个处理均为生物覆盖处理。 分析其原因,可能覆盖处理的果园内土壤的理化性质得以改善,土壤中的氮磷养分浓度得到较好的提高,相应的泥沙中氮磷浓度也增加;此外,可能还与不同处理下泥沙颗粒的组成结构有关[11]。

表3 不同耕作措施下果园内泥沙氮磷含量的比较

2.4 不同保护性耕作措施对果园内泥沙质地的影响

根据表4 可知,在果园内不同覆盖保护性耕作措施下,果园内泥沙的质地结构有所差异。

表4 不同耕作措施下果园内泥沙质地结构比较

各覆盖处理的泥沙质地主要结构为粉粒、钻粒,其中行间自然生草、全园种植百喜草、沿着坡横向带状种植百喜草+大豆几个生物覆盖处理的粉粒、钻粒总占比达到74%以上,其余的秸秆覆盖处理粉粒、钻粒总占比也达到了68%左右,均高于清耕对照处理的36.70%。 3 个生物覆盖处理的砾石含量为0%;而清耕对照处理泥沙质地主要为粗粒、砾石,总占比为63.30%,远远高于其他的地表覆盖处理。 一般泥沙中粉粒、钻粒比例越高,流失的养分含量也越高。

3 结论与讨论

3.1 结论

基于养分流失效果的角度分析,生物覆盖的模式整体上可以减少土壤的养分流失、降低径流量及泥沙量,在山地果园的水土保持方面有着积极的作用。 未来可结合工程措施、控制泥土中细粒比例等方面继续研究,探索出更佳方案。

3.2 讨论

潘艳华等研究结果表明,在果园地表采取保护性耕作措施,地表径流量及养分流失量均有所降低[6]。 本研究的结果与此一致,在种草、秸秆覆盖等不同的处理下,果园内土壤的径流量、径流的养分流失量均有所降低,分析其原因,主要是果园内生草或者种草、覆盖秸秆及地膜后,一方面有效地对径流起到了拦截效果,另一方面直接减少了雨水直接对表层土壤的冲刷作用[12];本试验中还研究了泥沙中的养分含量,泥沙中的养分含量以清耕对照处理低于各覆盖处理,这一结果与严登峰等学者的研究结果一致[11],分析其结果,可能在于各覆盖处理的果园内土壤的理化性质得以改善,土壤中的养分浓度得到较好的提高,相应的泥沙中氮磷浓度也增加,尤其是生物覆盖处理,由于草割除后铺设在地表还田,很好地增加了土壤内的总养分。

生物覆盖的处理径流减少量、养分流失量的降低效果好于秸秆覆盖处理[6],本研究结果与此一致,行间自然生草处理、全园种植百喜草、沿着坡横向带状种植百喜草+大豆3 个生物覆盖处理的径流量、径流的养分流失量降低幅度更大,原因主要在于土壤流失也与土壤的质地、结构密切相关,生物覆盖处理的草生长过程中通过根系的延伸,可增加土壤的孔隙度、改善土壤物理结构,利于水分往土层中渗透,在地下部分及地上部分的共同作用下,降低了径流的发生[13]。

本研究中还研究了不同覆盖处理下泥沙的质地结构,清耕处理中泥沙质地主要为粗粒、砾石,总占比为63.30%,其余覆盖处理的泥沙质地主要为粉粒、钻粒,泥沙中养分流失多,因此水土保持还需要从控制细粒的流失方面入手,未来可在此方面开展进一步的研究,如将生物覆盖措施与整地等工程措施结合起来;且坡地果园是一个综合的生态系统,且经营的目地除了水土保持,重要的目的即为经济效益,未来还需要开展不同措施在果树生长、果实高产优质方面的分析探讨。