果園不同保護性耕作措施對土壤水土保持效果的影響

叢子健,叢和均,肖繼兵

(1.遼寧省旱地農林研究所,遼寧 朝陽 122000; 2.朝陽縣林業和草原事務服務中心,遼寧 朝陽 122000)

土壤是人們賴以生存及發展的物質基礎,是人類開發利用最早的一類生產資料[1]。 我國農林等產業可持續發展的重要物質基礎即為提高土壤的質量[1]。 因此需要加強對土壤數量及質量的保護工作。 遼西地區的地貌特點以低山丘陵居多,坡度超過5°的低山丘陵區占比達到近48%;此類地塊土地生產能力低,發展農作物種植的效益不高,目前當地積極用于果園建設,為山區經濟發展起到了積極的帶動作用。

目前,遼西地區種植果樹的面積達到35 萬hm2以上,在當地農村經濟發展中成為重要的支柱性產業。 但是大規模的開發利用山地資源,加上未及時采取有效的水土保持措施,原有的生態系統遭到了不同程度的破壞,導致了地表的植被及地貌形態的大幅度變化、水土流失現象加重,地力嚴重退化[1],不利于果園的優質豐產。 果樹果品的產量及品質與土壤的營養狀況密切相關[2],因此提高果品產量及品質的有效手段之一即為改變果園內傳統的清耕制管理方式、以達到土壤營養狀況改善的效果[3～4]。 目前,遼西地區提高地力的重要措施之一即為地表覆蓋這種保護性耕作技術,在地溫調節、水土保持、蓄水保墑等方面有著積極的作用,在我國干旱地區的果業生產中大面積推廣應用[5]。

保護性耕作技術通過盡量少耕、免耕、地表覆蓋等,減少對土壤的干擾、降低對土壤的侵蝕、提高土壤的保水性能,實現土地資源的可持續利用[6]。 目前有關保護性耕作措施在果園內應用的研究較多,Adekalu 等研究認為,在果園內生草覆蓋等可對土壤的理化性質起到顯著的改善效果,降低水土流失量及養分的損失,是保持水土、減少地表徑流、減弱土壤侵蝕作用的有效措施之一[7～8];董海強等研究結果表明,在果園內通過覆蓋,可以調節果園內土壤的含水量及地溫,覆蓋的材料不同則產生的調節效果存在差異[9]。 多數果園內的保護性耕作措施研究集中在我國的西北干旱地區,而有關遼西地區的果園研究相對較少。本研究基于遼西地區,在山區的果園內設置了幾種不同的保護性耕作的覆蓋處理,以探索適合在當地推廣的、利于果園優質豐產、水土保持效果好的有效途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗果園情況

試驗在朝陽市郊區某建園12 年左右的寒富蘋果樹果園內,果園坡度在10 °以上,蘋果樹按照3 m×4 m 的株行距進行種植。 果園內的土壤類型為淤積粉沙土,有較好的透水效果,保肥保水的效果不佳。

1.2 試驗設計

試驗在果園內共設計了6 個處理,分別為沒有覆蓋的清耕對照(CK)、行間自然生草、覆蓋玉米秸稈、覆蓋地膜+玉米秸稈、全園種植百喜草、沿著坡橫向帶狀種植百喜草+大豆。

清耕對照:對坡上的果園翻耕整地,蘋果樹之間的空地不種植任何植物,保持地表的裸露狀態,通過人工除草等方式控制果園內雜草生長。

行間自然生草:保護果園內自然狀態下長出的生草,當其高度達到40 cm 左右時進行1 次刈割,草茬的高度控制在15 cm 左右,割倒的生草在樹盤上覆蓋。

覆蓋玉米秸稈:在果樹兩側緊挨著果樹2 m的位置沿著果樹行覆蓋玉米干秸稈,帶狀分布,帶寬1 m,行間預留工作區(寬度2 m 左右),玉米干秸稈切成30 cm 的小段,第1 年覆蓋秸稈的厚度在10～20 cm 左右,之后每年覆蓋量在5 cm 左右即可,覆草后適當覆蓋1 層薄土。

覆蓋地膜+玉米秸稈:在覆蓋玉米秸稈的基礎上,覆蓋1 層0.015 mm 厚的聚乙烯塑料膜(無色透明)地膜厚度0.015 mm,無色透明。 鋪設薄膜時適當扎一些孔;每年在5、11 月清理舊的地膜,并將已經腐熟的玉米秸稈翻入到土壤中,再用新的玉米秸稈小段鋪設1 層,厚度在5 cm 左右,最后用新的相同規格的塑料膜鋪設1 層(扎孔)。

全園種植百喜草:果園類除了果樹冠幅以內的位置,其余地表均按照20 cm×20 cm 的行株距進行百喜草的種植,實現全園覆蓋。 當百喜草的高達到40 cm 左右時按照15 cm 左右的茬高進行刈割,前2 次刈割后全部用于果園行間空地處的覆蓋,之后刈割的百喜草結合需要適當用于地表裸露處的覆蓋。

沿著坡橫向帶狀種植百喜草+大豆:在果園內,果樹的行間沿著坡的橫向梯面帶狀種植百喜草,寬度為100 cm,其余地表選擇短期作物大豆進行種植。 當百喜草的高達到40 cm 左右時按照15 cm 左右的茬高進行刈割,前2 次刈割后全部用于果園行間空地處的覆蓋,之后刈割的百喜草結合需要適當用于地表裸露處的覆蓋。

各處理均設3 次重復,隨機排列,小區的面積為100 m2(20 m×5 m)。

1.3 試驗方法

除了試驗設計操作不同以外,各處理果園內的其余措施均保持一致,全部進行套袋管理。 各小區在試驗開始前均用空心磚砌墻進行隔離,每個小區的下方建1 組徑流觀測區(長×寬為10 m×6 m 左右)。 觀測區的長邊與等高線垂直,短邊與等高線平行。 每個小區的上方提前將排水溝開好,以將外圍坡面上的徑流起到攔截效果、減少對試驗結果的影響。 小區的下方提前將截洪溝、量水堰、沉沙池建設好。 每次雨后各小區處理內出現徑流后,對量水堰內的水量進行測定;并將量水堰的水攪拌均勻后,取500 ml 過濾,烘干泥沙后稱重[6]。 每次雨后測定結束后,對量水堰進行1次清洗,以用于下次降雨后測量。 沉沙池內如果沉積泥沙,也需要將其烘干后進行稱重。 全年的取樣完成后進行徑流及泥沙量的分析[9]。

2019 年3 月開始果園內按照試驗設計的要求進行各類保護性耕作措施處理。 2022 年3 月進行每次雨后徑流及泥沙的取樣、調查,持續到2023 年3 月。 每次雨后進行泥沙的處理及徑流的測量,并對徑流及泥沙中的養分等進行測定、分析。 參照文獻資料的方法進行養分含量的測定[10]。 徑流量及泥沙量取全年總值,每個處理3個重復小區的數據取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同保護性耕作措施對果園內徑流及泥沙量的影響

根據表1 可知,徑流量及泥沙量均以清耕對照處理為最多,分別達到了2 531.2 m3/hm2、5 513.4 t/km2。 其余處理,徑流量按照從大到小的順序依次為:覆蓋玉米秸稈＞覆蓋地膜+玉米秸稈＞沿著坡橫向帶狀種植百喜草+大豆＞全園種植百喜草＞行間自然生草,比對照處理降低的幅度均超過了80%;泥沙量的變化趨勢同徑流量,田間覆蓋處理比對照處理降幅均達到了99%以上。表明通過在果園內進行覆蓋這項保護性耕作措施,可明顯降低果園內的徑流量及泥沙量,其中行間自然生草、種植百喜草及百喜草+大豆這3 個處理屬于生物覆蓋措施,在降低徑流、泥沙量方面效果更好,覆蓋秸稈及地膜的處理效果稍次,但是效果均好于清耕處理。

表1 不同耕作措施下果園內徑流及泥沙量的比較

2.2 不同保護性耕作措施對果園內徑流氮磷濃度的影響

根據表2 可知,各處理中徑流中總氮及總磷的含量均低于清耕對照處理。 各覆蓋處理的總氮的含量在1.02～2.12 mg/L,均低于清耕對照處理(3.35 mg/L),分析其原因,可能是清耕處理的徑流中懸移質的含量較多。 各處理硝態氮含量在0.31 ～0.52 mg/L, 均低于清耕對照處理(0.81 mg/L);各處理可溶性氮的含量在0.50 ～1.05 mg/L,均低于清耕對照處理(1.88 mg/L);各處理氨態氮含量在0.42～1.08 mg/L,其中覆蓋地膜+玉米秸稈的處理高于清耕對照處理(0.91 mg/L),其余處理均低于對照。

表2 不同耕作措施下果園內徑流氮磷含量的比較

各覆蓋處理總磷的含量在0.11～0.35 mg/L,均低于清耕對照處理(0.51 mg/L);可溶性磷含量在0.005 ～0.010 mg/L,均低于清耕對照處理(0.016 mg/L)。 表明通過對果園進行覆蓋這種保護性耕作措施,可以減少果園內徑流中氮磷養分的含量,減少徑流中養分的流失;在各覆蓋處理中,行間自然生草與種植百喜草及百喜草+大豆這3 個處理屬于生物覆蓋措施,徑流中氮及磷含量均低于覆蓋秸稈及地膜的處理;徑流中流失的氮養分主要形態為可溶性氮;徑流中磷的形態主要有可溶性磷、結合態磷,結合可溶性磷的含量分析,其在磷總量中占比非常低,可知徑流中磷的主要形態為與泥沙結合的結合態磷。

2.3 不同保護性耕作措施對果園內泥沙氮磷濃度的影響

泥沙中的養分是坡地上果園養分流失的一個重要的組成[11]。 根據表3 可知,各覆蓋處理果園內泥沙的氮磷含量均以清耕的對照處理為最低,其中含量最高的均為行間自然生草,其次為全園種植百喜草,2 個處理均為生物覆蓋處理。 分析其原因,可能覆蓋處理的果園內土壤的理化性質得以改善,土壤中的氮磷養分濃度得到較好的提高,相應的泥沙中氮磷濃度也增加;此外,可能還與不同處理下泥沙顆粒的組成結構有關[11]。

表3 不同耕作措施下果園內泥沙氮磷含量的比較

2.4 不同保護性耕作措施對果園內泥沙質地的影響

根據表4 可知,在果園內不同覆蓋保護性耕作措施下,果園內泥沙的質地結構有所差異。

表4 不同耕作措施下果園內泥沙質地結構比較

各覆蓋處理的泥沙質地主要結構為粉粒、鉆粒,其中行間自然生草、全園種植百喜草、沿著坡橫向帶狀種植百喜草+大豆幾個生物覆蓋處理的粉粒、鉆?？傉急冗_到74%以上,其余的秸稈覆蓋處理粉粒、鉆?？傉急纫策_到了68%左右,均高于清耕對照處理的36.70%。 3 個生物覆蓋處理的礫石含量為0%;而清耕對照處理泥沙質地主要為粗粒、礫石,總占比為63.30%,遠遠高于其他的地表覆蓋處理。 一般泥沙中粉粒、鉆粒比例越高,流失的養分含量也越高。

3 結論與討論

3.1 結論

基于養分流失效果的角度分析,生物覆蓋的模式整體上可以減少土壤的養分流失、降低徑流量及泥沙量,在山地果園的水土保持方面有著積極的作用。 未來可結合工程措施、控制泥土中細粒比例等方面繼續研究,探索出更佳方案。

3.2 討論

潘艷華等研究結果表明,在果園地表采取保護性耕作措施,地表徑流量及養分流失量均有所降低[6]。 本研究的結果與此一致,在種草、秸稈覆蓋等不同的處理下,果園內土壤的徑流量、徑流的養分流失量均有所降低,分析其原因,主要是果園內生草或者種草、覆蓋秸稈及地膜后,一方面有效地對徑流起到了攔截效果,另一方面直接減少了雨水直接對表層土壤的沖刷作用[12];本試驗中還研究了泥沙中的養分含量,泥沙中的養分含量以清耕對照處理低于各覆蓋處理,這一結果與嚴登峰等學者的研究結果一致[11],分析其結果,可能在于各覆蓋處理的果園內土壤的理化性質得以改善,土壤中的養分濃度得到較好的提高,相應的泥沙中氮磷濃度也增加,尤其是生物覆蓋處理,由于草割除后鋪設在地表還田,很好地增加了土壤內的總養分。

生物覆蓋的處理徑流減少量、養分流失量的降低效果好于秸稈覆蓋處理[6],本研究結果與此一致,行間自然生草處理、全園種植百喜草、沿著坡橫向帶狀種植百喜草+大豆3 個生物覆蓋處理的徑流量、徑流的養分流失量降低幅度更大,原因主要在于土壤流失也與土壤的質地、結構密切相關,生物覆蓋處理的草生長過程中通過根系的延伸,可增加土壤的孔隙度、改善土壤物理結構,利于水分往土層中滲透,在地下部分及地上部分的共同作用下,降低了徑流的發生[13]。

本研究中還研究了不同覆蓋處理下泥沙的質地結構,清耕處理中泥沙質地主要為粗粒、礫石,總占比為63.30%,其余覆蓋處理的泥沙質地主要為粉粒、鉆粒,泥沙中養分流失多,因此水土保持還需要從控制細粒的流失方面入手,未來可在此方面開展進一步的研究,如將生物覆蓋措施與整地等工程措施結合起來;且坡地果園是一個綜合的生態系統,且經營的目地除了水土保持,重要的目的即為經濟效益,未來還需要開展不同措施在果樹生長、果實高產優質方面的分析探討。