陳開驥,彭嘉宇,周柳強,雷秋良,沈小微,譚宏偉,黃金生,劉昔輝,唐新蓮,區(qū)惠平

(1.廣西大學農(nóng)學院,南寧 530004;2.廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/廣西耕地保育重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南植物營養(yǎng)與施肥技術科學觀測實驗站/國家農(nóng)業(yè)環(huán)境南寧觀測實驗站,南寧 530007;3.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點實驗室,北京 100081;4.中國農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究中心/廣西農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廣西甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室,南寧 530007)

【研究意義】百色市位于廣西西部,光溫充足,是我國芒果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),也是全國地級市中規(guī)模最大的芒果生產(chǎn)基地[1],但其山地丘陵地貌、豐沛降雨、清耕管理方式及過量施肥措施,致使果園土層薄、蓄水差、水土侵蝕及氮(N)和磷(P)流失嚴重[2-4],是廣西水土流失的重點治理區(qū)[5]。生草減肥是在果園行間選留原生雜草或種植綠肥和非原生草類并結合化肥減施以有效控制果園水土和養(yǎng)分流失的栽培方式。南方果園側重選留白三葉、百喜草、雀稗和白花藿香薊[6-8]等草本植物,或保持果園自然生草,然而芒果園的自然生草以鬼針草、狼把草、馬唐、小飛蓬、旱稗和蓮子草等惡性雜草為主[3,9],不僅在生長前期與果樹爭水爭肥,在生長后期擋光,還容易加劇果樹生理病害[2]。太陽花為馬齒莧科馬齒莧屬一年生草本花卉,株型低矮,花期長、花色鮮艷,具有觀賞和藥用價值[10],能引蜂促進芒果授粉,但目前關于化肥減施結合選用太陽花在芒果園林下種植對芒果園整體減流減排及養(yǎng)分吸收情況缺乏了解。因此,探究生草減肥管理措施對坡地芒果園N和P流失及養(yǎng)分吸收的影響狀況,對促進芒果綠色生產(chǎn)及改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中向湖泊和河流擴散污染的主要來源,由施肥引起的N和P流失量分別占N和P施肥量的52%和68%[11-12]。我國自2015年實施化肥零增長行動以來,化肥施用量得到控制并有所減少,但果園林下植被覆蓋度低導致的土壤流失問題依然存在[13]。Li等[11]研究提出,集約化農(nóng)業(yè)下的侵蝕及N和P養(yǎng)分輸出防控不應局限于化肥減施,還應配合土地管理。林下栽培草本植物增加土壤覆蓋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、覆蓋度、生物量和配置方式等的差異影響著坡面的徑流效應[15-16]。王堅樺等[3]研究表明,芒果園清耕處理下的坡面土壤侵蝕量是自然生草刈割處理的9.20～52.20倍。余波等[17]研究發(fā)現(xiàn),臍橙園林下種植白三葉減流減沙效果最佳,產(chǎn)流量比林下種植艾蒿、馬齒莧、草木犀和清耕分別減少54.09%、53.15%、58.07%和69.85%,產(chǎn)沙量分別減少61.53%、59.94%、68.88%和87.26%。李婷婷等[18]研究表明,桂東北坡地金桔園種植雀稗的減流減沙效果優(yōu)于種植白花藿香薊。宋科等[19]研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)施肥相比,水肥一體化結合植物籬可減少田間徑流發(fā)生頻次,徑流量、徑流液全N和全P濃度及N和P流失總量顯著降低。劉瑞等[20]研究表明,在紫色土坡耕地柑橘園周年種植綠肥可顯著降低地表徑流量8.70%～27.00%、總N流失量30.10%～50.60%和總P流失量32.40%～62.90%,且流失效應表現(xiàn)為黑麥草>光葉苕子>二月蘭。Mo等[21]研究證實,與常規(guī)管理相比,紅壤坡耕地柑橘園樹下種植狗牙草可增加水分入滲,年徑流量顯著降低,產(chǎn)沙量降低99.38%～99.67%。郭偉等[22]研究表明,壟溝覆草條件下山地果樹N肥吸收利用率提高6.65%～13.41%。【本研究切入點】迄今,關于生草減肥管理措施對坡地芒果園N和P流失及養(yǎng)分吸收狀況的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】在廣西百色市芒果主產(chǎn)區(qū)坡地芒果園,選用太陽花進行生草減肥管理,采用徑流小區(qū),通過野外監(jiān)測果園水土流失、N和P隨著地表徑流流失及果樹N、P和鉀(K)養(yǎng)分吸收的變化情況,探討生草減肥條件下的減排減流及養(yǎng)分增效效應,為防控坡地芒果園水土流失和面源污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西百色市田東縣芒果綠色生態(tài)園內(nèi)(107°06′53.9928″ E,23°34′24.7836″ N)。該地屬南亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),光、溫、熱、水資源豐富,年均降水量1172.3 mm,年均氣溫21.9 ℃,年均日照時數(shù)1869 h,年均蒸發(fā)量1774.7 mm。果園屬于典型山地丘陵地貌,海拔119 m,坡度15～18°。土壤類型為赤紅壤,成土母巖為沙頁巖。土層薄,保水保肥性差,土壤侵蝕嚴重。

1.2 試驗材料

選擇樹齡5年的熱農(nóng)果樹作為研究對象。綜合考慮果樹的樹冠長勢,芒果林下種植一年生草本植物太陽花(品種為大花馬齒莧)[2],其植株高度15.0～20.0 cm,臥地簇生,莖頂開花?；蕿榱蛩徕浶蛷秃戏?17-17-17)、水溶型復合肥(14-2-13)和水溶型復合肥(15-5-25),均購自當?shù)厥袌觥?/p>

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 設常規(guī)管理(常規(guī)施肥+果園清耕管理)和生草減肥(林下種草+化肥減量)2個處理。常規(guī)管理處理:果樹株施化肥N 522.50 g、P2O5402.50 g和K2O 512.50 g,分別在采果后、開花前和果實膨大期施肥,其中,采果后在樹冠滴水線投影處挖寬20.0～30.0 cm、深15.0～20.0 cm的環(huán)狀溝施肥,株施硫酸鉀型復合肥(17-17-17)2.25 kg,施肥后蓋土,開花前和果實膨大期采用淋沖方式施肥,株施水溶型復合肥(14-2-13)各0.50 kg;為避免果樹發(fā)生炭疽病、白粉病和煤煙病等病害,田間雜草管理常年使用除草劑控草、人工清園的清耕方式。生草減肥處理:株施化肥N 405.00 g、P2O5305.00 g和K2O 505.00 g,總化肥用量較常規(guī)管理處理減量15.50%,分采果后、開花前和果實膨大期3次施肥,均采用根區(qū)固定施肥管進行深施,即在樹冠滴水線投影處的東南西北4個方向各埋設固定施肥管1根,固定施肥管埋深40.0 cm,露出地面10.0 cm。固定施肥管選用PVC給水管,內(nèi)徑110.0 cm,管長50.0 cm,管的兩頭暢通,管的10.0～40.0 cm區(qū)域均勻交錯布設孔徑6.0 mm的小孔,小孔行間距2.5 cm×6.0 cm。施肥時直接將化肥通過固定管施入土壤40.0 cm處。采果后株施硫酸鉀型復合肥(17-17-17)1.50 kg,開花前和果實膨大期株施水溶型肥(15-5-25)各0.50 kg,林下梯面生草覆蓋。太陽花于2021年3月20日采用扦插方式種植,行距為15.0 cm×20.0 cm;采果后、開花前和果實膨大期的施肥時間分別為2021年8月上旬、12月下旬和5月中旬。2個處理的病蟲害防治管理措施一致。

采用野外徑流小區(qū)監(jiān)測。在園內(nèi)選擇坡度、坡向、梯寬和土壤理化性質等立地條件較均一的坡面分別設置常規(guī)管理(面積0.47 hm2)和生草減肥(面積0.33 hm2)2個大片區(qū),選擇樹勢相近的坡面各建立3個投影100.0 m2(12.5 m×8.0 m)的徑流小區(qū)。為防止小區(qū)外水土進入及小區(qū)內(nèi)水土外流,小區(qū)四周設30.0 cm高的保護田埂。小區(qū)內(nèi)果樹采用高梯地種植,每小區(qū)2梯,每梯3株果樹,共6株果樹。梯田寬約3.0 m,芒果株距4.0 m,樹高約2.5 m。小區(qū)內(nèi)布設氣象站用于收集降雨數(shù)據(jù),降雨觀測時間為2021年4—11月。

1.3.2 樣品采集及指標測定 徑流采集與測定:在每個徑流小區(qū)下方設置集流桶和7孔分流桶,用于承接降雨產(chǎn)生的徑流,桶內(nèi)標有水位刻度尺;每次降雨產(chǎn)流后,先記錄集流桶和分流桶內(nèi)的水位刻度尺讀數(shù),根據(jù)集流桶與分流桶的面積及水位計算徑流量,接著將集流桶和分流桶內(nèi)樣品充分攪拌混勻,采用500 mL干凈塑料瓶迅速采集,同時清洗集流桶與分流桶;采用烘干法測定泥沙含量[11],堿性過硫酸鉀消解,紫外分光光度法測定水的總N含量[23],鉬酸銨分光光度法測定水的總P含量[24];當遇上多天連續(xù)降雨時,采集1次徑流的最大間隔時間為7 d。芒果植株樣品采集與測定:在芒果收獲期,實收測定小區(qū)內(nèi)單株芒果產(chǎn)量,同時調查單株芒果樹上當季抽生的全部秋梢數(shù),并在每株果樹樹冠的東南西北4個方向采集當季抽生的秋梢枝條12個及枝條上的全部芒果,分別混合稱取生物量,帶回實驗室105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干至恒重,粉碎;采用H2SO4-H2O2法消化,以凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法分別測定N、P和K含量[25]。 泥沙含量(g/L)=泥沙烘干量(g)/徑流水體積(L)[11]

產(chǎn)沙量(kg/hm2)=泥沙含量(g/L)×徑流量(m3/hm2)×1000[26]

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

秋梢枝條N(P、K)吸收量(g/株)=秋梢數(shù)×單枝秋梢生物量(g)×N(P、K)含量(g/kg)

芒果N(P、K)吸收量(g/株)=芒果產(chǎn)量(kg/株)×N(P、K)含量(g/kg)

果樹N(P、K)總吸收量(g/株)=秋梢枝條N(P、K)吸收量(g/株)+芒果N(P、K)吸收量(g/株)

偏生產(chǎn)力(kg/kg)=單株芒果產(chǎn)量(kg/株)/N、P、K 施用總量(kg/株)[27]

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007進行整理、制圖和統(tǒng)計,以成對雙樣本—t檢驗進行處理間差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理坡地芒果園的降雨、徑流和泥沙含量特征

從圖1可看出,降雨主要集中在5—8月,降水量共728.32 mm,占總降水量的70.68%;共發(fā)生降雨118場,參考降雨量等級劃分標準[28],發(fā)生小雨87場,占總降雨場次的73.73%,雖然中雨以上等級降雨僅占總降雨場次的26.27%,但累積降水量達總降水量的77.28%(表1)。

本研究將連續(xù)降雨下發(fā)生的產(chǎn)沙產(chǎn)流視為同一場侵蝕降雨事件。圖2顯示,觀測期內(nèi)發(fā)生9場侵蝕降雨,且與降雨發(fā)生時間一致,也集中在5—8月;侵蝕降水量達502.96 mm,占觀測期降水量的48.80%,9場侵蝕降雨有6場為單場降雨,3場為連續(xù)中大降雨,降水量范圍為30.20～113.20 mm。果園徑流發(fā)生于連續(xù)中大降雨或單場降水量大于30.00 mm的降雨事件,單場中雨或小雨事件未產(chǎn)生徑流。

圖2 侵蝕降雨下不同處理坡地芒果園徑流量和泥沙含量的變化情況Fig.2 Variations in runoff and sediment content of slope mango orchard under different treatments and different erosion rainfall events

從圖2-A可看出,2個處理的徑流量隨著降雨而變化的趨勢大體一致,其中,單場降雨下的徑流量變化均較平緩,而連續(xù)中大降雨下的徑流量明顯增加,徑流累積量在355.7～978.1 m3/hm2,占總徑流量的69.43%～74.70%,說明坡地芒果園地表徑流受連續(xù)中大降雨影響明顯;9場侵蝕性降雨的徑流量和徑流液泥沙含量(圖2-B)變化范圍分別為0.9～393.5 m3/hm2和0.38～6.17 g/L,表現(xiàn)為生草減肥處理低于常規(guī)管理處理。其中,生草減肥處理的總徑流量為476.2 m3/hm2,泥沙平均含量為1.35 g/L,較常規(guī)管理處理(總徑流量和泥沙平均含量分別為1408.7 m3/hm2和4.02 g/L)(表2)分別極顯著減少66.20%和66.42%(P<0.01,下同)?？梢?生草減肥措施能有效攔蓄坡地芒果園的降雨徑流,減少地表水土流失。

表2 不同處理對坡地芒果園總徑流及泥沙、N和P流失總量的影響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 不同處理對坡地芒果園泥沙、N和P流失量的影響

從圖3可看出,芒果園泥沙及N和P流失量與徑流量的變化趨勢相似。其中,單場降雨下2個處理的泥沙及N和P流失量變化均較平緩,而在連續(xù)中大降雨下的泥沙及N和P流失量明顯增加;在生草減肥處理中,連續(xù)中大降雨產(chǎn)生的泥沙及N和P流失累積量分別為590.6 kg/hm2、842.8 g/hm2和63.8 g/hm2,分別占泥沙及N和P流失累積總量的85.74%、83.06%和85.18%;在常規(guī)管理處理中,連續(xù)中大降雨產(chǎn)生的泥沙及N和P流失累積量分別為4518.6 kg/hm2、3628.2 g/hm2和353.8 g/hm2,分別占泥沙及N和P流失總量的74.23%、73.70%和77.88%?？梢?芒果園坡面泥沙及N和P流失主要由連續(xù)中大降雨引起。

圖3 侵蝕降雨下坡地芒果園泥沙及N和P流失量的變化情況Fig.3 Variations of sediment,N and P load in slope mango orchard under erosion rainfall events

從圖3還可看出,生草減肥處理的泥沙及N和P流失量范圍分別為2.0～337.9 kg/hm2、1.3～344.3 g/hm2和0.1～33.7 g/hm2,累積總量分別為688.8 kg/hm2、1014.7 g/hm2和74.9 g/hm2(表2),分別較常規(guī)管理處理的累積總量(泥沙6087.0 kg/hm2、N 4922.9 g/hm2和P 454.3 g/hm2)極顯著降低88.68%、79.39%和83.51%。

2.3 降水量與泥沙、N和P流失量的相關分析

從圖4可知,2個處理坡地芒果園的降水量與地表徑流量及N、P和泥沙流失量均呈極顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.9811～0.9815、0.9762～0.9844、0.9508～0.9771和0.8648～0.9038,說明降水量是影響坡地芒果園產(chǎn)流產(chǎn)沙及養(yǎng)分流失的主要因素。其中,常規(guī)管理處理徑流及N、P和泥沙的流失速率分別為4.5007 m3/(hm2·mm)、17.0570 g/(hm2·mm)、1.8136 g/(hm2·mm)和22.9600 kg/(hm2·mm),分別是生草減肥處理的2.53、3.92、5.05和7.07倍。可見,生草減肥措施對坡地芒果園具有明顯的減流減排效應。

圖4 降水量與泥沙及N和P流失量的相關分析Fig.4 Relationship between rainfall and sediment, N and P load

2.4 不同處理對坡地芒果N、P和K養(yǎng)分吸收的影響

由表3可知,與常規(guī)管理處理相比,生草減肥處理可提高坡地芒果的產(chǎn)量與果樹的N、P和K養(yǎng)分吸收量,以及偏生產(chǎn)力。其中,生草減肥處理的芒果產(chǎn)量及果樹的N和K養(yǎng)分吸收量分別顯著提高9.30%、8.68%和8.98%(P<0.05),偏生產(chǎn)力極顯著提高29.53%,果樹P養(yǎng)分吸收量提高9.33%?？梢?生草減肥措施可促進坡地芒果樹吸收養(yǎng)分。

表3 不同處理對坡地芒果樹N、P和K養(yǎng)分吸收量的影響Table 3 Effects of different treatments on N,P and K uptake of mango tree

3 討 論

3.1 降雨對坡地芒果園徑流的影響

降雨是坡地地表徑流產(chǎn)生的直接驅動力[29]。已有研究表明,對于西南地區(qū)紫色土,中雨降雨等級幾乎不產(chǎn)流產(chǎn)沙[30],大雨和暴雨降雨等級引起紫色土區(qū)[30]、赤紅壤區(qū)[31-32]、巖溶槽谷區(qū)[33]和喀斯特黃壤區(qū)[34]坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙。土壤含水量是影響坡地土壤徑流與侵蝕的關鍵因素[35],當土壤含水量未飽和且降水量較小時,雨水入滲被土壤吸持,當降水量大且超過土壤的最大吸持能力時,多余的雨水轉化為徑流,產(chǎn)生地表沖刷和土壤侵蝕。在連續(xù)降雨條件下,隨著降雨歷時的延長,坡面土壤含水量逐漸飽和,雨水入滲率逐漸下降,坡面產(chǎn)流增大[36-37]。陳釗柱等[31]研究表明,赤紅壤坡地蔗區(qū)的降雨歷時與坡面徑流量呈顯著或極顯著正相關。本研究結果與上述研究結果相似,地表徑流發(fā)生于連續(xù)中大雨或單場降雨大于30.00 mm的降雨,尤其地表徑流和受侵蝕泥沙含量受連續(xù)中大降雨影響更明顯,而單場中雨及小雨降雨等級未發(fā)生地表徑流?？梢?坡地芒果園徑流的產(chǎn)生受降水量與降雨歷時的綜合影響。

3.2 生草減肥對徑流及泥沙和養(yǎng)分流失的影響

生態(tài)栽培是控制果園水土及養(yǎng)分流失的有效手段[38]。本研究結果顯示,生草減肥處理相比常規(guī)管理處理可顯著減少地表徑流及泥沙流失量。一方面,與芒果林下墊面條件優(yōu)化有關。林下種植太陽花增加了土壤覆蓋度,能減弱降雨對地表的直接沖刷,同時可有效攔截降雨,從而減緩徑流及減少徑流水中的泥沙含量。另一方面,與降雨入滲過程的改變密切相關。入滲是水分自土表垂直進入土壤的過程,入滲性能直接決定降雨轉化為土壤水和徑流水的量[39],土壤的理化性質、孔隙狀況和下墊面條件等是影響土壤入滲性能的重要因素[40]。土壤入滲性能與土壤有機質、孔隙度和粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體呈極顯著或顯著正相關,與土壤容重呈極顯著或顯著負相關[41]。在常規(guī)管理下,果園長期采用清耕的管理方式,其土壤表面裸露,在雨水的打擊下易形成結皮,減少水分入滲[42];而在生草栽培下,草與果樹根系的相互穿插生長可促使土壤形成大孔隙,在一定程度上提高土壤孔隙度,從而提高土壤的滲水能力[21,43],同時,草與果樹根系分泌物及根系死亡、腐解形成的腐殖質和有機質可促進土壤水穩(wěn)性團聚體形成,增加土壤非毛管孔隙度,改善土壤孔隙結構,提高土壤水分入滲能力[44-45]。

肥料施用量和施用方法是影響地表徑流中N和P濃度的關鍵因素[46]。石艷平等[47]研究發(fā)現(xiàn),肥料深施條件下地表徑流的N和P平均濃度降低53.00%和39.00%。夏紅霞等[48]研究表明,在人工模擬徑流條件下,施肥處理的徑流液總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,地表徑流損失N增加0.56～0.72 kg/hm2。本研究中,生草減肥處理的化肥采用根區(qū)固定施肥管進行深施,可有效阻擋肥料向地表遷移,避免地表徑流對肥料的直接沖刷,因此可顯著減少坡地芒果園N和P的流失量。此外,生草減肥條件下果樹對N和P養(yǎng)分吸收的提高也有助于減少N和P養(yǎng)分流失。

3.3 生草減肥對養(yǎng)分吸收的影響

已有研究表明,在不足、合理及過量施N水平下,采用壟面覆膜壟溝覆草的水土保持措施均能顯著提高蘋果樹的葉片N含量,且葉片N含量在合理的施N水平下最高[50]?？梢?合理施肥結合生態(tài)栽培有助于提高果樹對養(yǎng)分的吸收。本研究中,與常規(guī)管理相比,生草減肥處理芒果樹的N、P和K養(yǎng)分吸收量分別提高8.68%、9.33%和8.98%,偏生產(chǎn)力提高29.53%。究其原因,一方面是化肥投入合理,在生草減肥條件下,每株芒果的N、P和K投入比為1.00∶0.75∶1.25,與芒果的適宜施用量相近。另一方面,土壤結構的改善有利于促進根系伸展,提高植株根冠比,增大根長、根長密度及根表面積,從而提高對養(yǎng)分的吸收量[51]。

4 結 論

在廣西百色市芒果產(chǎn)區(qū)坡地芒果園,坡地芒果園地表徑流發(fā)生于連續(xù)中大降雨或單場降雨大于30.00 mm的降雨,且與降水量呈極顯著正相關,果園產(chǎn)流產(chǎn)沙量及N和P流失量受連續(xù)中大降雨的影響更明顯。與常規(guī)管理相比,生草減肥措施可在有效減少地表徑流及泥沙、N和P流失量的同時提高偏生產(chǎn)力及N、P和K養(yǎng)分的吸收量。