不同治理措施對坡地芒果園水土流失的治理效果

胡 斌， 張瀚曰，2， 李曉明， 潘宏兵， 包維楷

(1.中國科學院 山地生態恢復與生物資源利用重點實驗室, 生態恢復與生物多樣性保育四川省重點實驗室,中國科學院成都生物研究所， 四川 成都 610041； 2.中國科學院大學 北京 100049； 3.攀枝花市農林科學研究院 四川 攀枝花 617061)

水土流失作為一個世界性的環境問題，它不但能直接導致土壤質量退化、降低土地生產力，還能通過地表徑流引起的土壤養分物質流失造成面源污染，因而逐漸受到研究者的廣泛關注[1-3]。一般而言，水土流失治理模式依據治理對象的不同可以大致分為3類技術體系： ①以治理坡面土壤侵蝕為目的的生物措施體系，主要包括植樹造林、植被自然恢復以及修建梯田； ②以治理溝道土壤侵蝕為目的的工程措施體系，主要包括修建淤地壩以及最近開展的治溝造地工程； ③以改變微地形以及改良土壤為目的的農業技術體系，主要包括等高耕作、間作套種以及免耕少耕等措施[4-5]。坡地水土流失治理采取的生物措施主要優點是簡單易行、成本低、具有較好的實用價值；而工程措施主要針對坡度較高、治理難度較大的區域開展，常會結合生物措施形成綜合治理技術體系，缺點是成本高、施工要求高，但治理效果顯著；農業技術措施是綜合治理坡耕地的重要措施之一，它的特點是投資少，省工，簡便易行，效益好[4-5]。在實際水土流失治理過程中，要結合治理對象的立地條件、地形地貌、基質類型、治理成本等綜合因素，選擇合適的措施針對性的、更高效地進行水土流失治理。

金沙江干熱河谷峽谷區氣候干燥、降雨集中、植被覆蓋率低和坡地面積大等自然因素使得該地區生態環境極其脆弱，再加上無序、過度開發等人類活動的影響，導致該區水土流失極其嚴重[6]。有研究報道[7]，1988—1999年，攀枝花市水土流失面積由2 682.7 km2增加至4 256.5 km2，其中中度和強度流失面積分別增加298.4 km2和133.03 km2。賀奮琴[8]等2003年通過遙感和GIS技術提取攀枝花部分地區水土流水因子信息分析研究發現，研究區域水土流失總面積為2 335.1 km2，占研究區域總面積的50.6%。可以看出，位于金沙江干熱河谷峽谷區核心區域的攀枝地區水土流失現狀同樣嚴峻，開展水土流失治理技術的研發工作迫在眉睫。攀枝花芒果(Mangiferaindica)種植區是中國五大芒果優勢產業帶之一金沙江干熱河谷晚熟芒果優勢產業帶的重要組成部分[9]。據報道，截至2018年年底，攀枝花市芒果種植面積已達3.40×104hm2，實際投產面積已達1.40×104hm2，年產量2.40×105t，年產值達2.50×109元[10]。實地調查發現，由于地形原因，該區芒果多栽培在較陡的坡地，且不合理的果園管理措施導致芒果園林下土壤大面積裸露，加劇了果園土壤的水土流失。但是，目前較多的研究是利用遙感解譯等技術在區域尺度上分析攀枝花地區水土流失現狀[7-8]，未見針對該區坡地芒果園水土流失治理技術研發的相關研究。

因此，本研究主要針對攀枝花地區坡地芒果園不合理的種植及經營管理導致的水土流失嚴重的問題，對坡地芒果園實施工程和生物治理措施，通過比較不同治理措施對芒果園地表徑流、產沙量、徑流液養分含量以及果園地表土壤養分含量影響，評價治理成效，選擇適合該區坡地芒果園的水土流失治理措施，為金沙江干熱河谷峽谷區坡地芒果園水土流失治理提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于四川省攀枝花市鹽邊縣金河鄉(101°48′48″E，26°43′23″N)銳華農業開發有限責任公司芒果園基地，海拔高度為1 319 m。該區地貌屬深切割侵蝕剝蝕中山類型，地勢走向既有南北向也有東西向，以東西向為主，地勢崎嶇，山高坡陡，山地坡度多在26°～40°之間。該區位于南亞熱帶干熱河谷氣候區，屬典型的南亞熱帶半干旱季風氣候，冬暖、春溫高、夏秋涼，氣溫年差較小、日差較大，冬季低層逆溫效應顯著。太陽輻射強，日照充沛，蒸發旺盛，干、雨季分明，降雨集中，多夜雨和雷陣雨。該區年均溫20 ℃左右，年均降雨量800 mm左右，降雨主要集中在6—10月，年無霜期300 d以上。試驗樣地平均坡度30.9°，朝向西南，整地類型為魚鱗坑型臺地，土壤類型為山地燥紅土[11-13]。

2 研究方法

2.1 樣地設置

試驗樣地種植芒果品種為凱特芒(Mangiferaindica)，樹齡15年，種植密度3 m × 3 m。本研究于2018年7月開始野外試驗布置，共設置如下4個處理： ①對照(CK)； ②每層臺地安裝水泥擋板(D1)； ③隔一層臺地安裝水泥擋板(D2)； ④每層臺地林下行間種植紫花苜蓿(Medicagosativa, A)。各處理示意圖見圖1。每處理設置3個重復，共12個小區，小區完全隨機排列。在每個試驗小區內建一個小型徑流小區，確保每一徑流小區內都能完整包含實驗處理，徑流小區長為5 m，寬為3 m。

圖1 不同治理措施實驗處理示意圖

分別在開花前、開花期后和果實膨大期完成3次灌溉，每次每株約30 kg。采果后溝施3～4 kg有機肥，果實膨大期用水沖施一次大量元素肥，分別在坐果初期、果實膨大期和套袋前21 d內完成3次葉面肥的噴施，以中微量元素肥為主。套袋前完成疏果，根據芒果長勢在套袋前或采果后進行修枝。

2.2 樣品收集

(1) 徑流液收集。自2019 年7月雨季開始，每次降雨之后按照標準方法完成徑流量的記錄和徑流樣品采集工作。2019年采集8次，2020年采集9次，兩年合計采集17次樣品。

(2) 土壤樣品的采集。分別在2019年和2020年11月底進行土壤樣品的采集，在每處理徑流小區內上、中、下3個位置的樹冠滴水線處各取一鉆0—20 cm土層樣品，3鉆混合成一個樣品。土壤樣品過2 mm篩后分成兩份，一份4 ℃冷藏保存用于速效養分測定，另一份置于陰涼干燥處風干用于常量養分測定。

2.3 測定方法

2.4 計算和統計方法

不同治理措施對坡地芒果園徑流量、產沙量、徑流液中養分含量和土壤理化性狀的影響差異分析采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)，LSD多重比較進行顯著性檢驗(α=0.05)。數據整理和統計分析在Excel 2010和SPSS 21.0(SPSS, Chicago, USA)中完成，作圖在Sigmaplot 14.5(Systat, USA)中完成，圖表中數據均表示為平均值(mean)±標準誤(SE)。

3 結果與分析

3.1 不同治理措施對坡地芒果園徑流量和產沙量的影響

2019年和2020年兩個試驗期，共收集17次徑流樣品。D1，D2和A處理分別收集的總徑流量(42 435±2 980)，(34 402±1 495)，(22 515±1 528) ml，而對照樣地收集的總徑流量為(40 950±2 108) ml。其中，D2和A處理的總徑流量分別比對照減少16%和45%。結果顯示，17次徑流量收集中，有8次取樣中A處理收集的徑流量顯著低于對照(圖2a—2b)。兩年采樣期，D1，D2和A處理總產沙量分別是(1.87±0.21)，(2.24±0.17)，(1.65±0.13) kg，而對照樣地的總產沙量為(2.31±0.13) kg，其中A處理和D1處理的產沙量分別比對照減少28.3%、19.0%。17次樣品收集中，有4次采樣A處理的產沙量顯著低于對照(圖2c—2d)。

注：“*”，“**”和“***”分別表示p<0.05，p<0.01，p<0.001。誤差棒表示標準誤(N=3)。

3.2 不同治理措施對徑流液中養分含量的影響

不同治理措施下芒果園徑流液中全碳、全氮和全磷含量如圖3 所示。在2019年8月7日和10日以及2020年9月15日和10月21日4次采樣中，A處理徑流液中的全碳含量顯著高于對照，其它采樣時間不同處理之間徑流液中全碳含量無顯著差異。2019年8月10日和10月7日以及2020年10月21日3次采樣A處理徑流液中的全氮含量顯著高于對照，其它采樣時間不同治理措施之間徑流液中全氮含量無顯著差異。不同治理措施對徑流液中全磷含量沒有顯著影響。

圖3 不同治理措施下芒果園徑流液中全碳、全氮和全磷含量

不同治理措施芒果園徑流液中全鉀、銨態氮和硝態氮含量如圖4所示。2019年7月12日、23日以及2020年9月6日、12日4次取樣中，D2和A處理徑流液中全鉀含量顯著高于對照。2019年7月26日和2020年9月25日采樣中，A處理徑流液中全鉀含量顯著低于對照。2019年8月1日、7日以及2020年8月20日3次取樣，D2處理徑流液中全鉀含量顯著高于對照。不同治理措施對徑流液中氨態氮含量沒有顯著影響。2019年10月7日采樣D1和D2處理徑流液中硝態氮含量顯著低于對照。2020年8月25日及29日A處理徑流液中硝態氮含量顯著低于對照。其他采樣時間不同治理措施徑流液中硝態氮含量與對照無顯著差異。

圖4 不同治理措施芒果園徑流液中全鉀、銨態氮和硝態氮含量

3.3 不同治理措施對芒果園土壤養分的影響

不同治理措施芒果園0—20 cm土層的土壤養分含量見表1。與對照相比，工程措施(D1和D2)和生物措施(A)對土壤含水量、pH值、土壤有機碳、全氮、硝態氮和銨態氮的含量均無顯著差異。僅在2020年采樣期，種植苜蓿處理(A)土壤全磷和速效磷含量顯著高于對照，D2處理速效磷含量顯著高于對照。

表1 不同治理措施對坡地芒果園土壤養分的影響(N=3)

4 討論與結論

攀枝花市地處金沙江干熱河谷峽谷區，地勢崎嶇、山高坡陡，當地芒果多栽培在開墾的坡地上。由于該地區果農長期使用除草劑，導致芒果園林下土壤大面積裸露，不合理的管理措施更加劇了芒果園的水土流失。因此，本研究為了探尋有效的坡地果園水土流失治理手段，根據果園坡度、治理難度等實際情況選擇兩個工程措施(在果園梯級臺地邊緣修筑水泥擋板，處理D1和D2)和一個生物措施(在果園行間種植紫花苜蓿，處理A)進行水土流失治理成效評價。

植物籬技術是坡地上的一種重要且有效的水土流失治理技術，且水土保持作用隨種植年限的增長而增強，該技術的特點是簡單易行、成本低，具有較好的實用價值，還可以改善土壤養分狀況、改變土壤微生物、調節農田小氣候、促進生物多樣性等，具有良好的生態、經濟和社會效益[14-16]。坡地果園徑流量和泥沙流失量的大小可以反映不同治理措施下土壤的抗蝕能力[17]。聶軍等[18]在長沙縣坡地種植辣椒的研究發現，與傳統種植方式相比，香根草生物籬處理能夠有效地降低地表徑流，包括總產流量、次產流量和最大產流量。他們還發現香草生物籬處理總產流量比對照降低了41.9%，土壤侵蝕量比對照降低64.5%。姚源升等[19]對百色坡地芒果園水土流失治理研究中發現，生物覆蓋和生物柵籬均能有效減少雨水對果園表土的沖刷，降低果園雨季的水土流失量和土壤侵蝕量，平均比對照分別降低63.7%和83.7%。本研究結果發現，兩年試驗期，A處理收集的總徑流液22 515 ml，比對照減少45%，D2處理比只比對照減少16%，而D1處理徑流總量與對照相似。在17次徑流液采集中，有8次取樣A處理收集的徑流量顯著低于對照。另外，兩年采樣期A處理的總產沙量為1.65 kg，比對照減少28.3%，D1處理產沙量比對照減少19.0%，而D2處理的總產沙量與對照相近。因此，我們可以認為在坡地果園行間種植苜蓿的植物措施具有更強的抗蝕能力，可以有效地減少地表徑流量和泥沙產量。

土壤表面養分隨地表徑流進入河流和水網的自然輸出，是導致耕地水土流失和土壤退化的主要因素[20]，也可能造成潛在的面源污染。聶軍等[18]和姚源升等[19]的研究發現，生物籬處理能夠顯著降低地表徑流中銨態氮和硝態氮含量，較好地改善果園土壤質量。廖曉勇等[21]在三峽庫區坡地種植飼草玉米生物籬的研究發現，陡坡地營建飼草玉米生物籬能夠顯著改善土壤理化性狀、培肥土壤和改善地力。然而在本研究中，2019和2020年兩個采樣年內多次收集的徑流液中的全鉀和硝態氮含量雖然在不同處理之間差異顯著，但沒有一致的變化規律，治理措施試驗處理(D2和A)時而高于對照，時而顯著低于對照。另外，各處理徑流液中的全碳和全氮含量僅在極個別采樣期有顯著差異，而徑流液中全磷和硝態氮含量在不同處理之間沒有顯著差異。研究還發現，3種治理措施下果園地表土壤理化性狀與對照之間也沒有顯著差異。一般研究認為，降雨強度是造成徑流液養分流失的主要因素[18]。但在本研究中，不同治理措施對養分流失和土壤質量沒有明顯一致的改善效果可能是由于該地區降雨強度、土壤質地、施肥管理等多方面原因導致的，還需在后續進一步的研究中進行深入探討。

綜上所述，針對攀枝花市坡地果園水土流失治理而言，在果園行間種植紫花苜蓿的生物措施能夠相對較多地減少地表徑流和產沙量，進而更有效地減少坡地芒果園的水土流失，該措施適合在金沙江干旱河谷峽谷區坡地果園水土流失治理中推廣應用。