清耕對(duì)赤紅壤果園坡面土壤侵蝕特征的影響

王堅(jiān)樺, 邱 凡, 謝福倩, 韋 石, 梁志鑫, 李桂芳

(1.廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 南寧 530004; 2.廣西壯族自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)站, 南寧 530023)

果樹(shù)是我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，種類(lèi)眾多，分布廣泛，種植面積超過(guò)14萬(wàn)km2，占世界果樹(shù)種植面積的18.1%，總產(chǎn)量達(dá)到2.8億t，占全球總產(chǎn)量的17.0%，位居世界第一位[1]。我國(guó)的果園普遍種植在山區(qū)坡地，坡面水土流失較為嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，不利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)[2]。植被是抑制果園坡面發(fā)生水土流失的因素之一[3]，果園坡面覆蓋植被可以有效減輕水土流失[4]。研究表明，果園生草技術(shù)可以有效減緩果園坡面水土流失，改善土壤的理化性狀[5-8]。但果園生草容易形成與果樹(shù)的養(yǎng)分、水分，尤其是氮素營(yíng)養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，一定程度上會(huì)抑制果樹(shù)的生長(zhǎng)[9]，因此該措施在實(shí)際的果園生產(chǎn)中并未大面積推廣。清耕法對(duì)雜草進(jìn)行徹底清理[10]，可以減少表面雜草與果樹(shù)爭(zhēng)水爭(zhēng)肥，利于果樹(shù)從土壤中汲取更多的養(yǎng)分，但長(zhǎng)期清耕會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降，破壞果園生態(tài)環(huán)境，加劇果園水土流失[11]。在南方紅壤區(qū)，清耕處理的坡面徑流量是植被覆蓋處理的4.4倍，侵蝕量是67.1倍[3]。刈割作為一種果園管理方式，要求每年不定期對(duì)果樹(shù)下植被進(jìn)行刈割除草處理，再覆蓋于果樹(shù)下，達(dá)到提高土壤肥力和防治水土流失的效果[12]。

廣西地處南亞熱帶區(qū)域，氣候條件優(yōu)越，是我國(guó)種植熱帶水果的優(yōu)勢(shì)區(qū)域之一，具有良好的地域基礎(chǔ)，是我國(guó)水果總產(chǎn)量超過(guò)千萬(wàn)噸的省區(qū)之一[13]。目前，廣西廣泛種植不同品種水果，因地制宜地發(fā)展多種水果種植業(yè)，比如金桔、香蕉、杧果等[14]。以杧果為例，杧果是廣西除香蕉外最大宗的熱帶水果，享有“熱帶水果之王”的美稱(chēng)[15]。廣西是我國(guó)最大的杧果種植區(qū)，種植面積達(dá)6萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)71.8萬(wàn)t，栽培面積和產(chǎn)量均位居我國(guó)第一位[16]。廣西現(xiàn)有杧果園大多數(shù)建立在丘陵山地和坡地上，90%以上的果園依賴(lài)自然降雨以維持其生長(zhǎng)與發(fā)育[17]，而果園的清耕除草等田間管理措施，會(huì)導(dǎo)致地表覆蓋狀態(tài)發(fā)生改變，遇到較強(qiáng)降雨時(shí)，將加劇坡面侵蝕[18]。但大規(guī)模坡地果園的水土流失問(wèn)題目前尚未得到足夠的重視。

本研究以廣西杧果果園坡面為研究對(duì)象，基于野外原位徑流小區(qū)觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定2018—2019年次降雨下清耕和刈割處理果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量，分析清耕和刈割處理下果園坡面土壤侵蝕特征，結(jié)合降雨等級(jí)和降雨特征參數(shù)等指標(biāo)，探討降雨特征對(duì)果園坡面侵蝕的影響。研究結(jié)果可為南方紅壤丘陵區(qū)果園坡面水土流失的防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地在廣西木棉麓水土保持科技示范園，位于廣西壯族自治區(qū)南寧市良慶區(qū)那馬鎮(zhèn)(108°19′00″—108°19′24″E，22°37′26″—22°37′55″N)。園區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，氣候炎熱，雨量充沛，年均降雨量1 232.2 mm，年均氣溫21.8℃，降雨集中且較多暴雨，80%以上的降雨集中在5—9月[19]。研究區(qū)土壤類(lèi)型是赤紅壤，成土母巖以沉積巖為主，多為砂質(zhì)巖，土層厚度范圍是100～150 cm，土壤pH 4.5～5.5，有機(jī)質(zhì)含量2～3%，土壤容重為1.2～1.3 g/cm3。園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有自然植被主要是荒草和灌叢，主要荒草類(lèi)型為鬼針草(Bidensbipinnata)和狼把草(Bidenstripartita)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè) 本試驗(yàn)樣地采用廣西木棉麓水土保持科技示范園的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，小區(qū)布設(shè)在山坡中部，小區(qū)內(nèi)坡面橫向平整，坡度為16.5°，坡長(zhǎng)20 m、寬5 m，土壤條件一致。試驗(yàn)采用6年生杧果為供試對(duì)象，一共設(shè)置2個(gè)處理，刈割和清耕處理，刈割處理是2018年1月和2019年5月、7月對(duì)果園雜草進(jìn)行刈割，用鐮刀清除坡地表面雜草，留茬3～5 cm；清耕處理是使果園坡面長(zhǎng)期保持無(wú)雜草狀態(tài)，坡面雜草高于1 cm時(shí)，用鋤頭鏟除雜草，不保留雜草根系。

1.2.2 試驗(yàn)方法 采用野外徑流小區(qū)水文觀測(cè)法。降雨觀測(cè)時(shí)間為2018年1月1日至2019年12月31日。徑流小區(qū)下方設(shè)有集流桶和分流桶，用于承接并測(cè)定降雨產(chǎn)生的徑流小區(qū)徑流泥沙量。每次降雨結(jié)束后，利用標(biāo)尺測(cè)定集流桶和分流桶水深，確定小區(qū)水土流失體積后，將樣品充分混勻并收集起來(lái)，每個(gè)小區(qū)收集3個(gè)重復(fù)樣品，每個(gè)重復(fù)樣品采集1 000 ml，烘干后測(cè)定其中泥沙含量，計(jì)算徑流量和土壤流失量參數(shù)。在研究區(qū)附近布設(shè)有氣象站，用以收集氣象資料，降雨資料的收集包括降雨量、降雨過(guò)程、降雨歷時(shí)等降雨參數(shù)，根據(jù)降雨參數(shù)計(jì)算出I30(最大30 min降雨強(qiáng)度)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

研究區(qū)2018—2019年1—12月降雨量見(jiàn)圖1。2018年總降雨量為1 211.5 mm，降雨主要集中在5—9月，共計(jì)1 017.6 mm，占全年總降雨量的84.0%，其中7月的降雨量最大，占全年總降雨量的26.1%。2019年總降雨量為928.6 mm，降雨主要集中在3—8月，達(dá)到793.8 mm，占全年總降雨量的85.5%，其中4月和8月的降雨量最大，分別占全年總降雨量的17.5%和24.0%。整體而言，2018年降雨量比2019年增加了30.5%，且2018年降雨相對(duì)較為集中(主要集中在5—9月)，2019年降雨在全年分布較為分散。

圖1 研究區(qū)2018年、2019年降雨分布特征

本研究把能夠引起徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨均視為侵蝕性降雨。由表1可知，2018年有21場(chǎng)侵蝕性降雨(3月1日至9月16日)，侵蝕性降雨總量達(dá)到992.4 mm，占全年總降雨量的81.9%。21場(chǎng)侵蝕性降雨的降雨量2.0～125.8 mm，平均雨強(qiáng)0.9～76.8 mm/h，I301.6～89.8 mm/h，有10場(chǎng)降雨的I30超過(guò)30 mm/h，占總降雨場(chǎng)次的47.6%。按照中國(guó)氣象降雨等級(jí)劃分[20]，暴雨及大暴雨降雨等級(jí)的降雨量占侵蝕性降雨總量的72.8%(722.8 mm)，表明2018年研究區(qū)的侵蝕性降雨類(lèi)型主要為暴雨及大暴雨。

2019年有22場(chǎng)侵蝕性降雨(2月17日至10月7日)，侵蝕性降雨總量為772.6 mm，占全年降雨量的83.6%。22場(chǎng)侵蝕性降雨的降雨量4.0～145.0 mm，平均雨強(qiáng)0.3～78.0 mm/h，I304.4～184.1 mm/h，有9場(chǎng)降雨的I30超過(guò)30.0 mm/h(40.9%)，其中4月16日大暴雨的I30達(dá)到184.1 mm/h。大雨、暴雨和大暴雨的降雨量分別占侵蝕性降雨總量的27.3%，14.8%和36.6%，可知2019年研究區(qū)的侵蝕性降雨類(lèi)型主要是大雨和大暴雨(63.9%)。由上可知，2018年、2019年研究區(qū)80%以上的降雨是侵蝕性降雨，且40%以上的侵蝕性降雨I30超過(guò)30 mm/h。

表1 2018年、2019年研究區(qū)侵蝕性降雨特征

2.2 赤紅壤果園坡面土壤侵蝕特征

由表2可知，2018年、2019年不同處理下赤紅壤果園坡面年徑流量和侵蝕量均表現(xiàn)為清耕>刈割。對(duì)于年徑流量，2018年、2019年清耕小區(qū)坡面年徑流量分別是刈割小區(qū)的2.4，1.7倍，且坡面徑流系數(shù)也存在明顯差異。對(duì)于年侵蝕量，2018年、2019年清耕小區(qū)坡面年侵蝕量分別是刈割小區(qū)的52.2，9.2倍。表明清耕處理會(huì)導(dǎo)致果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著增加，其中對(duì)坡面侵蝕量的增加效果更為明顯，這與Pan等[21]、朱冰冰等[22]和張銳波等[23]的研究結(jié)果一致。

與2019年相比，刈割與清耕處理下，2018年坡面徑流量分別增加0.5倍和1.2倍；2018年刈割處理下坡面侵蝕量減少0.5倍，清耕處理下坡面侵蝕量增加1.7倍。清耕小區(qū)在2018年的坡面徑流量顯著高于2019年，主要是因?yàn)?018年、2019年的降雨分布，尤其是侵蝕性降雨特征存在明顯不同(表1)。

表2 不同處理下果園徑流小區(qū)年徑流量與侵蝕量

2.3 次降雨下赤紅壤果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

為進(jìn)一步探究清耕對(duì)赤紅壤果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響，對(duì)2018—2019年次降雨條件下果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進(jìn)行分析(圖2)。次降雨條件下，2018年果園清耕與刈割處理下坡面徑流量變化范圍是1.1～384.7，2.4～71.7 m3/hm2，整體上均表現(xiàn)為清耕小區(qū)徑流量大于刈割小區(qū)，且二者隨次降雨的變化趨勢(shì)基本一致。次降雨下，不同處理下3—4月果園坡面徑流量較低(<7.46 m3/hm2)且變化較平穩(wěn)，同時(shí)二者差異較小；而5—9月出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，且二者差異有所增大。對(duì)于2019年，次降雨條件下清耕與刈割處理下果園坡面徑流量介于2.0～174.0 m3/hm2，2.0～46.3 m3/hm2，同時(shí)在年內(nèi)存在明顯的波動(dòng)特征，主要表現(xiàn)在2—3月和7—9月波動(dòng)較大，且存在明顯差異；4—7月中旬變化趨于平緩，二者的差異較小。

圖2 2018年、2019年次降雨條件下赤紅壤果園坡面產(chǎn)流特征

次降雨下，2018—2019年不同處理下果園坡面侵蝕量的變化趨勢(shì)與徑流量相似(圖3)，整體上，清耕小區(qū)的侵蝕量均大于刈割小區(qū)，且二者變化趨勢(shì)基本一致。2018年清耕與刈割處理下果園坡面侵蝕量變化范圍是0.1～6 375.6，0.2～34.0 m3/hm2，次降雨下坡面侵蝕量在3—4月波動(dòng)小(0.1～8.5 m3/hm2)，且二者差異較小；5—9月清耕處理的侵蝕量波動(dòng)較大(2.7～6 375.6 m3/hm2)，刈割處理波動(dòng)幅度小，且二者的侵蝕量存在明顯差異。對(duì)于2019年，清耕和刈割處理下果園坡面侵蝕量介于0.3～2 446.7 kg/hm2，0.3～103.3 kg/hm2，次降雨下，坡面侵蝕量除在9—10月較小且變化平穩(wěn)外，其余時(shí)段下果園坡面侵蝕量呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)性，且清耕處理下果園坡面侵蝕量波動(dòng)明顯大于刈割處理。同時(shí)結(jié)果還表明，坡面侵蝕量主要由一場(chǎng)或幾場(chǎng)侵蝕性降雨導(dǎo)致的，例如，2019年3月31日降雨產(chǎn)生的侵蝕量(2 446.6 kg/hm2)占清耕處理下年侵蝕量的79.2%，這與李桂芳[18]，Pan[21]等的研究結(jié)果一致。

圖3 2018年、2019年次降雨條件下赤紅壤果園坡面輸沙特征

通過(guò)對(duì)2018年、2019年果園坡面徑流泥沙量進(jìn)行分析可知，坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，除受果園清耕及刈割管理措施影響外，也受降雨分布、降雨量、降雨等級(jí)、降雨強(qiáng)度等[24]因素影響。由圖1可知，2018年的降雨量大且集中，2019年的降雨量小且分散，對(duì)于清耕小區(qū)，2018年坡面的徑流泥沙量顯著大于2019年，說(shuō)明降雨的年內(nèi)分布不同會(huì)影響清耕與刈割處理下果園坡面侵蝕特征，與王昭艷等[25]的研究結(jié)果一致。2018年5月前的侵蝕性降雨主要以小雨和中雨為主，降雨量較小，所以果園坡面3—5月的徑流量較小且平穩(wěn)；5—8月的降雨普遍是大雨及以上等級(jí)的降雨，降雨量較大，所以坡面徑流量波動(dòng)上升。

此外，由2019年果園坡面輸沙特征可知，與清耕處理相比，8月1日的大暴雨下刈割處理下坡面侵蝕量較大(45.5 kg/hm2>20.7 kg/hm2)，可能的原因是(1) 本文的清耕處理是對(duì)坡面不定期的除草，而7月、8月是地表植被生長(zhǎng)較為旺盛時(shí)期，刈割處理下7月上旬剛進(jìn)行了刈割除草，此時(shí)清耕和刈割處理下二者坡面植被覆蓋度差異較小；(2) 7月下旬研究區(qū)降雨較少，坡面土壤較為干燥；(3) 8月1日大暴雨雖降雨量大，但降雨歷時(shí)長(zhǎng)，平均降雨強(qiáng)度和瞬時(shí)降雨強(qiáng)度較小。坡面土壤侵蝕過(guò)程受降雨特征、下墊面條件及土壤狀況等因素的綜合作用，自然降雨下野外徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙是這些因子耦合作用的結(jié)果。

2.4 不同處理下果園坡面土壤侵蝕對(duì)降雨等級(jí)的響應(yīng)

由2018年不同降雨等級(jí)下刈割與清耕處理果園坡面產(chǎn)流量可知(圖4A)，清耕處理下暴雨和大暴雨產(chǎn)生的坡面徑流量分別占坡面年徑流量的63.6%和24.2%；刈割處理下則分別占42.8%和36.6%。對(duì)于2019年(圖4A)，清耕處理下坡面徑流量主要由暴雨和中雨導(dǎo)致的，分別占年徑流量的41.1%和26.6%；刈割處理下則主要由中雨、大雨和暴雨產(chǎn)生的，分別占年徑流量的34.5%，22.1%和21.9%。對(duì)比不同處理下果園坡面產(chǎn)流對(duì)降雨等級(jí)的響應(yīng)可知，中雨和大雨降雨等級(jí)下，2018年清耕比刈割處理下坡面徑流量高8.1%和82.2%，2019年則分別高28.5%和17.0%。暴雨和大暴雨降雨等級(jí)下，2018年清耕比刈割處理下坡面徑流量高2.6，0.6倍，2019年高2.1，0.8倍。由2018年、2019年不同降雨等級(jí)下坡面徑流量占比可知，由于降雨的年內(nèi)分布不同，2018年清耕和刈割處理下坡面徑流主要來(lái)自暴雨和大暴雨降雨等級(jí)，2019年則主要源于中雨和暴雨降雨等級(jí)。同時(shí)，與清耕處理相比，由于地表覆蓋度不同，刈割處理下可以減少暴雨和大暴雨降雨等級(jí)下果園坡面產(chǎn)流量，且在暴雨下的降低作用最顯著[26]。

對(duì)不同降雨等級(jí)下坡面侵蝕量而言(圖4B)，2018年清耕處理下坡面侵蝕量主要來(lái)源于暴雨(占比89.5%)，而刈割處理下主要是由大雨、暴雨和大暴雨(占比16.2%，49.3%和22.5%)產(chǎn)生；2019年清耕處理下暴雨降雨等級(jí)下侵蝕量占年總侵蝕量的82.7%，刈割處理下主要由中雨和暴雨導(dǎo)致，分別占比43.8%和29.1%。小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨下，2018年清耕比刈割處理下坡面侵蝕量高0.2～93.7倍不等，2019年高0.5～26.8倍不等。與清耕處理相比，刈割處理在中雨、大雨和暴雨降雨等級(jí)下均能顯著降低坡面侵蝕量，且對(duì)暴雨降雨等級(jí)下的降低作用最為明顯，這與Lenka等[27]的研究結(jié)果一致。同時(shí)，對(duì)比2018年、2019年不同降雨等級(jí)下果園坡面徑流量和侵蝕量可以看出，清耕和刈割處理下果園坡面徑流量和侵蝕量對(duì)降雨等級(jí)的響應(yīng)存在明顯不同。表明自然降雨條件下，除降雨量和降雨強(qiáng)度外，降雨時(shí)間、降雨年內(nèi)分布等均會(huì)影響坡面土壤侵蝕特征。因此，在后續(xù)的研究中需要綜合考慮觀測(cè)時(shí)間序列及區(qū)域降雨特征等因素對(duì)坡面侵蝕的綜合影響。

圖4 不同降雨等級(jí)下坡面徑流量和侵蝕泥沙量占比

2.5 不同處理下影響赤紅壤果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨特征參數(shù)

為了進(jìn)一步分析不同處理下果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響因素，對(duì)果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量與降雨特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，見(jiàn)表3。可知，刈割和清耕處理下影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨特征不同。對(duì)刈割處理下，坡面徑流量與降雨歷時(shí)和I30均表現(xiàn)為顯著相關(guān)關(guān)系，與降雨量呈極顯著相關(guān)關(guān)系；清耕處理下坡面徑流量與降雨歷時(shí)呈顯著相關(guān)關(guān)系，與降雨量表現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系。而坡面侵蝕量?jī)H在清耕處理下與降雨歷時(shí)呈顯著相關(guān)關(guān)系，與其他降雨參數(shù)均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。這與Pan等[21]的研究結(jié)果一致。

表3 不同處理下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征參數(shù)的相關(guān)分析

3 結(jié) 論

(1) 2018年研究區(qū)的總降雨量是1 211.5 mm，主要集中在5—9月(占年降雨量的84.0%)；2019年是928.6 mm，主要集中在3—8月(占年降雨量的85.5%)。2018—2019年研究區(qū)80%以上降雨是侵蝕性降雨。

(2) 2018年、2019年果園坡面年徑流量、年侵蝕量及次降雨下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為清耕小區(qū)>刈割小區(qū)，且侵蝕量差異更為明顯。次降雨下，2018年不同處理下坡面徑流泥沙量在3—4月變化平穩(wěn)，5—9月出現(xiàn)波動(dòng)，且清耕處理波動(dòng)幅度大；2019年不同處理下坡面徑流量在4—7月變化平緩，侵蝕量在年內(nèi)整體波動(dòng)較大。

(3) 刈割和清耕處理下徑流量和侵蝕量的差異主要是由幾場(chǎng)侵蝕性降雨產(chǎn)生的。暴雨是果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素之一，與清耕處理相比，刈割處理可以減少暴雨和大暴雨降雨等級(jí)下果園坡面徑流量，中雨、大雨和暴雨降雨等級(jí)下果園坡面侵蝕量，且對(duì)暴雨的降低作用尤為明顯。刈割和清耕處理下坡面徑流量與降雨歷時(shí)呈顯著相關(guān)關(guān)系，與降雨量呈極顯著相關(guān)關(guān)系。