不同樹齡坡地果園土壤養分和水質特征

孫莉英，裴 亮，馬 凌，栗清亞，吳 輝，陳臘嬌

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100049；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4.浙江傳媒學院 智能媒體技術研究院，浙江 杭州 310018；5.中國科學院 空天信息創新研究院，北京 100094)

隨著人口增加及人地矛盾的提升，坡地果園不斷被開發并逐漸成為贛南地區的支柱產業[1-2]。然而傳統的果園清耕或粗放式整地等不合理的坡地開發方式，造成了贛南紅壤丘陵區坡地果園嚴重的水土流失和土壤養分流失，導致坡地土壤生產力下降和下游水體富營養化等生態與環境問題[3-6]。因此，亟需分析紅壤丘陵區坡地果園開發對土壤肥力及非點源污染的影響，為坡地果園精細化管理及水保措施優化配置提供科學參考，為紅壤丘陵區坡地果園經濟可持續發展提供科技支撐。

關于南方紅壤區不同水保措施對水土流失及土壤養分的調控效果已有大量研究[6-11]，結果表明南方紅壤坡地果園土壤養分受水土保持措施、施肥、除草、病蟲害防治、經營模式、果樹生長等諸多因素影響，植物措施可有效控制水土流失與養分流失，其調控效果與植物種類、土壤性質和水文過程密切相關。例如，陳志等[3]研究指出植被覆蓋可有效控制土壤總氮和總磷的遷移，提高紅壤坡地土壤養分，減少養分隨降雨徑流的流失。劉銀等[4]研究表明不合理的經營模式是導致黃果柑坡地果園土壤養分下降的主要原因，集體經營模式優于散戶經營模式。張展羽等[11]研究了紅壤坡地果園土壤養分流失對植被措施的響應規律，結果表明果園氮磷流失以水土流失所導致的泥沙攜帶為主，果樹+百喜草覆蓋可有效控制氮磷的流失。熊偉等[12]研究指出合理的施肥技術既可有效提高果園營養元素的利用率，也可有效降低果園徑流中氮磷元素，從而影響水體水質。目前，紅壤丘陵區坡地果園的生態與環境效應隨開發年份的變化特征已經引起了學者的關注。例如，Tu等[9]利用觀測小區試驗研究了水保措施15年內減水減沙效果。Qiang等[10]研究了西南地區柑橘果園開發年份對土壤微生物群落和酶活性的影響。然而，土壤養分及塘壩水體水質隨果園開發及水保措施實施年份的變化規律及機制尚不清晰。因此，本研究通過實地采樣、室內測試和統計分析，探討贛南相似水保措施和果園管理措施下不同樹齡坡地果園土壤養分和水質變化規律，揭示贛南坡地果園養分流失與果園塘壩水體水質間的關系，可為紅壤丘陵坡地果園精細開發、水保措施優化配置及果園綜合效益提升提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

在典型南方紅壤丘陵區，選取五個不同樹齡坡地果園為研究區域(圖1和圖2)：①大路背果園(0年樹齡)，位于江西省寧都縣石上鎮(26°39′46″～26°40′03″ N，116°07′02″～116°07′33″ E)，果園面積為0.25 km2；②小洋村果園(3年樹齡)，位于江西省寧都縣固厚鄉小洋村(26°16′41″～26°18′42″ N，116°04′35″～116°06′24″ E)，果園面積為0.44 km2；③桐口村果園(6年樹齡)，位于江西省寧都縣會同鄉桐口村(26°32′24″～26°32′46″ N；116°04′01″～116°04′34″ E)，果園面積為0.34 km2；④吳家含果園(9年樹齡)，位于江西省寧都縣梅江鎮吳家村(26°42′02″～26°42′26″ N；116°00′38″～116°01′03″ E)，果園面積為0.26 km2；⑤蓮坊塘果園(15年樹齡)，位于江西省寧都縣會同鄉上壇村附近(26°29′38″～26°29′57″ N；116°04′38″～116°05′10″ E)，果園面積為0.24 km2。

圖2 不同樹齡坡地果園全景圖Fig.2 Panoramic view of slope orchardswith different tree ages

五個不同樹齡坡地果園同屬于贛南梅川江流域，具有相似的自然條件，地處亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫為18.9 ℃，多年平均降水量為1 550.6 mm。降水年內分配不均，主要集中在4～6月，約占全年降水量的49.8%，且多以暴雨形式出現，年降水量最大為2 438.9 mm，主汛期降水量772 mm，地貌類型以低山、丘陵為主。五個不同樹齡坡地果園均按照“頂林、腰果、谷農、底漁”農林復合開發技術形成水土流失綜合防治體系，在坡面修建梯田，前埂后溝，梯壁植草，結合坡面地形特征修建蓄水池、沉沙池、路網排水溝、水平竹節溝等水系調控設施，可有效控制水土流失。

1.2 土壤樣品采集與分析方法

采用五點采樣法進行土壤采樣，兼顧均勻、等量和多點混合的原則[13-14]，充分考慮地形因子影響，均勻布設采樣點：0年果園布設8個采樣點，3年果園布設6個采樣點，6年果園布設11個采樣點，9年果園布設8個采樣點，15年果園布設10個采樣點。以布設的采樣點為中心，制定30 m×30 m樣方，分別在樣方的中心點和四個頂點依次用梅花形采樣法[14]采集土樣，并記錄五點的經緯度。取樣時去掉表面凋落物和土壤中的植物根系、礫石等雜物，取0～10 cm左右的土壤，采集土壤重量約為0.5 kg。

土壤性質測定包括總氮(TNs)、總磷(TPs)、總鉀(TKs)和有機質(SOM)。測定TNs，TPs，TKs，SOM前，將土樣自然風干，研磨過篩(標準檢驗篩，GB/T6003.1-2012，目數：100；孔徑：0.15 mm)，備用。根據參考文獻[15]，采用TOC分析儀測定SOM，采用凱氏定氮法測定TNs，采用鉬酸銨分光光度法測定TPs，采用火焰光度計法測定TKs。

1.3 水樣采集與分析方法

根據各果園塘壩水體特征，沿塘壩水體橫斷面平均布設采樣點：0年果園布設4個采樣點，3年果園布設10個采樣點，6年果園布設5個采樣點，9年果園布設6個采樣點，15年果園布設5個采樣點。按照《水質·采樣技術指導》(GB 12998-91)[16]規定進行地表水采樣，采集樣品按照《水質采樣·樣品的保存和管理技術規定》(GB 12999-91)[17]規定進行現場記錄、樣品的保存和運輸。根據《水和廢水監測分析方法》[18]規定，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定水體總氮(TNw)，采用納氏試劑分光光度法測定水體氨氮(NH3-N)，采用鉬酸銨分光光度法測定水體總磷(TPw)，采用重鉻酸鉀法測定化學需氧量(CODcr)。

1.4 數據分析方法

據已有研究[19]，采用土壤肥力指數(Sfi)來表征土壤肥力，由式(1)計算Sfi的分值(SSfi)，其中各指標的計算標準見表1。采用水質指數(Wqi)來表征果園塘壩水體地表水水質，由式(2)計算水質指數的分值(SWqi)，各指標評分標準參考地表水水質標準(GB 3838-02)[20]，見表2。利用SPSS 22.0 采用變異系數分析法 (ANOVA)進行不同樹齡果園各土壤肥力指標和水質指標的差異性分析，顯著性水平α取0.05。

表1 土壤肥力指數各指標評分標準Tab.1 Criteria for soil fertility index

表2 水質指數各指標評分標準Tab.2 Criteria for water quality index

SSfi=0.25STNs+0.22STPs+0.18STKs+0.35SSOM

(1)

SWqi=0.12STNw+0.28STPw+

0.25SNH3-N+0.35SCODcr

(2)

式中：SSfi為土壤肥力分值；STNs為土壤總氮分值；STPs為土壤總磷分值；STKs為土壤總鉀分值；SSOM為土壤有機質分值；SWqi為水質分值；STNw為水體總氮分值；STPw為水體總磷分值；SNH3-N為水體氨氮分值；SCODcr為水體CODcr分值。

2 結果與討論

2.1 不同樹齡果園土壤養分差異性分析

不同樹齡果園土壤養分差異性分析見圖3。除TKs外，土壤養分隨果園種植年份呈增加趨勢。0、3、6年果園TNs，TPs，SOM無顯著性差異，而9年后TNs，TPs，SOM急劇上升并隨果園樹齡增加呈顯著性差異，15年坡地果園TNs,TPs,SOM分別達到0年果園的2.2倍、3.0倍和3.5倍。見表3，各樹齡果園STPs，STKs均高于90分，但STNs變化范圍為17～52分，SSOM變化范圍為16～61分，兩者均隨果園種植年份增加而呈現先下降后上升的趨勢，變化順序為3年果園<6年果園<0年果園<9年果園<15年果園，從而導致SSfi的變化順序亦為3年果園<6年果園<0年果園<9年果園<15年果園，3年果園分值最低為48分，15年果園分值最高為74分。

圖3 不同樹齡坡地果園土壤養分差異性分析(不同大寫字母表征土壤養分呈顯著性差異)Fig.3 Difference analysis of soil nutrient in slope orchards with different tree ages (different capital letters represent significant difference in soil nutrient)

表3 不同樹齡果園土壤肥力指數、水質指數及各指標分值Tab.3 Scores of soil fertility index,water quality index and their indexes in slope orchards with different tree ages

本研究坡地果園在9年后土壤養分呈穩定上升趨勢，土壤肥力指數逐漸提升，但短期(6年)內幼齡果園土壤養分與新開發的果園(0年)相比雖無顯著性差異，仍呈下降趨勢，3年坡地果園TNs、SOM、TPs最低，分別為0年果園的74%、77%和64%。陳春平[21]分析了江西省不同種植年份(1年、2年、4年、6年)桔園土壤養分，指出4年桔園土壤有機質、全氮、堿解氮含量最低，與本文研究結果基本一致。

果園不同樹齡坡地土壤養分變化特征受水土保持措施、施肥措施、果樹養分消耗等多因素影響。楊潔等[22]研究指出南方紅壤坡地果園目前大部分采用機修梯田，易造成原有土壤結構破壞，在短期內難以恢復，而導致幼齡果園水土保持措施調控效果較差。丁光敏等[23]研究表明南方紅壤區坡地果園水土流失主要出現在幼齡期，在坡度10°的條件下，平臺式梯田措施前3年內水土流失強度可達中度。Tu等[9]同樣指出紅壤坡地果園前4年是水土流失防治的關鍵期。此外，果園施肥措施亦可增加土壤養分，提升土壤肥力，水保措施和施肥措施的綜合作用導致不同樹齡坡地果園土壤養分在9年后急劇增加，而短期(6年)內難以平衡果園養分消耗與流失，果園土壤養分下降。從土壤肥力指數及各指標分值來看(表3)，15年果園STKs和STPs分值達到100分，而15年坡地果園STNs和SSOM僅為52分和61分，SSfi僅為74分。因此，紅壤坡地果園水保措施應增加植被覆蓋和改善植草種類，以降低幼齡果園(6年內)土壤養分流失，在植物種類上應考慮可提高固氮能力和土壤有機質的植物，以提升土壤肥力指數分值。

2.2 水質指標隨樹齡變化特征

不同樹齡果園塘壩水體水質變化見圖4，果園塘壩水體水質指標隨樹齡增加而改變的差異性低于土壤養分且變化規律不一致。15年果園塘壩水體TNw急劇上升，水質惡化，達到0年果園的1.9倍，而其他各樹齡果園TNw無顯著性差異。0年果園、6年果園和15年果園塘壩水體TPw低于檢測值，而3年和6年果園塘壩水體TPw無顯著性差異。各樹齡果園塘壩水體NH3-N均呈顯著性差異，隨果園種植年份呈先增加后降低的趨勢，6年果園塘壩水體NH3-N達到最高值，約為0年果園塘壩水體NH3-N的5.5倍，而15年果園塘壩水體NH3-N下降至略高于0年果園。五個果園塘壩水體CODcr(18.7～20.9 mg·L-1)變化差異性較小，9年果園塘壩水體CODcr最低為18.7 mg·L-1，與其他樹齡果園呈顯著性差異。

圖4 不同樹齡坡地果園塘壩水體水質指標變化(不同大寫字母表征水體水質呈顯著性差異)Fig.4 Changes of water quality indexes in ponds of slope orchards with different tree ages (different capital letters representing significant differences in water quality)

SWqi水質分值隨樹齡增加呈波動趨勢，6年果園塘壩水體水質指數分值最高達到78分，9年果園塘壩水體水質指數分值最低達到69分，15年果園塘壩水體水質指數分值回歸與0年果園一致，為71分(表3)。果園塘壩水體水質指數分值與果園坡地果園施肥措施、水保措施及土壤養分流失密切相關。短期(6年內)雖然坡地果園水保措施對養分調控效果尚未顯現，但施肥措施作用亦尚未顯現，同時由于果樹對養分的消耗，土壤養分流失對塘壩水體水質的影響低于水質自凈作用，水質指標分值略有升高趨勢。9年果園水質指數下降可歸因于施肥所引起的面源污染加劇[24]，而15年果園水質指數分值的再次回升則可歸因于水保措施(特別是植被措施)對于土壤養分流失調控作用的增強。

各果園STNw均為0分，表明TNw是研究區果園塘壩水體主要污染物，屬劣IV類。不同樹齡果園STPw和SNH3-N均高于70分，優于III類。SCODcr在50～70分，處于III類到IV類之間，CODcr為研究區果園塘壩水體次要污染物。因此，果園管理措施應控制水體總氮和有機質的輸入，以提升果園STNw、SCODcr及SWqi。

2.3 土壤肥力指標與水質指標相關性分析

研究區坡地果園土壤肥力指標與水質指標相關性分析結果見表4?？梢?，SOM與TPs、TNs具有極顯著性正相關關系，表明土壤有機物質輸入與土壤氮磷來源密切相關。林圣玉[25]同樣指出南方紅壤區坡地果園有機質與全氮、全磷呈顯著正相關關系，建議果園管理應提高養分利用率，減少過量施肥引起的非點源污染。各水質指標之間無顯著線性相關關系。

表4 土壤肥力指標與水質指標相關性分析Tab.4 Correlation analysis between soil fertility index and water quality index

本研究表明不同樹齡坡地果園塘壩水體水質指標變化幅度較土壤養分的變化程度低，而塘壩水體水質與土壤養分無顯著線性相關關系。但兩者并非沒有聯系，果園STNs和SSOM分值較低同時塘壩水體STNw和SCODcr分值較低，表明塘壩主要污染物TNw與CODcr主要來源于TNs與SOM的流失。15年樹齡果園TNs、SOM與TNw、CODcr同時顯著上升，表明TNs、SOM顯著提升的同時TNs和SOM的流失量也在增加，9年后水保措施對TNs、SOM流失的調控作用低于施肥措施對于TNs和SOM增加的作用，養分回升的主導因素為施肥措施。15年樹齡果園與9年樹齡果園TNs與SOM的比值分別為1.54和1.84，而15年樹齡果園與9年樹齡果園TNw與CODcr的比值分別為1.94和1.11，表明水保措施對TNs的調控作用低于SOM的調控作用，因此果園水保措施優化應著重在于提高固氮能力。

3 結 論

1)研究區不同樹齡坡地果園土壤養分的變化差異性較塘壩水體水質指標變化差異性高。坡地果園水土保持措施與果園施肥措施的綜合作用短期(6年)內難以平衡果園養分消耗與流失，果園土壤養分下降；果園種植9年后土壤養分穩步增加，地力提升，主導作用為施肥措施，15年坡地果園土壤肥力指數最高(74)分。建議果園水保措施優化配置以降低土壤養分流失為主，考慮增加植物措施以提升土壤有機質和固氮能力，以固氮能力提升為重點。

2)研究區不同樹齡坡地果園塘壩水體水質指標與與土壤養分無顯著線性相關關系，主要污染物和次要污染物分別為總氮(TNw)和化學需氧量(CODcr)，主要來源于坡地果園土壤總氮(TNs)和土壤有機質(SOM)的流失。15年果園塘壩水體水質與0年果園基本一致，水質指數分值為71分，果園管理措施應著重于控制水體總氮和有機質的輸入。