不同树龄坡地果园土壤养分和水质特征

孙莉英，裴 亮，马 凌，栗清亚，吴 辉，陈腊娇

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049；3.中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4.浙江传媒学院 智能媒体技术研究院，浙江 杭州 310018；5.中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094)

随着人口增加及人地矛盾的提升，坡地果园不断被开发并逐渐成为赣南地区的支柱产业[1-2]。然而传统的果园清耕或粗放式整地等不合理的坡地开发方式，造成了赣南红壤丘陵区坡地果园严重的水土流失和土壤养分流失，导致坡地土壤生产力下降和下游水体富营养化等生态与环境问题[3-6]。因此，亟需分析红壤丘陵区坡地果园开发对土壤肥力及非点源污染的影响，为坡地果园精细化管理及水保措施优化配置提供科学参考，为红壤丘陵区坡地果园经济可持续发展提供科技支撑。

关于南方红壤区不同水保措施对水土流失及土壤养分的调控效果已有大量研究[6-11]，结果表明南方红壤坡地果园土壤养分受水土保持措施、施肥、除草、病虫害防治、经营模式、果树生长等诸多因素影响，植物措施可有效控制水土流失与养分流失，其调控效果与植物种类、土壤性质和水文过程密切相关。例如，陈志等[3]研究指出植被覆盖可有效控制土壤总氮和总磷的迁移，提高红壤坡地土壤养分，减少养分随降雨径流的流失。刘银等[4]研究表明不合理的经营模式是导致黄果柑坡地果园土壤养分下降的主要原因，集体经营模式优于散户经营模式。张展羽等[11]研究了红壤坡地果园土壤养分流失对植被措施的响应规律，结果表明果园氮磷流失以水土流失所导致的泥沙携带为主，果树+百喜草覆盖可有效控制氮磷的流失。熊伟等[12]研究指出合理的施肥技术既可有效提高果园营养元素的利用率，也可有效降低果园径流中氮磷元素，从而影响水体水质。目前，红壤丘陵区坡地果园的生态与环境效应随开发年份的变化特征已经引起了学者的关注。例如，Tu等[9]利用观测小区试验研究了水保措施15年内减水减沙效果。Qiang等[10]研究了西南地区柑橘果园开发年份对土壤微生物群落和酶活性的影响。然而，土壤养分及塘坝水体水质随果园开发及水保措施实施年份的变化规律及机制尚不清晰。因此，本研究通过实地采样、室内测试和统计分析，探讨赣南相似水保措施和果园管理措施下不同树龄坡地果园土壤养分和水质变化规律，揭示赣南坡地果园养分流失与果园塘坝水体水质间的关系，可为红壤丘陵坡地果园精细开发、水保措施优化配置及果园综合效益提升提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

在典型南方红壤丘陵区，选取五个不同树龄坡地果园为研究区域(图1和图2)：①大路背果园(0年树龄)，位于江西省宁都县石上镇(26°39′46″～26°40′03″ N，116°07′02″～116°07′33″ E)，果园面积为0.25 km2；②小洋村果园(3年树龄)，位于江西省宁都县固厚乡小洋村(26°16′41″～26°18′42″ N，116°04′35″～116°06′24″ E)，果园面积为0.44 km2；③桐口村果园(6年树龄)，位于江西省宁都县会同乡桐口村(26°32′24″～26°32′46″ N；116°04′01″～116°04′34″ E)，果园面积为0.34 km2；④吴家含果园(9年树龄)，位于江西省宁都县梅江镇吴家村(26°42′02″～26°42′26″ N；116°00′38″～116°01′03″ E)，果园面积为0.26 km2；⑤莲坊塘果园(15年树龄)，位于江西省宁都县会同乡上坛村附近(26°29′38″～26°29′57″ N；116°04′38″～116°05′10″ E)，果园面积为0.24 km2。

图2 不同树龄坡地果园全景图Fig.2 Panoramic view of slope orchardswith different tree ages

五个不同树龄坡地果园同属于赣南梅川江流域，具有相似的自然条件，地处亚热带湿润季风气候区，多年平均气温为18.9 ℃，多年平均降水量为1 550.6 mm。降水年内分配不均，主要集中在4～6月，约占全年降水量的49.8%，且多以暴雨形式出现，年降水量最大为2 438.9 mm，主汛期降水量772 mm，地貌类型以低山、丘陵为主。五个不同树龄坡地果园均按照“顶林、腰果、谷农、底渔”农林复合开发技术形成水土流失综合防治体系，在坡面修建梯田，前埂后沟，梯壁植草，结合坡面地形特征修建蓄水池、沉沙池、路网排水沟、水平竹节沟等水系调控设施，可有效控制水土流失。

1.2 土壤样品采集与分析方法

采用五点采样法进行土壤采样，兼顾均匀、等量和多点混合的原则[13-14]，充分考虑地形因子影响，均匀布设采样点：0年果园布设8个采样点，3年果园布设6个采样点，6年果园布设11个采样点，9年果园布设8个采样点，15年果园布设10个采样点。以布设的采样点为中心，制定30 m×30 m样方，分别在样方的中心点和四个顶点依次用梅花形采样法[14]采集土样，并记录五点的经纬度。取样时去掉表面凋落物和土壤中的植物根系、砾石等杂物，取0～10 cm左右的土壤，采集土壤重量约为0.5 kg。

土壤性质测定包括总氮(TNs)、总磷(TPs)、总钾(TKs)和有机质(SOM)。测定TNs，TPs，TKs，SOM前，将土样自然风干，研磨过筛(标准检验筛，GB/T6003.1-2012，目数：100；孔径：0.15 mm)，备用。根据参考文献[15]，采用TOC分析仪测定SOM，采用凯氏定氮法测定TNs，采用钼酸铵分光光度法测定TPs，采用火焰光度计法测定TKs。

1.3 水样采集与分析方法

根据各果园塘坝水体特征，沿塘坝水体横断面平均布设采样点：0年果园布设4个采样点，3年果园布设10个采样点，6年果园布设5个采样点，9年果园布设6个采样点，15年果园布设5个采样点。按照《水质·采样技术指导》(GB 12998-91)[16]规定进行地表水采样，采集样品按照《水质采样·样品的保存和管理技术规定》(GB 12999-91)[17]规定进行现场记录、样品的保存和运输。根据《水和废水监测分析方法》[18]规定，采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定水体总氮(TNw)，采用纳氏试剂分光光度法测定水体氨氮(NH3-N)，采用钼酸铵分光光度法测定水体总磷(TPw)，采用重铬酸钾法测定化学需氧量(CODcr)。

1.4 数据分析方法

据已有研究[19]，采用土壤肥力指数(Sfi)来表征土壤肥力，由式(1)计算Sfi的分值(SSfi)，其中各指标的计算标准见表1。采用水质指数(Wqi)来表征果园塘坝水体地表水水质，由式(2)计算水质指数的分值(SWqi)，各指标评分标准参考地表水水质标准(GB 3838-02)[20]，见表2。利用SPSS 22.0 采用变异系数分析法 (ANOVA)进行不同树龄果园各土壤肥力指标和水质指标的差异性分析，显著性水平α取0.05。

表1 土壤肥力指数各指标评分标准Tab.1 Criteria for soil fertility index

表2 水质指数各指标评分标准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为土壤肥力分值；STNs为土壤总氮分值；STPs为土壤总磷分值；STKs为土壤总钾分值；SSOM为土壤有机质分值；SWqi为水质分值；STNw为水体总氮分值；STPw为水体总磷分值；SNH3-N为水体氨氮分值；SCODcr为水体CODcr分值。

2 结果与讨论

2.1 不同树龄果园土壤养分差异性分析

不同树龄果园土壤养分差异性分析见图3。除TKs外，土壤养分随果园种植年份呈增加趋势。0、3、6年果园TNs，TPs，SOM无显著性差异，而9年后TNs，TPs，SOM急剧上升并随果园树龄增加呈显著性差异，15年坡地果园TNs,TPs,SOM分别达到0年果园的2.2倍、3.0倍和3.5倍。见表3，各树龄果园STPs，STKs均高于90分，但STNs变化范围为17～52分，SSOM变化范围为16～61分，两者均随果园种植年份增加而呈现先下降后上升的趋势，变化顺序为3年果园<6年果园<0年果园<9年果园<15年果园，从而导致SSfi的变化顺序亦为3年果园<6年果园<0年果园<9年果园<15年果园，3年果园分值最低为48分，15年果园分值最高为74分。

图3 不同树龄坡地果园土壤养分差异性分析(不同大写字母表征土壤养分呈显著性差异)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 不同树龄果园土壤肥力指数、水质指数及各指标分值Tab.3 Scores of soil fertility index,water quality index and their indexes in slope orchards with different tree ages

本研究坡地果园在9年后土壤养分呈稳定上升趋势，土壤肥力指数逐渐提升，但短期(6年)内幼龄果园土壤养分与新开发的果园(0年)相比虽无显著性差异，仍呈下降趋势，3年坡地果园TNs、SOM、TPs最低，分别为0年果园的74%、77%和64%。陈春平[21]分析了江西省不同种植年份(1年、2年、4年、6年)桔园土壤养分，指出4年桔园土壤有机质、全氮、碱解氮含量最低，与本文研究结果基本一致。

果园不同树龄坡地土壤养分变化特征受水土保持措施、施肥措施、果树养分消耗等多因素影响。杨洁等[22]研究指出南方红壤坡地果园目前大部分采用机修梯田，易造成原有土壤结构破坏，在短期内难以恢复，而导致幼龄果园水土保持措施调控效果较差。丁光敏等[23]研究表明南方红壤区坡地果园水土流失主要出现在幼龄期，在坡度10°的条件下，平台式梯田措施前3年内水土流失强度可达中度。Tu等[9]同样指出红壤坡地果园前4年是水土流失防治的关键期。此外，果园施肥措施亦可增加土壤养分，提升土壤肥力，水保措施和施肥措施的综合作用导致不同树龄坡地果园土壤养分在9年后急剧增加，而短期(6年)内难以平衡果园养分消耗与流失，果园土壤养分下降。从土壤肥力指数及各指标分值来看(表3)，15年果园STKs和STPs分值达到100分，而15年坡地果园STNs和SSOM仅为52分和61分，SSfi仅为74分。因此，红壤坡地果园水保措施应增加植被覆盖和改善植草种类，以降低幼龄果园(6年内)土壤养分流失，在植物种类上应考虑可提高固氮能力和土壤有机质的植物，以提升土壤肥力指数分值。

2.2 水质指标随树龄变化特征

不同树龄果园塘坝水体水质变化见图4，果园塘坝水体水质指标随树龄增加而改变的差异性低于土壤养分且变化规律不一致。15年果园塘坝水体TNw急剧上升，水质恶化，达到0年果园的1.9倍，而其他各树龄果园TNw无显著性差异。0年果园、6年果园和15年果园塘坝水体TPw低于检测值，而3年和6年果园塘坝水体TPw无显著性差异。各树龄果园塘坝水体NH3-N均呈显著性差异，随果园种植年份呈先增加后降低的趋势，6年果园塘坝水体NH3-N达到最高值，约为0年果园塘坝水体NH3-N的5.5倍，而15年果园塘坝水体NH3-N下降至略高于0年果园。五个果园塘坝水体CODcr(18.7～20.9 mg·L-1)变化差异性较小，9年果园塘坝水体CODcr最低为18.7 mg·L-1，与其他树龄果园呈显著性差异。

图4 不同树龄坡地果园塘坝水体水质指标变化(不同大写字母表征水体水质呈显著性差异)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水质分值随树龄增加呈波动趋势，6年果园塘坝水体水质指数分值最高达到78分，9年果园塘坝水体水质指数分值最低达到69分，15年果园塘坝水体水质指数分值回归与0年果园一致，为71分(表3)。果园塘坝水体水质指数分值与果园坡地果园施肥措施、水保措施及土壤养分流失密切相关。短期(6年内)虽然坡地果园水保措施对养分调控效果尚未显现，但施肥措施作用亦尚未显现，同时由于果树对养分的消耗，土壤养分流失对塘坝水体水质的影响低于水质自净作用，水质指标分值略有升高趋势。9年果园水质指数下降可归因于施肥所引起的面源污染加剧[24]，而15年果园水质指数分值的再次回升则可归因于水保措施(特别是植被措施)对于土壤养分流失调控作用的增强。

各果园STNw均为0分，表明TNw是研究区果园塘坝水体主要污染物，属劣IV类。不同树龄果园STPw和SNH3-N均高于70分，优于III类。SCODcr在50～70分，处于III类到IV类之间，CODcr为研究区果园塘坝水体次要污染物。因此，果园管理措施应控制水体总氮和有机质的输入，以提升果园STNw、SCODcr及SWqi。

2.3 土壤肥力指标与水质指标相关性分析

研究区坡地果园土壤肥力指标与水质指标相关性分析结果见表4。可见，SOM与TPs、TNs具有极显著性正相关关系，表明土壤有机物质输入与土壤氮磷来源密切相关。林圣玉[25]同样指出南方红壤区坡地果园有机质与全氮、全磷呈显著正相关关系，建议果园管理应提高养分利用率，减少过量施肥引起的非点源污染。各水质指标之间无显著线性相关关系。

表4 土壤肥力指标与水质指标相关性分析Tab.4 Correlation analysis between soil fertility index and water quality index

本研究表明不同树龄坡地果园塘坝水体水质指标变化幅度较土壤养分的变化程度低，而塘坝水体水质与土壤养分无显著线性相关关系。但两者并非没有联系，果园STNs和SSOM分值较低同时塘坝水体STNw和SCODcr分值较低，表明塘坝主要污染物TNw与CODcr主要来源于TNs与SOM的流失。15年树龄果园TNs、SOM与TNw、CODcr同时显著上升，表明TNs、SOM显著提升的同时TNs和SOM的流失量也在增加，9年后水保措施对TNs、SOM流失的调控作用低于施肥措施对于TNs和SOM增加的作用，养分回升的主导因素为施肥措施。15年树龄果园与9年树龄果园TNs与SOM的比值分别为1.54和1.84，而15年树龄果园与9年树龄果园TNw与CODcr的比值分别为1.94和1.11，表明水保措施对TNs的调控作用低于SOM的调控作用，因此果园水保措施优化应着重在于提高固氮能力。

3 结 论

1)研究区不同树龄坡地果园土壤养分的变化差异性较塘坝水体水质指标变化差异性高。坡地果园水土保持措施与果园施肥措施的综合作用短期(6年)内难以平衡果园养分消耗与流失，果园土壤养分下降；果园种植9年后土壤养分稳步增加，地力提升，主导作用为施肥措施，15年坡地果园土壤肥力指数最高(74)分。建议果园水保措施优化配置以降低土壤养分流失为主，考虑增加植物措施以提升土壤有机质和固氮能力，以固氮能力提升为重点。

2)研究区不同树龄坡地果园塘坝水体水质指标与与土壤养分无显著线性相关关系，主要污染物和次要污染物分别为总氮(TNw)和化学需氧量(CODcr)，主要来源于坡地果园土壤总氮(TNs)和土壤有机质(SOM)的流失。15年果园塘坝水体水质与0年果园基本一致，水质指数分值为71分，果园管理措施应着重于控制水体总氮和有机质的输入。