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枣草复合系统土壤水分养分调控效应及其机理模拟试验研究

黄俊  
【摘要】:国家实施退耕还林(草)工程以来,黄土丘陵区生态恢复与建设取得巨大成就,当地经济价值较高的特色果品─红枣,其种植业得到迅猛发展。但由于干旱缺水、水土流失以及枣园传统土壤管理制度(清耕制)的长期使用,导致枣园土壤退化、红枣产量相对较低。果草复合系统已经是欧美、日本等发达国家果园土壤管理主流模式,也是近年来果园土壤管理研究中的热点问题。我国于20世纪末将果园生草制度纳入绿色果品生产体系并在全国推广,关于果草复合系统相关试验研究也取得较大进展。但关于果草复合系统土壤水分养分效应、水分适应性问题研究仍相对薄弱。本文将黄土丘陵区几种多年生优质牧草引入到枣园生产中,通过模拟试验手段建立枣草复合系统,研究枣草复合系统对土壤物理性状、坡面径流泥沙、土壤水分养分变化的影响作用。本试验共设6个试验处理:清耕对照(CC)及5种枣草复合系统处理,分别为鸡脚草(Dactylis glemerataL.)行间生草+枣树复合系统(SCF)、百脉根(Lotus corniculatus L.)行间生草+枣树复合系统(SBF)、小冠花(Coronilla varia L.)行间生草+枣树复合系统(SCV)、白三叶(Trifolium repens L.)行间生草+枣树复合系统(SWC)和白三叶全园生草+枣树复合系统(WCC)。鸡脚草为禾本科牧草,其余均为豆科牧草。本试验取得以下主要研究结论: (1)枣草复合系统改善了土壤物理性状。枣草复合系统0-15cm土层单位体积(100cm3)土壤中3-6cm长度细根(0.15mm)数量均多于清耕CC处理。枣草复合系统土壤毛管孔隙度和有效水含量与细根数量相关系数分别为0.8432(P=0.010)和0.765(P=0.005)。三年枣草复合系统土壤田间持水量、毛管孔隙度、有效水含量和饱和导水率分别增加了6-9%、14-21%、13-19%和5-30%。各处理土壤有效水含量及饱和导水率排序为WCCSCFSBFSCVSWCCC和WCCSCFSWCSBFSCVCC。枣草复合系统高吸力阶段(0.25bar)土壤含水量明显提高、比水容量略微降低,土壤持水与供水能力增强。 (2)枣草复合系统具有明显的保持水土效益,显著增加了次降雨植被截留水量和土壤入渗率,同时显著降低了坡面径流、泥沙总量。次降雨条件下各枣草复合系统植被截留水量平均值为5-8mm,占次降雨总量的8-11%,均显著高于清耕CC处理(P0.05)。基于次降雨量和坡面叶面积指数观测数据建立了植被截留量计算模型,其函数表达式为I nt3.168LAI[1(1Rai/125)3.773]。与清耕CC处理相比,枣草复合系统显著推迟了坡面起流时间和降低了坡面径流泥沙总量(P0.05);但各行间生草复合系统间无显著差异(P0.05)。各行间生草、全生草复合系统及清耕CC处理坡面径流深分别为8.1-18.0mm、4.4-8.4mm和16.7-59.3mm,分别占次降雨量的10.4-28.6%、5.0-18.0%和15.6-74.4%。枣草复合系统显著增加了土壤初始入渗率、平均入渗率和稳定入渗率(P0.05),平均值分别为清耕CC处理的1.3-1.35倍、1.4-1.8倍和1.2-1.4倍。各处理土壤入渗能力排序为WCCSCFSBFSCVSWCCC。次降雨量为55mm情况下枣草复合系统土壤入渗深度为60cm左右,清耕CC处理仅为45cm左右。 (3)枣草复合系统显著增加了雨后土壤水分增量,但由于复合系统对土壤水分消耗而导致豆科牧草+枣树复合系统土壤含水量均低于清耕CC处理。WCC复合系统雨后土壤水分增量最大(58.3±14.3mm),显著高于其余各处理(P0.05);但行间生草复合系统雨后水分增量间无显著差异(P0.05)。行间生草、全生草复合系统及清耕CC处理雨后水分增量分别占次降雨量的61.2-75.4%、76.4-83.5%和11.4-63.0%。各处理雨后土壤水分增量排序为:WCCSCFSCVSBFSWCCC。各处理土壤水分日消耗量(土壤蒸发+植被蒸腾)差异显著(P0.05),其中WCC复合系统日耗水量最大,3年平均值为5.42±1.6mm day-1,其余分别为SCVSWCCCSBFSCF。复合系统对土壤水分额外消耗一定程度降低了土壤水分含量。鸡脚草行间生草SCF复合系统土壤含水量最大,且显著高于其余各处理(P0.05)。由于豆科牧草较大日耗水量,导致豆科牧草复合系统土壤含水量均显著低于清耕CC处理(P0.05)。各处理3年含水量平均值排序为SCFCCSBFSWCWCCSCV。枣树开花坐果期、果实生长期对土壤水分消耗相对较大,果实成熟期相对较小。 (4)基于水量平衡方程,借助非饱和土壤物理参数、Green-Ampt入渗模型和坡面流运动波方程,对次降雨条件下坡面土壤入渗及产流过程进行了模拟计算。约80%产流数据和98%入渗数据模拟值与真实值相对误差小于20%,且入渗、产流数据模拟值与真实值纳什统计系数均大于0.99,模拟效果较为理想。枣草复合系统植被截留量、土壤入渗量及径流深模拟值约占次降雨量的10-14%、65-75%和6-18%。行间生草、全生草及清耕CC处理坡面次降雨量分配比例(截留量:入渗量:径流深:损失水量)分别为:12.1:68.1:16.0:3.9、14.0:75.1:6.4:4.5和6.7:47.1:41.6:4.6。枣草复合系统最大程度实现坡面降雨就地入渗,对于提高雨水资源利用有着十分重要的意义。 (5)枣草复合系统牧草与枣树争水事件集中发生在3-7月份,累计频率达70%。7月份牧草与枣树争水事件发生频率最大为36%。植被生育期内(5-10月份)累积降雨量为218.8mm、310.0mm和438.9mm情况下,争水事件发生频率期望值分别为45.0%、37.5%和30.4%。牧草与枣树争水事件发生频率与降雨量及牧草品种皮尔逊相关系数分别为-0.9935(P0.01)和0.5065(P0.05)。本模拟试验条件下,行间生草带宽度不应超过0.54m,约为枣树行距(按2.0m计算)的22.5%。 (6)枣草复合系统对土壤碱解氮、速效磷和水溶性有机碳含量变化无显著影响作用(P0.05);由于牧草对土壤养分的消耗作用导致部分枣草复合系统三种土壤速效养分含量低于清耕CC处理,但枣草复合系统坡面随径流泥沙而流失的速效养分总量显著低于清耕CC处理(P0.05)。枣草复合系统土壤碱解氮与清耕CC处理无显著差异(P0.05),各处理排序为SWCCCSBFSCVSCFWCC。2012年各枣草复合系统(SWC处理除外)土壤速效磷含量均显著低于清耕CC处理(P0.05);各处理速效磷含量平均值排序为SCVSWCCCSBFSCFWCC。各处理土壤水溶性有机碳含量排序为SBFSCFSCVCCWCCSWC。次降雨条件下枣草复合系统坡面泥沙中碱解氮、速效磷流失总量显著低于清耕CC处理(P0.05),处理WCC坡面流失总量最低。 (7)SCF复合系统枣树树高显著高于其余各处理(P0.05),而WCC复合系统枣树树高最小。各处理枣树径粗无显著差异(P0.05)。枣草复合系统枣树树高及径粗生长速率较清耕CC处理偏大。SCF复合系统单位面积牧草(鸡脚草)生物量显著高于其余各处理(P0.05),而WCC复合系统显著低于其余各处理(P0.05)。枣树与牧草叶面积指数、枣树叶片叶绿素含量在生育期内呈上升趋势,非生育期逐渐降低,而牧草叶绿素含量在生育期内呈波动性下降趋势。枣草复合系统提高了枣树叶片净光合速率、胞间CO2浓度,而清耕CC处理枣树叶片光合有效辐射利用效率最高。 (8)基于上述研究结果,无重复选择6类试验观测指标:土壤含水量、坡面减流量、减沙量、土壤碱解氮含量、速效磷含量及水溶性有机碳含量作为评价准则,从坡面水土资源高效利用角度出发,借助层次分析法和灰色多维综合隶属度评价法,对4种行间生草复合系统技术模式进行了综合性定量评价,结果表明“鸡脚草行间生草+枣树”复合系统SCF为最优枣草复合系统技术模式,与定性分析结果完全一致。


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