喀斯特区坡耕地混农林业种植模式对水土保持功能的影响

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石漠化是喀斯特地区突出的生态问题,治理石漠化的关键在于控制水土流失。坡耕地是我国南方喀斯特地区水土流失的主要策源地,是区域生态治理的重点研究对象。混农林是一种复合种植措施,具有良好的生态效益,然而在喀斯特地区仍然存在着对混农林的理论研究落后于实践需求的问题。本研究以黔西市金兰示范区为研究区,选用当地常见的几种作物,按照一定的配置方法进行复合种植(枇杷+黄豆、石榴+辣椒、李子+牧草、樱桃+茄子、核桃+花生),并以传统纯林(桃树)和纯农地(玉米)为对照。采用径流小区野外定位观测与室内实验相结合的方法,于2020-2021年间持续观测各种植模式下土壤水分、土壤环境及坡面产流产沙的变化规律,综合评价不同种植模式的保墒功能、土壤环境改善功能及减流减沙功能,优选具有较强水土保持功能的区域适宜混农林模式。研究结果表明:(1)各模式在不同季节及不同土层的保墒功能存在差异,石榴+辣椒在春季对于各土层的保墒效果明显更优,尤其在20-30 cm土层;夏季各土层水分含量最高的依然是石榴+辣椒模式;秋季枇杷+黄豆保墒效果提升,石榴+辣椒保墒效果有所下降;冬季除玉米纯农地外,其它模式的保墒功能无显著差异。此外,土壤水分在夏季最高,为25.20%,冬季达到最低,为9.75%。平均土壤水分在10-20cm土层地区最高,相较于0-10 cm和20-30 cm土层地区分别高1.64%和0.8%。(2)观测期间,枇杷+黄豆的平均孔隙度状况较好,该模式的土壤总孔隙度显著高出桃树单作和玉米单作7.13-14.16%。土壤总孔隙度在不同土层的分布也有差异,0-10 cm土层樱桃+茄子的总孔隙度较大,10-20 cm土层核桃+花生的总孔隙度较大;20-30 cm土层枇杷+黄豆的总孔隙度较大。此外,从2020年至2021年,玉米单作下的土壤总孔隙度降低了0.13%,而其它模式均表现出了对土壤总孔隙度微弱的改善趋势。土壤容重随土层加深而增加,各模式的平均土壤容重表现为玉米>石榴+辣椒>李子+牧草>桃树>樱桃+茄子>枇杷+黄豆>核桃+花生。总体而言,2021年各模式下不同土层的土壤容重较2020年有所改善。(3)不同种植模式影响着土壤养分的分布,玉米单作模式下土壤全量养分和速效养分含量均较低。观测期间各复合种植的平均土壤全量养分略微升高,TN升高幅度为0.021-0.172 g/kg,TP为0.031-0.069 g/kg,TK为0.219-1.562g/kg,纯林和纯农地的土壤全量养分无明显变化。速效养分方面,所有模式的AN提高了1.596-25.198 mg/kg,而AP和AK仅在复合种植模式下有所改善。全量养分与速效养分具有显著相关性,相关系数均在0.6以上,二者呈现了不同程度的线性关系。SOC含量为11.25-27.60 g/kg,分布差异明显,玉米单作下SOC在2020和2021年分别为12.85、12.98 g/kg,显著低于各复合模式。就不同土层而言,0-10 cm土层中SOC平均含量最高的种植模式为樱桃+茄子(27.26g/kg);10-20 cm土层中SOC平均含量最高的种植模式为枇杷+黄豆(25.41 g/kg);20-30 cm土层中SOC平均含量最高的种植模式为樱桃+茄子(24.01 g/kg)。观测期间各模式对SOC均有一定程度的改善作用,李子+牧草的改善效果较为明显。(4)侵蚀性降雨条件下,坡面平均产流1.37-4.86 mm,产流量从高到低依次为玉米>桃树>李子+牧草>枇杷+黄豆>石榴+辣椒>樱桃+茄子>核桃+花生。平均产沙14.2-54.28 t/km~2,表现为玉米>桃树>樱桃+茄子>枇杷+黄豆>李子+牧草>核桃+花生>石榴+辣椒。纯林和纯农地造成的水土流失量无显著差异,但都明显高于各复合种植模式。降雨特征中,复合因子指标较单因子指标与坡耕地水土流失的相关性普遍更强。降雨量单因子指标与各模式的产流产沙量均存在极显著的正相关关系,与产流量的相关系数为0.700-0.951,产沙量0.510-0.846。PI30复合因子指标与各模式的产流量相关性较强,表现为三次函数关系。坡面产流量与产沙量极显著相关(p<0.01),相关系数为0.698。石榴+辣椒和核桃+花生模式的径流泥沙呈幂函数关系,R~2分别为0.727和0.788,其它模式下的径流泥沙呈三次函数关系,R~2为0.757-0.983。(5)相较于纯林和纯农地而言,复合种植模式的水土保持功能更优,尤其是枇杷+黄豆复合,该模式的水土保持功能综合评价得分为0.610,为所有复合模式最高。研究结果可为区域适宜混农林模式的选取提供理论参考,进一步丰富喀斯特地区野外水土流失观测资料。
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