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2020 , Vol. 41 >Issue 5: 1057 - 1063

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.05.028

Ecology

Soil Physical and Hydrothermal Characteristics of Mountain Rubber Plantation under Different Management Modes

  • YUAN Huifang ,
  • HUANG Jing ,
  • TIAN Yaohua , *
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  • Yunnan Institute of Tropical Crops, Jinghong, Yunnan 666100, China
* TIAN Yaohua,E-mail: 。

Received date: 2019-08-02

  Request revised date: 2019-09-06

  Online published: 2020-06-15

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Copyright reserved © 2020.
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Abstract

In order to study the changes of soil physical and hydrothermal characteristics in mountainous rubber plantations under different management modes, seven treatments were set up in the field, including spraying herbicide (S), artificial weeding (A), green manure mulching(G), covering film (F), trench interception (T), comprehensive measures (M) and conventional control (CK). The soil physical properties, in-situ soil water and heat characteristics were measured regularly. The soil water content (SWC), in situ soil moisture content (SMC), soil bulk density (SBD), soil porosity (SP), soil density (SD), soil pH and other parameters under G, F and M treatment were all superior to that of T, S, A and CK. Soil temperature (ST) under F and M treatment was higher than that of other treatments, while ST was the lowest under G treatment. In situ soil conductivity (SC) of each treatment showed different trends. SC of M, F and G changed from low in dry season to high in rainy season, but there was no significant difference between the two seasons, and the SC of S, A, T and CK in dry season was significantly higher than that in rainy season. In a word, adopting multiple mulching modes can effectively inhibit soil evaporation, improve soil water holding capacity, help to improve soil structure, and have a good soil moisture conservation effect. Therefore, mulching treatment can be used as the main mode of soil optimal management in mountain rubber plantation.

Key words： mountain rubber plantation; management modes; soil physical properties; water thermal characteristics

Cite this article

YUAN Huifang , HUANG Jing , TIAN Yaohua . Soil Physical and Hydrothermal Characteristics of Mountain Rubber Plantation under Different Management Modes[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2020 , 41(5) : 1057 -1063 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.05.028

天然橡胶是重要的工业原料,橡胶树种植业已成为许多热带国家经济的重要组成部分[1]。中国适合橡胶树种植的区域并不大,主要集中在云南、海南和广东的部分地区,但目前普遍面临着宜植胶面积有限、水热分布不均、生产技术水平参差不齐等问题。研究表明,土壤性质和水热因子是影响作物生长发育与产量形成的关键因素[2]。例如,土壤水分作为作物生长发育的约束性条件,受到土壤耕作方式、种植方式及大气-土壤温度等因素的影响[3,4,5,6]。云南山地胶园存在着干、雨季降水分布不均的突出问题,研究不同管理方式对胶园土壤的影响、探索有效改善胶园土壤环境和缓解干旱的措施,是当今橡胶树种植业及天然橡胶产业可持续发展的必然任务。在天然橡胶市场价格较高时,人们为增加胶乳产量会积极应用很多农业管理措施以增加土壤肥力或改善土壤结构。例如在地表种植绿肥,增施各种肥料,以期望有效减少水土流失、保土保肥、保证生产效益。但随着近年来天然橡胶价格大跌,严重影响了农户的生产积极性,部分农户不愿意割胶和继续投入成本,对橡胶林疏于管理,严重影响了橡胶树的正常生长和产出。
近年来,国内外也有不少关于胶园管理方式的研究报道[7,8,9,10,11,12,13,14],但针对现有山地胶园多种管理方式的对比研究仍较匮乏。本研究拟以橡胶树种植管理过程中存在的主要问题为出发点,借鉴当前生产上主要推广应用的农业管理方式,对比各处理土壤物理和水热特性的变化情况,探索并评价各种管理方式的好坏优劣,为优化山地胶园土壤管理方式提供必要的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于云南省景洪市环城北路云南省热带作物科学研究所环境友好型生态胶园千亩试验示范基地（100°79°E,22°48°N）内进行。该地海拔约590~760 m,属于北热带西南季风气候,一年中有明显的干季（11月—次年4月）和雨季（5月—10月）之分,年平均气温21.5 ℃,年蒸发量1310.6 mm,≥10 ℃的年积温8100.4 ℃,年降雨量1161.8 mm,平均相对湿度85%[15]。
本研究为长期定位试验,试验材料为2012年7月定植的橡胶树品种‘云研77-2’和‘云研77-4’,株行距3 m×8 m,种植密度28~30株/667 m2,每株施有机肥5~10 kg/a、复合肥0.8 kg/a、钙镁磷肥1 kg作基肥。试验区面积约为1.22 hm2,土壤为砖红壤土,有机质29.13 g/kg,全碳17.24 g/kg,全氮1.86 g/kg,碱解氮58.6 mg/kg,速效磷18.41 mg/kg,速效钾137.5 mg/kg,pH 4.34。

1.2 试验设计

试验于2014—2018年进行,在田间布置了喷除草剂（S）、人工净除（A）、绿肥覆盖（G）、地膜覆盖（F）、壕沟截流（T）、综合措施（M）与常规对照（CK）共7种管理方式处理。试验为单因素随机区组设计,共设3个区组（图1）,每个区组有7个试验处理小区,每个试验处理小区有18株橡胶树,3次重复,合计7×18×3=378株。每个试验处理的具体措施见表1,其他田间管理措施均与常规对照一致。
图1 试验处理小区位置地形图

Fig. 1 Experimental treatment plot location topographic map

表1 试验处理描述

Tab. 1 Description of experiment treatments

处理
Treatments		 具体措施
Description of treatments
喷除草剂
（S）		 用除草剂取代人工除草,基本按4、6、8和10月共4次进行喷药
人工净除（A） 确保整个试验小区常年无杂草,基本按4、6、8和10月共4次进行人工除草
绿肥覆盖（G） 保护带种植大叶千斤拔（50 cm株行距）,田埂上种植白花灰叶豆（50 cm株行距）,视长势刈割2~3次/a
地膜覆盖
（F）		 在树冠滴水线下4个方向各开深50 cm,直径20 cm柱状坑,肥料均分4份施入,盖土,并整个植胶带面盖膜
壕沟截流（T） 保护带挖截留沟（宽40 cm,深40 cm,同小区长）。在树冠滴水线每隔1年加施保水剂（100 g/株）
综合措施（M） 将绿肥覆盖L、覆盖地膜F和壕沟截流T合并处理
常规对照（CK） 每年7和11月对保护带砍草并压青,每年4、6和8月进行带面锄草;每年5月对压青坑内施1次有机肥后并压青,每年5和10月施复合肥;每年11月植胶带面深翻20 cm

1.3 测定指标及方法

于2017年和2018年的干季（11月—次年4月）和雨季（5—10月）,分别选择样地内典型位置采集0~20 cm土样,进行室内土壤物理性质测定[16]。用铝盒烘干法测定土壤含水量（SWC）,用环刀法测定土壤容重（SBD）和土壤孔隙度（SP）,其中土壤孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)× 100%[17]。土壤pH值采用电位计法测定。利用土壤水分温度电导率仪（HH2+WET-2型,英国Delta-T Devices公司）原位测定0~20 cm土壤含水量、土壤电导率和土壤温度数据,每月月底测定1次,干、雨季各测定5次,每次重复取值3次。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件对试验数据进行统计分析。以单双因素方差（ANOVA）分析季节和管理方式因素对各项参数的影响,采用Duncan法进行多重比较（P<0.05）,干、雨季之间比较采用T检验,采用SigmaPlot 10.0软件完成绘图。

2 结果与分析

2.1 不同管理方式下干、雨季土壤的物理性质

由表2可知,干、雨季不同处理下的土壤含水量（SWC）变化趋势基本一致,G、F和M处理的SWC均高于T、A、S和CK,尤其G处理最高,其次是F和M处理,T、A、S和CK处理均低,且处理间无显著差异。所有处理的SWC均为雨季显著高于干季（P<0.05）;比较干、雨季不同处理下土壤容重（SBD）的变化,干季各处理的SBD与其SWC变化趋势正好相反,G、M和F处理的SBD均低于T、A、S和CK。而雨季各处理的SBD稍有不同,G处理明显最低,其次A、S、M和F处理居中,而CK和T处理的SBD最高。两季相比来看,干季S、A和G处理的SBD显著高于雨季,其他处理的SBD均为干季高于雨季,但其间无显著差异;比较干、雨季不同处理下土壤孔隙度（SP）的变化趋势稍有不同,干季G处理的SP最高,其次M、F和T的SP居中,其间均无显著差异,而S和CK的SP明显最低。雨季A处理的SP最高,其次是G、M、F、S和CK处理,T处理的SP显著低于G、A和M,而其他处理间无显著差异。两季相比来看,除了雨季T处理的SP明显低于干季外,其他处理的SP在两季间均无显著差异;比较干、雨季不同处理下土壤密度（SD）的变化趋势类似,干季CK处理的SD显著高于其他处理,而G处理的SD最低,但各处理间均无显著差异。雨季CK和S处理的SD均高于其他处理,但其间无显著差异。两季相比来看,所有处理的SD为干季高于雨季,而其间无显著差异;比较干、雨季不同处理下pH的变化,干季G、A和S处理的pH均显著高于T、F、M和CK处理,而其处理间无显著差异。雨季除了CK处理的pH明显最低外,G、A和M处理的pH均高于S、F和T处理,且其间无显著差异。两季相比来看,干季S、A和G的pH显著高于雨季,而其他处理间无显著差异。
表2 不同管理方式下山地胶园干、雨季土壤的物理性质

Tab. 2 Physical properties of soil in dry and rainy seasons under different management modes

季节Seasons 处理
Treatment		 土壤含水量
Soil water content/%		 土壤容重
Soil bulk density/(g·cm-3)		 土壤孔隙度
Soil porosity/%		 土壤密度
Soil density/(g·cm-3)		 土壤pH
Soil pH
干季 喷除草剂（S） 10.82±0.88cB 1.42±0.04bA 45.59±1.17abA 2.08±0.02bA 4.54±0.07aA
人工净除（A） 12.11±0.96bcB 1.53±0.03aA 46.44±1.38abA 2.08±0.04bA 4.66±0.08aA
绿肥覆盖（G） 14.59±0.33aB 1.31±0.02cA 49.13±1.14aA 2.03±0.03bA 4.67±0.03aA
地膜覆盖（F） 13.46±0.45abB 1.38±0.02bcA 47.67±0.82aA 2.07±0.02bA 4.22±0.04bcA
壕沟截流（T） 12.25±0.47bcB 1.40±0.03bA 47.32±1.35aA 2.06±0.03bA 4.31±0.08bA
综合措施（M） 14.25±0.29aB 1.36±0.02bcA 48.94±1.09aA 2.09±0.03bA 4.12±0.08bcA
常规对照（CK） 11.06±0.55cB 1.51±0.04aA 43.25±0.84bA 2.22±0.02aA 4.07±0.05cA
雨季 喷除草剂（S） 26.03±3.40bA 1.22±0.09aB 46.14±2.22abA 2.01±0.12aA 4.20±0.04abB
人工净除（A） 25.72±3.55bA 1.13±0.08abB 49.06±1.83aA 1.95±0.10aA 4.29±0.04aB
绿肥覆盖（G） 36.10±1.10aA 0.97±0.02bB 47.88±0.85aA 1.89±0.17aA 4.30±0.05aB
地膜覆盖（F） 29.09±3.37abA 1.30±0.06aA 46.21±1.07abA 1.99±0.13aA 4.19±0.03abA
壕沟截流（T） 26.96±5.03bA 1.34±0.11aA 42.42±1.06bB 1.94±0.20aA 4.19±0.02abA
综合措施（M） 27.42±3.32bA 1.26±0.09aA 47.94±1.33aA 1.98±0.11aA 4.30±0.07aA
常规对照（CK） 24.83±1.74bA 1.32±0.06aA 44.67±1.13abA 2.02±0.12aA 4.12±0.04bA

Note: Different lowercase letters represent significant differece among treatments in the same seasons (P<0.05); different capital letters represent significant difference among different seasons under the same treatments (P<0.05).

注:表中不同小写字母代表同季节下不同处理间显著差异（P<0.05）;不同大写字母代表同处理下不同季节间显著差异（P<0.05）。

2.2 不同管理方式下干、雨季原位的土壤含水量

由图2可见,干、雨季不同处理下原位测定的土壤含水量（SMC）变化趋势同上（SWC）基本一致,干季F处理的SMC均显著最高,其次是M和G处理,而A、S、T和CK相对较低,其处理间无显著差异。雨季F、G和T处理的SMC均高,其次M和CK,S和A的SMC低,同样其处理间无显著差异。两季相比来看,雨季各处理的SMC均显著高于干季。总之,从试验结果可见,干季F、M和G处理均明显提高了SMC,而其他处理间的SMC变化幅度不明显。雨季F、M和G处理的SMC较高,其次T和CK处理SMC也有提高,而S和A处理的SMC最低。
图2 不同管理方式下干、雨季橡胶林原位的土壤含水量

不同小写字母代表同季节下不同处理间显著差异（P<0.05）;不同大写字母代表同处理下不同季节间显著差异（P<0.05）。

Fig. 2 Soil moisture content in situ of rubber plantation in dry and rainy seasons under different management modes

Different lowercase letters represent significant difference among treatments in same seasons (P<0.05); different capital letters represent significant difference among different seasons under same treatments (P<0.05).

2.3 不同管理方式下干、雨季原位的土壤温度

由图3可见,干、雨季不同处理下原位测定的土壤温度（ST）变化趋势稍有不同,干季F处理的ST均显著最高,其次是M和CK处理,A、S、G和T的ST显著低于其他处理,且其处理间无显著差异。雨季F处理的ST明显最高,其次S和A的ST居中,G、T、M和CK的ST均低,其处理间无显著差异。两季相比来看,除了干、雨季F处理的ST间无显著差异外,其他处理均为雨季显著高于干季。从试验结果可见,干、雨季下F处理最明显提高了ST,而G处理的ST最低,其他处理的ST小幅度的上下变幅,其变化幅度不明显。
图3 不同管理方式下干、雨季橡胶林原位的土壤温度

不同小写字母代表同季节下不同处理间差异显著（P<0.05）;不同大写字母代表同处理下不同季节间差异显著（P<0.05）。

Fig. 3 Soil temperature in situ of rubber plantation in dry and rainy seasons under different management modes

Different lowercase letters represent significant differece among treatments in same seasons (P<0.05); different capital letters represent significant difference among different seasons under same treatments (P<0.05).

2.4 不同管理方式下干、雨季原位的土壤电导率

由图4可见,干、雨季不同处理下原位测定的土壤电导率（SC）变化趋势不一,干季T和CK处理的SC均显著最高,其次A、S、M和F的SC居中,其间无显著差异。G处理的SC明显最低,低于A和S处理,而其处理间无显著差异。雨季F和M处理的SC明显最高,其次是G处理,而S、A、T和CK最低,且其处理间无显著差异。两季相比来看,除了干、雨季G、F和M处理间无显著差异外,S、A、T和CK处理的SC均为干季显著高于雨季。从试验结果可见,M、F和G处理的SC从干季的最低转变成雨季的最高,而CK、T、A和S从干季的最高转变成雨季的相对较低。
图4 不同管理方式下干、雨季橡胶林原位的土壤电导率

不同小写字母代表同季节下不同处理间显著差异（P<0.05）;大写字母代表同处理下不同季节间显著差异（P<0.05）。

Fig. 4 Soil conductivity in situ of rubber plantation in dry and rainy seasons under different management

Different lowercase letters represent significant differece among treatments in same seasons (P<0.05); different capital letters represent significant difference among different seasons under same treatments (P<0.05).

3 讨论

3.1 不同土壤管理方式对土壤物理性质的影响

云南省的橡胶树大多种植于丘陵或山地,经常受季风气候的影响,每年雨季是红壤旱坡地储存土壤水分的关键阶段,干季是明显消耗土壤水分的主要时期。季节性干旱往往导致橡胶树生长不良,直接影响后期树体生长和产排胶[18,19]。本研究结果中,G、F和M处理的土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度的综合表现均优于其他处理,明显提高了土壤含水量,降低了土壤容重,改善了土壤孔隙度,这为橡胶树根系生长创造了疏松的土壤环境。干季所有处理的土壤密度高于雨季,但均无显著差异,这暗示了雨季土壤孔隙度大于干季,土壤通气性也优于干季,因为土壤密度的大小反映了土壤松紧状况,土壤密度越小,说明孔隙度大,排水性好。所有处理的土壤pH均小于5,显示为强酸性土壤,不同处理对土壤pH有不同程度影响,但变化不明显。综合比较处理G、F和M处理的效果最突出,这同多位研究学者的研究结果相似[20,21,22]。例如,间作绿肥或其他作物后,改善了土壤结构及水分状况;地膜覆盖可明显降低土壤水分的无效蒸发和热量散失,增温保墒,改变土壤的性质等。可见,采取适宜的覆盖模式与技术,能够明显缓解季节性干旱,促进农业生产的可持续发展。对于T、S和A处理,其优点或缺点在短期内尚未突显出来,还需要继续跟踪试验。对于S和A处理,虽然已表现出土壤含水量低、土壤容重大和土壤孔隙度低等趋势,但与其他处理间没有显著差异。关于生产上不合理的土壤管理方式的影响,也有报道[23,24,25]。例如,过度的人为扰动由于经常翻动土壤表层,使团粒结构遭到破坏,表现出保水保肥性差的趋势;喷除草剂最大的问题是会对土壤的微生态环境带来不可逆的破坏[26,27]。

3.2 不同土壤管理方式对土壤水热特性的影响

水热条件是影响作物生长发育最重要的因素[28]。本研究中原位的土壤含水量与室内测定的土壤水分特征结果基本一致。F、M和G处理的土壤含水量均高于其他处理,这表明覆盖能够有效减缓雨水对地表直接淋洗和冲击,增加水分入渗,提高土壤水分含量[29,30,31,32]。而S、A、T和CK处理的土壤含水量在干、雨季条件下变化幅度不一,这暗示了各处理对土壤水分的影响是很复杂的过程,不仅受土壤性质的影响,还受降雨特性和杂草控制等因素的影响[33]。例如,A处理由于经常翻动土壤,可能加快了土壤水分蒸发;S处理可能因为经常喷除草剂不利于水分入渗;T和CK处理的植胶带面,土壤经常裸露,也会导致土壤水分含量降低。
土壤温度作为土壤热状况的综合表征指标,受到大气温度、近地表空间热平衡特征、土壤持水状况及太阳辐射等因素影响[34]。本研究中几个处理的土壤温度相比较来看,F和M的土壤温度均高于其他处理,这表明地膜覆盖有增温效应,与前人研究结果基本一致[35,36]。而G处理土壤温度较低,这表明绿肥覆盖有明显的降温效应。总体来看,地膜覆盖能够明显改善土壤水热条件,但长期地膜覆盖可能会导致深层土壤水分得不到补充而出现明显的耗竭,引起根系上浮,不利于植物对土壤深层水分的吸收和利用。所以,生产上应用F处理要注意控制地膜覆盖时间,以及有效利用降雨。土壤电导率能不同程度地反映土壤中盐分和水分等参数的高低[37]。本研究中原位的土壤电导率在干、雨季变化趋势不一,M、F和G的土壤电导率从干季的最低转变成雨季的最高,这暗示了土壤中的盐分随着土壤水分蒸发及作物蒸腾作用向地表迁移,使地表盐分呈增加趋势。所有处理的土壤电导率均为干季高于雨季,表明干季时降雨偏少,使得上层土壤中增加了盐分等其他成分含量,进而增强了土壤电导率的分布;而在雨季时因降雨强度较大引起表层土壤淋溶以及土壤电导率分布比较离散等因素造成土壤电导率降低趋势,雨季随着降雨量的增加,土壤盐分被淋溶下渗至土壤剖面深层中[28, 38],而雨季M、F和G的土壤电导率无下降,这可能就是因为土壤表面覆盖而土壤没有受到强降雨的冲刷。因此,随着水分含量的波动,盐分也随之波动,当土壤水分缺失盐分有升高趋势,土壤水分充足盐分有降低趋势。
综合来看,本研究中各处理产生了不同的水热环境,而季节性气候变化是主要的影响因素。F、G和M处理的效果较好,不仅能防止水土流失,调节土壤温度,还能在各因素的共同作用下,改善土壤环境。在实际生产中,不可能通过一种土壤管理方式完全实现土壤环境的有效改善,需根据具体情况,因时因地制宜,吸收传统耕作和保护性耕作的精华,以“三保一护”（保土、保水、保肥和护根）为出发点,并适应当前生产形势探索绿色轻简方式,最终实现高产、高效、生态,安全的植胶生产。

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