綠肥阻控貴州山區(qū)坡耕地水土流失的應(yīng)用

朱 青, 崔宏浩, 張 欽, 林海波, 陳正剛, 曹衛(wèi)東

(1.貴州省土壤肥料研究所, 貴陽(yáng) 550006; 2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 貴陽(yáng) 550006;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081; 4.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)

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綠肥阻控貴州山區(qū)坡耕地水土流失的應(yīng)用

朱 青1,2, 崔宏浩1,2, 張 欽1,2, 林海波1,4, 陳正剛1,2, 曹衛(wèi)東3

(1.貴州省土壤肥料研究所, 貴陽(yáng) 550006; 2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 貴陽(yáng) 550006;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081; 4.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)

通過田間試驗(yàn)，研究綠肥阻控坡地水土流失，對(duì)土壤覆蓋度、土壤侵蝕量、土壤水分及作物產(chǎn)量的影響，探索利用綠肥阻控坡地水土流失規(guī)律及技術(shù)。結(jié)果表明：種植和翻壓綠肥能減少地表徑流和土壤侵蝕量，提高旱坡地覆蓋度，與對(duì)照組相比，苕子—玉米+菜豆模式在雨季減少地表徑流62.6%，減少土壤侵蝕量78.4%，提高旱坡地覆蓋度52.1%～66.7%。與對(duì)照相比，苕子—玉米處理玉米籽粒增產(chǎn)35.3%，秸稈增產(chǎn)34.1%，苕子—玉米+菜豆處理玉米籽粒增產(chǎn)25.8%，玉米秸稈增產(chǎn)39.7%，同時(shí)收獲菜豆814.5 kg/hm2，菜豆桿1 006.5 kg/hm2。種植和翻壓綠肥能夠在雨量充沛時(shí)，減少水土流失，增強(qiáng)土壤的蓄水能力，雨量較少時(shí)能促進(jìn)土壤提供作物水分，最終使得作物增產(chǎn)。

坡耕地; 土壤侵蝕量; 綠肥; 覆蓋度; 土壤水分

貴州省土地面積17.6萬(wàn)km2，山地和丘陵占全省土地面積的97%[1]，平均海拔1 100 m，地形復(fù)雜，是全國(guó)唯一沒有平原支撐的省份[2]。全省有耕地4 770 413 hm2，占全省土地面積的27.1%，其中水田1 377 808 hm2，旱耕地3 392 605 hm2。由于喀斯特(Karst)地貌的特殊性，決定了貴州有較大面積的坡耕地，且主要集中在6°～25°，這個(gè)坡度的耕地占全省耕地總面積的61%，≥15°的坡耕地占耕地總面積的50.5%[2]。坡耕地作為貴州耕地資源的重要組成部分，農(nóng)耕坡地已經(jīng)成為水土流失的主要來(lái)源[2-3]。水土流失還會(huì)造成坡耕地嚴(yán)重的養(yǎng)分流失[4]，使耕地質(zhì)量下降、生態(tài)環(huán)境惡化，最終制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、限制經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，對(duì)貴州實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)難度。

貴州地處西南地區(qū)，碳酸鹽類巖石分布面積大、范圍廣，是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，季節(jié)性干旱問題突出[5]，其雨季主要集中在5—9月份[6]。防止水土流失，提升土壤肥力，提高土壤蓄水量，成了坡耕地治理的關(guān)鍵所在。而怎么能省時(shí)省力且高效的達(dá)到預(yù)期目的，成了我們課題的研究方向。因此，在雨季采取合理的水土保持措施，對(duì)于減少坡耕地的水土流失會(huì)有顯著的成效[7-11]。結(jié)合以往的研究成果，如尹迪信等[12]研究發(fā)現(xiàn)植物籬(綠籬)逐步梯化技術(shù)能使土壤侵蝕由傳統(tǒng)的年均43.2 t/hm2迅速下降到4 t/hm2，并增加年均水分保蓄量360 m3/hm2，使作物產(chǎn)量逐年增加；林超文等[13]研究表明植物籬對(duì)坡耕地籬前提升肥力，籬下降低肥力，坡耕地施肥時(shí)可以適當(dāng)減少P的施用量，增加有機(jī)物和K的施用量；綠肥作為一種重要的有機(jī)肥，對(duì)生態(tài)效應(yīng)、土壤理化性質(zhì)、土壤生物等方面都產(chǎn)生了一定的作用[14-17]。光葉紫花苕子作為豆科綠肥，是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，抗寒性強(qiáng)于紫云英、箭碗，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)苕子幼苗的越冬率很高。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了苕子—玉米和苕子—玉米+菜豆模式與冬閑—玉米進(jìn)行對(duì)照，來(lái)研究坡耕地水土流失情況及土壤蓄水能力。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試玉米品種為農(nóng)大108，供試肥料為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K 60%)，綠肥為光葉紫花苕子和矮生菜豆(夏季)。

1.2試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2010年9月至2011年12月在貴州山區(qū)羅甸的坡耕地上進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處106°46′E，25°26′N，海拔630 m左右，坡向朝南，坡度21°，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候。供試土壤黃紅壤，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏土。根據(jù)貴州省土壤養(yǎng)分含量分級(jí)參考指標(biāo)，供試土壤全鉀含量豐富，而有效鉀含量較低(表1)。

表1　試驗(yàn)區(qū)耕層土壤理化性質(zhì)

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，無(wú)重復(fù)。各小區(qū)投影面積21 m×5 m=105 m2，徑流場(chǎng)內(nèi)坡度統(tǒng)一為21°。四周用水泥板隔開，底部下端設(shè)置集流槽和集流池。觀測(cè)區(qū)安裝有自記雨量計(jì)、自動(dòng)氣象觀測(cè)儀。處理分別為：冬閑—玉米(CK)；苕子—玉米(T1)；苕子—玉米+夏季綠肥(T2)。

1.3.1田間試驗(yàn)作物種植供試玉米品種為農(nóng)大108月，4月直播，9月收獲，采用寬窄行種植，寬行1.00 m，窄行0.50 m，株距0.25 m，單株種植。綠肥為光葉紫花苕子于9月直播，在玉米的寬行間種植2行，采用條播，用種量30 kg/hm2，行距0.5 m。夏季綠肥為矮生菜豆，與玉米同時(shí)播種，在玉米的行間種植2行，株行距0.25 m×0.5 m，單株種植，8月收獲。各處理玉米和綠肥均采用橫坡種植。

1.3.2田間試驗(yàn)施肥量玉米施肥量：尿素587(N270.0) kg/hm2，過磷酸鈣656(P45.9) kg/hm2，氯化鉀175(K87.2) kg/hm2；磷、鉀肥作基肥，氮肥作追肥分兩次施入。苕子—玉米和苕子—玉米+菜豆處理，施入光葉紫花苕子鮮重15 000 kg/hm2，于4月翻壓苕子作玉米的肥料，翻壓15 d后種植玉米。光葉紫花苕子和矮生菜豆不施肥。

1.4樣品采集和數(shù)據(jù)測(cè)定

泥砂樣品在每次土壤侵蝕發(fā)生時(shí)采集，同時(shí)測(cè)定泥砂量，計(jì)算雨季泥砂總量。徑流樣品在每次徑流發(fā)生時(shí)采集，同時(shí)測(cè)定徑流量，計(jì)算雨季徑流總量。用圖斑法測(cè)定地表覆蓋度。

土樣采集：于開展試驗(yàn)前，每區(qū)按照S形隨機(jī)取0—20 cm耕作層作為混合土樣，風(fēng)干、研磨過0.25 mm篩和2 mm篩，用于土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定。用差重法測(cè)定0—10，10—20，20—30 cm土壤水分。

土樣測(cè)定：包括土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值等。有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀—外加熱法；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法；速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提比色法；速效鉀含量采用CH3COONH4浸提火焰光度法；pH采用水土比1∶2.5的電位法。

玉米產(chǎn)量：玉米成熟后對(duì)各小區(qū)進(jìn)行單打單收，分區(qū)考種計(jì)產(chǎn)。

2　結(jié)果與分析

2.1旱坡地地表徑流量

試驗(yàn)區(qū)雨季降雨量為844 mm，分布不均勻，以6—7月降雨量較多，占雨季降雨量的86.1%。地表徑流量與降雨量成正相關(guān)關(guān)系，在6—7月產(chǎn)生的地表徑流最多，占雨季地表徑流的93.4%～94.3%。

坡地地表徑流與種植模式有關(guān)，T1，T2較CK減少地表徑流，T1在5—9月較CK減少地表徑流31.6%,T2在5—9月較CK減少地表徑流62.6%(表2)。

表2　雨季各月降雨量及旱坡地地表徑流量

通過試驗(yàn)表明，旱坡地地表徑流與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)在5—8月，隨著降雨量的增加，地表徑流占降雨量的百分比也會(huì)增加。9月份玉米(菜豆)成熟，作物莖葉開始變黃枯萎，作物根系固力作用減弱，雖然降雨量較小，但是坡地的保水能力減弱，阻控地表徑流的效果降低，導(dǎo)致9月份地表徑流量相對(duì)較大，當(dāng)月地表徑流占降雨量的百分比出現(xiàn)大于5月、8月的效果(表3)。

表3　雨季各月地表徑流量占降雨量的百分比

2.2旱坡地土壤侵蝕量

土壤侵蝕量與降雨量成正相關(guān)關(guān)系，在6—7月產(chǎn)生的土壤侵蝕量最多，占雨季土壤侵蝕量的89.8%～96.2%。

旱坡地土壤侵蝕量與種植模式有關(guān)，T2，T1比CK土壤侵蝕量小，T1在5—9月較CK減少土壤侵蝕量62.4%,T2在5—9月較CK減少土壤侵蝕量78.4%。試驗(yàn)說明，利用旱坡地耕作的同時(shí)，種植和翻壓綠肥可明顯減少土壤侵蝕量62.4%～78.4%，T1和T2模式都是阻控貴州山區(qū)坡耕地水土流失的有效技術(shù)(表4)。

2.3旱坡地覆蓋度

綠肥作為一種重要的有機(jī)肥料，其在減少化肥用量、提高作物產(chǎn)量、培肥土壤地力等方面起到了積極的作用。

表4　雨季各月降雨量及旱坡地土壤侵蝕量

種植并翻壓綠肥增加了土壤養(yǎng)分，促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)，使坡地覆蓋度增加，由表可知，T2覆蓋度最大。在雨季T1較CK覆蓋度提高18.8%～37.0%;T2較CK覆蓋度提高52.1%～66.7%。CK在5—7月覆蓋度有所增加，7—9月覆蓋度變化不明顯，T1和T2地表覆蓋度都有先增后減的趨勢(shì)，這與作物生理周期有關(guān)，7月，8月份作物生長(zhǎng)旺盛使地表覆蓋度達(dá)到最大值，9月份作物成熟，莖葉開始干枯，坡地覆蓋度減小。由表可知，旱坡地地表覆蓋度，不僅與作物的種植模式有關(guān)，還受作物生長(zhǎng)周期的影響(表5)。

表5　雨季各處理旱坡地覆蓋度及應(yīng)用綠肥覆蓋度的增加率

2.4旱坡地土壤水分

經(jīng)過直線相關(guān)性分析，可知降雨量與T2處理坡地0—10 cm和20—30 cm土壤水分呈顯著正相關(guān)(r=0.918*，p=0.028；r=0.909*，p=0.032)；降雨量與T1處理10—20 cm土壤水分呈顯著正相關(guān)(r=0.938*，p=0.019)。5—7月份，T2處理0—30 cm土層土壤水分最大，其次是T1處理，CK處理最小。因?yàn)?—7月份降雨量大，更容易產(chǎn)生地表徑流。T2處理的地表覆蓋度相對(duì)較大，作物的根系也就較多，減小地表徑流，減弱土壤侵蝕量，使土壤持水力增強(qiáng)，相對(duì)另外兩個(gè)處理土壤水分有所增加。T1處理經(jīng)過綠肥的種植翻壓，相對(duì)CK土壤肥沃，土質(zhì)疏松，提高土壤持水力，且有利于玉米的生長(zhǎng)，增加地表覆蓋度，土壤水分相對(duì)冬閑—玉米處理較多。7—9月份各土層土壤水分出現(xiàn)了不同的變化，這主要是由降雨量、地表覆蓋度、作物需要等因素影響的結(jié)果。

2.4.1坡地0—10 cm土壤水分在5—8月份T2處理旱坡地0—10 cm土壤水分明顯高于另外兩個(gè)處理，同時(shí)6—9月份T2和T1處理，0—10 cm土壤水分都處于減小的趨勢(shì)，而CK處理，土壤水分處于先增后減的趨勢(shì)，除了降雨量、地表覆蓋度的因素，還受作物生理周期的影響，這期間T2和T1處理作物生長(zhǎng)旺盛，需水量較多，降雨不足的情況下，作物要吸收土壤中的水分以補(bǔ)充自己的生長(zhǎng)需要，最終在8—9月份三個(gè)處理0—10 cm土壤水分基本相同(圖1)。

圖1　雨季坡地0-10 cm土壤水分

2.4.2坡地10—20 cm土壤水分在8—9月份，T2處理10—20 cm土壤水分最少，其次是T1，CK土壤水分最多。因?yàn)樵?—9月份降雨量較少，當(dāng)降雨量不足時(shí)，作物生長(zhǎng)會(huì)從土壤中吸收水分，導(dǎo)致8—9月份T2處理土壤水分最少，在菜豆收獲以后T2處理20—30 cm土壤水分有回升趨勢(shì)；T1處理中玉米長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)CK旺盛，雖然玉米為須根系，但是10—20 cm的土壤水分，依然能夠利用，故而降雨較少的月份，玉米在生理需要及蒸騰作用下，吸收10—20 cm土壤水分，就形成了T1處理10—20 cm土壤水分低于CK的效果(圖2)。

2.4.3坡地20—30 cm土壤水分在8—9月份T2處理20—30 cm土壤水分最低，因?yàn)椴硕故侵备底魑铮渖L(zhǎng)發(fā)育能夠利用坡地20—30 cm的土壤水分，8—9月份降雨較少，菜豆生長(zhǎng)需較多水分，故而T2處理20—30 cm土壤水分最少，且在8月份菜豆收獲以后20—30 cm土壤水分有回升的趨勢(shì)；8—9月份T1處理20—30 cm土壤水分相對(duì)CK較多，是因?yàn)門1處理土壤持水力較大，且玉米為須根系作物，其生長(zhǎng)過程中所需水分主要來(lái)自于0—20 cm土壤層，因此T1處理20—30 cm土壤水分相對(duì)CK較多(圖3)。

圖2　雨季坡地10-20 cm土壤水分

圖3　雨季坡地20-30 cm土壤水分

2.5作物產(chǎn)量

種植和翻壓綠肥都能提高玉米產(chǎn)量。與CK相比，T1處理提高玉米籽粒35.25%，提高玉米秸稈34.1%；T2處理提高玉米籽粒25.8%，提高玉米秸稈39.7%，另外收獲菜豆814.5 kg/hm2，菜豆桿1 006.5 kg/hm2。T2處理，玉米籽粒產(chǎn)量低于T1處理，玉米秸稈產(chǎn)量高于T1處理，因?yàn)椴硕沟姆N植會(huì)與玉米產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，使得玉米成熟所需的部分養(yǎng)分吸收受限，同時(shí)菜豆作為豆科植物，其根具有固氮作用，為土壤提供了豐富的N源，促進(jìn)玉米秸稈生長(zhǎng)(表6)。

表6　綠肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響

3　結(jié) 論

3.1綠肥能阻控坡地水土流失并提高土壤蓄水力

由于綠肥的種植，能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，為土壤提供適宜微生物生長(zhǎng)的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[17]，增加土壤C庫(kù)[18]，影響土壤N、P、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量[19-20]，降低土壤容重[15]，有利于土壤向健康良性方向發(fā)展，最終有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量。同時(shí)，由試驗(yàn)可知，種植和翻壓綠肥能夠減小地表徑流量，減弱土壤侵蝕力，提高坡地覆蓋度，防止坡地水土流失。

種植和翻壓綠肥能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[15]，增加土壤孔隙度，提高其蓄水能力[14]，同時(shí)種植綠肥能夠增加土壤中的根系，使得根系固土作用增強(qiáng)，降低土壤侵蝕，保持土壤肥力[7]。連年翻壓綠肥能夠降低土壤緊實(shí)度，并增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[16]。在貴州雨季坡地試驗(yàn)中，種植和翻壓綠肥能夠提高土壤水分，這與前人研究得到的種植和翻壓綠肥能夠增加土壤孔隙度，提高土壤持水力，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等作用密不可分，進(jìn)一步說明種植和翻壓綠肥具有提高土壤蓄水力的作用。

3.2種植和翻壓綠肥提高玉米產(chǎn)量

種植綠肥能提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，增加作物產(chǎn)量。其中苕子—玉米處理，玉米籽粒產(chǎn)量最高，比冬閑—玉米處理增產(chǎn)35.3%，玉米秸稈增產(chǎn)34.1%；苕子—玉米+菜豆處理，玉米籽粒增產(chǎn)25.8%，玉米秸稈增產(chǎn)39.7%，同時(shí)收獲814.5 kg/hm2的菜豆和1 006.5 kg/hm2的菜豆秸稈。菜豆與玉米產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，菜豆的生長(zhǎng)會(huì)吸收玉米成熟所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致玉米籽粒部分營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足，因此套種菜豆以后，玉米籽粒減產(chǎn)；同時(shí)菜豆作為豆科植物，能夠固定空氣中的N素，為玉米提供N源，能促進(jìn)秸稈生長(zhǎng)，提高玉米秸稈產(chǎn)量。

在實(shí)際生產(chǎn)中，種植和翻壓綠肥有助于提高旱坡地土壤有機(jī)質(zhì)，提升土壤肥力，不僅提高坡地玉米產(chǎn)量，同時(shí)還能夠減少地表徑流，防止土壤侵蝕，增加土壤持水力，為坡地的可持續(xù)高效利用提供保障。

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The Application of Green Manure Controlling Soil Erosion of Slope Farmland in Guizhou Mountain Area

ZHU Qing1,2, CUI Honghao1,2, ZHANG Qin1,2, LIN Haibo1,4, CHEN Zhenggang1,2, CAO Weidong3

(1.Guizhou Institute of Soil and Fertilizer, Guiyang, Guizhou 550006, China; 2.GuizhouInstituteofAgriculturalResourcesandEnvironmentScience,Guiyang,Guizhou550006,China;3.InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China; 4.CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)

Using the field plot test, we had investigated the soil erosion on sloping lands in which the green manure was grown, observed the impact on soil coverage, soil moisture, soil water content and the crop yield. We hope to seek for the rule to control the soil erosion with green manure. The results showed that planting and incorporation of green manure could reduce the overland runoff and the amount of soil erosion and improve the dry slope land coverage. Compared with control, common vetch-corn and bean was the best planting pattern, which could reduce the surface runoff by 62.60% and the soil erosion by 78.4%, improve the dry slope land coverage by 52.08%～66.67%. Compared with control, the vetch-corn pattern could improve the corn grain by 35.25% and straw yield by 34.08%. Meanwhile, the common vetch-corn and bean pattern could improve the corn by 25.8% and straw yield by 39.7%. In addition, the bean and straw were 814.5 kg/hm2and 1 006.5 kg/hm2, respectively. In conclusion, planting and incorporation of green manure can reduce the soil erosion and increase soil water storage ability when it is abundant in rainfall. On the country, it could increase the yield, and enhance the soil to supply more water when there is less rainfall.

slope farmland; amount of soil erosion; green manure; coverage; soil moisture

2015-01-22

2015-05-06

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201103005);貴州省國(guó)際科技合作計(jì)劃(黔科合外G字[2010]7035號(hào));貴州省創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目(黔科合院所創(chuàng)能[2011]4002號(hào));貴州省科技廳《貴州省農(nóng)業(yè)資源高效利用技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)》(黔科條中補(bǔ)地[2012]4003號(hào))；農(nóng)業(yè)部《貴州省耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)驗(yàn)站》(黔科平臺(tái)[2013]4002號(hào))

朱青(1962—),女,貴州貴陽(yáng)人,博士,研究員,主要從事自燃資源及環(huán)境生態(tài)研究。E-mail:zhuqing_gy@tom.com

陳正剛(1967—),男,貴州石阡人,本科,研究員,主要從事自然資源與環(huán)境生態(tài)研究工作。E-mail:gzchzg@126.com

S142; S157

A

1005-3409(2016)02-0101-05