盧旺達(dá)高原坡地水土流失的研究與對策

胡應(yīng)平，林占森，林冬梅，林應(yīng)興，林興生，羅曉芬，陳曉斌，林占熺*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)國家菌草工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)菌草研究所，福建 福州 350002)

【研究意義】盧旺達(dá)共和國位于非洲中東部赤道南側(cè)，內(nèi)陸國家，南緯1°～3°，東經(jīng)28°～31°。國土面積26 338 km2。地勢西高東低，多山地和高原,海拔平均1400 m。大部地區(qū)屬熱帶高原氣候和熱帶草原氣候，年平均氣溫約16～18 ℃。全年分為旱季和雨季，年平均降水量為1000～1400 mm。【前人研究進(jìn)展】盧旺達(dá)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)差，主要收入靠農(nóng)業(yè)，全國80 %以上的人從事農(nóng)業(yè)相關(guān)活動(dòng)，適宜耕作的土地日趨嚴(yán)重,全國80 %以上的人從事農(nóng)業(yè)相關(guān)活動(dòng)，適宜耕作的土地日趨嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)用地占74.5 %，可耕作地占 47 %,永久牧場占17.4 %[1-2]。因盧旺達(dá)地貌被稱為“千丘之國”，人口密度高，人口1200多萬，平均每平方公里432人，以及長期以來傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作和為獲取燃料而砍伐森林造成了嚴(yán)重的水土流失。森林面積從1930年的30 %下降到2010年的8.9 %[3]。16 %～40 %的土地是陡峭的斜坡，容易遭受土壤侵蝕，每年損失140萬噸肥沃的土壤。63 %的灌溉區(qū)在山坡上主要依靠降雨，而在旱季，由于水分不足，生產(chǎn)力下降，最終導(dǎo)致濕地退化[4-5]。對此，盧旺達(dá)政府十分重視水土保持工作，2006年盧旺達(dá)政府向中國福建農(nóng)林大學(xué)引進(jìn)菌草技術(shù)和水土保持項(xiàng)目, 2008年中盧兩國成立了中國援盧旺達(dá)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范中心項(xiàng)目。菌草技術(shù)是包括菌草種植、運(yùn)用菌草栽培食(藥)用菌以及菌料加工等綜合性新技術(shù)[6]。【本研究切入點(diǎn)】本文通過收集數(shù)據(jù)，分析當(dāng)?shù)厮亮魇У奶卣鳎Y(jié)合菌草技術(shù)的應(yīng)用與研究，試圖找出一條既能有效解決水土流失問題又能幫助農(nóng)戶增收的方法或措施以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。【擬解決的關(guān)鍵問題】對盧旺達(dá)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義，乃至對其他非洲國家實(shí)現(xiàn)山地資源、保護(hù)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要借鑒意義。

表1 不同栽培模式標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)地

品種：巨菌草(PennisetumLIN．)， 是由福建農(nóng)林大學(xué)林占熺研究員采用系統(tǒng)選育法培育出的一種菌草，后經(jīng)改良培育成的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菌草[7]。巨菌草是禾本科狼尾草屬的熱帶地區(qū)為多年生C4植物，適宜在熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)生長，一次種植可多年多次收割，收割部分既可以直接用作草食動(dòng)物牛、羊和鹿等的優(yōu)質(zhì)綠色安全草飼料[8-9]，又可以作為栽培香菇、靈芝等食、藥用菌的培養(yǎng)料[10]。2006年，中國專家通過合法手續(xù)從中國福建農(nóng)林大學(xué)菌草研究所引種一年生的巨菌草莖段(含兩節(jié)莖段)到盧旺達(dá)，以扦插方式進(jìn)行種植，并通過繁殖建立草圃資源庫。大豆是從本地市場上采購。

試驗(yàn)地：盧旺達(dá)南方省魯博納(RUBONA sector, southern province of Rwanda)，經(jīng)緯度2°31′0″S, 29°42′0″E。

1.2 坡面徑流小區(qū)布置

選擇試驗(yàn)區(qū)地面坡度為12°，坡向南偏西，土壤為沙質(zhì)紅壤。2010年12月14日，共設(shè)置3個(gè)處理小區(qū)，其水平投影長度為20 m，寬度為5 m，面積各為100 m2。各小區(qū)四周用水泥砌磚成墻，墻高出地面15 kg。集水槽、集水池(收集徑流)位于徑流場下方擋水墻連接處，集水池用水泥砌好長2 m，寬1 m，高1 m。距水池底30 cm處設(shè)有一個(gè)直徑為3 cm的排水管，平時(shí)用木塞堵住排水管防止漏水，對著排水管延山坡方向向下挖出排水溝以方便收集水。池口上方日常用鐵皮蓋蓋住。處理1設(shè)為對照組，即采用當(dāng)?shù)亍皞鹘y(tǒng)栽培農(nóng)作物”模式——順坡種植，處理2為“等高線種植巨菌草”模式，處理3為“等高線種植巨菌草活籬笆+梯田套種農(nóng)作物”模式。3種模式具體布設(shè)見表1。

1.3 徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測

根據(jù)實(shí)際下雨情況，選擇下雨量較多的時(shí)候進(jìn)行觀測，組織人員收集徑流水，待雨水收集完，晾干后再用口袋收集池中土壤，現(xiàn)場稱重，記錄數(shù)據(jù)，稱完后放回原來的池中。并隨機(jī)取3份土壤樣，拿回實(shí)驗(yàn)室稱重并烘干，記錄土壤干重?cái)?shù)據(jù)。烘干后的土樣放回集水池以便不影響下次取樣。從2011年6月1日開始定期測定集水池的水流失量和土壤流失量。本次試驗(yàn)水流量測定時(shí)水中含有一些渾濁泥沙，但不影響本次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，不能代表全年的水流失量。

1.4 氣候因子數(shù)據(jù)收集

氣候相關(guān)數(shù)據(jù)由意大利LSI公司生產(chǎn)的SP1000監(jiān)測儀收集。

1.5 土壤養(yǎng)分測定

在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)上、中、下各取3個(gè)土樣，進(jìn)行測定N/P/K含量，具體做法是距土壤表層20 cm處進(jìn)行取樣。樣本委托盧旺達(dá)南方省農(nóng)委土壤分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析方法

單因子方差分析和多重比較等統(tǒng)計(jì)分析均采用DPS 軟件完成。

圖1 魯博納地區(qū)近年來氣候空氣溫度變化趨Fig.1 Air temperature change trend at Rubona

圖2 魯博納地區(qū)近年來氣候降雨量變化趨勢Fig.2 Precipitation change trend at Rubona

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量特征分析

2.1.1 試驗(yàn)地區(qū)的氣候分析 從各年份月均降雨量(圖1)看，降雨量最多是在2012年4-5月，降雨量超過200 mm，處于大旱季7-8月份降雨量最低，降雨量接近于零。雨季和旱季在降雨量方面差異表現(xiàn)顯著。月均降雨量與月均日照時(shí)間呈現(xiàn)相反趨勢(圖2)。試驗(yàn)地的氣溫月均溫度在18～20 ℃(圖3)，太陽輻射在250 000 W/m2以上(圖4)。

2.1.2 試驗(yàn)小區(qū)的降雨量分析 按2011年6月11日，2011年11月15日，2012年4月18日，2012年10月30日，2013年4月24日各收集1次降雨量，記錄，并計(jì)算相對減少雨水量流失率(表2)。

若以取樣時(shí)間為重復(fù)單元的話，求其平均值，則傳統(tǒng)栽培農(nóng)作物模式(CK)平均雨水流失量為0.5611 m3。等高線種植巨菌草模式平均雨水流失量為0.0947 m3，相對對照組而言其雨水流失率平均值減少82.39 %。等高線種植菌草活籬笆+梯田套種農(nóng)作物模式平均雨水流失量為0.1357 m3，相對對照組而言其雨水流失率平均值減少74.64 %。經(jīng)Duncan多重比較方差分析，處理1(CK)與其他2個(gè)處理在雨水流失量方面差異極顯著(1 %水平顯著性)。處理2～3在雨水流失量方面差異不顯著。其中，2012年4月雨水流失量最多，原因是與該月強(qiáng)降雨水直接相關(guān)。

圖3 魯博納地區(qū)近年來氣候日照時(shí)間(h)變化趨勢Fig.3 Change trend of sunshine time at Rubona

圖4 魯博納地區(qū)近年來氣候太陽輻射變化趨勢Fig.4 Change trend of solar radiation at Rubona

2.2 不同栽培模式徑流場產(chǎn)沙特征分析

待雨水量收集完，晾干后收集集水池的土壤，每個(gè)集水池濕土壤全部用口袋取出，現(xiàn)場稱重做記錄。然后每個(gè)集水池取樣3份，帶回實(shí)驗(yàn)室電子秤平稱濕重，烘干機(jī)保持105 ℃氣溫烘干72 h處理，稱干重求平均值，然后折算每個(gè)集水池的土壤干重流失量。數(shù)據(jù)分析見表3。

研究對比，結(jié)果顯示每個(gè)處理中集水池的泥沙流失量隨時(shí)間呈現(xiàn)遞增趨勢。 2012年10月至2013年4月期間土壤流失量變化達(dá)到最大，濕土壤流失量變化達(dá)264.8 kg，干土壤流失量變化166.8 kg。以取樣時(shí)間為重復(fù)單元進(jìn)行方差分析，求其平均值。得出處理1土壤干重流失量為94.83 kg，處理2土壤干重流失量為2.2 kg，處理3土壤干重流失量為7.03 kg。處理1(CK)與處理2、處理3在土壤干重流失量方面差異極顯著(1 %水平顯著性)，而處理2核與處理3間差異不顯著。相對 “傳統(tǒng)栽培農(nóng)作物”模式而言，其他2個(gè)處理的相對減少土壤干重流失率大致呈現(xiàn)遞增趨勢。以相對減少土壤干重流失率數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均，得出以“等高線種植巨菌草”模式干土壤流失率減少96.26 %，以“等高線種植巨菌草活籬笆+梯田套種農(nóng)作物”模式干土壤流失率減少90.4 %。

表2 不處理不同時(shí)期雨水徑流量以及減流率分析

表3 不同時(shí)期3種模式土壤流失的濕重和干重以及流失率分析

表4 不同栽培模式集水池中的土壤養(yǎng)分流失情況分析

2.3 不同栽培模式徑流場集水池土壤營養(yǎng)成分分析

2013年4年28日對不同處理試驗(yàn)區(qū)距表層土20 cm處進(jìn)行土壤取樣，上、中、下隨機(jī)各取1次，帶回實(shí)驗(yàn)室分析，委托盧旺達(dá)南方省農(nóng)委土壤試驗(yàn)分析室測定土壤相關(guān)養(yǎng)分，測定土壤有機(jī)質(zhì)碳、總氮、有效磷和鉀方面的含量，求其平均值(表4)。

結(jié)果表明，“等高線種植巨菌草”模式(處理2)和“等高線種植巨菌草活籬笆+梯田套種農(nóng)作物”模式(處理3)在有效磷、鉀含量方面與“傳統(tǒng)栽培農(nóng)作物”模式(處理1)差異極顯著(1 %水平顯著性)；在有機(jī)質(zhì)碳方面，各處理間差異顯著(5 %水平顯著性)，其中“等高線種植巨菌草”模式有機(jī)質(zhì)碳含量最高，達(dá)2.9 %。在總氮含量方面，各處理間差異不顯著。由此可推斷，種植巨菌草具有改善土壤肥力的潛力。但試驗(yàn)地所測得的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)偏低，參照土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)(表5)屬于極端缺乏，說明原本土壤肥力非常貧瘠，實(shí)際上是砂石偏多。

2.4 等高線種植巨菌草生物性狀特征分析

分別從上、中、下各取16 m2(5 m×3.2 m)的樣地，收割巨菌草，測定產(chǎn)量。每個(gè)樣地取30株測定單株高、地徑等性狀，求其平均值(表6)。

表5 土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)

注：全國第二次土壤普查暫行技術(shù)規(guī)程，1979。

Note: Interim technical regulations for the second national soil census, 1979.

表6 試驗(yàn)處理2等高線種植巨菌草性狀分析表

試驗(yàn)所在地土壤砂石偏多，但從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出巨菌草生長依然良好，平均單季巨菌草鮮重約為666.67 m2×18.38 kg/m2=12 253.39 kg，分蘗數(shù)多，生物量大，巨菌草根系發(fā)達(dá)，盤結(jié)交錯(cuò)，根系長達(dá)1.5 m，根扎土壤深度達(dá)0.65 m，對水土保持具有良好的作用。

3 討 論

降雨量最多是在2012年4-5月，降雨量超過200 mm,導(dǎo)致該期間的水土流失迅速加大，雨季時(shí)期的降雨量和強(qiáng)度加劇了當(dāng)?shù)厮亮魇?yán)重的問題，不合理的耕作方式加速了水土流失的程度。而巨菌草具有良好的保持水土能力，通過種植巨菌草和梯田開墾，可以大幅度地減少水土流失。巨菌草生物量大，單季667 m2產(chǎn)鮮草12.25 t，利用菌草技術(shù)，把1年生的巨菌草作為栽培食用菌的原料，以平菇為例，1 kg的干巨菌草原料可轉(zhuǎn)化成0.8～1 kg的鮮菇，單季667 m2產(chǎn)鮮草12.25 t按1年生的巨菌草含水率80.38 % 算，可獲得2.4 t干重的食用菌栽培原材料[11]，可轉(zhuǎn)化1.92～2.4 t的鮮平菇，種植完食用菌的廢菌料可充當(dāng)有機(jī)肥，提高農(nóng)作物生產(chǎn)力。巨菌草用來生產(chǎn)紫孢平菇出售時(shí)，大豆與菌草混種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益是大豆單種系統(tǒng)的6.3倍[12]。 種植巨菌草保持水土，同時(shí)發(fā)展畜業(yè)，尤其是生長3個(gè)月時(shí)左右的巨菌草粗蛋白含量高，其粗蛋白含量與玉米秸稈的粗蛋白含量(8 %～9 %)相當(dāng)，是值得推廣的飼草[13]。該措施可配合當(dāng)?shù)卣雠_的“一農(nóng)戶一頭牛”的政策，在當(dāng)?shù)胤N植巨菌草一年可實(shí)現(xiàn)2～3季收割，用草種菇、養(yǎng)畜，不僅為當(dāng)?shù)孛癖娞峁﹥?yōu)質(zhì)菌物蛋白和肉類蛋白攝入量，改善居民飲食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提高人們健康生活水平，還可幫助農(nóng)戶提高收入，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)良好、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的局面。

4 結(jié) 論

本研究表明，采用等高線種植巨菌草和開墾梯田方式可以有效地減少水土流失。相對“傳統(tǒng)栽培農(nóng)作物”模式而言，“等高線種植巨菌草”模式雨水流失率減少82.39 %，土壤流失率減少96.26 %；“等高線種植巨菌草活籬笆+梯田套種農(nóng)作物”模式雨水流失率減少74.64 %，土壤流失率減少90.4 %。巨菌草生物量大，單季667 m2產(chǎn)鮮草超過12.25 t，其根系發(fā)達(dá)，固土蓄水能力強(qiáng)。雖然本次試驗(yàn)所測得的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)偏低，因其土壤肥力原始貧瘠，但試驗(yàn)結(jié)果表明“等高線種植巨菌草”模式在有機(jī)質(zhì)C，有效磷和鉀含量方面比傳統(tǒng)栽培模式更高，說明種植巨菌草具有改善土壤肥力的潛力。