三峽庫區紫色土旱坡地農桑配置模式對土壤養分的影響

劉月嬌,倪九派,張洋,周川

(西南大學資源環境學院, 重慶 400715)

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三峽庫區紫色土旱坡地農桑配置模式對土壤養分的影響

劉月嬌,倪九派*,張洋,周川

(西南大學資源環境學院, 重慶 400715)

針對三峽庫區紫色土流失嚴重和土壤肥力低的現狀，本試驗利用水土保育模式——農桑間作試驗，研究橫坡農作(CT)、雙邊桑樹+橫坡農作(T1)、等高桑樹+雙邊桑樹+橫坡農作(T2)及四邊桑樹+等高桑樹+橫坡農作(T3)4個處理對土壤養分的影響。結果表明，桑樹布局小區內的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量均有極顯著提高，且土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量平均值大小均表現為：等高桑樹+雙邊桑樹+橫坡農作(T2)>四邊桑樹+等高桑樹+橫坡農作(T3)>雙邊桑樹+橫坡農作(T1)>橫坡農作(CT)。4個處理的土壤碳氮比和碳磷比變化幅度分別在7～20和10～27之間，其中等高桑樹+雙邊桑樹+橫坡農作(T2)小區各個坡長的土壤碳氮比和碳磷比最大。土壤有機質、堿解氮、速效鉀、碳磷比與玉米和榨菜產量具有極顯著的正相關關系?？梢姡灯碌剞r桑配置模式在一定程度上可以提高和維持土壤養分，降低上坡段土壤碳氮比和碳磷比，從而為三峽庫區水土保育模式優選提供理論依據。

三峽庫區；紫色土；桑樹布局；土壤養分

三峽工程在世界水庫工程史上是絕無僅有的；三峽工程對大量優質農田的淹沒和城市及企業遷建以及后期配套基礎設施建設對農地的占用，所加劇的生態環境和人口承載問題也是獨一無二的。三峽庫區大部分地區處于川東褶皺地帶，地貌類型以低山丘陵為主，60%以上的土地為坡耕地，70%以上的土壤為抗蝕性較差的紫色土，植被覆蓋率低，水土流失嚴重。庫區居民為滿足基本生活需要和對收入提高的期望，桑樹與農作物結合種植現已成為庫區居民增加收入和改善生活結構的首選。桑樹(Morusalba)為落葉喬木，擁有極其發達的根系，易栽培，具有良好的生態適應性和抗逆能力[1]，而且桑葚藥用價值高。桑樹在一定程度上不僅可以增加農民收入，而且保持庫區的水土不受侵蝕，還為庫區退耕還林工程找到一條生態可行而農民又樂于接受的生態生產模式。但由于絕大部分桑樹種植區所處的自然和生態環境條件惡劣(海拔高、坡度大、土層薄、石礫含量高、有機質含量低)，導致桑樹的生態效益和經濟效益較低。因此，通過桑樹和農作物配置來減少庫區的土壤養分流失，對降低庫區生態污染和提高土壤肥力具有重要的實際意義。

云雷等[2]在晉西黃土區果農間作試驗中表明，核桃(Juglansregia)×花生(Arachishypogaea)、核桃×大豆(Glycinemax)還有核桃×玉米(Zeamays)間作，其作物的土壤速效鉀含量大于相應的花生、大豆和玉米單作，但土壤有機質、全氮、速效磷含量均小于相應的花生、大豆和玉米單作。曾憲海等[3]在幼齡膠園間種新銀合歡(Leucaenaleucocephala)試驗中指出，幼齡膠園間種新銀合歡3.5 年后，沙壤土中有機質、全氮含量有所增加，但速效磷、鉀含量有較大幅度的減少。章家恩等[4]指出，赤紅壤中玉米/花生間作不同程度提高了整個間作系統根區的土壤堿解氮、速效磷、有機質含量，其中，間作玉米根區土壤養分的增加更為明顯。趙萍等[5]指出，在灌叢中間種紫穗槐(Amorphafruticosa)能夠顯著增加灌叢內土壤中的全氮、銨態氮、硝態氮、全磷和有機碳含量，劉月嬌等[6]在三峽庫區新建柑橘園周年間作研究中表明，柑橘(Citrusreticulata)×馬鈴薯(Solanumtuberosum)、柑橘×甘薯(Dioscoreaesculenta)、柑橘×大豆、柑橘×白菜、柑橘周年間作5種處理的土壤養分顯著高于幼齡果園。然而，針對喬木與農作物間作在紫色土地區的截水保肥和增產效應方面的研究較少。因此，在前人研究基礎上，在紫色土旱坡地建立徑流小區，實行橫坡農作與桑樹種植方式相結合，研究三峽庫區紫色土旱坡地農桑系統土壤養分的特征，旨在為建立三峽庫區紫色土土壤肥力和土壤質量評價指標及三峽庫區水土保育模式的推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于重慶市涪陵區珍溪鎮王家溝小流域，地理位置為北緯29°30′，東經107°18′，海拔330 m。該流域屬于亞熱帶季風氣候區，年均氣溫18.1℃，月均最高氣溫24.6℃，月均最低氣溫8℃，年均降水量1130 mm，年積溫(≥10℃)5300℃，年日照時數 1055 h，無霜期331 d，試驗區土壤類型為紫色土。

試驗基地修建后，在各小區試驗未實施布設前，抽樣測定了試驗區土壤的基本理化性質，詳見表1。

1.2試驗設計與材料

試驗共設 4 個處理：橫坡農作(CT)、雙邊桑樹+橫坡農作(T1)、等高桑樹+雙邊桑樹+橫坡農作(T2)、四邊桑樹+等高桑樹+橫坡農作(T3)，具體設計如圖1所示。每個處理分為2個小區，各處理小區修建坡度均為9°，四周用水泥墻分隔，長12 m、寬4 m，高0.75 m。四邊桑帶寬0.5 m，橫坡桑樹帶間距5.25 m。各處理桑樹均為2011年10月種植，至2013年2月采樣時，各桑樹坡耕系統已基本形成生物梯田格局。各處理的種植制度均為玉米-榨菜輪作，施肥方式采用施后淺翻，施肥量為常規施肥量，即尿素(N 46%) 1250 kg/hm2和復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15) 2150 kg/hm2，玉米與榨菜的施肥量分別占當年施肥總量40%和60%，尿素和復合肥作為基肥一次性施入。玉米品種為‘渝糯7號’，榨菜品種為‘永安少葉’。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Soil chemical and physical properties

1.3樣品采集測定與數據處理

圖1 試驗小區設計

于2013年2月榨菜收獲后，每個小區土壤按照下坡的順序，在距離小區上緣 1.5，3.5，6.0，8.5，10.5 m處用土鉆采集表層(0～20 cm)土樣，每個樣點隨機取3點土樣，剔除雜物后混合，土樣自然風干，碾磨并過1 mm和0.25 mm篩，用于測定土樣有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀,參照文獻[7]的方法測定。土樣中有機質測定用重鉻酸鉀容量-外加熱法；全氮用凱氏定氮法；全磷用氫氧化鈉熔融-比色法；堿解氮測定用堿解擴散法，速效磷測定用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀用1 mol NH4OAC浸提-火焰光度法[7]；pH值用水土比2.5∶1，pH計測定。

1.4統計分析

采用 EXCEL 和 SPSS 軟件進行統計分析，并用 LSD 法進行多重比較，差異顯著性用不同大小寫字母表示。

2 結果與分析

2.1不同處理及坡長對土壤養分的影響

2.1.1土壤堿解氮的變化 由圖2可知，不同坡長及桑樹布局間土壤堿解氮含量呈顯著性差異。CT、T1、T2和T3小區內平均土壤堿解氮含量大小表現為：T2>T3>T1>CT。說明桑樹配置模式顯著提高了土壤堿解氮含量。CT、T2和T3小區內土壤堿解氮隨坡長的延伸呈正增長，而T1呈負增長。其中T1小區內土壤堿解氮含量隨坡長的變化幅度最為劇烈，最大值與最小值的差值為49.06 mg/kg，分別是CT、T2和T3小區的12.2，1.77，1.14倍。隨坡長的變化，土壤堿解氮含量變化趨勢各異。CT呈線性遞增，T1呈倒“S”型減小，T2呈寬“U”型先減小后增加，T3呈“S”型增加。

2.1.2土壤速效磷的變化 由圖3可知，桑樹布局間土壤速效磷差異顯著。T3小區平均土壤速效磷含量最大，其次是T1、T2，分別是CT的1.32，1.04，1.11倍，說明桑樹布局顯著提高了土壤速效磷含量。CT、T2和T3小區中速效磷含量隨坡長變化存在顯著性差異。T3小區中速效磷含量隨坡長增加呈“M”型變化，在坡長為8.5 m處，速效磷含量達到最大，是最小值(1.5 m處)的1.3倍。CT和T2小區的速效磷含量隨坡長變化呈先增大后減小再增大的“S”型，在上坡段CT的速效磷含量增加的幅度比T2的大，而在下坡段T2小區的速效磷含量增加的幅度是CT的3.6倍。T1小區的速效磷隨坡長增加變化不顯著，且在坡底(10.5 m)達到最大值130.99 mg/kg。

2.1.3土壤速效鉀的變化 從圖4可以看出，不同桑樹布局的土壤速效鉀存在顯著性差異。4種桑樹布局的平均土壤速效鉀含量大小表現為：T2>T3>T1>CT。與CT相比，T1、T2和 T3分別提高了土壤速效鉀35.1%，152.0%，32.8%。說明桑樹布局顯著提高了土壤速效鉀含量。CT和T1小區的速效鉀含量隨坡長的變化達顯著水平。CT小區的土壤速效鉀含量與坡長呈正相關關系，而T1、T2和 T3均呈負相關關系。T3小區的土壤速效鉀隨坡長的變化呈“M”型，與速效磷一樣，且在坡長3.5 m達到最大值217.33 mg/kg。由圖4可以看出，T2小區的土壤速效鉀含量隨坡長的變化趨勢與T1一致，其中T2小區的土壤速效鉀含量隨坡長的變化幅度比較大，1.5 m處的速效鉀含量是8.5 m處的2.27倍。

2.1.4土壤有機質的變化 從圖5可以看出，不同桑樹布局間的土壤有機質存在顯著性差異。CT小區的平均土壤有機質含量最小，T1、T2、T3分別比其增加25.4%，120.0%，82.7%。CT和T1小區的有機質含量隨坡長的變化均呈“W”型，T2小區的土壤有機質隨坡長的增大呈“先降低后增加再降低”的淺“U”型，在1.5 m處達到最大值36.81 g/kg。T3小區的土壤有機質隨坡長的增大而增加，這與圖2中土壤堿解氮含量變化一致?？傊?，從圖5可以看出，與CT相比，其他3種桑樹布局顯著提高了土壤有機質含量，其中T2小區增加效果最佳。

圖2 不同處理及坡長對土壤堿解氮含量的影響

圖3 不同處理及坡長對土壤速效磷的影響

不同大寫字母表示同一坡長不同處理之間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一處理不同坡長之間差異顯著(P<0.05),下同。The different capital letters indicate significant differences atP<0.05 between different treatments under the same slope length; The different lowercase letters indicate significant differences atP<0.05 between different slope length under the same treatments.The same below.

圖4 不同處理及坡長對土壤速效鉀的影響

圖5 不同處理及坡長對土壤有機質的影響

2.2不同處理及坡長對土壤碳氮比、碳磷比的影響

土壤有機碳和土壤氮磷鉀是土壤養分的重要因子，直接影響著土壤的質量水平，并對植物的生長起著關鍵性的作用。由表2可見，不同處理及坡長對土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)無顯著性差異，其中4個處理的各個坡長均表現為：碳磷比>碳氮比。這與曹小玉等[8]的研究結果一致。

土壤碳氮比(C/N)通常被認為是土壤氮素礦化能力的標志[9]，研究發現土壤C/N存在一定的比例關系[10]，4種處理的土壤C/N均在7～20之間。T2小區各個坡長的土壤C/N最大，其中在坡長1.5 m處C/N達到了20.87，分別是同坡長處CT、T1和T3的2.75，2.21和2.01倍，說明桑樹布局明顯提高了T2小區的土壤C/N，這可能是由于T2小區土壤有機碳積累快于土壤氮素。CT、T1和T3小區上下坡段的碳氮比變化幅度較小，均在0～3之間，而T2小區變化幅度在0～10之間且上坡大于下坡。這可能是由于上坡人為活動較少，碳積累量較多。

表2 不同處理及坡長對土壤碳氮比、碳磷比的影響Table 2 Changes of soil C/N and C/P along slope under different treatments

注：同列不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。

Note:Different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

表3 土壤養分與作物產量的相關性分析Table 3 Correlation analysis between soil nutrients and crop output value

注：*表示相關性水平α=0.05；**表示相關性水平α=0.01。

Note:*Correlation is significant at the 0.05 level； **Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

土壤碳磷比(C/P)是有機質或其他成分中碳素與磷素總質量的比值，是土壤有機質組成和質量程度的一個重要指標[11]。此外，土壤C/P對植物生長發育具有重要的影響[12-14]。由表2可見，4個處理的土壤C/P均在10～27之間，土壤平均C/P大小表現為：T2>T3>T1>CT，這和土壤有機質含量的變化一致，說明桑樹布局提高了土壤C/P，這是由于T2和T3小區內枯枝落葉較多，土壤孔隙度較大，土壤微生物活動活躍，促進土壤有機質的分解速率，從而降低了磷的有效性[11]，減小了土壤速效磷含量。除T2小區外，其他3個處理在坡長1.5～3.5 m處的土壤C/P較小，這是由于這3個處理在坡長1.5～3.5 m處，土壤微生物在有機質分解過程中的養分得到釋放，從而促進了土壤速效磷的增加[15]。

2.3土壤養分與作物產量之間的相關性分析

7個養分指標與玉米和榨菜產量的相關分析表明，作物產量和大部分土壤養分間存在顯著或極顯著的相關關系(表3)。土壤有機質、堿解氮、速效鉀、C/P與玉米和榨菜產量具有極顯著的正相關，土壤C/N與玉米和榨菜含量具有顯著的正相關關系，說明氮和鉀已成為制約三峽庫區紫色土玉米和榨菜高產的主要限制肥力因子。土壤養分和產值之間的相關關系對分析土壤肥力有重要的意義, 可作為土壤肥力觀測和評價指標, 同時對指導合理施肥、提高作物產量具有重要作用。

3 結論與討論

本研究結果表明，與單一的橫坡農作CT相比，T1、T2和T3小區的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量均有極顯著性提高。4個處理小區內土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質平均值大小均表現為：T2>T3>T1>CT，這一方面是由于桑樹根系多、分布廣、可以從深層土壤中或地下水中吸收養分，起“養分泵”的作用[16]；另一方面是由于桑樹會以大量枯落物的形式將養分歸還給土壤，同時桑樹對土壤有一定的改良作用。

其中，T3小區內的土壤養分增加量小于T2，這是由于桑樹通過各種機制促進系統內土壤養分利用的同時，也與玉米和榨菜存在競爭[2]。Haggar和Beer[17]對頗派氏刺桐(Erythrinapoeppigiana)-玉米(Zeamays)間作的營養競爭所作的研究得出靠近頗派氏刺桐樹行的玉米生物量與生長在行中的相比下降44%，含N量降低35%。李雪利[18]研究得出小麥秸稈在土壤中進一步腐解消耗土壤的氮素，微生物的大量繁殖與煙株競爭土壤中的氮素，導致土壤中的堿解氮含量降低。植物養分競爭產生的介質是土壤及其溶液，是通過植物根系的競爭吸收作用實現的[19]。由于根系競爭過程極為復雜，對根系競爭的過程中產生的形態和生理過程以及相關的植物生理特性仍需進一步深入研究。

CT、T1和T2小區土壤速效磷含量大小隨坡長的變化表現為：上坡<下坡，這與我國大部分地區土壤養分存在的“洼積效應”相一致，即隨著坡位的升高，土壤養分含量會逐漸減低，這主要是由坡地長期地表徑流侵蝕和淋溶引起的[20-22]。但CT、T1和T2小區內的土壤速效鉀含量隨坡長的變化發生了“養分倒置”的現象，即上坡>下坡，這與張偉等[23]和歐陽資文等[24]的研究結果相同，這可能是由于鉀遷移能力不強，再加上上坡位人類干擾較小。坡位越高，人類的干擾強度相應越小，越有利于植被的保護和養分的積累[25]。

碳氮比是土壤形成過程中一定生物氣候條件的綜合反映，具有明顯的地帶性。它反映有機質的質量和數量，氮素的貧瘠和有效程度。反映土壤的耕作、熟化程度，在一定范圍內可作為養分肥力的指標[26]。譚軍利[27]研究指出，微生物對有機質適當分解的碳氮比一般為25∶1，當小于25∶1時，有充足的氮素，分解速率較快，也能提供農作物所需的氮素；而當大于25∶1時，氮素不足，微生物會被迫從土壤中吸收必需的氮素，出現與作物競爭氮的局面，從而導致作物缺氮。本文中的土壤C/N在7～20之間，說明該研究區的C/N有利于氮素的釋放，這與堿解氮的研究結果一致。王建林等[15]研究指出，較低的C/P有利于微生物在有機質分解過程中的養分釋放，促進土壤中有效磷的增加；反之，C/P較高，則會出現微生物在分解有機質的過程中存在磷受限，從而與植物存在對土壤無機磷的競爭，不利于植物的生長。由表2可知，土壤C/P為10.22～26.73之間，這是曹小玉等[8]研究的碳磷比的1/9～1/3，說明此研究區的C/P偏低，促進土壤速效磷含量的增加，這與土壤速效磷含量的研究結果一致。綜上可得，三峽庫區農桑系統更能促進土壤中有效養分的增加，提高土壤養分的利用率，從而促進植物生長，提高作物效益。

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Effects of different crop-mulberry intercropping systems on nutrients in arid purple soils in the Three Gorges Reservoir Area

LIU Yue-Jiao, NI Jiu-Pai*, ZHANG Yang, ZHOU Chuan

CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

To help address the problem of purple soil erosion on sloping land in Chongqing city, an experiment has been undertaken to investigate the effects of different crop-mulberry intercropping systems on soil nutrients.Four treatments were designed:crops were planted along transverse slopes (CT), crops were planted along transverse slopes with mulberry trees on the upper and lower slopes (T1), crops were planted along transverse slopes with mulberry trees on the upper, middle and lower slopes (T2); and crops were planted along transverse slopes with mulberry trees on the middle slope and on the four sides of the slope (T3).The results showed that soil available nitrogen, available phosphorus, potassium and organic matter contents were significantly improved with mulberry intercropping.The sequence of improvement was T2>T3>T1>CT.The ratios of carbon/nitrogen and carbon/phosphorus changed from 7 to 20 and from 10 to 27 respectively for the four treatments.The carbon/nitrogen and carbon/phosphorus ratios were largest in the T2treatment for every slope level.Soil organic matter, nitrogen, potassium, carbon/nitrogen ratio, carbon/phosphorus ratio and crop output were all significantly positively correlated.In conclusion, crop-mulberry intercropping in hillside fields improved and maintained soil nutrients and to some extent decreased the ratios of carbon/nitrogen and carbon/phosphorus in uphill soils.These results can be used to guide the choice of water and soil conservation cropping modes in the Three Gorges Reservoir Area.

Three Gorges Reservoir Areas; purple soil; the mulberry layout; soil nutrients

10.11686/cyxb2015008

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-01-07；改回日期：2015-03-12

國家科技支撐計劃課題(2012BAD05B03)和中央高?；究蒲袠I務費項目(XDJK2013A016)資助。

劉月嬌(1989-)，女，陜西寶雞人，在讀碩士。E-mail:18883369750@163.com

*通信作者Corresponding author.E-mail：nijiupai@163.com

劉月嬌, 倪九派, 張洋, 周川.三峽庫區紫色土旱坡地農桑配置模式對土壤養分的影響.草業學報, 2015, 24(12):38-45.

LIU Yue-Jiao, NI Jiu-Pai, ZHANG Yang, ZHOU Chuan.Effects of different crop-mulberry intercropping systems on nutrients in arid purple soils in the Three Gorges Reservoir Area.Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12):38-45.