坡耕地間作作物群體水土保持耕作措施

安曈昕, 周 鋒, 吳珍珍, 和成山, 李 康, 楊友瓊, 吳伯志

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 昆明 650201; 2.云南省西雙版納傣族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,云南 景洪 666100; 3.迪慶州德欽縣種子管理站, 云南 德欽 674500; 4.普洱市墨江縣農(nóng)科局農(nóng)廣校, 云南 墨江 654800)

云南省地貌類型屬典型的山地構(gòu)造地形，其中山坡地占94%，平壩區(qū)只占總面積的6%[1]。云南省是我國水土流失較嚴(yán)重的省份之一，目前，全省水土流失面積13.4萬km2，占全省總面積的35%，年平均土壤流失量超過5億t[2]。多數(shù)坡耕地不合理的使用(如濫墾、濫伐、濫牧的掠奪式經(jīng)營(yíng)以及坡地不合理的耕作措施如：順坡種植、大坡度種植等)，造成大面積的水土流失。有研究表明，云南省坡耕地玉米順坡種植造成水土流失量達(dá)4 993 kg/hm2，未采取其他保護(hù)措施的等高種植流失量也達(dá)1 465 kg/hm2[3]，使原本淺薄的土層更加貧瘠，加之其又易受干旱條件的制約，致使土地生產(chǎn)力嚴(yán)重受損，環(huán)境日益惡化，坡耕地可持續(xù)利用受到嚴(yán)重考驗(yàn)，水土保持任務(wù)十分艱巨。因此研究合理的作物間作方式對(duì)坡耕地水土等自然資源進(jìn)行保護(hù)與利用，有利于促使坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)增產(chǎn)、增收、增效。間作是在同一田地上于同一生長(zhǎng)期內(nèi)分行或分帶相間種植兩種或兩種以上作物的種植方式，是中國傳統(tǒng)精細(xì)農(nóng)藝的精華，在世界農(nóng)作史上享有盛譽(yù)。在前人的研究中，間套作可以增加地表覆蓋度，延長(zhǎng)覆蓋時(shí)間，減輕水土流失，是山地保持水土的重要種植措施[4-7]。采用不同間作種植方式對(duì)山地水土流失進(jìn)行治理，均能達(dá)到一定的效果[8-10]。雖然目前坡耕地水土保持耕作措施有一定的研究[11-12]，但是從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域來說，研究不夠全面，尤其是對(duì)利用不同作物特性構(gòu)建間作群體水土保持效應(yīng)的研究較少，有待進(jìn)一步研究。本研究旨在通過合理選配玉米、辣椒、草帶等不同作物進(jìn)行間作，通過構(gòu)建不同間作群體，增加空間層次或地表覆蓋度，削弱雨水對(duì)地面的沖擊，減緩徑流流速，攔截泥沙，阻攔疏生作物區(qū)產(chǎn)生的水土流失，為坡耕地水土流失治理和山地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于云南省昆明市北郊云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，地理位置為：25°18′N，102°45′E，海拔1 930 m。屬北緯低緯度亞熱帶—高原山地季風(fēng)氣候，雨季旱季分明，降雨主要集中在6—9月，年均降雨量1 035 mm，具有典型的溫帶氣候特點(diǎn)。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為山地砂質(zhì)紅壤，坡度為10°，試驗(yàn)地共設(shè)24個(gè)徑流小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2(3 m×10 m)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 供試作物及品種：玉米(ZeamaysL.)：云瑞8號(hào)；辣椒(CapsicumannuumL.)：云南省通?？h曲陀關(guān)長(zhǎng)辣椒；非洲狗尾草(Setariasphacelatacv.Narok)。

(2) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理(A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H)，3次重復(fù)，按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。處理如下，A：玉米‖辣椒等高種植(行比為2∶2)；B：玉米‖辣椒等高種植(行比為2∶4)；C：玉米‖辣椒等高種植(行比為2∶6)；D：玉米‖草帶等高種植；E：辣椒‖草帶等高種植；F：玉米等高等行距單作；G：辣椒等高等行距單作；H：玉米順坡等行距單作。

1.3 作物種植與管理

作物種植方式為：玉米、辣椒采用育苗移栽；草帶為直播。各作物種植規(guī)格見表1。

表1 作物種植規(guī)格

試驗(yàn)地經(jīng)20—30 cm深翻后碎土，間作等高處理均采用沿等高線開溝種植，玉米順坡單作均采取打塘種植，將農(nóng)家肥和化肥一起施入溝內(nèi)或塘內(nèi)，每穴移栽2～3株苗(雙株留苗)；辣椒單作采用順坡打塘種植，將農(nóng)家肥和化肥一起施入溝內(nèi)或塘內(nèi)，移栽辣椒幼苗(單株留苗)。草帶種植：采用草種為非州狗尾草，播種量為50 g/m2，每小區(qū)間作7帶，每帶寬40 cm。在玉米和辣椒寬行松碎土壤，施用農(nóng)家肥和有機(jī)肥與土壤混拌后平整，均勻撒播草種，加蓋約1 cm厚沙土，均勻輕拌并鎮(zhèn)壓播層表土，鋪蓋無紡布。

不同處理各作物田間管理措施均保持一致。玉米：第一次在拔節(jié)期追施苗肥，第二次在大喇叭口期追施穗肥。追肥時(shí)在距根部5 cm左右的地方破膜施入尿素。辣椒：第一次在辣椒現(xiàn)蕾期施用復(fù)合肥，壅施；第二次在門椒(辣椒第一朵花長(zhǎng)成的果實(shí))長(zhǎng)到3 cm左右時(shí)施復(fù)合肥。以后每收獲一次，可酌情追肥。草帶于每次刈割后追施尿素。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

氣象指標(biāo)測(cè)定：在試驗(yàn)地旁設(shè)有一臺(tái)自動(dòng)觀測(cè)氣象站(美國造Davis Vantage Pro 2型無線自動(dòng)氣象站)。每隔5 min記錄1次數(shù)據(jù)，觀測(cè)記錄氣象指標(biāo)主要有：日最高溫、日最低溫、日均溫、月蒸發(fā)量、日蒸發(fā)量、日降雨量、降雨次數(shù)、降雨強(qiáng)度、最大降雨強(qiáng)度(I30)。根據(jù)降雨強(qiáng)度，把降雨分為4個(gè)等級(jí)：I30<0.25 mm/min(低強(qiáng)度降雨)，0.25 mm/min0.75 mm/min(極高強(qiáng)度降雨)。

徑流量及土壤侵蝕量測(cè)定：在作物生長(zhǎng)期間，每次降雨產(chǎn)生徑流后，用直刻度尺測(cè)定每個(gè)小區(qū)蓄水桶中的徑流水深。根據(jù)水的深度計(jì)算小區(qū)徑流量。每次降雨產(chǎn)生徑流后，充分?jǐn)噭蛐钏爸械募稚?、中、?層共取水樣250 ml，裝于玻璃瓶中，過濾泥沙，在溫度為105℃的烘箱中烘干24 h后稱重，與各小區(qū)徑流量換算得到每次降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

對(duì)所得的數(shù)據(jù)用Excel和SPSS等應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、整理、統(tǒng)計(jì)分析，利用Duncan法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作作物群體對(duì)坡耕地徑流量的影響

由表2可知，2009年作物生育期內(nèi)6月、7月各處理間徑流量差異不顯著(p>0.05)。8月份各處理徑流量差異達(dá)顯著水平(p<0.05)，其中，D處理與B，C，G，H處理差異顯著(p<0.05)；間作處理徑流量依次為B>C>A>E>D，單作處理徑流量依次為G>H>F，D處理徑流量比G處理減少92.83%。各處理總徑流量差異不顯著(p>0.05)，間作處理總徑流量依次為B>C>A>D>E，單作處理依次為G>H>F，D和E處理總徑流量分別比G處理減少46.33%，50.23%。2010年6月份各處理徑流量差異不顯著(p>0.05)，其余各月和總徑流量差異均顯著(p<0.05)，7月份和總徑流量各處理差異達(dá)極顯著水平(p<0.01)，D，E處理總徑流量均與H，G處理差異極顯著(p<0.01)；間作各處理總徑流量依次為A>C>B>E>D，單作處理依次為H>G>F，D和E處理總徑流量比G處理分別減少96.01%，87.74%，比H處理分別減少97.52%，92.37%。綜合2年結(jié)果可知，玉米間作草帶、辣椒間作草帶徑流量最少，玉米間作辣椒次之，其中玉米間作辣椒2∶4少于2∶6，玉米、辣椒單作地表徑流量最大。總體表明，間作草帶處理能有效地減少坡耕地地表徑流。

表2 不同時(shí)期各處理徑流量方差分析

注：同行中數(shù)字后不同小寫字母和*表示在p<0.05水平上差異顯著，不同大寫字母和**表示在p<0.01水平上差異極顯著，相同字母表示差異不顯著，下表同。

2.2 間作作物群體對(duì)坡耕地土壤侵蝕量的影響

由表3可知，2009年作物生育期內(nèi)6月、7月以及總土壤侵蝕量各處理差異均不顯著(p>0.05)。8月份各處理侵蝕量差異達(dá)顯著水平(p<0.05)，其中，D，E處理與B，G，H處理差異均達(dá)顯著水平(p<0.05)；間作處理侵蝕量依次為C>B>A>E>D，單作處理侵蝕量依次為G>H>F，D處理侵蝕量比G處理減少97.62%。間作處理總侵蝕量依次為B>C>A>D>E，單作處理依次為G >H >F，D 和E處理總侵蝕量分別比G處理減少89.75%，85.68%，比H處理分別減少85.54%，79.80%。2010年除8月份各處理侵蝕量差異不顯著(p>0.05)外，其余月份和總侵蝕量各處理差異均達(dá)顯著水平(p<0.05)，D處理與G，H處理差異均顯著(p<0.05)。間作各處理總侵蝕量依次為A>B>C>E>D，單作處理依次為H>G>F，D處理總侵蝕量比G處理減少99.49%，比H處理減少99.37%。綜合2年試驗(yàn)結(jié)果可以看出，間作處理土壤侵蝕量小于單作，其中間作草帶處理土壤侵蝕量最少，在玉米間作辣椒中，2∶2，2∶4侵蝕量小于2∶6，土壤保持效果最好。

表3 不同時(shí)期各處理土壤侵蝕量方差分析

2.3 不同降雨強(qiáng)度下作物間作群體對(duì)坡耕地徑流量的影響

由表4可知，2009年在低強(qiáng)度降雨和極高強(qiáng)度降雨下，各處理徑流量差異不顯著(p>0.05)。在低強(qiáng)度和高強(qiáng)度降雨下，各處理差異顯著(p<0.05)。兩個(gè)降雨強(qiáng)度下，D，E處理的徑流量與G，H處理均達(dá)到顯著水平(p<0.05)，低強(qiáng)度降雨下，間作處理徑流量依次為B>C>A>E>D，單作處理依次為G>H>F，高強(qiáng)度降雨下，間作處理徑流量依次為C>B>A>E>D，單作處理依次為H>G>F。低強(qiáng)度降雨下，D處理的徑流量分別比G，H處理降低83.86%，83.55%，高強(qiáng)度降雨下，D處理的徑流量分別比G，H處理降低77.13%，75.20%。2010年低強(qiáng)度降雨下，各處理差異不顯著(p>0.05)，中強(qiáng)度和高強(qiáng)度降雨下，各處理差異均顯著(p<0.05)。低強(qiáng)度和高強(qiáng)度降雨下，各間作處理徑流量均依次為C>B>A>E>D，單作處理均依次為H>G>F，低強(qiáng)度下，D處理徑流量分別比G，H處理減少97.39%，98.10%，E處理分別比G，H處理減少91.32%，93.68%；在高強(qiáng)度降雨下，D處理徑流量分別比G，H處理減少97.52%，98.25%，E處理分別比G，H處理減少91.31%，93.87%。

兩年試驗(yàn)結(jié)果表明，在各降雨強(qiáng)度下，間作處理中，玉米間作草帶徑流量最小，辣椒間作草帶次之，玉米間作辣椒處理中，2∶2，2∶4模式徑流量小于2∶6模式。徑流量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，但間作處理尤其是草帶間作處理增加幅度小于單作處理。

表4 不同強(qiáng)度降雨下各處理徑流量方差分析

2.4 不同降雨強(qiáng)度下作物間作群體對(duì)坡耕地侵蝕量的影響

由表5可以看出，2009年在高強(qiáng)度降雨下，各處理侵蝕量差異不顯著(p>0.05)，在其余降雨強(qiáng)度下，各處理差異均顯著(p<0.05)。在低強(qiáng)度、中強(qiáng)度和極高強(qiáng)度降雨條件下，D和E處理侵蝕量與G處理差異均達(dá)到顯著水平(p<0.05)。在各降雨強(qiáng)度下，間作處理的侵蝕量均小于G，H處理，間作處理侵蝕量依次為C>B>A>E>D，單作處理依次為G>H>F。隨著降雨強(qiáng)度的增加，間作處理與單作處理侵蝕量差值越大，在極高強(qiáng)度降雨下，D處理的侵蝕量分別比G，H處理降低95.98%，94.17%，F(xiàn)處理的侵蝕量分別比G，H處理降低91.17%，87.20%。2010年除低強(qiáng)度降雨下各處理差異不顯著(p>0.05)外，中強(qiáng)度和高強(qiáng)度降雨下各處理差異均達(dá)極顯著水平(p<0.01)。在中強(qiáng)度和高強(qiáng)度降雨下，D，E處理侵蝕量和G，H處理差異均達(dá)極顯著水平(p<0.01)。在中強(qiáng)度和高強(qiáng)度降雨下，各間作處理侵蝕量均依次為C>B>A>E>D，單作處理均依次為H>G>F。隨著降雨強(qiáng)度增加，間作處理侵蝕量減少越多，中強(qiáng)度下，D處理侵蝕量分別比G，H處理減少99.59%，99.68%，E處理分別比G，H處理減少98.95%，99.18%；在高強(qiáng)度降雨下，D處理侵蝕量比G，H處理均減少99.96%，E處理分別比G，H處理減少99.78%，99.80%。兩年試驗(yàn)結(jié)果表明，在各降雨強(qiáng)度下，間作處理中玉米間作草帶侵蝕量最小，辣椒間作草帶次之，玉米間作辣椒處理中，2∶2，2∶4模式侵蝕量小于2∶6模式。侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，但間作處理土壤侵蝕量隨降雨強(qiáng)度的增加幅度小于單作處理。

表5 不同強(qiáng)度降雨下各處理侵蝕量方差分析

3 討 論

影響水土流失的因素有很多，其中地表覆蓋是影響水土流失最直接也最重要的因素。前人關(guān)于地表覆蓋與水土流失關(guān)系的研究表明：增加作物覆蓋度減少水土流失的主要原因有：(1) 增加覆蓋為土壤顆粒的分離和運(yùn)輸提供了阻力；(2) 增加了土壤載水和持水的能力；(3) 分解的植物殘?bào)w保持了土壤有機(jī)質(zhì)水平；(4) 提供連續(xù)的地表覆蓋，保護(hù)土壤免受雨水的直接沖刷；(5) 降低耕地表面徑流的流動(dòng)速度和承載力；(6) 改善土壤團(tuán)聚體和土壤結(jié)構(gòu)，水分滲透能力增強(qiáng)[3,13-16]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過不同作物間、套、復(fù)種，恰恰是增加地表覆蓋、延長(zhǎng)覆蓋時(shí)間的重要措施。本研究通過玉米、辣椒、草帶搭配間作，可能通過提高地表覆蓋降低了徑流與土壤侵蝕。除此之外，傳統(tǒng)的單一種植，如玉米單作等高稈作物本身葉片能夠匯集降雨雨滴，將小雨滴集成大雨滴，從較高處落下，增加了對(duì)地表的濺蝕能力[17-18]。而如果高位作物玉米能與矮位作物間套作，從玉米葉面落下的水滴動(dòng)能消耗在矮位作物葉面上，從而有效地減小雨滴濺蝕和徑流面蝕，降低坡耕地土壤侵蝕[19]。前人研究表明，通過合理作物耕作措施，坡耕地土壤侵蝕可被極大控制，因而選配合適的作物系統(tǒng)，對(duì)于控制水土流失、減少徑流非常重要[20-23]。本研究結(jié)果表明，高位作物玉米間作辣椒和間作草帶相較于玉米單作處理，總水土流失量和總侵蝕量均能得到顯著的降低，其中玉米間作辣椒2∶2，2∶4處理總徑流量及總侵蝕量極顯著小于辣椒單作和玉米單作。除作物之間的間作搭配能顯著降低水土流失外，合理的農(nóng)牧間作也能顯著降低水土流失。前人研究表明，玉米與草木樨帶狀間作，地表徑流減少50%～80%，沖刷量減少79%[24]，同時(shí)能顯著增加其經(jīng)濟(jì)收入。本研究也表明，玉米間作草帶和辣椒間作草帶均能顯著減少水土流失量，而且，在高強(qiáng)度降雨條件下，該處理水土流失量減少效果更明顯，坡耕地水土資源得以有效保護(hù)。因此，在不適宜種植農(nóng)作物的坡耕地上，采用合理的農(nóng)牧間作不僅能起到水土保持、不破壞生態(tài)環(huán)境的作用，還能提高農(nóng)牧民經(jīng)濟(jì)收入。

從國內(nèi)外利用作物群體控制水土流失研究方面來看，間作模式主要以農(nóng)林間作、林草間作為主[25-27]，國內(nèi)在不同作物間作比較控制水土流失方面研究尚少。本研究采取玉米間作辣椒、玉米間作草帶、辣椒間作草帶等多種模式，探討了合理的農(nóng)作物間作及農(nóng)牧結(jié)合對(duì)水土保持的效果，有利于保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，增加農(nóng)牧民收入。為不同生態(tài)區(qū)域開展合理間套作搭配降低水土流失提供一定的理論支持。

4 結(jié) 論

在坡耕地上，作物間作體系能有效減少坡耕地水土流失量。作物間作群體總水土流失量均低于作物裸地單作；玉米間作辣椒的水土保持效果較好，其中，行比為2∶2，2∶4的水土保持效果好于2∶6模式。玉米間作草帶和辣椒間作草帶的水土保持效果最好，在中強(qiáng)度和高強(qiáng)度降雨下，玉米間作草帶的水土流失減少程度好于低強(qiáng)度降雨，水土保持效果更明顯。所以合理的作物間作體系均能有效利用與保護(hù)山區(qū)坡耕地水土資源。