盧旺達高原坡地水土流失的研究與對策

胡應平，林占森，林冬梅，林應興，林興生，羅曉芬，陳曉斌，林占熺*

(1.福建農林大學國家菌草工程技術研究中心，福建 福州 350002；2.福建農林大學菌草研究所，福建 福州 350002)

【研究意義】盧旺達共和國位于非洲中東部赤道南側，內陸國家，南緯1°～3°，東經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。【前人研究進展】盧旺達經濟基礎差，主要收入靠農業，全國80 %以上的人從事農業相關活動，適宜耕作的土地日趨嚴重,全國80 %以上的人從事農業相關活動，適宜耕作的土地日趨嚴重，農業用地占74.5 %，可耕作地占 47 %,永久牧場占17.4 %[1-2]。因盧旺達地貌被稱為“千丘之國”，人口密度高，人口1200多萬，平均每平方公里432人，以及長期以來傳統農業耕作和為獲取燃料而砍伐森林造成了嚴重的水土流失。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 %的灌溉區在山坡上主要依靠降雨，而在旱季，由于水分不足，生產力下降，最終導致濕地退化[4-5]。對此，盧旺達政府十分重視水土保持工作，2006年盧旺達政府向中國福建農林大學引進菌草技術和水土保持項目, 2008年中盧兩國成立了中國援盧旺達農業技術示范中心項目。菌草技術是包括菌草種植、運用菌草栽培食(藥)用菌以及菌料加工等綜合性新技術[6]。【本研究切入點】本文通過收集數據，分析當地水土流失的特征，結合菌草技術的應用與研究，試圖找出一條既能有效解決水土流失問題又能幫助農戶增收的方法或措施以實現當地農業可持續發展。【擬解決的關鍵問題】對盧旺達國家經濟發展具有重要的意義，乃至對其他非洲國家實現山地資源、保護環境與經濟可持續協調發展具有重要借鑒意義。

表1 不同栽培模式標準徑流小區試驗設計

1 材料與方法

1.1 試驗材料和試驗地

品種：巨菌草(PennisetumLIN．)， 是由福建農林大學林占熺研究員采用系統選育法培育出的一種菌草，后經改良培育成的高產優質菌草[7]。巨菌草是禾本科狼尾草屬的熱帶地區為多年生C4植物，適宜在熱帶、亞熱帶和溫帶地區生長，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物牛、羊和鹿等的優質綠色安全草飼料[8-9]，又可以作為栽培香菇、靈芝等食、藥用菌的培養料[10]。2006年，中國專家通過合法手續從中國福建農林大學菌草研究所引種一年生的巨菌草莖段(含兩節莖段)到盧旺達，以扦插方式進行種植，并通過繁殖建立草圃資源庫。大豆是從本地市場上采購。

試驗地：盧旺達南方省魯博納(RUBONA sector, southern province of Rwanda)，經緯度2°31′0″S, 29°42′0″E。

1.2 坡面徑流小區布置

選擇試驗區地面坡度為12°，坡向南偏西，土壤為沙質紅壤。2010年12月14日，共設置3個處理小區，其水平投影長度為20 m，寬度為5 m，面積各為100 m2。各小區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處設有一個直徑為3 cm的排水管，平時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設為對照組，即采用當地“傳統栽培農作物”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+梯田套種農作物”模式。3種模式具體布設見表1。

1.3 徑流小區產流產沙觀測

根據實際下雨情況，選擇下雨量較多的時候進行觀測，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，現場稱重，記錄數據，稱完后放回原來的池中。并隨機取3份土壤樣，拿回實驗室稱重并烘干，記錄土壤干重數據。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。本次試驗水流量測定時水中含有一些渾濁泥沙，但不影響本次試驗統計，不能代表全年的水流失量。

1.4 氣候因子數據收集

氣候相關數據由意大利LSI公司生產的SP1000監測儀收集。

1.5 土壤養分測定

在每個處理小區內上、中、下各取3個土樣，進行測定N/P/K含量，具體做法是距土壤表層20 cm處進行取樣。樣本委托盧旺達南方省農委土壤分析實驗室進行測定。

1.6 統計分析方法

單因子方差分析和多重比較等統計分析均采用DPS 軟件完成。

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

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

2 結果與分析

2.1 降雨量特征分析

2.1.1 試驗地區的氣候分析 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顯著。月均降雨量與月均日照時間呈現相反趨勢(圖2)。試驗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 試驗小區的降雨量分析 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，并計算相對減少雨水量流失率(表2)。

若以取樣時間為重復單元的話，求其平均值，則傳統栽培農作物模式(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Duncan多重比較方差分析，處理1(CK)與其他2個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，原因是與該月強降雨水直接相關。

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

圖4 魯博納地區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，每個集水池濕土壤全部用口袋取出，現場稱重做記錄。然后每個集水池取樣3份，帶回實驗室電子秤平稱濕重，烘干機保持105 ℃氣溫烘干72 h處理，稱干重求平均值，然后折算每個集水池的土壤干重流失量。數據分析見表3。

研究對比，結果顯示每個處理中集水池的泥沙流失量隨時間呈現遞增趨勢。 2012年10月至2013年4月期間土壤流失量變化達到最大，濕土壤流失量變化達264.8 kg，干土壤流失量變化166.8 kg。以取樣時間為重復單元進行方差分析，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 “傳統栽培農作物”模式而言，其他2個處理的相對減少土壤干重流失率大致呈現遞增趨勢。以相對減少土壤干重流失率數據進行求平均，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+梯田套種農作物”模式干土壤流失率減少90.4 %。

表2 不處理不同時期雨水徑流量以及減流率分析

表3 不同時期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成分分析

2013年4年28日對不同處理試驗區距表層土20 cm處進行土壤取樣，上、中、下隨機各取1次，帶回實驗室分析，委托盧旺達南方省農委土壤試驗分析室測定土壤相關養分，測定土壤有機質碳、總氮、有效磷和鉀方面的含量，求其平均值(表4)。

結果表明，“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+梯田套種農作物”模式(處理3)在有效磷、鉀含量方面與“傳統栽培農作物”模式(處理1)差異極顯著(1 %水平顯著性)；在有機質碳方面，各處理間差異顯著(5 %水平顯著性)，其中“等高線種植巨菌草”模式有機質碳含量最高，達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。但試驗地所測得的土壤養分數據偏低，參照土壤養分含量分級標準(表5)屬于極端缺乏，說明原本土壤肥力非常貧瘠，實際上是砂石偏多。

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，測定產量。每個樣地取30株測定單株高、地徑等性狀，求其平均值(表6)。

表5 土壤養分含量分級標準

注：全國第二次土壤普查暫行技術規程，1979。

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

表6 試驗處理2等高線種植巨菌草性狀分析表

試驗所在地土壤砂石偏多，但從實驗數據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，分蘗數多，生物量大，巨菌草根系發達，盤結交錯，根系長達1.5 m，根扎土壤深度達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,導致該期間的水土流失迅速加大，雨季時期的降雨量和強度加劇了當地水土流失嚴重的問題，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產鮮草12.25 t，利用菌草技術，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化成0.8～1 kg的鮮菇，單季667 m2產鮮草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]，可轉化1.92～2.4 t的鮮平菇，種植完食用菌的廢菌料可充當有機肥，提高農作物生產力。巨菌草用來生產紫孢平菇出售時，大豆與菌草混種系統的經濟效益是大豆單種系統的6.3倍[12]。 種植巨菌草保持水土，同時發展畜業，尤其是生長3個月時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，是值得推廣的飼草[13]。該措施可配合當地政府出臺的“一農戶一頭牛”的政策，在當地種植巨菌草一年可實現2～3季收割，用草種菇、養畜，不僅為當地民眾提供優質菌物蛋白和肉類蛋白攝入量，改善居民飲食營養結構，提高人們健康生活水平，還可幫助農戶提高收入，發展循環經濟農業，從而實現生態良好、農業經濟可持續發展的局面。

4 結 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“傳統栽培農作物”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產鮮草超過12.25 t，其根系發達，固土蓄水能力強。雖然本次試驗所測得的土壤養分數據偏低，因其土壤肥力原始貧瘠，但試驗結果表明“等高線種植巨菌草”模式在有機質C，有效磷和鉀含量方面比傳統栽培模式更高，說明種植巨菌草具有改善土壤肥力的潛力。