丹江口庫區坡耕地玉米間作模式經濟與環境效益分析

李濤 戢正華 蔡建波 夏文建 薛利紅 余文暢 林杉

摘要：2013—2015年連續3年采用田間小區試驗，研究了自然降雨條件下玉米（Zea mays L.）單作、玉米間作白芷（Angelica dahurica）、玉米間作甘薯[Dioscorea esculenta （Lour.） Burkill]對丹江口庫區坡耕地地表氮、磷養分流失的影響，并進行了經濟效益分析。結果表明，玉米間作模式對坡耕地地表氮、磷有顯著的阻控作用，并可有效降低水土流失。與玉米單作相比，玉米間作白芷和玉米間作甘薯的徑流總氮年均流失量分別減少了32.09%和20.37%，徑流總磷年均流失量分別減少了32.08%和18.40%，泥沙流失量分別減少了9.18%和11.05%。玉米間作白芷經濟效益最高，其次是玉米間作甘薯，分別是玉米單作的4.24和2.73倍。從農田氮、磷面源污染控制和經濟效益綜合分析，玉米間作白芷模式是丹江口庫區較合理的生態種植模式，可進一步推廣應用。

關鍵詞：玉米（Zea mays L.）;間作模式;坡耕地;阻控作用;經濟效益;丹江口庫區

中圖分類號：S344.2;S513?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）07-0077-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.017

Abstract：The experiment was conducted in natural rainfall condition under in the Danjiangkou reservoir area from 2013 to 2015 to study the characteristics of nitrogen and phosphorus loss from slop farmland and economic benefit under different planting patterns of maize（Zea mays L.） monoculture，maize intercropping angelica dahurica（Angelica dahurica） and maize intercropping sweet potato [Dioscorea esculenta （Lour.） Burkill]. The result showed that the maize and other crops intercropping had better interception effect on nitrogen and phosphorus runoff loss，and could decrease the soil and water runoff loss from slop farmland. In comparison with the maize monoculture，runoff loss of total nitrogen was decreased under maize intercropping angelica dahurica and maize intercropping sweet potato，with the decreases of 32.09% and 20.37%，respectively，the runoff loss of total phosphorus decreased by 32.08% and 18.40%，respectively，and the sediment particle losses decreased by 9.18% and 11.05%. The maize intercropping angelica dahurica had the highest economic benefit，followed by the maize intercropping sweet potato，and the economic net income reached 4.24 times and 2.73 times than maize monoculture，respectively. Maize intercropping angelica dahurica was the optimal cropping pattern and should be adapted to a larger area in Danjiangkou reservoir area according to its economic benefic and non-point source pollution control by nitrogen and phosphorus in farmland.

Key words： maize（Zea mays L.）;intercropping pattern;sloping farmland;control effect;economic benefits;Danjiangkou reservoir area

農田土壤中的氮、磷是作物生長最主要的營養元素，為保證作物生長和糧食產量，農田化肥的施用必不可少，但過量的化肥會導致大量氮、磷養分在土壤中蓄積。在降雨和地表徑流的作用下，氮、磷養分和農田中泥沙離開土壤表層，形成地表徑流，匯入地勢較低的溝渠、河流，再進入湖泊或水庫等受納水體，引起水體富營養化，加速水庫淤積。農田泥沙和氮、磷的輸出與農田施肥措施、農業耕作措施、植被覆蓋率和土地利用方式等有重要聯系[1]。追求作物高產一直是農業生產的主要目標之一，作物的持續增產卻是以化肥的高投入為代價。玉米和中藥材種植過程中，一直存在肥料施用量大的問題，加上山區坡耕地水土流失嚴重，加劇了農業氮、磷面源污染負荷[2]。丹江口庫區是南水北調中線工程的水源區，重點解決北方沿線大城市的缺水問題。國家對水庫的水質有較高要求[3]，但近年來，隨著庫區周圍人類活動的加劇和農業集約化生產等問題，庫區局部庫灣和部分支流水質指標超過地表水環境質量Ⅳ類標準，庫區部分河段有富營養化趨勢[4]。庫區水質的惡化將對南水北調工程的調水質量造成不利影響。

2.3?不同種植模式對地表總磷流失量的影響

于2013年春季開始監測徑流小區試驗，并于2013年5月下旬監測到地表徑流，植物-土壤系統不穩定，3種種植模式坡耕地總磷流失量差異不明顯，玉米單作、玉米+白芷間作和玉米+甘薯間作處理總磷流失量分別為1.83、1.76、1.72 kg/hm2;2014年玉米單作處理總磷流失量明顯高于其他2種種植模式;2015年玉米+白芷間作處理總磷流失量明顯低于玉米單作和玉米+甘薯間作處理（圖2）。玉米單作、玉米+白芷間作和玉米+甘薯間作3種種植模式3年磷素平均流失量分別為2.12、1.44、1.73 kg/hm2，連續3年的小區監測試驗表明，2種生態間作種植模式均可降低坡耕地總磷流失量。與玉米單作相比，玉米+白芷間作和玉米+甘薯間作種植模式總磷流失量降低幅度分別為32.08%和18.40%，玉米+白芷間作對坡耕地總磷流失的阻控效應更顯著。

2.4?不同種植模式的經濟效益

由表2可知，不同種植模式中，玉米單作的玉米產量均比其他2種種植模式高。白芷為多年生藥用作物，以3年生地下根莖價值統計經濟效益，2013、2014年均未采挖，故這2年產量為零，2015年白芷產量為 6 367.5 kg/hm2。

生產成本包括人工費用和物資費用。人工費為田間施肥、播種、移栽、收獲等管理措施所付的費用，研究區人工費為150 元/d;物資費用包括農藥、化肥、種苗等費用，白芷在種苗方面的花費為3.2萬元/hm2。當季農產品價格分別為玉米1.6元/kg，甘薯1.0元/kg，白芷15.0元/kg。玉米+白芷間作處理3年經濟純收入為28 800.2元/hm2，玉米+甘薯間作處理經濟純收入為18 525.0元/hm2，玉米單作處理經濟純收入僅為6 788.5元/hm2（表3），與玉米單作處理相比，玉米+白芷間作處理增加收入22 011.7 元/hm2，玉米+甘薯間作處理增加收入11 736.5 元/hm2。玉米+白芷和玉米+甘薯間作處理經濟純收入分別是玉米單作的4.24和2.73倍。玉米+白芷間作處理顯著高于其他處理。由此可見，在丹江口庫區種植糧-藥共作模式效益可觀，值得推廣。

3?小結與討論

作物間作模式下土壤根系的生物量要顯著高于單作模式。不少研究表明，土體中的根系密度可使土壤水穩性團聚體含量增加，增強雨滴擊打承載能力，從而減少坡面產流和土壤流失量[8，9]。丁志磊等[10，11]的研究表明，玉米間作花椒模式在控制徑流流失方面有較好的效果，這是由于玉米會對降雨有一定遮擋，減少雨滴侵蝕，玉米地的間作植物會增強地表的粗糙程度，減少徑流的產生與流速，從而降低泥沙的流失量。本研究中，2種玉米間作模式地表徑流量和產沙量較小，這與陳小強等[12]玉米大豆間作模式對坡耕地水土保持影響的研究結果相似，其主要原因是玉米和中藥材或其他作物的間作可以通過增加植物覆蓋，減緩降雨對土壤的侵蝕，減輕坡耕地地表徑流，有利于坡耕地蓄水減流和保土減沙，提升土壤肥力。

坡耕地總氮與總磷的流失量變化受許多因素的影響，包括降雨量、土地利用方式、種植模式、坡度、施肥量等因素[13-15]。坡度越大地表積水的勢能越大，徑流中的氮、磷含量也隨之增大[16];鐘雄等[17]研究表明，徑流量與產沙量在紫色土與紅壤土間有差異，且玉米間作大豆模式有效減少了坡耕地的氮、磷流失。在土壤養分的流失過程中，顆粒態與溶解態氮、磷以被泥沙與徑流攜帶的方式流失[18]，地表徑流起著決定性的作用。間作種植模式增加了地表的粗糙程度，可攔截降雨，阻控泥沙，通過減小徑流量與徑流流速進而減緩徑流的沖刷能力，以此減少坡耕地地表氮、磷的流失量[19-21]。也有研究表明，玉米間作大豆模式下，玉米對氮素的利用率會提高，進而提高產量，說明該種植模式對氮素流失的控制能力更強[12]。本研究玉米間作白芷、甘薯比玉米單作也明顯減少了徑流中的氮、磷含量，其中玉米間作白芷模式氮、磷流失量最少，白芷和甘薯2種作物根部對徑流都有阻控作用，都增強了對土壤中的氮、磷吸收能力，但甘薯于5月下旬移栽，錯過移栽前對徑流的攔截作用。不少研究表明，玉米間套作模式可有效促進作物對磷的吸收，提高磷肥利用率，從而有效降低磷肥向水體遷移[22，23]。不同間作模式對農田氮、磷流失的控制效果與其植物地表生長情況和地下根系有必然聯系，因此，間作植物的合理搭配對該地區坡耕地氮、磷流失的控制效果還需進一步研究。

本研究中2種間作模式顯著降低了玉米產量，玉米間作白芷和玉米間作甘薯模式的玉米產量均低于玉米單作模式;但是，玉米間作白芷、甘薯模式下的經濟效益明顯高于玉米單作模式，尤其以玉米間作白芷模式的經濟效益最高。白芷作為一種經濟價值較高的中藥材，十堰市將會大力發展白芷種植和深加工產業，目前已有幾家大型中藥生產企業都以白芷為主要原材料。甘薯也是十堰市的主糧之一，該地區甘薯種植面積為1.3萬hm2。因此，在丹江口庫區推廣玉米間作白芷和玉米間作甘薯種植模式有重要的理論和實踐價值。有不少研究表明，玉米間作大豆、蠶豆等作物不僅可減少氮、磷流失，解決肥料大量施用帶來的水體富營養化問題，更能增加作物產量，提高肥料利用效率，使區域農田實現可持續發展，從而帶來更大的經濟效益[12，22]。陳紅日等[24]的研究顯示，玉米套作甘薯其經濟純收入顯著提高，與玉米單作相比提高了98.07%，間作模式有勞動力和成本更為密集的效果，使時空集約性更強。果蔗+花生間作模式提高了單位面積土地收益[25];云南省洱海流域的田間試驗表明，大蒜+蠶豆間作模式不僅有效降低了農田氮、磷流失風險，還顯著提高了經濟效益，是適合于該地區推廣的經濟效益、環境效益雙贏的種植模式[26]。利用間套作農藝措施可充分挖掘農田氮、磷的攔截功能，對于維持土壤肥力的可持續性，防控農田面源污染，提高農民經濟收入有重要的現實意義，合理調整種植模式有利于促進農業的可持續發展。

本研究結果表明，玉米間作模式有效降低了坡耕地的養分損失量，對農田氮、磷面源污染有一定的阻控作用;玉米間作白芷模式綜合經濟效益和環境效益好，是目前丹江口庫區保證農民收入且有效降低農田面源污染較合理的生態種植模式。本研究只是丹江口庫區坡耕地實施玉米間作模式產生效應的初步探討，對該地區坡耕地農業生產的最優模式及間作綜合效應還需進一步研究。

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