水源保护区坡耕地不同种植模式水土保持效应试验

时间：2024-07-28

潘艳华，朱红业，雷宝坤，郭玉蓉，王应学，和寿甲，付丽波

(云南省农业科学院农业环境资源研究所，650205，昆明)

水土流失和面源污染是当今普遍存在的重要生态环境问题。随着点源污染的有效控制和治理，面源污染已成为湖泊、水库富营养化的重要因素［1］，60%的水资源污染来自于面源，其中，水土流失又是面源污染的重要来源，过度垦殖和不合理的土地利用方式导致土壤侵蚀、养分流失，在径流冲刷下形成面源污染。严重的水土流失，多发生于8°的坡耕地上［2］。云南是一个多山的省份，山区半山区面积占全省总面积的94%，坡耕地面积占全省耕地面积的74%，同时全省降雨量充沛，并集中于5—10月。多山的地貌，充沛的降雨，干湿季节分明的亚热带季风气候，加剧了云南省坡耕地的水土流失，致使全省水土流失面积超过14.1万km2，年土壤侵蚀量超过5.18亿t［3］。云南各地的水源保护区，多处于农耕为主的山区半山区，耕地以坡耕地为主，耕作管理粗放，顺坡种植普遍，土壤侵蚀严重。大量表层土壤随径流流失，使耕层变浅，土壤退化，农业生产力低下［4］。径流及泥沙携带大量氮磷等物质进入水体，引发水体富营养化［5］，直接威胁饮用水安全。近年来，因水土流失引起的水体富营养化问题，已引起各级政府高度重视［6］。种植模式对坡耕地水土流失的影响已有较多研究［7-10］，相对而言，针对水源保护区坡耕地水土流失治理的研究报道较少。笔者通过不同种植模式水土保持及经济效益对比试验，筛选经济效益好、能有效降低水土及养分流失且又适宜水源保护区的种植模式，替代负面作用较大的常规种植模式，以期为水源保护区坡耕地种植结构调整提供技术支持，保障农业生产可持续发展，保护水资源及生态环境安全。

1 试验区概况

试验区位于金沙江下游流域、昆明市禄劝县云龙水库水源保护区。云龙水库库容4.84亿m3，通过掌鸠河引水供水工程，提供昆明市近40%的饮用水。水源区656 km2流域内，人口近4万，有坡耕地3 265.1 hm2，占耕地面积的96.6%。流域年均气温13.2℃，海拔2 000～2 600 m，年均降雨量1 100～1 200 mm，气候类型为温和半湿润低山气候至冷凉湿润高山气候［11］。试验区坡耕地比例大，农业种植结构单一，管理粗放，主要播种玉米(Zea mays L.)、烤烟(Nicotiana tabacum)、小麦(Triticum aestivum)以及少量经济林果，农民收入低，年人均纯收入不到2 000元。

2 材料与方法

供试土壤为紫色土。在坡度一致的同一坡面耕地上，设3种种植模式，面积均为120 m2，试验地坡度为16.5°，底端海拔2 085 m。试验年份为2008—2010年。3种种植模式详述如下。

种植模式1:玉米+小麦，简写为MS1。当地习惯种植模式，玉米小麦轮作。每年5月，翻耕土地，起垄播种玉米，播种密度6万株/hm2，10月玉米收获后撒播小麦。玉米及小麦年N、P2O5、K2O施用量分别为 300、105、75 kg/hm2及 150、45、30 kg/hm2。

种植模式2:牧草混播，简写为MS2。禾本科及豆科牧草混播，黑麦草特高(Lolium multiflorum)及黑麦草卓越(Lolium perenne)、鸭茅安巴(Dactylis glomerata)、三叶草海发(Trifolium subterraneum)、苜蓿皇后(Medicago sativa)品种各20%。耕翻土地后，按2 m开墒，行距30 cm开播种沟，用细土及腐熟过筛的农家肥与牧草种子充分混合拌匀(拌土及肥前分别用相应根瘤菌接种豆科牧草)，按单位面积称量撒播，覆土浇水。年N、P2O5、K2O施用量分别为 255、135、75 kg/hm2。

种植模式3:黄梨(Pyrus sorotina)+绿肥，简写为MS3。用3年大的黄梨苗移栽，行距4 m，株距3 m，在行株距间离树苗1.0 m空地上套种光叶紫花苕(Vicia villosa Roth var.)。年N、P2O5、K2O 施用量分别为255、135、75 kg/hm2，并把每年所种绿肥刈割还田。

径流观测区设置:在3种种植模式中央各划出48 m2作为径流观测区，长8 m，宽6 m，长边垂直于等高线，短边平行于等高线。沿周长线，用40 cm高的空心砖，埋入土中20 cm，通过水泥砂灰抹平固定砌成径流观测区，并在小区上方开排水沟拦截外围坡面径流，在小区下方建截洪沟、沉沙池、量水堰。

径流量、土壤侵蚀量、养分流失量测定:在2008—2010年连续3年雨季，每次降雨产生径流后，测定量水堰内径流量，并充分搅拌均匀后，取样500～1 000 mL进行过滤，将泥沙烘干、称量，把烘干样放于干燥器保留，水放入冰柜保存，折算径流量及土壤侵蚀量，同时把量水堰清理干净以便承接下次径流。沉沙池里有泥沙沉积时，也同时称量，取样烘干保存，折算土壤侵蚀量。待雨季过后，完成全年取样，分别测定各次保存样品的养分含量。加和计算各次数据，得到全年径流量、土壤侵蚀量和养分流失量［12］。

作物生长情况及效益测定:测定各年度作物的覆盖度、经济产量和生物量。按当地市场价格折算各种收获物价值，按年度汇总，计算作物产值，扣除化肥农药成本后，计算作物纯收益。

3 结果与分析

3.1 不同种植模式作物覆盖度

图1为2008年3种种植模式作物覆盖度和2009及2010年黄梨+绿肥种植模式的作物覆盖度。可以看出:2008年前、中期所有种植模式的作物覆盖度随着生育期延长而逐渐增加，玉米+小麦(MS1)种植模式作物覆盖度8月达到最大值86.5%，且在8月以前均大于另外2种种植模式，主要是因为玉米为一年生高杆作物，前期生长较快，后期随着灌浆成熟，部分叶片枯萎，覆盖度逐渐降低;牧草混播(MS2)种植模式作物覆盖度在8月以前小于玉米+小麦种植模式，9月后高于玉米+小麦种植模式，达到99%左右，并维持稳定;黄梨+绿肥(MS3)种植模式中黄梨树苗移栽初期生长缓慢，且因株行距较大，覆盖度低，套种的1年生绿肥成为决定覆盖度的主要因素，覆盖度在8月达到最大值65%，后随着绿肥成熟刈割，覆盖度成下降趋势;2009年后，随着梨树不断长大，MS3种植模式的作物覆盖度逐渐增加，最大覆盖度为71%;2010年，树冠大小基本定型，树木郁闭度达最大，覆盖度稳定在75%左右。MS1种植模式中玉米与小麦均为1年生作物，各年度覆盖度趋势相同，MS2种植模式第2年已形成草被，覆盖度稳定，接近100%，所以，MS1及MS2种植模式在2009及2010年的覆盖度数据未在图中重复列出。

3.2 不同种植模式对水土流失的影响

图1 不同种植模式作物覆盖度Fig．1 Surface coverages under varied cropping patterns

3年的水土流失数据汇总于表1，对应2008、2009、2010年各年度产流期统计的降雨量分别为897、1 102、1 005 mm。可知，径流量及土壤流失量与降雨量密切相关。其中MS1径流量及土壤流失量与降雨量的相关性极显著，相关系数分别为0.945、0.990。2009年降雨量最大，而且暴雨次数多，本年度径流及土壤流失量为3年中最大。2009与2008年相比，MS1、MS2、MS3径流量分别增加27.3%、17.3%、2.9%，土壤流失量分别增加 93.3%、28.8%、43.9%;与 2010 年相比，MS1、MS2、MS3 径流量分别增加17.6%、14.0%、29.3%，土壤流失量分别增加34.4%、31.8%、84.9%。说明暴雨冲刷是径流及土壤流失量增加的重要因素。

表1 不同种植模式水土流失量Tab．1 Soil erosion of different cropping patterns

从不同种植模式看，3年平均径流量MS1﹥MS3﹥MS2，MS2及 MS3分别比MS1减少27.7%及14.4%。分年度看，2008、2009、2010年，MS2径流量分别比MS1减少24.3%、30.2%、28.0%，2008年MS3的径流量比MS1高2.3%，2009、2010年径流量分别比MS1减少17.3%及24.7%。土壤流失量趋势与径流量一致，3年平均，MS2、MS3分别比MS1 减少 44.2%、20.9%，2008、2009、2010 年各年度土壤流失量，MS2分别比 MS1减少 25.2%、50.2%、49.2%，2008年MS3土壤流失量比MS1高7.5%，2009、2010年分别比 MS1减少 20.0%及41.8%，土壤流失量比径流量减少的幅度更大。

地表径流量及土壤流失量除受降雨量直接影响外，还受耕作方式、作物覆盖度影响。MS1虽然每年雨季中后期覆盖度大于MS3，但因每年都要翻耕后才种植玉米，玉米生长期要中耕除草及施肥，对土壤表层的扰动较大，总体水土流失量比其他2种模式多。MS2模式，牧草播种初期，生长缓慢，水土保持效果较弱，随着生育期延长，牧草分蘖不断增加，生长茂密，根系发达，混播的豆科、禾本科牧草生长互相促进，2008年后期覆盖度即达到最大，形成覆盖度近100%的草被，地表几乎无裸露，并且多年生牧草种植一次可连续利用多年，2009年后对土壤基本无扰动，能稳定地固土保水。MS3梨树移栽时，挖塘翻地，对土壤扰动大，加之覆盖度最小，2008年径流及土壤流失量最大，2009及2010年，耕作减少，雨季对土壤基本无扰动(黄梨1年2次施肥，分别在春季及初冬，均为旱季)，径流量及土壤流失量比MS1小，比MS2大。

3.3 不同种植模式对养分流失的影响

不同种植模式各年度养分流失量见表2。可以看出:总养分流失量各年度均为MS1＞MS3＞MS2。MS1养分流失量最大，总量比 MS2多61.0%，比MS3多72.7%，氮、磷、钾平均流失量分别比MS2多60.6%、62.7%、73.5%，比MS3多33.8%、50.9%、51.6%。其中，MS1氮、磷、钾流失量2009年都为最大，MS2、MS3氮、磷流失量2008年最大，钾流失量则是2009年最大。3种种植模式不同年度养分流失的差异，2008年最小，2010年最大，主要因MS1在3年中各种条件相同，而MS2及MS3到2010年时，生长比前2年旺盛，生物量增加较多，耕作却减少。差异最大的2010年，氮、磷、钾流失量，MS1比MS2都增加 90%以上，增幅分别为 91.9%、111.8%、168.6%，比MS3增加50%以上，增幅分别为53.1%、84.4%、113.5%。

表2 不同种植模式氮磷钾养分流失量Tab．2 Loss of N，P and K under different cropping patterns kg/hm2

每年的耕作、播种、施肥情况一致的条件下，养分流失量主要受径流量及土壤流失量影响，所以MS1养分流失量2008年最小，2009年最大。MS2、MS3氮、磷及总养分流失量均随着年份增长逐渐减少。2009与2008年相比，MS2氮、磷流失量分别减少16.0%、25.6%，总养分流失量减少13.3%;MS3氮、磷流失量分别减少5.4%、0.6%，总养分流失量减少5.4%。2010与2008年相比，MS2氮、磷流失量分别减少30.6%、37.7%，总养分流失量减少36.6%;MS3氮、磷流失量分别减少 22.0%、22.3%，总养分流失量减少28.6%。试验期内，随年限延长，多年生牧草生长越来越旺盛，生物量不断增加。果树也随年限增加，树枝不断长大，结果数量增多。在施肥量保持一致的前提下，收获物吸收带走的养分多，流失的养分相对减少;但2009年钾流失量较为特殊，3种模式均比前、后2年有不同程度增加，MS1、MS2、MS3钾流失量分别比2008年增加42.9%、3.0%、7.7%，比 2010年增加 37.4%、111.2%、107.4%。这源于试验区土壤为紫色土，含钾量丰富，年度降雨量大，暴雨多，径流和泥沙中携带了大量缓效态钾［13］。

综上所述，坡耕地养分流失量主要受径流及泥沙所含养分影响，与施肥量及耕作措施也有一定的关系。玉米、小麦为一年生作物，为了得到较好的产量，每年需施用较多的养分，年施肥总量比其他2种种植模式多51.6%，加之每年种玉米前要翻犁起笼，对土壤表层扰动大，增加了养分流失量。氮、磷随径流进入水体是水质富营养化的主要原因，钾虽然与水体富营养化关系不大，但也是土壤肥力的主要成份。牧草混播及果树套种绿肥可有效降低氮磷钾养分流失，既能保障水源安全，又能较好地维持土壤肥力，减少土壤退化。

3.4 不同种植模式作物产量及经济效益分析

不同种植模式各种作物产量及生物量见表3。玉米+小麦种植模式除施肥量大于牧草混播种植模式及黄梨+绿肥种植模式外，每年防治病虫害农药用量也较大，平均每年花费农药成本450元/hm2，牧草混播种植模式3年未使用农药，黄梨+绿肥种植模式化肥用量与牧草混播种植模式，农药使用情况不同，第1年未用农药，第2、3年使用农药成本分别为300、450元/hm2。按当地平均市场价，玉米籽粒、小麦籽粒、玉米及小麦秸秆、牧草、梨分别为1.8、2.1、0.1、0.2、2.0 元/kg，化肥成本按每个纯养分5元/kg计。折算后，玉米+小麦种植模式、牧草混播种植模式、黄梨+绿肥种植模式3年总产值分别为4.90、4.36、4.70万元/hm2。扣除化肥、农药成本后，纯收益分别为 3.71、3.66、3.94 万元/hm2。玉米+小麦种植模式总产值最高，但因使用的化肥农药成本较大，纯收益反而比黄梨+绿肥种植模式低2 205元/hm2。牧草混播种植模式总产值较低，但纯收益与玉米+小麦种植模式接近，仅比玉米+小麦种植模式低1.2%。黄梨+绿肥种植模式新栽的梨树第1年未结果，产量产值数据仅为2年，总产值低于玉米+小麦种植模式而高于牧草混播种植模式，但纯收益最高，比玉米 +小麦种植模式高5.9%。梨树一般5年以后才到盛果期，届时产量最高可超过30 t/hm2，总产值及纯收益还有很大提升空间。黄梨是一种品质优良、口感极佳的水果，深受当地百姓喜爱，所以黄梨+绿肥种植模式可作为当地坡耕地大面积应用的种植模式。现阶段，当地牛羊养殖大部分仍然以放牧散养为主，对环境的破坏相当严重。发展家庭庭院养殖，减少放牧，是当地政府正在推行的禁牧措施。牧草混播种植模式，可提供大量优质饲草发展畜牧养殖业而不影响环境，还可增加农民收入，是种植结构调整的较好模式。

表3 不同种植模式作物产量及生物量Tab．3 Crop yield and biomass of different cropping patterns t/hm2

4 结论与讨论

1)牧草混播、黄梨+绿肥种植模式是水源保护区坡耕地防治水土流失较好的种植模式，与玉米+小麦种植模式相比，牧草混播种植模式能降低径流量27.7%，降低土壤流失量44.2%，黄梨+绿肥种植模式能降低径流量14.4%，降低土壤流失量20.9%。黄梨也可用其他适应性较好的经济林果代替。

2)牧草混播、黄梨+绿肥种植模式能有效降低养分尤其是氮、磷的流失，可保护水源安全。与玉米+小麦种植模式相比，牧草混播种植模式平均氮流失量减少17.0%，磷流失量减少44.8%;黄梨+绿肥种植模式平均氮流失量减少9.0%，磷流失量减少33.9%。

3)与玉米+小麦种植模式相比，在化肥施用量减少34%的条件下，牧草混播、黄梨+绿肥种植模式仍然能获得较好的产值及纯收益，黄梨+绿肥种植模式纯收益比玉米+小麦种植模式提高5.9%，牧草混播种植模式与玉米+小麦种植模式基本持平。

4)牧草混播、黄梨+绿肥种植模式既可有效减少水土及养分流失量，还可以获得较好的经济收益。

牧草混播种植模式固土净水的效果最好，还能提供大量优质饲草，促进畜禽圈养及家庭庭院养殖，减少放牧对环境的破坏，保障水源保护区禁牧措施顺利执行。黄梨+绿肥种植模式的经济效益最高，能直接增加农民收入，提高耕地生产力。牧草混播、黄梨(或其他经济林果)+绿肥种植模式都可作为水源保护区种植结构调整的较好模式，也可应用在高原湖泊、大中型水库边缘生态综合治理等方面。

需要指出的是，虽然与玉米+小麦种植模式相比，牧草混播、黄梨(或其他经济林果)+绿肥种植模式可有效减少水土及养分流失量，但其侵蚀模数仍达到34.15及48.38 t/(hm2·a)，属中度侵蚀级别。在条件许可的情况下，宜采用坡改梯措施，或应用植物篱梯化技术逐渐减小坡度，降低土壤侵蚀模数。

笔者最初所用题名为“水源保护区坡耕地3种种植模式的综合效应研究”，专家审稿后建议用现在的题名，接受专家意见并在此表示感谢!

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