云南干熱河谷旱坡地南洋櫻植物籬水土保持效益研究

史亮濤,金 杰,張明忠,江功武,龍會(huì)英,紀(jì)中華,沙毓滄,鐘 利,朱紅業(yè)

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,云南元謀 651300;2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,云南昆明 650250;3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所,云南,昆明 650223)

云南省元謀干熱河谷區(qū)光熱資源豐富,年均降水量低,年蒸發(fā)量高,區(qū)域水分總量嚴(yán)重不足,且降水分配極不均勻,全年降水量的90%集中在5～10月;另受人為因素以及特殊氣候的影響,區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境強(qiáng)烈退化、水土流失嚴(yán)重,為典型生態(tài)脆弱區(qū)[1-6],旱坡地是區(qū)內(nèi)水土流失重災(zāi)區(qū),種植作物管理粗放,有機(jī)肥投入過(guò)低,作物主要依靠施用化肥來(lái)保障,導(dǎo)致了土壤日漸板結(jié),土壤退化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。水土流失、土壤退化成為元謀旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的限制因素。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于旱坡地持續(xù)發(fā)展已有大量的研究,其中,在旱坡地種植豆科等高植物籬和推廣綠肥植被是減少坡地水土流失和土壤退化行之有效的措施[9]。元謀旱季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),加之生態(tài)環(huán)境極度脆弱,推廣綠肥作物難,因此,植物籬篩選極其關(guān)鍵,應(yīng)具有既適宜不同退化土壤、耐旱、耐薄瘠、生長(zhǎng)迅速,還有管理粗放、多功能、多用途易于推廣等特點(diǎn)。通過(guò)云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所引種試驗(yàn)表明,南洋櫻(Gliricidia sepium)在元謀干熱河谷旱坡地,自然條件下成活率高、長(zhǎng)勢(shì)良好,能很好的適應(yīng)元謀干熱氣候條件,是一種較為理想的干熱河谷旱坡地植物籬樹(shù)種。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地在云南省金沙江干熱河谷典型區(qū)元謀縣金雷小流域,該地區(qū)干旱少雨且雨季集中,旱季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月,年均降水量?jī)H為616 mm,年蒸發(fā)量高達(dá)3 627 mm,年平均氣溫 21.9℃,最熱月均溫27.1℃,最冷月均溫14.9℃,土壤以沙土為主。流域內(nèi)耕地面積中60%為旱坡地,主要種植甘薯、玉米、花生、西瓜等作物,旱坡地由于缺乏有機(jī)肥,且為了便于耕作,種植方式多為順坡種植,同時(shí)由于雨季集中,水土流失和土壤退化現(xiàn)象嚴(yán)重,侵蝕劇烈。

1.2 材料

供試南洋櫻為一種熱帶速生的豆科樹(shù)種,半落葉喬木,羽狀復(fù)葉,大葉互生,小葉對(duì)生,樹(shù)高2～15 m,每年2、3月開(kāi)花,開(kāi)花時(shí)葉片全部掉光,種子千粒質(zhì)量107 g。原產(chǎn)于中美洲地區(qū),分布區(qū)域?yàn)?N 25°30′,E 7°30′,海拔 1 500 m。西部非洲、西印度群島地區(qū)、熱帶美洲、南亞地區(qū)都有種植。南洋櫻具有固氮能力強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速、耐割、適用性強(qiáng)、木材堅(jiān)硬,砍伐后萌芽率高,對(duì)土壤適應(yīng)性性強(qiáng)等特點(diǎn)。pH 4.5～6.2的酸性土壤,肥沃的沙土,重粘土,石灰質(zhì)土壤和堿性土壤,種子和實(shí)生苗均能正常發(fā)芽生長(zhǎng),無(wú)性繁殖成活率高,管理無(wú)特殊要求。

1.3 植物籬建植

南洋櫻種子育苗后,在5～6月雨季來(lái)臨時(shí)移栽,按30 cm×40 cm株行距,以品字型雙行等高栽植于旱坡地上,根據(jù)旱坡地坡度和地塊長(zhǎng)短,來(lái)確定植物籬帶寬,坡度10°以下的旱坡地帶寬10～15 m,在 10°以上陡坡地,帶寬可在5～10 m。待植物籬完全成活后,為能增加其分枝量,快速形成良好的植物圍籬,控制水土流失,當(dāng)南洋櫻植物生長(zhǎng)超過(guò) 1.5 m時(shí),將其離地50 cm進(jìn)行刈割,促進(jìn)側(cè)枝的生長(zhǎng)。第1次刈割留茬高度30 cm,以促進(jìn)根部側(cè)枝的生長(zhǎng)。

1.4 效益研究及分析

1.4.1 水土流失的監(jiān)測(cè)與設(shè)計(jì) 在金雷小流域2004年開(kāi)始建植的南洋櫻植物籬,選取水土流失較為嚴(yán)重旱坡地5.75 hm2,進(jìn)行水土流失數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),水土流失監(jiān)測(cè)不設(shè)對(duì)照區(qū),而是采用植物籬建植和建植后不同時(shí)段溝口監(jiān)測(cè)的徑流量,求得地表徑流改善的定量數(shù)值;同時(shí)在研究區(qū)選取5個(gè)30 m×20 m的樣方,每次刈割后測(cè)定單位面積上南洋櫻葉片和莖稈產(chǎn)量。

1.4.2 觀(guān)測(cè)指標(biāo) 觀(guān)測(cè)指標(biāo)包括徑流量、徑流泥沙量、降水量、單位面積上南洋櫻葉片和莖稈產(chǎn)量。

利用德國(guó)產(chǎn)Thalimedes數(shù)字式浮子水位增量編碼器,每隔5 min記錄1次徑流水位,通過(guò)水位流量關(guān)系計(jì)算徑流量,每次徑流量相加即得年徑流量。

式中Q(m3/s)單次單位時(shí)間內(nèi)徑流量;H(m)水位增量編碼器記錄水位;L(m)為監(jiān)測(cè)站徑流出水口寬度;T(s)徑流產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間。

泥沙量利用全自動(dòng)徑流取樣器每隔15 min取1次樣,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干法測(cè)定徑流中泥沙含量,每次徑流泥沙量相加即得年侵蝕量(土壤流失量);降水量采用人工觀(guān)測(cè)記錄。葉片和莖稈產(chǎn)量,每次刈割后,將選取樣方的南洋櫻莖、葉分離,分別稱(chēng)重再換算成單位面積產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量與徑流及侵蝕量間年際變化

在研究數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)期間,利用時(shí)間對(duì)比法來(lái)代替空間對(duì)比法,在結(jié)果分析中充分考慮了不同時(shí)段降水對(duì)徑流的影響,3年間徑流均從6月開(kāi)始10月結(jié)束,因此,降水量統(tǒng)計(jì)分析了6～10月(表 1)。

降水是產(chǎn)生地表徑流的主要驅(qū)動(dòng)因子,同時(shí),坡度、土地利用方式、土壤類(lèi)型均影響徑流的產(chǎn)生,大量研究也都表明通常情況下降水、坡度、土地利用方式都與徑流具有顯著性相關(guān)關(guān)系[2-5]。試驗(yàn)用SPSS 16.0軟件對(duì)3年的降水量與徑流量和侵蝕量進(jìn)行相關(guān)分析(表2)。在坡度、土地利用、土壤類(lèi)型等條件不變情況下,除植物籬建植成型前的2004年降水量與徑流量具有顯著相關(guān)關(guān)系外,植物籬建植成型后的2005年和2006年降水量與徑流量、侵蝕量間相關(guān)關(guān)系均不顯著。

表1 不同年份降水量、徑流量及侵蝕量Table 1 Rainfall distribution,runoff among,soil erosion in different years

表2 不同年份降水因子與徑流量、侵蝕量的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between rainfall and runoff and soil erosion in different years

2.2 地表徑流總量,徑流和侵蝕模數(shù)年際變化

對(duì)研究區(qū)植物籬建植前后年地表徑流總量和徑流模數(shù)以及侵蝕模數(shù)3個(gè)水土流失重要評(píng)價(jià)指標(biāo)變化情況進(jìn)行量化,計(jì)算方法[19]如下:

式中:△W1為減少的年徑流總量(m3);Wb1為植物籬建植前年徑流總量(m3);Wa1為植物籬建植后年徑流總量(m3)。

式中:△Wm為減少的年徑流模數(shù)(m3/km2);Wmb為植物籬建植前年徑流模數(shù)(m3/km2);Wma為植物籬建植后年徑流模(m3/km2)。

式中:△Sm為減少的年侵蝕模數(shù)(t/km2);Smb為植物籬建植前年侵蝕模數(shù)(/km2);Sma為植物籬建植后年侵蝕模數(shù)(t/km2)。

種植3年后研究區(qū)年地表徑流總量減少了167 470.87 m3,徑流模數(shù)減少了 29.13萬(wàn) m3/km2,減少率76.90%;侵蝕模數(shù)減少12 986.8 t/km2,減少率76.02%。研究區(qū)內(nèi)侵蝕強(qiáng)度由劇烈侵蝕降低為中度侵蝕,水土流失防治效果明顯(表3)。

2.3 南洋櫻植物籬水土流失治理區(qū)土壤養(yǎng)分流失研究分析

南洋櫻植物籬建植后,在減少水土流失的同時(shí),減少了治理區(qū)土壤養(yǎng)分的流失,泥沙中全鉀流失減少量高達(dá)3276.57 kg/hm2,有機(jī)質(zhì)流失量減少3111.64 kg/hm2,全氮 N、全磷 P流失量分別減少 184.41 kg/hm2和68.83 kg/hm2,保肥作用明顯(表4)。

表3 不同年份徑流模數(shù)和侵蝕模數(shù)變化量Table 3 Runoff modulus and erosion modulus in different years

表4 植物籬對(duì)土壤養(yǎng)分流失量的影響Table 4 Effect of hedgerow on soil nutrient losses

2.4 南洋櫻植物籬莖葉產(chǎn)量

研究區(qū)南洋櫻植物籬5個(gè)樣方于2005年測(cè)定鮮葉產(chǎn)量4 5916.0 kg/hm2,枝條產(chǎn)量53 000.0 kg/hm2,2006年測(cè)定鮮葉產(chǎn)量 69 853.0 kg/hm2,枝條產(chǎn)量85 673.0 kg/hm2。

3 結(jié)論

(1)相同立地條件和土地利用方式下,3年間研究區(qū)年際產(chǎn)流樣本數(shù)以及地表徑流總量和侵蝕總量都持續(xù)減少。通過(guò)對(duì)降水量與徑流量相關(guān)性分析,結(jié)果表明在植物籬建植前降水量與徑流量具有顯著相關(guān)關(guān)系,而植物籬建植成型后降水量與徑流量間相關(guān)關(guān)系不顯著,無(wú)論是降水量多少,產(chǎn)流樣本數(shù)和相關(guān)系數(shù)都明顯減少。由此說(shuō)明隨著南洋櫻植物籬的生長(zhǎng)成型,固土保水能力不斷增強(qiáng),起到了很好的攔截徑流,旱坡地地表徑流得到了有效控制。

(2)3年中研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度由劇烈侵蝕降低為中度侵蝕,年徑流模數(shù)與侵蝕模數(shù)減少量分別為29.13萬(wàn) m3/km2、12 986.8 t/km2,減少 率皆高達(dá)76.00%。說(shuō)明南洋櫻植物籬能在較短時(shí)期內(nèi),發(fā)揮固土保水,減少?gòu)搅?控制泥沙的作用,且效果十分明顯,因此,在云南干熱河谷旱坡地建植南洋櫻植物籬是一項(xiàng)控制坡地水土流失、減少土壤侵蝕的良好措施。

(3)南洋櫻植物籬除水土流失治理效果顯著外,還能大量減少?gòu)搅髂嗌持械牡?、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分。其中,有機(jī)質(zhì)和鉀流失減少量達(dá)3 111.64 kg/hm2和3 276.57 kg/hm2。另外,植物籬樹(shù)種南洋櫻自身還能發(fā)揮良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益,植物籬每年可刈割45.0～70.0 t/hm2鮮葉和53.0～85.0 t/hm2枝條,鮮葉可直接返回地中用作綠肥,或通過(guò)根瘤固氮,以增加土壤養(yǎng)分和改善土壤結(jié)構(gòu),而刈割鮮葉曬干粉碎后可適當(dāng)作為家畜蛋白補(bǔ)充飼料[21];枝條則可作為薪材利用。因此,南洋櫻可作為干熱河谷區(qū)一種新型多功能多用途的等高植物籬種植物種,在控制旱坡地水土流失、土壤侵蝕治理改善土壤養(yǎng)分方面進(jìn)行推廣利用。

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