玉米苜蓿間作的蓄水保土效益試驗(yàn)研究

成 婧，吳發(fā)啟，路 培，王 健，云 峰，吳光艷

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100）

我國(guó)黃土高原水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到了很大的影響，其中尤以坡耕地為甚。作物與牧草間作的種植模式能夠增強(qiáng)水土流失治理的效果［1］。牧草適應(yīng)性強(qiáng)，具有糧食作物所沒有的優(yōu)良性狀，能夠顯著改善土壤的物理性狀和水文效益［2］。紫花苜蓿是我國(guó)栽培面積較廣的牧草，其莖葉繁茂，根系發(fā)達(dá)，能夠固持土壤，并能改善土壤的理化性狀［3］，減少土壤侵蝕作用，其生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著［4］。作物與牧草間作，能夠降低土壤容重［5］，使降水滲入土中，增加土壤含水量，減少地表徑流，延緩?fù)寥浪窒臅r(shí)間［6－7］，從而減輕土壤侵蝕的程度。因此，糧草間作可以有效地防止水土流失，增加蓄水保土效益，從而恢復(fù)和提高土地生產(chǎn)力［8－10］。陜西省合陽(yáng)縣地處黃土旱塬區(qū)，降水偏少，時(shí)空分布不均，且多以暴雨形式出現(xiàn)，加之土壤結(jié)構(gòu)較為松散，極易被降水沖刷，產(chǎn)生了眾多的溝壑，因此水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重。本文通過分析間作地的土壤含水量、徑流量以及泥沙量，研究了玉米苜蓿間作的蓄水保土效益，為渭北旱塬地區(qū)實(shí)行科學(xué)有效的種植模式提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)布設(shè)在陜西省合陽(yáng)縣甘井鎮(zhèn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)海拔910m，位于北緯34°10′—36°20′，東經(jīng)106°20′—110°40′，地勢(shì)西北高東南低，呈傾斜狀。該區(qū)多年平均降雨量431.96mm，主要集中在7—9月3個(gè)月，降雨年際間分配不均，降水變率為0.779～1.464，蒸發(fā)量為1 832.8mm。光能資源較為豐富，年平均氣溫21℃，氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，屬半干旱地區(qū)。土壤為紅土，中性偏堿，pH 8.4。種植的農(nóng)作物有冬小麥、春玉米、紅薯、油菜、苜蓿等。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地選在坡度為10°的農(nóng)耕地上，共布設(shè)3組處理，即玉米苜蓿間作地、玉米單作地和裸地。其中，單作地和裸地的寬度為2m，投影長(zhǎng)度為20m；玉米苜蓿間作地從坡頂沿坡長(zhǎng)方向按苜蓿、玉米進(jìn)行依次間作種植，小區(qū)寬度為2m，間作帶投影寬度為10 m，即10m苜蓿帶＋10m玉米帶的間作模式（表1）。小區(qū)之間用石棉瓦隔離，并在各小區(qū)坡地建長(zhǎng)2m寬1m高0.6m的徑流收集池，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

試驗(yàn)采用的苜蓿品種為三年生紫花苜蓿，供試作物為當(dāng)?shù)刂饕衩灼贩N沈單16號(hào)，按當(dāng)?shù)卣r(shí)令播種和收獲，并對(duì)紫花苜蓿進(jìn)行3次刈割。

表1 試驗(yàn)處理

2.2 測(cè)定項(xiàng)目

（1）土壤含水量。采用中子儀和便攜式時(shí)域反射儀（TDR）觀測(cè)。中子管布設(shè)在每個(gè)小區(qū)的近中央，利用TDR對(duì)土壤表層0—20cm的水分含量進(jìn)行觀測(cè)，用中子儀觀測(cè)20—350cm土層的水分，每20cm為一層進(jìn)行土壤水分的觀測(cè)，水分測(cè)定主要安排在作物生長(zhǎng)期內(nèi)的3—10月，每月測(cè)定3次，每場(chǎng)降雨過后加測(cè)一次，各層重復(fù)3次。

（2）降雨量與降雨強(qiáng)度。采用雨量筒測(cè)定，將每次降雨收集在雨量筒內(nèi)，觀測(cè)降雨量，并記錄降雨時(shí)間，計(jì)算出各次降雨的降雨強(qiáng)度。

（3）徑流量。徑流觀測(cè)采用蓄水池收集的方法，每次降雨產(chǎn)生的徑流流入各小區(qū)下方的蓄水池中，記錄池中水深，計(jì)算出各小區(qū)的徑流量。

（4）產(chǎn)沙量。每場(chǎng)降雨徑流發(fā)生后，將蓄水池中的泥水?dāng)嚢杈鶆?，?00ml的塑料瓶采集泥沙樣3瓶，置于烘箱內(nèi)105℃烘干后稱重，通過計(jì)算含沙量得出每次降雨各小區(qū)的土壤流失量。徑流觀測(cè)采用蓄水池收集的方法，降雨產(chǎn)生徑流后，測(cè)定小區(qū)徑流量。

2.3 計(jì)算方法

以裸地徑流量為對(duì)照，利用蓄水效益公式計(jì)算出間作和單作下的玉米苜蓿的蓄水效益。

蓄水效益＝（裸地徑流量－小區(qū)徑流量）／裸地徑流量

保土效益＝（裸地產(chǎn)沙量－小區(qū)產(chǎn)沙量）／裸地產(chǎn)沙量

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分變化特征

土壤能夠儲(chǔ)蓄天然降水，滿足作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求。糧草間作能夠大大提高作物水分利用效率，改善土壤水分狀況。圖1為玉米苜蓿間作，玉米單作以及裸地的土壤含水量的變化情況。從各土壤水分垂直分布的變化情況可以看出，在0—200cm的土層，由于作物生長(zhǎng)需要消耗水分，因此總體上裸地含水量最高。玉米苜蓿間作地的土壤含水量大于玉米單作地的土壤含水量，這是由于玉米根系較淺，在生長(zhǎng)過程中要吸收大量的土壤水分，因此其土壤含水量較低。而對(duì)于間作苜蓿的玉米地，因?yàn)檐俎？梢詼p小土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤貯水量，改善土壤的理化性狀［6］，所以玉米苜蓿間作地的土壤含水量較單作玉米的要高。另一方面，實(shí)驗(yàn)區(qū)氣候干旱，降雨量少，蒸發(fā)量大，玉米生長(zhǎng)期內(nèi)需要有充足的水分才能快速生長(zhǎng)，一旦降雨，玉米的根系就會(huì)吸收淺層土壤水分，致使土壤含水量下降，而苜蓿的根系可以延伸到深層土壤，加之其具有改善土壤結(jié)構(gòu)的功能，同樣能夠保持更多的土壤水分。在200cm以下的土層，受苜蓿的影響，間作玉米的土壤含水量要小于單作玉米的含水量。苜蓿根深且密集，能夠吸收玉米根系無法到達(dá)的深層水分，因此玉米苜蓿間作下的深層土壤含水量較低，這樣可以使土壤水分能夠被充分利用。玉米根系較淺，深層水分吸收很少，因此單作玉米下這一層的土壤含水量較高。

圖1 玉米苜蓿間作和玉米單作下的土壤含水量變化注：間作地的土壤含水量為苜蓿和玉米地的加權(quán)平均值。

整體上看，玉米苜蓿間作的土壤含水量大于玉米單作的土壤含水量?？梢?，采用糧草間作的種植模式能夠有效地提高土壤含水量。

3.2 徑流特點(diǎn)

地表作物能夠有效地?cái)r截降雨，降低雨滴對(duì)地面的打擊能量，從而減少地面徑流，阻止過多的土壤養(yǎng)分流失。在此以一年內(nèi)多場(chǎng)較大暴雨過后產(chǎn)生的徑流量為例，分析各小區(qū)的徑流特點(diǎn)。

表2 玉米苜蓿間作和玉米單作下的徑流量

由表2可以看出，不論是單作玉米，玉米苜蓿間作還是裸地，各小區(qū)的徑流量均隨降雨量的增加而增加，不管是何種種植模式，降雨量始終是決定徑流量大小的關(guān)鍵因素。對(duì)于每場(chǎng)降雨來說，玉米苜蓿間作地的徑流量均小于單作玉米，裸地的徑流量最大。每場(chǎng)降雨過后間作地所產(chǎn)生的徑流量分別為3 928m3／km2，7 061m3／km2，8 750m3／km2，15 100m3／km2，分別比單作玉米的少2.87，1.88，1.84，1.52倍，此現(xiàn)象說明苜蓿能夠有效地減少?gòu)搅鞯臎_刷侵蝕。一方面，苜蓿根系能夠固結(jié)土壤，改善土體的理化性狀，增強(qiáng)水分的入滲能力；另一方面，苜蓿增大了地面植被的覆蓋度，削弱了雨滴對(duì)地面的打擊，因而減少了坡面濺蝕，有效地阻攔了雨水的匯集，從而減少了徑流的產(chǎn)生。因此，利用苜蓿良好的截留蓄水功能，玉米與其間作便能減少地表徑流對(duì)土壤的沖刷，防止土壤養(yǎng)分過多的流失，保證玉米作物的產(chǎn)量。對(duì)比3個(gè)小區(qū)的徑流量，發(fā)現(xiàn)裸地明顯大于單作和間作地，可以看出只要地面覆蓋植被，就能起到減少?gòu)搅鞯男Ч?，而玉米苜蓿間作的徑流量要比單作玉米所產(chǎn)生的徑流量減少近35%，說明間作可以有效地?cái)r截降水，蓄存水分，達(dá)到防止或減弱徑流沖刷力的目的。

3.3 產(chǎn)沙特點(diǎn)

降雨使地表產(chǎn)生徑流，繼而挾帶泥沙，造成土壤水分和養(yǎng)分的流失，引起土地退化。通過對(duì)產(chǎn)沙量大小的分析，可以間接地說明植被對(duì)泥沙的攔截能力。表3的數(shù)據(jù)顯示，產(chǎn)沙量的變化情況與徑流量相似，玉米苜蓿間作，玉米單作和裸地三者的產(chǎn)沙量均隨降雨量的增加而增加，但是針對(duì)同一場(chǎng)降雨來說，玉米苜蓿間作地的產(chǎn)沙量要比單作玉米地的產(chǎn)沙量少，裸地由于缺少植被覆蓋，受降雨沖刷力的影響較為強(qiáng)烈，產(chǎn)沙量最大。如降雨量為33.3mm，降雨強(qiáng)度為0.31mm／min時(shí)，間作地的產(chǎn)沙量為132t／km2，單作為490t／km2，裸地為745t／km2，玉米單作的產(chǎn)沙量要比間作的產(chǎn)沙量高出近3.7倍，而裸地的產(chǎn)沙量要比間作和單作的分別高出5.6和1.5倍，可見植被的確能夠攔蓄降雨徑流，減少?zèng)_刷［11］，而苜蓿則依靠龐大的根系固結(jié)土壤，繁茂的枝葉增加覆蓋度，能夠在更大程度上攔蓄徑流和泥沙，防止土壤養(yǎng)分過多的流失。所以，對(duì)于水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)，僅僅種植單一的作物并不能起到良好的蓄水保土效果，而間作苜蓿則可以很好地達(dá)到這一目的。

表3 玉米苜蓿間作和玉米單作下的產(chǎn)沙量

3.4 蓄水保土效益

根據(jù)以上徑流和泥沙數(shù)據(jù)，以裸地徑流量和泥沙量為對(duì)照，計(jì)算出不同間作措施下的玉米苜蓿蓄水保土效益。計(jì)算得到玉米苜蓿間作的蓄水效益為87%，保土效益為98%；玉米單作的蓄水效益為60%，保土效益為41%（圖2）。以上數(shù)據(jù)表明玉米苜蓿間作下的蓄水保土效益要明顯高于玉米單作下的蓄水保土效益。苜蓿蓄水能力強(qiáng)，產(chǎn)流量少，與其間作玉米地的蓄水效益要比單作玉米高近30%，表現(xiàn)了糧草間作的良好效果。苜蓿地植被覆蓋面大，能夠有效地截留降水，產(chǎn)沙量隨之減少，保土效益明顯。數(shù)據(jù)顯示玉米苜蓿間作的種植模式可以使保土效益增加57%，大大減少了泥沙中養(yǎng)分的損失量。

圖2 玉米苜蓿間作和玉米單作的蓄水保土效益

4 結(jié)論

（1）在0—200cm的土層，由于玉米根系主要吸收淺層的土壤含水量，且苜蓿能夠提高土壤儲(chǔ)水量，因此玉米苜蓿間作地的土壤含水量大于玉米單作地的土壤含水量。在200cm以下的土層，苜蓿的根系能夠吸收玉米根系無法到達(dá)的深層水分，因此玉米苜蓿間作下的深層土壤含水量較低，這樣可以提高土壤水分的利用率。

（2）玉米苜蓿間作和單作玉米的產(chǎn)沙量明顯小于裸地產(chǎn)沙量，并且由于苜蓿的蓄水截留能力，玉米苜蓿間作產(chǎn)生的徑流量要小于玉米單作的徑流量，說明了苜蓿能夠有效地減少?gòu)搅鞯臎_刷侵蝕。

（3）間作能夠有效地?cái)r截泥沙，減少土壤侵蝕。單作玉米由于缺少苜蓿的阻截作用，攔沙能力較差，產(chǎn)沙量較大；玉米苜蓿間作下的產(chǎn)沙量最少，表明其具有良好的攔沙性能。

（4）苜蓿能夠截留降水，減少產(chǎn)沙量，因此玉米苜蓿間作下的蓄水保土效益要高于玉米單作下的蓄水保土效益。蓄水效益高出近30%，保土效益增加57%，表明玉米間作苜蓿能夠顯著的攔截徑流和泥沙，表現(xiàn)出了糧草間作在蓄水保土方面的優(yōu)勢(shì)。

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