水源保護區(qū)坡耕地不同種植模式水土保持效應試驗

潘艷華，朱紅業(yè)，雷寶坤，郭玉蓉，王應學，和壽甲，付麗波

(云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，650205，昆明)

水土流失和面源污染是當今普遍存在的重要生態(tài)環(huán)境問題。隨著點源污染的有效控制和治理，面源污染已成為湖泊、水庫富營養(yǎng)化的重要因素［1］，60%的水資源污染來自于面源，其中，水土流失又是面源污染的重要來源，過度墾殖和不合理的土地利用方式導致土壤侵蝕、養(yǎng)分流失，在徑流沖刷下形成面源污染。嚴重的水土流失，多發(fā)生于8°的坡耕地上［2］。云南是一個多山的省份，山區(qū)半山區(qū)面積占全省總面積的94%，坡耕地面積占全省耕地面積的74%，同時全省降雨量充沛，并集中于5—10月。多山的地貌，充沛的降雨，干濕季節(jié)分明的亞熱帶季風氣候，加劇了云南省坡耕地的水土流失，致使全省水土流失面積超過14.1萬km2，年土壤侵蝕量超過5.18億t［3］。云南各地的水源保護區(qū)，多處于農(nóng)耕為主的山區(qū)半山區(qū)，耕地以坡耕地為主，耕作管理粗放，順坡種植普遍，土壤侵蝕嚴重。大量表層土壤隨徑流流失，使耕層變淺，土壤退化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下［4］。徑流及泥沙攜帶大量氮磷等物質(zhì)進入水體，引發(fā)水體富營養(yǎng)化［5］，直接威脅飲用水安全。近年來，因水土流失引起的水體富營養(yǎng)化問題，已引起各級政府高度重視［6］。種植模式對坡耕地水土流失的影響已有較多研究［7-10］，相對而言，針對水源保護區(qū)坡耕地水土流失治理的研究報道較少。筆者通過不同種植模式水土保持及經(jīng)濟效益對比試驗，篩選經(jīng)濟效益好、能有效降低水土及養(yǎng)分流失且又適宜水源保護區(qū)的種植模式，替代負面作用較大的常規(guī)種植模式，以期為水源保護區(qū)坡耕地種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供技術(shù)支持，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，保護水資源及生態(tài)環(huán)境安全。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于金沙江下游流域、昆明市祿勸縣云龍水庫水源保護區(qū)。云龍水庫庫容4.84億m3，通過掌鳩河引水供水工程，提供昆明市近40%的飲用水。水源區(qū)656 km2流域內(nèi)，人口近4萬，有坡耕地3 265.1 hm2，占耕地面積的96.6%。流域年均氣溫13.2℃，海拔2 000～2 600 m，年均降雨量1 100～1 200 mm，氣候類型為溫和半濕潤低山氣候至冷涼濕潤高山氣候［11］。試驗區(qū)坡耕地比例大，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)單一，管理粗放，主要播種玉米(Zea mays L.)、烤煙(Nicotiana tabacum)、小麥(Triticum aestivum)以及少量經(jīng)濟林果，農(nóng)民收入低，年人均純收入不到2 000元。

2 材料與方法

供試土壤為紫色土。在坡度一致的同一坡面耕地上，設(shè)3種種植模式，面積均為120 m2，試驗地坡度為16.5°，底端海拔2 085 m。試驗年份為2008—2010年。3種種植模式詳述如下。

種植模式1:玉米+小麥，簡寫為MS1。當?shù)亓晳T種植模式，玉米小麥輪作。每年5月，翻耕土地，起壟播種玉米，播種密度6萬株/hm2，10月玉米收獲后撒播小麥。玉米及小麥年N、P2O5、K2O施用量分別為 300、105、75 kg/hm2及 150、45、30 kg/hm2。

種植模式2:牧草混播，簡寫為MS2。禾本科及豆科牧草混播，黑麥草特高(Lolium multiflorum)及黑麥草卓越(Lolium perenne)、鴨茅安巴(Dactylis glomerata)、三葉草海發(fā)(Trifolium subterraneum)、苜蓿皇后(Medicago sativa)品種各20%。耕翻土地后，按2 m開墑，行距30 cm開播種溝，用細土及腐熟過篩的農(nóng)家肥與牧草種子充分混合拌勻(拌土及肥前分別用相應根瘤菌接種豆科牧草)，按單位面積稱量撒播，覆土澆水。年N、P2O5、K2O施用量分別為 255、135、75 kg/hm2。

種植模式3:黃梨(Pyrus sorotina)+綠肥，簡寫為MS3。用3年大的黃梨苗移栽，行距4 m，株距3 m，在行株距間離樹苗1.0 m空地上套種光葉紫花苕(Vicia villosa Roth var.)。年N、P2O5、K2O 施用量分別為255、135、75 kg/hm2，并把每年所種綠肥刈割還田。

徑流觀測區(qū)設(shè)置:在3種種植模式中央各劃出48 m2作為徑流觀測區(qū)，長8 m，寬6 m，長邊垂直于等高線，短邊平行于等高線。沿周長線，用40 cm高的空心磚，埋入土中20 cm，通過水泥砂灰抹平固定砌成徑流觀測區(qū)，并在小區(qū)上方開排水溝攔截外圍坡面徑流，在小區(qū)下方建截洪溝、沉沙池、量水堰。

徑流量、土壤侵蝕量、養(yǎng)分流失量測定:在2008—2010年連續(xù)3年雨季，每次降雨產(chǎn)生徑流后，測定量水堰內(nèi)徑流量，并充分攪拌均勻后，取樣500～1 000 mL進行過濾，將泥沙烘干、稱量，把烘干樣放于干燥器保留，水放入冰柜保存，折算徑流量及土壤侵蝕量，同時把量水堰清理干凈以便承接下次徑流。沉沙池里有泥沙沉積時，也同時稱量，取樣烘干保存，折算土壤侵蝕量。待雨季過后，完成全年取樣，分別測定各次保存樣品的養(yǎng)分含量。加和計算各次數(shù)據(jù)，得到全年徑流量、土壤侵蝕量和養(yǎng)分流失量［12］。

作物生長情況及效益測定:測定各年度作物的覆蓋度、經(jīng)濟產(chǎn)量和生物量。按當?shù)厥袌鰞r格折算各種收獲物價值，按年度匯總，計算作物產(chǎn)值，扣除化肥農(nóng)藥成本后，計算作物純收益。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種植模式作物覆蓋度

圖1為2008年3種種植模式作物覆蓋度和2009及2010年黃梨+綠肥種植模式的作物覆蓋度?？梢钥闯?2008年前、中期所有種植模式的作物覆蓋度隨著生育期延長而逐漸增加，玉米+小麥(MS1)種植模式作物覆蓋度8月達到最大值86.5%，且在8月以前均大于另外2種種植模式，主要是因為玉米為一年生高桿作物，前期生長較快，后期隨著灌漿成熟，部分葉片枯萎，覆蓋度逐漸降低;牧草混播(MS2)種植模式作物覆蓋度在8月以前小于玉米+小麥種植模式，9月后高于玉米+小麥種植模式，達到99%左右，并維持穩(wěn)定;黃梨+綠肥(MS3)種植模式中黃梨樹苗移栽初期生長緩慢，且因株行距較大，覆蓋度低，套種的1年生綠肥成為決定覆蓋度的主要因素，覆蓋度在8月達到最大值65%，后隨著綠肥成熟刈割，覆蓋度成下降趨勢;2009年后，隨著梨樹不斷長大，MS3種植模式的作物覆蓋度逐漸增加，最大覆蓋度為71%;2010年，樹冠大小基本定型，樹木郁閉度達最大，覆蓋度穩(wěn)定在75%左右。MS1種植模式中玉米與小麥均為1年生作物，各年度覆蓋度趨勢相同，MS2種植模式第2年已形成草被，覆蓋度穩(wěn)定，接近100%，所以，MS1及MS2種植模式在2009及2010年的覆蓋度數(shù)據(jù)未在圖中重復列出。

3.2 不同種植模式對水土流失的影響

圖1 不同種植模式作物覆蓋度Fig．1 Surface coverages under varied cropping patterns

3年的水土流失數(shù)據(jù)匯總于表1，對應2008、2009、2010年各年度產(chǎn)流期統(tǒng)計的降雨量分別為897、1 102、1 005 mm。可知，徑流量及土壤流失量與降雨量密切相關(guān)。其中MS1徑流量及土壤流失量與降雨量的相關(guān)性極顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.945、0.990。2009年降雨量最大，而且暴雨次數(shù)多，本年度徑流及土壤流失量為3年中最大。2009與2008年相比，MS1、MS2、MS3徑流量分別增加27.3%、17.3%、2.9%，土壤流失量分別增加 93.3%、28.8%、43.9%;與 2010 年相比，MS1、MS2、MS3 徑流量分別增加17.6%、14.0%、29.3%，土壤流失量分別增加34.4%、31.8%、84.9%。說明暴雨沖刷是徑流及土壤流失量增加的重要因素。

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

從不同種植模式看，3年平均徑流量MS1﹥MS3﹥MS2，MS2及 MS3分別比MS1減少27.7%及14.4%。分年度看，2008、2009、2010年，MS2徑流量分別比MS1減少24.3%、30.2%、28.0%，2008年MS3的徑流量比MS1高2.3%，2009、2010年徑流量分別比MS1減少17.3%及24.7%。土壤流失量趨勢與徑流量一致，3年平均，MS2、MS3分別比MS1 減少 44.2%、20.9%，2008、2009、2010 年各年度土壤流失量，MS2分別比 MS1減少 25.2%、50.2%、49.2%，2008年MS3土壤流失量比MS1高7.5%，2009、2010年分別比 MS1減少 20.0%及41.8%，土壤流失量比徑流量減少的幅度更大。

地表徑流量及土壤流失量除受降雨量直接影響外，還受耕作方式、作物覆蓋度影響。MS1雖然每年雨季中后期覆蓋度大于MS3，但因每年都要翻耕后才種植玉米，玉米生長期要中耕除草及施肥，對土壤表層的擾動較大，總體水土流失量比其他2種模式多。MS2模式，牧草播種初期，生長緩慢，水土保持效果較弱，隨著生育期延長，牧草分蘗不斷增加，生長茂密，根系發(fā)達，混播的豆科、禾本科牧草生長互相促進，2008年后期覆蓋度即達到最大，形成覆蓋度近100%的草被，地表幾乎無裸露，并且多年生牧草種植一次可連續(xù)利用多年，2009年后對土壤基本無擾動，能穩(wěn)定地固土保水。MS3梨樹移栽時，挖塘翻地，對土壤擾動大，加之覆蓋度最小，2008年徑流及土壤流失量最大，2009及2010年，耕作減少，雨季對土壤基本無擾動(黃梨1年2次施肥，分別在春季及初冬，均為旱季)，徑流量及土壤流失量比MS1小，比MS2大。

3.3 不同種植模式對養(yǎng)分流失的影響

不同種植模式各年度養(yǎng)分流失量見表2?？梢钥闯?總養(yǎng)分流失量各年度均為MS1＞MS3＞MS2。MS1養(yǎng)分流失量最大，總量比 MS2多61.0%，比MS3多72.7%，氮、磷、鉀平均流失量分別比MS2多60.6%、62.7%、73.5%，比MS3多33.8%、50.9%、51.6%。其中，MS1氮、磷、鉀流失量2009年都為最大，MS2、MS3氮、磷流失量2008年最大，鉀流失量則是2009年最大。3種種植模式不同年度養(yǎng)分流失的差異，2008年最小，2010年最大，主要因MS1在3年中各種條件相同，而MS2及MS3到2010年時，生長比前2年旺盛，生物量增加較多，耕作卻減少。差異最大的2010年，氮、磷、鉀流失量，MS1比MS2都增加 90%以上，增幅分別為 91.9%、111.8%、168.6%，比MS3增加50%以上，增幅分別為53.1%、84.4%、113.5%。

表2 不同種植模式氮磷鉀養(yǎng)分流失量Tab．2 Loss of N，P and K under different cropping patterns kg/hm2

每年的耕作、播種、施肥情況一致的條件下，養(yǎng)分流失量主要受徑流量及土壤流失量影響，所以MS1養(yǎng)分流失量2008年最小，2009年最大。MS2、MS3氮、磷及總養(yǎng)分流失量均隨著年份增長逐漸減少。2009與2008年相比，MS2氮、磷流失量分別減少16.0%、25.6%，總養(yǎng)分流失量減少13.3%;MS3氮、磷流失量分別減少5.4%、0.6%，總養(yǎng)分流失量減少5.4%。2010與2008年相比，MS2氮、磷流失量分別減少30.6%、37.7%，總養(yǎng)分流失量減少36.6%;MS3氮、磷流失量分別減少 22.0%、22.3%，總養(yǎng)分流失量減少28.6%。試驗期內(nèi)，隨年限延長，多年生牧草生長越來越旺盛，生物量不斷增加。果樹也隨年限增加，樹枝不斷長大，結(jié)果數(shù)量增多。在施肥量保持一致的前提下，收獲物吸收帶走的養(yǎng)分多，流失的養(yǎng)分相對減少;但2009年鉀流失量較為特殊，3種模式均比前、后2年有不同程度增加，MS1、MS2、MS3鉀流失量分別比2008年增加42.9%、3.0%、7.7%，比 2010年增加 37.4%、111.2%、107.4%。這源于試驗區(qū)土壤為紫色土，含鉀量豐富，年度降雨量大，暴雨多，徑流和泥沙中攜帶了大量緩效態(tài)鉀［13］。

綜上所述，坡耕地養(yǎng)分流失量主要受徑流及泥沙所含養(yǎng)分影響，與施肥量及耕作措施也有一定的關(guān)系。玉米、小麥為一年生作物，為了得到較好的產(chǎn)量，每年需施用較多的養(yǎng)分，年施肥總量比其他2種種植模式多51.6%，加之每年種玉米前要翻犁起籠，對土壤表層擾動大，增加了養(yǎng)分流失量。氮、磷隨徑流進入水體是水質(zhì)富營養(yǎng)化的主要原因，鉀雖然與水體富營養(yǎng)化關(guān)系不大，但也是土壤肥力的主要成份。牧草混播及果樹套種綠肥可有效降低氮磷鉀養(yǎng)分流失，既能保障水源安全，又能較好地維持土壤肥力，減少土壤退化。

3.4 不同種植模式作物產(chǎn)量及經(jīng)濟效益分析

不同種植模式各種作物產(chǎn)量及生物量見表3。玉米+小麥種植模式除施肥量大于牧草混播種植模式及黃梨+綠肥種植模式外，每年防治病蟲害農(nóng)藥用量也較大，平均每年花費農(nóng)藥成本450元/hm2，牧草混播種植模式3年未使用農(nóng)藥，黃梨+綠肥種植模式化肥用量與牧草混播種植模式，農(nóng)藥使用情況不同，第1年未用農(nóng)藥，第2、3年使用農(nóng)藥成本分別為300、450元/hm2。按當?shù)仄骄袌鰞r，玉米籽粒、小麥籽粒、玉米及小麥秸稈、牧草、梨分別為1.8、2.1、0.1、0.2、2.0 元/kg，化肥成本按每個純養(yǎng)分5元/kg計。折算后，玉米+小麥種植模式、牧草混播種植模式、黃梨+綠肥種植模式3年總產(chǎn)值分別為4.90、4.36、4.70萬元/hm2。扣除化肥、農(nóng)藥成本后，純收益分別為 3.71、3.66、3.94 萬元/hm2。玉米+小麥種植模式總產(chǎn)值最高，但因使用的化肥農(nóng)藥成本較大，純收益反而比黃梨+綠肥種植模式低2 205元/hm2。牧草混播種植模式總產(chǎn)值較低，但純收益與玉米+小麥種植模式接近，僅比玉米+小麥種植模式低1.2%。黃梨+綠肥種植模式新栽的梨樹第1年未結(jié)果，產(chǎn)量產(chǎn)值數(shù)據(jù)僅為2年，總產(chǎn)值低于玉米+小麥種植模式而高于牧草混播種植模式，但純收益最高，比玉米 +小麥種植模式高5.9%。梨樹一般5年以后才到盛果期，屆時產(chǎn)量最高可超過30 t/hm2，總產(chǎn)值及純收益還有很大提升空間。黃梨是一種品質(zhì)優(yōu)良、口感極佳的水果，深受當?shù)匕傩障矏郏渣S梨+綠肥種植模式可作為當?shù)仄赂卮竺娣e應用的種植模式?，F(xiàn)階段，當?shù)嘏Ｑ蝠B(yǎng)殖大部分仍然以放牧散養(yǎng)為主，對環(huán)境的破壞相當嚴重。發(fā)展家庭庭院養(yǎng)殖，減少放牧，是當?shù)卣谕菩械慕链胧Ｄ敛莼觳シN植模式，可提供大量優(yōu)質(zhì)飼草發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè)而不影響環(huán)境，還可增加農(nóng)民收入，是種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的較好模式。

表3 不同種植模式作物產(chǎn)量及生物量Tab．3 Crop yield and biomass of different cropping patterns t/hm2

4 結(jié)論與討論

1)牧草混播、黃梨+綠肥種植模式是水源保護區(qū)坡耕地防治水土流失較好的種植模式，與玉米+小麥種植模式相比，牧草混播種植模式能降低徑流量27.7%，降低土壤流失量44.2%，黃梨+綠肥種植模式能降低徑流量14.4%，降低土壤流失量20.9%。黃梨也可用其他適應性較好的經(jīng)濟林果代替。

2)牧草混播、黃梨+綠肥種植模式能有效降低養(yǎng)分尤其是氮、磷的流失，可保護水源安全。與玉米+小麥種植模式相比，牧草混播種植模式平均氮流失量減少17.0%，磷流失量減少44.8%;黃梨+綠肥種植模式平均氮流失量減少9.0%，磷流失量減少33.9%。

3)與玉米+小麥種植模式相比，在化肥施用量減少34%的條件下，牧草混播、黃梨+綠肥種植模式仍然能獲得較好的產(chǎn)值及純收益，黃梨+綠肥種植模式純收益比玉米+小麥種植模式提高5.9%，牧草混播種植模式與玉米+小麥種植模式基本持平。

4)牧草混播、黃梨+綠肥種植模式既可有效減少水土及養(yǎng)分流失量，還可以獲得較好的經(jīng)濟收益。

牧草混播種植模式固土凈水的效果最好，還能提供大量優(yōu)質(zhì)飼草，促進畜禽圈養(yǎng)及家庭庭院養(yǎng)殖，減少放牧對環(huán)境的破壞，保障水源保護區(qū)禁牧措施順利執(zhí)行。黃梨+綠肥種植模式的經(jīng)濟效益最高，能直接增加農(nóng)民收入，提高耕地生產(chǎn)力。牧草混播、黃梨(或其他經(jīng)濟林果)+綠肥種植模式都可作為水源保護區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的較好模式，也可應用在高原湖泊、大中型水庫邊緣生態(tài)綜合治理等方面。

需要指出的是，雖然與玉米+小麥種植模式相比，牧草混播、黃梨(或其他經(jīng)濟林果)+綠肥種植模式可有效減少水土及養(yǎng)分流失量，但其侵蝕模數(shù)仍達到34.15及48.38 t/(hm2·a)，屬中度侵蝕級別。在條件許可的情況下，宜采用坡改梯措施，或應用植物籬梯化技術(shù)逐漸減小坡度，降低土壤侵蝕模數(shù)。

筆者最初所用題名為“水源保護區(qū)坡耕地3種種植模式的綜合效應研究”，專家審稿后建議用現(xiàn)在的題名，接受專家意見并在此表示感謝!

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