玉米間作馬鈴薯及起壟的水土保持效應(yīng)

歐陽鋮人，吳伯志，吳開賢，楊友瓊，段穎丹，張曉云，字淑慧

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

【研究意義】土壤侵蝕是全球最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[1]。其中，坡地耕作是造成土壤侵蝕的主要來源。加之人為干擾及管理的不完善，坡耕地的土壤侵蝕變得十分嚴(yán)重[2]。因此，急需尋求一種有效的管理措施來控制農(nóng)田土壤侵蝕。間作作為一種重要的多樣性種植模式，在控制農(nóng)田土壤侵蝕中發(fā)揮著重要的作用[3]。大量研究證實(shí)間作能夠顯著減少地表徑流和泥沙量[4]。除減少泥沙量之外，該種植方式還能減少泥沙中的養(yǎng)分含量，包括N、P和有機(jī)碳等，從而有效減少面源污染發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[5]。正是由于有機(jī)碳及養(yǎng)分的損耗降低，使得間作能夠改善土壤理化性質(zhì)，維持和增加土壤肥力[6]。這一作用是間作被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水土保持中的重要原因。【前人研究進(jìn)展】長期以來，大量研究圍繞地上和地下部空間探索了間作對(duì)土壤侵蝕的影響及調(diào)控作用。從地上部來看，間作增加了覆蓋度，這對(duì)于增加降雨攔截、減少土壤水分蒸發(fā)具有重要的意義[7]。從地下部來看，根系在間作控制土壤侵蝕中也發(fā)揮著重要的作用，如改變根系的空間分布，即占據(jù)不同的生態(tài)位，增加根系密度，改變根系形態(tài)及構(gòu)型(根系直徑、根系深度、根系方向、生長角度以及根應(yīng)力等)[8-10]。根系的這些變化改變了降雨過程中的水分分布，增加土壤水分的吸收及存儲(chǔ)，進(jìn)而增加土壤水分的滲入，減少地表徑流的產(chǎn)生[11]。這些研究主要關(guān)注地上和地下部分對(duì)土壤侵蝕的影響，但忽略了地表特性對(duì)土壤侵蝕的作用。地表糙度是重要的地表特性之一。從水力侵蝕角度講，地表糙度指的是地表在比降梯度最大方向上凸凹不平的形態(tài)或起伏狀況，即土壤相對(duì)高差的地表微型態(tài)變化，是影響地表水文學(xué)和水力學(xué)特性的重要參數(shù)之一[12]。這是因?yàn)榈乇聿诙饶軌虮碚鞯乇砦⒌孛残螒B(tài)和物理性狀直接影響著地表水流流速的大小，泥沙轉(zhuǎn)運(yùn)的多少和入滲量的多寡[13]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，不同土壤類型及單一作物的地表糙度對(duì)土壤侵蝕的影響已受到學(xué)者們的關(guān)注[14-16]。然而，地表糙度是否在間作控制土壤侵蝕過程中發(fā)揮著重要的作用還不清楚【本研究切入點(diǎn)】探討間作條件下起壟對(duì)土壤侵蝕的控制效應(yīng)，闡明不同降雨強(qiáng)度下種植及耕作方式對(duì)土壤侵蝕的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為坡地土地管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 大田試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)地點(diǎn) 試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場，海拔1930 m，N 25°18′，E 102°45′。該區(qū)域?qū)儆诘途暥雀咴撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為14.5 ℃，年平均降雨量960 mm，主要降雨量集中在5-10月，全年日照時(shí)數(shù)2617 h。試驗(yàn)地土壤為旱地紅壤(中國分類標(biāo)準(zhǔn))，Typic Hapludult(美國分類標(biāo)準(zhǔn))。土壤質(zhì)地為粉質(zhì)粘壤土，沙粒(2000～60 μm)，粉粒(60～2 μm)和粘粒(<2 μm)分別約占10 %，50 %和40 %。耕作層(0～20 cm)的土層中，土壤有機(jī)質(zhì)含量23.60 g/kg，全氮0.15 g/kg，全磷0.08 g/kg，全鉀0.15 g/kg，堿解氮37.29 mg/kg，速效磷20.36 mg/kg，速效鉀83.30 mg/kg，pH值為6.66。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 供試品種玉米為“云瑞-88”，馬鈴薯品種為“會(huì)-2”。選用的玉米和馬鈴薯品種在云南省有廣泛的種植面積，且馬鈴薯品種具有耐陰特點(diǎn)，適合于間套作種植。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以地表糙度為主處理，種植方式為副處理，隨機(jī)排列，3次重復(fù)。設(shè)2個(gè)地表糙度：不起壟(NR, no ridging)、起壟(HR, high ridging；壟高10～12 cm, 壟寬15～20 cm)及3個(gè)種植方式 (單作玉米，單作馬鈴薯和2行玉米間作2行馬鈴薯)，共6個(gè)處理。根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆N植習(xí)慣，所有處理采用等高線種植。試驗(yàn)采用徑流小區(qū)的方法，小區(qū)面積為10 m ×3 m，坡度為10°。

大田試驗(yàn)中，單作玉米的株行距為0.2 m×0.8 m，種植密度為62 490 株/hm2；單作馬鈴薯的株行距為0.3 m×0.6 m，種植密度為55 545 株/hm2；間作玉米的株行距為0.20 m×0.40(1.2) m，馬鈴薯的株行距為0.30 m×0.40(1.2) m，間作玉米的種植密度與單作玉米相一致，間作馬鈴薯的種植密度低于單作馬鈴薯，為41 670 株/hm2。與生產(chǎn)慣例相一致，試驗(yàn)在每年的4-9月進(jìn)行。馬鈴薯采用打塘穴播，播種時(shí)間分別為2015年4月2日和2016年4月6日，播種深度為20 cm，播種時(shí)施入普鈣、尿素和硫酸鉀分別為350、95和65 kg/hm2，后期不再追肥。玉米采用開溝直播，播種時(shí)間為2015年5月2日和2016年5月6日，播種深度為10 cm，播種時(shí)施入普鈣、尿素和硫酸鉀分別為560、150和100 kg/hm2，分別在拔節(jié)期和大喇叭口期追施尿素150和300 kg/hm2。其他病蟲草害防治根據(jù)田間管理手冊(cè)進(jìn)行管理，中耕除草、培土及病蟲害防治等田間管理措施各處理均保持一致。

1.2 模擬試驗(yàn)

1.2.1 供試土壤 模擬試驗(yàn)土壤類型和理化性質(zhì)與大田試驗(yàn)保持基本一致。供試土壤為紅壤，收集種植作物10年以上的耕作層土壤(坡度為8°～10°)，過10 mm的篩。為了使得每個(gè)徑流小區(qū)的土壤容重(控制在1.10～1.20 g/cm3)基本一致，過篩的土壤按5 cm的厚度分5層填入微型徑流小區(qū)。微型徑流小區(qū)的面積為1.6 m×0.8 m，深0.3 m。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 模擬試驗(yàn)位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水資源和節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以地表糙度(低壟和高壟)為主因素，種植方式(單作玉米，單作馬鈴薯，2行玉米‖2行馬鈴薯)為副因素，共6個(gè)處理。所有處理均采用等高種植(廣泛應(yīng)用于防治坡地土壤侵蝕的耕作措施)，低壟處理(LR, low ridging)的壟高為3～5 cm，壟寬為4～6 cm，高壟處理(HR, high ridging)的壟高為6～8 cm，壟寬為10～12 cm。為了保持試驗(yàn)的一致性，模擬試驗(yàn)采用與大田試驗(yàn)相同的株行距和種植密度。有機(jī)肥和化肥的施用量與大田試驗(yàn)保持一致。雜草，害蟲及疾病控制等田間管理措施與當(dāng)?shù)毓芾硭奖３忠恢隆?/p>

根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏匦?，試?yàn)設(shè)計(jì)了2種不同的降雨強(qiáng)度(40和80 mm/h)。每種降雨強(qiáng)度4次重復(fù)，降雨歷時(shí)均為30 min。坡度為10°。各試驗(yàn)小區(qū)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸布設(shè)，徑流小區(qū)各場降雨前，土壤容重，前期土壤含水量控制基本一致。每次試驗(yàn)前24 h，采用20 mm/h的降雨強(qiáng)度降雨1 h，使得各小區(qū)前期含水量相一致。第1場降雨結(jié)束后，將表層土壤用新土代替，使壟高與壟寬基本保持一致，隨后進(jìn)行第2場降雨。

2015年4月15日，馬鈴薯塊莖在1.25 %次氯酸鈉中浸泡5 min消毒，用蒸餾水漂洗后，將馬鈴薯塊莖放在含有細(xì)沙和蛭石 (體積比為1∶1)的苗床上進(jìn)行催芽，適時(shí)澆水，15 d后，幼苗長至6～10 cm，選取長勢(shì)一致的幼苗移栽至微型徑流小區(qū)中，每穴移栽2株幼苗。2015年5月4日，選色澤均一飽滿的玉米種子在室內(nèi)培養(yǎng)皿上催芽1 d，隨后將玉米種子放在含有細(xì)沙和蛭石的苗床上進(jìn)行催芽，適時(shí)澆水，待長至5～8 cm時(shí)，選取長勢(shì)一致的幼苗移栽，每穴1株幼苗。

1.2.3 模擬降雨裝置 人工模擬降雨裝置由南京林業(yè)大學(xué)制造，該裝置由水槽及噴頭等降雨系統(tǒng)、控制器、動(dòng)力系統(tǒng)以及供排水系統(tǒng)組成，具有降雨強(qiáng)度穩(wěn)定、降雨均勻系數(shù)好、性能穩(wěn)定以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。模擬降雨機(jī)采用下噴式降雨方式，噴頭高度9 m，噴頭口徑(1.5～5.0 mm)，通過控制壓力和口徑可獲得不同的降雨強(qiáng)度，可模擬雨強(qiáng)范圍為15～150 mm/h，降雨均勻系數(shù)大于85 %。

1.3 數(shù)據(jù)收集

1.3.1 降雨量和降雨強(qiáng)度 在大田試驗(yàn)點(diǎn)放置1個(gè)可移動(dòng)的自動(dòng)氣象站(美國，Davs Vantage Pro 2)。該裝置每隔10 min紀(jì)錄氣象數(shù)據(jù)1次。降雨強(qiáng)度根據(jù)30 min內(nèi)的最大降雨強(qiáng)度(I30,mm/min)劃分為低強(qiáng)度降雨(<0.25 mm/min)，中強(qiáng)度降雨(0.25～0.50 mm/min)，高強(qiáng)度降雨(0.50～0.75 mm/min)和極高強(qiáng)度降雨(>0.75 mm/min)4個(gè)級(jí)別。

1.3.2 徑流量和侵蝕量 徑流量和侵蝕量是評(píng)價(jià)土壤侵蝕的重要參數(shù)。大田試驗(yàn)中，每個(gè)徑流小區(qū)底部有1個(gè)徑流收集池(1 m3,1 m×1 m×1 m)用于收集徑流量和侵蝕量。為了收集不同降雨強(qiáng)度下的徑流量和侵蝕量，每次降雨產(chǎn)生徑流后，測定每個(gè)小區(qū)徑流的深度，然后換算成徑流量。測定徑流深度后，攪動(dòng)徑流中的水樣，使之充分混勻，每小區(qū)取250 mL的混勻水樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析水樣中的土壤侵蝕量，即將樣品過濾、烘干(105 ℃，48 h)、稱重；根據(jù)水樣中的侵蝕量和小區(qū)總徑流量，換算出每次降雨產(chǎn)流后各小區(qū)的土壤總侵蝕量。模擬試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)分別在7月初(馬鈴薯出苗后62 d，玉米出苗后41 d)和7月末(馬鈴薯出苗后88 d，玉米出苗后67 d)2個(gè)時(shí)期內(nèi)測定。徑流量，徑流系數(shù)和侵蝕量的評(píng)估方法與大田試驗(yàn)保持相一致。試驗(yàn)開始后，記錄徑流產(chǎn)生時(shí)間。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有指標(biāo)運(yùn)用IBM SPSS Statistics 19.0進(jìn)行方差及相關(guān)分析，方差分析后采用LSD方法進(jìn)行多重比較。徑流量和侵蝕量采用二因素方差分析。顯著水平均為P≤0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 大田試驗(yàn)

2.1.1 降雨特征 2015年生育期內(nèi)的總降雨量為616.4 mm(4-9月)，主要分布在6和8月。2個(gè)月的降雨總量占到整個(gè)生育期降雨總量的59.5 %。整個(gè)生育期內(nèi)降雨93次，其中，中強(qiáng)度降雨為5次，分布在6-8月；高強(qiáng)度降雨1次，分布在9月。2016年總降雨量為867.4 mm，主要分布在5-9月。5月份降雨量為242.0 mm，占總降雨量的27.89 %。整個(gè)生育期內(nèi)降雨80次，其中，中強(qiáng)度降雨7次，分布在5、6、7和9月；高強(qiáng)度降雨8次，極高強(qiáng)度降雨12次，主要分布在5-7月。

2.1.2 徑流量和侵蝕量 2015-2016年相同種植方式下起壟處理的徑流量低于無壟處理 (圖 1)。與無壟處理相比，生育期內(nèi)起壟處理的徑流量減少了28.90 %～45.72 %。侵蝕量的結(jié)果與徑流量相類似，2015-2016年的起壟處理的侵蝕量顯著低于無壟處理(P<0.01)。與無壟處理相比，起壟處理的總侵蝕量減少了49.78 %。說明地表糙度(起壟)是影響土壤侵蝕的因素之一?？赡苁且?yàn)榈乇聿诙仍诮涤臧l(fā)生時(shí)起到攔截泥沙的作用，使得泥沙沉積于地表，減低土壤退化的風(fēng)險(xiǎn)。

無論起壟與否，2015-2016年間作的徑流量顯著低于單作玉米(P<0.01，圖1)。間作起壟的徑流量顯著低于馬鈴薯起壟(P<0.01)，而間作無壟則與馬鈴薯無壟差異不顯著(P>0.05)。侵蝕量的結(jié)果與徑流相類似，2015-2016年間作的侵蝕量顯著低于單作玉米(P<0.01) (圖2)。生育期內(nèi)間作的侵蝕量比單作玉米減少了54.06 %～85.73 %。間作起壟的侵蝕量顯著低于馬鈴薯起壟(P<0.01)，但間作無壟則與馬鈴薯無壟差異不顯著(P>0.05)。表明間作具有良好的控水效應(yīng)，可能是因?yàn)殚g作削弱了雨滴的擊濺，維持了地表糙度，使得降雨快速滲入到土壤中。

表1 大田試驗(yàn)中降雨量、降雨強(qiáng)度及分布頻率

為了進(jìn)一步的分析間作是否能促進(jìn)起壟的作用，將起壟和種植方式下的徑流量和侵蝕量進(jìn)行雙因素方差分析。結(jié)果表明起壟和種植方式具有顯著的交互效應(yīng)(P<0.01)。2015年和2016年間作起壟的徑流量和侵蝕量均顯著低于間作無壟(P<0.05)、玉米起壟(P<0.01)和玉米無壟(P<0.001)。間作起壟、間作無壟、玉米起壟的徑流量分別比玉米無壟減少了70.46 %、32.91 %和1.96 %；侵蝕量分別減少了82.29 %、52.16 %和30.02 %?？梢?，間作條件下起壟能較好的控制土壤侵蝕。其可能的原因是：第一，間作增加了地表覆蓋，有效地阻擋雨滴，減少土壤結(jié)皮的發(fā)生，維持地表糙度；第二，高糙度地表增加了地表的洼積量，有效地減緩水流的流速，使得單位時(shí)間內(nèi)的水流快速地滲入到土壤中。

2.1.3 不同強(qiáng)度降雨下的徑流量和侵蝕量 相同種植方式下起壟處理的徑流量在中、高和極高強(qiáng)度降雨條件下均顯著低于無壟處理(P<0.05)，而在低強(qiáng)度降雨條件下無顯著差異(P>0.05，圖3)。

MC=單作玉米；PC=單作馬鈴薯；IC=玉米馬鈴薯間作。處理間不同小寫字母表示在P ≤ 0.05 水平差異顯著 (LSD 法)。下同MC=maize monocropping; PC= potato monocropping; IC= maize and potato intercropping. The same lower-case letters indicated no significant difference at P≤0.05; LSD test by two-way ANOVA. The same as below圖1 大田條件下種植及耕作方式對(duì)徑流量的影響Fig.1 Effect with cropping patterns and two tillage patterns on runoff in the field experiment

圖2 大田條件下種植方式及地表糙度對(duì)侵蝕量的影響Fig.2 Effect with cropping patterns and two tillage patterns on sediment in the field experiment

圖3 大田試驗(yàn)中不同降雨強(qiáng)度下種植及耕作方式對(duì)徑流量的影響Fig.3 Effect of cropping patterns and two tillage patterns on runoff under different rainfall intensity in the field experiment

可能是由于地表糙度(起壟)增加了地表的洼積量，增加水分的滲入。與徑流量相類似，起壟處理的侵蝕量在中、高和極高強(qiáng)度降雨條件下顯著低于無壟處理(P<0.05)，低強(qiáng)度降雨條件下差異不顯著(P>0.05,圖4)?？赡苁怯捎谄饓攀沟媚嗌吵练e于地表，減少泥沙的轉(zhuǎn)運(yùn)。

無論起壟與否，中、高和極高強(qiáng)度降雨條件下，間作的徑流量顯著低于單作玉米(P<0.01)，而低強(qiáng)度降雨條件差異不顯著(P>0.05)。生育期內(nèi)間作的徑流量比單作玉米減少了48.38 %～63.11 %。間作的徑流量與單作馬鈴薯差異不顯著(P>0.05,圖3)。侵蝕量的結(jié)果與徑流量相一致，中、高強(qiáng)度降雨條件下，間作的侵蝕量顯著低于單作玉米(P<0.01)，而低強(qiáng)度降雨條件下差異不顯著(P>0.05,圖4)。與單作玉米相比，玉米馬鈴薯間作的侵蝕量減少了54.06 %～85.73 %。間作的侵蝕量與單作馬鈴薯差異不顯著(P>0.05)。極高強(qiáng)度降雨條件下，間作的侵蝕量低于單作玉米(P<0.01)和單作馬鈴薯(P<0.05)。

中、高和極高降雨條件下起壟和種植方式具有顯著相互交互作用(P<0.01)。中、高和極高降雨條件下間作起壟的徑流量和侵蝕量均顯著低于間作無壟(P<0.05)、玉米起壟(P<0.01)和玉米無壟(P<0.01)。間作起壟、間作無壟、玉米起壟的徑流量分別比玉米無壟減少了38.53 %～51.98 %、54.69 %～75.35 %和70.70 %～85.94 %；侵蝕量分別減少了46.63 %～60.71 %、71.67 %～74.16 %和75.19 %～87.99 %。因此，間作條件下起壟能較好的控制土壤侵蝕，這對(duì)于區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中土壤侵蝕的治理具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 大田試驗(yàn)中不同降雨強(qiáng)度下種植及耕作方式對(duì)侵蝕量的影響Fig.4 Effect of cropping patterns and two tillage patterns under different rainfall intensity in the field experiment

2.2 模擬試驗(yàn)

2.2.1 產(chǎn)流時(shí)間、徑流量和徑流系數(shù) 相同種植方式下高壟處理推遲產(chǎn)流時(shí)間(表2)。7月初40 mm/h雨強(qiáng)下低壟處理的平均產(chǎn)流時(shí)間為92 s，而高壟處理的平均產(chǎn)流時(shí)間為132 s。此外，高壟處理的徑流量和徑流系數(shù)均低于低壟處理。7月初40 mm/h雨強(qiáng)下高壟處理的平均徑流量比低壟處理減少了34.90 %。

與大田試驗(yàn)結(jié)果相一致，相同降雨強(qiáng)度下間作的產(chǎn)流時(shí)間比單作玉米推遲，徑流系數(shù)低于單作玉米。生育期內(nèi)間作的徑流量顯著低于單作玉米(P<0.05)。7月初間作的徑流量在40和80 mm/h降雨強(qiáng)度下分別比單作玉米減少了29.82 %～44.11 %和13.24 %～13.28 %。間作高壟的產(chǎn)流時(shí)間比馬鈴薯高壟推遲，而間作低壟則與馬鈴薯低壟無明顯差別。此外，7月末間作的徑流量顯著低于單作馬鈴薯(P<0.01)，而7月初差異不顯著(P>0.05)。

與大田試驗(yàn)結(jié)果相一致，40和 80 mm/h降雨強(qiáng)度下間作高壟的徑流量顯著低于間作低壟(P<0.05)、玉米高壟(P<0.01)和玉米低壟(P<0.001)。間作高壟的徑流系數(shù)最小，產(chǎn)流時(shí)間最長。7月初40 mm/h降雨強(qiáng)度下間作高壟、間作低壟、玉米高壟的徑流量分別比玉米低壟減少了57.58 %、44.10 %和48.87 %。

表2 模擬降雨條件下不同處理的產(chǎn)流時(shí)間、徑流量和徑流系數(shù)

續(xù)表2 Continued table 2

降雨強(qiáng)度Rainfall intensity處理Treatments7月初 Early July7月末 Late July產(chǎn)流時(shí)間(s)Runoff initiation time 徑流量(L)Runoff volume徑流系數(shù)Runoff coefficient產(chǎn)流時(shí)間(s)Runoff initiation time徑流量Runoff volume徑流系數(shù)Runoff coefficientPC137(10)16.5 (1.2)c0.26111(20)22.2(3.6)bc0.36IC168(22)15.1(1.8)c0.24167(15)15.8(2.4)c0.2680 mm/h低壟Low ridgingMC61(11)98.6(7.2)a0.8241(11)80.3(5.9)b0.67PC85(16)86.9(3.9)b0.7255(16)101.8(3.3)a0.85IC95(8)85.5(5.0)b0.7154(8)78.2(5.8)b0.65高壟High ridgingMC67(18)55.1(2.8)c0.4651(18)72.3(7.3)b0.61PC111(23)46.7(6.9)d0.3958(23)74.8(2.0)b0.62IC110(12)49.5(3.0)d0.4062(12)55.1(4.7)c0.46

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差。MC=單作玉米；PC=單作馬鈴薯；IC=玉米馬鈴薯間作。處理間不同小寫字母表示在P≤0.05 水平差異顯著(LSD 法)。

Note:Values represented meant ± standard deviation. MC= maize monocropping; PC= potato monocropping; IC= maize and potato intercropping. Different lowercase letters indicated significant differences atP≤0.05 (LSD).

2.2.2 侵蝕量的變化特征 無論降雨強(qiáng)度如何變化，相同種植方式下高壟處理的侵蝕量顯著低于低壟處理(P<0.01)，這與大田試驗(yàn)結(jié)果相一致(圖5)。40 mm/h降雨強(qiáng)度下玉米高壟、馬鈴薯高壟和間作高壟的侵蝕量比玉米低壟、馬鈴薯低壟和間作低壟分別減少了36.17 %～48.31 %、24.68 %～64.52 %和39.39 %～71.43 %；80 mm/h降雨強(qiáng)度下則分別減少了25.20 %～52.32 %、12.61 %～64.18 %和13.97 %～61.62 %。

7月初相同降雨強(qiáng)度下間作的侵蝕量顯著低于單作玉米(P<0.01)，而7月末差異不顯著(P>0.05,圖5)。40和80 mm h-1降雨強(qiáng)度下間作的侵蝕量分別比單作玉米減少了12.86 %～84.44 %和13.39 %～87.99 %。此外，間作的侵蝕量低于單作馬鈴薯，但無顯著差異(P>0.05)。

間作高壟的土壤侵蝕控制效果最好。7月初40和80 mm/h降雨強(qiáng)度下間作高壟的侵蝕量低于間作低壟、玉米高壟和玉米低壟。7月初40 mm/h降雨強(qiáng)度下間作高壟、間作低壟、玉米高壟的侵蝕量分別比玉米低壟減少了39.39 %、45.90 %和67.21 %。

圖5 模擬降雨條件下種植和耕作方式對(duì)侵蝕量的影響Fig.5 Effect of cropping patterns and two tillage patterns on sediment discharge in the simulation experiment

無論耕作和種植方式如何變化，徑流量隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加。如7月初80 mm/h降雨強(qiáng)度下的徑流量是40 mm/h降雨強(qiáng)度下的1.1～2.3倍。侵蝕量的結(jié)果與徑流量相類似，即侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加。因此，當(dāng)降雨強(qiáng)度增加時(shí)，土壤侵蝕加劇?？赡艿脑蚴请S著降雨強(qiáng)度的增加，細(xì)顆粒土壤嵌入地表，堵塞土壤孔隙，降低地表糙度。結(jié)果是水流迅速匯集與地表，導(dǎo)致地表徑流產(chǎn)生，增加對(duì)地表做功的剪切力，加大了對(duì)地表的沖刷，增加徑流的流速，從而發(fā)生面蝕、細(xì)溝侵蝕及溝蝕。

3 討 論

試驗(yàn)結(jié)果表明間作結(jié)合起壟控制土壤侵蝕效果最好。大田試驗(yàn)結(jié)果顯示間作與起壟具有顯著的交互效應(yīng)，且間作促進(jìn)起壟控制土壤侵蝕的作用。說明間作條件下起壟能有效地控制土壤侵蝕，這對(duì)于區(qū)域土壤侵蝕的治理具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，間作的地上及地下部空間對(duì)土壤的侵蝕的影響已引起了廣泛的關(guān)注，而對(duì)于地表特性如地表糙度對(duì)土壤侵蝕的影響還未引起重視。因此，本研究從地表的角度來探討間作對(duì)土壤侵蝕的影響。結(jié)合起壟來看，高壟處理下的徑流量和侵蝕量都低于無壟或低壟處理。可能的原因是高壟處理的地表糙度高于無壟處理。較高的地表糙度能直接攔截降雨產(chǎn)生的水流，增加降雨過程中地表的洼積量，增加降雨滲入，這可能是間作增加土壤水分利用效率的重要原因，對(duì)于提高干旱半干旱區(qū)水分管理具有重要意義[17]。其次，較高的地表糙度能減緩坡面徑流的流速，增加坡面流阻力(如Darcy-Weisbach阻力系數(shù)和Manning系數(shù))，結(jié)果是徑流及徑流沖刷力減弱，集中流發(fā)生的幾率降低[18]。這種地表糙度對(duì)坡面流水力學(xué)特性的影響需要進(jìn)一步探討。再次，高地表糙度增加泥沙的攔截，使得土壤沉積于地表，減少泥沙的搬運(yùn)[16]。總之，間作與起壟兩者互作進(jìn)一步增強(qiáng)了土壤的抗侵蝕能力，這有助于防治土壤退化，增加土壤肥力，促進(jìn)山區(qū)作物的生長及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[19]。因此，在間作體系中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地表糙度在控制土壤侵蝕中的重要性，結(jié)合適當(dāng)?shù)娜斯す芾泶胧?如壟作，壟向區(qū)田等)來保護(hù)坡地土壤資源。

降雨強(qiáng)度影響著土壤侵蝕的程度。試驗(yàn)表明，相同的種植方式下，當(dāng)降雨強(qiáng)度從40 mm/h增加到 80 mm/h時(shí)，土壤侵蝕加劇。原因是高強(qiáng)度降雨條件下徑流的快速產(chǎn)生以及導(dǎo)致嚴(yán)重的坡面水流沖刷。更多的土壤顆粒被分離及轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致集中流和溝蝕發(fā)生[20]。降雨強(qiáng)度及侵蝕力的增加使得農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，導(dǎo)致半干旱區(qū)發(fā)生水土資源損失更為嚴(yán)重。然而，本研究中，即使降雨強(qiáng)度增加，控制土壤侵蝕作用間作總是優(yōu)于單作玉米。說明間作這種多樣性種植方式在遭遇嚴(yán)重降雨事件時(shí)控制土壤侵蝕的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

4 結(jié) 論

與單作玉米相比，玉米馬鈴薯間作推遲產(chǎn)流時(shí)間，降低徑流量和侵蝕量。與低壟處理相比，高壟處理推遲產(chǎn)流時(shí)間，降低徑流量和侵蝕量。起壟和種植方式具有顯著的交互效應(yīng)。間作+起壟控制土壤侵蝕效果最好，間作+起壟的徑流量和侵蝕量低于間作無壟、單作玉米+起壟和單作玉米+無壟。所有處理的徑流量和侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加而增加。