丹江口庫區(qū)坡耕地玉米間作模式經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益分析

李濤 戢正華 蔡建波 夏文建 薛利紅 余文暢 林杉

摘要：2013—2015年連續(xù)3年采用田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了自然降雨條件下玉米（Zea mays L.）單作、玉米間作白芷（Angelica dahurica）、玉米間作甘薯[Dioscorea esculenta （Lour.） Burkill]對丹江口庫區(qū)坡耕地地表氮、磷養(yǎng)分流失的影響，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析。結(jié)果表明，玉米間作模式對坡耕地地表氮、磷有顯著的阻控作用，并可有效降低水土流失。與玉米單作相比，玉米間作白芷和玉米間作甘薯的徑流總氮年均流失量分別減少了32.09%和20.37%，徑流總磷年均流失量分別減少了32.08%和18.40%，泥沙流失量分別減少了9.18%和11.05%。玉米間作白芷經(jīng)濟(jì)效益最高，其次是玉米間作甘薯，分別是玉米單作的4.24和2.73倍。從農(nóng)田氮、磷面源污染控制和經(jīng)濟(jì)效益綜合分析，玉米間作白芷模式是丹江口庫區(qū)較合理的生態(tài)種植模式，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：玉米（Zea mays L.）;間作模式;坡耕地;阻控作用;經(jīng)濟(jì)效益;丹江口庫區(qū)

中圖分類號：S344.2;S513?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）07-0077-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.017

Abstract：The experiment was conducted in natural rainfall condition under in the Danjiangkou reservoir area from 2013 to 2015 to study the characteristics of nitrogen and phosphorus loss from slop farmland and economic benefit under different planting patterns of maize（Zea mays L.） monoculture，maize intercropping angelica dahurica（Angelica dahurica） and maize intercropping sweet potato [Dioscorea esculenta （Lour.） Burkill]. The result showed that the maize and other crops intercropping had better interception effect on nitrogen and phosphorus runoff loss，and could decrease the soil and water runoff loss from slop farmland. In comparison with the maize monoculture，runoff loss of total nitrogen was decreased under maize intercropping angelica dahurica and maize intercropping sweet potato，with the decreases of 32.09% and 20.37%，respectively，the runoff loss of total phosphorus decreased by 32.08% and 18.40%，respectively，and the sediment particle losses decreased by 9.18% and 11.05%. The maize intercropping angelica dahurica had the highest economic benefit，followed by the maize intercropping sweet potato，and the economic net income reached 4.24 times and 2.73 times than maize monoculture，respectively. Maize intercropping angelica dahurica was the optimal cropping pattern and should be adapted to a larger area in Danjiangkou reservoir area according to its economic benefic and non-point source pollution control by nitrogen and phosphorus in farmland.

Key words： maize（Zea mays L.）;intercropping pattern;sloping farmland;control effect;economic benefits;Danjiangkou reservoir area

農(nóng)田土壤中的氮、磷是作物生長最主要的營養(yǎng)元素，為保證作物生長和糧食產(chǎn)量，農(nóng)田化肥的施用必不可少，但過量的化肥會導(dǎo)致大量氮、磷養(yǎng)分在土壤中蓄積。在降雨和地表徑流的作用下，氮、磷養(yǎng)分和農(nóng)田中泥沙離開土壤表層，形成地表徑流，匯入地勢較低的溝渠、河流，再進(jìn)入湖泊或水庫等受納水體，引起水體富營養(yǎng)化，加速水庫淤積。農(nóng)田泥沙和氮、磷的輸出與農(nóng)田施肥措施、農(nóng)業(yè)耕作措施、植被覆蓋率和土地利用方式等有重要聯(lián)系[1]。追求作物高產(chǎn)一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要目標(biāo)之一，作物的持續(xù)增產(chǎn)卻是以化肥的高投入為代價。玉米和中藥材種植過程中，一直存在肥料施用量大的問題，加上山區(qū)坡耕地水土流失嚴(yán)重，加劇了農(nóng)業(yè)氮、磷面源污染負(fù)荷[2]。丹江口庫區(qū)是南水北調(diào)中線工程的水源區(qū)，重點(diǎn)解決北方沿線大城市的缺水問題。國家對水庫的水質(zhì)有較高要求[3]，但近年來，隨著庫區(qū)周圍人類活動的加劇和農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)等問題，庫區(qū)局部庫灣和部分支流水質(zhì)指標(biāo)超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，庫區(qū)部分河段有富營養(yǎng)化趨勢[4]。庫區(qū)水質(zhì)的惡化將對南水北調(diào)工程的調(diào)水質(zhì)量造成不利影響。

2.3?不同種植模式對地表總磷流失量的影響

于2013年春季開始監(jiān)測徑流小區(qū)試驗(yàn)，并于2013年5月下旬監(jiān)測到地表徑流，植物-土壤系統(tǒng)不穩(wěn)定，3種種植模式坡耕地總磷流失量差異不明顯，玉米單作、玉米+白芷間作和玉米+甘薯間作處理總磷流失量分別為1.83、1.76、1.72 kg/hm2;2014年玉米單作處理總磷流失量明顯高于其他2種種植模式;2015年玉米+白芷間作處理總磷流失量明顯低于玉米單作和玉米+甘薯間作處理（圖2）。玉米單作、玉米+白芷間作和玉米+甘薯間作3種種植模式3年磷素平均流失量分別為2.12、1.44、1.73 kg/hm2，連續(xù)3年的小區(qū)監(jiān)測試驗(yàn)表明，2種生態(tài)間作種植模式均可降低坡耕地總磷流失量。與玉米單作相比，玉米+白芷間作和玉米+甘薯間作種植模式總磷流失量降低幅度分別為32.08%和18.40%，玉米+白芷間作對坡耕地總磷流失的阻控效應(yīng)更顯著。

2.4?不同種植模式的經(jīng)濟(jì)效益

由表2可知，不同種植模式中，玉米單作的玉米產(chǎn)量均比其他2種種植模式高。白芷為多年生藥用作物，以3年生地下根莖價值統(tǒng)計經(jīng)濟(jì)效益，2013、2014年均未采挖，故這2年產(chǎn)量為零，2015年白芷產(chǎn)量為 6 367.5 kg/hm2。

生產(chǎn)成本包括人工費(fèi)用和物資費(fèi)用。人工費(fèi)為田間施肥、播種、移栽、收獲等管理措施所付的費(fèi)用，研究區(qū)人工費(fèi)為150 元/d;物資費(fèi)用包括農(nóng)藥、化肥、種苗等費(fèi)用，白芷在種苗方面的花費(fèi)為3.2萬元/hm2。當(dāng)季農(nóng)產(chǎn)品價格分別為玉米1.6元/kg，甘薯1.0元/kg，白芷15.0元/kg。玉米+白芷間作處理3年經(jīng)濟(jì)純收入為28 800.2元/hm2，玉米+甘薯間作處理經(jīng)濟(jì)純收入為18 525.0元/hm2，玉米單作處理經(jīng)濟(jì)純收入僅為6 788.5元/hm2（表3），與玉米單作處理相比，玉米+白芷間作處理增加收入22 011.7 元/hm2，玉米+甘薯間作處理增加收入11 736.5 元/hm2。玉米+白芷和玉米+甘薯間作處理經(jīng)濟(jì)純收入分別是玉米單作的4.24和2.73倍。玉米+白芷間作處理顯著高于其他處理。由此可見，在丹江口庫區(qū)種植糧-藥共作模式效益可觀，值得推廣。

3?小結(jié)與討論

作物間作模式下土壤根系的生物量要顯著高于單作模式。不少研究表明，土體中的根系密度可使土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加，增強(qiáng)雨滴擊打承載能力，從而減少坡面產(chǎn)流和土壤流失量[8，9]。丁志磊等[10，11]的研究表明，玉米間作花椒模式在控制徑流流失方面有較好的效果，這是由于玉米會對降雨有一定遮擋，減少雨滴侵蝕，玉米地的間作植物會增強(qiáng)地表的粗糙程度，減少徑流的產(chǎn)生與流速，從而降低泥沙的流失量。本研究中，2種玉米間作模式地表徑流量和產(chǎn)沙量較小，這與陳小強(qiáng)等[12]玉米大豆間作模式對坡耕地水土保持影響的研究結(jié)果相似，其主要原因是玉米和中藥材或其他作物的間作可以通過增加植物覆蓋，減緩降雨對土壤的侵蝕，減輕坡耕地地表徑流，有利于坡耕地蓄水減流和保土減沙，提升土壤肥力。

坡耕地總氮與總磷的流失量變化受許多因素的影響，包括降雨量、土地利用方式、種植模式、坡度、施肥量等因素[13-15]。坡度越大地表積水的勢能越大，徑流中的氮、磷含量也隨之增大[16];鐘雄等[17]研究表明，徑流量與產(chǎn)沙量在紫色土與紅壤土間有差異，且玉米間作大豆模式有效減少了坡耕地的氮、磷流失。在土壤養(yǎng)分的流失過程中，顆粒態(tài)與溶解態(tài)氮、磷以被泥沙與徑流攜帶的方式流失[18]，地表徑流起著決定性的作用。間作種植模式增加了地表的粗糙程度，可攔截降雨，阻控泥沙，通過減小徑流量與徑流流速進(jìn)而減緩徑流的沖刷能力，以此減少坡耕地地表氮、磷的流失量[19-21]。也有研究表明，玉米間作大豆模式下，玉米對氮素的利用率會提高，進(jìn)而提高產(chǎn)量，說明該種植模式對氮素流失的控制能力更強(qiáng)[12]。本研究玉米間作白芷、甘薯比玉米單作也明顯減少了徑流中的氮、磷含量，其中玉米間作白芷模式氮、磷流失量最少，白芷和甘薯2種作物根部對徑流都有阻控作用，都增強(qiáng)了對土壤中的氮、磷吸收能力，但甘薯于5月下旬移栽，錯過移栽前對徑流的攔截作用。不少研究表明，玉米間套作模式可有效促進(jìn)作物對磷的吸收，提高磷肥利用率，從而有效降低磷肥向水體遷移[22，23]。不同間作模式對農(nóng)田氮、磷流失的控制效果與其植物地表生長情況和地下根系有必然聯(lián)系，因此，間作植物的合理搭配對該地區(qū)坡耕地氮、磷流失的控制效果還需進(jìn)一步研究。

本研究中2種間作模式顯著降低了玉米產(chǎn)量，玉米間作白芷和玉米間作甘薯模式的玉米產(chǎn)量均低于玉米單作模式;但是，玉米間作白芷、甘薯模式下的經(jīng)濟(jì)效益明顯高于玉米單作模式，尤其以玉米間作白芷模式的經(jīng)濟(jì)效益最高。白芷作為一種經(jīng)濟(jì)價值較高的中藥材，十堰市將會大力發(fā)展白芷種植和深加工產(chǎn)業(yè)，目前已有幾家大型中藥生產(chǎn)企業(yè)都以白芷為主要原材料。甘薯也是十堰市的主糧之一，該地區(qū)甘薯種植面積為1.3萬hm2。因此，在丹江口庫區(qū)推廣玉米間作白芷和玉米間作甘薯種植模式有重要的理論和實(shí)踐價值。有不少研究表明，玉米間作大豆、蠶豆等作物不僅可減少氮、磷流失，解決肥料大量施用帶來的水體富營養(yǎng)化問題，更能增加作物產(chǎn)量，提高肥料利用效率，使區(qū)域農(nóng)田實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，從而帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益[12，22]。陳紅日等[24]的研究顯示，玉米套作甘薯其經(jīng)濟(jì)純收入顯著提高，與玉米單作相比提高了98.07%，間作模式有勞動力和成本更為密集的效果，使時空集約性更強(qiáng)。果蔗+花生間作模式提高了單位面積土地收益[25];云南省洱海流域的田間試驗(yàn)表明，大蒜+蠶豆間作模式不僅有效降低了農(nóng)田氮、磷流失風(fēng)險，還顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益，是適合于該地區(qū)推廣的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益雙贏的種植模式[26]。利用間套作農(nóng)藝措施可充分挖掘農(nóng)田氮、磷的攔截功能，對于維持土壤肥力的可持續(xù)性，防控農(nóng)田面源污染，提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入有重要的現(xiàn)實(shí)意義，合理調(diào)整種植模式有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

本研究結(jié)果表明，玉米間作模式有效降低了坡耕地的養(yǎng)分損失量，對農(nóng)田氮、磷面源污染有一定的阻控作用;玉米間作白芷模式綜合經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益好，是目前丹江口庫區(qū)保證農(nóng)民收入且有效降低農(nóng)田面源污染較合理的生態(tài)種植模式。本研究只是丹江口庫區(qū)坡耕地實(shí)施玉米間作模式產(chǎn)生效應(yīng)的初步探討，對該地區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最優(yōu)模式及間作綜合效應(yīng)還需進(jìn)一步研究。

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