云南干热河谷旱坡地南洋樱植物篱水土保持效益研究

2010-06-04史亮涛张明忠江功武龙会英纪中华沙毓沧朱红业

草原与草坪 2010年4期

史亮涛,金杰,张明忠,江功武,龙会英,纪中华,沙毓沧,钟利,朱红业

(1.云南省农业科学院热区生态农业研究所,云南元谋 651300;2.云南省农业科学院,云南昆明 650250;3.云南省农业科学院园艺研究所,云南,昆明 650223)

云南省元谋干热河谷区光热资源丰富,年均降水量低,年蒸发量高,区域水分总量严重不足,且降水分配极不均匀,全年降水量的90%集中在5～10月;另受人为因素以及特殊气候的影响,区域内生态环境强烈退化、水土流失严重,为典型生态脆弱区[1-6],旱坡地是区内水土流失重灾区,种植作物管理粗放,有机肥投入过低,作物主要依靠施用化肥来保障,导致了土壤日渐板结,土壤退化现象十分严重。水土流失、土壤退化成为元谋旱地农业可持续发展的限制因素。目前,国内关于旱坡地持续发展已有大量的研究,其中,在旱坡地种植豆科等高植物篱和推广绿肥植被是减少坡地水土流失和土壤退化行之有效的措施[9]。元谋旱季持续时间长,加之生态环境极度脆弱,推广绿肥作物难,因此,植物篱筛选极其关键,应具有既适宜不同退化土壤、耐旱、耐薄瘠、生长迅速,还有管理粗放、多功能、多用途易于推广等特点。通过云南省农业科学院热区生态农业研究所引种试验表明,南洋樱(Gliricidia sepium)在元谋干热河谷旱坡地,自然条件下成活率高、长势良好,能很好的适应元谋干热气候条件,是一种较为理想的干热河谷旱坡地植物篱树种。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地在云南省金沙江干热河谷典型区元谋县金雷小流域,该地区干旱少雨且雨季集中,旱季持续时间长达7～8个月,年均降水量仅为616 mm,年蒸发量高达3 627 mm,年平均气温 21.9℃,最热月均温27.1℃,最冷月均温14.9℃,土壤以沙土为主。流域内耕地面积中60%为旱坡地,主要种植甘薯、玉米、花生、西瓜等作物,旱坡地由于缺乏有机肥,且为了便于耕作,种植方式多为顺坡种植,同时由于雨季集中,水土流失和土壤退化现象严重,侵蚀剧烈。

1.2 材料

供试南洋樱为一种热带速生的豆科树种,半落叶乔木,羽状复叶,大叶互生,小叶对生,树高2～15 m,每年2、3月开花,开花时叶片全部掉光,种子千粒质量107 g。原产于中美洲地区,分布区域为 N 25°30′,E 7°30′,海拔 1 500 m。西部非洲、西印度群岛地区、热带美洲、南亚地区都有种植。南洋樱具有固氮能力强、生长迅速、耐割、适用性强、木材坚硬,砍伐后萌芽率高,对土壤适应性性强等特点。pH 4.5～6.2的酸性土壤,肥沃的沙土,重粘土,石灰质土壤和碱性土壤,种子和实生苗均能正常发芽生长,无性繁殖成活率高,管理无特殊要求。

1.3 植物篱建植

南洋樱种子育苗后,在5～6月雨季来临时移栽,按30 cm×40 cm株行距,以品字型双行等高栽植于旱坡地上,根据旱坡地坡度和地块长短,来确定植物篱带宽,坡度10°以下的旱坡地带宽10～15 m,在 10°以上陡坡地,带宽可在5～10 m。待植物篱完全成活后,为能增加其分枝量,快速形成良好的植物围篱,控制水土流失,当南洋樱植物生长超过 1.5 m时,将其离地50 cm进行刈割,促进侧枝的生长。第1次刈割留茬高度30 cm,以促进根部侧枝的生长。

1.4 效益研究及分析

1.4.1 水土流失的监测与设计在金雷小流域2004年开始建植的南洋樱植物篱,选取水土流失较为严重旱坡地5.75 hm2,进行水土流失数据监测,水土流失监测不设对照区,而是采用植物篱建植和建植后不同时段沟口监测的径流量,求得地表径流改善的定量数值;同时在研究区选取5个30 m×20 m的样方,每次刈割后测定单位面积上南洋樱叶片和茎秆产量。

1.4.2 观测指标观测指标包括径流量、径流泥沙量、降水量、单位面积上南洋樱叶片和茎秆产量。

利用德国产Thalimedes数字式浮子水位增量编码器,每隔5 min记录1次径流水位,通过水位流量关系计算径流量,每次径流量相加即得年径流量。

式中Q(m3/s)单次单位时间内径流量;H(m)水位增量编码器记录水位;L(m)为监测站径流出水口宽度;T(s)径流产生持续时间。

泥沙量利用全自动径流取样器每隔15 min取1次样,在实验室进行烘干法测定径流中泥沙含量,每次径流泥沙量相加即得年侵蚀量(土壤流失量);降水量采用人工观测记录。叶片和茎秆产量,每次刈割后,将选取样方的南洋樱茎、叶分离,分别称重再换算成单位面积产量。

2 结果与分析

2.1 降水量与径流及侵蚀量间年际变化

在研究数据观测期间,利用时间对比法来代替空间对比法,在结果分析中充分考虑了不同时段降水对径流的影响,3年间径流均从6月开始10月结束,因此,降水量统计分析了6～10月(表 1)。

降水是产生地表径流的主要驱动因子,同时,坡度、土地利用方式、土壤类型均影响径流的产生,大量研究也都表明通常情况下降水、坡度、土地利用方式都与径流具有显著性相关关系[2-5]。试验用SPSS 16.0软件对3年的降水量与径流量和侵蚀量进行相关分析(表2)。在坡度、土地利用、土壤类型等条件不变情况下,除植物篱建植成型前的2004年降水量与径流量具有显著相关关系外,植物篱建植成型后的2005年和2006年降水量与径流量、侵蚀量间相关关系均不显著。

表1 不同年份降水量、径流量及侵蚀量Table 1 Rainfall distribution,runoff among,soil erosion in different years

表2 不同年份降水因子与径流量、侵蚀量的相关关系Table 2 Correlation between rainfall and runoff and soil erosion in different years

2.2 地表径流总量,径流和侵蚀模数年际变化

对研究区植物篱建植前后年地表径流总量和径流模数以及侵蚀模数3个水土流失重要评价指标变化情况进行量化,计算方法[19]如下:

式中:△W1为减少的年径流总量(m3);Wb1为植物篱建植前年径流总量(m3);Wa1为植物篱建植后年径流总量(m3)。

式中:△Wm为减少的年径流模数(m3/km2);Wmb为植物篱建植前年径流模数(m3/km2);Wma为植物篱建植后年径流模(m3/km2)。

式中:△Sm为减少的年侵蚀模数(t/km2);Smb为植物篱建植前年侵蚀模数(/km2);Sma为植物篱建植后年侵蚀模数(t/km2)。

种植3年后研究区年地表径流总量减少了167 470.87 m3,径流模数减少了 29.13万 m3/km2,减少率76.90%;侵蚀模数减少12 986.8 t/km2,减少率76.02%。研究区内侵蚀强度由剧烈侵蚀降低为中度侵蚀,水土流失防治效果明显(表3)。

2.3 南洋樱植物篱水土流失治理区土壤养分流失研究分析

南洋樱植物篱建植后,在减少水土流失的同时,减少了治理区土壤养分的流失,泥沙中全钾流失减少量高达3276.57 kg/hm2,有机质流失量减少3111.64 kg/hm2,全氮 N、全磷 P流失量分别减少 184.41 kg/hm2和68.83 kg/hm2,保肥作用明显(表4)。

表3 不同年份径流模数和侵蚀模数变化量Table 3 Runoff modulus and erosion modulus in different years

表4 植物篱对土壤养分流失量的影响Table 4 Effect of hedgerow on soil nutrient losses

2.4 南洋樱植物篱茎叶产量

研究区南洋樱植物篱5个样方于2005年测定鲜叶产量4 5916.0 kg/hm2,枝条产量53 000.0 kg/hm2,2006年测定鲜叶产量 69 853.0 kg/hm2,枝条产量85 673.0 kg/hm2。

3 结论

(1)相同立地条件和土地利用方式下,3年间研究区年际产流样本数以及地表径流总量和侵蚀总量都持续减少。通过对降水量与径流量相关性分析,结果表明在植物篱建植前降水量与径流量具有显著相关关系,而植物篱建植成型后降水量与径流量间相关关系不显著,无论是降水量多少,产流样本数和相关系数都明显减少。由此说明随着南洋樱植物篱的生长成型,固土保水能力不断增强,起到了很好的拦截径流,旱坡地地表径流得到了有效控制。

(2)3年中研究区内土壤侵蚀强度由剧烈侵蚀降低为中度侵蚀,年径流模数与侵蚀模数减少量分别为29.13万 m3/km2、12 986.8 t/km2,减少率皆高达76.00%。说明南洋樱植物篱能在较短时期内,发挥固土保水,减少径流,控制泥沙的作用,且效果十分明显,因此,在云南干热河谷旱坡地建植南洋樱植物篱是一项控制坡地水土流失、减少土壤侵蚀的良好措施。

(3)南洋樱植物篱除水土流失治理效果显著外,还能大量减少径流泥沙中的氮、磷、钾和有机质等养分。其中,有机质和钾流失减少量达3 111.64 kg/hm2和3 276.57 kg/hm2。另外,植物篱树种南洋樱自身还能发挥良好的生态和经济效益,植物篱每年可刈割45.0～70.0 t/hm2鲜叶和53.0～85.0 t/hm2枝条,鲜叶可直接返回地中用作绿肥,或通过根瘤固氮,以增加土壤养分和改善土壤结构,而刈割鲜叶晒干粉碎后可适当作为家畜蛋白补充饲料[21];枝条则可作为薪材利用。因此,南洋樱可作为干热河谷区一种新型多功能多用途的等高植物篱种植物种,在控制旱坡地水土流失、土壤侵蚀治理改善土壤养分方面进行推广利用。

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