密級 ： 論文編號： 中國農(nóng)業(yè)科學院 碩士學位論文 紫色丘陵區(qū)蓑草植物籬防治水土流失 的效應及機理 I 摘 要 本文是李勇研究員主持的中國農(nóng)業(yè)科學院一級杰出人才崗位項目“中國西部農(nóng)業(yè)景觀土壤侵蝕與環(huán)璋演變”的一部分工作。 四川省地處中國西南腹地，面積 全國幅員面積約 是全國水土流失最嚴重的地區(qū)，水土流失面積占長江上游水土流失面積的 50%以上，年土壤侵蝕總量近 10 億噸，每年流入長江的泥沙總量達 3 億多噸，而四川盆地丘陵區(qū)為水土流失強度侵蝕區(qū)，侵蝕模數(shù)高達6000t/a 以上。紫色丘陵區(qū)位于四川盆地中部，坡耕地比例大，高墾殖、高復種、高強度利用，水土流失問題尤為突出，加強以坡耕地保護利用為核心的水土流失治理綜合技術研究與集成對該區(qū)域農(nóng)業(yè)與農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。本文在深入分析區(qū)域水土流失成因及防治對策的基礎上，采用野外定位監(jiān)測、室內(nèi)外定量分析和典型調(diào)查 相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了蓑草植物籬農(nóng)作系統(tǒng)防治水土流失的機理和減沙效應、構建了不同土壤條件下的植物籬模式并對其經(jīng)濟生態(tài)效益進行了調(diào)查分析、研究提出了蓑草的優(yōu)化施肥技術、集成了蓑草栽培的技術規(guī)范。 1蓑草植物籬防治水土流失機理： 蓑草防止水土流失的機理一是蓑草的根系十分豐富，根系的纏繞固結(jié)和穿插作用，提高了土壤的抗沖性和土壤的滲透性，顯著的改善了土壤的抗侵蝕環(huán)境。 在 120 90 體內(nèi)，蓑草根系總長 98714.8 當于纏繞整個土體 235 圈，正是根系的這種纏繞固結(jié)作用顯著提高了土壤抗侵蝕的能 力。蓑草根系平均直徑 5的根系平均直徑小于 系總表面積 土壤表層根系表面積高達土體表面積的 2，根系表面對土壤顆粒的巨大吸附作用是蓑草顯著提高土壤抗侵蝕能力的另一個重要原因。 二是蓑草地上部生物產(chǎn)量高，對土壤表面的覆蓋保護效果好，避免土壤直接遭受雨水濺擊，延緩土壤侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的過程。三是蓑草的生長發(fā)育盛期與區(qū)域雨季同期， 5 月到 9 月蓑草生長十分旺盛，土壤蓋度達 90以上，而同期降雨約占全年降雨 80左右。 2不同坡度、不同蓑草植物籬模式的 減流減沙效應： 2003 年 2004 年的監(jiān)測結(jié)果表明，在 12 度坡度情況下，坡改梯后凈作蓑草（ 徑流量僅為 m3/未坡改梯且農(nóng)作 (況下，年徑流量 m3/前者的 ，年土壤流失量 kg/前者的 ；在 24 度坡度情況下，坡改梯后土埂及邊坡種植蓑草、坡面農(nóng)作（ 徑流量 m3/土壤流失量 kg/改梯后凈作蓑草（ 流量 m3/壤流失量 未坡改梯且農(nóng)作 (況下年徑流量高達 m3/別為處理 1 的 ，處理 2 的 ，年土壤流失量高達 37503 kg/別為處理 1 的 ，處理 2 的 。坡度越大，水土流失防止效果越好。徑流量與降雨量具有顯著的線性相關關系，即蓑草通過地表覆蓋、豐富的根系與土壤的相互作用過程對改善土壤抗侵蝕環(huán)境的效果十分顯著，蓑草不僅對小降雨量、小強度的降雨徑流具有顯著的防治作用，而且對降雨量和降雨強度大、持續(xù)時間長的降雨徑流 也具有顯著的防治作用。 3蓑草植物籬模式與生產(chǎn)管理： 蓑草植物籬模式主要有“果樹蓑草”、“農(nóng)作物蓑草”、“蓑草蓑草” 3 種，應根據(jù)地形與土壤立地條件配置不同模式，以發(fā)揮蓑草植物籬最大的經(jīng)濟生態(tài)效益。蓑草對土壤水分條件雖無特別的要求，仍應加強養(yǎng)分綜合管理與高產(chǎn)栽培技術的研究集成，制定相關技術規(guī)程。針對紫色丘陵坡耕地養(yǎng)分狀況，應增施氮肥，補施磷鉀肥。 關鍵詞： 蓑草植物籬；水土流失防治；效應；機理；紫色丘陵區(qū) he in of is of of by 200 is is a an to of is of on a to of on of of is to as 1. of is as is as as of in so of in a 120cm 0cm 35 of is 5 is of of is to in to of to of 2. 003 2 of to so as is m3/hakg/haof to so as m3/hayr 4 of in to so as m3/hayr kg/hais m3/hayr kg/haNC m3/hayr 7503 m3/hayr 3. on as , To is at we up 錄 第一章 緒論 . 1 究目的和意義 . 1 物籬技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 . 1 物籬的概念和內(nèi)涵 . 1 物籬 (概念 . 1 物籬的屬性 . 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 . 3 物籬的品種選擇與模式構建 . 4 色丘陵區(qū)經(jīng)濟植物籬模式及其效益 . 4 物根系提高土壤抗侵蝕性機理 . 5 定土壤結(jié)構 . 6 強土壤抗沖性 . 7 高土壤的抗剪強度 . 8 高土壤的滲透性能 . 8 究內(nèi)容與方法 . 9 究內(nèi)容 . 9 草根系特征及其在土壤剖面的分布 . 9 草植物籬模式與水土流失效益監(jiān)測 . 9 草養(yǎng)分綜合管理技術研究 . 9 究方法 . 9 草根系特征研究 . 9 同坡度蓑草植物籬水土流失監(jiān)測 . 10 草優(yōu)化施肥技術研究 . 11 第二章 紫色丘陵農(nóng)區(qū)土壤侵蝕特征與生態(tài)環(huán)境建設對 策 . 12 域概況 . 12 域水土流失成因分析 . 12 區(qū)小流域地表徑流特征 . 13 區(qū)小流域土壤侵蝕特征 . 14 區(qū)小流域土壤養(yǎng)分流失特征 . 14 色丘陵區(qū)水土流失防治與生態(tài)環(huán)境建設技術對策 . 15 強坡耕地改造與集雨開源微水工程建設 . 15 強坡耕地改造，建設高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)糧田 . 15 強集雨開源微水工程建設，推廣節(jié)水灌溉新技術新產(chǎn)品 . 16 地保護性耕作、防蝕保墑栽培技術集成應用 . 16 厚土層技術 . 16 蓋栽培技術 . 16 網(wǎng)式壟作技術 . 16 植業(yè)結(jié)構調(diào)整與優(yōu)化模式示范 . 17 帶多熟節(jié)水型種植制度與模式 . 17 草 畜農(nóng)林復合發(fā)展技術 . 17 濟植物籬和植物護埂技術 . 17 第三章 蓑草植物籬模式構建與效益分析 . 19 草適生環(huán)境及其用途 . 19 長環(huán)境 . 19 草的用途 . 19 草植物籬的特點與模式構建 . 20 草植物籬的特點 . 20 草植物籬模式 . 20 “蓑草”模式 . 20 蓑草 +優(yōu)質(zhì)糧油作物” . 20 蓑草 +果樹” . 20 草植物籬示范推廣情況及效益 . 21 范推廣情況 . 21 草植物籬經(jīng)濟效益分析 . 21 型農(nóng)戶調(diào)查 . 21 型地塊調(diào)查 . 22 結(jié) . 23 第四章 蓑草植 物籬的減流減沙效應及機理 . 24 草根系特征及其在土壤剖面中的分布 . 24 草根系長度及其在土壤剖面中的分布 . 24 草平均直徑、表面積與體積及其提高土壤抗侵蝕能力的有效性 . 24 草植物籬的減沙效應 . 25 草植物籬的減流效應 . 26 結(jié) . 27 第五章 蓑草優(yōu)化施肥與栽培技術集成 . 34 草施肥試驗研究 . 34 一次刈割產(chǎn)量結(jié)果分析 . 34 二次刈割產(chǎn)量結(jié)果分析 . 35 草栽培技術要點 . 37 苗 . 37 栽 . 37 間管理 . 37 期管理 . 37 草植物籬管理 . 38 獲與加工 . 38 結(jié) . 38 第六章 結(jié)論與討論 . 39 究結(jié)論 . 39 草植物籬防止水土流失機理 . 39 V 草植物籬減少徑流泥沙效益 . 39 草植物籬模式與生產(chǎn)管理 . 40 進一步深入研究的問題 . 40 參考文獻 . 41 致 謝 . 43 作者簡歷 . 44 中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 究目的和意義 水、土資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本條件，保護和利用好水、土資源，是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎已引起世界各國的廣泛關注。 21 世紀的農(nóng)業(yè)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。據(jù)大多數(shù)的專家預測，到 2020 年世界人口將從現(xiàn)在的 60 億增加到 73 億。世界谷物的需求量將增加 40從 2000 年起，世界發(fā)達國家的糧食產(chǎn)量每年需增加 5%左右；發(fā)展中國家的糧食產(chǎn)量每年需增加 右，才能滿足人口增加對食物的消費需求。但農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)最主要的制約因素是耕地的制約和水資源的制約。為此，各國科學家都從不同的地區(qū)、不同的側(cè)面、不同的層次來研究解決這一問題。其中植物籬技術是近年來發(fā)展起來的、涉及多學科的較為活躍的研究領域。尤其是在發(fā)展中國家很有實用價值，也有廣闊的應用發(fā) 展前景。 四川省地處中國西南腹地，面積 全國幅員面積約 是全國水土流失最嚴重的地區(qū)，水土流失面積占長江上游水土流失面積的 50%以上，年土壤侵蝕總量近 10 億噸，每年流入長江的泥沙總量達 3 億多噸，而四川盆地丘陵區(qū)為水土流失強度侵蝕區(qū)，侵蝕模數(shù)高達6000t/a 以上。 紫色丘陵區(qū)位于四川盆地中部，坡耕地比例大，高墾殖、高復種、高強度利用，水土流失問題尤為突出，加強以坡耕地保護利用為核心的水土流失治理綜合技術的研究與集成對該區(qū)域農(nóng)業(yè)與農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。 本項研究以 紫色丘陵區(qū)坡耕地保護利用為核心，深入開展蓑草植物籬模式及其防止水土流失的效益與其機理研究，對促進退耕還林還草工作的順利進行、建立水土保持技術集成于應用的長效機制意義重大，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設提供技術儲備與樣板。 物籬技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 物籬的概念和內(nèi)涵 物籬 (概念 植物籬農(nóng)作（ 70 年代末，由位于尼日利亞的國際熱帶農(nóng)業(yè)研究所（ 研究人員首先提出的。植物籬是指在坡耕地上的單一或多種的 農(nóng)作物、園藝作物、飼料作物之間，按橫行種植的樹木或灌木（ is f or in a or of or or in 植物籬農(nóng)作是指植物籬帶和帶間的農(nóng)作物體系，它是一種特殊的農(nóng)林復合模式。植物籬就是在具有一定坡度的旱地上等高栽培的其群體間距 大于群體內(nèi)株距的一行或數(shù)行植物群體，通過其根冠效應、籬笆效應有效攔截徑流保持水土（ 1993； N. 1994； 1990； V. 1993； 991）。 “在具有一定坡度的旱地上”：這是對植物籬應用范圍的限定，首先必須是旱地，因為水田中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 緒論 2 通常不會發(fā)生較顯著或較嚴重的水土流失，即使是對會發(fā)生水土流失的漏沙田，也不將植物籬作為防治措施。旱地必須是具 有一定坡度的旱地，因為在平坦的旱地上植物籬的“籬笆效應”亦不復存在，“植物籬”亦變成“植物行” 栽種成行的植物。地埂或路基等是旱坡地的特殊形式。 “等高栽培”：這是對植物籬栽培方式的限定，等高栽培的目的是為了讓植物籬行向與水土流失的方向垂直，盡可能減輕重力作用形成的對土粒砂粒的下推力，盡可能減緩坡面降水流速，以獲得最佳的水土保持效果。 “群體間距大于群體內(nèi)株距”：這是對植物籬空間布局方式的限定，因為籬笆效應與群體內(nèi)株距成反比，株距越小，密度越大，籬笆效應越顯著，所以植物籬行向與籬內(nèi)株距最小的栽培行向一致。故 當群體間距小于群體內(nèi)株距時，植物籬行向與徑流方向一致，水土順流而下，籬笆效應喪失殆盡。 “一行或數(shù)行”：這是對植物籬結(jié)構方式的限定，一般情況下，植物籬適宜載成 1 行，如是復合型植物籬則為 2 3 行，因為在植物籬株數(shù)一定的情況下，行數(shù)越少，則株距越小，植物籬“孔隙”越小，籬笆效應越強，攔截水土效果越好。 物籬的屬性 “根冠效應”、“籬笆效應”是植物籬有決定性的特有屬性，屬于本質(zhì)屬性，而“間套作效應”、“梯化效應”是前兩種效應在空間上的擴展和在時間上作用過程中的效應積累，是植物籬的固有屬性。由于擁 有這些本質(zhì)屬性和固有屬性，使植物籬具有了水土保持功能。對于農(nóng)耕地植物籬、路埂植物籬、林地植物籬而言，其普遍存在的水土保持的兩種原初作用方式為： （ 1）根冠效應 即植物籬通過自身根系固定土壤，通過冠層覆蓋減輕雨滴濺蝕、減小土壤蒸發(fā)和作物蒸騰從而改變系統(tǒng)的溫度、濕度、水分等狀況，通過遮陰改變田間透光條件。 （ 2）籬笆效應 即借助植物籬芭的攔截作用，阻止土壤向下運動，經(jīng)研究表明：“防止土壤侵蝕與截流擋土具有密切關系，植物籬在防止土壤沖刷上具有明顯效益，并且隨著成籬時間的延長而愈加明顯”；“籬笆根部阻擋水流， 減緩流速，減小水流的泥沙攜帶能力，細溝也不易形成，從而減少土壤侵蝕”。 根冠效應和籬笆效應這兩種原初效應是植物籬對生態(tài)系統(tǒng)中的土壤和水分最迅速最直觀最直接的影響。它們是植物籬的有決定性的特有屬性，屬本質(zhì)屬性。正是由于具有根冠效應、籬笆效應這兩種效應，使植物籬具有了顯著的水土保持功能。所以，水土保持功能是派生的特有屬性，是各種植物籬都具有的固有屬性。也就是說：某植物群體具有根冠效應、籬笆效應這兩種本質(zhì)屬性時，就可以被稱之為“植物籬”。與路埂植物籬不同，農(nóng)耕地植物籬和林地植物籬水土保持作用機理更為復雜，由于根冠 效應和籬笆效應在空間上進一步擴展或在時間上作用過程中的效應積累，由此產(chǎn)生了另外兩種衍生效應： （ 1）間套作效應 即植物籬和與其間套作的作物構成的立體種植模式，由于相互間拮抗、協(xié)同作用，改變了各自原來在凈作條件下的“源” 、“流” 、“庫”物流動態(tài)模式以及系統(tǒng)能流特征，提高了種植系統(tǒng)的生產(chǎn)力；通過自身與傳統(tǒng)大田作物的異質(zhì)性來提高系統(tǒng)物種豐富度和結(jié)構復雜性，從而提高生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康；植物籬正是通過影響同田間作的農(nóng)作物生長發(fā)育，從而在空間上拓展了自身對整個系統(tǒng)的影響。 （ 2）梯化效應 由于植 物籬的存在，借助耕作位移、耕作侵蝕及土壤自然位移在籬前形成淤中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 緒論 3 積層，從而使梯臺地形成加速，進而改變坡度、坡長、土層厚度、土壤系統(tǒng)結(jié)構。 由于間套作效應和梯化效應也是派生的特有屬性，所以它們也屬于植物籬的固有屬性，但為植物籬的偶有屬性。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 植物籬帶通常以行種植 ,間距可寬可窄。其他有關植物籬的提法有：植物籬套作 (用 );通道式種植 (斯里蘭卡 )；在坡地上 ,植物籬橫坡種植以防止水土流失，因而使用橫坡植物籬農(nóng)作的說法。菲律賓將此技術發(fā)展為防止水土流失的系列技術，并統(tǒng)稱為農(nóng)耕 坡地綜合技術。隨著 際農(nóng)業(yè)研究咨詢團 (其他國際研究中心，特別是非洲國際畜牧研究中心 (農(nóng)林業(yè)國際研究中心 (紛開始植物籬試驗示范。直至今日，植物籬研究項目已形成了獨有的特點。近年來，國內(nèi)也致力于植物籬和植物護埂技術的研究與試驗示范，在不同生態(tài)和地理區(qū) ,針對農(nóng)戶的具體需求，推行適用的植物護埂形式，取得了一定的經(jīng)驗和成效。但這些技術大多數(shù)采用固氮植物、草本植物等 ,其重點是放在生態(tài)和社會效益，沒有或很少考慮到植物籬的經(jīng)濟效益。另外 ,植物籬及植物 護埂的研究和推廣還存在以下方面的問題： (1)可供選擇的植物籬形式特別是經(jīng)濟植物籬形式不多，技術不完善。植物籬研究在國際上已有 20年的歷史，但國內(nèi)對植物籬的研究尚在起步階段 ,試驗示范成果還很粗淺； (2)推廣面積有限。四川地處長江上游，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量直接影響中下游地區(qū)，而植物籬的應用因其自身的限制，推廣難度較大，很難在短期內(nèi)大面積鋪開 ,急需政府的大力支持和推動。 (3)農(nóng)戶管理水平低。一項新技術的推廣，對農(nóng)戶來說 ,有一個消化吸收的過程，要求農(nóng)戶有一定的文化水平，充分理解該技術的關鍵所在并能不折不扣地實施。 坡地等高 植物籬 (當前坡地農(nóng)林復合經(jīng)營 (最重要應用方式之一，其主要形式是在坡面沿等高線布設密植的灌木或灌化喬木、灌草結(jié)合的植物籬帶，帶間布置作物。合適的等高植物籬帶間距、帶內(nèi)結(jié)構 (行、株距及排列方式 )能使植物籬有效地攔蓄沙土，又有利于水流滲透而不對植物籬形成的土坎造成破壞，同時獲得最大的坡面利用空間。其中又以帶間距最為重要 ,因為帶間距很大程度上決定了坡面利用空間結(jié)構，因而決定了系統(tǒng)的土地利用效率。各國對平坦地區(qū)的農(nóng)林復合系統(tǒng)帶間距研 究已有不少，如利用一些模型計算系統(tǒng)中林木的防風效果、不同林木樹蔭對帶間作物的遮光影響等，但對根系相互競爭的影響范圍多以實驗或簡化模型確定。南方坡地易受水力侵蝕，坡地農(nóng)林復合經(jīng)營與平坦地區(qū)在系統(tǒng)設計基本考慮上有很大的區(qū)別。對于主要利用植物措施減輕土壤侵蝕的坡地農(nóng)林復合系統(tǒng)，選擇減輕侵蝕效果最佳的帶間距，國外仍主要以經(jīng)驗和小區(qū)實驗確定為主（ 1990； V. 993） ,從理論上綜合探討合適帶間距的研究并不多見 ,國內(nèi)的理論研究為數(shù)亦少。 近年來，國內(nèi)一些單 位也致力于植物籬和植物護埂技術的研究與試驗示范。貴州省于 1992年 、云南和四川兩省于 1997 年 參加了國際土壤研究與管理理事會（ 洲坡地管理協(xié)作網(wǎng)，該網(wǎng)的宗旨是研究各種類型的植物籬和施肥措施對作物產(chǎn)量和土壤侵蝕的影響，重點放在農(nóng)戶的經(jīng)濟收益上，并逐步實現(xiàn)坡地持續(xù)農(nóng)業(yè)的目標。該協(xié)作網(wǎng)針對農(nóng)戶的具體需求，推行適用的植物護埂形式，取得了一定的經(jīng)驗和成效。但這些技術大多數(shù)采用固氮植物、草本植物等，其重點是生態(tài)效益，沒有或很少考慮到經(jīng)濟效益；同時，忽視了植物籬的帶間作物。 中國農(nóng)業(yè)科學院碩士學位論文 第一章 緒論 4 物籬的品種選擇與模式構建 植物籬可選擇不同的多年生的樹木或灌叢，植物籬帶間的作物可寬可窄。自從 試驗成功后，國際農(nóng)業(yè)研究咨詢組織（ 此非常重視，其下屬的國際農(nóng)業(yè)研究中心或支持的許多國家農(nóng)業(yè)機構也開始了有關研究，并取得了可喜的成績，產(chǎn)生了一些區(qū)域性的技術。相關的技術名稱有植物籬套作（ 用），通道式種植（斯里蘭卡），坡耕地綜合治理（菲律賓）等等。 1991 年 ，國際土壤研究理事會（ 在坡耕地持續(xù)農(nóng)業(yè)的土壤管理項目中組織了東南亞國家的植物籬合作研究，其中先 后包括中國的貴州、云南、四川三省。 國外植物籬的品種以固氮樹種為主，