【毕业学位论文】（Word原稿）紫色丘陵区蓑草植物篱防治水土流失的效应及机理土壤学硕士论文

密级 ： 论文编号： 中国农业科学院 硕士学位论文 紫色丘陵区蓑草植物篱防治水土流失 的效应及机理 I 摘 要 本文是李勇研究员主持的中国农业科学院一级杰出人才岗位项目“中国西部农业景观土壤侵蚀与环璋演变”的一部分工作。 四川省地处中国西南腹地，面积 全国幅员面积约 是全国水土流失最严重的地区，水土流失面积占长江上游水土流失面积的 50%以上，年土壤侵蚀总量近 10 亿吨，每年流入长江的泥沙总量达 3 亿多吨，而四川盆地丘陵区为水土流失强度侵蚀区，侵蚀模数高达6000t/a 以上。紫色丘陵区位于四川盆地中部，坡耕地比例大，高垦殖、高复种、高强度利用，水土流失问题尤为突出，加强以坡耕地保护利用为核心的水土流失治理综合技术研究与集成对该区域农业与农村经济可持续发展具有重要的现实意义。本文在深入分析区域水土流失成因及防治对策的基础上，采用野外定位监测、室内外定量分析和典型调查 相结合的方法，系统研究了蓑草植物篱农作系统防治水土流失的机理和减沙效应、构建了不同土壤条件下的植物篱模式并对其经济生态效益进行了调查分析、研究提出了蓑草的优化施肥技术、集成了蓑草栽培的技术规范。 1蓑草植物篱防治水土流失机理： 蓑草防止水土流失的机理一是蓑草的根系十分丰富，根系的缠绕固结和穿插作用，提高了土壤的抗冲性和土壤的渗透性，显著的改善了土壤的抗侵蚀环境。 在 120 90 体内，蓑草根系总长 98714.8 当于缠绕整个土体 235 圈，正是根系的这种缠绕固结作用显著提高了土壤抗侵蚀的能 力。蓑草根系平均直径 5的根系平均直径小于 系总表面积 土壤表层根系表面积高达土体表面积的 2，根系表面对土壤颗粒的巨大吸附作用是蓑草显著提高土壤抗侵蚀能力的另一个重要原因。 二是蓑草地上部生物产量高，对土壤表面的覆盖保护效果好，避免土壤直接遭受雨水溅击，延缓土壤侵蚀产流产沙的过程。三是蓑草的生长发育盛期与区域雨季同期， 5 月到 9 月蓑草生长十分旺盛，土壤盖度达 90以上，而同期降雨约占全年降雨 80左右。 2不同坡度、不同蓑草植物篱模式的 减流减沙效应： 2003 年 2004 年的监测结果表明，在 12 度坡度情况下，坡改梯后净作蓑草（ 径流量仅为 m3/未坡改梯且农作 (况下，年径流量 m3/前者的 ，年土壤流失量 kg/前者的 ；在 24 度坡度情况下，坡改梯后土埂及边坡种植蓑草、坡面农作（ 径流量 m3/土壤流失量 kg/改梯后净作蓑草（ 流量 m3/壤流失量 未坡改梯且农作 (况下年径流量高达 m3/别为处理 1 的 ，处理 2 的 ，年土壤流失量高达 37503 kg/别为处理 1 的 ，处理 2 的 。坡度越大，水土流失防止效果越好。径流量与降雨量具有显著的线性相关关系，即蓑草通过地表覆盖、丰富的根系与土壤的相互作用过程对改善土壤抗侵蚀环境的效果十分显著，蓑草不仅对小降雨量、小强度的降雨径流具有显著的防治作用，而且对降雨量和降雨强度大、持续时间长的降雨径流 也具有显著的防治作用。 3蓑草植物篱模式与生产管理： 蓑草植物篱模式主要有“果树蓑草”、“农作物蓑草”、“蓑草蓑草” 3 种，应根据地形与土壤立地条件配置不同模式，以发挥蓑草植物篱最大的经济生态效益。蓑草对土壤水分条件虽无特别的要求，仍应加强养分综合管理与高产栽培技术的研究集成，制定相关技术规程。针对紫色丘陵坡耕地养分状况，应增施氮肥，补施磷钾肥。 关键词： 蓑草植物篱；水土流失防治；效应；机理；紫色丘陵区 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 录 第一章 绪论 . 1 究目的和意义 . 1 物篱技术国内外研究现状与发展趋势 . 1 物篱的概念和内涵 . 1 物篱 (概念 . 1 物篱的属性 . 2 内外研究现状及发展趋势 . 3 物篱的品种选择与模式构建 . 4 色丘陵区经济植物篱模式及其效益 . 4 物根系提高土壤抗侵蚀性机理 . 5 定土壤结构 . 6 强土壤抗冲性 . 7 高土壤的抗剪强度 . 8 高土壤的渗透性能 . 8 究内容与方法 . 9 究内容 . 9 草根系特征及其在土壤剖面的分布 . 9 草植物篱模式与水土流失效益监测 . 9 草养分综合管理技术研究 . 9 究方法 . 9 草根系特征研究 . 9 同坡度蓑草植物篱水土流失监测 . 10 草优化施肥技术研究 . 11 第二章 紫色丘陵农区土壤侵蚀特征与生态环境建设对 策 . 12 域概况 . 12 域水土流失成因分析 . 12 区小流域地表径流特征 . 13 区小流域土壤侵蚀特征 . 14 区小流域土壤养分流失特征 . 14 色丘陵区水土流失防治与生态环境建设技术对策 . 15 强坡耕地改造与集雨开源微水工程建设 . 15 强坡耕地改造，建设高产稳产粮田 . 15 强集雨开源微水工程建设，推广节水灌溉新技术新产品 . 16 地保护性耕作、防蚀保墒栽培技术集成应用 . 16 厚土层技术 . 16 盖栽培技术 . 16 网式垄作技术 . 16 植业结构调整与优化模式示范 . 17 带多熟节水型种植制度与模式 . 17 草 畜农林复合发展技术 . 17 济植物篱和植物护埂技术 . 17 第三章 蓑草植物篱模式构建与效益分析 . 19 草适生环境及其用途 . 19 长环境 . 19 草的用途 . 19 草植物篱的特点与模式构建 . 20 草植物篱的特点 . 20 草植物篱模式 . 20 “蓑草”模式 . 20 蓑草 +优质粮油作物” . 20 蓑草 +果树” . 20 草植物篱示范推广情况及效益 . 21 范推广情况 . 21 草植物篱经济效益分析 . 21 型农户调查 . 21 型地块调查 . 22 结 . 23 第四章 蓑草植 物篱的减流减沙效应及机理 . 24 草根系特征及其在土壤剖面中的分布 . 24 草根系长度及其在土壤剖面中的分布 . 24 草平均直径、表面积与体积及其提高土壤抗侵蚀能力的有效性 . 24 草植物篱的减沙效应 . 25 草植物篱的减流效应 . 26 结 . 27 第五章 蓑草优化施肥与栽培技术集成 . 34 草施肥试验研究 . 34 一次刈割产量结果分析 . 34 二次刈割产量结果分析 . 35 草栽培技术要点 . 37 苗 . 37 栽 . 37 间管理 . 37 期管理 . 37 草植物篱管理 . 38 获与加工 . 38 结 . 38 第六章 结论与讨论 . 39 究结论 . 39 草植物篱防止水土流失机理 . 39 V 草植物篱减少径流泥沙效益 . 39 草植物篱模式与生产管理 . 40 进一步深入研究的问题 . 40 参考文献 . 41 致 谢 . 43 作者简历 . 44 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究目的和意义 水、土资源是农业生产的基本条件，保护和利用好水、土资源，是农业持续发展的基础已引起世界各国的广泛关注。 21 世纪的农业面临严峻的挑战。据大多数的专家预测，到 2020 年世界人口将从现在的 60 亿增加到 73 亿。世界谷物的需求量将增加 40从 2000 年起，世界发达国家的粮食产量每年需增加 5%左右；发展中国家的粮食产量每年需增加 右，才能满足人口增加对食物的消费需求。但农产品生产最主要的制约因素是耕地的制约和水资源的制约。为此，各国科学家都从不同的地区、不同的侧面、不同的层次来研究解决这一问题。其中植物篱技术是近年来发展起来的、涉及多学科的较为活跃的研究领域。尤其是在发展中国家很有实用价值，也有广阔的应用发 展前景。 四川省地处中国西南腹地，面积 全国幅员面积约 是全国水土流失最严重的地区，水土流失面积占长江上游水土流失面积的 50%以上，年土壤侵蚀总量近 10 亿吨，每年流入长江的泥沙总量达 3 亿多吨，而四川盆地丘陵区为水土流失强度侵蚀区，侵蚀模数高达6000t/a 以上。 紫色丘陵区位于四川盆地中部，坡耕地比例大，高垦殖、高复种、高强度利用，水土流失问题尤为突出，加强以坡耕地保护利用为核心的水土流失治理综合技术的研究与集成对该区域农业与农村经济可持续发展具有重要的现实意义。 本项研究以 紫色丘陵区坡耕地保护利用为核心，深入开展蓑草植物篱模式及其防止水土流失的效益与其机理研究，对促进退耕还林还草工作的顺利进行、建立水土保持技术集成于应用的长效机制意义重大，可为区域生态环境建设提供技术储备与样板。 物篱技术国内外研究现状与发展趋势 物篱的概念和内涵 物篱 (概念 植物篱农作（ 70 年代末，由位于尼日利亚的国际热带农业研究所（ 研究人员首先提出的。植物篱是指在坡耕地上的单一或多种的 农作物、园艺作物、饲料作物之间，按横行种植的树木或灌木（ is f or in a or of or or in 植物篱农作是指植物篱带和带间的农作物体系，它是一种特殊的农林复合模式。植物篱就是在具有一定坡度的旱地上等高栽培的其群体间距 大于群体内株距的一行或数行植物群体，通过其根冠效应、篱笆效应有效拦截径流保持水土（ 1993； N. 1994； 1990； V. 1993； 991）。 “在具有一定坡度的旱地上”：这是对植物篱应用范围的限定，首先必须是旱地，因为水田中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 2 通常不会发生较显著或较严重的水土流失，即使是对会发生水土流失的漏沙田，也不将植物篱作为防治措施。旱地必须是具 有一定坡度的旱地，因为在平坦的旱地上植物篱的“篱笆效应”亦不复存在，“植物篱”亦变成“植物行” 栽种成行的植物。地埂或路基等是旱坡地的特殊形式。 “等高栽培”：这是对植物篱栽培方式的限定，等高栽培的目的是为了让植物篱行向与水土流失的方向垂直，尽可能减轻重力作用形成的对土粒砂粒的下推力，尽可能减缓坡面降水流速，以获得最佳的水土保持效果。 “群体间距大于群体内株距”：这是对植物篱空间布局方式的限定，因为篱笆效应与群体内株距成反比，株距越小，密度越大，篱笆效应越显著，所以植物篱行向与篱内株距最小的栽培行向一致。故 当群体间距小于群体内株距时，植物篱行向与径流方向一致，水土顺流而下，篱笆效应丧失殆尽。 “一行或数行”：这是对植物篱结构方式的限定，一般情况下，植物篱适宜载成 1 行，如是复合型植物篱则为 2 3 行，因为在植物篱株数一定的情况下，行数越少，则株距越小，植物篱“孔隙”越小，篱笆效应越强，拦截水土效果越好。 物篱的属性 “根冠效应”、“篱笆效应”是植物篱有决定性的特有属性，属于本质属性，而“间套作效应”、“梯化效应”是前两种效应在空间上的扩展和在时间上作用过程中的效应积累，是植物篱的固有属性。由于拥 有这些本质属性和固有属性，使植物篱具有了水土保持功能。对于农耕地植物篱、路埂植物篱、林地植物篱而言，其普遍存在的水土保持的两种原初作用方式为： （ 1）根冠效应 即植物篱通过自身根系固定土壤，通过冠层覆盖减轻雨滴溅蚀、减小土壤蒸发和作物蒸腾从而改变系统的温度、湿度、水分等状况，通过遮阴改变田间透光条件。 （ 2）篱笆效应 即借助植物篱芭的拦截作用，阻止土壤向下运动，经研究表明：“防止土壤侵蚀与截流挡土具有密切关系，植物篱在防止土壤冲刷上具有明显效益，并且随着成篱时间的延长而愈加明显”；“篱笆根部阻挡水流， 减缓流速，减小水流的泥沙携带能力，细沟也不易形成，从而减少土壤侵蚀”。 根冠效应和篱笆效应这两种原初效应是植物篱对生态系统中的土壤和水分最迅速最直观最直接的影响。它们是植物篱的有决定性的特有属性，属本质属性。正是由于具有根冠效应、篱笆效应这两种效应，使植物篱具有了显著的水土保持功能。所以，水土保持功能是派生的特有属性，是各种植物篱都具有的固有属性。也就是说：某植物群体具有根冠效应、篱笆效应这两种本质属性时，就可以被称之为“植物篱”。与路埂植物篱不同，农耕地植物篱和林地植物篱水土保持作用机理更为复杂，由于根冠 效应和篱笆效应在空间上进一步扩展或在时间上作用过程中的效应积累，由此产生了另外两种衍生效应： （ 1）间套作效应 即植物篱和与其间套作的作物构成的立体种植模式，由于相互间拮抗、协同作用，改变了各自原来在净作条件下的“源” 、“流” 、“库”物流动态模式以及系统能流特征，提高了种植系统的生产力；通过自身与传统大田作物的异质性来提高系统物种丰富度和结构复杂性，从而提高生产系统稳定性和促进农田生态系统健康；植物篱正是通过影响同田间作的农作物生长发育，从而在空间上拓展了自身对整个系统的影响。 （ 2）梯化效应 由于植 物篱的存在，借助耕作位移、耕作侵蚀及土壤自然位移在篱前形成淤中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 3 积层，从而使梯台地形成加速，进而改变坡度、坡长、土层厚度、土壤系统结构。 由于间套作效应和梯化效应也是派生的特有属性，所以它们也属于植物篱的固有属性，但为植物篱的偶有属性。 内外研究现状及发展趋势 植物篱带通常以行种植 ,间距可宽可窄。其他有关植物篱的提法有：植物篱套作 (用 );通道式种植 (斯里兰卡 )；在坡地上 ,植物篱横坡种植以防止水土流失，因而使用横坡植物篱农作的说法。菲律宾将此技术发展为防止水土流失的系列技术，并统称为农耕 坡地综合技术。随着 际农业研究咨询团 (其他国际研究中心，特别是非洲国际畜牧研究中心 (农林业国际研究中心 (纷开始植物篱试验示范。直至今日，植物篱研究项目已形成了独有的特点。近年来，国内也致力于植物篱和植物护埂技术的研究与试验示范，在不同生态和地理区 ,针对农户的具体需求，推行适用的植物护埂形式，取得了一定的经验和成效。但这些技术大多数采用固氮植物、草本植物等 ,其重点是放在生态和社会效益，没有或很少考虑到植物篱的经济效益。另外 ,植物篱及植物 护埂的研究和推广还存在以下方面的问题： (1)可供选择的植物篱形式特别是经济植物篱形式不多，技术不完善。植物篱研究在国际上已有 20年的历史，但国内对植物篱的研究尚在起步阶段 ,试验示范成果还很粗浅； (2)推广面积有限。四川地处长江上游，生态环境质量直接影响中下游地区，而植物篱的应用因其自身的限制，推广难度较大，很难在短期内大面积铺开 ,急需政府的大力支持和推动。 (3)农户管理水平低。一项新技术的推广，对农户来说 ,有一个消化吸收的过程，要求农户有一定的文化水平，充分理解该技术的关键所在并能不折不扣地实施。 坡地等高 植物篱 (当前坡地农林复合经营 (最重要应用方式之一，其主要形式是在坡面沿等高线布设密植的灌木或灌化乔木、灌草结合的植物篱带，带间布置作物。合适的等高植物篱带间距、带内结构 (行、株距及排列方式 )能使植物篱有效地拦蓄沙土，又有利于水流渗透而不对植物篱形成的土坎造成破坏，同时获得最大的坡面利用空间。其中又以带间距最为重要 ,因为带间距很大程度上决定了坡面利用空间结构，因而决定了系统的土地利用效率。各国对平坦地区的农林复合系统带间距研 究已有不少，如利用一些模型计算系统中林木的防风效果、不同林木树荫对带间作物的遮光影响等，但对根系相互竞争的影响范围多以实验或简化模型确定。南方坡地易受水力侵蚀，坡地农林复合经营与平坦地区在系统设计基本考虑上有很大的区别。对于主要利用植物措施减轻土壤侵蚀的坡地农林复合系统，选择减轻侵蚀效果最佳的带间距，国外仍主要以经验和小区实验确定为主（ 1990； V. 993） ,从理论上综合探讨合适带间距的研究并不多见 ,国内的理论研究为数亦少。 近年来，国内一些单 位也致力于植物篱和植物护埂技术的研究与试验示范。贵州省于 1992年 、云南和四川两省于 1997 年 参加了国际土壤研究与管理理事会（ 洲坡地管理协作网，该网的宗旨是研究各种类型的植物篱和施肥措施对作物产量和土壤侵蚀的影响，重点放在农户的经济收益上，并逐步实现坡地持续农业的目标。该协作网针对农户的具体需求，推行适用的植物护埂形式，取得了一定的经验和成效。但这些技术大多数采用固氮植物、草本植物等，其重点是生态效益，没有或很少考虑到经济效益；同时，忽视了植物篱的带间作物。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 4 物篱的品种选择与模式构建 植物篱可选择不同的多年生的树木或灌丛，植物篱带间的作物可宽可窄。自从 试验成功后，国际农业研究咨询组织（ 此非常重视，其下属的国际农业研究中心或支持的许多国家农业机构也开始了有关研究，并取得了可喜的成绩，产生了一些区域性的技术。相关的技术名称有植物篱套作（ 用），通道式种植（斯里兰卡），坡耕地综合治理（菲律宾）等等。 1991 年 ，国际土壤研究理事会（ 在坡耕地持续农业的土壤管理项目中组织了东南亚国家的植物篱合作研究，其中先 后包括中国的贵州、云南、四川三省。 国外植物篱的品种以固氮树种为主，