丹江口库区坡耕地玉米间作模式经济与环境效益分析

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　　摘要：2013—2015年连续3年采用田间小区试验，研究了自然降雨条件下玉米（Zea mays L.）单作、玉米间作白芷（Angelica dahurica）、玉米间作甘薯[Dioscorea esculenta （Lour.） Burkill]对丹江口库区坡耕地地表氮、磷养分流失的影响，并进行了经济效益分析。结果表明，玉米间作模式对坡耕地地表氮、磷有显著的阻控作用，并可有效降低水土流失。与玉米单作相比，玉米间作白芷和玉米间作甘薯的径流总氮年均流失量分别减少了32.09%和20.37%，径流总磷年均流失量分别减少了32.08%和18.40%，泥沙流失量分别减少了9.18%和11.05%。玉米间作白芷经济效益最高，其次是玉米间作甘薯，分别是玉米单作的4.24和2.73倍。从农田氮、磷面源污染控制和经济效益综合分析，玉米间作白芷模式是丹江口库区较合理的生态种植模式，可进一步推广应用。
　　关键词：玉米（Zea mays L.）;间作模式;坡耕地;阻控作用;经济效益;丹江口库区
　　中图分类号：S344.2;S513 文献标识码：A
　　文章编号：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
　　农田土壤中的氮、磷是作物生长最主要的营养元素，为保证作物生长和粮食产量，农田化肥的施用必不可少，但过量的化肥会导致大量氮、磷养分在土壤中蓄积。在降雨和地表径流的作用下，氮、磷养分和农田中泥沙离开土壤表层，形成地表径流，汇入地势较低的溝渠、河流，再进入湖泊或水库等受纳水体，引起水体富营养化，加速水库淤积。农田泥沙和氮、磷的输出与农田施肥措施、农业耕作措施、植被覆盖率和土地利用方式等有重要联系[1]。追求作物高产一直是农业生产的主要目标之一，作物的持续增产却是以化肥的高投入为代价。玉米和中药材种植过程中，一直存在肥料施用量大的问题，加上山区坡耕地水土流失严重，加剧了农业氮、磷面源污染负荷[2]。丹江口库区是南水北调中线工程的水源区，重点解决北方沿线大城市的缺水问题。国家对水库的水质有较高要求[3]，但近年来，随着库区周围人类活动的加剧和农业集约化生产等问题，库区局部库湾和部分支流水质指标超过地表水环境质量Ⅳ类标准，库区部分河段有富营养化趋势[4]。库区水质的恶化将对南水北调工程的调水质量造成不利影响。 　　丹江口库区的十堰市，区域内耕地主要为旱地，主要种植制度为玉米-小麦和玉米-油菜，其中玉米（Zea mays L.）一直是山区农民的主粮，种植面积为8万hm2。玉米生产过程中具有肥料投入多的特点，再加上丹江口库区坡耕地较多，降雨量大，玉米种植单一模式易导致坡耕地养分径流流失等问题。有研究表明，不同的玉米间作模式能有效提高植被覆盖率，改善土壤生态环境，使坡耕地有较强的水土保持能力;另一方面，间作模式可有效提高土地利用率，获得比单种其中一种作物更高的经济效益[5]。近年来，关于农田氮、磷流失的研究主要集中在养分管理方式和生态拦截等[6，7]，但是通过优化种植模式来阻控氮、磷和泥沙流失报道较少。此外，随着农业产业结构的调整，中药材种植也是十堰市农民增收致富的重要途径之一，该地区适宜中药材种植的面积有20万hm2以上，其中白芷（Angelica dahurica）种植面积为1.3万hm2。因此，本研究以丹江口库区不同种植模式下的坡耕地为研究对象，研究不同玉米种植模式下坡耕地地表径流氮、磷流失特征，并分析3种种植模式下的经济效益，以期为丹江口库区面源污染防控及区域农业经济的可持续发展提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　供试玉米品种为宜单629，甘薯[Dioscorea esculenta （Lour.） Burkill]品种为湖北省农业科学院选育的鄂薯6号，白芷品种为兴安白芷。
　　1.2 试验设计
　　试验地位于十堰市郧阳区安阳镇余咀村，土壤pH 6.23，容重为1.29 g/cm3，全氮含量为1.17 g/kg，硝态氮（NO3-）含量为13.93 mg/kg，氨氮（NH4+）含量为12.20 mg/kg，有机质含量为19.23 g/kg，碱解氮含量为70.41 mg/kg，全磷含量为0.71 g/kg，全钾含量为12.51 g/kg。于2013年3月布置坡耕地监测试验小区，试验监测时间为2013—2015年。小区面积60 m2，坡度落差为90 cm，各小区周围为混凝土结构，每个小区田埂处设置25 cm宽的出水口，出水口下方连着1个容积为1 m3 的径流池，每次降雨产流后取样，并计算径流水体积。试验设置3种种植模式，分别为玉米单作、玉米+白芷间作、玉米+甘薯间作，3次重复。玉米于每年的3月中旬播种，9月上旬收获;白芷于每年的3月中旬播种，于第三年8月中旬收获;甘薯每年5月下旬移栽，10月下旬收获。玉米株距90 cm，行距160 cm;玉米与白芷间作，每2行玉米间移栽3行白芷，白芷株距15 cm，行距35 cm;玉米与甘薯间作，将甘薯移栽至玉米条间带，甘薯株距20 cm，行距35 cm。
　　各种植模式总施肥量相同，施用量分别为N 400 kg/hm2、P2O5 280 kg/hm2、K2O 200 kg/hm2、农家肥22 500 kg/hm2。60%的氮肥在玉米播种前作为基肥施入，40%的氮肥在玉米的大喇叭口期施入，磷、钾肥和农家肥全部在玉米季作基肥施入。
　　1.3 样品采集及测定方法
　　在试验阶段，每次降雨产流后记录降雨日期，根据径流池内的水文刻度变化情况，以体积法计算得出降雨产生的径流量。径流水样和泥沙样的采集同步进行。在每场降雨结束后对径流池內汇集的全部雨水进行充分搅拌，然后用烧杯收集500 mL浑水样，用过滤-烘干法测定浑水中的含沙量并推算降雨的全部产沙量。同时，用聚乙烯采样瓶采集200 mL径流水样以供分析。总氮（TN）和总磷（TP）含量采用过硫酸钾-紫外分光光度仪比色法测定。
　　1.4 数据统计与分析
　　采用Excel 2010对数据进行预处理，利用SPSS 22统计软件进行数据处理和统计分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同种植模式对地表径流量和产沙量的影响
　　根据鄂西北地区的降雨情况，每年产生地表径流的时间主要集中在4—8月，该阶段的降雨量占全年的70%以上，因此每年在能产生地表径流的时间范围内分别取样4次代表全年径流量和产沙量。 表1为2013—2015年3种种植模式下各试验小区的径流量和产沙量，其中监测时间内的径流量和产沙量为当年的总和。产生地表径流的降雨时间为2013年和2014年的5—8月;2015年分别为4月19日、5月1日、5月14日和7月20日。
　　不同种植模式下土壤的水土保持特性可以用降雨产生的径流量和产沙量来衡量，其大小可以反映不同种植模式对水土流失的影响程度。由表1可知，与玉米单作相比，玉米+白芷和玉米+甘薯间作生态种植模式均可降低坡耕地地表径流量和产沙量。在产沙量方面，玉米单作、玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作3种种植模式3年每小区总产沙量依次为37.48、34.04、 33.34 kg，玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作基本相当，但明显低于玉米单作，与玉米单作相比，其他2种种植模式可有效降低泥沙流失量，降低幅度分别为9.18%和11.05%。玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作这2种生态种植处理中，玉米、白芷和甘薯3种植物生长状况均更加良好，各种植物茎叶的地表覆盖度较高，有利于试验小区地表径流控制，减少泥沙产生量，增强土壤肥力，说明这2种生态种植模式在减少水土流失方面有一定的实用效果。
　　2.2 不同种植模式对地表总氮流失量的影响
　　第一年（2013年）监测期，即使植物-土壤系统不稳定，玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作处理已可以明显降低坡耕地总氮流失量;第二年（2014年），其他2种生态种植模式总氮流失量明显低于玉米单作处理;第三年（2015年），由于降雨主要集中于5月上中旬，这个阶段未移栽甘薯，地表覆盖度较低，导致该年份玉米+甘薯间作处理总氮流失较高，但也低于玉米单作处理（图1）。玉米单作、玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作3种种植模式3年氮素平均流失量分别为5.89、4.00、4.69 kg/hm2，连续3年的小区监测试验表明，2种生态种植模式均可降低坡耕地总氮流失量。与玉米单作相比，玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作种植模式总氮流失量降低幅度分别为32.09%和20.37%，玉米+白芷间作对坡耕地总氮流失的阻控效应更显著。 　　2.3 不同种植模式对地表总磷流失量的影响
　　于2013年春季开始监测径流小区试验，并于2013年5月下旬监测到地表径流，植物-土壤系统不稳定，3种种植模式坡耕地总磷流失量差异不明显，玉米单作、玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作处理总磷流失量分别为1.83、1.76、1.72 kg/hm2;2014年玉米单作处理总磷流失量明显高于其他2种种植模式;2015年玉米+白芷间作处理总磷流失量明显低于玉米单作和玉米+甘薯间作处理（图2）。玉米单作、玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作3种种植模式3年磷素平均流失量分别为2.12、1.44、1.73 kg/hm2，连续3年的小区监测试验表明，2种生态间作种植模式均可降低坡耕地总磷流失量。与玉米单作相比，玉米+白芷间作和玉米+甘薯间作种植模式总磷流失量降低幅度分别为32.08%和18.40%，玉米+白芷间作对坡耕地总磷流失的阻控效应更显著。
　　2.4 不同种植模式的经济效益
　　由表2可知，不同种植模式中，玉米单作的玉米产量均比其他2种种植模式高。白芷为多年生药用作物，以3年生地下根茎价值统计经济效益，2013、2014年均未采挖，故这2年产量为零，2015年白芷产量为 6 367.5 kg/hm2。
　　生产成本包括人工费用和物资费用。人工费为田间施肥、播种、移栽、收获等管理措施所付的费用，研究区人工费为150 元/d;物资费用包括农药、化肥、种苗等费用，白芷在种苗方面的花费为3.2万元/hm2。当季农产品价格分别为玉米1.6元/kg，甘薯1.0元/kg，白芷15.0元/kg。玉米+白芷间作处理3年经济纯收入为28 800.2元/hm2，玉米+甘薯间作处理经济纯收入为18 525.0元/hm2，玉米单作处理经济纯收入仅为6 788.5元/hm2（表3），与玉米单作处理相比，玉米+白芷间作处理增加收入22 011.7 元/hm2，玉米+甘薯间作处理增加收入11 736.5 元/hm2。玉米+白芷和玉米+甘薯间作处理经济纯收入分别是玉米单作的4.24和2.73倍。玉米+白芷间作处理显著高于其他处理。由此可见，在丹江口库区种植糧-药共作模式效益可观，值得推广。
　　3 小结与讨论
　　作物间作模式下土壤根系的生物量要显著高于单作模式。不少研究表明，土体中的根系密度可使土壤水稳性团聚体含量增加，增强雨滴击打承载能力，从而减少坡面产流和土壤流失量[8，9]。丁志磊等[10，11]的研究表明，玉米间作花椒模式在控制径流流失方面有较好的效果，这是由于玉米会对降雨有一定遮挡，减少雨滴侵蚀，玉米地的间作植物会增强地表的粗糙程度，减少径流的产生与流速，从而降低泥沙的流失量。本研究中，2种玉米间作模式地表径流量和产沙量较小，这与陈小强等[12]玉米大豆间作模式对坡耕地水土保持影响的研究结果相似，其主要原因是玉米和中药材或其他作物的间作可以通过增加植物覆盖，减缓降雨对土壤的侵蚀，减轻坡耕地地表径流，有利于坡耕地蓄水减流和保土减沙，提升土壤肥力。
　　坡耕地总氮与总磷的流失量变化受许多因素的影响，包括降雨量、土地利用方式、种植模式、坡度、施肥量等因素[13-15]。坡度越大地表积水的势能越大，径流中的氮、磷含量也随之增大[16];钟雄等[17]研究表明，径流量与产沙量在紫色土与红壤土间有差异，且玉米间作大豆模式有效减少了坡耕地的氮、磷流失。在土壤养分的流失过程中，颗粒态与溶解态氮、磷以被泥沙与径流携带的方式流失[18]，地表径流起着决定性的作用。间作种植模式增加了地表的粗糙程度，可拦截降雨，阻控泥沙，通过减小径流量与径流流速进而减缓径流的冲刷能力，以此减少坡耕地地表氮、磷的流失量[19-21]。也有研究表明，玉米间作大豆模式下，玉米对氮素的利用率会提高，进而提高产量，说明该种植模式对氮素流失的控制能力更强[12]。本研究玉米间作白芷、甘薯比玉米单作也明显减少了径流中的氮、磷含量，其中玉米间作白芷模式氮、磷流失量最少，白芷和甘薯2种作物根部对径流都有阻控作用，都增强了对土壤中的氮、磷吸收能力，但甘薯于5月下旬移栽，错过移栽前对径流的拦截作用。不少研究表明，玉米间套作模式可有效促进作物对磷的吸收，提高磷肥利用率，从而有效降低磷肥向水体迁移[22，23]。不同间作模式对农田氮、磷流失的控制效果与其植物地表生长情况和地下根系有必然联系，因此，间作植物的合理搭配对该地区坡耕地氮、磷流失的控制效果还需进一步研究。
　　本研究中2种间作模式显著降低了玉米产量，玉米间作白芷和玉米间作甘薯模式的玉米产量均低于玉米单作模式;但是，玉米间作白芷、甘薯模式下的经济效益明显高于玉米单作模式，尤其以玉米间作白芷模式的经济效益最高。白芷作为一种经济价值较高的中药材，十堰市将会大力发展白芷种植和深加工产业，目前已有几家大型中药生产企业都以白芷为主要原材料。甘薯也是十堰市的主粮之一，该地区甘薯种植面积为1.3万hm2。因此，在丹江口库区推广玉米间作白芷和玉米间作甘薯种植模式有重要的理论和实践价值。有不少研究表明，玉米间作大豆、蚕豆等作物不仅可减少氮、磷流失，解决肥料大量施用带来的水体富营养化问题，更能增加作物产量，提高肥料利用效率，使区域农田实现可持续发展，从而带来更大的经济效益[12，22]。陈红日等[24]的研究显示，玉米套作甘薯其经济纯收入显著提高，与玉米单作相比提高了98.07%，间作模式有劳动力和成本更为密集的效果，使时空集约性更强。果蔗+花生间作模式提高了单位面积土地收益[25];云南省洱海流域的田间试验表明，大蒜+蚕豆间作模式不仅有效降低了农田氮、磷流失风险，还显著提高了经济效益，是适合于该地区推广的经济效益、环境效益双赢的种植模式[26]。利用间套作农艺措施可充分挖掘农田氮、磷的拦截功能，对于维持土壤肥力的可持续性，防控农田面源污染，提高农民经济收入有重要的现实意义，合理调整种植模式有利于促进农业的可持续发展。 　　本研究结果表明，玉米间作模式有效降低了坡耕地的养分损失量，对农田氮、磷面源污染有一定的阻控作用;玉米间作白芷模式综合经济效益和环境效益好，是目前丹江口库区保证农民收入且有效降低农田面源污染较合理的生态种植模式。本研究只是丹江口库区坡耕地实施玉米间作模式产生效应的初步探讨，对该地区坡耕地农业生产的最优模式及间作综合效应还需进一步研究。
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