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不同种类植物篱对紫色丘陵区坡耕地农田生态的影响机制

林超文  
【摘要】: 本研究采用长期定位(8年)的方法,以紫花苜蓿(Medicago sativa)、香根草(Vetiveria zizaniodes)、紫穗槐(Amsopha fruticosa)、多变小冠花(Coronilla varia)、蓑草(Eulaliopsis binata)等植物为研究材料,对不同植物篱模式下的水土流失量、土壤养分在系统内的空间再分配规律、植物篱种植系统的各组分间相互作用及能量利用关系、农田节肢动物多样性变化规律、微生物多样性变化规律等方面内容开展深入研究,为植物篱农作模式优化、新模式创制提供理论依据。主要研究结果如下: 1.植物篱可以显著减少泥沙流失量和径流量,控制水土流失效果好、见效快;植物篱提升了整个系统能量产投比率,是提高四川丘陵区农业能效的有效措施。豆科饲草植物篱能为地面蜘蛛提供良好的避难场所,地面蜘蛛的活动密度在冬小麦生长季节均显著高于对照,丰富了农田蜘蛛多样性;植物篱显著增加了土壤细菌、放线菌、真菌数量、土壤微生物量碳、氮,提高了土壤氨化作用强度,降低了土壤硝化和亚硝化强度,同时,也丰富了农田微生物遗传多样性。因此,饲草植物篱显著改善了紫色丘陵农区旱坡耕地的农田生态,是适于该区域的可持续高效农作模式。 2.采用标准土壤侵蚀监测小区和SW40型日记式水位计监测不同植物篱模式下的水土流失量,植物篱可以显著减少泥沙流失量和径流量,8年共减少泥沙165.4-242.8t/hm2,在栽种植物篱的第二年,径流减少63.0%-70.8%,泥沙减少79.1%-85.7%,可见控制水土流失效果好、见效快。种植植物篱后土壤坡度减缓明显,两个地块的小区坡度分别从原来的20°、13°减小为16028'和17011'、10°28'和11°5'。植物篱上部有明显的泥沙堆积,香根草、紫花苜蓿、蓑草植物篱前土壤带平均粘粒含量为29.6%、28.9%、33.1%,分别比带间中部和篱下土壤高6.6%和6.5%、5.9%和9.3%、7.0%和15.0%(相对差异),土壤粘粒在篱前富积,篱下加剧侵蚀,粘粒的富积与侵蚀沿等高线成水平带状分布。土壤有机质、N、P等主要营养元素出现与土壤颗粒相同的分布规律,对K来说,其分布不受植物篱的影响。从土壤养分的绝对数量来看,P呈高度富积,香根草、紫穗槐、紫花苜蓿、蓑草植物篱区坡面平均全磷含量分别达0.105%、0.098%、0.096%、0.090%,分别比初始土壤全磷含量提高了54.1%、44.1%、35.2%、26.8%;而有机质和K则是高度耗竭,所有处理的土壤有机质含量较试验初始时都有降低,其中1号地对照、香根草、紫穗槐植物篱区平均降低了34.3%、25.8%、21.8%,2号地对照、紫花苜蓿、蓑草植物篱区平均降低了25%、21.9%、30.2%,钾也表现出类似情况。 3.通过连续2年的定位试验,对坡度为8-20°的坡耕地“作物—植物篱”系统能流特征如能结构、能效率进行了研究。结果表明:①“作物—植物篱”系统产出能和输入能的数量和结构的变化主要受到植物篱子系统类型的影响,与大面积坡耕地传统农作物生产系统如“小麦/花生(或玉米)/甘薯”比较:由于果树、草本等植物篱的冠层及根系在形态和空间分布上与作物的异质性,形成了对光、热、水、土、肥等资源的连续、多层次的利用,因此能有效提高系统的光能利用率、人工输入能效率和耕地单位面积总产出能。香根草、紫穗槐、梨间作黄花模式的光能利用率分别提高24.62%、14.78%、15.60%;“作物—草本植物篱”的人工输入能效率提高幅度达67.88%-102.32%;坡度越大,耕地单位面积总产出能相对增幅亦越大,1号地增幅为9.8%-24.6%,2号地和3号地增幅为1.2%-15.61%。与对照相比,所有具有植物篱的种植模式都能极显著减少无机能输入能,减幅达30.0%-41.0%,这有利于降低化肥农药使用量,减少对环境的污染和破坏。②“作物—果树类植物篱”系统输入能总量和有机能输入量大幅度增加,“作物—枣”、“作物—梨/黄花”、“作物—枇杷/黄花”系统输入能和有机能分别增加21.6%和69.8%、43.7%和146.1%、43.5%和146.2%,因此有利于优化输入能结构,促进坡地生态系统良性循环和集约高效农业发展。③选择香根草、紫穗槐、小冠花、紫花苜蓿作为植物篱构成的“作物—草本植物篱”系统,人工辅助能的输入量大幅度下降,由于所需投入能少,有机能耗和无机能耗均低,人工输入能效率很高而生物产量也较高,并且它们提高了与其间作的其他作物的能量产投比,其增幅分别为40.93%、8.21%、39.38%、42.91%,因此提升了整个系统能量产投比率,分别达到64.15%、45.03%、41.50%、40.79%;由于保水固土的生态功能显著,使它能在四川广大山地、丘陵区退耕还林还草工程中发挥重要作用。 4.2005-2007年两个冬小麦和夏玉米生长季节,在1号试验地(坡度20°)和2号试验地(坡度13°)利用陷阱法对香根草(1号地)、紫穗槐(1号地)、蓑草(2号地)和苜蓿(2号地)4种植物篱类型对农田地面蜘蛛的活动密度(种群密度和活动性的参数)的影响进行了调查。结果表明:植物篱处理植物篱带地面蜘蛛的活动密度在冬小麦生长季节均显著高于对照裸地,植物篱处理植物篱带地面蜘蛛的活动密度在夏玉米生长季节也高于对照裸地,但是只有蓑草和苜蓿植物篱带地面蜘蛛的活动密度显著高于对照裸地。植物篱处理和对照处理之间农田地面蜘蛛的活动密度在冬小麦和夏玉米生长季节均没有显著差异。 5.通过对不同处理土壤微生物数量、微生物量碳、氮,土壤氨化强度、土壤硝化强度和土壤亚硝化强度进行测定,并采用BOXAIR-PCR和16S rDNA PCR-RFLP研究分离自不同植物篱处理土壤氨化细菌和根瘤菌的遗传多样性,进而对代表菌株测序分析,揭示出不同植物篱对氨化细菌和根瘤菌种群特性的影响。结果表明:种植香根草和紫穗槐植物篱处理土壤细菌、放线菌、真菌数量分别比对照土壤增加了63.43%和36.63%、47.87%和71.89%、74.60%和43.65%;土壤微生物量碳、氮分别增加了90.02%和83.32%,24.97%和45.04%;土壤氨化作用强度分别增加了73.28%和75.65%;而土壤硝化和亚硝化强度则分别降低了26.97%和52.96%、6.46%和22.19%;细菌、根瘤菌的16S rDNA PCR-RFLP分析显示,分离自香根草、植物篱处理的细菌、根瘤菌遗传类型都较对照多,对代表菌株进行的16S rDNA全序列测定结果表现出丰富的遗传多样性。


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