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坡地粮草带状间作模式的水土保持效果与作物的生理生态效应

路海东  
【摘要】:在宁夏南部旱区,农业生产主要依赖于天然降水,有效降水不足和降雨时空分布不均是制约作物生长的主要限制因素。大量坡耕地因受雨季暴雨的冲刷,造成众多农田土壤侵蚀和地表土壤养分流失,导致作物产量和比较效益不高。坡地种植植物篱或普通木草具有显著减少水土流失的效果。间作由于具有能充分利用光热资源和增产的特点,在我国各地得到了广泛应用。而有关坡地粮食作物与苜蓿带状间作的研究较少,尤其是有关粮(谷子或糜子)草(苜蓿)间作的适宜带比、群体产量性状及水土流失特征的研究鲜有报道。本文于2007~2008年在宁夏南部的彭阳县白阳镇陡坡村旱农基点(106°32′~106°58′E,35°4l′~36°17′N),通过田间试验,对不同坡度(5°和15°)上谷子/苜蓿和糜子/苜蓿的不同带比间作模式下的产量、群体性状指标、水土流失特征等进行了系统比较分析,获得以下主要结果: 1、不同坡度粮草带状间作种植的水土流失特征状况 1)坡耕地上采取粮(谷子或糜子)草(苜蓿)带状间作种植能够有效减少农田水土流失和土壤N、P、K养分流失,在5°坡地上,4:2带比间作模式和2:4带比间作模式的水土保持效果显著,地表径流量较单作处理减少30%以上,泥沙流失量较单作处理减少98%以上;在15°坡地上,4:4、4:6和6:4 3个带比间作模式的效果显著,较单作处理减少地表径流量50%以上,减少泥沙流失84%以上。 2)不同降雨量比较,降雨强度越大,地表径流量越大,径流土壤中的N、P、K养分量增加,但间作处理的水土防治效果和对土壤N、P、K养分的流失减少幅度降低。从本试验粮草条带设置来看,坡底以苜蓿结尾的种植条带均能有效阻止泥沙流失。 3)坡地土壤养分的流失途径为推移质(泥沙)流失和径流流失2种,单位体积比较,泥沙中的养分含量明显高于径流中的养分含量;总量比较,坡面径流流失的总养分明显大于泥沙流失中的总养分。在5°坡地上,4:2和2:4间作处理的养分流失防治效果最好, 14mm降雨量和21mm降雨量下的TN、AN、TP、AVP、TK和AVK流失量分别较单作减少62.3%~78.1%和30.89%~52.16%;在15°坡地上,4:4、4:6和6:4间作处理的养分流失防治效果最好,在14mm降雨量和21mm降雨量下的TN、AN、TP、AVP、TK和AVK流失量分别较单作处理减少46.0%~65.4%和32.44%~65.5%。 2、不同坡度粮草带状间作种植对农田土壤水分和养分的影响 1)在不同坡度耕地上,采取粮(谷子或糜子)草(苜蓿)条带间作模式可有效提高粮带的土壤水分含量,5°坡地以2:4带比间作模式效果最佳,15°坡地以4:4带比间作模式效果最佳,其粮食作物的土壤含水率分别较单作处理平均提高2.3个百分点和1.08个百分点。 2)粮(谷子或糜子)草(苜蓿)条带间作模式可有效提高粮食作物的水分利用效率(WUE)和土壤有机质、全氮、碱解氮的含量,5°坡地上的2:4带比间作种植模式和15°坡地上的4:4带比间作模式的作物水分利用效率较单作平均增加了1.92kg·cm~(-3)和1.25~1.57 kg·cm~(-3),土壤有机质、全氮、碱解氮含量分别较单作处理增加32.41%、25.27%、48.09%和17.64%、32.08%、47.44%。且间作模式的粮作带土壤有机质、全氮、碱解氮含量随着间作年份的增加明显增加。 4)与粮食单作相比,粮草间作模式下的粮作带土壤的全钾、速效钾和速效磷含量明显增加,不同坡度和间作模式比较,在5°坡地上的2:4带比间作模式和15°坡地上的4:4带比间作种植模式的效果最好,土壤全钾、速效磷和速效钾分别较单作提高75.61%、77.46%、25.39%和66.12%、88.29%和48.55%。 3、不同坡度粮草带状间作种植对谷子、糜子产量及其生长发育的影响 1)坡地粮(谷子或糜子)草(苜蓿)带状间作模式的作物产量明显高于单作处理。在5°坡地上,2:4带比间作种植模式的增产效果最佳,与粮食(谷子或糜子)单作相比,谷子和糜子分别增产23.88%和21.44%;在15°坡地上,4:4、4:6和6:4 3个粮草间作处理模式增产效果较佳,与粮食单作相比,谷子增产13.22~15.72%,糜子增产10.31~12.73%,尤其是4:4粮草间作处理的增产效果最为显著。 2)粮(谷子或糜子)草(苜蓿)间作种植模式对粮食作物(谷子和糜子)的株高和拔节期叶面积没有明显影响,但显著提高了粮食作物抽穗期和成熟期的单株绿叶面积,促进了光合物质的积累。在5°坡地上, 2:4带比间作模式谷子和糜子抽穗期的单株叶面积较单作处理提高86.77cm~2/株和27.67cm~2/株,成熟期提高77.39cm~2/株和9.65cm~2/株;在15°坡地上,4:4间作模式谷子和糜子抽穗期的单株叶面积较单作处理分别提高84.74cm~2/株和27.41cm~2/株,成熟期分别提高78.64cm~2/株和12.21cm~2/株。 3)粮(谷子或糜子)草(苜蓿)间作种植模式对粮食作物抽穗前的干物质积累影响不大,抽穗后间作模式下的单株干物质积累量明显增加,在5°坡地上,2:4处理模式谷子的单株质量较单作处理增加15.75%,糜子单株质量较单作处理增加10.10%。在15°坡地上,4:4、6:4和4:6三个处理谷子单株质量较单作处理增加25.47%、13.48%和10.79%,糜子单株质量较单作处理增加17.26%、13.69%和13.42%。 4)粮草间作模式促进了谷子、糜子茎叶鞘中的干物质量积累,明显增加了穗子中的干物质分配比率。在5°坡地上,间作处理谷子和糜子穗子中的干物质积累量分别较单作处理增加0.43%~9.21%和9.55%~24.24%;在15°坡地上,谷子和糜子穗子中的干物质积累量分别较单作处理增加7.5%~40.1%和12.6%~23.6%。 5)粮草间作种植模式谷子、糜子根系的数量和质量较粮食单作明显增加,5°坡地上, 2:4间作模式增加幅度最大,谷子和糜子的单株根数和质量分别较单作增加1.4条、0.71g和3.6条、0.32 g;在15°坡地上, 4:4间作模式增加幅度最大,谷子和糜子的单株根数和质量分别较单作处理增加5.3条、0.55 g和3.6条、0.32 g。 4、不同坡度粮草带状间作种植对谷子、糜子主要生理生态指标的影响 1)坡度耕地上,谷子和糜子的光合速率日变化均呈“M”型双峰曲线变化,在下午2:00点~4:00之间出现“午休”现象。蒸腾速率和气孔导度的日变化与光合速率日变化表现一致,而胞间CO_2浓度日变化则呈现由高到低的变化趋势。 2)与单作相比,粮草间作处理能明显增加谷子和糜子的蒸腾速率和气孔导度、显著提高谷子和糜子叶片的净光合速率。在5°坡地上,2:4间作模式的增加幅度最大,谷子和糜子的叶片的净光合速率平均较单作处理提高1.46μmol·m~(-2)·s~(-1)和2.41μmol·m~(-2)·s~(-1);在15°坡地上,4:4粮草间作模式的增加幅度最大,谷子和糜子叶片的净光合速率平均较单作处理提高3.17μmol·m~(-2)·s~(-1)和1.68μmol·m~(-2)·s~(-1)。 3)坡耕地上谷子和糜子全生育期的LAI呈低-高-低的变化趋势,抽穗期最大,CGR最高时期为拔节-抽穗期和抽穗至灌浆期,出苗到拔节期的CGR相对较低,干物质积累缓慢。谷子单位叶面积和时间获得的净同化物最高的时期为拔节-抽穗期和出苗-拔节期,抽穗后NAR开始下降,灌浆-成熟期NAR值最低;糜子在出苗-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆3个时期的NAR值均较高,灌浆-成熟期NAR值则明显降低。 4)坡度耕地上粮草间作模式的谷子和糜子不同生育阶段的叶面积指数、作物生长率和净同化率与单作相比显著提高。在5°坡地上,2:4间作模式的增加幅度最为明显,抽穗期、灌浆期和成熟期,谷子的LAI值较单作平均增加20.05%、25.25%和50.22%,糜子的LAI值较单作平均增加30.51%、20.10%和33.69%;在拔节-抽穗和抽穗-灌浆期,谷子的CGR值较单作分别提高46.90%和54.81%,NAR较单作提高26.67%和50.0%;糜子CGR值较单作提高36.54%和16.05%,NAR较单作处理提高36.36%和20.0%。在15°坡地上,4:4间作模式的增加幅度最为明显,抽穗期、灌浆期和成熟期谷子的LAI分别较单作提高17.75%、25.24和45.46%,糜子的LAI分别较单作提高31.96%、31.07和46.29%。拔节-抽穗期和抽穗-灌浆期,谷子的CGR分别较单作提高46.90%和74.05%, NAR分别较单作提高25.0%和45.45%;糜子的CGR分别较单作提高36.54%和42.86%, NAR分别较单作提高36.36%和40.0%


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