玉米间作马铃薯及起垄的水土保持效应

欧阳铖人，吴伯志，吴开贤，杨友琼，段颖丹，张晓云，字淑慧

(云南农业大学农学与生物技术学院，云南 昆明 650201)

【研究意义】土壤侵蚀是全球最为严重的环境问题之一[1]。其中，坡地耕作是造成土壤侵蚀的主要来源。加之人为干扰及管理的不完善，坡耕地的土壤侵蚀变得十分严重[2]。因此，急需寻求一种有效的管理措施来控制农田土壤侵蚀。间作作为一种重要的多样性种植模式，在控制农田土壤侵蚀中发挥着重要的作用[3]。大量研究证实间作能够显著减少地表径流和泥沙量[4]。除减少泥沙量之外，该种植方式还能减少泥沙中的养分含量，包括N、P和有机碳等，从而有效减少面源污染发生的风险[5]。正是由于有机碳及养分的损耗降低，使得间作能够改善土壤理化性质，维持和增加土壤肥力[6]。这一作用是间作被广泛应用于农田水土保持中的重要原因。【前人研究进展】长期以来，大量研究围绕地上和地下部空间探索了间作对土壤侵蚀的影响及调控作用。从地上部来看，间作增加了覆盖度，这对于增加降雨拦截、减少土壤水分蒸发具有重要的意义[7]。从地下部来看，根系在间作控制土壤侵蚀中也发挥着重要的作用，如改变根系的空间分布，即占据不同的生态位，增加根系密度，改变根系形态及构型(根系直径、根系深度、根系方向、生长角度以及根应力等)[8-10]。根系的这些变化改变了降雨过程中的水分分布，增加土壤水分的吸收及存储，进而增加土壤水分的渗入，减少地表径流的产生[11]。这些研究主要关注地上和地下部分对土壤侵蚀的影响，但忽略了地表特性对土壤侵蚀的作用。地表糙度是重要的地表特性之一。从水力侵蚀角度讲，地表糙度指的是地表在比降梯度最大方向上凸凹不平的形态或起伏状况，即土壤相对高差的地表微型态变化，是影响地表水文学和水力学特性的重要参数之一[12]。这是因为地表糙度能够表征地表微地貌形态和物理性状直接影响着地表水流流速的大小，泥沙转运的多少和入渗量的多寡[13]。农田生态系统中，不同土壤类型及单一作物的地表糙度对土壤侵蚀的影响已受到学者们的关注[14-16]。然而，地表糙度是否在间作控制土壤侵蚀过程中发挥着重要的作用还不清楚【本研究切入点】探讨间作条件下起垄对土壤侵蚀的控制效应，阐明不同降雨强度下种植及耕作方式对土壤侵蚀的影响。【拟解决的关键问题】为坡地土地管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 大田试验

1.1.1 试验地点 试验地点位于云南农业大学教学试验农场，海拔1930 m，N 25°18′，E 102°45′。该区域属于低纬度高原季风气候，年平均气温为14.5 ℃，年平均降雨量960 mm，主要降雨量集中在5-10月，全年日照时数2617 h。试验地土壤为旱地红壤(中国分类标准)，Typic Hapludult(美国分类标准)。土壤质地为粉质粘壤土，沙粒(2000～60 μm)，粉粒(60～2 μm)和粘粒(<2 μm)分别约占10 %，50 %和40 %。耕作层(0～20 cm)的土层中，土壤有机质含量23.60 g/kg，全氮0.15 g/kg，全磷0.08 g/kg，全钾0.15 g/kg，碱解氮37.29 mg/kg，速效磷20.36 mg/kg，速效钾83.30 mg/kg，pH值为6.66。

1.1.2 试验设计 供试品种玉米为“云瑞-88”，马铃薯品种为“会-2”。选用的玉米和马铃薯品种在云南省有广泛的种植面积，且马铃薯品种具有耐阴特点，适合于间套作种植。试验采用裂区设计，以地表糙度为主处理，种植方式为副处理，随机排列，3次重复。设2个地表糙度：不起垄(NR, no ridging)、起垄(HR, high ridging；垄高10～12 cm, 垄宽15～20 cm)及3个种植方式 (单作玉米，单作马铃薯和2行玉米间作2行马铃薯)，共6个处理。根据当地的种植习惯，所有处理采用等高线种植。试验采用径流小区的方法，小区面积为10 m ×3 m，坡度为10°。

大田试验中，单作玉米的株行距为0.2 m×0.8 m，种植密度为62 490 株/hm2；单作马铃薯的株行距为0.3 m×0.6 m，种植密度为55 545 株/hm2；间作玉米的株行距为0.20 m×0.40(1.2) m，马铃薯的株行距为0.30 m×0.40(1.2) m，间作玉米的种植密度与单作玉米相一致，间作马铃薯的种植密度低于单作马铃薯，为41 670 株/hm2。与生产惯例相一致，试验在每年的4-9月进行。马铃薯采用打塘穴播，播种时间分别为2015年4月2日和2016年4月6日，播种深度为20 cm，播种时施入普钙、尿素和硫酸钾分别为350、95和65 kg/hm2，后期不再追肥。玉米采用开沟直播，播种时间为2015年5月2日和2016年5月6日，播种深度为10 cm，播种时施入普钙、尿素和硫酸钾分别为560、150和100 kg/hm2，分别在拔节期和大喇叭口期追施尿素150和300 kg/hm2。其他病虫草害防治根据田间管理手册进行管理，中耕除草、培土及病虫害防治等田间管理措施各处理均保持一致。

1.2 模拟试验

1.2.1 供试土壤 模拟试验土壤类型和理化性质与大田试验保持基本一致。供试土壤为红壤，收集种植作物10年以上的耕作层土壤(坡度为8°～10°)，过10 mm的筛。为了使得每个径流小区的土壤容重(控制在1.10～1.20 g/cm3)基本一致，过筛的土壤按5 cm的厚度分5层填入微型径流小区。微型径流小区的面积为1.6 m×0.8 m，深0.3 m。

1.2.2 试验设计 模拟试验位于云南农业大学水资源和节水灌溉实验室。试验采用裂区设计，以地表糙度(低垄和高垄)为主因素，种植方式(单作玉米，单作马铃薯，2行玉米‖2行马铃薯)为副因素，共6个处理。所有处理均采用等高种植(广泛应用于防治坡地土壤侵蚀的耕作措施)，低垄处理(LR, low ridging)的垄高为3～5 cm，垄宽为4～6 cm，高垄处理(HR, high ridging)的垄高为6～8 cm，垄宽为10～12 cm。为了保持试验的一致性，模拟试验采用与大田试验相同的株行距和种植密度。有机肥和化肥的施用量与大田试验保持一致。杂草，害虫及疾病控制等田间管理措施与当地管理水平保持一致。

根据当地降雨特性，试验设计了2种不同的降雨强度(40和80 mm/h)。每种降雨强度4次重复，降雨历时均为30 min。坡度为10°。各试验小区严格按照设计尺寸布设，径流小区各场降雨前，土壤容重，前期土壤含水量控制基本一致。每次试验前24 h，采用20 mm/h的降雨强度降雨1 h，使得各小区前期含水量相一致。第1场降雨结束后，将表层土壤用新土代替，使垄高与垄宽基本保持一致，随后进行第2场降雨。

2015年4月15日，马铃薯块茎在1.25 %次氯酸钠中浸泡5 min消毒，用蒸馏水漂洗后，将马铃薯块茎放在含有细沙和蛭石 (体积比为1∶1)的苗床上进行催芽，适时浇水，15 d后，幼苗长至6～10 cm，选取长势一致的幼苗移栽至微型径流小区中，每穴移栽2株幼苗。2015年5月4日，选色泽均一饱满的玉米种子在室内培养皿上催芽1 d，随后将玉米种子放在含有细沙和蛭石的苗床上进行催芽，适时浇水，待长至5～8 cm时，选取长势一致的幼苗移栽，每穴1株幼苗。

1.2.3 模拟降雨装置 人工模拟降雨装置由南京林业大学制造，该装置由水槽及喷头等降雨系统、控制器、动力系统以及供排水系统组成，具有降雨强度稳定、降雨均匀系数好、性能稳定以及操作方便等优点。模拟降雨机采用下喷式降雨方式，喷头高度9 m，喷头口径(1.5～5.0 mm)，通过控制压力和口径可获得不同的降雨强度，可模拟雨强范围为15～150 mm/h，降雨均匀系数大于85 %。

1.3 数据收集

1.3.1 降雨量和降雨强度 在大田试验点放置1个可移动的自动气象站(美国，Davs Vantage Pro 2)。该装置每隔10 min纪录气象数据1次。降雨强度根据30 min内的最大降雨强度(I30,mm/min)划分为低强度降雨(<0.25 mm/min)，中强度降雨(0.25～0.50 mm/min)，高强度降雨(0.50～0.75 mm/min)和极高强度降雨(>0.75 mm/min)4个级别。

1.3.2 径流量和侵蚀量 径流量和侵蚀量是评价土壤侵蚀的重要参数。大田试验中，每个径流小区底部有1个径流收集池(1 m3,1 m×1 m×1 m)用于收集径流量和侵蚀量。为了收集不同降雨强度下的径流量和侵蚀量，每次降雨产生径流后，测定每个小区径流的深度，然后换算成径流量。测定径流深度后，搅动径流中的水样，使之充分混匀，每小区取250 mL的混匀水样带回实验室分析水样中的土壤侵蚀量，即将样品过滤、烘干(105 ℃，48 h)、称重；根据水样中的侵蚀量和小区总径流量，换算出每次降雨产流后各小区的土壤总侵蚀量。模拟试验中，数据分别在7月初(马铃薯出苗后62 d，玉米出苗后41 d)和7月末(马铃薯出苗后88 d，玉米出苗后67 d)2个时期内测定。径流量，径流系数和侵蚀量的评估方法与大田试验保持相一致。试验开始后，记录径流产生时间。

1.4 数据分析

所有指标运用IBM SPSS Statistics 19.0进行方差及相关分析，方差分析后采用LSD方法进行多重比较。径流量和侵蚀量采用二因素方差分析。显著水平均为P≤0.05。

2 结果与分析

2.1 大田试验

2.1.1 降雨特征 2015年生育期内的总降雨量为616.4 mm(4-9月)，主要分布在6和8月。2个月的降雨总量占到整个生育期降雨总量的59.5 %。整个生育期内降雨93次，其中，中强度降雨为5次，分布在6-8月；高强度降雨1次，分布在9月。2016年总降雨量为867.4 mm，主要分布在5-9月。5月份降雨量为242.0 mm，占总降雨量的27.89 %。整个生育期内降雨80次，其中，中强度降雨7次，分布在5、6、7和9月；高强度降雨8次，极高强度降雨12次，主要分布在5-7月。

2.1.2 径流量和侵蚀量 2015-2016年相同种植方式下起垄处理的径流量低于无垄处理 (图 1)。与无垄处理相比，生育期内起垄处理的径流量减少了28.90 %～45.72 %。侵蚀量的结果与径流量相类似，2015-2016年的起垄处理的侵蚀量显著低于无垄处理(P<0.01)。与无垄处理相比，起垄处理的总侵蚀量减少了49.78 %。说明地表糙度(起垄)是影响土壤侵蚀的因素之一。可能是因为地表糙度在降雨发生时起到拦截泥沙的作用，使得泥沙沉积于地表，减低土壤退化的风险。

无论起垄与否，2015-2016年间作的径流量显著低于单作玉米(P<0.01，图1)。间作起垄的径流量显著低于马铃薯起垄(P<0.01)，而间作无垄则与马铃薯无垄差异不显著(P>0.05)。侵蚀量的结果与径流相类似，2015-2016年间作的侵蚀量显著低于单作玉米(P<0.01) (图2)。生育期内间作的侵蚀量比单作玉米减少了54.06 %～85.73 %。间作起垄的侵蚀量显著低于马铃薯起垄(P<0.01)，但间作无垄则与马铃薯无垄差异不显著(P>0.05)。表明间作具有良好的控水效应，可能是因为间作削弱了雨滴的击溅，维持了地表糙度，使得降雨快速渗入到土壤中。

表1 大田试验中降雨量、降雨强度及分布频率

为了进一步的分析间作是否能促进起垄的作用，将起垄和种植方式下的径流量和侵蚀量进行双因素方差分析。结果表明起垄和种植方式具有显著的交互效应(P<0.01)。2015年和2016年间作起垄的径流量和侵蚀量均显著低于间作无垄(P<0.05)、玉米起垄(P<0.01)和玉米无垄(P<0.001)。间作起垄、间作无垄、玉米起垄的径流量分别比玉米无垄减少了70.46 %、32.91 %和1.96 %；侵蚀量分别减少了82.29 %、52.16 %和30.02 %。可见，间作条件下起垄能较好的控制土壤侵蚀。其可能的原因是：第一，间作增加了地表覆盖，有效地阻挡雨滴，减少土壤结皮的发生，维持地表糙度；第二，高糙度地表增加了地表的洼积量，有效地减缓水流的流速，使得单位时间内的水流快速地渗入到土壤中。

2.1.3 不同强度降雨下的径流量和侵蚀量 相同种植方式下起垄处理的径流量在中、高和极高强度降雨条件下均显著低于无垄处理(P<0.05)，而在低强度降雨条件下无显著差异(P>0.05，图3)。

MC=单作玉米；PC=单作马铃薯；IC=玉米马铃薯间作。处理间不同小写字母表示在P ≤ 0.05 水平差异显著 (LSD 法)。下同MC=maize monocropping; PC= potato monocropping; IC= maize and potato intercropping. The same lower-case letters indicated no significant difference at P≤0.05; LSD test by two-way ANOVA. The same as below图1 大田条件下种植及耕作方式对径流量的影响Fig.1 Effect with cropping patterns and two tillage patterns on runoff in the field experiment

图2 大田条件下种植方式及地表糙度对侵蚀量的影响Fig.2 Effect with cropping patterns and two tillage patterns on sediment in the field experiment

图3 大田试验中不同降雨强度下种植及耕作方式对径流量的影响Fig.3 Effect of cropping patterns and two tillage patterns on runoff under different rainfall intensity in the field experiment

可能是由于地表糙度(起垄)增加了地表的洼积量，增加水分的渗入。与径流量相类似，起垄处理的侵蚀量在中、高和极高强度降雨条件下显著低于无垄处理(P<0.05)，低强度降雨条件下差异不显著(P>0.05,图4)。可能是由于起垄使得泥沙沉积于地表，减少泥沙的转运。

无论起垄与否，中、高和极高强度降雨条件下，间作的径流量显著低于单作玉米(P<0.01)，而低强度降雨条件差异不显著(P>0.05)。生育期内间作的径流量比单作玉米减少了48.38 %～63.11 %。间作的径流量与单作马铃薯差异不显著(P>0.05,图3)。侵蚀量的结果与径流量相一致，中、高强度降雨条件下，间作的侵蚀量显著低于单作玉米(P<0.01)，而低强度降雨条件下差异不显著(P>0.05,图4)。与单作玉米相比，玉米马铃薯间作的侵蚀量减少了54.06 %～85.73 %。间作的侵蚀量与单作马铃薯差异不显著(P>0.05)。极高强度降雨条件下，间作的侵蚀量低于单作玉米(P<0.01)和单作马铃薯(P<0.05)。

中、高和极高降雨条件下起垄和种植方式具有显著相互交互作用(P<0.01)。中、高和极高降雨条件下间作起垄的径流量和侵蚀量均显著低于间作无垄(P<0.05)、玉米起垄(P<0.01)和玉米无垄(P<0.01)。间作起垄、间作无垄、玉米起垄的径流量分别比玉米无垄减少了38.53 %～51.98 %、54.69 %～75.35 %和70.70 %～85.94 %；侵蚀量分别减少了46.63 %～60.71 %、71.67 %～74.16 %和75.19 %～87.99 %。因此，间作条件下起垄能较好的控制土壤侵蚀，这对于区域农业生产实践中土壤侵蚀的治理具有重要的指导意义。

图4 大田试验中不同降雨强度下种植及耕作方式对侵蚀量的影响Fig.4 Effect of cropping patterns and two tillage patterns under different rainfall intensity in the field experiment

2.2 模拟试验

2.2.1 产流时间、径流量和径流系数 相同种植方式下高垄处理推迟产流时间(表2)。7月初40 mm/h雨强下低垄处理的平均产流时间为92 s，而高垄处理的平均产流时间为132 s。此外，高垄处理的径流量和径流系数均低于低垄处理。7月初40 mm/h雨强下高垄处理的平均径流量比低垄处理减少了34.90 %。

与大田试验结果相一致，相同降雨强度下间作的产流时间比单作玉米推迟，径流系数低于单作玉米。生育期内间作的径流量显著低于单作玉米(P<0.05)。7月初间作的径流量在40和80 mm/h降雨强度下分别比单作玉米减少了29.82 %～44.11 %和13.24 %～13.28 %。间作高垄的产流时间比马铃薯高垄推迟，而间作低垄则与马铃薯低垄无明显差别。此外，7月末间作的径流量显著低于单作马铃薯(P<0.01)，而7月初差异不显著(P>0.05)。

与大田试验结果相一致，40和 80 mm/h降雨强度下间作高垄的径流量显著低于间作低垄(P<0.05)、玉米高垄(P<0.01)和玉米低垄(P<0.001)。间作高垄的径流系数最小，产流时间最长。7月初40 mm/h降雨强度下间作高垄、间作低垄、玉米高垄的径流量分别比玉米低垄减少了57.58 %、44.10 %和48.87 %。

表2 模拟降雨条件下不同处理的产流时间、径流量和径流系数

续表2 Continued table 2

降雨强度Rainfall intensity处理Treatments7月初 Early July7月末 Late July产流时间(s)Runoff initiation time 径流量(L)Runoff volume径流系数Runoff coefficient产流时间(s)Runoff initiation time径流量Runoff volume径流系数Runoff coefficientPC137(10)16.5 (1.2)c0.26111(20)22.2(3.6)bc0.36IC168(22)15.1(1.8)c0.24167(15)15.8(2.4)c0.2680 mm/h低垄Low ridgingMC61(11)98.6(7.2)a0.8241(11)80.3(5.9)b0.67PC85(16)86.9(3.9)b0.7255(16)101.8(3.3)a0.85IC95(8)85.5(5.0)b0.7154(8)78.2(5.8)b0.65高垄High ridgingMC67(18)55.1(2.8)c0.4651(18)72.3(7.3)b0.61PC111(23)46.7(6.9)d0.3958(23)74.8(2.0)b0.62IC110(12)49.5(3.0)d0.4062(12)55.1(4.7)c0.46

注：括号内数值表示均值±标准差。MC=单作玉米；PC=单作马铃薯；IC=玉米马铃薯间作。处理间不同小写字母表示在P≤0.05 水平差异显著(LSD 法)。

Note:Values represented meant ± standard deviation. MC= maize monocropping; PC= potato monocropping; IC= maize and potato intercropping. Different lowercase letters indicated significant differences atP≤0.05 (LSD).

2.2.2 侵蚀量的变化特征 无论降雨强度如何变化，相同种植方式下高垄处理的侵蚀量显著低于低垄处理(P<0.01)，这与大田试验结果相一致(图5)。40 mm/h降雨强度下玉米高垄、马铃薯高垄和间作高垄的侵蚀量比玉米低垄、马铃薯低垄和间作低垄分别减少了36.17 %～48.31 %、24.68 %～64.52 %和39.39 %～71.43 %；80 mm/h降雨强度下则分别减少了25.20 %～52.32 %、12.61 %～64.18 %和13.97 %～61.62 %。

7月初相同降雨强度下间作的侵蚀量显著低于单作玉米(P<0.01)，而7月末差异不显著(P>0.05,图5)。40和80 mm h-1降雨强度下间作的侵蚀量分别比单作玉米减少了12.86 %～84.44 %和13.39 %～87.99 %。此外，间作的侵蚀量低于单作马铃薯，但无显著差异(P>0.05)。

间作高垄的土壤侵蚀控制效果最好。7月初40和80 mm/h降雨强度下间作高垄的侵蚀量低于间作低垄、玉米高垄和玉米低垄。7月初40 mm/h降雨强度下间作高垄、间作低垄、玉米高垄的侵蚀量分别比玉米低垄减少了39.39 %、45.90 %和67.21 %。

图5 模拟降雨条件下种植和耕作方式对侵蚀量的影响Fig.5 Effect of cropping patterns and two tillage patterns on sediment discharge in the simulation experiment

无论耕作和种植方式如何变化，径流量随着降雨强度的增加而增加。如7月初80 mm/h降雨强度下的径流量是40 mm/h降雨强度下的1.1～2.3倍。侵蚀量的结果与径流量相类似，即侵蚀量随着降雨强度的增加而增加。因此，当降雨强度增加时，土壤侵蚀加剧。可能的原因是随着降雨强度的增加，细颗粒土壤嵌入地表，堵塞土壤孔隙，降低地表糙度。结果是水流迅速汇集与地表，导致地表径流产生，增加对地表做功的剪切力，加大了对地表的冲刷，增加径流的流速，从而发生面蚀、细沟侵蚀及沟蚀。

3 讨 论

试验结果表明间作结合起垄控制土壤侵蚀效果最好。大田试验结果显示间作与起垄具有显著的交互效应，且间作促进起垄控制土壤侵蚀的作用。说明间作条件下起垄能有效地控制土壤侵蚀，这对于区域土壤侵蚀的治理具有重要的指导意义。

目前，间作的地上及地下部空间对土壤的侵蚀的影响已引起了广泛的关注，而对于地表特性如地表糙度对土壤侵蚀的影响还未引起重视。因此，本研究从地表的角度来探讨间作对土壤侵蚀的影响。结合起垄来看，高垄处理下的径流量和侵蚀量都低于无垄或低垄处理。可能的原因是高垄处理的地表糙度高于无垄处理。较高的地表糙度能直接拦截降雨产生的水流，增加降雨过程中地表的洼积量，增加降雨渗入，这可能是间作增加土壤水分利用效率的重要原因，对于提高干旱半干旱区水分管理具有重要意义[17]。其次，较高的地表糙度能减缓坡面径流的流速，增加坡面流阻力(如Darcy-Weisbach阻力系数和Manning系数)，结果是径流及径流冲刷力减弱，集中流发生的几率降低[18]。这种地表糙度对坡面流水力学特性的影响需要进一步探讨。再次，高地表糙度增加泥沙的拦截，使得土壤沉积于地表，减少泥沙的搬运[16]。总之，间作与起垄两者互作进一步增强了土壤的抗侵蚀能力，这有助于防治土壤退化，增加土壤肥力，促进山区作物的生长及农业生产[19]。因此，在间作体系中，应重点关注地表糙度在控制土壤侵蚀中的重要性，结合适当的人工管理措施(如垄作，垄向区田等)来保护坡地土壤资源。

降雨强度影响着土壤侵蚀的程度。试验表明，相同的种植方式下，当降雨强度从40 mm/h增加到 80 mm/h时，土壤侵蚀加剧。原因是高强度降雨条件下径流的快速产生以及导致严重的坡面水流冲刷。更多的土壤颗粒被分离及转移，导致集中流和沟蚀发生[20]。降雨强度及侵蚀力的增加使得农业生态系统更加脆弱，导致半干旱区发生水土资源损失更为严重。然而，本研究中，即使降雨强度增加，控制土壤侵蚀作用间作总是优于单作玉米。说明间作这种多样性种植方式在遭遇严重降雨事件时控制土壤侵蚀的优势更为明显。

4 结 论

与单作玉米相比，玉米马铃薯间作推迟产流时间，降低径流量和侵蚀量。与低垄处理相比，高垄处理推迟产流时间，降低径流量和侵蚀量。起垄和种植方式具有显著的交互效应。间作+起垄控制土壤侵蚀效果最好，间作+起垄的径流量和侵蚀量低于间作无垄、单作玉米+起垄和单作玉米+无垄。所有处理的径流量和侵蚀量随着降雨强度和坡度的增加而增加。