卢旺达高原坡地水土流失的研究与对策

胡应平，林占森，林冬梅，林应兴，林兴生，罗晓芬，陈晓斌，林占熺*

(1.福建农林大学国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 350002；2.福建农林大学菌草研究所，福建 福州 350002)

【研究意义】卢旺达共和国位于非洲中东部赤道南侧，内陆国家，南纬1°～3°，东经28°～31°。国土面积26 338 km2。地势西高东低，多山地和高原,海拔平均1400 m。大部地区属热带高原气候和热带草原气候，年平均气温约16～18 ℃。全年分为旱季和雨季，年平均降水量为1000～1400 mm。【前人研究进展】卢旺达经济基础差，主要收入靠农业，全国80 %以上的人从事农业相关活动，适宜耕作的土地日趋严重,全国80 %以上的人从事农业相关活动，适宜耕作的土地日趋严重，农业用地占74.5 %，可耕作地占 47 %,永久牧场占17.4 %[1-2]。因卢旺达地貌被称为“千丘之国”，人口密度高，人口1200多万，平均每平方公里432人，以及长期以来传统农业耕作和为获取燃料而砍伐森林造成了严重的水土流失。森林面积从1930年的30 %下降到2010年的8.9 %[3]。16 %～40 %的土地是陡峭的斜坡，容易遭受土壤侵蚀，每年损失140万吨肥沃的土壤。63 %的灌溉区在山坡上主要依靠降雨，而在旱季，由于水分不足，生产力下降，最终导致湿地退化[4-5]。对此，卢旺达政府十分重视水土保持工作，2006年卢旺达政府向中国福建农林大学引进菌草技术和水土保持项目, 2008年中卢两国成立了中国援卢旺达农业技术示范中心项目。菌草技术是包括菌草种植、运用菌草栽培食(药)用菌以及菌料加工等综合性新技术[6]。【本研究切入点】本文通过收集数据，分析当地水土流失的特征，结合菌草技术的应用与研究，试图找出一条既能有效解决水土流失问题又能帮助农户增收的方法或措施以实现当地农业可持续发展。【拟解决的关键问题】对卢旺达国家经济发展具有重要的意义，乃至对其他非洲国家实现山地资源、保护环境与经济可持续协调发展具有重要借鉴意义。

表1 不同栽培模式标准径流小区试验设计

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验地

品种：巨菌草(PennisetumLIN．)， 是由福建农林大学林占熺研究员采用系统选育法培育出的一种菌草，后经改良培育成的高产优质菌草[7]。巨菌草是禾本科狼尾草属的热带地区为多年生C4植物，适宜在热带、亚热带和温带地区生长，一次种植可多年多次收割，收割部分既可以直接用作草食动物牛、羊和鹿等的优质绿色安全草饲料[8-9]，又可以作为栽培香菇、灵芝等食、药用菌的培养料[10]。2006年，中国专家通过合法手续从中国福建农林大学菌草研究所引种一年生的巨菌草茎段(含两节茎段)到卢旺达，以扦插方式进行种植，并通过繁殖建立草圃资源库。大豆是从本地市场上采购。

试验地：卢旺达南方省鲁博纳(RUBONA sector, southern province of Rwanda)，经纬度2°31′0″S, 29°42′0″E。

1.2 坡面径流小区布置

选择试验区地面坡度为12°，坡向南偏西，土壤为沙质红壤。2010年12月14日，共设置3个处理小区，其水平投影长度为20 m，宽度为5 m，面积各为100 m2。各小区四周用水泥砌砖成墙，墙高出地面15 kg。集水槽、集水池(收集径流)位于径流场下方挡水墙连接处，集水池用水泥砌好长2 m，宽1 m，高1 m。距水池底30 cm处设有一个直径为3 cm的排水管，平时用木塞堵住排水管防止漏水，对着排水管延山坡方向向下挖出排水沟以方便收集水。池口上方日常用铁皮盖盖住。处理1设为对照组，即采用当地“传统栽培农作物”模式——顺坡种植，处理2为“等高线种植巨菌草”模式，处理3为“等高线种植巨菌草活篱笆+梯田套种农作物”模式。3种模式具体布设见表1。

1.3 径流小区产流产沙观测

根据实际下雨情况，选择下雨量较多的时候进行观测，组织人员收集径流水，待雨水收集完，晾干后再用口袋收集池中土壤，现场称重，记录数据，称完后放回原来的池中。并随机取3份土壤样，拿回实验室称重并烘干，记录土壤干重数据。烘干后的土样放回集水池以便不影响下次取样。从2011年6月1日开始定期测定集水池的水流失量和土壤流失量。本次试验水流量测定时水中含有一些浑浊泥沙，但不影响本次试验统计，不能代表全年的水流失量。

1.4 气候因子数据收集

气候相关数据由意大利LSI公司生产的SP1000监测仪收集。

1.5 土壤养分测定

在每个处理小区内上、中、下各取3个土样，进行测定N/P/K含量，具体做法是距土壤表层20 cm处进行取样。样本委托卢旺达南方省农委土壤分析实验室进行测定。

1.6 统计分析方法

单因子方差分析和多重比较等统计分析均采用DPS 软件完成。

图1 鲁博纳地区近年来气候空气温度变化趋Fig.1 Air temperature change trend at Rubona

图2 鲁博纳地区近年来气候降雨量变化趋势Fig.2 Precipitation change trend at Rubona

2 结果与分析

2.1 降雨量特征分析

2.1.1 试验地区的气候分析 从各年份月均降雨量(图1)看，降雨量最多是在2012年4-5月，降雨量超过200 mm，处于大旱季7-8月份降雨量最低，降雨量接近于零。雨季和旱季在降雨量方面差异表现显著。月均降雨量与月均日照时间呈现相反趋势(图2)。试验地的气温月均温度在18～20 ℃(图3)，太阳辐射在250 000 W/m2以上(图4)。

2.1.2 试验小区的降雨量分析 按2011年6月11日，2011年11月15日，2012年4月18日，2012年10月30日，2013年4月24日各收集1次降雨量，记录，并计算相对减少雨水量流失率(表2)。

若以取样时间为重复单元的话，求其平均值，则传统栽培农作物模式(CK)平均雨水流失量为0.5611 m3。等高线种植巨菌草模式平均雨水流失量为0.0947 m3，相对对照组而言其雨水流失率平均值减少82.39 %。等高线种植菌草活篱笆+梯田套种农作物模式平均雨水流失量为0.1357 m3，相对对照组而言其雨水流失率平均值减少74.64 %。经Duncan多重比较方差分析，处理1(CK)与其他2个处理在雨水流失量方面差异极显著(1 %水平显著性)。处理2～3在雨水流失量方面差异不显著。其中，2012年4月雨水流失量最多，原因是与该月强降雨水直接相关。

图3 鲁博纳地区近年来气候日照时间(h)变化趋势Fig.3 Change trend of sunshine time at Rubona

图4 鲁博纳地区近年来气候太阳辐射变化趋势Fig.4 Change trend of solar radiation at Rubona

2.2 不同栽培模式径流场产沙特征分析

待雨水量收集完，晾干后收集集水池的土壤，每个集水池湿土壤全部用口袋取出，现场称重做记录。然后每个集水池取样3份，带回实验室电子秤平称湿重，烘干机保持105 ℃气温烘干72 h处理，称干重求平均值，然后折算每个集水池的土壤干重流失量。数据分析见表3。

研究对比，结果显示每个处理中集水池的泥沙流失量随时间呈现递增趋势。 2012年10月至2013年4月期间土壤流失量变化达到最大，湿土壤流失量变化达264.8 kg，干土壤流失量变化166.8 kg。以取样时间为重复单元进行方差分析，求其平均值。得出处理1土壤干重流失量为94.83 kg，处理2土壤干重流失量为2.2 kg，处理3土壤干重流失量为7.03 kg。处理1(CK)与处理2、处理3在土壤干重流失量方面差异极显著(1 %水平显著性)，而处理2核与处理3间差异不显著。相对 “传统栽培农作物”模式而言，其他2个处理的相对减少土壤干重流失率大致呈现递增趋势。以相对减少土壤干重流失率数据进行求平均，得出以“等高线种植巨菌草”模式干土壤流失率减少96.26 %，以“等高线种植巨菌草活篱笆+梯田套种农作物”模式干土壤流失率减少90.4 %。

表2 不处理不同时期雨水径流量以及减流率分析

表3 不同时期3种模式土壤流失的湿重和干重以及流失率分析

表4 不同栽培模式集水池中的土壤养分流失情况分析

2.3 不同栽培模式径流场集水池土壤营养成分分析

2013年4年28日对不同处理试验区距表层土20 cm处进行土壤取样，上、中、下随机各取1次，带回实验室分析，委托卢旺达南方省农委土壤试验分析室测定土壤相关养分，测定土壤有机质碳、总氮、有效磷和钾方面的含量，求其平均值(表4)。

结果表明，“等高线种植巨菌草”模式(处理2)和“等高线种植巨菌草活篱笆+梯田套种农作物”模式(处理3)在有效磷、钾含量方面与“传统栽培农作物”模式(处理1)差异极显著(1 %水平显著性)；在有机质碳方面，各处理间差异显著(5 %水平显著性)，其中“等高线种植巨菌草”模式有机质碳含量最高，达2.9 %。在总氮含量方面，各处理间差异不显著。由此可推断，种植巨菌草具有改善土壤肥力的潜力。但试验地所测得的土壤养分数据偏低，参照土壤养分含量分级标准(表5)属于极端缺乏，说明原本土壤肥力非常贫瘠，实际上是砂石偏多。

2.4 等高线种植巨菌草生物性状特征分析

分别从上、中、下各取16 m2(5 m×3.2 m)的样地，收割巨菌草，测定产量。每个样地取30株测定单株高、地径等性状，求其平均值(表6)。

表5 土壤养分含量分级标准

注：全国第二次土壤普查暂行技术规程，1979。

Note: Interim technical regulations for the second national soil census, 1979.

表6 试验处理2等高线种植巨菌草性状分析表

试验所在地土壤砂石偏多，但从实验数据得出巨菌草生长依然良好，平均单季巨菌草鲜重约为666.67 m2×18.38 kg/m2=12 253.39 kg，分蘖数多，生物量大，巨菌草根系发达，盘结交错，根系长达1.5 m，根扎土壤深度达0.65 m，对水土保持具有良好的作用。

3 讨 论

降雨量最多是在2012年4-5月，降雨量超过200 mm,导致该期间的水土流失迅速加大，雨季时期的降雨量和强度加剧了当地水土流失严重的问题，不合理的耕作方式加速了水土流失的程度。而巨菌草具有良好的保持水土能力，通过种植巨菌草和梯田开垦，可以大幅度地减少水土流失。巨菌草生物量大，单季667 m2产鲜草12.25 t，利用菌草技术，把1年生的巨菌草作为栽培食用菌的原料，以平菇为例，1 kg的干巨菌草原料可转化成0.8～1 kg的鲜菇，单季667 m2产鲜草12.25 t按1年生的巨菌草含水率80.38 % 算，可获得2.4 t干重的食用菌栽培原材料[11]，可转化1.92～2.4 t的鲜平菇，种植完食用菌的废菌料可充当有机肥，提高农作物生产力。巨菌草用来生产紫孢平菇出售时，大豆与菌草混种系统的经济效益是大豆单种系统的6.3倍[12]。 种植巨菌草保持水土，同时发展畜业，尤其是生长3个月时左右的巨菌草粗蛋白含量高，其粗蛋白含量与玉米秸秆的粗蛋白含量(8 %～9 %)相当，是值得推广的饲草[13]。该措施可配合当地政府出台的“一农户一头牛”的政策，在当地种植巨菌草一年可实现2～3季收割，用草种菇、养畜，不仅为当地民众提供优质菌物蛋白和肉类蛋白摄入量，改善居民饮食营养结构，提高人们健康生活水平，还可帮助农户提高收入，发展循环经济农业，从而实现生态良好、农业经济可持续发展的局面。

4 结 论

本研究表明，采用等高线种植巨菌草和开垦梯田方式可以有效地减少水土流失。相对“传统栽培农作物”模式而言，“等高线种植巨菌草”模式雨水流失率减少82.39 %，土壤流失率减少96.26 %；“等高线种植巨菌草活篱笆+梯田套种农作物”模式雨水流失率减少74.64 %，土壤流失率减少90.4 %。巨菌草生物量大，单季667 m2产鲜草超过12.25 t，其根系发达，固土蓄水能力强。虽然本次试验所测得的土壤养分数据偏低，因其土壤肥力原始贫瘠，但试验结果表明“等高线种植巨菌草”模式在有机质C，有效磷和钾含量方面比传统栽培模式更高，说明种植巨菌草具有改善土壤肥力的潜力。