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1固氮植物在改善土壤肥力方面的應用

利用固氮植物改善土壤肥力的應用已有上千年的歷史,如豆科作物與農作物間作、輪作,種植綠肥,以及近年提倡的種植豆科覆蓋植物等。在山區坡地治理開發中,沿等高線種植速生和多年生的木本固氮植物籬,不但可以有效防治水土流失,而且還可以有效改善土壤肥力和改良土壤。其一,通過生物固氮活動,可以源源不斷地向土壤提供除植物籬本身生長所需以外的氮素,同時,通過循環能將深層土壤中作物不能直接利用的磷、鉀及其它營養元素,供給作物生長;其二,植物籬的新鮮枝葉作為綠肥還田,使土壤有機質及含氮量大量增加,盡管在不同的農業生態區,植物籬的生長速度和生物產量不同,但每年至少可修剪一至兩次。在四川西南部金沙江河谷海拔1000m～1400m范圍內非常貧瘠的土壤上(土壤含氮量0.061%,有機質含量0.66%)的試驗表明,在坡耕地上相隔4m～6m種植的雙行固氮植物籬每年在每公頃土地上可提供8t～12t的新鮮枝葉,6年后,土壤有機質含量比對照高19.8%～32%,含氮量比對照高74.9%～133.9%,使極為退化的土地得到改善,農作物產量也比對照提高;其三,木本固氮植物的根系可以利用深層土壤中作物不能直接利用的養分,腐爛后其根系及根瘤中的營養成分便留存于土壤中。

2固氮植物在防治水土流失方面的應用

隨著人口增長及城市化和工業化的發展,坡地在我國農業中的作用將會增大。坡地開發和利用中的主要問題是嚴重的水土及養分流失,造成土壤貧瘠和土層減薄,甚至土地耕作價值的喪失。為了解決這些問題,最有效和普遍的是坡改梯,并在我國山區農業發展和水土流失防治方面起了重要作用,但有一定的局限,包括投入大,在修建梯田的第一二年會引起大量的土壤流失,打亂土層,常常導致最初幾年作物產量下降,梯埂易于坍塌,維護困難,特別在粗谷性土壤上更是非常困難;此外,人工梯地不能培肥土壤。為了解決上述問題,我們提出在坡耕地上根據不同坡度相隔3m～6m,沿等高線種植二行或一行固氮、速生、耐修剪、萌蘗力強的植物籬,作物則種植在植物籬之間的種植帶中。固氮植物籬可以防止水土流失,培肥土壤,提供飼料和薪柴。

2.1阻擋水土流失

密集種植的植物籬象墻一樣對水土流失具有十分有效的攔截作用,而且坡地上大規模的植物籬系統,通過對地表徑流的層層攔截,其防止水土流失的作用是極其有效的。國外在熱帶地區的試驗表明,93%～98%的土壤流失得到控制[2,3]。我們在金沙江河谷的試驗表明,80%～90%的土壤流失得到控制。植物籬的阻擋作用使得作物耕作帶的土壤不斷堆積于植物籬的上方,經過幾年的正常耕種,坡耕地就能變成梯地,形成生物梯地,這種生物梯地具有人工梯地的所有優點,而且比人工梯地具有明顯的優越性,投入少,能培肥土壤,生物梯地的地埂是由多年生植物籬形成,不易坍塌,避免維修;在粗谷性土壤和各種坡度的坡地上都能建成。此外,由于大量綠肥的投入,改善了土壤團粒結構,增強了土壤水分的滲透性和蓄水能力,同時植物籬還延長地表徑流的下滲時間,從而有效地減少了徑流,我們的研究表明,生物梯田的地表徑流僅為對照坡耕地的37%～47%,因此可以十分有效地控制水土和養分流失,改善土壤的水分及肥力狀況。

2.2改善土壤肥力

由于固氮植物具有固氮能力,即使在含氮量很低的土壤上也能茂盛生長,并以枯枝落葉及綠肥的形式增加土壤含氮量。正如在全面已經述及,植物籬每年修剪的大量新鮮枝葉是改善土壤肥力和土壤結構的重要材料,例如墨西哥丁香(Gliricidiasepium)的干葉含氮3%～4%,鉀3.5%,若在坡地上相隔4m種植,則每公傾每年可提供100kg～200kg的氮[4];一種刺桐(Erythrinapoeppigiana)的枯枝落葉的含氮量為2.3%～2.6%,嫩葉含氮4.1%～4.9%,當與作物間作時,每年每公頃可提供20t的鮮葉[5]。植物籬的生物固氮活動也能增加土壤肥力;適時修剪植物籬,以避免植物籬對作物的遮蔭。試驗結果表明,生物梯田的土壤養分比對照有明顯的增加,同時土壤結構及有機質含量的改善,將會改善化肥的使用效率,減少化肥使用量,降低生產成本。在已經坡改梯的地方,為了解決土壤培肥和地埂的穩定問題,亦可將木本固氮植物密集種植于地埂上,但應選擇深根性和側枝分枝少的樹種,通過修剪提供綠肥,改善梯地的土壤肥力,密集的植物根系有利于地埂的穩定。

2.3植物籬的其它功能和效益

薪柴是山區的主要生活能源,砍伐薪柴是造成山區森林和灌叢植被破壞的重要原因之一。在缺柴地區,可以將植物籬作為薪柴經營,即減少修剪次數,將葉及小枝作為綠肥,較大的枝條作為薪材,這將有助于保護森林,節省勞力。飼料是山區畜牧業的基礎,習慣上,飼料在我國即指草質飼料,盡管許多木本豆科固氮植物是優質的飼料,但木本飼料的應用在我國還很不夠,應作為新的發展方向。一些組成植物籬的植物是很好的木本飼料,具有比草本飼料更豐富的營養,可以采集嫩枝葉作為飼料利用。

3固氮植物在荒山荒坡治理和改良中的應用

由于森林的破壞和長期水土流失,我國山區存在大面積的荒山荒坡。我國對荒山荒坡的治理主要是造林,盡管已取得了明顯的成效,但還有不少地區有大面積的荒山荒坡由于嚴重的水土流失,土層淺薄,土壤貧瘠,造林成效不大。荒山荒坡的治理和改良應以固氮植物作為先鋒植物。試驗表明,在水土流失非常嚴重、土壤極度退化,沒有其它植物生長的裸露土壤上,只要選用合適的固氮木本樹種,即使以種子直播的方式,在一定時間內也能形成茂盛的群落,隨后其它的植物在群落中逐漸出現,在江西極度退化的紅壤荒丘上利用胡枝子(Lespedezasp)進行植被恢復即獲得了成功[6],山毛豆(Tephrosiacondida)和新銀合歡(Leucaenaleucocephala)已成為金沙江干熱河谷造林的主要樹種。我國山區豐富的自然環境孕育了豐富的植物多樣性,在不同的生態區都有不少鄉土固氮植物資源可供選擇,還可以引進在相似環境條件下已經成功的固氮植物。固氮植物在荒山荒坡生長一定時間之后,即可再次實施造林,因為土壤的養分和水分條件都已得到改善,此時的造林成功率便會大為提高。在四川西南部干熱河谷的工作表明[7],在貧瘠的荒山荒坡種植豆科固氮植物可以改善土壤的水分和養分狀況,與營造赤桉純林和裸地相比,赤桉與豆科固氮植物混交、不同豆科固氮植物混交及豆科固氮植物純林對土壤水分、土壤有機質和土壤全氮含量的改善作用是明顯的(表1)。荒山荒坡上營造的這類固氮植物用作其它目的經營,例如作為薪炭林經營,因為大多數固氮植物生長快,具有很強的萌蘗力,而且熱值高,是薪炭林經營的優良對象,薪炭林的充分發展,將會減輕山區居民因燒柴對各類森林的壓力,直接或間接地改善山區環境和生產條件。此外,許多木本固氮植物生長迅速,也可以作為紙漿林經營,例如,種植密度為10000株/ha的喬木田菁(Sesbaniasesban)一年可生產15t～20t的干物質[8]。

4木本豆科飼料的發展

我國山區,特別是西南山區具有豐富的豆科飼料植物資源,除草本豆科飼料,如三葉草、苜蓿以外,其它可以大量利用的有新銀合歡,豬屎豆(Crotalaria),山螞蝗(Desmodium),千斤拔(Flemingia),木藍(Indigofera),槐(Sophora),山毛豆(Tephrosia),田菁(Sesbaniaspp.),木豆(Cajanus),合歡(Albizia)等等。木本飼料具有較高的營養成分,如喬木田菁(Sesbaniasesban)的葉和嫩枝的粗蛋白含量達20%～25%,是反芻動物的優良飼料,可在飼料中添加10%～20%[6],刺桐(Erythrinapoeppigiana)的嫩葉含27%～34%的粗蛋白,大花田箐(Sesbaniagrandiflora)的葉含25%～30%的粗蛋白,都是良好的飼料,可以在山區大力發展牛羊飼養業,改善我國傳統的食物結構,使耗糧耗水較多的養豬業逐漸下降,降低糧食消耗和節約用水。在我國四川西部的調查亦表明[9],豆科植物比其他常見的禾本科牧草含有較高的粗蛋白和粗脂肪含量(表2),不但可以作為鮮飼料利用,亦可以加工成粉料。發展木本飼料可以與荒山荒坡的治理和改良相結合,也可以與糧食生產相結合,如在田邊地角、地埂廣泛種植木本飼料,既可以提供飼料,還能加固土壤,并且能夠吸引傳粉昆蟲為作物傳粉(這是另一個十分重要而在我國被忽視了的領域),提高土地的利用率。

山區木本飼料的發展,應與飼養業發展相結合。隨著我國社會經濟的不斷發展,食物結構將會發生相應的變化,對食物的需求將從量的要求轉向質的要求,以激素類為基礎的人工飼料及以該類飼料為基礎的飼養業,會逐漸被以天然飼料或更合理的天然飼料與配合飼料的結合品所取代;山區木本飼料與飼養業的發展,也可以成為山區新的經濟發展方向,與此相關的加工業,如皮制品的發展等,將會對改變山區落后面貌起到重要作用。除了上述的用途外,固氮植物還具有許多重要的用途,包括提供生產生活所需木材、人類的食物、動物的飼料等直接產品,還可以生產一些特殊的產品,如新銀合歡的葉可以生產一種有價值的產品,其樹皮生產的樹膠是阿拉伯樹膠的優良替代品;黑荊樹(Acaciadeal-bata)可以生產優良的考膠等,需要在應用中廣泛發掘。對人類的生存和發展來說,沒有比土地更重要的了,土壤的喪失也就是人類生存基礎的喪失。然而,水土流失的嚴重性雖已引起山區人民和政府部門的注意,但經濟有效的措施還不多。盡管由于自然環境條件的不同,形成土壤的速度不同,但就現在一般接受的形成1cm厚的土壤需要一百年的時間,及每年未經控制的坡地減薄1cm～2cm的比較,就可以看出其問題的嚴重性。

因此,有必要采取有效措施扭轉或減緩這種趨勢。從山區農業在未來中國農業中的重要性,以及當前山區農業所面臨的問題,采用有效的既能增產穩產,又能解決坡地水土流失、肥力下降問題的技術和措施是當務之急。由固氮植物組成的植物籬除了可以用于坡地耕作以解決水土流失和培肥土壤外,還可以在山區坡地開發的其它方面應用。如在山區坡地種植果樹等經濟植物時,亦可采用,植物籬除攔截水土流失外,還可以作為重要的有機肥料,改善水果的品質;在山區造林方面,也可以在相隔適當距離建立由固氮植物組成的植物籬,增強水土保持的功效。因此,固氮植物籬的應用在山區有著廣泛的前景。此外,固氮植物在荒山荒坡的治理,木本飼料植物的發展等方面都能發揮重要作用。總之,固氮植物對改善山區環境,提高山區人民的生活水平,使山區走上可持續發展道路,具有廣泛的應用前景和重要的意義。

但在固氮植物應用中,應當注意如下一些問題:(1)要根據固氮植物在山區農業中的不同應用目的及當地的基本問題,針對各農業生態區實際,選擇合適的物種。不同地區有不同的固氮植物種類,而且同一物種在不同生態區的表現亦不完全相同,因此要注意選擇和試驗,并采用正確的種植方法和利用方式。(2)固氮植物在農業上的應用,大多與傳統方法有差異,為了推廣這一工作,有必要建立固氮植物應用的試驗示范基地。(3)固氮植物在山區農業中的應用與山區扶貧密切相關,若能結合國家及各級政府的扶貧工作和項目開展,則會在短時間起到良好的效果。(4)為長遠的發展考慮建立全國固氮植物數據庫,為各生態區的發展和應用服務。