固氮植物在农业中的作用
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利用固氮植物改善土壤肥力的应用已有上千年的历史,如豆科作物与农作物间作、轮作,种植绿肥,以及近年提倡的种植豆科覆盖植物等。在山区坡地治理开发中,沿等高线种植速生和多年生的木本固氮植物篱,不但可以有效防治水土流失,而且还可以有效改善土壤肥力和改良土壤。其一,通过生物固氮活动,可以源源不断地向土壤提供除植物篱本身生长所需以外的氮素,同时,通过循环能将深层土壤中作物不能直接利用的磷、钾及其它营养元素,供给作物生长;其二,植物篱的新鲜枝叶作为绿肥还田,使土壤有机质及含氮量大量增加,尽管在不同的农业生态区,植物篱的生长速度和生物产量不同,但每年至少可修剪一至两次。在四川西南部金沙江河谷海拔1000m～1400m范围内非常贫瘠的土壤上(土壤含氮量0.061%,有机质含量0.66%)的试验表明,在坡耕地上相隔4m～6m种植的双行固氮植物篱每年在每公顷土地上可提供8t～12t的新鲜枝叶,6年后,土壤有机质含量比对照高19.8%～32%,含氮量比对照高74.9%～133.9%,使极为退化的土地得到改善,农作物产量也比对照提高;其三,木本固氮植物的根系可以利用深层土壤中作物不能直接利用的养分,腐烂后其根系及根瘤中的营养成分便留存于土壤中。
2固氮植物在防治水土流失方面的应用
随着人口增长及城市化和工业化的发展,坡地在我国农业中的作用将会增大。坡地开发和利用中的主要问题是严重的水土及养分流失,造成土壤贫瘠和土层减薄,甚至土地耕作价值的丧失。为了解决这些问题,最有效和普遍的是坡改梯,并在我国山区农业发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会引起大量的土壤流失,打乱土层,常常导致最初几年作物产量下降,梯埂易于坍塌,维护困难,特别在粗谷性土壤上更是非常困难;此外,人工梯地不能培肥土壤。为了解决上述问题,我们提出在坡耕地上根据不同坡度相隔3m～6m,沿等高线种植二行或一行固氮、速生、耐修剪、萌蘖力强的植物篱,作物则种植在植物篱之间的种植带中。固氮植物篱可以防止水土流失,培肥土壤,提供饲料和薪柴。
2.1阻挡水土流失
密集种植的植物篱象墙一样对水土流失具有十分有效的拦截作用,而且坡地上大规模的植物篱系统,通过对地表径流的层层拦截,其防止水土流失的作用是极其有效的。国外在热带地区的试验表明,93%～98%的土壤流失得到控制[2,3]。我们在金沙江河谷的试验表明,80%～90%的土壤流失得到控制。植物篱的阻挡作用使得作物耕作带的土壤不断堆积于植物篱的上方,经过几年的正常耕种,坡耕地就能变成梯地,形成生物梯地,这种生物梯地具有人工梯地的所有优点,而且比人工梯地具有明显的优越性,投入少,能培肥土壤,生物梯地的地埂是由多年生植物篱形成,不易坍塌,避免维修;在粗谷性土壤和各种坡度的坡地上都能建成。此外,由于大量绿肥的投入,改善了土壤团粒结构,增强了土壤水分的渗透性和蓄水能力,同时植物篱还延长地表径流的下渗时间,从而有效地减少了径流,我们的研究表明,生物梯田的地表径流仅为对照坡耕地的37%～47%,因此可以十分有效地控制水土和养分流失,改善土壤的水分及肥力状况。
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长,并以枯枝落叶及绿肥的形式增加土壤含氮量。正如在全面已经述及,植物篱每年修剪的大量新鲜枝叶是改善土壤肥力和土壤结构的重要材料,例如墨西哥丁香(Gliricidiasepium)的干叶含氮3%～4%,钾3.5%,若在坡地上相隔4m种植,则每公倾每年可提供100kg～200kg的氮[4];一种刺桐(Erythrinapoeppigiana)的枯枝落叶的含氮量为2.3%～2.6%,嫩叶含氮4.1%～4.9%,当与作物间作时,每年每公顷可提供20t的鲜叶[5]。植物篱的生物固氮活动也能增加土壤肥力;适时修剪植物篱,以避免植物篱对作物的遮荫。试验结果表明,生物梯田的土壤养分比对照有明显的增加,同时土壤结构及有机质含量的改善,将会改善化肥的使用效率,减少化肥使用量,降低生产成本。在已经坡改梯的地方,为了解决土壤培肥和地埂的稳定问题,亦可将木本固氮植物密集种植于地埂上,但应选择深根性和侧枝分枝少的树种,通过修剪提供绿肥,改善梯地的土壤肥力,密集的植物根系有利于地埂的稳定。
2.3植物篱的其它功能和效益
薪柴是山区的主要生活能源,砍伐薪柴是造成山区森林和灌丛植被破坏的重要原因之一。在缺柴地区,可以将植物篱作为薪柴经营,即减少修剪次数,将叶及小枝作为绿肥,较大的枝条作为薪材,这将有助于保护森林,节省劳力。饲料是山区畜牧业的基础,习惯上,饲料在我国即指草质饲料,尽管许多木本豆科固氮植物是优质的饲料,但木本饲料的应用在我国还很不够,应作为新的发展方向。一些组成植物篱的植物是很好的木本饲料,具有比草本饲料更丰富的营养,可以采集嫩枝叶作为饲料利用。
3固氮植物在荒山荒坡治理和改良中的应用
由于森林的破坏和长期水土流失,我国山区存在大面积的荒山荒坡。我国对荒山荒坡的治理主要是造林,尽管已取得了明显的成效,但还有不少地区有大面积的荒山荒坡由于严重的水土流失,土层浅薄,土壤贫瘠,造林成效不大。荒山荒坡的治理和改良应以固氮植物作为先锋植物。试验表明,在水土流失非常严重、土壤极度退化,没有其它植物生长的裸露土壤上,只要选用合适的固氮木本树种,即使以种子直播的方式,在一定时间内也能形成茂盛的群落,随后其它的植物在群落中逐渐出现,在江西极度退化的红壤荒丘上利用胡枝子(Lespedezasp)进行植被恢复即获得了成功[6],山毛豆(Tephrosiacondida)和新银合欢(Leucaenaleucocephala)已成为金沙江干热河谷造林的主要树种。我国山区丰富的自然环境孕育了丰富的植物多样性,在不同的生态区都有不少乡土固氮植物资源可供选择,还可以引进在相似环境条件下已经成功的固氮植物。固氮植物在荒山荒坡生长一定时间之后,即可再次实施造林,因为土壤的养分和水分条件都已得到改善,此时的造林成功率便会大为提高。在四川西南部干热河谷的工作表明[7],在贫瘠的荒山荒坡种植豆科固氮植物可以改善土壤的水分和养分状况,与营造赤桉纯林和裸地相比,赤桉与豆科固氮植物混交、不同豆科固氮植物混交及豆科固氮植物纯林对土壤水分、土壤有机质和土壤全氮含量的改善作用是明显的(表1)。荒山荒坡上营造的这类固氮植物用作其它目的经营,例如作为薪炭林经营,因为大多数固氮植物生长快,具有很强的萌蘖力,而且热值高,是薪炭林经营的优良对象,薪炭林的充分发展,将会减轻山区居民因烧柴对各类森林的压力,直接或间接地改善山区环境和生产条件。此外,许多木本固氮植物生长迅速,也可以作为纸浆林经营,例如,种植密度为10000株/ha的乔木田菁(Sesbaniasesban)一年可生产15t～20t的干物质[8]。
4木本豆科饲料的发展
我国山区,特别是西南山区具有丰富的豆科饲料植物资源,除草本豆科饲料,如三叶草、苜蓿以外,其它可以大量利用的有新银合欢,猪屎豆(Crotalaria),山蚂蝗(Desmodium),千斤拔(Flemingia),木蓝(Indigofera),槐(Sophora),山毛豆(Tephrosia),田菁(Sesbaniaspp.),木豆(Cajanus),合欢(Albizia)等等。木本饲料具有较高的营养成分,如乔木田菁(Sesbaniasesban)的叶和嫩枝的粗蛋白含量达20%～25%,是反刍动物的优良饲料,可在饲料中添加10%～20%[6],刺桐(Erythrinapoeppigiana)的嫩叶含27%～34%的粗蛋白,大花田箐(Sesbaniagrandiflora)的叶含25%～30%的粗蛋白,都是良好的饲料,可以在山区大力发展牛羊饲养业,改善我国传统的食物结构,使耗粮耗水较多的养猪业逐渐下降,降低粮食消耗和节约用水。在我国四川西部的调查亦表明[9],豆科植物比其他常见的禾本科牧草含有较高的粗蛋白和粗脂肪含量(表2),不但可以作为鲜饲料利用,亦可以加工成粉料。发展木本饲料可以与荒山荒坡的治理和改良相结合,也可以与粮食生产相结合,如在田边地角、地埂广泛种植木本饲料,既可以提供饲料,还能加固土壤,并且能够吸引传粉昆虫为作物传粉(这是另一个十分重要而在我国被忽视了的领域),提高土地的利用率。
山区木本饲料的发展,应与饲养业发展相结合。随着我国社会经济的不断发展,食物结构将会发生相应的变化,对食物的需求将从量的要求转向质的要求,以激素类为基础的人工饲料及以该类饲料为基础的饲养业,会逐渐被以天然饲料或更合理的天然饲料与配合饲料的结合品所取代;山区木本饲料与饲养业的发展,也可以成为山区新的经济发展方向,与此相关的加工业,如皮制品的发展等,将会对改变山区落后面貌起到重要作用。除了上述的用途外,固氮植物还具有许多重要的用途,包括提供生产生活所需木材、人类的食物、动物的饲料等直接产品,还可以生产一些特殊的产品,如新银合欢的叶可以生产一种有价值的产品,其树皮生产的树胶是阿拉伯树胶的优良替代品;黑荆树(Acaciadeal-bata)可以生产优良的考胶等,需要在应用中广泛发掘。对人类的生存和发展来说,没有比土地更重要的了,土壤的丧失也就是人类生存基础的丧失。然而,水土流失的严重性虽已引起山区人民和政府部门的注意,但经济有效的措施还不多。尽管由于自然环境条件的不同,形成土壤的速度不同,但就现在一般接受的形成1cm厚的土壤需要一百年的时间,及每年未经控制的坡地减薄1cm～2cm的比较,就可以看出其问题的严重性。
因此,有必要采取有效措施扭转或减缓这种趋势。从山区农业在未来中国农业中的重要性,以及当前山区农业所面临的问题,采用有效的既能增产稳产,又能解决坡地水土流失、肥力下降问题的技术和措施是当务之急。由固氮植物组成的植物篱除了可以用于坡地耕作以解决水土流失和培肥土壤外,还可以在山区坡地开发的其它方面应用。如在山区坡地种植果树等经济植物时,亦可采用,植物篱除拦截水土流失外,还可以作为重要的有机肥料,改善水果的品质;在山区造林方面,也可以在相隔适当距离建立由固氮植物组成的植物篱,增强水土保持的功效。因此,固氮植物篱的应用在山区有着广泛的前景。此外,固氮植物在荒山荒坡的治理,木本饲料植物的发展等方面都能发挥重要作用。总之,固氮植物对改善山区环境,提高山区人民的生活水平,使山区走上可持续发展道路,具有广泛的应用前景和重要的意义。
但在固氮植物应用中,应当注意如下一些问题:(1)要根据固氮植物在山区农业中的不同应用目的及当地的基本问题,针对各农业生态区实际,选择合适的物种。不同地区有不同的固氮植物种类,而且同一物种在不同生态区的表现亦不完全相同,因此要注意选择和试验,并采用正确的种植方法和利用方式。(2)固氮植物在农业上的应用,大多与传统方法有差异,为了推广这一工作,有必要建立固氮植物应用的试验示范基地。(3)固氮植物在山区农业中的应用与山区扶贫密切相关,若能结合国家及各级政府的扶贫工作和项目开展,则会在短时间起到良好的效果。(4)为长远的发展考虑建立全国固氮植物数据库,为各生态区的发展和应用服务。
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