坡地植物籬技術(shù)的生態(tài)效益研究進(jìn)展

林春蕾+陳若君+張伯浩

摘要 坡地植物籬技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)的種植技術(shù)，是一種坡地改良的植物措施。坡地植物籬的生態(tài)效益主要是指其水土保持效應(yīng)、改良土壤和提高生產(chǎn)力的作用。本文綜述了近15年來(lái)植物籬的發(fā)展歷史，從植物籬的水土保持效益、改善土壤物理性質(zhì)、提高土壤肥力和改變微地形等方面進(jìn)行分析，并探討了植物籬技術(shù)應(yīng)用的不足和今后發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 植物籬；生態(tài)效益；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào) S157.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）12-0249-03

我國(guó)是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，根據(jù)第二次水土流失遙感調(diào)查，20世紀(jì)80年代末，中國(guó)水土流失面積356萬(wàn)km2，我國(guó)由于人為擾動(dòng)所造成的土地資源退化面積高達(dá)5.392億hm2，占全國(guó)土地總面積的56.2%。因此，坡耕地水土流失綜合治理十分迫切，開(kāi)發(fā)與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的水土流失綜合治理體系迫在眉睫。水土流失防止措施有兩大類(lèi)：一是工程措施；二是植物措施。但工程措施成本較高，對(duì)于山區(qū)而言，建設(shè)起來(lái)比較困難。

水土資源流失與土壤肥力減弱是我國(guó)耕地利用主要面臨的問(wèn)題之一，水土流失與土壤肥力的流失是坡耕地作物生長(zhǎng)狀況研究的重要內(nèi)容之一[1]。我國(guó)對(duì)于植物籬的研究始于20世紀(jì)90年代初期[2]，國(guó)內(nèi)眾多研究學(xué)者從植物籬的不同種植模式和不同種類(lèi)植物籬的水土保持效果以及經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行了大量的研究。通過(guò)研究不同植物籬、不同種植模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響來(lái)鑒定農(nóng)業(yè)水保措施對(duì)改善環(huán)境條件和提高經(jīng)濟(jì)效益的作用，為水土保持措施效益的評(píng)價(jià)提供有力的條件。另外，對(duì)植物籬的研究也可為農(nóng)作物產(chǎn)量及坡耕地的利用類(lèi)型提供依據(jù)。用土壤各種理化性質(zhì)和農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況的影響間接地或部分直接地預(yù)測(cè)土壤侵蝕的嚴(yán)重程度和侵蝕量，也為不同坡耕地利用類(lèi)型有關(guān)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 植物籬的發(fā)展史

植物籬是指在山丘、坡面上沿等高線按一定的間距，以線狀或條狀種植多年生灌木或者喬木或草本，形成植物籬笆以達(dá)到防止水土流失的目的。最早的植物籬帶間種植農(nóng)作物模式是在肯尼亞的半干旱區(qū)開(kāi)始的[3]，在20世紀(jì)90年代，帶狀植物籬間作系統(tǒng)引入中國(guó)[4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于植物籬水土保持技術(shù)的研究區(qū)域主要集中在金沙江干熱河谷、三峽庫(kù)區(qū)、黃土丘陵區(qū)、西北干旱區(qū)，四川省、云南省、貴州省、湖北省、山西省和陜西省的相關(guān)文獻(xiàn)占大部分。1991年香根草被引入到四川盆地區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)栽培[5]，唐 亞等[6]于1991年在四川金沙江干熱河谷建點(diǎn)對(duì)等高固氮植物籬技術(shù)進(jìn)行研究、試驗(yàn)和完善，并且在1994年便著手系統(tǒng)地對(duì)等高植物籬技術(shù)的水土保持效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行定位定量研究。申元村[7]于1993年分析評(píng)價(jià)植物籬坡耕地水土保持效益發(fā)現(xiàn)，坡耕地種植植物籬4年后，土壤養(yǎng)分含量明顯增加，與石坎梯田相比，臍橙產(chǎn)量提高20%。

1996—2001年，山西省運(yùn)城市水利水保局等在山西南部的平陸縣進(jìn)行黃土高原東部植物籬水土保持效益的試驗(yàn)研究，在坡耕地或荒坡地發(fā)展植物籬。2010年香根草被引入貴州喀斯特山區(qū)進(jìn)行水土保持試驗(yàn)研究，為日后貴州山區(qū)推廣植物籬技術(shù)奠定基礎(chǔ)[8]。目前，國(guó)外對(duì)植物籬的研究多集中在東南亞的發(fā)展中國(guó)家，如印度尼西亞、菲律賓等，并且已取得了一定的研究成果。最初，研究人員采用植物籬間作主要是通過(guò)為表層土提供有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)的再分配來(lái)提高土壤肥力[9]。S. Donjadee·T. Tingsanchali[10]研究香根草在陡坡地的減流減沙效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，香根草植物籬減流量達(dá)到31%～69%，減少土壤侵蝕量為62%～86%。F AGUS等[11]研究發(fā)現(xiàn)，南洋楹植物籬通過(guò)循環(huán)利用并對(duì)土壤中的養(yǎng)分進(jìn)行再分配，滿足農(nóng)作物對(duì)氮的需求，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

2 植物籬的水土保持效益

植物籬的水土保持作用主要是減流減沙效應(yīng)，坡耕地植物籬關(guān)鍵是通過(guò)降低雨滴動(dòng)能、攔截徑流、增加地表覆蓋度等來(lái)減輕降雨對(duì)土壤的激濺侵蝕和提高土壤的抗蝕性，從而可以增強(qiáng)植物籬的抗沖能力。

袁久芹等[12]通過(guò)進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)研究了香根草的產(chǎn)流產(chǎn)沙效益，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，香根草植物籬的地上部分可減少75%的侵蝕量，與對(duì)照裸地相比較，香根草減流21%，產(chǎn)沙量只有裸地的18%。黃程鵬[13]研究表明，山核桃林不僅不能有效控制土壤侵蝕，還會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕加劇，在林草措施中，經(jīng)濟(jì)林不適合選用作為坡耕地的林草植被保護(hù)，其生態(tài)效益相比其他類(lèi)型的林地較差。張文安等[14]在黔中地區(qū)進(jìn)行了4年連續(xù)的定點(diǎn)、定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，香根草、紫穗槐生物埂定植2年后可以降低土壤侵蝕，自第3年開(kāi)始便基本無(wú)土壤侵蝕。史亮濤等[15]在云南干熱河谷旱坡地建植南洋櫻植物籬后，3年中研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度由劇烈侵蝕降低為中度侵蝕，年徑流模數(shù)與侵蝕模數(shù)減少量分別為29.13萬(wàn)m3/km2、12 986.8 t/km2，減少率皆高達(dá)76.00%。在此降雨條件下，植物籬能夠降低地表徑流系數(shù)，能促進(jìn)降雨過(guò)程中水分入滲[16]。

3 植物籬提高土地生產(chǎn)力的作用

3.1 改善土壤養(yǎng)分

大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為植物籬可以改善土壤養(yǎng)分，但是不同類(lèi)型植物籬的改善效果差異顯著。黎建強(qiáng)等[17]研究結(jié)果表明，灌木類(lèi)和草本類(lèi)植物籬帶內(nèi)的土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量均存在顯著差異，灌木帶內(nèi)的土壤養(yǎng)分含量最高。土壤養(yǎng)分的流失主要以徑流為流失途徑，徑流中土壤細(xì)顆粒攜帶大量的養(yǎng)分，尤其是有效鉀的損失與土壤細(xì)顆粒的損失成正比關(guān)系。植物籬將土壤細(xì)顆粒攔截于植物籬帶前，并進(jìn)行再分配，從而富集了細(xì)顆粒中的土壤碳和養(yǎng)分[18]。廖曉勇等[19]研究發(fā)現(xiàn)，植物籬根系吸收養(yǎng)分后，可以通過(guò)刈割枝葉的方式把植物籬吸收的養(yǎng)分返還回田，促進(jìn)養(yǎng)分的再循環(huán)和分配，增加有機(jī)質(zhì)含量。但是植物籬枝葉提供的磷素較少，不能滿足農(nóng)作物對(duì)有效磷的需求。因此，引入植物籬農(nóng)作物系統(tǒng)對(duì)磷素循環(huán)的影響還需要做進(jìn)一步的探索[20]。

孫 輝等[20]通過(guò)對(duì)等高固氮植物籬長(zhǎng)期定位研究發(fā)現(xiàn)，正常耕作3～6年后，等高固氮植物籬可以使作物帶土壤全氮含量增加80%～130%，有機(jī)質(zhì)含量增加20%～40%，有效鉀和陽(yáng)離子交換量等養(yǎng)分均有不同程度增加，并且認(rèn)為坡耕地應(yīng)用等高固氮植物籬可以顯著減少坡耕地的地表徑流，不論是單次降雨產(chǎn)生的徑流還是累積地表徑流量的效果都相似。唐 亞等[21]在山區(qū)坡耕地建立高密度等高固氮植物籬后，發(fā)現(xiàn)植物籬能降低地表徑流50%～70%，減少土壤侵蝕97%～99%，土壤全氮含量增加65%～103%，有機(jī)質(zhì)含量增加25%～35%，農(nóng)作物增產(chǎn)30%～60%。袁運(yùn)亮等[22]研究結(jié)果表明，等高固氮植物籬具有良好的保水性能，在植物籬間作系統(tǒng)中，甘蔗種植期用水量比傳統(tǒng)旱坡地甘蔗下降21.31%，節(jié)約用水2 145 m3/hm2。王 庫(kù)等[23]研究芨芨草對(duì)土壤肥力的影響，結(jié)果表明，芨芨草對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分影響不大，但能明顯提高土壤速效養(yǎng)分含量，降低土壤pH值，為芨芨草在坡地的復(fù)合利用提供參考依據(jù)。林超文等[24]通過(guò)長(zhǎng)期定位小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉀元素表現(xiàn)出從坡上向坡下逐漸減少的分布特點(diǎn)，即籬前肥力升高，籬下肥力下降。

香根草對(duì)農(nóng)作物株高的影響僅對(duì)靠近籬帶前2行比較明顯，由于對(duì)前2行作物具有遮蔭的效果，從而對(duì)其株高有明顯的影響。其增產(chǎn)效應(yīng)的最佳籬帶間距是8～12 m，草籬與作物間作的安全距離為60 cm[25]。張 洋等[26]研究了旱坡地農(nóng)桑配置對(duì)地表氮磷流失的影響，結(jié)果表明，農(nóng)桑配置方式能夠顯著阻抗地表徑流和氮磷流失，為三峽庫(kù)紫色土區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的建立提供科學(xué)依據(jù)。何丙輝等[27]研究香根草植物籬對(duì)紫色土區(qū)養(yǎng)分流失的影響發(fā)現(xiàn)，香根草植物籬能有效控制表土養(yǎng)分的流失，保持土壤肥力，但全氮的流失依然很?chē)?yán)重。王 利等[28]研究結(jié)果表明，百喜草、花生、黃花菜3種植物籬對(duì)氮的吸收造成了與植物籬養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。王 庫(kù)等[23]研究芨芨草對(duì)土壤肥力的影響，結(jié)果表明，芨芨草對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分影響不大，但能明顯提高土壤速效養(yǎng)分含量，降低土壤pH值。

3.2 改善土壤物理性質(zhì)

反映土壤物理性質(zhì)的水位指標(biāo)一般包括土壤團(tuán)聚體、土壤機(jī)械組成、田間持水量、孔隙度（總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度）等，土壤物理性質(zhì)的好壞與植物是否正常生長(zhǎng)有著密切的關(guān)系。黃 鑫等[29]探究植物籬對(duì)紫色土區(qū)坡耕地表層土壤的影響發(fā)現(xiàn)，植物籬措施小區(qū)的土壤>0.25 mm則水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增多，土壤孔隙度和土壤細(xì)顆粒均不同程度增加。蒲玉琳等[30]研究表明，植物籬坡地農(nóng)作系統(tǒng)內(nèi)的土壤>0.25 mm則機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別顯著增加13.3%～16.1%和37.8%～55.6%。劉緒軍等[31]研究結(jié)果表明，黑土區(qū)種植植物籬可使0～30 cm土壤的密度較栽植前平均減小10.07%，減小的最大值為11.32%，從而增強(qiáng)了土壤的透氣、透水能力。對(duì)于土壤機(jī)械組成的改善，許多研究者也做了大量的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)植物籬能顯著提高土壤細(xì)顆粒以及極細(xì)顆粒的成分，如黃土丘陵區(qū)種植紅豆草和苜蓿后，土壤的極細(xì)沙粒含量增加幅度分別為4.8%和4.5%，粗粉粒含量增加幅度分別為3.1%和3.9%[32]。林超文等[24]通過(guò)長(zhǎng)期定位小區(qū)試驗(yàn)，定植牧草植物籬后發(fā)現(xiàn)土壤黏粒在籬前富積，籬下加劇侵蝕。

4 植物籬改善微地形的效應(yīng)

植物籬技術(shù)不但可以減少地表徑流、土壤侵蝕量和提高土壤肥力，在山區(qū)坡地上種植植物籬多年后還可以減緩坡度、縮短坡長(zhǎng)，在坡耕地種植植物籬，不但可以保持水土，改善土壤理化性質(zhì)，還能減緩坡度，縮短坡長(zhǎng)。申元村[33]在坡耕地種植4年植物籬后，坡度減緩了7°左右。陳治諫等[34]研究結(jié)果表明，在皇竹草—農(nóng)作物模式中，2年后使坡度從25°減小到22°，并且是優(yōu)良的牧草，是生態(tài)工程優(yōu)先選用的生態(tài)恢復(fù)植物。尹迪信等[35]在貴州旱坡地研究植物籬梯化技術(shù)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植植物籬多年后，自然翻耕使坡度年均下降1.1°，形成了17.1～20.0 cm的梯埂。紫色土區(qū)防止水土流失的試驗(yàn)初報(bào)中報(bào)道，植物籬梯田形成周期較長(zhǎng)，一般為7～10年[36]。黃土殘塬溝壑區(qū)種植植物籬4年后，籬坎高度最大達(dá)到85 cm，坡度減緩了9～11°，坡長(zhǎng)也明顯縮短，矮化梨棗+金銀花的植物籬系統(tǒng)使坡度縮短50 cm，花椒植物籬使坡長(zhǎng)縮短120 cm，香椿+金銀花植物籬使坡長(zhǎng)縮短160 cm，矮化石榴+金銀花植物籬使坡長(zhǎng)縮短70 cm[37]。

5 結(jié)語(yǔ)

植物籬技術(shù)的推廣僅用于云南、四川、貴州、湖北等地，需要進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。目前，植物籬間作系統(tǒng)之間的水分和養(yǎng)分相互之間的關(guān)系有待深入研究。因此，以后的研究工作可以致力于研究植物籬與農(nóng)作物相互之間的關(guān)系，選擇出與作物爭(zhēng)水、爭(zhēng)肥較弱的植物籬，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供寶貴的數(shù)據(jù)。

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