張旭斌 武曉莉 桂莉莉 唐臣燕 劉 源 李建偉

(1太原市通地國土工程咨詢有限公司 2中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所3山西省水土保持科學(xué)研究所)

坡耕地是我國丘陵山區(qū)重要的耕地資源，占我國總耕地面積的34.3%。由于氣候變化和人們的不合理耕作，造成坡耕地水土流失嚴(yán)重。坡耕地治理措施主要有兩類:一是工程措施，二是植物措施。植物籬是防治坡耕地土壤侵蝕、提高土地生產(chǎn)力的一種行之有效的水土保持植物措施，并受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，長期被研究和推廣。自20世紀(jì)30年代在印度尼西亞產(chǎn)生植物籬技術(shù)后，菲律賓、丹麥、法國、肯尼亞等國家都相繼進(jìn)行了植物籬的研究和應(yīng)用［1－4］。植物籬技術(shù)在20世紀(jì)90年代引入我國，其研究主要集中在長江中上游干旱河谷區(qū)和三峽庫區(qū)、黃土高原水土流失嚴(yán)重地區(qū)［5］。

1 植物籬的概念

植物籬是依據(jù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)原則選擇種植物種，并根據(jù)坡耕地的坡度、巖性(母質(zhì))和侵蝕強(qiáng)度等進(jìn)行等高種植的一種農(nóng)田間作技術(shù)，其基本功能是改善該系統(tǒng)的水熱條件，抑制雜草生長，控制水土流失，提高坡地生產(chǎn)能力，達(dá)到坡地生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)和可持續(xù)利用［6，7］。但國內(nèi)外對(duì)其概念并沒有統(tǒng)一的說法，如Charles K.Ssekabembe認(rèn)為，等高植物籬是在等高線上成排種植灌木或喬木帶，帶間種植作物，并且在作物生長期對(duì)植物籬帶進(jìn)行周期性修剪的一種土地管理方式［8］。張宇清等將其定義為地埂籬，即為防治水土流失、改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、提高單位土地生物生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)能力以及增加農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將適宜的喬木、灌木或草本植物配置在梯田埂坎上形成的一種復(fù)合農(nóng)林生產(chǎn)類型［9］。

2 植物籬的種植模式

2.1 物種選擇

選擇適宜的樹種是植物籬種植模式的前提，適宜的樹種不僅能有效地防治水土流失，還能給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三大效益同步發(fā)展的目的。馬德舉等認(rèn)為，植物籬物種的選擇應(yīng)符合三個(gè)條件:①區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng);②生態(tài)效益好;③具有一定的經(jīng)濟(jì)效益［7］。楊玉義等認(rèn)為，植物籬的選擇不僅要考慮防治水土流失效果和增收效應(yīng)，還應(yīng)以本土物種為主，這樣更有利于保持生物多樣性和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定［10］。J.O.Owino、Susama分別在肯尼亞和印度東部的研究均發(fā)現(xiàn)，本土的象草和甜根子草比外來物種香根草更適合作為植物籬物種［11，12］。楊遠(yuǎn)祥等認(rèn)為，植物籬植物應(yīng)易于繁殖，根系深，耐刈割，耐干旱瘠薄，生長迅速，適應(yīng)范圍廣，且最好為固氮植物［6］。許多學(xué)者以不同的植物材料，在不同的區(qū)域開展了植物籬種植及效益分析實(shí)驗(yàn)。如姚桂枝等在丹江口庫區(qū)坡耕地采用紫穗槐、金銀花、黃花菜及龍須草4種植物籬措施，都有效地減少了坡耕地的水土流失［13］。在三峽庫區(qū)，呂文星等應(yīng)用黃荊和紫背天葵2種植物籬處理，都不同程度地改良了土壤的物理性質(zhì)，減少了土壤侵蝕［14］。在紅壤區(qū)，李新平等采用黃花菜和百喜草2種植物籬，其徑流量、侵蝕量分別減少了4.67%和37.82%［15］。在紫色土區(qū)，夏立忠采用了紫花苜蓿和香椿植物籬也達(dá)到了顯著的生態(tài)效益［16］。在云南，史亮濤等引進(jìn)了豆科速生樹種南洋櫻作為植物籬，其不僅生長良好，且年徑流模數(shù)減少率和土壤年退化減少率分別為76.90%和76.02%［17］。

2.2 帶間距

帶間距是坡地植物籬種植模式控制表土養(yǎng)分流失的重要環(huán)節(jié)，其很大程度上決定了植物籬種植對(duì)土地利用效率、土壤侵蝕及面源污染的控制效果。許峰等認(rèn)為，在帶間徑流侵蝕處于濺蝕分散—片流搬運(yùn)為主階段時(shí)，籬前淤積層寬度應(yīng)使水流流速衰減至小于一定粒徑的土壤細(xì)顆粒的起動(dòng)流速，才能有效減少養(yǎng)分流失，因此，等高植物籬帶間距應(yīng)控制在細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界坡長范圍內(nèi)，因此時(shí)天然降雨條件下的片流侵蝕不足以攜帶粒徑＜0.02 mm的土壤顆粒［18］。施迅認(rèn)為，坡面侵蝕受到土壤狀況、氣候條件、坡度、坡向等多種因素的影響，無法給出植物籬帶間距的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是應(yīng)有一定的理論指導(dǎo)，在考慮坡度和土層厚度時(shí)的推導(dǎo)公式為:L=4H/sin2α(式中:L為帶間距，H為坡面土壤厚度，α為坡度)。此公式在侵蝕量較大且成土母質(zhì)風(fēng)化較慢的地區(qū)，意義比較重大［19］。

2.3 帶間結(jié)構(gòu)

植物籬帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際情況，充分考慮侵蝕程度、田面寬度和農(nóng)民接受的可能性確定。施迅總結(jié)的籬笆帶間結(jié)構(gòu)有:①由單行籬笆植物構(gòu)成的籬笆帶;②在單行籬笆植物間插種經(jīng)濟(jì)作物;③雙行籬笆植物構(gòu)成的籬笆帶;④一行籬笆植物與一行經(jīng)濟(jì)植物并種構(gòu)成的籬笆帶;⑤多行植物構(gòu)成的籬笆，中間留空隙種植另一種籬笆植物或經(jīng)濟(jì)作物，或填充石塊等［19］。

由于坡耕地的地形、生態(tài)環(huán)境以及當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)情況的不同，植物籬的種植不能只有一套模式，而應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)實(shí)條件因地制宜地選擇合適的模式。西南三省及山西幾種比較成熟的植物籬模式主要有:貴州常見的有梅、桃樹+金蕎麥、梨樹+紫花苜蓿、桃+紫花苜蓿、梨樹+皇竹草、梨樹+黃花菜;四川常選用植物籬+桑樹、植物籬+桑樹+果園、植物籬+農(nóng)作物、植物籬+牧草的模式;云南的花椒+黃花、花椒+飼草作物模式應(yīng)用較多;山西則有矮化棗+金銀花籬笆、香椿+金銀花籬笆、矮化石榴+黃花菜籬笆等模式［20］。龍高飛等研究表明，植物籬+農(nóng)作物/牧草/果園/桑園，經(jīng)濟(jì)植物籬+固氮植物籬+農(nóng)作物，固氮植物籬 +復(fù)合植物籬等多種模式［21］，均具有良好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效果。目前，在這方面的研究還需要繼續(xù)開展，以適應(yīng)各地生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

2.4 株距

目前，對(duì)于植物籬株距的研究還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。施迅將近地面枝條密度作為設(shè)置株距的依據(jù)，得到:N=Pn/Pm(式中:N為單位長度內(nèi)所需植株數(shù)，Pn為所需的近地面枝條密度，Pm為該種植物單株平均地面枝條密度。馬德舉等認(rèn)為，株距要根據(jù)籬笆的形成速度和擋土、擋水效益來確定，如果植物生長力強(qiáng)，形成籬笆時(shí)間短，株距就可以寬些，否則就應(yīng)密集種植［9］。

3 植物籬的水土保持效果

3.1 保持水土作用

在坡耕地布設(shè)植物籬能夠有效減少水土流失，地上部分能夠增加地面植被覆蓋度，增加地面粗糙度，減緩徑流速度。植物籬的機(jī)械阻擋作用，降低了徑流攜帶泥沙的能力。同時(shí)，地下部分能夠改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定度，改善土壤的物理性狀，提高土壤抗沖性，從而有效減少坡耕地的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量。

Narain對(duì)坡耕地等高種植的研究表明，玉米等高種植比順坡耕作減少徑流和土壤侵蝕量分別為27%和45%，而新銀合歡等高植物籬下徑流和侵蝕量又比玉米等高種植減少40%和48%［22］。Banda在44°陡坡地的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，非保護(hù)性耕作(玉米)下土壤侵蝕量達(dá)80 t/hm2，而應(yīng)用新銀合歡等高植物籬后降低到2 t/hm2［23］。彭熙等研究指出，新銀合歡、馬桑及黃荊植物籬均有明顯的減流、減沙效果，其減少土壤侵蝕量的效果比減少徑流量更明顯［24］。劉定輝等在紫色丘陵區(qū)研究中發(fā)現(xiàn)，不同坡度下衰草植物籬都能有效地減少水土流失，且12°比24°時(shí)的植物籬減流、減沙效果更加明顯［25］。許峰等在三峽庫區(qū)紫色土25°坡地大雨強(qiáng)模擬降雨下的實(shí)驗(yàn)表明，香根草等高植物籬能減少相當(dāng)于對(duì)照坡耕地的82.2%的侵蝕量［26］。蔡強(qiáng)國等在對(duì)秭歸縣紅石巖等高植物蘺笆小區(qū)天然降雨觀測和人工模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，植物蘺笆可有效地減少土壤侵蝕量，這種作用在大雨強(qiáng)降雨時(shí)尤其明顯［27］。

3.2 涵養(yǎng)養(yǎng)分作用

植物籬可以改善土壤理化性狀。植物籬根系能夠改善土壤滲透性能和通氣狀況，使得土壤容重減小，空隙增加，土壤入滲量和入滲率提高，從而使坡面產(chǎn)流時(shí)間延長，徑流與表土的混合、養(yǎng)分溶解交換過程更加充分，從而使土壤養(yǎng)分含量增加［28，29］。孫輝等對(duì)固氮植物籬改善土壤養(yǎng)分的狀況進(jìn)行了長期定位研究，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)順坡種植相比，采用新銀合歡等高植物籬和山毛豆等高植物籬后，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、有效鉀和陽離子交換量都有不同程度的提高，農(nóng)作物產(chǎn)量也明顯高于對(duì)照［30］。廖曉勇等在三峽庫區(qū)以皇竹草為植物籬，研究發(fā)現(xiàn)植物籬能顯著改善土壤物理性質(zhì)，維持并提高坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀素養(yǎng)分含量，有效改善了土壤肥力狀況［31］。

4 研究展望

由于植物籬技術(shù)具有很好的保持水土、減少侵蝕、減少土壤養(yǎng)分流失、提高土地生產(chǎn)力的作用，使得植物籬技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。但是，也存在一些不足和需要解決的問題。

(1)植物籬的生長也需要一定的光、水、肥，這勢必會(huì)同農(nóng)作物產(chǎn)生競爭作用，從而降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。同時(shí)，采用定期修剪植物籬的方式來減少養(yǎng)分競爭，不僅要耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，還會(huì)影響經(jīng)濟(jì)效益，因此，如何合理布設(shè)植物籬種植密度和科學(xué)修剪，還需要進(jìn)一步研究。

(2)植物籬對(duì)土壤的改良多局限于籬下土壤，對(duì)帶間土壤的改良作用并不太明顯，如何將改良土壤的作用擴(kuò)大化，還需要深入研究。

(3)在防止農(nóng)業(yè)面源污染方面，植物籬技術(shù)應(yīng)與其他水土保持措施相結(jié)合，以期最大限度地保護(hù)農(nóng)業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境。

(4)當(dāng)前，對(duì)植物籬的研究多在減流、減沙和保持土壤養(yǎng)分方面，而對(duì)植物籬地下部因地下滲漏和壤中流減少的養(yǎng)分研究很少，同時(shí)對(duì)植物籬的綜合效益(生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益)研究和評(píng)價(jià)也很少報(bào)道。因此，應(yīng)進(jìn)一步就植物籬群落垂直結(jié)構(gòu)、物種配置及其對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的調(diào)控開展研究，以揭示植物籬對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的作用機(jī)理，進(jìn)而建立適當(dāng)?shù)男б嬖u(píng)價(jià)機(jī)制。

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