坡地植物篱技术的生态效益研究进展

2017-07-29林春蕾陈若君张伯浩

现代农业科技 2017年12期

林春蕾+陈若君+张伯浩

摘要坡地植物篱技术是为实现可持续发展农业的农林复合经营的种植技术，是一种坡地改良的植物措施。坡地植物篱的生态效益主要是指其水土保持效应、改良土壤和提高生产力的作用。本文综述了近15年来植物篱的发展历史，从植物篱的水土保持效益、改善土壤物理性质、提高土壤肥力和改变微地形等方面进行分析，并探讨了植物篱技术应用的不足和今后发展前景。

关键词植物篱；生态效益；研究进展

中图分类号 S157.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）12-0249-03

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，根据第二次水土流失遥感调查，20世纪80年代末，中国水土流失面积356万km2，我国由于人为扰动所造成的土地资源退化面积高达5.392亿hm2，占全国土地总面积的56.2%。因此，坡耕地水土流失综合治理十分迫切，开发与我国经济发展相适应的水土流失综合治理体系迫在眉睫。水土流失防止措施有两大类：一是工程措施；二是植物措施。但工程措施成本较高，对于山区而言，建设起来比较困难。

水土资源流失与土壤肥力减弱是我国耕地利用主要面临的问题之一，水土流失与土壤肥力的流失是坡耕地作物生长状况研究的重要内容之一[1]。我国对于植物篱的研究始于20世纪90年代初期[2]，国内众多研究学者从植物篱的不同种植模式和不同种类植物篱的水土保持效果以及经济效益等方面进行了大量的研究。通过研究不同植物篱、不同种植模式对土壤理化性质的影响来鉴定农业水保措施对改善环境条件和提高经济效益的作用，为水土保持措施效益的评价提供有力的条件。另外，对植物篱的研究也可为农作物产量及坡耕地的利用类型提供依据。用土壤各种理化性质和农作物生长状况的影响间接地或部分直接地预测土壤侵蚀的严重程度和侵蚀量，也为不同坡耕地利用类型有关规划提供科学依据。

1 植物篱的发展史

植物篱是指在山丘、坡面上沿等高线按一定的间距，以线状或条状种植多年生灌木或者乔木或草本，形成植物篱笆以达到防止水土流失的目的。最早的植物篱带间种植农作物模式是在肯尼亚的半干旱区开始的[3]，在20世纪90年代，带状植物篱间作系统引入中国[4]。

国内对于植物篱水土保持技术的研究区域主要集中在金沙江干热河谷、三峡库区、黄土丘陵区、西北干旱区，四川省、云南省、贵州省、湖北省、山西省和陕西省的相关文献占大部分。1991年香根草被引入到四川盆地区域进行试验栽培[5]，唐亚等[6]于1991年在四川金沙江干熱河谷建点对等高固氮植物篱技术进行研究、试验和完善，并且在1994年便着手系统地对等高植物篱技术的水土保持效益和经济效益进行定位定量研究。申元村[7]于1993年分析评价植物篱坡耕地水土保持效益发现，坡耕地种植植物篱4年后，土壤养分含量明显增加，与石坎梯田相比，脐橙产量提高20%。

1996—2001年，山西省运城市水利水保局等在山西南部的平陆县进行黄土高原东部植物篱水土保持效益的试验研究，在坡耕地或荒坡地发展植物篱。2010年香根草被引入贵州喀斯特山区进行水土保持试验研究，为日后贵州山区推广植物篱技术奠定基础[8]。目前，国外对植物篱的研究多集中在东南亚的发展中国家，如印度尼西亚、菲律宾等，并且已取得了一定的研究成果。最初，研究人员采用植物篱间作主要是通过为表层土提供有机质和矿物质的再分配来提高土壤肥力[9]。S. Donjadee·T. Tingsanchali[10]研究香根草在陡坡地的减流减沙效应发现，香根草植物篱减流量达到31%～69%，减少土壤侵蚀量为62%～86%。F AGUS等[11]研究发现，南洋楹植物篱通过循环利用并对土壤中的养分进行再分配，满足农作物对氮的需求，从而提高农作物产量。

2 植物篱的水土保持效益

植物篱的水土保持作用主要是减流减沙效应，坡耕地植物篱关键是通过降低雨滴动能、拦截径流、增加地表覆盖度等来减轻降雨对土壤的激溅侵蚀和提高土壤的抗蚀性，从而可以增强植物篱的抗冲能力。

袁久芹等[12]通过进行人工降雨试验研究了香根草的产流产沙效益，结果发现，香根草植物篱的地上部分可减少75%的侵蚀量，与对照裸地相比较，香根草减流21%，产沙量只有裸地的18%。黄程鹏[13]研究表明，山核桃林不仅不能有效控制土壤侵蚀，还会导致土壤侵蚀加剧，在林草措施中，经济林不适合选用作为坡耕地的林草植被保护，其生态效益相比其他类型的林地较差。张文安等[14]在黔中地区进行了4年连续的定点、定位试验研究发现，香根草、紫穗槐生物埂定植2年后可以降低土壤侵蚀，自第3年开始便基本无土壤侵蚀。史亮涛等[15]在云南干热河谷旱坡地建植南洋樱植物篱后，3年中研究区内土壤侵蚀强度由剧烈侵蚀降低为中度侵蚀，年径流模数与侵蚀模数减少量分别为29.13万m3/km2、12 986.8 t/km2，减少率皆高达76.00%。在此降雨条件下，植物篱能够降低地表径流系数，能促进降雨过程中水分入渗[16]。

3 植物篱提高土地生产力的作用

3.1 改善土壤养分

大多数学者都认为植物篱可以改善土壤养分，但是不同类型植物篱的改善效果差异显著。黎建强等[17]研究结果表明，灌木类和草本类植物篱带内的土壤有机质和土壤全氮含量均存在显著差异，灌木带内的土壤养分含量最高。土壤养分的流失主要以径流为流失途径，径流中土壤细颗粒携带大量的养分，尤其是有效钾的损失与土壤细颗粒的损失成正比关系。植物篱将土壤细颗粒拦截于植物篱带前，并进行再分配，从而富集了细颗粒中的土壤碳和养分[18]。廖晓勇等[19]研究发现，植物篱根系吸收养分后，可以通过刈割枝叶的方式把植物篱吸收的养分返还回田，促进养分的再循环和分配，增加有机质含量。但是植物篱枝叶提供的磷素较少，不能满足农作物对有效磷的需求。因此，引入植物篱农作物系统对磷素循环的影响还需要做进一步的探索[20]。

孙辉等[20]通过对等高固氮植物篱长期定位研究发现，正常耕作3～6年后，等高固氮植物篱可以使作物带土壤全氮含量增加80%～130%，有机质含量增加20%～40%，有效钾和阳离子交换量等养分均有不同程度增加，并且认为坡耕地应用等高固氮植物篱可以显著减少坡耕地的地表径流，不论是单次降雨产生的径流还是累积地表径流量的效果都相似。唐亚等[21]在山区坡耕地建立高密度等高固氮植物篱后，发现植物篱能降低地表径流50%～70%，减少土壤侵蚀97%～99%，土壤全氮含量增加65%～103%，有机质含量增加25%～35%，农作物增产30%～60%。袁运亮等[22]研究结果表明，等高固氮植物篱具有良好的保水性能，在植物篱间作系统中，甘蔗种植期用水量比传统旱坡地甘蔗下降21.31%，节约用水2 145 m3/hm2。王库等[23]研究芨芨草对土壤肥力的影响，结果表明，芨芨草对土壤有机质和全量养分影响不大，但能明显提高土壤速效养分含量，降低土壤pH值，为芨芨草在坡地的复合利用提供参考依据。林超文等[24]通过长期定位小区试验发现，钾元素表现出从坡上向坡下逐渐减少的分布特点，即篱前肥力升高，篱下肥力下降。

香根草对农作物株高的影响仅对靠近篱带前2行比较明显，由于对前2行作物具有遮荫的效果，从而对其株高有明显的影响。其增产效应的最佳篱带间距是8～12 m，草篱与作物间作的安全距离为60 cm[25]。张洋等[26]研究了旱坡地农桑配置对地表氮磷流失的影响，结果表明，农桑配置方式能够显著阻抗地表径流和氮磷流失，為三峡库紫色土区农林复合系统的建立提供科学依据。何丙辉等[27]研究香根草植物篱对紫色土区养分流失的影响发现，香根草植物篱能有效控制表土养分的流失，保持土壤肥力，但全氮的流失依然很严重。王利等[28]研究结果表明，百喜草、花生、黄花菜3种植物篱对氮的吸收造成了与植物篱养分竞争的结果。王库等[23]研究芨芨草对土壤肥力的影响，结果表明，芨芨草对土壤有机质和全量养分影响不大，但能明显提高土壤速效养分含量，降低土壤pH值。

3.2 改善土壤物理性质

反映土壤物理性质的水位指标一般包括土壤团聚体、土壤机械组成、田间持水量、孔隙度（总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度）等，土壤物理性质的好坏与植物是否正常生长有着密切的关系。黄鑫等[29]探究植物篱对紫色土区坡耕地表层土壤的影响发现，植物篱措施小区的土壤>0.25 mm则水稳性团聚体含量增多，土壤孔隙度和土壤细颗粒均不同程度增加。蒲玉琳等[30]研究表明，植物篱坡地农作系统内的土壤>0.25 mm则机械稳定性和水稳性团聚体含量分别显著增加13.3%～16.1%和37.8%～55.6%。刘绪军等[31]研究结果表明，黑土区种植植物篱可使0～30 cm土壤的密度较栽植前平均减小10.07%，减小的最大值为11.32%，从而增强了土壤的透气、透水能力。对于土壤机械组成的改善，许多研究者也做了大量的试验研究，发现植物篱能显著提高土壤细颗粒以及极细颗粒的成分，如黄土丘陵区种植红豆草和苜蓿后，土壤的极细沙粒含量增加幅度分别为4.8%和4.5%，粗粉粒含量增加幅度分别为3.1%和3.9%[32]。林超文等[24]通过长期定位小区试验，定植牧草植物篱后发现土壤黏粒在篱前富积，篱下加剧侵蚀。

4 植物篱改善微地形的效应

植物篱技术不但可以减少地表径流、土壤侵蚀量和提高土壤肥力，在山区坡地上种植植物篱多年后还可以减缓坡度、缩短坡长，在坡耕地种植植物篱，不但可以保持水土，改善土壤理化性质，还能减缓坡度，缩短坡长。申元村[33]在坡耕地种植4年植物篱后，坡度减缓了7°左右。陈治谏等[34]研究结果表明，在皇竹草—农作物模式中，2年后使坡度从25°减小到22°，并且是优良的牧草，是生态工程优先选用的生态恢复植物。尹迪信等[35]在贵州旱坡地研究植物篱梯化技术试验研究发现，连续种植植物篱多年后，自然翻耕使坡度年均下降1.1°，形成了17.1～20.0 cm的梯埂。紫色土区防止水土流失的试验初报中报道，植物篱梯田形成周期较长，一般为7～10年[36]。黄土残塬沟壑区种植植物篱4年后，篱坎高度最大达到85 cm，坡度减缓了9～11°，坡长也明显缩短，矮化梨枣+金银花的植物篱系统使坡度缩短50 cm，花椒植物篱使坡长缩短120 cm，香椿+金银花植物篱使坡长缩短160 cm，矮化石榴+金银花植物篱使坡长缩短70 cm[37]。

5 结语

植物篱技术的推广仅用于云南、四川、贵州、湖北等地，需要进行进一步的推广。目前，植物篱间作系统之间的水分和养分相互之间的关系有待深入研究。因此，以后的研究工作可以致力于研究植物篱与农作物相互之间的关系，选择出与作物争水、争肥较弱的植物篱，为农业生产提供宝贵的数据。

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