植物篱技术应用和研究

　　前言

　　坡耕地水土流失是世界上许多国家所面临的环境问题之一，世界上近8亿人口直接依赖于坡耕地维持他们的给养[1].由于人为活动，使坡耕地生态系统很容易产生水土流失。坡耕地土壤退化严重制约了土地的生产力，而土地的退化过程和坡耕地严重的土壤侵蚀密切相关[2].坡耕地严重的水土流失不仅破坏耕地资源，更威胁到国家生态与粮食安全；坡耕地水土流失在导致山丘区群众贫困的同时，也加剧了江、河、湖、库的淤积和污染，对防洪安全形成威胁，影响水资源的有效利用。对坡耕地合理的开发利用和采取相应的保护模式是防治坡耕地水土流失、实现山区农业可持续发展的关键[3].

　　植物篱技术是一种新型有效的维持坡耕地可持续利用的技术，是农林间作技术的发展，它是在坡耕地上，按一定的间距等高种植多年生草、灌植物，使其成篱（生物墙），在其间种植农作物。由于植物篱对地表径流的拦截阻挡，能有效地控制水土流失，使坡地逐步梯化，增强土壤肥力，提高坡地生产力，实现坡地的可持续利用[4].

　　本文总结了目前国内外植物篱技术的研究和推广的现状，对植物篱在土壤侵蚀控制、地表径流削减、土壤养分增加、土壤物理性质改善和面源污染控制等方面所具有的生态效益进行了分析，并探讨了植物篱技术应用和研究方面的不足和今后研究的重点领域，旨在为我国坡耕地的可持续利用提供一些借鉴和参考。

　　1植物篱技术研究推广

　　植物篱最早起源于20世纪50年代美国的等高草篱，作为一种能有效减少地表径流、保土蓄水的水土保持措施，植物篱在坡地改良利用及侵蚀防治控制等方面逐渐受到研究者的广泛重视。研究表明，植物措施的保水保土效果随降水强度增大而更加明显，甚至可以超过梯田；同时，木本植物根系从深层土壤吸收养分，扩大了农林复合系统中养分循环的范围，提高了系统的养分利用效率和养分的含量及有效性，枯落物分解后可以有效地向土壤归还营养元素，增加土壤有机质，从而改善土壤物理化学性质[5].

　　等高植物篱-农作系统中坡长被截短，坡面径流不连续，侵蚀泥沙的搬运过程受到阻截，植物篱带间微地貌不同于坡耕地，系统中雨滴的打击受到林冠-近地覆盖作物的拦截，坡面溅蚀过程不同于单纯林地，而系统中林木对降雨的截持作用、系统对土壤结构性质的改良、林木篱带对坡面径流的阻滞都能影响雨滴的打击和径流搬运过程，从而影响土壤侵蚀及养分流失。目前国内外对等高植物篱-农作系统内养分流失机理、系统水平空间结构对养分流失影响已经作了一些初步探讨[6].然而，由于植物篱的土壤养分控制效应受立地条件、侵蚀状况等因素影响，同时坡地中耕作侵蚀和水力侵蚀相互作用，系统中大部分的控制机理尚未研究透彻，导致实践中植物篱很难被实际应用者所接受。因此，进一步明确植物篱对土壤养分流失控制的机理对植物篱措施的推广应用具有实际指导意义。

　　1.1植物篱技术在国外的研究推广

　　早在20世纪30年代，在非洲尼日利亚的东南部，农民就有在耕地上带状种植豆科灌木作为肥料，用来控制杂草，其间种植农作物。20世纪初菲律宾的农民有在陡坡地上种植银合欢，用于控制坡地的侵蚀和保护地力的习惯，20世纪30年代荷兰殖民者把这项技术引入印尼东部的帝汶岛加以推广[7].

　　最早可以见到的植物篱种植研究报道是1965年的赫曼智（Hermandez）[8],他在菲律宾连续4年用银合欢与玉米间作，银合欢间距1m,每2个月割1次，研究报道土壤的侵蚀量减少了，而玉米产量却增加了。

　　70年代位于非洲的国际热带农业研究所（IITA）进行木本树木与作物间作的试验研究，随后选择和评价了不同树种植物篱对地力的影响，研究其如何适宜于小农户的技术，以及在大的农场应用的可能性，推荐了10种可供为篱的植物及其种植和管理技术[9].

　　80年代初期，国际农林复合经营研究中心（ICRAF）在非洲一些国家开展植物篱在坡耕地上的水土保持效果和提高农作物产量效果的研究[10].90年代初，国际山地中心（ICIMOD）在兴都库什-喜马拉雅山区（HinduKush-Himalayas）各国建立坡地农业水土保持适用技术实验与示范点，探索适合各国山区具体情况的坡耕地水土保持与土壤培肥模式，以便促进该地区各国山区土地的水土保持和荒漠化治理，促进兴都库什-喜马拉雅山区坡耕地的合理利用和持续发展[11].国际土壤研究和管理委员会（IB-SRAM）在东南亚、太平洋地区和一些非洲国家开展研究，希望通过土地的持续利用来解决山区的贫困和粮食问题，就山地开发、水土保持和退化土壤改良的方法进行研究，并对坡耕地等高带间作和植物篱技术也作了一些研究和示范工作。近年来，澳大利亚国际农业研究中心（ACRAR）也展开大规模的国际合作研究，特别是“可持续农业生产的土壤侵蚀管理”项目，在植物篱防治坡地土壤侵蚀方面作了大量深入仔细的研究，并在土壤侵蚀理论方面取得了很多进展[12],为利用固氮植物篱进行水土流失和土壤退化的生物治理提供了一些理论依据。

　　1.2植物篱技术在国内的研究推广

　　在中国北方的农民很早有种植黄荆、紫穗槐、桑等为篱的习惯。在贵州山区农民有在坡地上等高种植桑、松、杉、茶、果树如桃、李、杏、梨、樱桃等护坡的技术，罗甸县农民用金荞麦保护坡耕地的历史达到百年以上。植物篱技术的研究在国内始于20世纪80年代末，研究初步结论有：中科院成都生物所与国际山地发展研究中心合作提出了“等高固氮植物篱”技术，采用银合欢、山毛豆等在川南推广面积达0.27万hm2[13,14].贵州省农科院与国际土壤研究所和国际水管理研究所合作研究了“植物篱”技术对土壤肥力的影响以及水土保持效果，在贵州推广数百hm2香根草、紫穗槐、灰毛豆、桑树等植物篱[15,16].湖北秭归水保试验站与南京土壤所、华中农大、中科院地理所、香港大学等合作提出三峡植物篱模式，采用黄荆、新银合欢、茶、桑、香根草等为篱，与经果林配合推广了160hm2.

　　陕西水保局在黄土高原推广与果树（枣、苹果、梨、杏等）配合的“等高灌木带”,等高种植沙柳、沙棘、紫穗槐、黄荆、柠条等，仅陕西省靖边县就推广种植0.67万hm2[17].四川省农科院在试验研究中提出“经济植物篱”概念，强调成篱植物的经济效益，提出采用桑、蓑草、黄花、果树、花椒、金银花和饲草为篱[18],以期解决因成篱植物经济效益低，农民不愿意推广的问题。

　　2植物篱生态效益研究进展

　　2.1植物篱对土壤侵蚀的影响

　　植物篱在经过多方面多角度的研究后，被认为在防止土壤侵蚀方面具有显著的作用和效果。蔡强国等[19]通过一系列研究之后认为植物篱笆能减少土壤侵蚀量，这种作用在大雨强时尤其明显，同时指出减少土壤侵蚀的原因是篱笆根部能阻挡水流，减缓流速，减小水流的泥沙携带能力，使细沟不容易形成。

　　伊迪信等[20]研究认为，植物篱控制土壤侵蚀的原因是其增加了地面覆盖度，减缓了坡度，改善了土壤质地，缩短了坡长，以及植物篱对地表径流的机械阻挡，而其中植物篱的机械阻挡作用是引起土壤侵蚀量大幅度下降的主要原因。尽管两位学者从不同的侧面对植物篱减轻土壤侵蚀进行了阐述，但共同的一点是植物篱的机械阻挡是其减轻土壤侵蚀的主要直接原因。

　　2.2植物篱对径流的影响

　　径流是携带泥沙流失的主要动力载体，同时流失的泥沙中又强烈地富集养分，造成养分大量流失，因此防止径流产生至关重要。

　　王青杵等[21]研究表明，植物篱能减缓产流时间。李秀彬等[22]也认为，在坡面种植植物篱能延缓径流流速，延长产流时间。孙辉等[23]利用新银合欢和山毛豆在坡耕地上每隔4m培植高密度的双行等高植物篱，结果表明可使坡耕地的径流量平均减少49.6%以上。唐亚等[24]研究表明在坡耕地上建立高密度植物篱可降低地表径流50%~70%.

　　许峰等[25]则通过大雨强模拟降雨对植物篱效果进行了研究，结果表明以等高植物篱为代表的坡地生态工程能相当有效地减少坡面径流量，并指出通过施肥和带间覆盖效果会更明显。而唐政洪等[26]则根据其实验小区资料建立了紫穗槐植物篱径流模型。

　　以上这些研究结果表明，植物篱能延长产流时间，减缓径流流速，减少径流流失量，同时通过一定人为处理措施效果会更好。然而由于人为处理的方法不同，可能导致的效果有所差距。但具体哪些人为措施比较理想，目前仍然没有系统的研究和统一的认定。

　　2.3植物篱对土壤养分和有机质的影响

　　土壤养分流失是农田非点源污染的主要形式。土壤养分是植物生长发育的物质基础，肥沃的土壤能促进植物生长旺盛、枝叶繁茂，从而能增加植被覆盖度，减少水土流失，对于经济作物来说，还可以提高其经济产量。相反，选择适宜的树种也能改善土壤肥力，促进土壤养分结构良性循环。

　　孙辉等[27]曾在四川宁南县坡耕地上对等高固氮植物篱新银合欢和山毛豆进行了研究，结果表明，两者在防止土壤养分退化方面作用明显，经正常耕作3~6年后，作物带土壤全氮、有机质、有效钾和阳离子交换量等均有不同程度的增加。之后他又在同一试验点上对坡耕地土壤坡面养分进行了研究，结果表明等高固氮植物篱模式对养分的影响表现在对养分的归还和在土壤坡面的再分配，植物篱根系可将土壤深层的P、K吸收并通过刈割枝叶返还种植带，发挥养分泵的功能[28].许峰等则在三峡库区紫色土坡耕地上采用香根草、马桑、新银合欢、黄荆等作为植物篱，先后分别从植物篱带间距[29]以及土壤养分动态[30]等方面进行了较多研究和探讨，等高植物篱带间距应控制在细沟侵蚀发生的临界坡长（6m）以内才能有效减少养分流失。

　　此外，同样也是在三峡库区紫色土上，植物篱仍为马桑、新银合欢、黄荆，黄丽等[31]则专门就植物篱对土壤有机质的影响做了研究探讨，结果表明，种植植物篱后可显著提高土壤有机质含量并有利于胡敏酸的积累，使HA/FA增大，土壤腐殖酸分子中芳香环的缩合度、芳化度等都明显提高，腐殖质的熟化度增加。朱远达等[5]通过局部地形变化、土壤颗粒和养分在小区内的空间分布变化，对植物篱控制土壤养分流失的机理进行了研究，指出植物篱对粒径较大的颗粒流失控制效果更明显。

　　为了进一步认识植物篱是否能够提高坡地持续生产力的作用，李秀彬等[22]除了对其一般保持水土方面研究之外，还从植物篱用作绿肥的角度来衡量其培肥土壤的效果，其结果显示新银合欢每年所产绿肥含纯N素924kg/hm2,P为48kg/hm2,K为504kg/hm2,间接改善土壤养分效果十分明显。

　　2.4植物篱对土壤物理性质的影响

　　土壤物理性质的好坏对植物的正常生长也将产生重大的影响。通常用来反映土壤物理性质的指标有土壤自然含水量、田间持水量、容重、比重、孔隙度（总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度）、机械组成及土壤结构等。

　　黄丽等[31]研究表明，植物篱能改善土壤结构，使土壤中2~0.2mm粒级微团聚体的含量呈现增加的趋势。唐亚等[24]也认为植物篱能改善团粒结构及水分渗透率。李新平等[32]对植物篱水土保持效应及机理进行了研究，分析后认为植物篱地下部根系能显著改善耕层土壤的物理性状，增强土壤入渗能力和提高土壤抗冲性，并且指出植物篱带能在较长的时间内维持较高的土壤入渗量和较大的稳定入渗率。伊迪信等[15]通过研究后证明，逐步梯化的植物篱能年均增加蓄水量360m3/hm2.孙辉等[33]则对植物篱种植系统土壤水分动态作了较深入研究，其结果表明，植物篱与农作物利用土壤水分的深度不同，植物篱在旱季主要利用50cm以下深层土壤水分来度过严酷的旱季，而在雨季则促进水分向深层土壤渗透，提高0~150cm土层贮水量，同时指出植物篱土壤水分渐变层厚度大于传统耕作坡地和裸坡地。

　　在我国，人们研究植物篱时多以等高植物篱或等高固氮植物篱为材料，王喜龙等[34]则以地埂植物篱为研究对象，对植物篱影响土壤的其他性状进行了研究，其结果表明地埂植物篱能增加土壤孔隙度，降低土壤容重，增加土壤入渗量，有利于蓄水。此后，王玲玲等[35]在砾石坡耕地上又再次以等高植物篱为研究对象进行了相关研究，结果同样表明植物篱能使土壤容重下降，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度明显增加，改土效果明显。

　　2.5植物篱对坡面径流、面源污染物的削减作用

　　植物篱通过减少坡耕地的地表径流和农地非点源污染物质输出量从而达到控制非点源污染的效果[36,37].当径流从坡面上部向下流动过程中，径流中的泥沙在遇到植物篱时，会有明显的沉积，而泥沙作为面源污染物（尤其是泥沙结合态P）的重要载体，阻截泥沙的流失就意味着减少了面源污染物的输出。

　　其次，坡耕地的地表径流通过植物篱的层层拦截，一方面延长了地表径流的下渗时间，另一方面也大大降低了地表径流的速度，加上土壤水分入渗率的逐年改善，而径流是面源污染物的主要载体，植物篱在削减径流的同时也削减了坡面径流的面源污染物。种植植物篱后可以显著提高土壤有机质含量，提高了土壤肥力水平，减少化肥的施用量，间接减少了坡面径流面源污染物的输出。

　　植物过滤带通过植物篱和有机质以及微生物体的吸附作用净化径流，含面源污染物的径流通过6m长的植物过滤带后，75%的全N、全P、悬移质特别是P被吸附。

　　3结语

　　综上所述，等高固氮植物篱技术一方面由于植物篱的阻截作用改善了坡耕地的微地形，拦截了泥沙，增加了入渗，减少了径流，改良了土壤，另外由于给农田补充了养分，减少了化肥的施用量，因此大大减少了坡面径流面源污染物的输出，对于防止坡耕地农业面源污染具有非常好的效果。

　　植物篱是一种很有潜力的坡地持续利用技术，它把发挥坡地资源优势与防治坡地退化有机结合起来，充分利用坡地因其坡度、坡向和坡位而具有的空间优势和环境类型优势来发展立体种植和多种经营，是实现坡耕地可持续利用以及减轻坡耕地农业面源污染的重要途径。

　　我国从研究植物篱开始到现在仅有10余年的历史。在过去的10多年里，植物篱技术研究在我国得到了重视并取得了长足进展，但在以下几个研究内容方面仍然存在欠缺与不足：①植物篱水土保持效益模型的研究与建立；②植物篱对土壤微生物的影响以及对间作物生长环境的影响；③植物篱自身营养成分含量的研究与测定；④植物篱种类的选择与配置特别是经济植物篱；⑤不同植物篱栽植的最佳密度、株行距、带距与带间距；⑥不同植物篱的修剪时间、高度与次数；⑦植物篱的生态效益、经济效益及其综合效益评价；⑧植物篱技术和控制坡耕地面源污染物相结合。

　　植物篱技术也是一项防治坡耕农业地面源污染的行之有效的措施，但是目前来讲，植物篱技术研究较多的是如何控制水土流失，对于削减农业面源污染的研究较少，而农业面源污染（尤其是坡耕地产生的农业面源污染）日益成为我国水源保护的重要难题，在这方面的研究还需要加大力度。