植物籬水土保持技術(shù)研究進(jìn)展

楊玉義，黃 璐，嚴(yán)力蛟

(浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)規(guī)劃與景觀設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310058)

坡耕地占我國(guó)耕地總面積的43.8%，是山區(qū)的主要土地資源。水土流失是制約山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展、影響產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的瓶頸。植物籬、坡改梯等工程技術(shù)在部分地區(qū)應(yīng)用有效抑制了水土流失，改善了生態(tài)環(huán)境，提高了作物產(chǎn)量，深受農(nóng)民歡迎。植物籬水土保持技術(shù)是在坡耕地上一定間距種植草本或木本植物，以減少水土流失、保護(hù)坡地的技術(shù)［1－10］。該項(xiàng)技術(shù)可保持水土、改善土壤性質(zhì)，但也有占用耕地、與農(nóng)作物競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分的問(wèn)題［10－19］。本文綜述近10年來(lái)該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展，討論未來(lái)研究重點(diǎn)，旨在促進(jìn)該技術(shù)在我國(guó)山區(qū)推廣，使山區(qū)農(nóng)業(yè)走上高效生產(chǎn)、生態(tài)保護(hù)的良性發(fā)展之路。

1 國(guó)內(nèi)研究的區(qū)域差異

植物籬水土保持技術(shù)于20世紀(jì)90年代導(dǎo)入中國(guó)，但是該項(xiàng)研究存在明顯的區(qū)域差異。2002年土壤普查數(shù)據(jù)顯示 (圖1)，全國(guó)土壤水蝕面積前5位的省份是四川、內(nèi)蒙、云南、陜西、甘肅。然而植物籬水土保持技術(shù)的研究地域主要集中于南方(圖2)，四川省是相關(guān)研究最多的地方，該地域的相關(guān)研究文獻(xiàn)占文獻(xiàn)總數(shù)的35.80%，其次是湖北省 (20.99%)和貴州省 (16.05%)，該3個(gè)省文獻(xiàn)總數(shù)占總文獻(xiàn)量的72.84%，而北方的相關(guān)研究甚少。從整體上看:南方紅壤區(qū)研究較多，北方棕壤區(qū)研究少;丘陵區(qū)研究多，高原溝壑區(qū)研究少;亞熱帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)研究多，溫帶干旱半干旱地區(qū)研究少。由于氣候類型、土壤條件的顯著差異，南方植物籬水土保持技術(shù)研究成果在北方的適用性不強(qiáng)，需要進(jìn)行大量研究以彌補(bǔ)區(qū)域理論研究方面的差異。

2 植物籬的選擇

選擇適宜的植物籬品種能夠減少水土流失，還能帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)利益。李秀彬等［19－28］指出植物籬選擇應(yīng)考慮3個(gè)因素:植物籬的生物學(xué)特性、環(huán)境適應(yīng)能力及植物功用;孫輝等［29］提出:植物籬應(yīng)適合于當(dāng)?shù)貞?yīng)用、能保持水土、能培肥土壤、并有多種經(jīng)濟(jì)用途。植物籬的選擇不僅要考慮防止水土流失效果和增收效應(yīng)，還應(yīng)以本土物種為主，以有利于保持生物多樣性和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。Owino等［5，9］發(fā)現(xiàn)本土的象草和甜根子草比外來(lái)物種香根草更為合適用作植物籬。張斌等［30－37］］則使用參數(shù)投影模型評(píng)價(jià)樣本的優(yōu)劣來(lái)選擇植物籬品種。經(jīng)過(guò)10多年的研究，我國(guó)植物籬品種選擇取得顯著進(jìn)展，選出了一批適合于不同地區(qū)應(yīng)用的品種。我國(guó)各地區(qū)應(yīng)用的植物籬品種:三峽庫(kù)區(qū)新銀合歡，馬桑、黃荊和木槿［29］;金沙江干旱河谷地區(qū)山毛豆、云南合歡、新銀合歡［29］;冀西北黃土丘陵區(qū)檸條、紫穗槐、黃花菜、杏樹、海棠［33］;紅壤坡耕地黃花菜、百喜草、香根草［32］;陜北檸條、槐、沙棘、沙柳［32］。

圖1 2002年全國(guó)水蝕面積最大的前5位省份

不過(guò)，植物籬品種的選擇是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，不僅需要專家的努力，也需要農(nóng)民的參與。在推廣過(guò)程中，專家的指導(dǎo)與農(nóng)戶的參與相結(jié)合，才會(huì)取得成功［20］。Pondel等［1］認(rèn)為農(nóng)民的參與對(duì)該技術(shù)的推廣起有重要作用，當(dāng)然也要考慮農(nóng)民的試驗(yàn)?zāi)芰σ约捌鋽?shù)據(jù)可信度問(wèn)題。據(jù)此，提出植物籬品種試驗(yàn)推廣流程圖 (圖3)。由科研人員和農(nóng)民以現(xiàn)有推廣品種和當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土物種為基礎(chǔ)，依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛩臈l件建立植物籬品種選擇庫(kù);科研人員在當(dāng)?shù)剞r(nóng)技人員的支持下開展試驗(yàn)研究，篩選合適的植物籬品種;然后，讓農(nóng)民參與推廣實(shí)驗(yàn)，一方面增加農(nóng)民對(duì)植物籬技術(shù)的認(rèn)知;另一方面利于推廣農(nóng)民樂(lè)于接受的植物籬品種、種植模式和農(nóng)牧等復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

圖2 植物籬文獻(xiàn)研究前5位的省份

圖3 植物籬品種選擇及推廣流程

3 植物籬的水土保持效益

3.1 減小徑流，控制水土流失

坡面徑流是水土流失的重要原因。目前，國(guó)際上出現(xiàn)雜草緩沖區(qū) (weed buffers)、草地緩沖區(qū)(grass buffers)等術(shù)語(yǔ)，它與植物籬的差異在于前者條帶更寬，但目的和本質(zhì)相同。Mihara等［6］發(fā)現(xiàn)寬7.2 m的雜草緩沖區(qū)可明顯減小徑流，截留99.6%的土壤流失量。Dorioz等［4］發(fā)現(xiàn)草地緩沖區(qū)能降低水土流失過(guò)程中磷的損失，但還需作長(zhǎng)期觀察。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此也有不少研究。

水土流失分為面蝕和細(xì)溝侵蝕，局部徑流改變是導(dǎo)致泥沙侵蝕的根本原因，造成土壤有效養(yǎng)分流失［11］，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)、雨量增大，細(xì)溝侵蝕超過(guò)面蝕成為主要侵蝕方式［25，36］。植物籬地表覆蓋可以改變徑流，使侵蝕量與降雨量不呈正相關(guān)關(guān)系［14］。植物籬還可改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定度，減少水土流失［24］。在實(shí)際應(yīng)用中植物籬發(fā)揮了良好的效果，在侵蝕溝生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中使用植物籬技術(shù)年徑流量為無(wú)植物籬處理的7.2%，泥沙流失量為對(duì)照的 1%［34］。孫輝等［15，17，26，35］證實(shí)植物籬具有減小徑流、保持水土的效果。李新平等［18，23］通過(guò)人工降雨實(shí)驗(yàn)采用線性回歸和元胞自動(dòng)機(jī)法建立了植物籬坡面土壤侵蝕模型。蔡國(guó)強(qiáng)等［8］通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估了歐洲土壤侵蝕模型 (EUROSEM)在我國(guó)應(yīng)用的有效性。綜合當(dāng)前研究表明植物籬能減小徑流、降低土壤流失的機(jī)制主要是:覆蓋阻擋作用、局部徑流改變和土壤顆粒性質(zhì)改變。但微觀機(jī)理有待進(jìn)一步研究，降水侵蝕模型的有效應(yīng)用需要對(duì)參數(shù)選擇和可操作性進(jìn)行慎重考慮。

3.2 改善土壤養(yǎng)分

植物籬可以控制水土流失，還可改善土壤養(yǎng)分狀況。Babalola等［7］研究發(fā)現(xiàn)香根草覆蓋量達(dá)6 t·hm－2時(shí)，土壤 NO－3含量是無(wú)香根草覆蓋的2.47倍。Sudhishri等［9］發(fā)現(xiàn)甜根子草能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)和可溶性鉀積累。廖曉勇等［22］發(fā)現(xiàn)植物籬刈割莖葉后土壤養(yǎng)分狀況有顯著提高，養(yǎng)分呈現(xiàn)水平和垂直分異。孫輝等［27－30］研究了植物籬莖葉中有機(jī)質(zhì)的分解和磷、鉀、鈣、鎂的礦化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)植物籬莖葉刈割后氮、鉀可滿足農(nóng)作物產(chǎn)量所需，磷素需要施肥補(bǔ)充;而林超文等［21］發(fā)現(xiàn)從土壤絕對(duì)量來(lái)看，磷有高度富積，而有機(jī)質(zhì)和鉀則高度耗竭。出現(xiàn)此種差異可能是植物籬品種和土質(zhì)不同所致。植物籬能顯著改善土壤肥力，但是不同植物籬品種和種植條件的影響還有待進(jìn)一步研究。

4 植物籬技術(shù)的推廣應(yīng)用

4.1 植物籬與農(nóng)作物的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)

植物籬生長(zhǎng)需要一定的水肥條件，不合適的植物籬與農(nóng)作物搭配會(huì)導(dǎo)致種間抑制而減產(chǎn)。Dercon等［2－3］研究發(fā)現(xiàn):球莖虉草、兩耳草、象草會(huì)同農(nóng)作物競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分而影響產(chǎn)量。郭忠錄等［16］發(fā)現(xiàn)紫穗槐、香根草間作與大豆單作相比，間作大豆地上部分干物量和吸氮量降低，紫穗槐負(fù)面影響更強(qiáng)。張展羽等［38］發(fā)現(xiàn)百喜草在關(guān)鍵時(shí)期與柑橘形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系而影響柑橘產(chǎn)量。但是競(jìng)爭(zhēng)抑制發(fā)生在何種作物生長(zhǎng)階段，爭(zhēng)奪何種生長(zhǎng)因子，通過(guò)何種耕作管理措施降低負(fù)面影響，選擇合適的植物籬與農(nóng)作物搭配避免養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)均須進(jìn)一步研究。

4.2 多樣種植模式，層次復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式

植物籬水土保持技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵是與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相結(jié)合，采取合理的種植模式與復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式相結(jié)合的方式，既要保持水土又要實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益。Poudel等［1］發(fā)現(xiàn)植物籬小區(qū)內(nèi)“大白菜、番茄、大白菜”輪作比“番茄、大白菜、番茄”更利于保持水土。唐亞等［10］發(fā)現(xiàn)植物籬與桑樹間作，桑葉鮮重、干重分別比傳統(tǒng)桑高57%、87%。陳一兵等［12－13］發(fā)現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)植物籬 +橫坡種植”模式減少水土流失66.0%，耕地生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能提高17%，并以四川丘陵為例針對(duì)高坡度、中坡度和低坡度耕地的不同立地條件提出適合各個(gè)坡度條件的經(jīng)濟(jì)植物籬模式。目前，國(guó)內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)形成一些比較成熟的植物籬模式，推廣應(yīng)用已經(jīng)起步。但要實(shí)現(xiàn)全國(guó)坡耕地的推廣應(yīng)用，必須在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)氣候水文條件及植物籬品種與農(nóng)作物之間的關(guān)系篩選出適合當(dāng)?shù)氐淖罴阎参锘h模式，形成農(nóng)業(yè)牧業(yè)、農(nóng)業(yè)蠶桑產(chǎn)業(yè)等相結(jié)合的復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式。

我國(guó)各地應(yīng)用的植物籬種植模式:貴州省茶葉+楊梅、桃樹+金養(yǎng)麥、梨樹+紫花苜蓿、桃+紫花苜蓿、梨樹 +皇竹草、梨樹 +黃花菜［20，31］;四川省植物籬+桑樹、植物籬+桑樹+果園、植物籬+農(nóng)作物、植物籬 +牧草［12、29］;云南省花椒 +黃花、花椒+飼草作物［32］;山西省矮化棗 +金銀花籬笆、香椿 +金銀花籬笆、矮化石榴 +黃花菜籬笆［29］。

4.3 植物籬的效益評(píng)價(jià)

正確評(píng)價(jià)植物籬效益是植物籬品種和種植模式選擇的重要依據(jù)。Sudhishri等［9］將植物籬水土保持效益、飼料價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、維護(hù)成本4種因子賦予權(quán)重，對(duì)香根草、甜根子草、金雀草評(píng)價(jià)，得出甜根子草為最適品種;李裕榮等［20］在評(píng)價(jià)過(guò)程中引入農(nóng)民評(píng)分，從中找到農(nóng)民樂(lè)于接受的植物籬模式;祝其麗等［38－39］采用層次分析法發(fā)現(xiàn)新銀合歡雙行植物籬+農(nóng)作物配施磷肥模式的綜合效益最優(yōu)。植物籬的效益評(píng)價(jià)方法要依據(jù)應(yīng)用目的，將植物籬應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)、公路護(hù)坡則要以生態(tài)效益為主;植物籬應(yīng)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，就要對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益作綜合分析。

5 討論

我國(guó)山區(qū)面積占國(guó)土總面積的69%，占耕地面積的40%。但植物籬僅用于四川、云南、湖北、貴州等少數(shù)省份，需要進(jìn)一步研究推廣。我國(guó)植物籬水土保持技術(shù)面臨的主要問(wèn)題是:如何平衡植物籬占用耕地與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)之間的關(guān)系;如何實(shí)現(xiàn)植物籬綜合利用、降低水土保持費(fèi)用;如何搭配植物籬與農(nóng)作物、實(shí)現(xiàn)生態(tài)位合理分離等。我國(guó)植物籬水土保持技術(shù)研究未來(lái)趨勢(shì)是:理論研究深入化;實(shí)踐推廣合理化;效益評(píng)估綜合化。理論研究深入化包括:采用REE元素、同位素標(biāo)記技術(shù)研究土壤侵蝕機(jī)制，建立適用于我國(guó)的土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型;加強(qiáng)北方氣候水溫土壤條件下植物籬水土保持技術(shù)的研究;研究植物籬對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物活性的影響;研究植物籬對(duì)養(yǎng)分循環(huán)、能量利用的影響;研究植物籬水土保持技術(shù)與其它水土保持措施的比較與結(jié)合應(yīng)用。

植物籬水土保持技術(shù)的最終目的是推廣應(yīng)用，為我國(guó)山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)民增收發(fā)揮積極作用。在推廣過(guò)程中，關(guān)鍵是選擇出適合當(dāng)?shù)貤l件為農(nóng)民樂(lè)于接受的植物籬品種和種植模式。為加快推廣應(yīng)用，需研究的問(wèn)題有:植物籬與農(nóng)作物的搭配互作，避免產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)抑制;植物籬與當(dāng)?shù)仄渌a(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系，與農(nóng)牧、農(nóng)桑等產(chǎn)業(yè)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合經(jīng)營(yíng)，增加農(nóng)民收入;植物籬與農(nóng)作物系統(tǒng)中的平衡施肥措施;積極強(qiáng)調(diào)農(nóng)民的參與;引入社會(huì)學(xué)的研究方法分析水土保持過(guò)程中農(nóng)民的行為，解決存在的問(wèn)題，因勢(shì)利導(dǎo)建立政府、專家、農(nóng)民多方參與的推廣機(jī)制。

植物籬水土保持技術(shù)已在貴州、四川部分地區(qū)得到應(yīng)用，通過(guò)效益評(píng)估可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，便于進(jìn)一步解決。要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和良性循環(huán)，綜合評(píng)價(jià)顯得更為必要，它將為推廣應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。效益評(píng)估要在目標(biāo)差異性、方法綜合性、評(píng)價(jià)全面性的原則下對(duì)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)植物籬效益的有效評(píng)估，需要做好以下方面:針對(duì)植物籬的應(yīng)用目的建立不同的、操作性強(qiáng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系;采用先進(jìn)的方法，如:生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)方法、農(nóng)民參與式評(píng)價(jià)方法等;評(píng)估的結(jié)果要有效地反饋，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題要及時(shí)處理?？傊ㄟ^(guò)“理論研究—推廣應(yīng)用研究—效益評(píng)價(jià)”的循環(huán)，三者相互促進(jìn)，使理論研究不斷深入，實(shí)際推廣更加務(wù)實(shí)有效，評(píng)估體系能提供更加有力的反饋意見，探索出適合不同地區(qū)的植物籬種植模式和管理方法，促進(jìn)植物籬在我國(guó)山區(qū)坡地的大力推廣。

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