植物籬技術(shù)應(yīng)用和研究,農(nóng)藝學(xué)論文

植物籬技術(shù)應(yīng)用和研究,農(nóng)藝學(xué)論文前言坡耕地水土流失是世界上很多國(guó)家所面臨的環(huán)境問(wèn)題之一，世界上近8億人口直接依靠于坡耕地維持他們的給養(yǎng)[1].由于人為活動(dòng)，使坡耕地生態(tài)系統(tǒng)很容易產(chǎn)生水土流失。坡耕地土壤退化嚴(yán)重制約了土地的生產(chǎn)力，而土地的退化經(jīng)過(guò)和坡耕地嚴(yán)重的土壤侵蝕密切相關(guān)[2].坡耕地嚴(yán)重的水土流失不僅毀壞耕地資源，更威脅到國(guó)家生態(tài)與糧食安全；坡耕地水土流失在導(dǎo)致山丘區(qū)群眾貧困的同時(shí)，也加劇了江、河、湖、庫(kù)的淤積和污染，對(duì)防洪安全構(gòu)成威脅，影響水資源的有效利用。對(duì)坡耕地合理的開(kāi)發(fā)利用和采取相應(yīng)的保衛(wèi)形式是防治坡耕地水土流失、實(shí)現(xiàn)山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[3].植物籬技術(shù)是一種新型有效的維持坡耕地可持續(xù)利用的技術(shù)，是農(nóng)林間作技術(shù)的發(fā)展，它是在坡耕地上，按一定的間距等高種植多年生草、灌植物，使其成籬〔生物墻〕，在其間種植農(nóng)作物。由于植物籬對(duì)地表徑流的攔截阻擋，能有效地控制水土流失，使坡地逐步梯化，加強(qiáng)土壤肥力，提高坡地生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)坡地的可持續(xù)利用[4].本文總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外植物籬技術(shù)的研究和推廣的現(xiàn)在狀況，對(duì)植物籬在土壤侵蝕控制、地表徑流削減、土壤養(yǎng)分增加、土壤物理性質(zhì)改善和面源污染控制等方面所具有的生態(tài)效益進(jìn)行了分析，并討論了植物籬技術(shù)應(yīng)用和研究方面的缺乏和今后研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，旨在為我們國(guó)家坡耕地的可持續(xù)利用提供一些借鑒和參考。1植物籬技術(shù)研究推廣植物籬最早起源于20世紀(jì)50年代美國(guó)的等高草籬，作為一種能有效減少地表徑流、保土蓄水的水土保持措施，植物籬在坡地改進(jìn)利用及侵蝕防治控制等方面逐步遭到研究者的廣泛重視。研究表示清楚，植物措施的保水保土效果隨降水強(qiáng)度增大而愈加明顯，甚至能夠超過(guò)梯田；同時(shí)，木本植物根系從深層土壤吸收養(yǎng)分，擴(kuò)大了農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)的范圍，提高了系統(tǒng)的養(yǎng)分利用效率和養(yǎng)分的含量及有效性，枯落物分解后能夠有效地向土壤歸還營(yíng)養(yǎng)元素，增加土壤有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)[5].等高植物籬-農(nóng)作系統(tǒng)中坡長(zhǎng)被截短，坡面徑流不連續(xù)，侵蝕泥沙的搬運(yùn)經(jīng)過(guò)遭到阻截，植物籬帶間微地貌不同于坡耕地，系統(tǒng)中雨滴的打擊遭到林冠-近地覆蓋作物的攔截，坡面濺蝕經(jīng)過(guò)不同于單純林地，而系統(tǒng)中林木對(duì)降雨的截持作用、系統(tǒng)對(duì)土壤構(gòu)造性質(zhì)的改進(jìn)、林木籬帶對(duì)坡面徑流的阻滯都能影響雨滴的打擊和徑流搬運(yùn)經(jīng)過(guò)，進(jìn)而影響土壤侵蝕及養(yǎng)分流失。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)等高植物籬-農(nóng)作系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分流失機(jī)理、系統(tǒng)水平空間構(gòu)造對(duì)養(yǎng)分流失影響已經(jīng)作了一些初步討論[6].然而，由于植物籬的土壤養(yǎng)分控制效應(yīng)受立地條件、侵蝕狀況等因素影響，同時(shí)坡地中耕作侵蝕和水力侵蝕互相作用，系統(tǒng)中大部分的控制機(jī)理尚未研究透徹，導(dǎo)致實(shí)踐中植物籬很難被實(shí)際應(yīng)用者所接受。因而，進(jìn)一步明確植物籬對(duì)土壤養(yǎng)分流失控制的機(jī)理對(duì)植物籬措施的推廣應(yīng)用具有實(shí)際指導(dǎo)意義。1.1植物籬技術(shù)在國(guó)外的研究推廣早在20世紀(jì)30年代，在非洲尼日利亞的東南部，農(nóng)民就有在耕地上帶狀種植豆科灌木作為肥料，用來(lái)控制雜草，其間種植農(nóng)作物。20世紀(jì)初菲律賓的農(nóng)民有在陡坡地上種植銀合歡，用于控制坡地的侵蝕和保衛(wèi)地力的習(xí)慣，20世紀(jì)30年代荷蘭殖民者把這項(xiàng)技術(shù)引入印尼東部的帝汶島加以推廣[7].最早能夠見(jiàn)到的植物籬種植研究報(bào)道是1965年的赫曼智〔Hermandez〕[8],他在菲律賓連續(xù)4年用銀合歡與玉米間作，銀合歡間距1m,每2個(gè)月割1次，研究報(bào)道土壤的侵蝕量減少了，而玉米產(chǎn)量卻增加了。70年代位于非洲的國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)研究所〔IITA〕進(jìn)行木本樹(shù)木與作物間作的試驗(yàn)研究，隨后選擇和評(píng)價(jià)了不同樹(shù)種植物籬對(duì)地力的影響，研究其怎樣適宜于小農(nóng)戶(hù)的技術(shù)，以及在大的農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用的可能性，推薦了10種可供為籬的植物及其種植和管理技術(shù)[9].80年代初期，國(guó)際農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)研究中心〔ICRAF〕在非洲一些國(guó)家開(kāi)展植物籬在坡耕地上的水土保持效果和提高農(nóng)作物產(chǎn)量效果的研究[10].90年代初，國(guó)際山地中心〔ICIMOD〕在興都庫(kù)什-喜馬拉雅山區(qū)〔HinduKush-Himalayas〕各國(guó)建立坡地農(nóng)業(yè)水土保持適用技術(shù)實(shí)驗(yàn)與示范點(diǎn)，探尋求索合適各國(guó)山區(qū)詳細(xì)情況的坡耕地水土保持與土壤培肥形式，以便促進(jìn)該地區(qū)各國(guó)山區(qū)土地的水土保持和荒漠化治理，促進(jìn)興都庫(kù)什-喜馬拉雅山區(qū)坡耕地的合理利用和持續(xù)發(fā)展[11].國(guó)際土壤研究和管理委員會(huì)〔IB-SRAM〕在東南亞、太平洋地區(qū)和一些非洲國(guó)家開(kāi)展研究，希望通過(guò)土地的持續(xù)利用來(lái)解決山區(qū)的貧困和糧食問(wèn)題，就山地開(kāi)發(fā)、水土保持和退化土壤改進(jìn)的方式方法進(jìn)行研究，并對(duì)坡耕地等高帶間作和植物籬技術(shù)也作了一些研究和示范工作。近年來(lái)，澳大利亞國(guó)際農(nóng)業(yè)研究中心〔ACRAR〕也展開(kāi)大規(guī)模的國(guó)際合作研究，十分是可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土壤侵蝕管理項(xiàng)目，在植物籬防治坡地土壤侵蝕方面作了大量深切進(jìn)入仔細(xì)的研究，并在土壤侵蝕理論方面獲得了很多進(jìn)展[12],為利用固氮植物籬進(jìn)行水土流失和土壤退化的生物治理提供了一些理論根據(jù)。1.2植物籬技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究推廣在中國(guó)北方的農(nóng)民很早有種植黃荊、紫穗槐、桑等為籬的習(xí)慣。在貴州山區(qū)農(nóng)民有在坡地上等高種植桑、松、杉、茶、果樹(shù)如桃、李、杏、梨、櫻桃等護(hù)坡的技術(shù)，羅甸縣農(nóng)民用金蕎麥保衛(wèi)坡耕地的歷史到達(dá)百年以上。植物籬技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)始于20世紀(jì)80年代末，研究初步結(jié)論有：中科院成都生物所與國(guó)際山地發(fā)展研究中心合作提出了等高固氮植物籬技術(shù)，采用銀合歡、山毛豆等在川南推廣面積達(dá)0.27萬(wàn)hm2[13,14].貴州省農(nóng)科院與國(guó)際土壤研究所和國(guó)際水管理研究所合作研究了植物籬技術(shù)對(duì)土壤肥力的影響以及水土保持效果，在貴州推廣數(shù)百hm2香根草、紫穗槐、灰毛豆、桑樹(shù)等植物籬[15,16].湖北秭歸水保試驗(yàn)站與南京土壤所、華中農(nóng)大、中科院地理所、香港大學(xué)等合作提出三峽植物籬形式，采用黃荊、新銀合歡、茶、桑、香根草等為籬，與經(jīng)果林配合推廣了160hm2.陜西水保局在黃土高原推廣與果樹(shù)〔棗、蘋(píng)果、梨、杏等〕配合的等高灌木帶,等高種植沙柳、沙棘、紫穗槐、黃荊、檸條等，僅陜西省靖邊縣就推廣種植0.67萬(wàn)hm2[17].四川省農(nóng)科院在試驗(yàn)研究中提出經(jīng)濟(jì)植物籬概念，強(qiáng)調(diào)成籬植物的經(jīng)濟(jì)效益，提出采用桑、蓑草、黃花、果樹(shù)、花椒、金銀花和飼草為籬[18],以期解決因成籬植物經(jīng)濟(jì)效益低，農(nóng)民不愿意推廣的問(wèn)題。2植物籬生態(tài)效益研究進(jìn)展2.1植物籬對(duì)土壤侵蝕的影響植物籬在經(jīng)太多方面多角度的研究后，被以為在防止土壤侵蝕方面具有顯著的作用和效果。蔡強(qiáng)國(guó)等[19]通過(guò)一系列研究之后以為植物籬笆能減少土壤侵蝕量，這種作用在大雨強(qiáng)時(shí)尤其明顯，同時(shí)指出減少土壤侵蝕的原因是籬笆根部能阻擋水流，減緩流速，減小水流的泥沙攜帶能力，使細(xì)溝不容易構(gòu)成。伊迪信等[20]研究以為，植物籬控制土壤侵蝕的原因是其增加了地面覆蓋度，減緩了坡度，改善了土壤質(zhì)地，縮短了坡長(zhǎng)，以及植物籬對(duì)地表徑流的機(jī)械阻擋，而華而不實(shí)植物籬的機(jī)械阻擋作用是引起土壤侵蝕量大幅度下降的主要原因。盡管兩位學(xué)者從不同的側(cè)面對(duì)植物籬減輕土壤侵蝕進(jìn)行了闡述，但共同的一點(diǎn)是植物籬的機(jī)械阻擋是其減輕土壤侵蝕的主要直接原因。2.2植物籬對(duì)徑流的影響徑流是攜帶泥沙流失的主要?jiǎng)恿d體，同時(shí)流失的泥沙中又強(qiáng)烈地富集養(yǎng)分，造成養(yǎng)分大量流失，因而防止徑流產(chǎn)生至關(guān)重要。王青杵等[21]研究表示清楚，植物籬能減緩產(chǎn)流時(shí)間。李秀彬等[22]也以為，在坡面種植植物籬能延緩徑流流速，延長(zhǎng)產(chǎn)流時(shí)間。孫輝等[23]利用新銀合歡和山毛豆在坡耕地上每隔4m培植高密度的雙行等高植物籬，結(jié)果表示清楚可使坡耕地的徑流量平均減少49.6%以上。唐亞等[24]研究表示清楚在坡耕地上建立高密度植物籬可降低地表徑流50%~70%.許峰等[25]則通過(guò)大雨強(qiáng)模擬降雨對(duì)植物籬效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表示清楚以等高植物籬為代表的坡地生態(tài)工程能相當(dāng)有效地減少坡面徑流量，并指出通過(guò)施肥和帶間覆蓋效果會(huì)更明顯。而唐政洪等[26]則根據(jù)其實(shí)驗(yàn)小區(qū)資料建立了紫穗槐植物籬徑流模型。以上這些研究結(jié)果表示清楚，植物籬能延長(zhǎng)產(chǎn)流時(shí)間，減緩徑流流速，減少?gòu)搅髁魇Я浚瑫r(shí)通過(guò)一定人為處理措施效果會(huì)更好。然而由于人為處理的方式方法不同，可能導(dǎo)致的效果有所差距。但詳細(xì)哪些人為措施比擬理想，當(dāng)前仍然沒(méi)有系統(tǒng)的研究和統(tǒng)一的認(rèn)定。2.3植物籬對(duì)土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的影響土壤養(yǎng)分流失是農(nóng)田非點(diǎn)源污染的主要形式。土壤養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，肥沃的土壤能促進(jìn)植物生長(zhǎng)旺盛、枝葉茂盛，進(jìn)而能增加植被覆蓋度，減少水土流失，對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物來(lái)講，還能夠提高其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。相反，選擇適宜的樹(shù)種也能改善土壤肥力，促進(jìn)土壤養(yǎng)分構(gòu)造良性循環(huán)。孫輝等[27]曾在四川寧南縣坡耕地上對(duì)等高固氮植物籬新銀合歡和山毛豆進(jìn)行了研究，結(jié)果表示清楚，兩者在防止土壤養(yǎng)分退化方面作用明顯，經(jīng)正常耕作3~6年后，作物帶土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、有效鉀和陽(yáng)離子交換量等均有不同程度的增加。之后他又在同一試驗(yàn)點(diǎn)上對(duì)坡耕地土壤坡面養(yǎng)分進(jìn)行了研究，結(jié)果表示清楚等高固氮植物籬形式對(duì)養(yǎng)分的影響表如今對(duì)養(yǎng)分的歸還和在土壤坡面的再分配，植物籬根系可將土壤深層的P、K吸收并通過(guò)刈割枝葉返還種植帶，發(fā)揮養(yǎng)分泵的功能[28].許峰等則在三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地上采用香根草、馬桑、新銀合歡、黃荊等作為植物籬，先后分別從植物籬帶間距[29]以及土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[30]等方面進(jìn)行了較多研究和討論，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(zhǎng)〔6m〕以?xún)?nèi)才能有效減少養(yǎng)分流失。除此之外，同樣也是在三峽庫(kù)區(qū)紫色土上，植物籬仍為馬桑、新銀合歡、黃荊，黃麗等[31]則專(zhuān)門(mén)就植物籬對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響做了研究討論，結(jié)果表示清楚，種植植物籬后可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量并有利于胡敏酸的積累，使HA/FA增大，土壤腐殖酸分子中芳香環(huán)的縮合度、芳化度等都明顯提高，腐殖質(zhì)的熟化度增加。朱遠(yuǎn)達(dá)等[5]通過(guò)局部地形變化、土壤顆粒和養(yǎng)分在小區(qū)內(nèi)的空間分布變化，對(duì)植物籬控制土壤養(yǎng)分流失的機(jī)理進(jìn)行了研究，指出植物籬對(duì)粒徑較大的顆粒流失控制效果更明顯。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)植物籬能否能夠提高坡地持續(xù)生產(chǎn)力的作用，李秀彬等[22]除了對(duì)其一般保持水土方面研究之外，還從植物籬用作綠肥的角度來(lái)衡量其培肥土壤的效果，其結(jié)果顯示新銀合歡每年所產(chǎn)綠肥含純N素924kg/hm2,P為48kg/hm2,K為504kg/hm2,間接改善土壤養(yǎng)分效果特別明顯。2.4植物籬對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響土壤物理性質(zhì)的好壞對(duì)植物的正常生長(zhǎng)也將產(chǎn)生重大的影響。通常用來(lái)反映土壤物理性質(zhì)的指標(biāo)有土壤自然含水量、田間持水量、容重、比重、孔隙度〔總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度〕、機(jī)械組成及土壤構(gòu)造等。黃麗等[31]研究表示清楚，植物籬能改善土壤構(gòu)造，使土壤中2~0.2mm粒級(jí)微團(tuán)圓體的含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。唐亞等[24]也以為植物籬能改善團(tuán)粒構(gòu)造及水分浸透率。李新平等[32]對(duì)植物籬水土保持效應(yīng)及機(jī)理進(jìn)行了研究，分析后以為植物籬地下部根系能顯著改善耕層土壤的物理性狀，加強(qiáng)土壤入滲能力和提高土壤抗沖性，并且指出植物籬帶能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持較高的土壤入滲量和較大的穩(wěn)定入滲率。伊迪信等[15]通過(guò)研究后證明，逐步梯化的植物籬能年均增加蓄水量360m3/hm2.孫輝等[33]則對(duì)植物籬種植系統(tǒng)土壤水分動(dòng)態(tài)作了較深切進(jìn)入研究，其結(jié)果表示清楚，植物籬與農(nóng)作物利用土壤水分的深度不同，植物籬在旱季主要利用50cm下面深層土壤水分來(lái)度過(guò)嚴(yán)酷的旱季，而在雨季則促進(jìn)水分向深層土壤浸透，提高0~150cm土層貯水量，同時(shí)指出植物籬土壤水分漸變層厚度大于傳統(tǒng)耕作坡地和裸坡地。在我們國(guó)家，人們研究植物籬時(shí)多以等高植物籬或等高固氮植物籬為材料，王喜龍等[34]則以地埂植物籬為研究對(duì)象，對(duì)植物籬影響土壤的其他性狀進(jìn)行了研究，其結(jié)果表示清楚地埂植物籬能增加土壤孔隙度，降低土壤容重，增加土壤入滲量，有利于蓄水。此后，王玲玲等[35]在礫石坡耕地上又再次以等高植物籬為研究對(duì)象進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果同樣表示清楚植物籬能使土壤容重下降，土壤總孔隙度和非毛管孔隙度明顯增加，改土效果明顯。2.5植物籬對(duì)坡面徑流、面源污染物的削減作用植物籬通過(guò)減少坡耕地的地表徑流和農(nóng)地非點(diǎn)源污染物質(zhì)輸出量進(jìn)而到達(dá)控制非點(diǎn)源污染的效果[36,37].當(dāng)徑流從坡面上部向下流動(dòng)經(jīng)過(guò)中，徑流中的泥沙在碰到植物籬時(shí)，會(huì)有明顯的沉積，而泥沙作為面源污染物〔尤其是泥沙結(jié)合態(tài)P〕的重要載體，阻截泥沙的流失就意味著減少了面源污染物的輸出。其次，坡耕地的地表徑流通過(guò)植物籬的層層攔截，一方面延長(zhǎng)了地表徑流的下滲時(shí)間，另一方面也大大降低了地表徑流的速度，加上土壤水分入滲率的逐年改善，而徑流是面源污染物的主要載體，植物籬在削減徑流的同時(shí)也削減了坡面徑流的面源污染物。種植植物籬后能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高了土壤肥力水平，減少化肥的施用量，間接減少了坡面徑流面源污染物的輸出。植物過(guò)濾帶通過(guò)植物籬和有機(jī)質(zhì)以及微生物體的吸附作用凈化徑流，含面源污染物的徑流通過(guò)6m長(zhǎng)的植物過(guò)濾帶后，75%的全N、全P、懸移質(zhì)十分是P被吸附。3結(jié)束語(yǔ)綜上所述，等高固氮植物籬技術(shù)一方面由于植物籬的阻截作用改善了坡耕地的