物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素攔截效應(yīng)

田 瀟，周運超，劉曉蕓，馬禮平，蔡先立

（貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽 550025）

物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素攔截效應(yīng)

田 瀟，周運超，劉曉蕓，馬禮平，蔡先立

（貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽 550025）

通過坡耕地21個徑流小區(qū)、1個空白對照、6個不同處理方式植物籬（Hedgerow）組合模式，探討了不同物種配置植物籬對耕地營養(yǎng)元素的攔截效應(yīng)。結(jié)果表明：灰毛豆×紫花苜蓿植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素的攔截效果最明顯，其中，氮相對攔截總量為181.82g/hm2，相對攔截率為79.08%；磷相對攔截總量為84.81g/hm2，相對攔截率90.31%；鉀相對攔截總量11.37g/hm2，相對攔截率83.84%。灰毛豆×黃花菜對氮的攔截效應(yīng)最小，氮相對攔截總量為117.30g/hm2，相對攔截率為51.02%；灰毛豆×香根草對磷、鉀的攔截效應(yīng)最小，磷相對攔截總量為55.43 g/hm2，相對攔截率59.02%；鉀相對攔截總量6.62g/hm2，相對攔截率48.86%。不同物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素均具有明顯的攔截作用，灰毛豆×紫花苜蓿組合模式的攔截作用最為顯著。

植物籬；坡耕地；營養(yǎng)元素；相對攔截率

隨著坡耕地水土不斷流失，不僅導(dǎo)致了坡耕地的土地退化、土地生產(chǎn)力下降等問題，而且還使得耕地營養(yǎng)元素以懸移質(zhì)或推移質(zhì)的形式被地表徑流帶到下游的水庫、湖泊等，從而使其因營養(yǎng)元素的富集而導(dǎo)致水質(zhì)的惡化。為了從源頭上控制農(nóng)業(yè)面源污染，必須根據(jù)土壤生物熱力學(xué)原理，以土壤為中心，大力治理坡地［1］。

植物籬水土保持技術(shù)自20世紀(jì)90年代引入中國以來，得到廣泛而深入的研究。我國植物籬水土保持技術(shù)研究區(qū)域差異明顯［2］。對貴州旱坡地水土保持植物籬措施進行效益研究表明，植物籬種植措施與橫坡種植相比可減少地表徑流345.3m3/（hm2·a），土壤流失21.0t/（hm2·a）［3］。目前，植物籬的研究大多針對單一的物種，主要集中于植物籬與土壤侵蝕、營養(yǎng)元素、土壤理化性質(zhì)、土壤動物、經(jīng)濟效益等方面的關(guān)系的研究［4－9］。而關(guān)于不同物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素的攔截效應(yīng)的研究尚無報道。

因此，為了探討研究不同物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素的攔截效應(yīng)，在貴州省清鎮(zhèn)市紅楓湖鎮(zhèn)大沖村的坡耕地上設(shè)置徑流小區(qū)，在等高種植玉米的基礎(chǔ)上，配置不同物種植物籬，通過監(jiān)測對比分析，對不同物種植物籬的攔截效應(yīng)進行初步的研究。以期為今后在我國生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)過程中推廣植物籬水土保持技術(shù)以防治水土流失，減輕坡耕地營養(yǎng)元素在下游水庫、湖泊等富集程度，從而保護水土資源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省清鎮(zhèn)市紅楓湖鎮(zhèn)大沖村，地理坐標(biāo)106°43′13″E，26°52′12″N，海拔1 246m，屬黔中山原地貌，徑流小區(qū)坡度15°。屬亞熱帶高原季風(fēng)濕潤氣候，位于紅楓湖上游，故具有獨特的小氣候，屬冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，有效積溫較高的溫暖高原山地氣候，年平均氣溫13.6℃，最冷月（1月）平均氣溫3.7℃，最熱月（7月）平均氣溫22.5℃，無霜期平均275d，年降雨量為1 093.4～1 415.7mm，且降雨量隨著溫度回升而逐漸增加，雨熱同期，利于農(nóng)作物和林木的生長，同時雨日多，多夜雨，蒸發(fā)量小，濕度大。能減少水分損失，提高了熱量和水分的有效性。試驗地土壤類型為沙壤土，酸性，立地類型為低中山砂頁巖緩坡厚層土（類型代號為5114）。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

本試驗是在坡耕地上設(shè)計的不同物種配置植物籬攔截坡面營養(yǎng)元素的單因素實驗，利用灰毛豆（Tephrosia purpureaL.Pers.）、香椿（Toona sinensis.A.Juss.）分別與香根草（Vetiveria zizanioidesL.）、黃花菜（Hemerocallis citrinaBaroni）、紫花苜蓿（Medicago sativaL.）進行兩兩配置處理，即灰毛豆×香根草（灰×草）、灰毛豆×黃花菜（灰×菜）、灰毛豆×紫花苜蓿（灰×蓿）、香椿×香根草（椿×草）、香椿×黃花菜（椿×菜）、香椿×紫花苜蓿（椿×蓿），另設(shè)計1個無植物籬的空白對照（CK）。試驗設(shè)計7個處理，3次重復(fù)，共21個徑流小區(qū)，每個小區(qū)的面積為20m×5m。

2.2 試驗方法

2.2.1 野外采集徑流水樣 每降一次一定強度的雨，徑流小區(qū)所產(chǎn)生的地表徑流便流入小區(qū)下方的集流池或分水桶。采集徑流水樣時，將事先收集、清洗、編號的礦泉水瓶，即取樣瓶，先用集流池或分水桶中的降水對號清洗一下，待測定、記錄徑流量以后，用取樣瓶按編號采集徑流水樣約500ml。在試驗期間共采集徑流水樣5次，但由于降雨較小，僅2010年7月19日及2010年9月9日降雨有泥沙。

2.2.2 室內(nèi)測定水樣指標(biāo) 將徑流水樣帶到實驗室，先過濾適量，用濾液測定水樣中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、總鉀的含量，并將土壤烘干用以測定土壤中的全氮、全磷、全鉀。用開氏法測定總氮，用靛酚藍比色法測定銨態(tài)氮，用酚二黃酸比色法測定硝態(tài)氮，用硫酸－高氯酸氧化－鉬藍比色法測定總磷，用火焰光度計法測定總鉀［10］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理方式徑流量分析

通過2010年7月至2010年10月對試驗基地的監(jiān)測，共有5次降雨產(chǎn)生了地表徑流，其間偶有降雨而不產(chǎn)生地表徑流，降水直接滲透在徑流小區(qū)的土壤中或被植被吸收。由表1可知，不同物種配置植物籬條件下的徑流量均不同程度的低于CK條件下的徑流量。地表徑流在各處理間的差異顯著性如圖1所示。這說明不同物種配置植物籬均具有攔截徑流的作用，且各處理的攔截功能存在一定的差異。研究指出植物籬具有保水的作用，進而降低地表徑流［4，8，11］。由圖1可知，監(jiān)測期間各處理總徑流量大小依次為：CK＞灰毛豆×黃花菜＞灰毛豆×香根草＞香椿×黃花菜＞香椿×紫花苜蓿＞香椿×香根草＞灰毛豆×紫花苜蓿。在不同處理中，次徑流量的大小關(guān)系與總徑流量的大小關(guān)系不盡相同。在不同物種配置植物籬條件下總徑流量分別減少了31.47%，23.26%，65.96%，53.63%，36.99%，39.40%。不同物種配置植物籬總徑流量的降低比率幾乎比秸稈覆蓋＋植物籬［11］的降低比率大得多。這證實了不同物種配置植物籬具有更強的攔截作用，是防治坡耕地水土流失的更佳方法。

通過對地表徑流與降雨量的相關(guān)關(guān)系的分析，如圖2所示，在CK、灰毛豆×黃花菜、灰毛豆×香根草、香椿×黃花菜、香椿×紫花苜蓿處理條件下，地表徑流與降雨量相關(guān)極顯著（P＜0.01），在香椿×香根草處理條件下，地表徑流與降雨量相關(guān)顯著（P＜0.05），在灰毛豆×紫花苜蓿處理條件下，地表徑流與降雨量相關(guān)不顯著，該處理對地表徑流作用最好，具體攔截機理有待研究。

表1 徑流小區(qū)次降雨地表徑流分析結(jié)果

圖1 不同處理方式總徑流量

3.2 不同處理方式營養(yǎng)元素流失與攔截效果分析

由圖3可知，CK處理在徑流期間氮、磷、鉀的流失總量比不同物種配置植物籬氮、磷、鉀的流失總量都大，說明植物籬具有攔截、吸收營養(yǎng)元素的功能，在坡耕地配置可以減少營養(yǎng)元素的流失，進而降低營養(yǎng)元素的面源污染。營養(yǎng)元素流失總量在各處理間的差異顯著性如圖3所示。根據(jù)對氮、磷、鉀流失總量分析可知，氮的流失總量最高，且CK比其它處理氮流失總量要高得多。

圖2 地表徑流與降雨量的相關(guān)關(guān)系

由表2可知，不同物種配置植物籬對氮、磷、鉀具有不同程度的攔截效果。不同物種配置植物籬對氮的相對攔截總量及相對攔截率大小為：灰毛豆×紫花苜蓿＞香椿×香根草＞香椿×紫花苜蓿＞香椿×黃花菜＞灰毛豆×香根草＞灰毛豆×黃花菜，與總徑流量排序相反，植物籬對氮的攔截效果與徑流成反相關(guān)。研究表明，紅葉石楠、全森女貞和柳葉蠟梅3種植物籬植物均可明顯降低土壤中的速效氮［11］。而該項研究可知不同物種配置植物籬對氮的相對攔截率達51%以上，最高達到79.08%，說明灰毛豆×紫花苜蓿這種以灌草結(jié)合的復(fù)合植物籬的對氮的吸收能力更強。

圖3 不同處理方式營養(yǎng)元素流失總量

由表2可知，不同物種配置植物籬對磷的相對攔截總量及相對攔截率大小為：灰毛豆×紫花苜蓿＞香椿×紫花苜蓿＞灰毛豆×黃花菜＞香椿×香根草＞香椿×黃花菜＞灰毛豆×香根草。不同物種配置植物籬對磷的相對攔截率達59%以上，最高達到90.31%，說明灰毛豆×紫花苜蓿對磷的攔截吸收能力也極強。在6種植物籬組合模式中，灰毛豆×黃花菜對氮的吸收能力最差，但對磷的吸收能力卻排第3位，說明植物籬對營養(yǎng)元素的攔截吸收存在一定的差異性。研究表明，紅葉石楠、全森女貞和柳葉蠟梅3種植物籬均可明顯降低速效磷水平，金森女貞對降低土壤速效磷最好［12］。這也更加證實了植物籬對營養(yǎng)元素的攔截吸收功能，且存在差異性。

曾有不少關(guān)于植物籬對氮、磷吸收情況的研究［5－6，11］，但都未研究其對鉀的吸收情況，本研究對此進行了試驗分析。由表2可知，不同物種配置植物籬對鉀的相對攔截總量及相對攔截率大小為：灰毛豆×紫花苜蓿＞灰毛豆×黃花菜＞香椿×紫花苜蓿＞香椿×黃花菜＞香椿×香根草＞灰毛豆×香根草。不同物種配置植物籬對磷的相對攔截率達48%以上，最高達到83.84%，說明灰毛豆×紫花苜蓿對鉀的攔截吸收能力也很強，灰毛豆×黃花菜對鉀的攔截吸收能力也很強，灰毛豆×香根草對鉀的攔截吸收能力相對最差。

表2 不同處理方式營養(yǎng)元素攔截效應(yīng)分析結(jié)果

綜上所述，6種不同物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素均有明顯的攔截吸收作用，具有良好的水土保持功能，而對照處理營養(yǎng)元素的流失量最大。其中，灰毛豆×紫花苜蓿處理相對攔截率最大，對氮、磷、鉀的攔截吸收能力最強；灰毛豆×香根草對磷、鉀的攔截吸收能力相對最差；灰毛豆×黃花菜對氮的攔截吸收能力相對最差。另外，香椿與香根草、黃花菜、紫花苜蓿兩兩配置植物籬模式對坡耕地營養(yǎng)元素的攔截吸收能力均居中，這可能是試驗階段時間較短，加之降雨量較小，而香椿根系扎根較深從而無法更多吸收養(yǎng)分的緣故。但是如果有足夠的時間監(jiān)測，且降雨量大，降水大量滲入土層形成壤中流，香椿根系可能會攔截吸收大量降水及營養(yǎng)元素，故其攔截吸收能力有待進一步研究。

3.3 不同處理方式泥沙量分析

由圖4可知，CK泥沙總量最多，其他各處理的泥沙總量均有不同程度的減少，說明植物籬具有較好的攔沙減沙效應(yīng)。泥沙總量在各處理間的差異顯著性如圖4所示。對黃荊、新銀合歡、馬桑不同植物籬模式下的土壤物理變化特征及減流減沙效果表明，不同植物籬模式均有較明顯的減流減沙效果［7］。各種處理泥沙總量的大小為：CK＞灰毛豆×黃花菜＞灰毛豆×香根草＞香椿×紫花苜蓿＞香椿×黃花菜＞灰毛豆×紫花苜蓿＞香椿×香根草。不同物種配置植物籬對泥沙的相對攔截率依次為25.25%、5.05%、60.61%、66.67%、58.59%、42.42%。在各植物籬組合模式中，灰毛豆×黃花菜產(chǎn)沙量最大，香椿×香根草產(chǎn)沙量最小，灰毛豆×紫花苜蓿略多一點，這與其對營養(yǎng)元素的攔截效應(yīng)不一致，可能主要是由于降雨較小，營養(yǎng)元素隨降水滲透深度較淺，而香椿是喬木，根系扎根較深，從而對營養(yǎng)元素吸收較少。這說明香椿×香根草對泥沙的攔截作用最好，灰毛豆×紫花苜蓿次之。

圖4 不同處理方式泥沙總量

通過對不同處理方式下地表徑流、營養(yǎng)元素流失與攔截效果以及泥沙量分析得知，灰毛豆×紫花苜蓿組合模式的攔截效果最佳，主要有以下兩個方面的原因。

（1）物種的生物學(xué)特性存在一定的差異。①養(yǎng)分需求的差異。灰毛豆、紫花苜蓿均屬于豆科植物，固氮能力很強，對養(yǎng)分的需求相對較大。另外，紫花苜蓿是一種常綠草本，生長旺盛，且在監(jiān)測期間，灰毛豆枝葉繁茂，這說明在不同監(jiān)測時段灰毛豆和紫花苜蓿都需要大量養(yǎng)分供應(yīng)自身的生長。雖然香根草也是常綠草本，但是是禾本科植物，其對養(yǎng)分的需求相對較少。在監(jiān)測中后期，黃花菜地上部分枯死，香椿逐漸落葉，兩者對養(yǎng)分的需求在逐漸減少。②生長特性的差異。香根草、紫花苜蓿及黃花菜的根狀莖的分蘗能力很強，從而增強了其對泥沙的攔截能力，其中，黃花菜的地上部分在監(jiān)測中后期因枯死導(dǎo)致攔截能力降低。香椿是喬木，莖生長較為粗大，對泥沙的攔截效果較好。通過研究香椿、桑樹、胡枝子、紫花苜蓿、灰毛豆、黃花菜及香根草等植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素的攔截作用，結(jié)果表明草本植物籬的攔截效果最明顯，其中灰毛豆植物籬的攔截效果最佳［13］。③由于最佳組合是兩種豆科植物，具有固氮能力，能夠更大限度地增加土壤的氮素供應(yīng)，促進了農(nóng)作物的生長及營養(yǎng)元素的吸收。因此，從物種的生物學(xué)特性來講，灰毛豆×紫花苜蓿組合模式的攔截效果相對最佳。

（2）土壤因素。實驗基地土壤質(zhì)地為沙壤土，土層較厚，較為疏松，有利于植物根系的生長及地表徑流的下滲；但是，可能由于不同物種根系對土壤特性的影響存在一定的差異，導(dǎo)致地表徑流在籬前的下滲量不同，從而使得不同植物籬組合模式對地表徑流及其中營養(yǎng)元素的攔截吸收效果不同。各植物籬物種根系對土壤特性的影響機理有待研究。另外，監(jiān)測期間的降雨相對較小，地表徑流的下滲深度可能有限，所以，估計植物籬物種的深層根系對下滲徑流中營養(yǎng)元素的攔截吸收作用很小。

4 結(jié)論

（1）不同物種配置植物籬對地表徑流均有明顯的攔截作用，其中，灰毛豆×紫花苜蓿組合模式效果最佳，它是一種良好的水土保持措施。

（2）不同物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素均有明顯的不同程度的攔截作用，灰毛豆×紫花苜蓿植物籬的攔截作用最為顯著；灰毛豆×黃花菜對氮的攔截效應(yīng)相對最差；灰毛豆×香根草對磷、鉀的攔截效應(yīng)相對最差。

（3）不同物種配置植物籬均有較好的攔沙減沙效應(yīng)，其中，香椿×香根草的對泥沙的攔截作用最好，灰毛豆×紫花苜蓿次之。

5 討論

不同物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素具有顯著的攔截吸收作用，對今后的相關(guān)研究和推廣運用起到一定的指示性作用。本次研究對不同植物籬組合模式的攔截吸收機理尚未搞清楚，有待今后研究。以上研究的6種植物籬組合模式均能較好地攔截吸收坡耕地營養(yǎng)元素，特別是灰毛豆×紫花苜蓿植物籬組合模式能更好地防治水土流失，降低坡耕地營養(yǎng)元素的流失，減緩坡耕地營養(yǎng)元素在下游水庫、湖泊富集，從而保障人類的飲水安全。目前，如何將植物籬在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用是最關(guān)鍵的問題，這不僅需要廣大農(nóng)民群眾的積極參與，而且也需要科學(xué)界對其進行更深入的研究。因此，該項研究具有深刻的理論和現(xiàn)實意義。

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Effects of Hedgerow of Species Configuration on the Interception of Nutrition Elements in the Sloping Cultivated Lands

TIAN Xiao，ZHOU Yun－chao，LIU Xiao－yun，MA Li－ping，CAI Xian－li
（College of Forestry，Guizhou University，Guiyang550025，China）

Through 21runoff plots in the sloping cultivated lands including a control treatment，six combination patterns of hedgerows of different treatments，the effects of hedgerows of species configuration on the interception of nutrition elements in the sloping cultivated lands were discussed.The results showed that the hedgerows ofTephrosia purpureaL.Pers.andMedicago sativaL.，have the significant effects on interception of nutrition elements，of which relative interception of total nitrogen，phosphorus，potassium are 181.82 g/hm2，84.81g/hm2and 11.37g/hm2and relative interception rates are 79.08%，90.31%and 83.84%，respectively，which is the best combination pattern than others in terms of effects of interception of nutrition elements in the sloping cultivated lands.However，the hedgerow ofTephrosia purpureaL.Pers.andHemerocallis citrinaBaroni，total relative interception of nitrogen is 117.30g/hm2and relative interception rate is 51.02%，which is worse than others with regard to effect of interception of nitrogen element，and the hedgerow ofTephrosia purpureaL.Pers.andVetiveria zizanioidesL.，relative interception of total phosphorus，potassium of is 55.43g/hm2and 6.62g/hm2，and relative interception rates are 59.02%and 48.86%，which is worse than others in terms of effects of interception of phosphorus，potassium elements.The results also show that all hedgerows of species configuration are obvious on the interception of nutrition elements in the sloping cultivated lands，but the combination ofTephrosia purpureaL.Pers.andMedicago sativaL.is the best combination pattern.

hedgerow；sloping cultivated land；nutrition element；relative interception rate

S157.4＋33

A

1005－3409（2011）06－0089－05

2011－05－25

2011－06－19

貴陽“兩湖一庫專項”項目（［2009］筑科農(nóng)合同字第3－042號）

田瀟（1987－），男，貴州沿河人，學(xué)士，從事水土保持與荒漠化防治研究。E－mail：xtian2008＠163.com

周運超（1964－），貴州興仁人，教授，博導(dǎo)，從事水土保持與荒漠化防治研究。E－mail：fc.yczhou＠gzu.edu.cn