黔中高原坡耕地植物籬物種選擇

摘要：通過在紅楓湖上游坡耕地設置30個植物籬徑流小區，探討了9種植物籬的水土保持效應和養分攔截效應。結果表明，灰毛豆[Tephrosia purpurea （L.）Pers.]植物籬的保水效應最好，相對徑流攔截率為91.75 %；紫花苜蓿（Medicago sativa L.）植物籬的保土效應最好，相對泥沙攔截率為69.25%。灰毛豆植物籬對坡耕地氮、磷的攔截效應最為明顯，其中氮相對攔截量為283.03 g/hm2，相對攔截率為70.08%；磷相對攔截量為185.92 g/hm2，相對攔截率為80.21%。胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）植物籬對坡耕地鉀的攔截效應最為明顯，鉀相對攔截量為135.11 g/hm2，相對攔截率為86.08 %；灰毛豆次之，鉀相對攔截量為125.13 g/hm2，相對攔截率為79.72%。9種植物籬均具有較好的水土保持功能和養分攔截作用，可作為黔中高原坡耕地植物籬物種應用。

關鍵詞：植物籬；養分；相對攔截率；坡耕地；物種選擇

中圖分類號：S157.4+33 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）02-0398-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.033

湖泊是人類的天然水缸，儲存著大量的淡水資源，保障了當地及周邊的人畜飲水問所需。但隨著我國全面建成小康社會步伐的推進，淡水資源已受到外界污染源的不斷入侵，水體隨污染物的輸入而不斷惡化[1，2]，嚴重威脅著人類的健康與用水安全。坡耕地因在農業生產中大量施用化肥、農藥等而成為湖泊水體污染的一個重大污染源[3]，因此，通過植物籬措施攔截坡耕地地表徑流、泥沙及養分，將其固定在坡耕地上，是控制下游水環境富營養化進程的重要途徑之一。現在植物籬已受到國內外學術界的廣泛關注[4-9]，但主要集中于植物籬的攔截（地表徑流、泥沙和養分）功能[6，7]、對土壤本底狀況（物理性質、化學性質和土壤生物）的影響[8-10]及其效益（生態效益、經濟效益和社會效益）評價[11]等方面的研究。而通過在黔中高原坡耕地設置不同喬、灌、草物種植物籬，探討其水土保持效應和養分攔截效應，進而篩選出最佳植物籬物種的研究鮮見報道。為此，課題組在貴州省清鎮市紅楓湖上游的坡耕地設置徑流小區，探討了9種植物籬的水土保持效應和養分攔截能力，以期為黔中高原全面推廣植物籬水土保持技術、有效控制坡耕地面源污染、保護下游湖泊水環境安全等提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省清鎮市紅楓湖鎮大沖村，距省會貴陽市33 km，地理位置處在北緯26°52′12″，東經106°43′15″，屬亞熱帶高原季風濕潤氣候，地貌為黔中高原。紅楓湖是貴陽市的“天然水缸”，保障著市民的飲水安全，設計正常水位高程1 240.0 m，水域面積57.2 km2，庫容6.0×108 m3。試驗區選址在紅楓湖北湖上游的坡耕地上，土壤屬黃壤，坡度15°，監測期間試驗區內正常開展農業生產，橫坡種植玉米（Zea mays L.），本底狀況基本一致。

1.2 試驗設計

1.2.1 徑流小區規劃設計 試驗采用完全隨機區組設計，設置3個區組，每個區組含10個處理（徑流小區），其中1個無植物籬處理（CK），9個不同植物籬處理，共30個處理。各處理徑流小區邊界用聚氯乙烯塑料膜做擋水防滲墻，埋土深度80 cm，高出地表30 cm，水平投影面積100 m2（20 m×5 m），并于小區下方建設集流、分流及沉砂池等配套設施。

1.2.2 植物籬物種選擇 試驗選用在黔中高原較為常見的9種植物為植物籬物種，包括香椿[Toona sinensis（A. Juss.）Roem.]、桑樹（Morus alba L.）、構樹[Broussonetia papyrifera（L.）Vent]、灰毛豆[Tephrosia purpurea（L.）Pers.]、胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）、紫穗槐（Amorpha fruticosa L.）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）、香根草（Vetiveria zizanioides L.）、黃花菜（Hemerocallis citrina Baroni）。

1.2.3 植物籬栽培管理 對9種植物籬物種選擇生長狀況基本一致的一年生幼苗（草本類不足1年），在徑流小區內上、中、下部等高處種植 3帶植物籬，每帶按株距10 cm、行距15 cm雙行“品”字型種植。植物籬定植10個月后，散生型的紫花苜蓿和黃花菜株高約50 cm，直立生長的香根草株高約80 cm，木本植物株高均大于100 cm，為了減小植物籬的占地面積和對農業生產的影響，對木本植物籬進行整形修剪，控制株高約在80 cm，帶寬約50 cm。開始動態監測時，植物籬帶內的蓋度約為80%，且不同物種植物籬間差異不大。植物籬定植1年后，開始野外降雨動態監測，并及時采集樣品。

1.3 方法

1.3.1 野外樣品采集 在野外動態監測期間，共有5場降雨產生地表徑流，每場降雨后分別測定每個小區產生的徑流量，并采集徑流水樣5批，每批30個樣品，共150個樣品，每個樣品約500 mL；監測后期，分別測定每個徑流小區5場降雨產生的總泥沙量，并采集土樣1批，共30個樣品，每個樣品約1 kg。

1.3.2 室內樣品測定 樣品測定方法參考文獻[12]。在徑流水樣測定過程中，先過濾水樣適量，用濾液測定水樣中的全氮、全磷、全鉀含量；在土樣測定過程中，先制備土壤樣品，用制備好的土壤樣品測定土壤中的全氮、全磷、全鉀含量。用凱氏定氮法測定全氮含量，用硫酸-高氯酸氧化-鉬藍比色法測定全磷含量，用火焰-分光光度計法測定全鉀含量。

1.3.3 植物籬養分攔截效應 根據養分測定結果，計算不同物種植物籬的養分攔截效應，公式如下：

相對攔截量（g/hm2）=CK養分流失量-不同處理養分流失量，

相對攔截率=

■×100%。

2 結果與分析

2.1 不同物種植物籬水土保持效應

2.1.1 徑流量 試驗測定的各處理徑流小區產生的泥沙量和徑流量情況見圖1。從圖1可見，對照徑流小區單位面積（徑流量、泥沙量單位面積為1 m2，下同）的總徑流量最多，各處理徑流小區單位面積的總徑流量比對照均有不同程度的減少，說明不同物種植物籬均具有較強的截流保水作用。不同物種植物籬處理后單位面積總徑流量由低到高的排序為：灰毛豆、紫花苜蓿、香根草、香椿、黃花菜、胡枝子、紫穗槐、桑樹、構樹，它們對地表徑流的相對攔截率達36%以上，其中灰毛豆植物籬對地表徑流的相對攔截率最高，達到91.74%。不同物種植物籬之間的差異明顯，說明不同植物籬具有不同程度的保水功能。

2.1.2 泥沙量 從圖1還可見，對照徑流小區單位面積的總泥沙量最多，而各處理徑流小區單位面積總泥沙量比對照均有不同程度的減少，說明不同物種植物籬均具有較強的攔沙固土作用。不同物種植物籬處理后單位面積總泥沙量由低到高的排序為：紫花苜蓿、灰毛豆、香根草、香椿、黃花菜、胡枝子、桑樹、紫穗槐、構樹，它們對泥沙的相對攔截率達25%以上，以紫花苜蓿植物籬對泥沙的相對攔截率最高，達到了69.25%。不同物種植物籬攔沙減沙效應差異明顯，說明不同植物籬具有不同程度的保土功能。

2.1.3 泥沙量與徑流量的關系 將獲得的泥沙量與徑流量數值做回歸分析，結果見圖2。從圖2可見，回歸方程為：y=8.029 2x+73.458，R2=0.924 9，即泥沙量隨著地表徑流量增大而增大，兩者呈顯著相關。分析標明，植物籬的蓄水保土作用一是通過地上部的機械阻攔、降低地表徑流的流速，使得大量泥沙在籬前堆積；二是地下部的根系改善了坡耕地土壤的孔隙性，增加了地表徑流在籬前籬后的下滲。9種植物籬均具有較好的水土保持效應，其中，灰毛豆植物籬的保水效應最好，紫花苜蓿植物籬的保土效應最佳。

2.2 不同物種植物籬養分攔截效應

2.2.1 養分流失量 試驗測定的各處理徑流小區產生的養分總流失量測定情況見圖3。從圖3可見，對照徑流小區單位面積（養分單位面積均為1 hm2，下同）氮、磷、鉀的總流失量比不同物種植物籬處理的氮、磷、鉀的總流失量都大很多，說明植物籬具有明顯的攔截、吸收養分的功能。不同物種植物籬處理后單位面積養分總流失量由高到低的排序為：氮、磷、鉀。土壤中的養分能以地表徑流和泥沙為介質，逐漸向下游移動；但在植物籬的機械阻攔下，部分養分被固定在籬前籬后的土壤中，另一部分被植物籬吸收利用，還有部分直接穿過植物籬繼續向下游移動。

2.2.2 養分相對攔截率 試驗測定的各處理徑流小區不同物種植物籬單位面積對養分的攔截情況見表1。從表1可見，不同物種植物籬對氮的相對攔截量及相對攔截率大小排序為：灰毛豆、紫花苜蓿、香根草、胡枝子、黃花菜、紫穗槐、香椿、桑樹、構樹，對氮的相對攔截率達26%以上；其中灰毛豆植物籬對氮的相對攔截率最高，達到了70.08%，相對攔截量為283.03 g/hm2，這說明灰毛豆植物籬對氮的攔截效應最好；紫花苜蓿植物籬其次，構樹植物籬最差。不同物種植物籬對磷的相對攔截量及相對攔截率大小排序為：灰毛豆、紫花苜蓿、黃花菜、胡枝子、紫穗槐、香根草、香椿、桑樹、構樹，對磷的相對攔截率達48%以上，也是灰毛豆植物籬對磷的相對攔截率最高，達到了80.21%，相對攔截量為185.92 g/hm2，這說明灰毛豆植物籬對磷的攔截效應最好；紫花苜蓿植物籬其次，構樹植物籬最差，這個結果與對氮的攔截情況一致。不同物種植物籬對鉀的相對攔截量及相對攔截率大小排序為：胡枝子、灰毛豆、香根草、紫花苜蓿、香椿、黃花菜、紫穗槐、桑樹、構樹，對鉀的相對攔截率達54%以上；其中胡枝子植物籬對鉀的相對攔截率最高，達到了86.08%，相對攔截量為135.11 g/hm2，這說明胡枝子植物籬對鉀的攔截效應最好；灰毛豆植物籬對鉀的相對攔截率次之，為79.72%，構樹植物籬最差。

綜上所述，灰毛豆植物籬的攔截效應最佳，可能原因一是灰毛豆生長較快，地徑較粗，植物籬帶內植基蓋度較大，能更好地機械阻攔地表徑流，降低流速，使更多的泥沙在籬前固定下來；二是灰毛豆根系較長，扎根較深，改善了土壤的孔隙性、松緊度，增加了徑流在籬前籬后的滲入量；三是在監測期間，灰毛豆生長較快，地上生物量最大，攔截吸收的養分較多。但總體而言，灰毛豆植物籬的攔截效應表現好，可能是動態監測時期較短且降雨量較小、地表徑流在籬前入滲較少且入滲深度較淺、植物籬深層根系對壤中流的養分攔截吸收較少等造成的。

3 討論

植物籬主要以“綠墻”的形式橫向截斷坡耕地，可機械阻攔坡耕地上產生的地表徑流、泥沙及其攜帶的養分，把養分固定在籬前籬后的土壤中；同時，植物籬根系吸收部分養分，供應自身的生長，從而把養分固定在植物籬上。研究表明，坡耕地配置深根、淺根物種組合植物籬，可有效攔截吸收坡耕地流失的養分[13]，在降雨強度較大的情況下，根系可層層攔截吸收、固定壤中流中的養分，但其機理有待進一步探討。當降雨強度足夠大、產生的地表徑流量足夠大、對草本植物籬造成毀滅性破壞時，或許植物籬的攔截效應會產生逆轉；當動態監測時間足夠長、籬前堆積大量泥沙、坡耕地坡面形成起伏多變的微地形時，不同物種植物籬之間、同種植物籬前后的攔截效應將會出現差異變化，這需要進一步比較分析。

在實際推廣植物籬過程中，應考慮以下幾點：①植物籬物種選擇問題。物種選擇應遵循實地實樹原則，多選擇鄉土樹種，同時應考慮當地農民群眾的接受程度，畢竟植物籬是種植在當地農民群眾的坡耕地里，會對其生產耕作造成一定的影響。②植物籬種植問題。植物籬種植應考慮配置模式和種植位置。研究表明，灌-草、喬-草物種配置植物籬具有較好的水土保持效應和養分攔截效應[13]，且沿坡耕地坡面自上而下種植2行草本+2行木本的4行植物籬帶對養分的攔截效應最佳[14]。因此，植物籬配置應采取喬-草組合、灌-草組合或喬-灌-草組合模式，達到植物籬地上機械阻攔地表徑流和泥沙、地下根系層層攔截吸收壤中流和養分的效果；植物籬種植應站在農民群眾的角度考慮，盡量少占坡耕地，可以用2行草本+2行木本的方式帶狀種植于坡耕地邊坎處，不僅能防止坡耕地水土流失，而且其根系還能保護坡耕地邊坎。③植物籬效益問題。只有植物籬產生一定的經濟效益，實施起來才能得到當地農民群眾的支持，才能真正得到全面推廣應用。因此，植物籬的效益評價既要考慮其生態效益和社會效益，也要考慮其經濟效益。

試驗里9種植物籬對土壤中養分均具有不同程度的攔截效應，其中，灰毛豆的攔截效應相對最好，構樹對養分的攔截效應相對最差，這可為今后發展生態農業、選擇植物籬物種等提供理論依據。9種植物籬均能有效防止坡耕地水土流失，控制農業面源污染，保護下游水庫、湖泊的淡水資源，保障人類和牲畜的正常用水與健康安全。但植物籬對養分的攔截吸收機理尚未研究清楚，有待進一步深入研究。試驗結果對黔中高原坡耕地推廣植物籬水土保持技術具有十分重要的理論和實際意義。

總的來看，9種植物籬均具有較好的水土保持效應，其中灰毛豆植物籬的保水效應最好，紫花苜蓿植物籬的保土效應最好。9種植物籬均具有明顯的養分攔截效應，其中灰毛豆植物籬對氮、磷的攔截效應最好；胡枝子植物籬對鉀的攔截效應最好，灰毛豆植物籬次之。9種植物籬對地表徑流、泥沙及養分均具有不同程度的攔截作用，建議建立黔中高原坡耕地植物籬物種庫，為今后貴州省全面推廣植物籬水土保持技術提供物種儲備。

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