坡耕地植物篱在水土保持中的应用

周萍,文安邦,张信宝,鲍玉海

(中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,山地环境演变与生态调控重点实验室,610041,成都)

坡耕地植物篱在水土保持中的应用

周萍,文安邦†,张信宝,鲍玉海

(中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,山地环境演变与生态调控重点实验室,610041,成都)

坡耕地植物篱种植模式是一种坡耕地可持续利用技术。结合已有研究成果,对坡耕地植物篱研究现状、效益等作了系统介绍。植物篱种植模式对改善土壤物理性质、提高土壤养分、减小坡耕地水土流失、防止土壤退化、促进农作物生长、增加作物产量、提供饲料、薪柴等方面具有良好的作用和效果,植物篱在坡耕地资源可持续利用中具有显著的生态效益和经济效益。对目前坡耕地植物篱认识上的问题及需要深入开展的工作进行了讨论,以促进我国植物篱技术和坡耕地整治的研究与发展。

植物篱;坡耕地;水土保持;生态效益;经济效益

水土流失是世界上许多国家面临的环境问题之一,它时刻威胁着人类的生存和发展。中国是世界上水土流水最严重的国家之一,而造成水土流失的主要原因之一是坡地耕作(特别是陡坡地耕作)。全世界 15亿hm2的耕地中,每年遭完全毁坏的高达700万 hm2,25% ～33%的耕地表层受到严重侵蚀[1]。中国有 1亿 3 007万 hm2耕地,其中坡耕地占1/3,坡耕地是重要的国土资源,特别是在中国西南丘陵和山地地区,坡耕地更是广泛分布。坡耕地是人类赖以生存的重要生产资料,也是水土流失最为严重的耕地类型[2-4]。一方面,坡耕地是江河泥沙的主要来源,研究[5]表明,长江来沙量的 60% ～78%源于坡耕地;另一方面,坡耕地利用方式单一,土壤侵蚀承载力指数低,严重的水土肥流失使得坡耕地土层变薄、养分流失,造成坡耕地土地生产能力降低、丧失耕作价值。随着区域人口数量的迅速增加,人地矛盾日益尖锐,人类对粮食的需求促使大规模开垦更多不适合耕种的坡地,使得坡耕地严重的水土流失和土地退化问题急剧加强,处于“坡耕地垦植—水土流失—单产降低—不能满足人类需求—再开垦新的坡耕地”的恶性循环[6],严重阻碍了山区农业的可持续发展。

近年来,为了减少长江上游坡耕地水土流失及其对生态环境的影响,国家启动了退耕还林(草)工程;然而,在该区有效实施退耕还林(草)工程还面临许多困难和矛盾,陡坡耕种仍较普遍。如何在有效控制坡耕地水土流失的同时,合理利用坡耕地,特别是有效提高和维持 25°以下坡耕地的土壤肥力及生产力,对实现坡耕地持续利用、增加农民收入、减少陡坡地开垦具有重要意义。近年发展起来的植物篱技术在控制土壤侵蚀和提高土壤肥力方面显示了很大的潜力,是集生态和经济效益为一体的坡耕地可持续利用技术[7-9],其研究与推广应用已引起越来越广泛的关注。

1 植物篱定义

植物篱是指在坡耕地上按一定间距种植植物(可等高种植或种植在地埂上),形成植物篱墙,用以阻挡水土流失,有效保护坡耕地[10]。这种植物篱种植模式最早出现在非洲和东南亚热带地区的坡地上,它不但能够有效防治坡地(包括坡耕地和退化草山草坡)土壤侵蚀,而且有助于坡地退化土壤养分库的恢复重建[11]。菲律宾称此为坡地农业技术[12]。由于该模式的投入较坡改梯等工程措施少得多,近 20年来国际上将它作为在环境日益恶化、资金匮乏的山区水土保持和土壤培肥的一种有效模式加以研究和推广。中国科学院成都生物研究所在金沙江干热河谷也进行了这一方面的长期试验研究,并取得了阶段性的成果[13-14]。

2 植物篱组成及种类

植物篱技术简便、快捷、省时、投入低、成篱快,不仅能有效控制坡地水土流失,还能使坡地逐步梯化,实现坡地可持续利用。组成植物篱的植物可以是乔木,如松 (Pinaceae)、杉 (Taxaceae)、桑 (Morus alba)、果木等,也可以是灌木,如新银合欢(Leucaena leucocephala)、千斤拔(Flemingia macrophylla)、灰毛豆 (Tephrosia ionophlebia)、金银花(Lonicera japonica)等,也可以是草本,如香根草 (Vetiveria zizanioides)、皇竹草 (Pennisetum hydridum)、金荞麦(Rhizoma fagopyri)和各种类型的牧草。

如果植物篱以豆科灌木或草本为主,称为固氮型植物篱;若以发展畜牧为主的称为牧草型植物篱;以水土保持为目的的称为水土保持型植物篱;以增加经济收益为目的的称为经济型植物篱[15]。

植物篱可以是混合型的,也可以是单行或双行种植,篱间可以种植各种农作物也可以不种。

等高植物篱种植模式是一种空间农林复合经营模式(或称为植物篱间作),即在坡地上沿等高线每隔 4～8m,沿等高线种植双行(株距 5～10 cm,行距30～50 cm)生长速度快、萌生力强的灌木或灌化乔木,植物篱间为耕作带,种植作物。通过对植物篱适时修剪,可将其控制在适当高度,通过刈割避免对相邻农作物发生光热竞争,刈割的枝叶也可作为绿肥或覆盖物施入相邻的作物种植带内[16]。

地埂植物篱是在梯田埂上栽种成篱植物,田里播种农作物,形成农林复合经营系统。各地区根据特有的地理条件和不同的原则与要求,地埂植物篱配置方式和空间布局形式也不同:有的在地埂上种植 1行植物篱,有的是种植多行;有的是每坎种植,有的是隔坎种植;有的是种植 1种植物,有的则是多种植物混植。

3 国内外研究概况

国际上对于植物篱技术的研究非常活跃。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。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[17]。70年代位于非洲的国际热带农业研究所(IITA)进行树木与作物间作的试验研究[18]。80年代 IITA在尼日利亚设立了 80个农民试验点,同时在非洲中部和西部也设了不少农民试验地研究,非洲的国际牧草中心(ILCF)采用牧草为篱的研究,使该技术同时可以提供饲料和农产品[19-20]。尼泊尔、印度、肯尼亚、泰国等都进行了大量的研究和实践,获得了宝贵的资料和成功的经验[21-22]。国际土壤研究管理委员会(IBARAM)在亚洲组织了协作研究,1989年成立了坡地可持续农业亚洲协作网,中国、越南、老挝、印尼、菲律宾、马来西亚等协作研究,发现更多的植物篱组合如银合欢、香根草、千斤拔、皇竹草、灰毛豆等,证明其控制水土流失的效果,对作物的增产作用和提高地力等,开展了农民试验地试验,并在一定范围内得以推广[23]。

我国也开展了以植物篱技术为核心的坡地农林复合系统经营的研究。我国北方的农民很早有种植黄荆(Vitex negundo)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、桑(Morus alba)等为篱的习惯。在贵州山区农民有在坡地上等高种植桑、松(Pinus sylvestris)、杉(Phleg-mariurus)、茶、果树如桃(Prunus persica)、李 (Prunus cerasiferacv)、杏 (Armeniaca vulgaris)、梨 (Pyrusserrulata reh)、樱桃(Cerasus pseudocerasus)等护坡的技术,罗甸县农民有用金荞麦保护坡耕地的历史。1991年唐亚[24]在国际山地中心的支持下,在金沙江干旱河谷坡地上开展了植物篱模式的长期定位试验、研究和示范工作,并结合我国山区的实际情况作了改进和完善,使之适合我国山区和坡耕地的应用。王正秋[25]报道了陕北等高植物篱(等高灌木带)水土保持效果及设计原理;国际土壤研究管理委员会资助在贵州省罗甸县开展了短期的植物篱模式试验工作;在三峡库区秭归也开展了植物篱的试验研究[26-27]。这些研究旨在为我国水土流失和土壤退化重点区域的综合治理提供新的手段。中国科学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有 0.27万 hm2[28]。贵州省农业科学研究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的水土保持效果,对土壤肥力的影响,用香根草、紫穗槐、灰毛豆、桑树等为植物篱在贵州推广数百 hm2[29]。湖北秭归水土保持试验站与中国科学院南京土壤所、华中农业大学、中国科学院地理科学与资源研究所、香港大学等合作提出三峡库区植物篱模式,采用黄荆、新银合欢、茶(Camellia sinensis)、桑、香根草等为篱,与经果林配合推广了 160 hm2。四川省农科院在试验研究中提出“经济植物篱”概念,强调成篱植物的的经济效益,提出采用桑、蓑草(Eulaliopsis binata)、黄花 (Hemerocallis citrina)、果树、花椒(Zanthoxylum bungeanum)、金银花和饲草为篱[30],以期解决因成篱植物经济效益低,农民不愿意推广的问题。目前的植物篱研究主要集中在长江中上游干旱河谷区和三峡库区以及北方黄土高原水土流失严重地区[31]。

4 植物篱的生态经济功能

纵观国内外相关研究,可以看出植物篱技术可改善坡耕地土壤的物理性质、减少水土流失、提高土壤养分,有极大的生态和经济效益。

4.1 改善土壤物理性状

坡耕地植物篱能够改善土壤理化性状。植物篱能够明显改善土壤渗透性能和通气状况,减少土壤密度,改善土壤结构,提高降水渗透深度、渗透速度和渗透系数,使降水很快渗入土壤,从而提高了土壤保水能力[32]。夏合新等[33]的实验表明:种植植物篱草带后,0～20 cm表层土壤密度由 1.407 g/cm3减小到1.162g/cm3,总孔隙度较对照(45.6%)增加了 15.8%,非毛管孔度由 8.7%增加到 10.5%,毛管孔度由 39.9%增加到 42.8%。S.Pattanayak等[34]的研究表明:在坡耕地上应用铁刀木(Cassia siamea)植物篱 4年后,旱季土壤的平均稳定入渗率有植物篱为 57 mm/h,剪去植物篱地上部分为 50 mm/h,无植物篱而用植物篱枝叶覆盖为 44mm/h,这说明植物篱增加入渗率 30%,植物篱根系增加入渗率 14%;雨季三者分别为 16.7、13.5和 8.6mm/h,这意味着在雨季植物篱系统比无植物篱的土壤要多入渗 94%的水分,其中植物篱地下部分可增加57%的入渗量。

4.2 水土保持作用

在复合农林系统中植物篱技术可以有效地减少坡面土壤侵蚀[34-35]。植物篱可以通过 3方面的作用来影响径流泥沙过程:首先是其本身具有对降雨的截留作用和削减雨点能量的作用;其次是篱带对侵蚀泥沙的直接拦截作用;第三是通过削减径流流速来降低其携沙能力[11,22]。蔡强国等[36]通过试验分析了植物篱控制侵蚀的机制,并通过增加径流的土壤入渗时间来减少土壤和养分的流失。许多学者[37-39]通过不同试验证明了植物篱的水土保持作用,并发现不同植物篱对坡面产流和产沙过程影响不同。孙辉等[31]研究了等高植物篱控制侵蚀的效果,许峰等[40]通过试验得出模拟降雨单纯植物篱处理的径流小区的侵蚀量仅相当于相近的降雨强度、降雨量条件下对照坡耕地的 17.8%,径流量相当于24.8%。R.C.Rosecrance等[41]也有类似结果,在应用植物篱 4年后,土壤持水量得到改善,植物篱模式土壤含水量比对照高 10%～30%。坡耕地植物篱的水土保持作用已被广泛地认识和研究。

4.3 减少土壤养分流失,增加土壤肥力

在植物篱生长过程中,刈割的植物篱茎叶可作为绿肥还田,从而增加土壤有机质,提高土壤肥力和土地生产潜力[42-43]。国内外在对植物篱刈割残体分解过程方面进行了较多研究,N.Z.Lupwayi等[44]用指数模型很好地拟合了新银合欢有机碳分解过程;E.L.Bross等[45]比较了洋槐(Robinia pseudoacacia)和苜蓿(Medicago sativa)枝叶覆盖在地表和埋入土中 2种方式对分解的影响,并研究了木质素对分解的影响。国内的研究多以农作物秸秆和绿肥如紫云英(Astragalus sinicus)、绿萍 (Nymphoides peltatum)、水稻 (Oryza sativa)和水葫芦(Eichhornia crassipes)等草本植物或枯枝落叶为实验材料,用砂滤管法对植物残体分解速率及残体化学组成、气候和土壤性质等因素对分解的影响作了研究[46]。

4.4 逐步降低坡度

植物篱能够改变局部径流水力学特性,即在植物篱条带的上坡位置,径流流速会大幅度下降,而在条带的下坡位置,径流流速则会增加。在条带上坡位置由于流速下降,径流携沙能力下降,导致泥沙侵蚀本身的减沙和已经侵蚀泥沙的淤积,从而使侵蚀泥沙在植物篱带堆积,逐步降低坡度,有梯化形成梯地的效果,节省梯地建设的投资。申元村[8]在三峡库区秭归县的试验表明,7年的植物篱,篱坎高度几乎都超过 90 cm,坡度从 30°～34°减缓至 15°～18°,表层土壤有机质质量分数从 0.9%增至 1.61%,达到完全防治土壤侵蚀,提高土壤肥力目的,是三峡库区值得推广的一项农业技术体系。

4.5 增加农作物产量,提高植物篱经济效益

植物篱除具以上生态效益外,其经济效益也十分显著,不仅可以提高带间作物产量[42,47],而且植物篱本身也具有可观的经济效益[48-49]。

植物篱改善坡地生产潜力也带来一定的经济效益。随着篱笆种植年限的增加,篱笆带间坡耕地的坡度变缓、墒情好转,土壤的肥力和保水能力逐步提高,从而减少了肥料和灌溉的投入,使农民节省了部分开支。同时,土壤肥力的提高使农作物的生长条件大幅度改善,作物增产明显。如果因地制宜选用实用、高效的生态农业模式来发展和丰富植物篱种植模式,其经济效益将更高。例如选用高肥效、高产量的“铁杆绿肥”紫穗槐作为篱笆植物,其周期性刈割的鲜茎叶每 50 kg可增产粮食 5 kg以上。据分析每 1 000 kg紫穗槐嫩枝叶含氮 616 kg、磷 114 kg、钾319kg,且紫穗槐叶量大,根瘤菌多,可减轻土壤盐化,增加土壤肥力,改良土壤又快又好[50]。

植物篱与牧草种植相结合,可促进种草养殖发展。陈治谏等[42]的研究表明,皇竹草刈割的茎叶既可作为绿肥增加土壤肥力,减少肥料的投人,又可作为饲料喂养牲畜,若按皇竹草单位面积年刈割量的50%用作饲料计算,可出栏 3只羊,增加经济收人1 200元左右。从投人产出比来看,植物篱农业技术模式为 1.58,是传统经营的 1.25倍。采用适应性强、用途广、经济价值高、易于繁殖的多年生豆科落叶灌木紫穗槐作为植物篱品种,刈割的茎叶即可作为绿肥增加土壤肥力,减少肥料的投入,而且可作为饲料喂养牲畜,增加山区农民经济收入。有些成篱植物还能作为燃料资源,解决山区农村的燃料短缺问题。

5 存在问题及解决途径

已有研究表明,植物篱复合农业生态系统主要存在选种、布设、管理和配套模式等技术问题,其中植物篱物种的选择是首要问题。植物篱物种选择和设计不当,将会造成植物篱植物与农作物间较大的竞争且不能得到理想的经济收益。由于植物篱物种繁多,生长习性受地域影响很大,因此须作大量的基础研究和试验工作,筛选和培育既适于本地区生长又有较高经济价值的植物篱物种。

植物篱带间距及种植密度也影响其生态和经济效益的发挥,但我国这方面的研究还不多。此外,植物篱种植模式受空间和坡度的限制,其田间耕种管理有许多不便,这也是该模式推广中的制约因素。

植物篱的投入产出问题也是植物篱技术推广应用中应考虑的因素。无利可图的耕作模式终归是缺乏吸引力的,植物篱的经济效益不容忽视。广大山区农民科学文化水平较低,对农户来说,一项新技术的推广需要一个消化吸收的过程。坡耕地多的地区,往往是经济落后、贫困人口集中的地区。农民主要关注收入的增加和风险的减少,广大山区的低收入农民不愿投资于水土保持。以上问题若不解决,坡耕地水土保持措施就无法顺利实施,水土流失将继续增加。为有效防治坡耕地水土流失,并解决农民的“吃饭”问题,必须发展适合山区经济增长,提高农民收入的种植模式,才能确保水土保持措施在广大山区的顺利实施。

6 展望

在植物篱物种选择上,首先应考虑植物自身的生物学特性,选择萌蘖能力强、萌条发达、与作物争水、争肥较弱的灌木与禾草作为篱笆植物,使其在短期内在近地面部位郁密成丛。进一步提高管理技术如施肥、整地和耕作措施,减少植物篱对坡耕地农作物的负面影响。还需从当地的自然环境和社会经济条件出发,根据山区经济发展和农民的实际需求,筛选适宜当地气候和土壤条件、防止土壤侵蚀效益明显、经济效益显著的篱笆品种,促进产业结构调整的植物篱与作物间作配套模式。

植物篱带间距和密度与植物篱的水土保持效果、生物量生产、植物的占地、土地利用率及是否方便耕作等有密切联系,随坡度和地区的土壤侵蚀程度的不同而不同[30]。一般而言,对于坡度大、土层薄、水土流失严重的大坡度耕地地区,其植物篱建设主要考虑的是如何减少水土流失,其篱笆带间距应较小,篱笆密度较大,这样才能更好地发挥植物篱的水土保持作用。在坡度较小的坡耕地上,主要是筛选经济价值比较高的植物篱物种,这类坡耕地坡度较小,土层厚,土壤流失较少,是高产稳产耕地,适宜多种经济植物的种植,其篱笆带间距相对较大些,篱笆密度相对小些。对于不同地区,应根据当地实际情况、植物篱树种以及经营方式等进行较为系统的研究,增强该种植模式的实践指导意义。

对于坡耕地植物篱模式要科学规划植物篱空间结构,强化植物篱的管理(如整地、栽种、修剪),控制植物篱生长高度,并对植物篱进行周期性刈割,以避免其与相邻农作物争光和争水。在坡耕地植物篱技术推广应用方面,各级政府部门应给予充分的政策支持。根据农民对技术的掌握情况,增强农民保护土地意识,积极开展技术培训,制订简单易行的操作规范,编写实用的培训手册,帮助农民尽快掌握植物篱种植、布设和管理技术,最大限度地调动农民的生产积极性,促使农民自觉地采用坡耕地植物篱水土保持措施,实现对土地资源的可持续利用。

坡耕地植物篱种植模式是坡地改良措施之一,应注意其与生态工程措施以及农业耕作措施等有机结合,科学布局和实施这些技术措施。如植物篱措施与坡地排水、沟道防护措施相结合,最大限度地减少坡耕地的土壤侵蚀和水土流失。

到目前为止,仍然没有一个能够对在植物篱作用下单次降雨事件的土壤侵蚀过程进行模拟和预报的理想模型,也就无法对不同植物篱的效应进行模拟和评价,这也是今后植物篱技术研究的重要方面。坡耕地植物篱研究未来将呈多元化趋势,应进一步加强植物篱系统能流、物流和经济流的功能研究,时空结构的优化模式及其调控机制和方法研究,完善植物篱体系,建立完善的评价方法和可持续发展指标体系,对植物篱进行定量评价,并建立典型试验示范点和示范区,为进一步规范和推广该技术提供科学依据。

此外,目前对于植物篱的研究大多集中于其水土保持效益、经济效益等,很少涉及其对土壤微生物、土壤动物、土壤酶等土壤生物学特性方面的研究。今后应加强这方面的研究工作,以助于揭示某种种植模式恢复退化土壤系统的机制与过程,并对农业生态系统可持续性和生态服务价值进行全面评价。

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Application of hedgerow to soil and water conservation

Zhou Ping,Wen Anbang,Zhang Xinbao,Bao Yuhai

(Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,The Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and its Regulation,610041,Chengdu,China)

The hedgerow on slope farmland isa protection tillageand sustainable landuse technique.The hedgerow technique could improve the soil physical texture and soil chemical nutrients,reduce soil erosion and land degradation,even improve the crop growth,increase crop production,and offer forage and firewood.The ecological and econom ic benefits of hedgerow are systemic introduced.At the same time,the problems and further research work on hedgerow are discussed briefly and some suggestions are put forward,aiming to promote the development of hedgerow technique for the future in China.

hedgerow;slope land;soil and water conservation;ecologicalbenefit;economic benefit

2009-12-08

2010-06-19

项目名称:国家科技支撑课题“调水保土的坡耕地微地形改造技术研究”(2008BAD98B 01);水利部公益性行业科研专项“长江上游重点产沙区的侵蚀产沙类型及其控制技术”(200701034)

周萍(1981—),女,博士研究生。主要研究方向:坡耕地土壤侵蚀与水土保持。E-mail:zhouping04@mails.gucas.ac.cn

†责任作者简介:文安邦(1964—),男,研究员,博士生导师。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:wabang@imde.ac.cn

(责任编辑:程 云)