不同行数植物篱对红枫湖坡耕地养分的拦截效应

蔡先立，周运超，刘晓云，马礼平，田箫

(贵州大学林学院，550025，贵阳)

湖泊是生态环境的重要组成部分，也是人类重要的生存资源，然而许多湖泊由于富营养化等问题导致水质变坏，甚至发生严重的水体事件，威胁生态安全和用水安全［1－2］，坡耕地养分流失是湖泊富营养化问题中养分元素的重要来源之一［3－6］;因此，防治坡耕地养分流失是从源头上保证湖泊安全的重要手段。坡耕地养分流失是伴随水土流失而发生的［7］，植物篱(hedgerow)是控制坡耕地水土流失的有效手段之一，其相对其他水土保持措施投入较低、维护容易等优势使得对植物篱的研究和应用较多。植物篱也称生物篱、草篱等，是条带状密集种植的植物群体。到目前为止，植物篱主要运用于公路边坡和坡耕地的水土流失防治，对植物篱的研究主要有对植物篱功能的研究、对特定环境下不同植物篱模式的作用效果以及对植物篱效益的研究等。研究表明植物篱具有多种功能，如水土保持功能(能减少7%～79%地表径流和49%～96%泥沙)［8－11］、保持并增加土壤养分功能［12］、改善土壤物理性质功能(能显著改善土壤的密度、孔隙、颗粒组成等性质)［12－13］等，并对这些功能发挥的机制进行了分析。对黄土高原 区［14］、金 沙 江 干 热 河 谷［14－15］、红 壤 丘 陵区［14，16］、贵州地区［17］、长江三峡地区［14－15］以及东北的黑土地区［14］等地区不同植物篱物种、物种组合、植物篱空间配置方式等的研究，选出了对应环境下某功能效果最佳的植物篱模式。植物篱的效益研究主要是对植物篱发挥各种功能所产生的效益进行分析评价，分为生态效益［18－21］、经济效益［19－21］、社会效益［21－22］3 方面。从以上介绍可以看出前人已对植物篱作了大量研究，但是专门针对不同行数植物篱对水土流失及养分流失影响的研究鲜见报道。灰毛豆(Tephrosia purpurea(L.) Pers.)与香根草(Vetiveria zizanioides L.)分别属木本和草本，二者在水土保持上的优势可以互补，加上灰毛豆和香根草在水土保持中运用较多，技术成熟，效果也好［23－24］，二者的生态习性也适应红枫湖地区的生态环境(穿过红枫湖地区的贵黄公路边坡治理中有种植);因此，本试验选择由香根草和灰毛豆混合建设植物篱，使试验具有研究和实用价值。

1 研究区概况

红枫湖位于贵州省贵阳市以西33 km 处，是贵阳地区最大的人工湖，设计库容6 亿m3，水域面积57.2 km2，主要分为南北2 湖区，水源主要来自流入的河流，流域面积1 551 km2，主要承担饮用水源、灌溉等功能。本试验的试验地设置于清镇市红枫湖镇大冲村，位于E106°14'07″、N26°18'55″，地处红枫湖北湖上游，属亚热带季风气候区，年均气温14 ℃，年降雨量1 091.8 ～1 414.5 mm，雨热同期，降雨主要集中于4—10 月;植被为次生常绿阔叶林;主要土壤种类有石灰土、黄壤和水稻土，坡耕地主要土壤为黄壤，坡耕地作物主要为玉米(Zea mays L.)套作向日葵(Helianthus annuus L.)，少量土地种植辣椒(Capsicum frutescens L.)、花生(Arachis hypogaea L.)等其他作物。

2 研究方法

2.1 试验设计

本试验采用随机区组设计，设3 个区组，每区组含5 个处理小区，共15 个处理小区，选择坡度条件相近的小区构成区组，每小区为投影面积100 m2(顺坡长20 m×横坡宽5 m)的长方形径流小区，建设相应的径流集流、分流、收集设施，并在小区内种植不同行数的植物篱形成不同的处理方式。

2.2 试验实施

2.2.1 径流小区建设 小区边界用厚聚氯乙烯塑料布与外界隔开(开沟将塑料布埋入土壤80 cm 并留高出地表30 cm，以土两面夹筑成埂状)，阻断小区内外径流交换，下方挖截流沟，并配备相应的径流分流(将径流分成12 份、收集其中1 份)和收集设施，根据试验区的具体情况按坡度来划分区组，3 区组的坡度分别为7°、13°、13°(二、三区组坡度相同)，土壤为黄壤，并测定各小区土壤的主要养分(全氮、全磷、全钾)质量含量(表1)，经过F 检验，土壤中各元素本底值在区组间和区组内均未达到显 著水平，土壤物理性质未测定。

表1 各处理小区土壤主要养分本底值Tab.1 Background value of main soil nutrients of different plots

2.2.2 植物篱种植 区组内部用抽签的方式决定不同处理方式与径流小区的匹配，在非对照小区内从小区最下部起每隔约6.67 m 沿等高方向种植3带由灰毛豆和香根草2 种植物混合建设而成的植物篱(灰毛豆和香根草分别建成植物行，并以1∶1比例行间交互混交组建植物篱带)，将小区均分为3 段;试验设置对照(不种植植物篱)、每带2 行(1 行香根草+1 行灰毛豆)、自上而下各带分别为2、4、6 行(各带均由香根草和灰毛豆按1∶1行间交互混交)、每带4 行(2 行香根草+2 行灰毛豆行间交互混交)和每带6 行(3 行香根草+3 行灰毛豆行间交互混交)5 种不同处理方式(如图1)，植物篱带统一采用株距10 cm、行距15 cm，行间错窝种植。

图1 植物篱种植示意图Fig.1 Sketch map of hedge row and plot

2.2.3 样品采集 每次产生地表径流的降雨后，先测定径流量，然后将径流混匀后采集样品500 mL，带回实验室测定，泥沙沉积于分流池中，不影响分流的情况下，最后一次收集径流的时候对泥沙进行称量并将泥沙混匀后采集样品，湿质量约为2 kg，带回实验室测定。试验期间共采集径流水样5 次，每次15 个，共75 个，测定指标为水溶解态全氮、全磷、全钾及铵态氮;采集泥沙1 次，共15 个，测定指标为固体态的全磷、全钾。

2.2.4 样品测定 测定方法参考中国科学院南京土壤研究所编著《土壤理化分析》［25］，先过滤径流水样适量，用滤液测定水溶解态全氮、铵态氮、全磷、全钾的质量浓度;将土壤风干后测定土壤全磷、全钾量(由于数据丢失，泥沙样未保存所以无泥沙样固体态全氮数据)。用开氏法测定全氮，用靛酚蓝比色法测定铵态氮，用硫酸－高氯酸氧化－钼蓝比色法测定全磷，用火焰光度计法测定全钾。

2.2.5 数据处理 在F 检验的保护下，进行多重比较，测试不同处理的差异显著性，比较不同植物篱的水土保持和养分元素拦截效果。统计应用Excel软件完成，统计方法参考盖均镒主编的《试验统计方法》［26］中随机区组试验的统计方法。

3 结果与分析

3.1 地表径流量

地表径流随着植物篱行数的增加呈减少的趋势，经F 检验表明差异显著后，进行多重比较的结果(表2)表明:每带2 行植物篱处理与对照处理相比并无显著减少，在第3 场降雨时每带2 行3 个植物篱小区其中1 个由于农户除草(野外试验较难避免人为干扰)，致使土壤入渗加强，径流减少，与对照有显著差异并出现了每带2 行处理径流量反而小于自上而下分别2、4、6 行处理的现象。自上而下每带分别为2、4、6 行植物篱处理与对照处理有显著差异，但是其与每带2 行处理并无显著差异。第5 次降雨时由于降雨时间较长，导致各处理总体方差较小，所以出现显著差异。每带4 行处理与对照处理存在显著差异，与每带2 行处理差异不明显;每带6行处理与对照、每带2 行和自上而下每带分别2、4、6 行处理都存在显著差异。分析后认为出现以上现象的原因可能是双行植物篱宽度较小(15 cm)，对地表径流入渗影响不明显，随着植物篱宽度的增加，径流与植物篱作用时间增加，减少径流作用逐渐显现，每带6 行植物篱的带宽较大(75 cm)，径流减少较为明显。

表2 不同植物篱处理地表径流量及多重比较结果Tab.2 Surface runoff of different rows hedge plots and the multiple comparison results L/m2

3.2 地表径流中的水溶解态全氮、全磷、全钾和铵态氮量

3.2.1 水溶解态全氮量 地表径流中水溶解态全氮量(次降雨地表径流中水溶解态全氮量(mg/m2)=径流中水溶解态全氮质量浓度(mg/L) ×小区次降雨径流量(L)÷100) 监测结果经F 检验表明差异显著后，进行多重比较，结果(表3)表明:地表径流中水溶解态全氮量由于受径流量影响较大而表现出与径流量相似的总体趋势，其中每带2 行植物篱与对照处理没有显著差异;但第1 场降雨时正是植物篱生长旺盛时，植物篱的吸收使土壤氮素减少，径流流过时与土壤交换氮，出现显著小于对照的现象。植物篱行数越多，减少越明显，自上而下每带分别2、4、6 行植物篱处理由于带宽的特殊性，在第1、2、4 次降雨时与对照有显著差异，而在第3、5 次降雨未出现显著差异，每带4 行和每带6 行植物篱处理都与对照有显著差异，但这二者之间无显著差异。

表3 不同植物篱处理地表径流中水溶解态的全氮量及多重比较结果Tab.3 Total soluble nitrogen in surface runoff of different rows hedge plots and the multiple comparison results mg/m2

3.2.2 水溶解态的全磷量 地表径流中水溶解态的全磷量(次降雨地表径流中水溶解态的全磷量(mg/m2)=径流中水溶解态全磷质量浓度(mg/L)×小区次降雨径流量(L) ÷100) 监测结果通过F测验表明差异显著后，进行多重比较的结果(表4)表明，每带2 行植物篱处理与对照没有显著差异，第1 场降雨时由于和全氮相同原因致使出现差异，其余各个带宽植物篱处理都与对照有显著差异，自上而下每带分别2、4、6 行，每带4 行和每带6 行植物篱处理效果最好，三者之间无显著差异。说明植物篱对地表径流中全磷的拦截效果比对全氮的提截效果好。

表4 不同植物篱处理地表径流中水溶解态全磷量及多重比较结果Tab.4 Total soluble phosphorus in surface runoff of different rows hedge plot and the multiple comparison results mg/m2

3.2.3 水溶解态全钾量 地表径流中水溶解态全钾量(次降雨地表径流中水溶解态全钾量(mg/m2)=径流中水溶解态全钾质量浓度(mg/L) ×小区次降雨径流量(L)÷100)的趋势与径流量的趋势有一定的差异，第1 次降雨时径流量最大，但是水溶解态全钾流失量并不是最大的;通过F 测验表明差异显著后，进行多重比较的结果(表5)表明:第1 次降雨时除每带6 行植物篱处理显著小于对照外，其余处理都与对照无显著差异，其余几次降雨，各植物篱处理之间差异并不明显。有研究显示植物篱对钾元素流失的影响有限［11，27－29］，本试验的结果亦可验证此结论，每带2 行植物篱处理与对照无显著差异，其他3 个处理都显著小于对照，但是他们之间无显著差异。

表5 不同植物篱处理地表径流中水溶解态全钾量及多重比较结果Tab.5 Total soluble potassium in surface runoff of different rows hedge plot and the multiple comparison results mg/m2

3.2.4 水溶解态铵态氮量 地表径流中水溶解态铵态氮量(小区次降雨地表径流中水溶解态铵态氮量(mg/m2) =径流中水溶解态铵态氮质量浓度(mg/L)×小区次降雨径流量(L)÷100) 监测结果通过F 测验表明差异显著后，进行多重比较的结果(表6)表明:每带2 行处理与对照无显著差异，其余3 个处理都与对照有显著差异，但是它们三者之间没有显著差异，第5 次降雨时由于降雨强度较小，致使每带2 行，分别，2、4、6 行，每带4 行处理与对照无显著差异。

表6 不同植物篱处理地表径流中水溶解态铵态氮量及多重比较结果Tab.6 Soluble ammonnium nitrogen in surface runoff of different rows hedge plot and the multiple comparison results mg/m2

3.3 泥沙量及其所含固体态的全磷和全钾量

泥沙量及泥沙中固体态的全磷、全钾元素量(泥沙中固体态的全磷(钾)量(mg/m2)=泥沙中固体态的全磷(钾)质量含量(mg/g) ×小区泥沙量(g)÷100) 监测结果通过F 测验表明差异显著后，进行多重比较的结果(表7)表明:泥沙流失量方面，除每带2 行之外的各植物篱处理都显著小于对照，但是各植物篱处理间并无显著差异。究其原因可能是由于流失的泥沙颗粒大小不同，而大颗粒泥沙所占的质量含量较大，植物篱密集种植，实际对大颗粒泥沙起阻挡作用的是上方1 ～2 行，因此，各植物篱处理没有显著差异;但是，由于对细颗粒泥沙的拦截出现了一些差异，导致除每带2 行处理外都与对照之间有显著差异。自上而下每带分别2、4、6 行植物篱处理虽然植物篱宽度平均也是4 行，而且最下方一带为6 行，但其效果并不好于每带4 行植物篱。泥沙中固体态养分元素流失量首先与泥沙量有关，同时在与径流共同移动过程中与径流中养分元素进行交换。当径流中养分元素被植物篱吸收后，泥沙中养分元素释放，则会降低泥沙中养分元素含量;从泥沙中固体态磷元素量来看，各植物篱处理都显著小于对照，每带4 行与每带6 行植物篱处理效果最好，显著小于其他各处理;有研究认为磷素的流失的主要形式是吸附于土壤黏粒上随径流流失［30］，每带4 行和每带6 行植物篱对土壤黏粒的拦截效果好于其他植物篱，所以其随泥沙流失的磷量迅速减少，但每带4 行与每带6 行二者之间无显著差异;从泥沙中固体态的钾元素量来看，每带2 行植物篱处理与对照没有显著差异，其他处理都与对照有显著差异，效果最好的是每带6 行植物篱处理。

表7 不同植物篱处理泥沙及其中的固体态全磷、全钾量及多重比较结果Tab.7 Sediment and total phosphorus and total potassium fixed at sediment of different rows hedge plots and the multiple comparison results

4 讨论

植物篱之所以能减少地表径流和泥沙及其所携带的养分元素，是因为植物篱的种植将连续的坡地截断，使侵蚀难以发育到侵蚀强度大的细沟侵蚀形态［31］，植物篱的种植密度大，对水土流失中颗粒较大的泥沙形成拦截，并通过机械阻挡水流，减小坡度等致使径流流速减慢，携沙力下降，泥沙沉积于植物篱上方及篱下［32－33］，有效地防止土壤流失。植物篱带内由于受到人类活动影响较小，土壤较为疏松，加上植物根系穿插、土壤动物的活动以及枯枝落叶增加土壤有机质对土壤物理性质的改善［31］，带内土壤孔隙度较大，能有效地使地表径流下渗，加上径流在植物篱带内流速减慢，入渗时间增长，使径流量有所减少。地表径流所携带的养分元素是坡耕地养分流失的主要途径之一［34］，当地表径流和泥沙被植物篱截留后，养分元素也随之被拦截，而且径流流经植物篱时有部分养分元素被植物篱吸收。本试验中每带2 行植物篱在水溶解性养分方面没有表现出与对照有显著差异，其原因在于每带2 行植物篱行数较少、宽度较小，径流与植物篱作用的时间较短，而径流入渗以及养分元素交换、吸收都需要一定的时间。随着植物篱行数的增多，径流与植物篱作用的时间和空间也随之增大，每带6 行植物篱因为其带宽较大表现最好，径流与植物篱作用较充分。试验中除植物篱行数不同对坡耕地水土流失和养分元素流失有影响外，耕作时机也具有较为明显的影响，在作物已经郁闭耕地以后，雨前除草等耕作会使径流入渗加强，减少径流流失。植物篱对各种养分元素的作用不尽相同，所以在相同的植物篱条件下，各养分元素的拦截效果会出现差异。

研究证明随着植物篱行数的增加，其减少水土流失及其所导致的养分元素流失效果相应地有所增强，然而，植物篱在坡耕地中的运用还涉及对耕地的占用等问题，研究证明每带4 行、自上而下分别2、4、6 行植物篱处理在对地表径流中水溶解态养分元素的拦截效果上与每带6 行植物篱相差不大，而在本地情况下，地表径流中水溶解态养分元素是养分元素流失的主要途径(水溶解态全磷、全钾分别占全磷、全钾流失总量的86.57%和61.30%)，所以事实上每带4 行、自上而下分别2、4、6 行植物篱处理与每带6 行处理在对该地区环境下坡耕地养分流失的拦截效果相差不大，而研究证明红枫湖为磷限制性富营养化［35］，因此每带4 行及自上而下分别2、4、6 行植物篱对预防湖泊富营养化的意义并不小于每带6 行植物篱。

5 结论

1)每带2 行植物篱虽然占用的耕地少，但是其拦截养分元素效果也差，达不到治理目的，不宜选用。

2)每带4 行及自上而下分别2、4、6 行植物篱在试验中表现出了较好的效果，与每带6 行植物篱在养分元素拦截效果上相差不大，且其对耕地的占用较少;每带4 行植物篱在某些情况下较自上而下每带分别2、4、6 行植物篱表现好，二者对耕地的占用相同，因此，4 行植物篱是本地区的最佳植物篱种植行数，其次是自上而下每带分别2、4、6 行植物篱。

3)每带6 行植物篱处理效果最好，但其对耕地的占用却显著增加，也不宜选用。

［1］ 刘丽萍.滇池富营养化发展趋势分析及其控制对策［J］.云南环境科学，2001，20(增刊):25－27

［2］ 朱广伟.太湖富营养化现状与原因分析［J］.湖泊科学，2008，20(1):21－26

［3］ 冯业强，夏品华，张明时.贵州红枫湖水库富营养化和蓝藻水华分析［J］.安徽农业科学，2011，39(11):6733－6734

［4］ 王长娥.贵州省红枫湖、百花湖和阿哈水库污染源的现状调查、分析与评价［D］.贵阳:贵州师范大学，2009

［5］ 申德君，张曼华，刘燕，等.红枫湖水库富营养化现状分析［J］.贵州大学学报:自然科学版，2006，23(2):175－179

［6］ 夏品华.红枫湖水库富营养化现状及其控制对策［J］.安徽农业科学，2011，39(13):8010－8011

［7］ 丁恩俊.三峡库区农业面源污染控制的土地利用优化途径研究［D］.重庆:西南大学，2010

［8］ 黄传伟，牛德奎，黄顶，等.草篱对坡耕地水土流失的影响［J］.水土保持学报，2008，22(6):40－43

［9］ 字淑慧，吴伯志，段青松，等.非洲狗尾草防治坡耕地水土流失效应的研究［J］.水土保持研究，2006，13(5):183－185

［10］字淑慧，段青松，吴伯志.混播草带防治坡耕地水土流失效应的研究［J］.农业工程学报，2006，22(5):61－64

［11］林超文，庞良玉，陈一兵，等.牧草植物篱对紫色土坡耕地水土流失及土壤肥力空间分布的影响［J］.生态环境，2008，17(4):1630－1635

［12］黎建强，张洪江，程金花，等.不同类型植物篱对长江上游坡耕地土壤养分含量及坡面分布的影响［J］.生态环境学报，2010，19(11):2574－2580

［13］彭熙，李安定，李苇洁，等.不同植物篱模式下土壤物理变化及其减流减沙效应研究［J］.土壤，2009，41(1):107－111

［14］龙高飞，蒲玉琳，谢疆.农业面源污染的植物篱控制技术研究进展［J］.安徽农业科学，2011，39(19):11711－11714

［15］孙辉，唐亚，谢嘉穗.植物篱种植模式及其在我国的研究和应用［J］.水土保持学报，2004，18(2):114－117

［16］王燕，宋凤斌，刘阳.等高植物篱种植模式及其应用中存在的问题［J］.广西农业生物科学，2006，25(4):369－374

［17］牛红玉，赵欣，吴丽丽，等.植物篱技术在面源污染治理中的应用［J］.现代农业科技，2011(6):283－284

［18］廖晓勇，罗承德，陈义相，等.陡坡地饲草玉米生物篱的生态效益研究［J］.农业环境科学学报，2009，28(3):633－638

［19］王青杵，王彩琴，杨丙益.黄土残塬沟壑区植物篱水土保持效益研究［J］.中国水土保持，2001(12):25－26

［20］陈治谏，廖晓勇，刘邵权.坡地植物篱农业技术生态经济效益评价［J］.水土保持学报，2003，17(4):125－127

［21］王幸，张洪江，程金花，等.三峡库区坡耕地植物篱模式效益评价研究［J］.中国生态农业学报，2011，19(3):692－698

［22］祝其丽，孙辉，何道文，等.植物篱种植模式综合效益研究［J］.四川环境，2007，26(3):41－45，54

［23］黄欠如，章新亮，李清平，等.香根草篱防治红壤坡耕地侵蚀效果的研究［J］.江西农业学报，2001，13(2):40－44

［24］尹迪信，唐华彬，朱青，等.物篱逐步梯化技术试验研究［J］.水土保持学报，2001，15(2):84－87

［25］中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析［M］.上海:上海科学技术出版社，1978

［26］盖钧镒.试验统计方法［M］.北京:中国农业出版社，1999

［27］牛德奎，黄传伟，武菊英，等.草篱对坡耕地水土流失和土壤养分的影响［J］.安徽农业科学，2009，37(7):3079－3081

［28］朱远达，蔡强国，张光远，等.植物篱对土壤养分流失的控制机理研究［J］.长江流域资源与环境，2003，12(4):345－351

［29］林超文，涂仕华，黄晶晶，等.植物篱对紫色土区坡耕地水土流失及土壤肥力的影响［J］.生态学报，2007，27(6):2191－2198

［30］黄丽，丁树文，董舟，等.三峡库区紫色土养分流失的试验研究［J］.水土保持学报，1998，4(1):8－13

［31］王海明，陈治谏，廖晓勇，等.三峡库区坡耕地植物篱对土壤特性的影响研究［J］.中国水土保持，2010(10):21－23

［32］蔡强国，黎四龙.植物篱笆减少侵蚀的原因分析［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4(2):54－60

［33］傅涛，倪九派，魏朝富，等.坡耕地土壤侵蚀研究进展［J］.水土保持学报，2001，15(3):123－128

［34］许峰，蔡强国，吴淑安，等.坡地等高植物篱带间距对表土养分流失影响［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1999，5(2):23－29

［35］冯业强，夏品华，张明时，等.贵州高原红枫湖水库富营养化特征分析［J］.贵州师范大学学报:自然科学版，2011，29(3):29－35