不同生长年限的植物篱对坡耕地紫色土土壤侵蚀和土壤有机质的影响

何丙辉，陈晶晶，向明辉，谌芸

（1.西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400715；2.遂宁水土保持试验站，四川遂宁629006）



不同生长年限的植物篱对坡耕地紫色土土壤侵蚀和土壤有机质的影响

何丙辉1，陈晶晶1，向明辉2，谌芸1

（1.西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400715；2.遂宁水土保持试验站，四川遂宁629006）

为了解不同生长年限植物篱的资源利用对坡耕地土壤侵蚀及土壤肥力的影响，为制定坡耕地植物篱土地管理措施提供基础依据，为植物篱种植模式可持续性提供量化指标，本实验跟踪研究植物篱生长过程。对2年生植物篱生长状况对坡耕地水土流失治理效益和土壤有机质变化的影响进行分析，比较1、2年生香根草和新银合欢植物篱不同坡度（10°和15°）下的效益。结果表明：（1）从定植后的第二年起，植物篱开始发挥对径流、泥沙的机械拦截作用。植物篱对径流阻滞效果大体表现为10°坡耕地香根草植物篱＞10°坡耕地新银合欢植物篱＞15°坡耕地香根草植物篱＞10°坡耕地对照＞15°坡耕地对照。2年生新银合欢植物篱未形成闭合带，只能减少地表径流，对径流中泥沙的拦截作用不明显。此外，植物篱措施在高强度降雨下对径流泥沙的控制作用最为显著。总体上植物篱对坡面产流量的控制效应大于对坡面产沙量的控制效应。（2）植物篱栽植初期应考虑其生长期的资源利用策略，结合坡度、坡位和植物篱物种等因素，分量加大坡耕地施肥量。通过施肥促进植物篱生长、密闭，进一步提高对径流泥沙的拦截效率。（3）植物篱对径流泥沙的拦截和有机质的固持作用实质上是对坡耕地水分、土壤结构和养分的再分配。

紫色土；植物篱；香根草；新银合欢；水土流失；有机质

紫色土是三峡库区主要的种植土壤，面积占库区耕地的78.7%，其中65.5%为坡耕地［1］。严重的水土流失、土地退化和库区移民带来的巨大社会经济压力加速了坡耕地的土壤侵蚀。植物篱间作作为一种特殊的农林复合技术应用于坡耕地，能够改良土壤、拦截径流、保土蓄水，是一种有效的防治坡耕地水土流失的可持续利用生物工程措施［1-3］，并且有助于坡地退化土壤养分库的恢复重建［4］。由于低廉的成本，近20年来植物篱已成为国际上在环境日益恶化、资金匮乏的山区水土保持和土壤培肥的一种有效治理模式。深入推广坡耕地等高植物篱技术对保持库区坡地土壤肥力，减少水库泥沙淤积和减轻水体污染具有重要意义。

历年来国内外有关植物篱效益分析的相关报道中，已有不少利用植物篱带控制土壤侵蚀、固持土壤有机碳及影响微地貌的研究。陈旭晖等［5］研究表明，定植植物篱后，小区土壤侵蚀量比对照小区明显减小，植物篱减缓径流，阻挡水土流失。植物篱通过降雨截留、降低流速和阻拦泥沙3个方面影响径流泥沙过程。蔡强国等［6］对等高植物篱控制侵蚀的原因进行分析研究，认为机械拦阻是植物篱减少侵蚀的主要原因。卜崇峰［7］认为，植物篱的降雨截留、增加入渗对侵蚀影响甚微，植物篱能控制坡地侵蚀产沙量主要是通过改变小区内局部径流流速实现的。四川省西南部金沙江河谷海拔高度1 000～1 400 m内在坡耕地上相隔4～6 m种植双行固氮植物篱，6年后与对照相比土壤有机质含量提高19.8%～32%，含固氮量提高74.9%～133.9%，使极为退化的土地得到改善［8，9］。同时，植物篱结合覆盖、施肥等农业措施能够明显提高坡地水土保持效益。

然而，植物篱不同生长期期资源利用策略不同，造成植物篱不同生长时期对土壤物理性状、水土流失及养分控制效益的差异。生长过程中不同时期植物篱对坡耕地水土流失和土壤肥力的影响的研究国内还罕有报道。为此，本实验跟踪植物篱生长过程，研究不同生长期植物篱对坡耕地土壤侵蚀及土壤肥力的影响。1年生植物篱的效益研究，我们已有过文献报道［10，11］，本文主要研究2年生植物篱生长状况对坡耕地水土流失治理效益和土壤有机质变化的影响，比较1、2年生香根草和新银合欢植物篱不同坡度下水土保持效益的差异。以期为制定用植物篱防止坡耕地水流失的土地管理措施提供基础依据，为植物篱种植模式可持续性利用提供量化指标。

1　研究地点及方法

1.1研究区概况

研究区位于四川省遂宁市安居区的遂宁水土保持试验站内（30°21′51″N，105°28′37″E），最高海拔高程330.58 m，最低海拔高程288.00 m。研究区地处川中盆地中部，嘉陵江中、下游丘陵区，属涪江水系一级支流琼江流域，是典型盆中丘陵地貌。属亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充足，日照偏少。年平均气温为18.2℃，多年平均降雨量933.3 mm，年均蒸发量897.2 mm，多年平均日照时数为4 426.70 h，年平均无霜期296天。母岩为侏罗系遂宁组岩层发育而成的紫色土，有机质和氮素含量低，土壤松散，大多是砂岩、页岩、泥岩风化形成的幼年土，结构性差，土壤pH呈中性到微碱性，土壤抗冲刷和抗侵蚀能力均较弱，试验小区概况见表1。

表1　试验小区概况Table 1The basic information of test plots

1.2材料与方法

1.2.1试验小区的选取

选取试验区内5个标准径流小区，其坡面均向南，土壤属红棕紫色土，母质为泥页岩，中壤。本试验各小区采用相同的农作物（玉米）和农作物种植耕作模式（顺坡常规种植）。实验设计在1号（10°）小区栽植新银合欢（Leucaena leucocephala，含羞草科）植物篱，在3号（10°）和5号（15°）小区栽植香根草（Vetiveria zizanioides，禾本科岩兰草属）植物篱；2号（10°）和4号（15°）无植物篱小区作为对照，其中2号小区为1、3号小区的对照，4号小区为5号小区的对照。香根草、新银合欢采用移栽，栽植初期植株高度约30 cm，之后两次采样时植物篱的生长情况见表2。为消除施肥水平对试验结果的影响，每个小区施肥时间及水平相同。各小区于每年的5月22日施氮肥（N），磷肥（P2O5）及钾肥（K2O）的量分别为1.6 kg、1.6 kg、0.9 kg；7月5号的施肥量分别为0.4 kg、0 kg、0 kg。植物篱栽植模式均为每小区栽植三带植物篱，带宽0.50 m，每带植物篱2行，行距20 cm，株距为20 cm。每带植物篱前均留1.00 m与农作物的隔离带。1、3、5号栽植植物篱的小区坡面各篱带间长度分别为6.27 m、6.27 m、6.40 m，详见图1。

图1　试验小区及采样点布设Fig.1Layout of experimental plots and sampling points

表2　试验小区2010年和2011年植物篱生长情况Table 2The height of hedgerows on each bank in 2010 and 2011

1.2.2土样的采集与分析

本次试验研究对上述5个标准径流小区先后进行了三次土样采集，分别是：2010年4月采集的本底土样，2010年10月采集植物篱和农作物经历了雨季（5-9月）后的土样，即定植第一年的土样，2011年10月采集定植植物篱第二年的土样。三次土样均采用相同的方法和采样点采集。本文主要分析第三次土样采集数据，具体采样方法如下：用土样采集器沿等高线方向，先取各有植物篱小区每个植物篱带前1 m、3 m处0～20 cm表层土壤，对照小区采样点布设与其相应有植物篱小区的采样点保持一致，每个小区共布设6个采样点，每个采样点0～30 cm范围内平行设置2个重复，然后将平行土样混合，每个混合土样取500 g左右带回实验室供室内实验测试，共采集30个混合土样。采样点1、2为各个小区坡底采样点，采样点3、4为坡中采样点，采样点5、6为坡顶采样点，详见图1。

将从试验小区取回的土样，先进行去除砾石及根系等杂物后，经风干、过筛备用。电位法测定土壤酸碱度、重铬酸钾容量法测定有机质。试验小区降雨量、径流量和土壤冲刷量数据由遂宁水土保持试验站实地检测后提供。

1.3数据处理

采用MicrosoftExcel2010软件对数据进行处理和绘图，采用SPSS18统计分析软件对数据进行差异显著性检验。

2　结果与分析

2.1植物篱对坡面土壤侵蚀的影响

分析遂宁水土保持试验站2010、2011年共14次天然降雨产流产沙观测数据（见图2、图3和表3、表4），研究紫色土区定植植物篱后，对小区径流、泥沙量及日降雨侵蚀力的影响。

图2　2010年各小区日降雨侵蚀力与产流情况Fig.2Runoff with rainfall erosivity of each plot in 2010

由图2、3结合表3、4可知，总体而言，各小区的产沙量变化特征与产流曲线变化特征基本一致，当降雨量较小时，各个小区的产流和产沙量也相对较小。在降雨量相同的情况下，小区坡度越大其产生的径流泥沙量也相应增大，即表现为：15°＞10°。

图3　2011年各小区日降雨侵蚀力与产流情况Fig.3Runoff with rainfall erosivity of each plot in 2011

对比前后两年各小区产流产沙情况。植物篱定植第一年，10°坡耕地各植物篱处理小区径流量与对照无差异，土壤冲刷量较对照小区增加；15°坡度下，植物篱小区产流量和土壤冲刷量均显著大于对照小区。造成这一现象的原因可能是由于植物篱栽植初期处于适应期，还未对土壤产生任何作用，植物篱茎叶生长还未闭合，加之植物篱栽植破坏了原小区土壤结构，篱下土壤疏松，降雨后破坏的土壤易被径流冲刷，使土壤流失量大于对照。随着植物篱定植时间的延长，植物篱对坡面产流产沙的影响作用会逐渐增大，植物篱处理小区的径流泥沙量均明显减少，且变化渐趋稳定。栽植植物篱第二年，植物篱处理小区产流和产沙量均小于对应的对照小区，说明植物篱对径流泥沙的拦截效益在栽植的第二年发挥。到该年度雨季（5-9月）末有观测记录的最后一次单次降雨2011年8月3日时，5个小区单次产流量按从大到小的顺序为：4号小区＞2号小区＞5号小区＞1号小区＞3号小区，即各植物篱处理小区的产流量均小于对照组小区。

图4　2010年各小区土壤侵蚀情况Fig.4Runoff and soil loss of each plot in 2010

10°坡地上定植2年的香根草植物篱对径流泥沙的拦截效应大于新银合欢植物篱。主要由于香根草根系发达，拥有极强的根系扩展能力［12］和分蘖能力［13］，生长繁殖速度快，茎叶闭合度高，其根系在纵深发展的同时相互交错形成密集网状交织根系，从而在固持篱下土壤的同时减缓地表径流，拦截部分径流携带的上坡泥沙。与此同时，根系作用改善土壤结构，增加土壤孔隙度［14］，促进部分地表水在经过草篱时容易通过土壤空隙或深扎根系渗透到土壤底层，剩余水透过香根草顺坡流走。就香根草植物篱而言，15°的5号小区比10°的3小区的各次降雨后径流深度平均增大1.73 mm，产沙量增大0.57 t·km-2，表明香根草植物篱对于10°小区坡面径流泥沙的拦截效应好于15°的。从径流量和土壤冲刷量看，定植2年的新银合欢植物篱能够减少地表径流量，但对泥沙的拦截作用不显著，这可能是由于定植2年的植物篱对土壤已产生了一定作用，植物根系改善了土壤结构，增加了土壤孔隙度，促进地表水入渗，从而降低径流量。然而，新银合欢生长状况不如香根草，仍未形成密闭篱带，其根系结构为主根系，扩展性较香根草差，短时期内无法形成连续交错的根系网带，对表土的固持作用有限，不能有效拦截上游泥沙。

表3　2010年各小区6次单次降雨数据统计分析表Table 3Statistical analysis of single rainfall for six times in each plot in 2010

同时，从降雨侵蚀力角度分析，降雨侵蚀力（R）能够反映由降雨引起的土壤侵蚀，研究降雨侵蚀力在一年中的分布特征，对土壤侵蚀预测、控制农业面源污染等都具有重要的指导意义。日降雨侵蚀力R日计算式［15］为：

（1）式中：R日—日降雨侵蚀力（J.mm·m-2.h-1）；P日—日降雨量（mm），P日≥10mm。由式（1）可看出，日降雨量越大，其日降雨侵蚀力就越大。由图2、3可知，日降雨侵蚀力变化趋势与各次降雨后小区产流变化大体相同。同时，坡耕地降雨产流也受植被覆盖影响。由于各小区作物生长情况基本一致，植物篱的生长状况就成为评定小区植被覆盖程度的关键。现场观察发现3号小区香根草植物篱生长状况整体优于其他小区。因此，虽然同次降雨中各小区降雨侵蚀力相同，而由于3号小区覆盖程度高，其坡面径流量比其他小区显著减少，3号小区香根草植物篱对坡面水土流失的控制效果最好，该研究结果与卜崇峰等［7］的研究结果相似。

表4　2011年各小区8次单次降雨数据统计分析表Table 4Statistical analysis of single rainfall for eight times in each plot in 2011

此外，通过各次降雨后香根草植物篱小区产流产沙情况可看出，植物篱调节地表径流的作用在高强度降雨时尤为明显。由于暴雨产流时间短，径流量大，流速快，若坡面无任何覆盖或拦截措施，则很快发生坡面汇流，径流携带大量泥沙，同时土壤养分随径流及泥沙在坡面发生迁移，造成严重的水土流失；在此条件下，香根草植物篱对径流泥沙的拦截作用显著，一方面密集的植物篱能减少部分降雨直接滴溅土壤造成的损失，另一方面能够及时减缓暴雨产生的径流流速，促使径流泥沙沉淀，同时其密集的根系能够很好的固持篱下土壤，免遭冲刷，加之拦截上坡径流产生的泥沙，显著降低降雨造成的土壤侵蚀。

2.2植物篱对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤的重要组成部分，是衡量土壤肥力的重要指标，也是植物生长所需营养的重要来源，影响着一系列的土壤物理、化学和生物性质［16］。土壤有机质的变化在一定程度上反应了土地肥力的变化，也与土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量的变化密切相关。

图5　2011年各小区土壤侵蚀情况Fig.5Runoff and soil loss of each plot in 2011

植物篱影响坡耕地土壤有机质的研究多认为，坡耕地采取植物篱措施能增加土壤肥力，改善土壤中有机质含量［17-19］。根据图6比较1、2年生各小区有机质含量变化，坡耕地土壤有机质含量受植物篱影响而变化的情况比较复杂，并不成单一的增长趋势。总体上看，各小区土壤有机质含量较前一年显著下降。造成这一结果的原因是坡耕地作物生长消耗大量土壤有机质，人工施肥量不能满足作物生长所需，作物生长在吸收人工施肥外还消耗坡耕地自身肥力。此外，栽植植物篱的小区中，栽植2年的植物篱处于生长期，也需要大量有机质供给，以满足植物篱自身个体的增大、密度的增加和微生物群落的完善，致使小区肥力消耗大，加之枯枝落叶归还少，土壤质量大幅退化。因此，植物篱处理小区（1、3、5）有机质下降程度整体大于对照（2、4）。吴蔚东等［20］和侯琳等［21］对林地土壤养分研究结果与此相似，其认为在造林初期，林地土壤有机质随林龄增加而减少，之后随着树龄的增加，土壤有机质会缓慢地增加。

图6　植物篱覆盖下有机质变化情况Fig.6The variation of soil organic matter under hedgerows

不同坡位植物篱带土壤有机质变化呈现差异性。具体表现为：10°植物篱顶行和中行植物篱有机质下降程度大于篱间有机质下降程度，进一步证明了栽植2年的植物篱处于生长期，其对土壤有机质的消耗大于篱间作物生长的消耗。植物篱底行的土壤有机质减少量显著低于中行和顶行，说明长势旺盛的底行植物篱已具备固碳功能。植物篱一方面消耗土壤中有机碳用于生长，一方面拦截一部分由上坡产生的径流泥沙中携带的养分抵消土壤中消耗的有机质。此外，已形成初具规模的植物篱根系生态系统的生物固碳作用和植物枯枝落叶的归还均可能使坡底植物篱带土壤有机质含量增加。同时，这可能还与篱前淤积带和土壤侵蚀情况有关。15°坡耕地中，底行和中行植物篱均能有效拦截有机质，表明植物篱在15°坡耕地下对有机质的固持作用优于10°坡耕地。

从不同坡度香根草植物篱对土壤有机质含量的影响来看（见图6），对同为香根草植物篱的3号小区和5号小区而言，5号小区各采样点有机质含量相对于其前一年的减少量比3号小区平均少0.51 g·kg-1。进一步说明香根草植物篱对于15°坡度的小区对有机质含量变化的影响要明显大于10°坡度的小区。

香根草植物篱小区有机质降低趋势整体大于新银合欢植物篱小区，主要与香根草自身生物特性相关。香根草栽植后生长迅速，生物量大，从现场观察发现其长势较新银合欢更旺盛，植株生长需要大量的养分供给，对土壤有机质的消耗大于新银合欢。坡底植物篱带有机质下降趋势比新银合欢缓慢，这是由于栽植2年的香根草植物篱已形成密集闭合带，其拦截的吸附有大量养分的土壤细粒物质沉积于篱下，相对增加了篱下区域土壤有机质含量。

综上所述，植物篱栽植初期应考虑坡度、坡位和植物篱物种等因素，分量加大坡耕地施肥量。通过施肥促进植物篱生长，加快篱带闭合，能进一步提高对流失土壤的拦截效率。许峰等［22］研究认为其效果不亚于带间覆盖。

3　结论

植物篱栽植第一年为适应期，对坡面径流不产生拦截效应；栽植第二年为植物篱生长期，即从第二年起，植物篱开始发挥其对径流、泥沙的机械拦截作用。植物篱对径流阻滞效果大体表现为10°坡耕地香根草植物篱＞10°坡耕地新银合欢植物篱＞15°坡耕地香根草植物篱＞10°坡耕地对照＞15°坡耕地对照。各植物篱措施中，10°坡耕地香根草植物篱对径流泥沙的拦截效益最显著。栽植2年的新银合欢植物篱未形成闭合地带，只能减少地表径流，对径流中泥沙的拦截作用不明显。此外。植物篱措施在高强度降雨下对径流泥沙的控制作用尤为显著。总体上植物篱对于坡面产流量的控制效应大于对坡面产沙量的控制效应。

试验小区由于植物篱生长旺盛，导致土壤肥力因消耗巨大而下降，应加大施肥量以补充土壤有机质。同时，植物篱栽植初期应考虑其生长期的资源利用策略，结合坡度、坡位和植物篱物种等因素，分量加大坡耕地施肥量。通过施肥促进植物篱生长、密闭，进一步提高对径流泥沙的拦截效率。坡耕地栽植植物篱，一般下坡位置的植物篱先发挥作用。香根草植物篱对15°坡耕地小区土壤有机碳固持效应大于10°坡耕地植物篱。

植物篱对径流泥沙的拦截和有机质的固持作用实质上是对坡耕地水分、土壤结构和养分含量的再分布，缓和土壤性质随坡位变化的分级和空间异质现象，使各区域土壤水分、颗粒级配、养分等尽量相近或一致。

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［责任编辑：陈安和］

Effects of Vetiveria zizanioidesandLeucaena leucocephala hedgerows in different life-phasesonsoil erosion andorganic matter of purple soil

HE Bing-hui1，CHEN Jing-jing1，XIANG Ming-hui2，CHEN Yun1

（1.CollegeofResourcesandEnvironment，SouthwestUniversity，KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion，Ministry of Education，Chongqing 400715，China；2.Soil and Water Conservation Experimental Station in Suining，Suining，629006，China）

In order to realize effects of hedgerows in their different life stages on soil erosion and organic matter，and to provide theoretical basis and qualified indices of soil management measures for planting hedgerows，this experimentwasdesignedtotrackthegrowthprocessofhedgerows.ThehedgerowsofVetiveriazizanioides andLeucaena leucocephalahadbeenmeasuredfor2yearstoanalyzetheireffectsonsoilerosionandorganicmatter，andtocomparethe differencesofhedgerowsgrowingfor1aand2aondifferentslopesof10°and15°，respectively.Theresultsshowthat：（1）. Hedgerows begin to mechanically intercept runoff and sediments at the second planting year.For 5 standard plots（Vetiveriazizanioides on10°and 15°slopland，Leucaenaleucocephalaon10°slopland，andthetwocontrolplotsonfor 10°and 15°，respectively），the control effect of the Vetiveriazizanioides plot on 10°slop land on runoff and soil loss is significantlybetterthanthoseofotherplots.Leucaenaleucocephalahedgerowson10°slop landreduce sloperunoff，butcannot intercept sediments.In additional，the control effect under high intensity rainfall is most remarkable.The hedgerowsinfluencerunoffofsloplandmoreeasilythansoilloss.（2）Intheinitialstageofhedgerowsplanting，thestrategy of utilizing hedgerows resources should be considered to increase the organic fertility reasonably according to the conditions of slope gradient，slope position and the hedgerows'species，and to further increase the efficiency of interceptionforrunoffandsediments.（3）Theessenceofhedgerowsinterceptiontorunoff，sedimentsandorganicmatteris toredistributesoilwater，soilnutrientandstructure.

purplesoil；hedgerows；vetiveriazizanioides；Leucaenaleucocephala；soilandwaterloss；organicmatter.

X522.71

A

2096-2347（2016）01-0036-10

2016-03-12

国家自然科学基金（41271291）；国家科技支撑计划项目（2011BAD31B03）。

何丙辉（1966—），男，湖南汨罗人，博士，教授，博士生导师，主要从事水土保持、林学、生态学等研究。E-mail: hebinghui@swu.edu.cn