东北黑土区植物篱空间结构配置的探讨

刘绪军，任宪平，杨亚娟，王亚娟，延秀杰

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.克山县水务局，黑龙江 克山 161600)

植物篱技术是指在坡耕地从坡上到坡下每间隔一定距离，沿等高线方向密集一道植物篱笆墙，在篱笆墙之间的耕地种植农作物，并周期性刈割篱笆植物，以避免篱笆对农作物遮光的一种农林复合经营模式[1]。研究成果表明，植物篱模式不但能够改善土壤结构、保持水土、提高地力、促进增产，还能有效地减轻农药、肥料与畜禽粪尿、养殖废水等造成的农业面源污染[2]。植物篱还具有占地少、操作简便等特点，因此，该技术已得到了国内外广泛关注和推广，并在我国西南地区和黄土高原地区成功进行了大面积的推广应用，取得了良好的效果。但是，从国内研究应用方面来看，还存在着应用区域不够广泛、不均衡的问题，目前我国植物篱研究应用主要分布在南方地区，北方地区开展的较少，湿润半湿润地区研究的多，干旱半干旱地区研究的少[3]，而地处高纬度的东北地区该方面研究应用更少。另外，从研究内容方面来讲，如何确定合适的植物篱间距，才能达到既保持水土，又能够起到增产、方便农耕作用方面的研究，以及不同植物篱的栽植密度、带距与带间距等结构方面的研究仍然存在不足[4-5]。因此，通过黑土区植物篱空间结构配置的探讨分析，以便合理设计带间距和布置带内结构，促进植物篱效益有效发挥，以期为我国植物篱技术研究，以及在东北黑土区推广应用植物篱模式提供参考。

1 试验区概况

本试验区位于黑龙江省克山县西大沟小流域上游一条支沟系的坡面，是黑龙江省水利科学研究院试验场，总面积0.46 km2，距克山县城4.0 km，地理坐标：北纬48°03′20″，东经125°49′20″。试验区属于温带大陆性季风气候，多年平均降水量510 mm，降水主要集中在6—8月，多年平均气温 1.1 ℃，年均≥10 ℃积温2380 ℃，无霜期124 d，多年平均日照时数2677 h，年均8级以上大风天数约22 d，年均风速3.1 m/s。试验区地貌类型为波状起伏台地，地面坡度2°～7°，主要土壤为黑土，表土层厚度30 cm左右，属于典型黑土区。

试验地块坡向为西南，坡度3°～6°，植物篱品种为黑豆果、刺五加和桑树3种，篱带间为横坡垄作，种植农作物为大豆，对照为顺坡垄种植大豆。植物篱间距设置分别为30.6 m和9.0 m，分别布设在地块的上下两部分，篱带植物行距25 cm，株距分别为黑豆果15 cm、短梗刺五加15 cm、桑树5 cm，篱色修剪高度80 cm。

2 植物篱带内结构

植物篱的空间结构包括带间结构和带内结构，带间结构是指带间距及其间作型式，带内结构是指结构型式及栽植密度等。植物篱的间距和密度与其水土保持效果、产出生物量、占地多少、梯地宽度以及是否方便耕作等密切相关[6]，因此，植物篱的结构是影响该技术功能发挥的关键。

2.1 带内结构型式

根据有关文献[7]，植物篱带内主要结构型式分为单排式、双排式及多排式三种。最简单的结构是单排式，它是由单行篱笆植物构成篱带，只种植一种篱笆植物或者在篱笆植物中间种其他经济植物。最复杂的结构为多排式，它是由多行篱笆植物构成，其型式为在两行植物之间留有一定空隙，空隙内种植另一种植物或者填充石块、植物枝叶等。双排式结构介于单排式与多排式结构型式之间，它是由两排篱笆植物构成，采用同一个篱笆植物品种种植，或者采用一行篱笆植物加一行经济植物的型式，两行篱笆植物呈品字形栽植。单排式篱带结构，占地面积小，栽植管理节省工时，投入少，但是单排篱带的强度和密实度等方面远不如多排式结构，其阻水挡土效果较差，而且篱带植物经济效益很难提高。多排式篱带结构，篱带植物密度大、强度高，这样的篱带水土保持效果较好，篱带产品的产量较高，但是占地面积大，投入高，对农业生产影响也比较大，不易推行。双排结构的植物篱是由两排植物构成，两行植物的植株品字形栽植，以充分利用空间并增加篱笆密度提高保持水土效果，其占地宽度较多排植物小，而滞流减沙效果介于单排与多排之间，易于群众接受。

植物篱带内结构的确定，既要考虑篱笆带挡土挡水效果，又要考虑投入、管理、占地及群众容易接受程度等方面的情况。由于单行植物根茎基部密度小、强度低，单行结构的植物篱往往达不到理想的防治土壤侵蚀效果。相关试验表明，双行结构植物篱减轻土壤侵蚀效果，以及降低地表径流效果，均优于相应的单行结构植物篱[8-9]；同种植物的多行结构植物篱模式减流减沙效益显著高于单行结构模式，而双行结构与多行结构植物篱在蓄水保土效果方面的差异不大，双行结构的植物篱可以达到较好的保持水土效果[10]。从这些研究成果可以得出，双行结构植物篱可以达到良好的水土保持效果。在东北黑土区，植物篱主要应用于坡耕地水土流失治理，治理技术应服从、服务于农业生产，要充分考虑尽量少占用耕地，确保粮食生产用地，降低投入以及对农作物影响等方面，在能保证基本效益的基础上，优化植物篱的结构型式。综合上所述，东北黑土区植物篱带内结构宜选用双排式，即采用两行篱笆植物，品字形栽植的结构型式。

2.2 带内栽植密度

有关研究认为，植物篱带内栽植密度，要根据其根茎萌发能力，基部分枝数量、根茎成篱速度设计，如果其萌发力强、成篱墙速度快，株行距就可以宽些，否则就应加大植物栽植密度[11]。上述观点，是单纯从植物篱减流减沙、保持水土等方面的需要考虑的，但忽略了植物措施的性质，没有充分考虑不同植物的生物学特性，有的植物不利于密植，植物株距过小，不利于植株正常生长发育，过密种植也有可能导致部分篱笆植物死亡。因此，在确定植物篱带内栽植密度时，要把这两方面内容兼顾考虑。

根据以上情况，黑土区植物篱的株距研究，要在运用公式进行计算的基础上，进行生长发育试验，充分考虑相关因素后，以此确定几种植物篱的栽植密度。依据施迅的研究成果，以近地枝条密度法作为计算株距的依据[12]：近地面枝条密度=基部萌枝数/基部直径，基径长度内所需植株数=篱带需近地面枝条密度/单株平均近地面枝条密度，通过基径长度内需要株数可以换算出株距。篱带所需近地面枝条密度随植物种类的不同会有所变化，主要决定于萌枝条的基径，与基径成反比关系。根据上述方法，通过对试验植物的生长调查，经计算分析得出，不同植物的平均基部直径、平均基部萌枝数、萌枝的平均直径等数据，进而计算出不同植物近地面枝条密度；考虑到阻水阻沙需要加大枝条强度和密实度，设计计算出需要的近地枝密度，进而计算单位长度株数和株距。通过上述方法计算得出，桑树株距5.89 cm、短梗刺五加株距17.82 cm、黑豆果株距15.69 cm(见表1)。

表1 植物篱株距设定计算表

近地枝条密度计算，为确定植物篱的株距提供了理论参考和指导，这种方法是从阻滞径流、拦截泥沙角度考虑的，为验证不同株距对植物生长发育的影响，需进行不同密度的种植试验。研究选取了黑豆果、短梗刺五加和桑树三种植物，参照有关绿篱的栽植技术，将行距设定为25 cm，将株距分别设置为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm共4个处理，栽植后连续2 a对植物的株高和地径进行测定。试验结果发现，植物篱在不同株距情况下，生长存在一定的差异，黑豆果在株距5 cm和10 cm之间、在株距15 cm和20 cm之间的生长差异不大，但是株距10 cm以下的与15 cm以上的黑豆果生长差异较大，并且第二年生长差异要大于第一年，这说明10 cm以下的株距，对黑豆果生长发育有较大不利影响，因此，黑豆果的株距设置应大于10 cm。

短梗刺五加在不同株距下的生长情况对比，与黑豆果的生长情况相似，10 cm以下的株距也对短梗刺五加生长产生了较大不利影响，说明短梗刺五加的株距也应大于10 cm。

桑树在株距5 cm的情况下，第1年对生长发育产生了很大的影响，但第2年对株高生长影响不大，而对地径生长有一定影响，说明这几组株距对桑树正常生长发育没有特别不利的影响(表2)。通过生长发育试验，结合理论计算的结果，可以得出黑土区不同植物篱适宜的栽植密度，即：黑豆果和短梗刺五加株距为15 cm，桑树株距为5 cm，行距均为25 cm。

表2 不同间距植物生长测定统计表

3 植物篱带间结构

3.1 带间结构型式

植物篱带间结构是指篱带与篱带之间的间作配置结构型式。由于不同地区耕地的土地利用方式、土壤侵蚀程度以及当地社会经济发展方向的不同，不同地区植物篱的带间种植结构模式也多种多样。四川省主要有固氮植物篱+牧草(果园/桑园)、经济(牧草、固氮)植物篱+农作物等结构模式，重庆有植物篱+农作物/(果园、牧草)等模式，湖北有植物篱+农作物/果园等结构型式，贵州有植物篱+农作物、复合植物篱(牧草+果树植物篱)+农作物等模式，河北省有固氮(复合)植物篱+农作物的模式[13]，植物篱模式多种多样。黑土区特别是黑龙江省具有坡缓坡长的特点[14]，是我国粮食主产区，坡耕地主要以种植农作物为主，因此，黑土区植物篱应采取植物篱+农作物的结构型式，篱带之间采用等高垄作的方式，并按横坡垄作规范要求，沿等高方向设3‰～5‰的比降，以利于坡耕地排水。

3.2 植物篱带间距

植物篱带间距的确定，是要结合地面坡度大小、土壤性质、抗蚀能力以及地区的降雨情况进行综合分析，一般来说，坡度大、土层薄、水土流失严重地区，植物篱的带间距应该设置小一些，反之则间距设置可大一些。目前，植物篱带间距的设置方法主要有两种：一种是主要考虑带间在天然降雨条件下不会产生可以携带<0.02 mm土壤颗粒的片流侵蚀，以控制在坡面不发生细沟侵蚀的临界坡长作为确定间距的依据[15]；另一种是不允许有基岩出露的最大宽度法计算带间距，公式形式

L=4H/sin2α

(1)

式中：L为带间距，m;H为坡面土壤厚度，m;α为坡度，(°)[12]。

第一种方法，需要参数较多且不易取得，计算方法较为复杂，不易掌握；第二种方法比较适用于侵蚀量较大且成土母质风化较慢的地区。由此可见，这两种方法对于东北黑土区来说，都不十分理想。

坡耕地的水土流失是由土壤状况、气候条件、耕作及经营管理措施和坡度、坡向等因素决定的，土壤侵蚀量可以通过通用水土流失方程式求得，黑土区相关研究成果可以提供。植物篱种植后，篱带发挥了阻滞地表径流、拦截泥沙的作用，相当于将坡长截短，因此，我们可以根据水土流失方程式A=RKLSCP，以带间坡耕地土壤侵蚀量A作为控制指标，反推植物篱带间的坡长L，以此可以作为确定带间距的理论指导依据。根据有关研究成果[16]，经公式转化，带间距计算公式为：

L={A/(RKCP×0.0719×θ1.3)}1/0.18

(2)

式中：A为土壤侵蚀量,t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子，J/m2;K为土壤可蚀性因子;C为植被与经营管理因子;P为水土保持措施因子;L为坡长因子，m;θ为地面坡度,(°)。

试验区各因子值为：A因子在考虑黑土区土壤允许侵蚀量基础上，同时也要考虑发挥植物篱的阻流减沙作用，经过综合分析A值确定为3 t/(hm2·a)；查黑龙江省降雨侵蚀R等值线图，试验区所在地R值为125 J/m2；试验地为黑土，K值取0.26；试验种植作物为大豆，C值取0.2626；带间为等高垄作，P值取0.352。根据上述方法，试验区上部θ=4.7100时，L=30.72 m，垄宽为0.6 m，带间设51条垄，该部位的带间距应为30.6 m；试验区下部θ=5.6200时，则L=8.58 m，带间设15条垄，该部位的带间距应为9.0 m。

4 不同植物篱减流减沙效果

通过降雨产流产沙试验(4次)，黑土区植物篱模式地表径流量减少了77.13%，土壤侵蚀量减少了90.88%，可以看出植物篱的水土保持效果显著。从不同间距植物篱模式看，30.6 m间距径流量减少了74.86%，土壤侵蚀量减少了89.26%；9.0 m间距径流量较减少了79.4%，土壤侵蚀量减少了92.49%，9.0 m间距减水减沙效果优于30.6 m间距。从不同品种植物篱模式看，黑豆果减少径流量78.28%～84.45%，减少土壤侵蚀量91.58%～95.05%；短梗刺五加减少径流量75.33%～81.32%，减少土壤侵蚀量89.8%～93.17%；桑树减少径流量70.95%～72.43%，减少土壤侵蚀量86.41%～89.25%(见表3)；蓄水保土效果：黑豆果>短梗刺五加>桑树，这也说明了植物篱阻流减沙能力与基部分枝等生物学特性密切相关。通过试验可以得出，黑土区不同带间距与带内结构的植物篱，其减流减沙效果虽略有差异，但均较对照有大幅度提高，均具有良好的水土保持效果，说明采用本研究方法确定黑土区植物篱空间结构是可行的。

表3 不同间距植物生长测定统计表

5 结 论

(1)黑土区植物篱宜选用双排式、品字形配置结构。植物篱株距以近地枝条密度法计算作参考，并通过栽植试验验证来确定，行距依据绿篱栽植技术确定。试验确定了黑土区3种植物篱的栽植密度，株距为黑豆果和短梗刺五加15 cm、桑树 5 cm，行距25 cm。

(2)黑土区植物篱应采用植物篱+农作物模式，篱带之间为等高垄作，垄底比降3‰～5‰。应以通用水土流失方程式的转化形式，作为计算黑土区植物篱带间距的依据，即：L={A/(RKCP×0.0719×θ1.3)}1/0.18，按此方法，试验地块设为30.6 m和9.0 m两个带间距。

(3)黑土区几种植物篱模式保持水土效果略有差异但不显著，9.0 m间距的植物篱模式效果优于30.6 m间距，不同品种植物篱的效果：黑豆果>短梗刺五加>桑树。总体来看，黑土区几种模式的植物篱，均具有良好的水土保持效果，可以依据此研究方法进行黑土区植物篱的空间结构设计。

(4)本项研究的植物篱模式主要基于漫川漫岗黑土区，生产方向主要以农业为主，对于山区和非农业区的模式还需进一步探讨。