陈艳梅,郭文芳,高吉喜
1.河北师范大学地理科学学院,河北省环境变化遥感识别技术创新中心,河北省环境演变与生态建设重点实验室
2.生态环境部卫星环境应用中心
坡地种植业能提高土地利用率、增加农户收入,但也会带来水土流失、土壤肥力下降、农业面源污染加剧等生态环境问题,导致坡地生态系统自身的协调能力和服务能力下降,降低区域生态环境质量。植物篱技术属于坡地改良和可持续利用的种植技术与生物工程措施,开展其生态系统服务相关研究,对解决坡地生态环境问题、提升区域人类福祉、促进植物篱技术与生态系统服务相关理论融合发展等,具有重要理论与现实意义。
溯源其发展,早在我国历代农书《齐民要术》《四时纂要》《蚕书》等中就出现过“园篱”的记载,描述了棘、榆、柳、枳、刺榆、五茄、忍冬、萑等成篱植物,如《齐民要术》中用酸枣制篱,《四时纂要》用刺榆制篱,后世农书大体继承了此类技术体系[1]。20 世纪30年代,印度尼西亚学者在林下种植豆科固氮植物,用于解决橡胶林的土壤流失及肥力下降问题[2]。20 世纪80 年代以后,植物篱技术在很多国家和地区得到应用,如在非洲热带、东南亚热带地区以及美国、菲律宾、尼泊尔、泰国、印度、肯尼亚等均有实践应用和相关报道[2-6]。在国内,20 世纪80 年代,陕北黄土丘陵区开展等高灌木篱研究[7];90 年代初期,唐亚等[8]在金沙江干热河谷坡地开展了植物篱试验研究工作;90 年代后期,相关研究迅速增多,主要集中于四川、贵州、重庆、湖北等地[9-13]。当前,国内外植物篱相关研究已取得一定进展,研究成果多侧重分析评价植物篱水土保持、削减农业面源污染等生态功能,明确提出植物篱具有生态系统服务能力的研究报道较少,而服务直接关系人类福祉,值得深入研究。
本文梳理国内外相关文献,对植物篱技术及其生态系统服务能力进行总结归纳,旨在完成以下目标:1)阐明植物篱的概念与分类、空间结构与品种选择技术要点;2)明确植物篱技术的相关理论基础,分析其应具有的支持、调节、供给等生态系统服务能力;3)总结相关研究存在的问题,明确未来发展方向,以期为植物篱技术发展完善及其推广应用提供参考。
植物篱(hedgerow),又称等高植物篱(contour hedgerow)、活 笆 篱(living hedge)、绿 篱(green hedge),国内外很多学者对其概念进行阐述,认为植物篱是将同高度、窄带状并且高密度的草本、灌木或灌化乔木[14]配置在梯田埂坎、坡地上,沿等高线种植或直接在地埂上按一定间距成行密集种植[15],形成的具有固土保肥[4]、有效阻挡坡面径流、促进养分吸收与保持、维持生物多样性等作用的植物条带或植物篱笆墙。在植物条带或植物篱笆墙之间的耕地上种植农作物时,可形成一种农林复合经营模式[16]。例如在植物篱带内、带间种植玉米、大豆、花生等农作物,形成固氮植物篱+农作物、经济植物篱+农作物、复合植物篱+农作物等配置模式[11]。在这些农林复合经营模式中,植物篱起到提高土地利用强度、改善农田生态环境的作用。有研究证明,在植物篱种植3~6 年后,耕作区的土壤水分、养分条件得到明显提升,坡地微地貌得到改善,农作物产量也有较大幅度提高[17]。
已有的植物篱相关研究多侧重其外在形态和生态功能,对其生态系统服务能力重视不足。生态功能是生态系统服务产生的基础与根本,生态功能侧重于反映自然属性,即使没有人类的需求,生态功能依然存在;生态系统服务(ecosystem service,ES)是自然生态系统所提供的能够满足和维持人类生活需要的条件和过程[18],侧重人类的需要、利用和偏好,反映出人类现行技术条件下对生态功能的利用情况。本研究从生态系统服务新视角来定义植物篱,目的是强调植物篱对提升人类福祉的作用,提高农民种植的积极性。笔者认为:植物篱是将适宜的乔木、灌木或草本植物以单一或组合模式沿等高线种植于坡地,形成的具有水土保持、维持生物多样性、调节气候、提供原材料、景观休憩等多种生态系统服务能力的植物条带。
以往的研究中,有关植物篱的分类依据很多,不同学者进行分类时依据也不同。按照植物类型可将植物篱分为草本、木本2 类,按照生长形态可以分为匍匐型和直立型2 类,按照作用及功能差异又可分为固氮型、水保型、经济型3 类,还可以按照植物篱种类分为单一型、复合型2 类,以及按照植物篱生长环境分为石埂梯田、农耕地、地埂、林地4 类。每种分类下植物篱特征及举例见表1。
表1 常见的植物篱分类Table 1 Common classification of hedgerows
将植物篱按照植物类型、植物生长形态、功能特性、物种多寡、生长环境等进行划分,是当前研究中已有的植物篱分类方式,此分类体系可以满足大多数研究的要求,适应性较广,但对植物篱提升人类福祉作用重视不足。将来在植物篱分类体系研究中,可以从其主导生态系统服务类型视角,提出植物篱分类方法,例如主要利用植物篱防治水土流失、增强土壤肥力等服务,可将其归为支持服务型植物篱;主要利用其食用、药用、饲用、供给原材料等服务,可以将其归为供给服务型植物篱;有些植物篱种植主要为了增加环境观赏性,或为各领域提供科研教育价值,可以将其归为文化服务型植物篱。总之,一种植物篱可能具有一种或多种生态系统服务能力,但种植时有获得某一类型服务的明确目的,可以根据实际种植目的以及进一步科学研究成果进行植物篱类型划分。
不同地区因条件差异选用植物篱品种不同,一般从其生物学特性、自然环境条件、社会经济条件3 个角度考虑,要求植物能符合以下要求:1)生态适应性强,即适应当地气候、土壤条件及特定栽种方式,具有较强的萌生能力和抗逆性;2)生态效益好,即具有较强的保土保水、改良土壤等功能;3)具有一定的经济效益,如具有饲料、药材、肥料、食用等功效,促进农民增收;4)能促进带间作物生长,与作物是互补关系或竞争很小。国内外很多专家在不同的地区经过多年的试验和研究,初步筛选出较适合当地种植的植物篱品种(表2 和表3)。
由表2 和表3 可以看出,植物篱相关研究成果在国内主要分布在南方,集中于亚热带的河谷、丘陵地区;中国华北、东北、华东地区等山地丘陵区研究较少。从世界范围来看,多集中在亚洲、欧洲、北美洲等区域的热带、亚热带的山地丘陵区。由于气候类型、土壤条件的显著差异,不同区域植物篱研究成果差异性显著。世界范围内丘陵山地面积广阔,相关研究成果缺失地区较多,坡地植物篱选种工作需要进一步深入开展。
坡地植物篱的空间结构很大程度上会影响其生态功能和生态系统服务能力的发挥,布局合理的植物篱在保持土壤、增加作物产量、净化环境、提升观赏性等方面具有重要作用。植物篱的空间结构受多种因素共同影响,涉及种植地地形、气候、社会经济情况等,具体空间结构配置应综合实地情况确定。空间结构主要包括水平结构和垂直结构,国内外学者对其带间距、带内结构研究较多(表4)。
表4 国内外部分地区植物篱的空间结构Table 4 Spatial structure of hedgerows in some areas at home and abroad
坡地植物篱生态功能的发挥会受其带间距和株距的影响。从土层厚度(H)和坡度(α)出发,可推演出带间距的公式:L=4H/sinα[35]。基于坡面水流动力学,坡面植物篱带布设的最大带间距应控制在相应坡度产生细沟侵蚀的临界坡长之内,可有效避免天然降水下粒径小于0.02 mm 的土壤颗粒冲蚀[36],增强土壤抗侵蚀能力;有研究表明植物篱带间距越大,坡地上部侵蚀越快,在植物篱基部更易形成淤积,加速形成梯地[37];也有学者认为应在最优生态功能和最小占地面积之间确定出最优带间距[38]。株距也是影响植物篱生态功能发挥的关键因子,株距过小会造成土壤养分过度消耗,株距过大又会使植物篱水土保持能力减弱。
植物篱的带内结构类型较多,选择时需考虑的因素也很多,包括种植意图、土壤侵蚀程度、种植区域面积以及当地农民意愿等。植物篱带内结构主要有单行型、多行型、双行型3 种。单行型是由单行篱笆植物组成,可在植物篱间隙种植经济作物,操作简单、成本较低,但拦沙能力低、净化环境效果差。多行型是由多行篱笆植物组成,可在多行植物篱间留出空隙填充石块,栽植经济作物,这种结构的植物篱支持、调节服务能力较强,但占地面积较大、成本较高并且操作较复杂,不易被农民所接受。双行型是由2 行篱笆植物组成,综合服务能力介于单行型和多行型之间,易被农民所接受。我国南方红壤丘陵区[10]、东北黑土区[23]的试验结果表明,采用双行型或“品”字型带内结构对研究区内水土流失具有较好的控制效果。
当前国内外部分地区筛选出的植物篱品种及植物篱空间结构信息,为后续相关研究提供了便利,但部分实践者在开展植物篱种植工作时,以前人经验为主,在不同区域选择同样品种,且没有重新进行植物篱种类选择及空间配置研究工作,导致选种及植物篱带内、带间距的确定具有主观性、随机性,缺乏试验数据支撑。此外,当前有关植物篱技术体系中,缺乏对植物篱科学管理的相关成果报道,科学管理是植物篱后续生长发育的基础与保障,应充分重视植物篱管理技术相关研究。
当前国内外学者多围绕植物篱从水土保持、养分循环、减流减沙、阻控氮磷等生态效益方面开展研究,相关理论包括植物篱坡面流水动力学和输沙能力理论、植物篱调控土壤生物群落理论、植物篱削减面源污染理论等侵蚀动力学理论和生态修复理论,各理论也多是简单提及,而生态系统服务相关理论应用于植物篱技术的研究成果较缺乏。千年评估将生态系统服务分为支持、调节、供给和文化四大服务类型,但有关坡地植物篱在景观游憩、科研教育等文化服务的研究还较为缺乏,笔者参考植物篱生态功能和生态效益等相关研究成果,从植物篱支持、调节、供给三大类服务视角梳理了其相关研究进展,未涉及其文化服务。
3.1.1 坡地植物篱土壤保持服务研究
已有研究证明植物篱具有明显的土壤保持服务,主要从防治水土流失、保持土壤肥力等生态功能角度进行分析。
植物篱种植能防治坡地水土流失。植物篱能拦截降水、延长坡面产流时间、减缓坡地径流流速,从而降低坡地土壤侵蚀量。泰国农业大学试验田的研究结果表明,香根草植物篱使坡地径流量与土壤流失量减少20%~60%[43-44];长汀县杨梅园[45]和密云县板栗园[46]坡地上种植植物篱,结果表现为果树与植物篱套种情况下泥沙和径流流失量少于果树单种,且杨梅与百喜草、板栗与苦参套种的减流效果最好;三峡库区[47]坡地试验表明,香根草植物篱的地下和地上部分平均减沙率分别为29.45%、46.13%;丹江口水库上游[48]的试验结果显示,紫穗槐植物篱使坡地土壤侵蚀量减少78.3%,金银花植物篱使土壤侵蚀量减少77.1%,防治坡地水土流失效果显著。
植物篱保持土壤肥力的效果显著。在坡地种植植物篱后,其地上茎叶部分和发达根系能减缓坡地径流,拦截并富集土壤颗粒,减少土壤中氮磷等养分流失,增强土壤肥力,提高坡地土壤生产能力。在印度的研究发现,南洋樱与甜根子草构成的植物篱能减少坡地上随径流而损失的有机碳量,有效促进养分的循环与再分配,提高养分利用率[49]。三峡库区坡耕地种植桑树、香根草、苜蓿植物篱后,能减少坡地养分流失,增加土壤肥力[50]。四川盆地三峡大坝的试验结果表明,在玉米地间作紫花苜蓿植物篱后,总氮与总磷损失分别减少80.9%、91.2%;间作萱草植物篱后,总氮与总磷损失分别减少85.0%、92.5%,2 种植物篱对坡地养分流失的控制效果均较为明显,能显著增强土壤肥力[51]。
3.1.2 坡地植物篱维持生物多样性服务研究
植物篱在增加坡地植物、动物物种与遗传多样性方面发挥着重要作用。坡地种植植物篱可使区域由单一植被或作物变为多种植被共生群落,同时为动物提供栖息地和活动场所,动物种类与数量增加。法国布列塔尼地区的研究提出,植物篱是农业景观中生物多样性最稳定的避难所之一,为许多生物提供食物和住所,植物篱的破坏和改变会损害其生物多样性保护的潜力[52]。美国亚利桑那州的调查研究显示,灌木篱可增加对本地蜜蜂的吸引力,尤其是在初夏,灌木篱种植区有更高的物种丰富度[53]。四川丘陵区的试验发现,种植豆科饲草植物篱为蚂蚁提供了良好的活动场所,丰富了农田蜘蛛多样性[15]。都江堰市蒲阳镇的研究表明,植物篱种植显著提高了该区域植物、动物的密度和多样性指数[54]。
植物篱可以增加坡地土壤微生物物种与遗传多样性。在坡地种植植物篱后,植物篱笆的凋落物与分泌物覆盖于土壤表面或渗透于地下,为土壤中的微生物提供营养,使微生物种类、数量增多。三峡库区旱坡地试验结果显示,桑树植物篱可增加紫色土表层土壤微生物数量,增大各菌群之间的比例,增大微生物的均匀度、丰富度指数[55]。河南省安阳研究站发现,罂粟和桑椹等本土灌木植物篱显著增加了坡地土壤中细菌群落的丰富度[56]。资阳市长期定位试验研究表明,种植香根草和紫穗槐植物篱使坡地土壤中细菌、放线菌、真菌数量增加36%~72%[57],显著增大土壤微生物物种与遗传多样性。
通过梳理相关文献可以发现,支持服务是其他类型生态系统服务的基础,植物篱关于支持服务的相关研究成果较丰富,但多是从生态功能的视角来开展研究,在分析完植物篱防治水土流失、保持土壤肥力以及维持生物多样性后,未深入研究生态系统稳定性如何得以提升,如何给当地农民带来福利等问题,未深入分析如何通过上述生态功能和生态过程改善人类生产生活环境质量,对人类福祉的贡献相关研究较缺乏,导致农民种植积极性不高。此外,关于植物篱与土壤微生物、酶等的关系,多数研究还停留在数量增加或减少方面,关于植物篱如何通过影响微生物对生态系统产生影响的具体微观机理研究尚需深入。
坡地种植植物篱可削减因化肥、农药、牲畜粪尿等引起的农业面源污染,具有净化土壤环境能力。意大利东北部地区研究证明悬铃木等木本植物篱对农药的截留率高达73%,极大降低了农药对周围环境的污染[58]。在辽东山区的研究发现,紫花苜蓿和紫穗槐植物篱对土壤养分氮的拦截率分别为89.74%和87.82%,对磷的拦截率分别为89.97%和88.00%,拦截效果显著[59]。有研究表明植物篱系统对污染物的去除率随坡度的增加而下降[60],北京市农林科学院研究发现,狼尾草构建的植物篱过滤带在坡度5%的坡地上对泥沙、氮、磷的拦截率分别为96%、86%、96%,在坡度10%的坡地上,对泥沙、氮、磷的拦截率分别为91%、78%、93%[61],与本研究结论相一致。
植物篱对坡地小气候有一定调节作用,主要体现在降低光照强度、改变温度、增加湿度、降低风速等方面。在陕西省汉中市茶园坡地上进行的试验发现,植物篱有效减弱了到达茶树叶面的光照强度,且植物篱园区温度日变化幅度较小,湿度较高[62]。重庆市江北区、渝北区、北碚区的坡地研究均证明植物篱在降低温度、增加湿度等方面强于对照区,且乔、灌、草结合效果更好[63]。内蒙古武川旱农试验站的研究表明,在植物篱保护下,风速比裸地平均降低81.25%,降低风速效果显著[64]。在秦巴山区坡地种植杜仲植物篱后发现,气温降低2.1 ℃,空气相对湿度增加2.0%,防风效应增加18.2%,有效改善了坡地上的局地小气候[65]。
通过梳理相关文献可以发现,坡地植物篱净化环境的研究成果主要集中在削减农业面源污染方面,但研究成果较少,尤其是植物篱叶片分泌的油脂、汁液有较强的滞尘除尘能力[66],释放的含有醚类、乙醛等有效成分的小分子物质,具有抑菌杀菌作用[67],这都会对环境起到净化作用,这些研究一般集中于城市、公园,坡地植物篱净化空气的相关研究较少。此外,坡地植物篱调节气候的研究成果也非常缺乏。净化环境、调节气候等调节服务可以直接影响人体舒适度,有深入研究的必要性。
坡地植物篱能提供可食用、药用、饲用或作为燃料、化工原料的生态产品。美国加州本土植物篱蓝接骨木,可食用,也能治疗发烧和其他疾病[68]。中国科学院万县生态环境实验站选择皇竹草作为植物篱,皇竹草可用作饲料,每hm2年刈割量可喂养90只羊[69]。在广西种植木薯植物篱用于生产车用燃料乙醇,在防治水土流失的同时解决山区燃料短缺问题[70]。在土耳其的研究表明,辣木植物篱可作为蔬菜补充人体所需膳食纤维,作为药材提高人体免疫力,还能作为原料生产油漆、化妆品等[71]。有学者提出,桑树作为植物篱有较高的经济价值,可以作为食品、药物、动物饲料以及制造纸张和体育用品等[72]。
坡地种植植物篱可提高作物产量和质量。肯尼亚半干旱地区坡地的铁刀木等高植物篱虽然略微减少了短雨季的豇豆产量,但却明显增加了长雨季的豇豆产量[73]。印度东部山区坡地上种植香根草植物篱,高粱产量由2.52 t/hm2增至2.88 t/hm2[74]。泰国东北部热带草原气候区的香根草、银合欢、臂形草植物篱结合水保措施,玉米产量从1.5~3.2 mg/hm2增至3.8~5.5 mg/hm2[75];德国南部坡地上种植月季、山茱萸等植物篱,显著提高篱内作物草莓的产量和质量[76]。三峡库区的银合欢、黄荆和马桑植物篱—桔园系统中柑桔产量比对照组高15%,且柑桔果皮薄而光滑,着色、味道优于对照组[77]。
通过梳理相关文献可以发现,坡地植物篱供给服务与人类关系最为密切,对人类来说具有直接使用价值,可为人类的生存发展提供生态产品,但相关研究成果还不够深入,应该结合选种、空间布局等技术,研究植物篱种植与农民增收的关系,增加农民种植植物篱的积极性,促进植物篱技术推广和应用。
近年来,中国对生态环境修复与建设工作越来越重视,坡地植物篱技术得到不断发展,为山区生态保护修复、坡地可持续利用等提供了参考和借鉴,但还存在一些问题亟待解决。本研究针对这些问题,对其研究方向进行了展望。
植物篱相关研究缺乏深入的理论探讨,关于植物篱生态系统服务的相关理论研究较少。本研究认为应将生态格局-过程-功能-服务四位一体理论应用于该领域。生态格局指某研究区域内不同生态要素的空间组合形式,生态过程是各类生态要素之间通过介质发生联系,相互影响、相互作用,进而影响物质循环和能量流动,生态功能则是指各类生态系统提供产品和服务的能力,生态服务是基于生态格局、过程和功能,生态系统为人类生存、经济可持续发展和社会进步所提供的各种产品和服务的总称[78]。在坡地上,植物篱空间配置格局是坡地-植物篱系统中物质能量流转的载体,格局变化会导致土壤水分、养分等生态过程改变,过程改变会影响植物篱的生态功能发挥,进而也会对其生态系统服务产生影响。通过优化种植格局,调节坡地生态过程,改善土壤环境和局部小气候,提升作物和植物篱提供产品的能力,从而提高人类福祉水平。进一步探究坡地植物篱空间格局、过程、功能、服务与人类福祉的关系,有助于夯实坡地植物篱技术的理论基础。
当前坡地植物篱相关研究主要针对防治水土流失、增强土壤肥力、改善微地貌、削减农业面源污染等生态功能,侧重分析坡地植物篱所具有的自然生态功能,轻视人类的需求与偏好,尚没有构建基于生态系统服务的植物篱综合效益评估方法体系。通过野外试验和室内分析相结合的方法,逐步建立和完善全方位坡地植物篱生态系统服务评估技术方法,定量测评坡地植物篱提供食物、原材料等供给服务,深入分析植物篱削减污染、净化环境等调节服务,探究测算其改良土壤、维持生物多样性等支持服务,尤其应该逐步开展坡地植物篱景观游憩、科研教育等文化服务的调查与研究。全面展现坡地植物篱对提升人类福祉与提高生态环境质量的效果,使民众与各级政府认识到坡地植物篱对改善民生和山区可持续发展的重要作用。
植物篱具有结构复杂、干扰因子多、时空异质性强等特征,当前很多研究都只进行了短期监测,停留于植物篱相关的经济效益和生态效益评价,而涉及植物篱对土壤微生物、土壤酶等方面的微观机理研究相对缺乏。当前对植物篱如何发挥各项服务能力的生态过程尚未掌握,而土壤微生物、土壤酶等作为土壤养分和有机质周转的动力,是土壤中最活跃的因子,对其开展研究有助于从微观机理视角认识植物篱对退化生态系统的修复机制与修复过程,有助于揭示植物篱如何提升各类生态系统服务能力。建议加强长期系统的监测和科研设计,从土壤改良机制和机理视角,研究什么样的植物篱品种、什么样的空间配置模式,最有助于微生物、土壤酶等提升土壤养分含量和有机质周转速度,最有利于恢复或修复退化生态系统,最有助于提高其生态系统服务能力。
当前在进行品种筛选时,或重视生态效益,或重视经济效益,且多以前人经验为主,使坡地植物篱品种的选择存在一些争议。此外,坡地植物篱株距、带内行距、带间距等多是定性分析,试验数据支撑不充分,且植物篱后续管理不规范。本研究提出如下建议:首先,根据研究区自然环境特点,因地制宜筛选植物篱品种,建立植物篱品种数据库,尽可能通过坡地试验优选出与作物争水、争肥较弱,各项生态系统服务能力较强的乡土品种;其次,确定适合当地条件的植物篱空间配置模式,在不同自然条件下,应根据实际需求、野外试验和室内分析结果,结合坡地利用现状和农民意愿,确定不同坡度、坡向和土壤环境的最佳植物篱空间模式;最后,完善坡地植物篱管理技术,包括定期刈割或修剪技术、病虫害防护技术、越冬管理技术等,这些技术将保障坡地植物篱能良好生长,逐步增强其生态系统服务能力,提升所在区域生态环境质量。
目前,坡地植物篱主要在亚热带气候区种植,温带气候区研究成果报道较少;湿润区研究较多,半湿润、半干旱研究较少。在温带气候区的一些区域缺少坡地植物篱相关试验数据,因此应加大植物篱试种范围和推广力度。第一,应加大植物篱试种范围。在不同气候区和地理单元的适宜地区,开展坡地植物篱种植试验,尤其在中国北方的太行山、燕山、大小兴安岭等地区,结合这些区域雨热同期、夏季降水量集中、暴雨较多等气候特点,开展坡地植物篱试验,为解决北方山区地质灾害和生态安全问题提供技术支持。第二,加大植物篱推广力度。在中国,除在四川、贵州等长江中上游等地区以外,其他地区植物篱推广应用的报道不多。应在试验基础上,将生态效益和经济效益均较好的品种加以推广,为广大山区农民增收提供新方案。第三,坡地植物篱当前主要应用于坡地果园或经济植物的间作种植,将来应在小流域综合治理、生态修复工程等方面发挥重要作用,与山区农业产业结构调整有机结合起来,为广大山区巩固脱贫攻坚成果服务,为真正实现“绿水青山就是金山银山”目标提供科学依据和应用实践。
坡地植物篱具有改善山区生态环境质量、提升人类福祉等作用。本文从生态系统服务新视角,总结归纳了植物篱概念、分类、选种、布局及其生态服务能力等相关成果,以期为坡地植物篱技术的发展提供重要科学参考。未来,应将生态系统服务的格局-过程-功能-服务的四位一体理论应用于植物篱技术相关研究,逐步建立全面的生态系统服务能力评估方法体系,深入探究植物篱发挥生态系统服务能力的微观机理,构建综合的选种、布局与管理的技术体系,同时应加大植物篱试种范围与推广力度,逐步将植物篱从一项水土保持技术变成提升人类福祉的生态系统服务技术。