蔡先立，周運(yùn)超，劉曉云，馬禮平，田簫

(貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽)

湖泊是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是人類重要的生存資源，然而許多湖泊由于富營養(yǎng)化等問題導(dǎo)致水質(zhì)變壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重的水體事件，威脅生態(tài)安全和用水安全［1－2］，坡耕地養(yǎng)分流失是湖泊富營養(yǎng)化問題中養(yǎng)分元素的重要來源之一［3－6］;因此，防治坡耕地養(yǎng)分流失是從源頭上保證湖泊安全的重要手段。坡耕地養(yǎng)分流失是伴隨水土流失而發(fā)生的［7］，植物籬(hedgerow)是控制坡耕地水土流失的有效手段之一，其相對(duì)其他水土保持措施投入較低、維護(hù)容易等優(yōu)勢使得對(duì)植物籬的研究和應(yīng)用較多。植物籬也稱生物籬、草籬等，是條帶狀密集種植的植物群體。到目前為止，植物籬主要運(yùn)用于公路邊坡和坡耕地的水土流失防治，對(duì)植物籬的研究主要有對(duì)植物籬功能的研究、對(duì)特定環(huán)境下不同植物籬模式的作用效果以及對(duì)植物籬效益的研究等。研究表明植物籬具有多種功能，如水土保持功能(能減少7%～79%地表徑流和49%～96%泥沙)［8－11］、保持并增加土壤養(yǎng)分功能［12］、改善土壤物理性質(zhì)功能(能顯著改善土壤的密度、孔隙、顆粒組成等性質(zhì))［12－13］等，并對(duì)這些功能發(fā)揮的機(jī)制進(jìn)行了分析。對(duì)黃土高原 區(qū)［14］、金 沙 江 干 熱 河 谷［14－15］、紅 壤 丘 陵區(qū)［14，16］、貴州地區(qū)［17］、長江三峽地區(qū)［14－15］以及東北的黑土地區(qū)［14］等地區(qū)不同植物籬物種、物種組合、植物籬空間配置方式等的研究，選出了對(duì)應(yīng)環(huán)境下某功能效果最佳的植物籬模式。植物籬的效益研究主要是對(duì)植物籬發(fā)揮各種功能所產(chǎn)生的效益進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，分為生態(tài)效益［18－21］、經(jīng)濟(jì)效益［19－21］、社會(huì)效益［21－22］3 方面。從以上介紹可以看出前人已對(duì)植物籬作了大量研究，但是專門針對(duì)不同行數(shù)植物籬對(duì)水土流失及養(yǎng)分流失影響的研究鮮見報(bào)道?；颐?Tephrosia purpurea(L.) Pers.)與香根草(Vetiveria zizanioides L.)分別屬木本和草本，二者在水土保持上的優(yōu)勢可以互補(bǔ)，加上灰毛豆和香根草在水土保持中運(yùn)用較多，技術(shù)成熟，效果也好［23－24］，二者的生態(tài)習(xí)性也適應(yīng)紅楓湖地區(qū)的生態(tài)環(huán)境(穿過紅楓湖地區(qū)的貴黃公路邊坡治理中有種植);因此，本試驗(yàn)選擇由香根草和灰毛豆混合建設(shè)植物籬，使試驗(yàn)具有研究和實(shí)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

紅楓湖位于貴州省貴陽市以西33 km 處，是貴陽地區(qū)最大的人工湖，設(shè)計(jì)庫容6 億m3，水域面積57.2 km2，主要分為南北2 湖區(qū)，水源主要來自流入的河流，流域面積1 551 km2，主要承擔(dān)飲用水源、灌溉等功能。本試驗(yàn)的試驗(yàn)地設(shè)置于清鎮(zhèn)市紅楓湖鎮(zhèn)大沖村，位于E106°14'07″、N26°18'55″，地處紅楓湖北湖上游，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14 ℃，年降雨量1 091.8 ～1 414.5 mm，雨熱同期，降雨主要集中于4—10 月;植被為次生常綠闊葉林;主要土壤種類有石灰土、黃壤和水稻土，坡耕地主要土壤為黃壤，坡耕地作物主要為玉米(Zea mays L.)套作向日葵(Helianthus annuus L.)，少量土地種植辣椒(Capsicum frutescens L.)、花生(Arachis hypogaea L.)等其他作物。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)3 個(gè)區(qū)組，每區(qū)組含5 個(gè)處理小區(qū)，共15 個(gè)處理小區(qū)，選擇坡度條件相近的小區(qū)構(gòu)成區(qū)組，每小區(qū)為投影面積100 m2(順坡長20 m×橫坡寬5 m)的長方形徑流小區(qū)，建設(shè)相應(yīng)的徑流集流、分流、收集設(shè)施，并在小區(qū)內(nèi)種植不同行數(shù)的植物籬形成不同的處理方式。

2.2 試驗(yàn)實(shí)施

2.2.1 徑流小區(qū)建設(shè) 小區(qū)邊界用厚聚氯乙烯塑料布與外界隔開(開溝將塑料布埋入土壤80 cm 并留高出地表30 cm，以土兩面夾筑成埂狀)，阻斷小區(qū)內(nèi)外徑流交換，下方挖截流溝，并配備相應(yīng)的徑流分流(將徑流分成12 份、收集其中1 份)和收集設(shè)施，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的具體情況按坡度來劃分區(qū)組，3 區(qū)組的坡度分別為7°、13°、13°(二、三區(qū)組坡度相同)，土壤為黃壤，并測定各小區(qū)土壤的主要養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)質(zhì)量含量(表1)，經(jīng)過F 檢驗(yàn)，土壤中各元素本底值在區(qū)組間和區(qū)組內(nèi)均未達(dá)到顯 著水平，土壤物理性質(zhì)未測定。

表1 各處理小區(qū)土壤主要養(yǎng)分本底值Tab.1 Background value of main soil nutrients of different plots

2.2.2 植物籬種植 區(qū)組內(nèi)部用抽簽的方式?jīng)Q定不同處理方式與徑流小區(qū)的匹配，在非對(duì)照小區(qū)內(nèi)從小區(qū)最下部起每隔約6.67 m 沿等高方向種植3帶由灰毛豆和香根草2 種植物混合建設(shè)而成的植物籬(灰毛豆和香根草分別建成植物行，并以1∶1比例行間交互混交組建植物籬帶)，將小區(qū)均分為3 段;試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照(不種植植物籬)、每帶2 行(1 行香根草+1 行灰毛豆)、自上而下各帶分別為2、4、6 行(各帶均由香根草和灰毛豆按1∶1行間交互混交)、每帶4 行(2 行香根草+2 行灰毛豆行間交互混交)和每帶6 行(3 行香根草+3 行灰毛豆行間交互混交)5 種不同處理方式(如圖1)，植物籬帶統(tǒng)一采用株距10 cm、行距15 cm，行間錯(cuò)窩種植。

圖1 植物籬種植示意圖Fig.1 Sketch map of hedge row and plot

2.2.3 樣品采集 每次產(chǎn)生地表徑流的降雨后，先測定徑流量，然后將徑流混勻后采集樣品500 mL，帶回實(shí)驗(yàn)室測定，泥沙沉積于分流池中，不影響分流的情況下，最后一次收集徑流的時(shí)候?qū)δ嗌尺M(jìn)行稱量并將泥沙混勻后采集樣品，濕質(zhì)量約為2 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室測定。試驗(yàn)期間共采集徑流水樣5 次，每次15 個(gè)，共75 個(gè)，測定指標(biāo)為水溶解態(tài)全氮、全磷、全鉀及銨態(tài)氮;采集泥沙1 次，共15 個(gè)，測定指標(biāo)為固體態(tài)的全磷、全鉀。

2.2.4 樣品測定 測定方法參考中國科學(xué)院南京土壤研究所編著《土壤理化分析》［25］，先過濾徑流水樣適量，用濾液測定水溶解態(tài)全氮、銨態(tài)氮、全磷、全鉀的質(zhì)量濃度;將土壤風(fēng)干后測定土壤全磷、全鉀量(由于數(shù)據(jù)丟失，泥沙樣未保存所以無泥沙樣固體態(tài)全氮數(shù)據(jù))。用開氏法測定全氮，用靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮，用硫酸－高氯酸氧化－鉬藍(lán)比色法測定全磷，用火焰光度計(jì)法測定全鉀。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理 在F 檢驗(yàn)的保護(hù)下，進(jìn)行多重比較，測試不同處理的差異顯著性，比較不同植物籬的水土保持和養(yǎng)分元素?cái)r截效果。統(tǒng)計(jì)應(yīng)用Excel軟件完成，統(tǒng)計(jì)方法參考蓋均鎰主編的《試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法》［26］中隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表徑流量

地表徑流隨著植物籬行數(shù)的增加呈減少的趨勢，經(jīng)F 檢驗(yàn)表明差異顯著后，進(jìn)行多重比較的結(jié)果(表2)表明:每帶2 行植物籬處理與對(duì)照處理相比并無顯著減少，在第3 場降雨時(shí)每帶2 行3 個(gè)植物籬小區(qū)其中1 個(gè)由于農(nóng)戶除草(野外試驗(yàn)較難避免人為干擾)，致使土壤入滲加強(qiáng)，徑流減少，與對(duì)照有顯著差異并出現(xiàn)了每帶2 行處理徑流量反而小于自上而下分別2、4、6 行處理的現(xiàn)象。自上而下每帶分別為2、4、6 行植物籬處理與對(duì)照處理有顯著差異，但是其與每帶2 行處理并無顯著差異。第5 次降雨時(shí)由于降雨時(shí)間較長，導(dǎo)致各處理總體方差較小，所以出現(xiàn)顯著差異。每帶4 行處理與對(duì)照處理存在顯著差異，與每帶2 行處理差異不明顯;每帶6行處理與對(duì)照、每帶2 行和自上而下每帶分別2、4、6 行處理都存在顯著差異。分析后認(rèn)為出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因可能是雙行植物籬寬度較小(15 cm)，對(duì)地表徑流入滲影響不明顯，隨著植物籬寬度的增加，徑流與植物籬作用時(shí)間增加，減少徑流作用逐漸顯現(xiàn)，每帶6 行植物籬的帶寬較大(75 cm)，徑流減少較為明顯。

表2 不同植物籬處理地表徑流量及多重比較結(jié)果Tab.2 Surface runoff of different rows hedge plots and the multiple comparison results L/m2

3.2 地表徑流中的水溶解態(tài)全氮、全磷、全鉀和銨態(tài)氮量

3.2.1 水溶解態(tài)全氮量 地表徑流中水溶解態(tài)全氮量(次降雨地表徑流中水溶解態(tài)全氮量(mg/m2)=徑流中水溶解態(tài)全氮質(zhì)量濃度(mg/L) ×小區(qū)次降雨徑流量(L)÷100) 監(jiān)測結(jié)果經(jīng)F 檢驗(yàn)表明差異顯著后，進(jìn)行多重比較，結(jié)果(表3)表明:地表徑流中水溶解態(tài)全氮量由于受徑流量影響較大而表現(xiàn)出與徑流量相似的總體趨勢，其中每帶2 行植物籬與對(duì)照處理沒有顯著差異;但第1 場降雨時(shí)正是植物籬生長旺盛時(shí)，植物籬的吸收使土壤氮素減少，徑流流過時(shí)與土壤交換氮，出現(xiàn)顯著小于對(duì)照的現(xiàn)象。植物籬行數(shù)越多，減少越明顯，自上而下每帶分別2、4、6 行植物籬處理由于帶寬的特殊性，在第1、2、4 次降雨時(shí)與對(duì)照有顯著差異，而在第3、5 次降雨未出現(xiàn)顯著差異，每帶4 行和每帶6 行植物籬處理都與對(duì)照有顯著差異，但這二者之間無顯著差異。

表3 不同植物籬處理地表徑流中水溶解態(tài)的全氮量及多重比較結(jié)果Tab.3 Total soluble nitrogen in surface runoff of different rows hedge plots and the multiple comparison results mg/m2

3.2.2 水溶解態(tài)的全磷量 地表徑流中水溶解態(tài)的全磷量(次降雨地表徑流中水溶解態(tài)的全磷量(mg/m2)=徑流中水溶解態(tài)全磷質(zhì)量濃度(mg/L)×小區(qū)次降雨徑流量(L) ÷100) 監(jiān)測結(jié)果通過F測驗(yàn)表明差異顯著后，進(jìn)行多重比較的結(jié)果(表4)表明，每帶2 行植物籬處理與對(duì)照沒有顯著差異，第1 場降雨時(shí)由于和全氮相同原因致使出現(xiàn)差異，其余各個(gè)帶寬植物籬處理都與對(duì)照有顯著差異，自上而下每帶分別2、4、6 行，每帶4 行和每帶6 行植物籬處理效果最好，三者之間無顯著差異。說明植物籬對(duì)地表徑流中全磷的攔截效果比對(duì)全氮的提截效果好。

表4 不同植物籬處理地表徑流中水溶解態(tài)全磷量及多重比較結(jié)果Tab.4 Total soluble phosphorus in surface runoff of different rows hedge plot and the multiple comparison results mg/m2

3.2.3 水溶解態(tài)全鉀量 地表徑流中水溶解態(tài)全鉀量(次降雨地表徑流中水溶解態(tài)全鉀量(mg/m2)=徑流中水溶解態(tài)全鉀質(zhì)量濃度(mg/L) ×小區(qū)次降雨徑流量(L)÷100)的趨勢與徑流量的趨勢有一定的差異，第1 次降雨時(shí)徑流量最大，但是水溶解態(tài)全鉀流失量并不是最大的;通過F 測驗(yàn)表明差異顯著后，進(jìn)行多重比較的結(jié)果(表5)表明:第1 次降雨時(shí)除每帶6 行植物籬處理顯著小于對(duì)照外，其余處理都與對(duì)照無顯著差異，其余幾次降雨，各植物籬處理之間差異并不明顯。有研究顯示植物籬對(duì)鉀元素流失的影響有限［11，27－29］，本試驗(yàn)的結(jié)果亦可驗(yàn)證此結(jié)論，每帶2 行植物籬處理與對(duì)照無顯著差異，其他3 個(gè)處理都顯著小于對(duì)照，但是他們之間無顯著差異。

表5 不同植物籬處理地表徑流中水溶解態(tài)全鉀量及多重比較結(jié)果Tab.5 Total soluble potassium in surface runoff of different rows hedge plot and the multiple comparison results mg/m2

3.2.4 水溶解態(tài)銨態(tài)氮量 地表徑流中水溶解態(tài)銨態(tài)氮量(小區(qū)次降雨地表徑流中水溶解態(tài)銨態(tài)氮量(mg/m2) =徑流中水溶解態(tài)銨態(tài)氮質(zhì)量濃度(mg/L)×小區(qū)次降雨徑流量(L)÷100) 監(jiān)測結(jié)果通過F 測驗(yàn)表明差異顯著后，進(jìn)行多重比較的結(jié)果(表6)表明:每帶2 行處理與對(duì)照無顯著差異，其余3 個(gè)處理都與對(duì)照有顯著差異，但是它們?nèi)咧g沒有顯著差異，第5 次降雨時(shí)由于降雨強(qiáng)度較小，致使每帶2 行，分別，2、4、6 行，每帶4 行處理與對(duì)照無顯著差異。

表6 不同植物籬處理地表徑流中水溶解態(tài)銨態(tài)氮量及多重比較結(jié)果Tab.6 Soluble ammonnium nitrogen in surface runoff of different rows hedge plot and the multiple comparison results mg/m2

3.3 泥沙量及其所含固體態(tài)的全磷和全鉀量

泥沙量及泥沙中固體態(tài)的全磷、全鉀元素量(泥沙中固體態(tài)的全磷(鉀)量(mg/m2)=泥沙中固體態(tài)的全磷(鉀)質(zhì)量含量(mg/g) ×小區(qū)泥沙量(g)÷100) 監(jiān)測結(jié)果通過F 測驗(yàn)表明差異顯著后，進(jìn)行多重比較的結(jié)果(表7)表明:泥沙流失量方面，除每帶2 行之外的各植物籬處理都顯著小于對(duì)照，但是各植物籬處理間并無顯著差異。究其原因可能是由于流失的泥沙顆粒大小不同，而大顆粒泥沙所占的質(zhì)量含量較大，植物籬密集種植，實(shí)際對(duì)大顆粒泥沙起阻擋作用的是上方1 ～2 行，因此，各植物籬處理沒有顯著差異;但是，由于對(duì)細(xì)顆粒泥沙的攔截出現(xiàn)了一些差異，導(dǎo)致除每帶2 行處理外都與對(duì)照之間有顯著差異。自上而下每帶分別2、4、6 行植物籬處理雖然植物籬寬度平均也是4 行，而且最下方一帶為6 行，但其效果并不好于每帶4 行植物籬。泥沙中固體態(tài)養(yǎng)分元素流失量首先與泥沙量有關(guān)，同時(shí)在與徑流共同移動(dòng)過程中與徑流中養(yǎng)分元素進(jìn)行交換。當(dāng)徑流中養(yǎng)分元素被植物籬吸收后，泥沙中養(yǎng)分元素釋放，則會(huì)降低泥沙中養(yǎng)分元素含量;從泥沙中固體態(tài)磷元素量來看，各植物籬處理都顯著小于對(duì)照，每帶4 行與每帶6 行植物籬處理效果最好，顯著小于其他各處理;有研究認(rèn)為磷素的流失的主要形式是吸附于土壤黏粒上隨徑流流失［30］，每帶4 行和每帶6 行植物籬對(duì)土壤黏粒的攔截效果好于其他植物籬，所以其隨泥沙流失的磷量迅速減少，但每帶4 行與每帶6 行二者之間無顯著差異;從泥沙中固體態(tài)的鉀元素量來看，每帶2 行植物籬處理與對(duì)照沒有顯著差異，其他處理都與對(duì)照有顯著差異，效果最好的是每帶6 行植物籬處理。

表7 不同植物籬處理泥沙及其中的固體態(tài)全磷、全鉀量及多重比較結(jié)果Tab.7 Sediment and total phosphorus and total potassium fixed at sediment of different rows hedge plots and the multiple comparison results

4 討論

植物籬之所以能減少地表徑流和泥沙及其所攜帶的養(yǎng)分元素，是因?yàn)橹参锘h的種植將連續(xù)的坡地截?cái)?，使侵蝕難以發(fā)育到侵蝕強(qiáng)度大的細(xì)溝侵蝕形態(tài)［31］，植物籬的種植密度大，對(duì)水土流失中顆粒較大的泥沙形成攔截，并通過機(jī)械阻擋水流，減小坡度等致使徑流流速減慢，攜沙力下降，泥沙沉積于植物籬上方及籬下［32－33］，有效地防止土壤流失。植物籬帶內(nèi)由于受到人類活動(dòng)影響較小，土壤較為疏松，加上植物根系穿插、土壤動(dòng)物的活動(dòng)以及枯枝落葉增加土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善［31］，帶內(nèi)土壤孔隙度較大，能有效地使地表徑流下滲，加上徑流在植物籬帶內(nèi)流速減慢，入滲時(shí)間增長，使徑流量有所減少。地表徑流所攜帶的養(yǎng)分元素是坡耕地養(yǎng)分流失的主要途徑之一［34］，當(dāng)?shù)乇韽搅骱湍嗌潮恢参锘h截留后，養(yǎng)分元素也隨之被攔截，而且徑流流經(jīng)植物籬時(shí)有部分養(yǎng)分元素被植物籬吸收。本試驗(yàn)中每帶2 行植物籬在水溶解性養(yǎng)分方面沒有表現(xiàn)出與對(duì)照有顯著差異，其原因在于每帶2 行植物籬行數(shù)較少、寬度較小，徑流與植物籬作用的時(shí)間較短，而徑流入滲以及養(yǎng)分元素交換、吸收都需要一定的時(shí)間。隨著植物籬行數(shù)的增多，徑流與植物籬作用的時(shí)間和空間也隨之增大，每帶6 行植物籬因?yàn)槠鋷捿^大表現(xiàn)最好，徑流與植物籬作用較充分。試驗(yàn)中除植物籬行數(shù)不同對(duì)坡耕地水土流失和養(yǎng)分元素流失有影響外，耕作時(shí)機(jī)也具有較為明顯的影響，在作物已經(jīng)郁閉耕地以后，雨前除草等耕作會(huì)使徑流入滲加強(qiáng)，減少徑流流失。植物籬對(duì)各種養(yǎng)分元素的作用不盡相同，所以在相同的植物籬條件下，各養(yǎng)分元素的攔截效果會(huì)出現(xiàn)差異。

研究證明隨著植物籬行數(shù)的增加，其減少水土流失及其所導(dǎo)致的養(yǎng)分元素流失效果相應(yīng)地有所增強(qiáng)，然而，植物籬在坡耕地中的運(yùn)用還涉及對(duì)耕地的占用等問題，研究證明每帶4 行、自上而下分別2、4、6 行植物籬處理在對(duì)地表徑流中水溶解態(tài)養(yǎng)分元素的攔截效果上與每帶6 行植物籬相差不大，而在本地情況下，地表徑流中水溶解態(tài)養(yǎng)分元素是養(yǎng)分元素流失的主要途徑(水溶解態(tài)全磷、全鉀分別占全磷、全鉀流失總量的86.57%和61.30%)，所以事實(shí)上每帶4 行、自上而下分別2、4、6 行植物籬處理與每帶6 行處理在對(duì)該地區(qū)環(huán)境下坡耕地養(yǎng)分流失的攔截效果相差不大，而研究證明紅楓湖為磷限制性富營養(yǎng)化［35］，因此每帶4 行及自上而下分別2、4、6 行植物籬對(duì)預(yù)防湖泊富營養(yǎng)化的意義并不小于每帶6 行植物籬。

5 結(jié)論

1)每帶2 行植物籬雖然占用的耕地少，但是其攔截養(yǎng)分元素效果也差，達(dá)不到治理目的，不宜選用。

2)每帶4 行及自上而下分別2、4、6 行植物籬在試驗(yàn)中表現(xiàn)出了較好的效果，與每帶6 行植物籬在養(yǎng)分元素?cái)r截效果上相差不大，且其對(duì)耕地的占用較少;每帶4 行植物籬在某些情況下較自上而下每帶分別2、4、6 行植物籬表現(xiàn)好，二者對(duì)耕地的占用相同，因此，4 行植物籬是本地區(qū)的最佳植物籬種植行數(shù)，其次是自上而下每帶分別2、4、6 行植物籬。

3)每帶6 行植物籬處理效果最好，但其對(duì)耕地的占用卻顯著增加，也不宜選用。

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