張雪蓮，趙永志，廖 洪，李曉娜，張國芳，文方芳，劉自飛，張夢佳

（1. 北京市土肥工作站，北京 100029；2. 北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，北京 100097）

據(jù)第二次全國土壤普查(1979-1985年)，我國耕地水土流失面積達(dá) 4.54 × 107hm2，占耕地總面積的35%，每年由水土流失造成的氮、磷損失總量分別為 1.28 × 107和 7.65 × 106t，對地表水富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)率超過了50%[1-2]。在地形復(fù)雜、降水量充沛的南方熱帶和亞熱帶地區(qū)，極易通過水蝕引發(fā)水土流失，影響土地可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，因而迫切需要加強(qiáng)耕地的水土保持，阻控氮、磷和農(nóng)藥等向水體輸入，防止土地和水體質(zhì)量進(jìn)一步惡化。

植物籬和過濾帶是防治水土流失和面源污染的主要生物屏障措施。植物籬一般為等高草籬，是指在坡耕地中以某一間距(3～5 m，取決于坡度、土壤特征、降水特征、草籬特征等多種因素)沿等高線種植的草帶 (通常為雙行, 寬度小于3 m)[3]，尤其適用于水蝕坡耕地，植被過濾帶是位于農(nóng)田與地表水體之間的帶狀植被區(qū)域，又稱植被緩沖帶。它們通過植物莖稈的攔截、土壤的滲透及微生物的分解等多重作用實現(xiàn)擋水、擋土、降流、減污，減緩和控制農(nóng)業(yè)區(qū)域的水、土、營養(yǎng)元素及污染物向水體的遷移。研究表明，兩者在水土保持和面源污染防治中效果顯著[4-7]。Panagos等[8]認(rèn)為，植物籬帶對侵蝕的控制效果甚至優(yōu)于石墻等工程措施 。草籬還具有明顯的保水、保肥及作物增產(chǎn)效果，實施數(shù)年能減少80%土壤養(yǎng)分流失，增加作物產(chǎn)量18%～35%[9]。此外，植物籬技術(shù)成本較低廉，造價僅為 1 500～3 000 CNY·hm2，是石坎梯田造價的十分之一(一般大于15 000 CNY·hm-2)[10]。因此，在易發(fā)生水土流失的坡耕地，尤其是水蝕嚴(yán)重的南方地區(qū)，構(gòu)建效果顯著、成本低廉的植物籬和過濾帶，具有重要的價值和意義。

1 植物籬及過濾帶對水土流失與面源污染的控制效果

植物籬及過濾帶植物需具備較強(qiáng)的耐沖刷及改善土壤滲透性的能力，因此，適宜植物類型多為莖稈粗壯、分蘗能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的多年生植物。常用籬帶植物品種的名稱、形態(tài)特征、分布及環(huán)境適宜性的匯總?cè)绫?所列。

1.1 植物籬及過濾帶對徑流和泥沙的攔截率

徑流和泥沙是水土流失和面源污染發(fā)生的重要載體。近三十年來，國內(nèi)外科學(xué)家先后研究了不同植物籬對徑流和泥沙的攔截效果，其中，研究最多的為香根草(Vetiveria zizanioides)。從不同植物籬對徑流和泥沙的攔截率(表2)可看出，香根草植物籬不僅在我國南方紅壤和紫色土坡耕地有較好的徑流和泥沙攔截能力(紅壤坡耕地分別可攔截徑流和泥沙29%～72%和56.25%～97.4%[11-12]，紫色土坡耕地可分別攔截徑流和泥沙75%和83%[13])，而且在泰國北部沙壤中等坡度坡耕地也可攔截72%徑流和98% 泥沙[14]，甚至在大于30%的陡坡對徑流和泥沙的控制率也分別可達(dá)到31%～69%和62%～86%[15]。除香根草以外，多種其他植物種類在不同地區(qū)也顯示出較好的水土保持效果，例如，藤本植物野葛(Pueraria lobata)、百喜草(Paspalum natatu)、黃花菜(Hemerocallis citrina)和麥冬(Ophiopogon japonicus)在我國紅壤坡耕地對徑流的攔截率超過了80%，對泥沙攔截率也在 48%以 上[16-17]；皇竹草(Pennisetum sinese)、馬桑(Coriaria nepalensis)、黃荊(Vitex negundo)、新銀合歡(Leucaena leucocephala)和黃花菜在三峽庫區(qū)紫色土對徑流的攔截率在22%～66%，但對泥沙的攔截率高達(dá)71%～98%[18-19]；金蕎麥(Fagopyrum dibotrys)、李樹(Prunus salicina)或黃花菜對貴州紅黃壤徑流和泥沙攔截率分別為89%和40%～50%[9]；北京地區(qū)狼尾草(Pennisetum alopecuroides)和野古草(Arundinella anomala)植物籬對徑流和泥沙的阻控率在50%以上[3, 20-21]；牛尾梢(Festuca elatior)草籬對美國深層黃土徑流和泥沙的阻控率分別為22%～52%和53%～63%[22]；0.5 m寬的芒屬草籬使沙壤土侵蝕量降低了90%[23]。

過濾帶對徑流和泥沙的攔截效果也十分顯著，單一高羊茅(Festuca elata)過濾帶、高羊茅與柳枝稷(Panicum virgatum)混種過濾帶對泥沙攔截率分別為72%和91%[7]；日本地區(qū)種植0.5～3.0 m蜈蚣草(Pteris vittata)過濾帶可攔截24%～73%泥沙[24]；尼日利亞香根草過濾帶對徑流和泥沙的攔截率分別為63%和72%[25](表2)。而肯尼亞地區(qū)香根草過濾帶對徑流的攔截率約12%，是尼日利亞相應(yīng)結(jié)果的五分之一[26]，這可能與肯尼亞地區(qū)降水量較大(年降水量1 150 mm)有關(guān)，但相同條件下，肯尼亞地區(qū)粘壤土坡面(坡度8%)種植狼尾草過濾帶(株間距15 cm)對徑流的攔截率為54%[26]，說明植物對徑流的攔截效果受植物種類影響較大。研究還發(fā)現(xiàn)，草籬和植被過濾帶結(jié)合能更有效地防止坡耕地的水土流失，印度腐格里豆(Gliricidia sepium)草籬與甘蔗(Saccharumspp.)過濾帶結(jié)合對徑流、泥沙和土壤碳的攔截率分別為33%、35%和39%[27]，高羊茅過濾帶與柳枝稷(Panicum virgatum)植物籬及窄草木過濾帶結(jié)合兩種處理保持水土效果顯著，并且，在集中流下也能較大程度地降低水土流失[28]。意大利北部馬氏桔梗(Platycodon grandiflorus)(樹)、雪球莢迷(Viburnum opulus)(灌木)和高羊茅(草)混種過濾帶可攔截78%的徑流[29]。

表 1 植物籬及過濾帶中常用的植物品種、形態(tài)特性及其環(huán)境適宜性Table 1 Species, shape and growth environment of plant used in plant hedges and filter strips

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1.2 植物籬及過濾帶對氮、磷營養(yǎng)元素的攔截率

從國內(nèi)外植物籬及過濾帶對總氮和總磷的攔截效果(表3)可看出，香根草草籬對南方紅壤坡耕地(3行，株行距15 cm)總氮流失的阻控率在69%～90%[11]，而在泰國北部 (25 cm × 75 cm)對總氮流失的阻控率約為30%[14]。美國深層黃土種植牛尾梢草籬對總氮的阻控率約為40%[22]，效果略低于狼尾草和野古草，但該草籬對銨氮的攔截可達(dá)52%～60%[22]。北京地區(qū)兩個本地草種資源狼尾草和野古草對總氮和總磷的攔截率均在50%以上，總氮和總磷的最佳攔截效果分別達(dá)到了76%和88%[4, 21]。植物籬除了可阻控坡耕地的化肥流失，根據(jù)Gilley等[33-34]的研究，植物籬還能夠降低堆肥后有機(jī)肥施用坡面徑流中的總磷、溶解態(tài)磷、總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，進(jìn)而阻控施用有機(jī)肥中養(yǎng)分流失。

過濾帶方面，馬氏桔梗(樹)、雪球莢(灌木)和高羊茅(草)混種過濾帶(5 m)，高羊茅與鴨茅結(jié)合過濾帶(1.1%～4.3%覆蓋率)，黑麥草(Lolium perenne)過濾帶(5 m)對氮、磷的攔截效果顯著，可攔截61%～74%總氮和47%～80%總磷[29-30,32]。狼尾草過濾帶對氮、磷也有較好的攔截效果(總氮去除率45%；總磷去除率54%)[26]，該效果略低于狼尾草籬在北京地區(qū)對總氮(50%～76%)和總磷(51%～88%)的攔截效果[4, 21]，這可能主要與肯尼亞地區(qū)降水量 (年降水量 1 150 mm)高于北京地區(qū) (多年平均降水量640 mm)有關(guān)。此外，與泰國北部香根草籬氮、磷阻控效果較低(約30%)類似，香根草過濾帶在肯尼亞、尼日利亞兩個地區(qū)對氮、磷的攔截效果也很低(6%～38%)[25- 26]，低于表2中香根草在泰國北部及尼日利亞對徑流和泥沙的攔截率，分析可能與其中氮、磷的分配特征有關(guān)，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

研究者還對植物籬和過濾帶內(nèi)攔截的氮、磷進(jìn)行了形態(tài)分析。對磷而言，研究發(fā)現(xiàn)高羊茅和鴨茅過濾帶對顆粒磷和溶解磷的控制率分別為66%～82%和66%～73%[30]；但也有學(xué)者指出，植物籬對顆粒態(tài)磷的攔截率在50%～97%，對溶解態(tài)磷的攔截率變幅很大，為-83%～95%(是負(fù)數(shù)，表示溶解態(tài)磷可能增加)，籬內(nèi)溶解態(tài)磷含量可能增加[29, 33-38]，這可能是再侵蝕過程中磷的釋放所致。對不同形態(tài)的氮而言，香根草過濾帶對肯尼亞粘壤土坡面徑流中NO2-N、NO3-N和NH4-N的降低率分別為35%、11% 和 0，狼尾草過濾帶對相應(yīng)化合物濃度的減少率分別為570%、45%和47%[26]。

1.3 植物籬及過濾帶對污染物的攔截效果

施有機(jī)肥、噴灑農(nóng)藥可能導(dǎo)致農(nóng)田一些污染物如重金屬、獸藥抗生素、農(nóng)藥殘留污染。有關(guān)植物籬帶對農(nóng)田污染物流失控制的研究相對較少。Lin等[39]研究了牛鞭草、柳枝稷等草本植物過濾帶對農(nóng)藥和獸藥抗生素的阻控率，發(fā)現(xiàn)兩種植物過濾帶對徑流中阿特拉津、異丙甲草酸和草甘膦的攔截率為58%～72%，對磺胺甲基嘧啶、泰樂菌素和恩諾沙星的攔截率超過了70%。Soni等[40]的研究表明，種植草籬能夠顯著降低施用有機(jī)肥坡面徑流中的抗生素和抗性基因豐度。國內(nèi)關(guān)于植物籬和過濾帶控制徑流中農(nóng)藥和抗生素等污染物流失方面的研究尚十分匱乏，北京地區(qū)的人工徑流小區(qū)研究得出，模擬和自然降水條件下，狼尾草和野古草對阿特拉津流失的減少量為90%[31]。

綜上所述，禾本科植物的面源污染控制效果研究者最為關(guān)注，并且研究表明禾本科植物對泥沙、氮磷及污染物的攔截效果較明顯，具有較大的應(yīng)用潛力。

2 植物籬及過濾帶防治水土流失與面源污染的影響因素

2.1 植物種類、過濾帶寬度及植物生長狀況的影響

用于控制水、土和污染物流失的籬帶植物類型 主要有草本和灌木，并以草本植物為主。關(guān)于兩類植物防控效果的優(yōu)劣存在爭議。許開平等[32]對草本和灌木攔截效果的比較研究得到，黑麥草籬對氮、磷的攔截量高于灌木籬。Schmitt等[38]認(rèn)為，多年生草本植物的攔截效果優(yōu)于草本、灌木與喬木的混種。而其他學(xué)者認(rèn)為木本和草木過濾帶的攔截效果沒有顯著差異[41-42]。Yuan等[43]也指出草本植物與木本植物過濾帶對泥沙的過濾能力相當(dāng)。從表2的結(jié)果來看，馬桑/黃荊/新銀合歡等灌木類型植物籬對徑流的攔截率均不到50%[19, 44]。但是，大多數(shù)草本植物籬對徑流的攔截率均超過了50%。總之，目前關(guān)于兩種類型植物籬控制效果的優(yōu)劣尚無定論?？傮w來看，草本植物尤其是叢生草本類型分蘗數(shù)目多，莖基部的密度和蓋度大，攔截徑流和泥沙的有效植物密度更大，生長繁殖速度快，可能更加適用于水、土和污染物流失控制。不同植物品種對水、土、氮和磷的控制效果也不同，狼尾草對徑流和氮、磷的控制效果在北京地區(qū)明顯優(yōu)于野古草[4, 20]，在肯尼亞地區(qū)明顯優(yōu)于香根草[26]。

獻(xiàn)文考ecnerefe]4[]4[]12[]13[]22[]11[]41[]52[]62[]62[]92[]03[]23[參R率%/etar t磷總latoT surohpsohp 3688 16～15 16 06～25--83～12 114508 67～86 74截pec攔retnI氮總latoT negortin 5567 86～05 86 04～83 09～96 23～72 63～21 65447-16 1-)h·spirts retlifdn 度強(qiáng)雨降niaR mm(/ytisnetni 25～1.3 25～1.3 001～01 001～01 46--------率截攔的磷、氮a segdeh tnalp yb surohps 度坡 型類壤土%/epolSepyt lioS 土黏質(zhì)壤02～5lios yalc maoL 02～5土黏質(zhì)壤02～5lios yalc maoL 02～5 61～8lios wolleY 土黃 壤紅6lios deR土壤沙82～12lios maol tliS土溶淋7lios gnihcaeL 土壤粘8lios maol yalC 土壤粘8lios maol yalC --壤沙5.5lios tliS壤紅5.21lios deR對帶濾過及籬物植 3表ohpdna negortin fo etar gnitpurretnI 3 el 況情植種nrettap tnalP mc 17高株，行雙，籬物植mc 17 thgieh ,enil elbuod ,egdeH mc 59高株，行雙，籬物植mc 59 thgieh ,enil elbuod ,egdeH mc 59高株，行雙，籬物植mc 59 thgieh ,enil elbuod ,egdeH mc 17高株，行雙，籬物植mc 17 thgieh ,enil elbuod ,egdeH 寬m 27.0，籬物植 m 27.0 htdiw ,egdeH mc 51為均距株、行，行3，籬物植mc 51 gnicaps tnalp ,senil eerht ,edgeH mc 57 × mc 52，籬物植mc 57 × mc 52 ,edgeH mc 01距間，株03，帶濾過mc 01 gnicaps ,tnalp 03 ,retliF mc 02～01距行，帶濾過mc 02-01 gnicaps wor ,retliF mc 02～01距行，帶濾過mc 02～01 gnicaps wor ,retliF草種間中 ,栽錯行雙 ,m 5，帶濾過ylraluger fo swor owt ,m 5 ,retliF-retni eht ni ssarg htiw ,tnalp gnitanretla swor積面蓋覆的%3.4～%1.1，帶濾過derevoc %3.4～%1.1 ,retliF m 5 寬，帶濾過m 5 htdiw ,retliF baT區(qū)地究研aera ydutS京北gnijieB京北gnijieB國美aciremA 西江ixgnaiJ部北國泰dnaliahT fo htroN亞利日尼airegiN亞尼肯ayneK亞尼肯ayneK部北利大意ylatI tsaE-htroN-江浙gnaijehZ 稱名物植eman tnalP草古野alamona allenidnurA 草尾狼ediorucepolamutesinneP 草梢尾牛roitale acutseF 草根香sedioinaziz aireviteV 草尾狼sediorucepolamutesinneP 莢球雪 + )樹(梗桔氏馬)草(茅羊高 + )木灌(+ )seert( adirbyh sunatalP+ )sburhs( sulupomunrubiV)ssarg( aecanidn ura acut seF 茅鴨 + 茅羊高silytcaD+aecanidnura acutseF a taremolg 草麥黑ennerepmuiloL

研究者考察了植物過濾帶寬度對阻控效果的影響。Takahiro得出小牛鞭草對泥沙的攔截效果隨寬度增加而增加[24]。然而，過濾帶寬度在其發(fā)揮攔截泥沙和污染物的效果上存在閾值。Castelle等[45]和Abu-Zreig等[46]研究發(fā)現(xiàn)，隨著過濾帶寬度從4.6 m增加到22.4 m，對泥沙的攔截率從70%增加到了90%，但是，進(jìn)一步將過濾帶寬度增加到26.2 m和91.5 m，攔截效果反而降低為80%。類似地，Schmitt等[38]也認(rèn)為，大多數(shù)泥沙在過濾帶的數(shù)米內(nèi)被過濾和攔截。其他學(xué)者更明確地提出，53%～86%的泥沙在初始的5 m內(nèi)被過濾，在隨后的5～10 m，泥沙的攔截能力下降了 80%[37, 47]。以上研究說明，只有在最適寬度下，過濾帶才能發(fā)揮最佳阻控效果。然而，目前尚缺乏關(guān)于過濾帶最佳尺寸設(shè)計的經(jīng)驗公式。過濾帶寬度對化合物攔截程度的影響與化合物的類別有關(guān)。Ghadiri等[48]的研究發(fā)現(xiàn)泥沙主要在過濾帶入口方向和坡面的頂端累積，過濾帶帶寬(2和5 m)對土壤侵蝕量、溶解態(tài)磷、銨、總碳和溶解態(tài)碳有顯著影響，但對徑流中總氮、堿解氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度沒有顯著影響。過濾帶寬度對磷攔截程度的影響還與磷的形態(tài)有關(guān)。對于顆粒態(tài)磷，Syversen和Borch[36]推薦的適宜于任何植物品種的最佳寬度為5～10 m，但是Kronvang等[49]認(rèn)為，考慮到土壤對顆粒態(tài)磷的吸附飽和，29 m的過濾帶才能截留所有的顆粒態(tài)磷。對于溶解態(tài)磷，Schmitt等[38]認(rèn)為，由于強(qiáng)的遷移性，溶解態(tài)磷對過濾帶寬度的要求比較高，只有當(dāng)寬度大于15 m，對溶解態(tài)磷的攔截程度才比較明顯(超過60%)(表4)。

籬帶的阻控效果還受到植物覆蓋度、生物量和種植年限等因素影響。根據(jù)室內(nèi)的模擬研究，植物過濾帶的覆蓋度(植物覆蓋面積與過濾帶總面積之比)至少40%才能實現(xiàn)對80%的泥沙的截留，覆蓋度在70%～80%，攔截率達(dá)到了臨界值[50]。香根草草籬對徑流和泥沙的控制能力隨香根草籬生物量的增加而增強(qiáng)，在0.75 kg·m-2干物質(zhì)種植量下的控制能力最強(qiáng)[15]。橫峰野葛和百喜草植物籬對坡面徑流和泥沙的阻控率隨著植物的種植年限增加而增加[16]。

表 4 植物籬及過濾帶控制泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)流失的閾值Table 4 The threshold of grass hedge and filter strip controlling sediment and nutrient erosion

2.2 坡面地形的影響

對坡度與狼尾草和野古草籬下徑流量、水土及養(yǎng)分流失量回歸分析發(fā)現(xiàn)，坡面的徑流量、水、土及養(yǎng)分流失量受到坡度的顯著影響[21]。狼尾草和野古草等高草籬對徑流、泥沙和氮、磷的攔截效果隨著坡度的增加而減弱[4]。香根草草籬對土壤侵蝕量的阻控能力也受坡度的顯著影響，但對徑流的阻控能力與坡度沒有明顯的關(guān)系[51]。紅絨球(Calliandra haematocephala)和狼尾草在20%坡度下對泥沙的控制能力明顯高于40%坡度下的控制能力[5]。

2.3 降水強(qiáng)度及徑流特征的影響

對降水強(qiáng)度與徑流量、水、土及養(yǎng)分流失量回歸分析得出，坡面的徑流量、水土及養(yǎng)分流失量受到降水強(qiáng)度的顯著影響[21]。籬帶在集中流下的攔截效果不如侵蝕下的攔截效果[52]。當(dāng)增大入水徑流量，或者發(fā)生急速徑流時，草籬的過濾效果大幅降低甚至消失[28, 53]。

2.4 其他因素的影響

覆蓋、免耕和施肥等農(nóng)耕措施與植物籬帶的結(jié)合能增強(qiáng)籬帶的阻控效果。研究表明，香根草草籬與稻草等覆蓋結(jié)合顯著增加了香根草籬的水土保持效果[12, 54]。保護(hù)性耕作與草籬結(jié)合增加了狼尾草和野古草草籬對坡面徑流、泥沙和氮、磷的攔截效果[21]。免耕措施與狼尾草和野古草草籬結(jié)合能夠增加草籬對徑流中氮、磷和阿特拉津的去除率[31]。施用化肥顯著增強(qiáng)了香根草、新銀合歡(Leucaena leucocephala)等植物的分蘗能力，促進(jìn)了草籬的生長密閉，提高了對流失土壤的攔截效率[14, 55-56]。帶間施豬糞有機(jī)肥改善了土壤物理性質(zhì)，尤其是增加了土壤滲透性能，增強(qiáng)了香根草草籬的水土保持效果。土壤質(zhì)地也會對草籬的攔截效果產(chǎn)生影響，沙土種植草籬的攔截效果優(yōu)于黏土上種植的草籬[35, 47]。

3 植物籬對水土與污染物流失的控制過程與機(jī)理

植物籬對徑流、泥沙及污染物流失的控制主要通過植物的攔截、過濾，吸收、利用，土壤的滲透、吸附以及微生物的分解、轉(zhuǎn)化3個方面的協(xié)同作用 (圖 1)。

圖 1 植物籬對徑流、泥沙及污染物的控制過程示意圖Figure 1 The control process of plant hedge toward runoff, sediment and contaminants

3.1 對徑流的控制過程與機(jī)理

植物籬對徑流的阻控主要通過兩個方面的作用：1)籬內(nèi)近地面的機(jī)械阻礙作用。一方面，植物莖稈能夠阻礙徑流，降低流速，實現(xiàn)緩流和分流。郭雨華等[57]對草地坡面水動力學(xué)特性及減流機(jī)制研究表明，草地的阻力系數(shù)和糙率系數(shù)分別是裸地的4倍和2倍，徑流流速明顯低于裸地。另一方面，種植植物籬能逐漸改變坡面的微地形，減緩坡度，形成土坎[13, 44]。種植新銀合歡、黃荊(Vitex negundo)、馬桑 (Coriaria nepalensis)和木槿(Hibiscus syriacus)、黃花菜籬4年后，坡度從30%降至21%～24%，籬坎高超過了60 cm，此外，植物籬還能一定程度上縮短坡長[58]，這些微地形的改變能改變徑流的產(chǎn)生過程，明顯降低徑流流速，減少侵蝕；2)增加徑流向籬下土壤的入滲。雨水在籬內(nèi)是否入滲取決于入水流速，徑流持續(xù)時間以及籬下近地面條件[59]。種植籬帶能通過植物根系作用維持土壤良好的滲透性，De Baets等[60]通過室內(nèi)模擬植物籬地下部分的侵蝕過程發(fā)現(xiàn)，草根種植一個月后，根區(qū)分布的表層土壤在徑流下的侵蝕速率與根密度和根長負(fù)相關(guān)，表明植物籬的地下根保護(hù)了根區(qū)土壤，減少了侵蝕。如百喜草、黃花菜植物籬笆帶下在較長的時間內(nèi)能維持高的土壤入滲量和較大的穩(wěn)定入滲速率[61]；種植新銀合歡/馬桑/黃荊植物后，土壤體積質(zhì)量降低，飽和導(dǎo)水率及就地入滲率增加[44]，栽種皇竹草使土壤通氣狀況明顯改善，土壤總重降低，總孔隙度增加，滲透速度和滲透系數(shù)較之對照高[62]，種植4年的鐵刀木(Cassia siamea)植物籬系統(tǒng)能增加94%的水分入滲，下層土壤能增加54%的水分入滲；毒鼠豆(Dichapetalum gelonioides)或木豆(Cajanus cajan)植物籬笆種植3年后，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有提高，密度減少；狼尾草草籬使土壤容重降低7.0%，穩(wěn)定入滲率和總孔隙度分別增加157.1%和11.0%，細(xì)顆粒含量 (＜ 0.01 mm )增加 10.8%[63]。土壤滲透性的改善能增加徑流的入滲率，減少地表徑流量。然而，值得注意的是，隨著籬下土壤入滲徑流的增加，土壤持水量達(dá)到飽和，對流失徑流的阻控效果逐漸減弱或者無效，徑流的物理過程被改變[64]，導(dǎo)致植物籬及過濾帶對徑流的減緩效果下降或者喪失。

3.2 對泥沙的控制過程與機(jī)理

雨水流速的減緩及入滲過程伴隨著顆粒的沉積和攔截，進(jìn)而阻礙了顆粒物質(zhì)的遷移[65]。植物籬對泥沙的阻控過程與顆粒的大小有關(guān)，大顆粒被截留的機(jī)會更高[66-68]，并且植物對大顆粒的作用過程主要是阻擋作用，小牛鞭草攔截的泥沙主要為0.02 mm以上的顆粒[24]。粗糙的大顆粒 (＞20 μm )通常滯留在農(nóng)田邊緣1 m處或者籬前[53]。相比較而言，小顆粒被攔截程度較低，主要被植物表面過濾或隨著徑流入滲進(jìn)入籬下土壤[59]，小牛鞭草幾乎無法攔截0.002 mm以下的顆粒[24]。值得一提的是，當(dāng)有連續(xù)徑流產(chǎn)生的時候，攔截和固持在籬的顆粒物可能被再侵蝕。

3.3 對氮的控制過程與機(jī)理

研究表明，坡面氮流失的主要載體是＜0.02 mm的微團(tuán)聚體[69]，申元村[58]進(jìn)一步揭示，土壤氮主要隨著粉砂粒 (0.002～0.02 mm)和粘粒 (＜ 0.002 mm)的流失而流失。由此推測，植物籬對氮流失的控制可能主要是通過增加溶解態(tài)以及細(xì)顆粒物結(jié)合態(tài)氮的入滲。該推測被牛德奎等[70]的研究證實，由于硝態(tài)氮隨著徑流和土壤流動到草籬，并被草籬攔截后，入滲進(jìn)入土壤，導(dǎo)致人工降雨后，野古草草籬土壤中硝態(tài)氮含量明顯高于無草籬的對照。Pansak等[14]的研究也證實了這點，他認(rèn)為泰國北部山區(qū)中等坡度(21%～28%)種植香根草、新銀合歡等植物籬，改變了氮的遷移途徑，氮由地表徑流損失轉(zhuǎn)變?yōu)闈B漏。此外，氮被植物攔截后可能會發(fā)生進(jìn)一步的生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化(如反硝化、降解和分解)，從而逐漸減少殘留的濃度[58]，但是，關(guān)于籬帶內(nèi)氮元素的生物地化轉(zhuǎn)化過程的研究尚十分有限。

3.4 對磷的控制過程與機(jī)理

徑流中磷的形態(tài)主要有兩種：顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷。研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤類型坡面磷的損失都主要隨泥沙遷移，徑流中全磷和速效磷的含量很低[4, 59, 71-72]。其他研究也指出，草 籬 對 泥 沙 及 顆 粒態(tài)磷的攔截效果相當(dāng)，間接表明磷與土壤顆粒的強(qiáng)烈結(jié)合及遷移的一致性[29, 36,38]。并且，對過濾帶顆粒態(tài)磷含量分析發(fā)現(xiàn)，過濾帶攔截的粗沙顆粒(＞63μm)中磷含量較低，而與細(xì)顆粒結(jié)合的磷含量較高[73]。更有研究者指出，土壤砂粒(0.002～0.02 mm)和粘粒 (＜0.002 mm)或者微團(tuán)聚體 (＜ 0.02 mm)是徑流中磷遷移的主要載體[58, 69]。

兩種形態(tài)的磷在籬帶被阻控的過程和機(jī)制不同。顆粒態(tài)的磷，尤其是與土壤大顆粒結(jié)合的磷被阻控的主要機(jī)制是植物莖稈的攔截，攔截后固定在植物籬。小顆粒態(tài)的磷與溶解態(tài)磷的阻控機(jī)制類似，其被阻控的主要機(jī)制是籬帶內(nèi)徑流量減少，兩者在籬帶內(nèi)滲入土壤。入滲的磷元素通常只滲透到土壤表層。進(jìn)入土壤并快速被土壤固體點位吸附，進(jìn)行緩慢的解吸和沉淀，并最終被固持在土壤中。攔截的磷暫時保留在土壤中，其動力學(xué)過程和保留程度受土壤pH、有機(jī)質(zhì)、溫度、氧化還原電位、干濕交替、凍融-解凍以及與此有關(guān)的微生物分解活動的影響[74-75]。短時間內(nèi)，被吸附的磷基本上沒有形態(tài)的變化，而長時間來看，

隨著季節(jié)變化和生物的參與，可能發(fā)生磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化。土壤對磷的固持能力有限，受表面積(粘土礦物類型和數(shù)量)、土壤中沉淀磷酸鹽的陽離子或絡(luò)合物的有效性、溫度及徑流離子組成的影響，當(dāng)土壤中磷達(dá)到飽和后，過量的磷會進(jìn)一步的流失[59, 76]?；h內(nèi)保留的磷可能被植物吸收轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷，并隨著植物枯枝落葉的分解再次釋放到土壤。植物籬對磷的保留取決于外因(氣候，農(nóng)業(yè)和地形因素引起的徑流特征)和內(nèi)因(地形，過濾帶的寬度，坡度，植物和土壤的狀態(tài))。然而，有關(guān)徑流中溶解的磷在植物籬下土壤的動力學(xué)過程及環(huán)境因素對土壤對磷的固持效果還需要更多深入的研究。

3.5 對污染物的控制過程與機(jī)理

氮和農(nóng)藥類污染物被植物攔截后可能會發(fā)生進(jìn)一步的生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化(如反硝化、降解和分解)，從而逐漸減少殘留的濃度[59]。大多數(shù)農(nóng)藥被草籬攔截后能夠在帶內(nèi)被吸附和降解，導(dǎo)致濃度進(jìn)一步降低[77]。

4 研究不足及展望

植物籬和過濾帶技術(shù)能在一定程度上有效防治水土流失與面源污染，并且易實施、成本低廉，具有很大的應(yīng)用價值。然而，目前的研究還存在如下不足：1)已有研究植物品種約十幾種，除香根草和狼尾草資料比較豐富外，對其他生長能力強(qiáng)，分蘗快，適宜用作植物籬、過濾帶的植物品種(柳枝稷、細(xì)葉芒等)的研究還較少；2)植物籬和過濾帶攔截的氮、磷在籬帶內(nèi)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程尚不清楚；3)對農(nóng)田污染物如重金屬、農(nóng)藥方面的研究較少。因此，筆者建議今后加強(qiáng)如下研究：1)更廣泛地篩選植物籬和過濾帶適宜品種，提高技術(shù)應(yīng)用時植物種類的可選擇性和豐富性；2)建議通過元素示蹤等手段進(jìn)一步開展籬帶對耕地水土流失及面源污染防治機(jī)理研究，揭示氮、磷在坡面的遷移、分布規(guī)律，以及在籬帶內(nèi)土壤-植物-微生物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程；3)開展草籬對農(nóng)田污染物攔截研究。