劉緒軍，任憲平，楊亞娟，王亞娟，延秀杰

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.克山縣水務局，黑龍江 克山 161600)

植物籬技術是指在坡耕地從坡上到坡下每間隔一定距離，沿等高線方向密集一道植物籬笆墻，在籬笆墻之間的耕地種植農作物，并周期性刈割籬笆植物，以避免籬笆對農作物遮光的一種農林復合經營模式[1]。研究成果表明，植物籬模式不但能夠改善土壤結構、保持水土、提高地力、促進增產，還能有效地減輕農藥、肥料與畜禽糞尿、養(yǎng)殖廢水等造成的農業(yè)面源污染[2]。植物籬還具有占地少、操作簡便等特點，因此，該技術已得到了國內外廣泛關注和推廣，并在我國西南地區(qū)和黃土高原地區(qū)成功進行了大面積的推廣應用，取得了良好的效果。但是，從國內研究應用方面來看，還存在著應用區(qū)域不夠廣泛、不均衡的問題，目前我國植物籬研究應用主要分布在南方地區(qū)，北方地區(qū)開展的較少，濕潤半濕潤地區(qū)研究的多，干旱半干旱地區(qū)研究的少[3]，而地處高緯度的東北地區(qū)該方面研究應用更少。另外，從研究內容方面來講，如何確定合適的植物籬間距，才能達到既保持水土，又能夠起到增產、方便農耕作用方面的研究，以及不同植物籬的栽植密度、帶距與帶間距等結構方面的研究仍然存在不足[4-5]。因此，通過黑土區(qū)植物籬空間結構配置的探討分析，以便合理設計帶間距和布置帶內結構，促進植物籬效益有效發(fā)揮，以期為我國植物籬技術研究，以及在東北黑土區(qū)推廣應用植物籬模式提供參考。

1 試驗區(qū)概況

本試驗區(qū)位于黑龍江省克山縣西大溝小流域上游一條支溝系的坡面，是黑龍江省水利科學研究院試驗場，總面積0.46 km2，距克山縣城4.0 km，地理坐標：北緯48°03′20″，東經125°49′20″。試驗區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量510 mm，降水主要集中在6—8月，多年平均氣溫 1.1 ℃，年均≥10 ℃積溫2380 ℃，無霜期124 d，多年平均日照時數2677 h，年均8級以上大風天數約22 d，年均風速3.1 m/s。試驗區(qū)地貌類型為波狀起伏臺地，地面坡度2°～7°，主要土壤為黑土，表土層厚度30 cm左右，屬于典型黑土區(qū)。

試驗地塊坡向為西南，坡度3°～6°，植物籬品種為黑豆果、刺五加和桑樹3種，籬帶間為橫坡壟作，種植農作物為大豆，對照為順坡壟種植大豆。植物籬間距設置分別為30.6 m和9.0 m，分別布設在地塊的上下兩部分，籬帶植物行距25 cm，株距分別為黑豆果15 cm、短梗刺五加15 cm、桑樹5 cm，籬色修剪高度80 cm。

2 植物籬帶內結構

植物籬的空間結構包括帶間結構和帶內結構，帶間結構是指帶間距及其間作型式，帶內結構是指結構型式及栽植密度等。植物籬的間距和密度與其水土保持效果、產出生物量、占地多少、梯地寬度以及是否方便耕作等密切相關[6]，因此，植物籬的結構是影響該技術功能發(fā)揮的關鍵。

2.1 帶內結構型式

根據有關文獻[7]，植物籬帶內主要結構型式分為單排式、雙排式及多排式三種。最簡單的結構是單排式，它是由單行籬笆植物構成籬帶，只種植一種籬笆植物或者在籬笆植物中間種其他經濟植物。最復雜的結構為多排式，它是由多行籬笆植物構成，其型式為在兩行植物之間留有一定空隙，空隙內種植另一種植物或者填充石塊、植物枝葉等。雙排式結構介于單排式與多排式結構型式之間，它是由兩排籬笆植物構成，采用同一個籬笆植物品種種植，或者采用一行籬笆植物加一行經濟植物的型式，兩行籬笆植物呈品字形栽植。單排式籬帶結構，占地面積小，栽植管理節(jié)省工時，投入少，但是單排籬帶的強度和密實度等方面遠不如多排式結構，其阻水擋土效果較差，而且籬帶植物經濟效益很難提高。多排式籬帶結構，籬帶植物密度大、強度高，這樣的籬帶水土保持效果較好，籬帶產品的產量較高，但是占地面積大，投入高，對農業(yè)生產影響也比較大，不易推行。雙排結構的植物籬是由兩排植物構成，兩行植物的植株品字形栽植，以充分利用空間并增加籬笆密度提高保持水土效果，其占地寬度較多排植物小，而滯流減沙效果介于單排與多排之間，易于群眾接受。

植物籬帶內結構的確定，既要考慮籬笆帶擋土擋水效果，又要考慮投入、管理、占地及群眾容易接受程度等方面的情況。由于單行植物根莖基部密度小、強度低，單行結構的植物籬往往達不到理想的防治土壤侵蝕效果。相關試驗表明，雙行結構植物籬減輕土壤侵蝕效果，以及降低地表徑流效果，均優(yōu)于相應的單行結構植物籬[8-9]；同種植物的多行結構植物籬模式減流減沙效益顯著高于單行結構模式，而雙行結構與多行結構植物籬在蓄水保土效果方面的差異不大，雙行結構的植物籬可以達到較好的保持水土效果[10]。從這些研究成果可以得出，雙行結構植物籬可以達到良好的水土保持效果。在東北黑土區(qū)，植物籬主要應用于坡耕地水土流失治理，治理技術應服從、服務于農業(yè)生產，要充分考慮盡量少占用耕地，確保糧食生產用地，降低投入以及對農作物影響等方面，在能保證基本效益的基礎上，優(yōu)化植物籬的結構型式。綜合上所述，東北黑土區(qū)植物籬帶內結構宜選用雙排式，即采用兩行籬笆植物，品字形栽植的結構型式。

2.2 帶內栽植密度

有關研究認為，植物籬帶內栽植密度，要根據其根莖萌發(fā)能力，基部分枝數量、根莖成籬速度設計，如果其萌發(fā)力強、成籬墻速度快，株行距就可以寬些，否則就應加大植物栽植密度[11]。上述觀點，是單純從植物籬減流減沙、保持水土等方面的需要考慮的，但忽略了植物措施的性質，沒有充分考慮不同植物的生物學特性，有的植物不利于密植，植物株距過小，不利于植株正常生長發(fā)育，過密種植也有可能導致部分籬笆植物死亡。因此，在確定植物籬帶內栽植密度時，要把這兩方面內容兼顧考慮。

根據以上情況，黑土區(qū)植物籬的株距研究，要在運用公式進行計算的基礎上，進行生長發(fā)育試驗，充分考慮相關因素后，以此確定幾種植物籬的栽植密度。依據施迅的研究成果，以近地枝條密度法作為計算株距的依據[12]：近地面枝條密度=基部萌枝數/基部直徑，基徑長度內所需植株數=籬帶需近地面枝條密度/單株平均近地面枝條密度，通過基徑長度內需要株數可以換算出株距?；h帶所需近地面枝條密度隨植物種類的不同會有所變化，主要決定于萌枝條的基徑，與基徑成反比關系。根據上述方法，通過對試驗植物的生長調查，經計算分析得出，不同植物的平均基部直徑、平均基部萌枝數、萌枝的平均直徑等數據，進而計算出不同植物近地面枝條密度；考慮到阻水阻沙需要加大枝條強度和密實度，設計計算出需要的近地枝密度，進而計算單位長度株數和株距。通過上述方法計算得出，桑樹株距5.89 cm、短梗刺五加株距17.82 cm、黑豆果株距15.69 cm(見表1)。

表1 植物籬株距設定計算表

近地枝條密度計算，為確定植物籬的株距提供了理論參考和指導，這種方法是從阻滯徑流、攔截泥沙角度考慮的，為驗證不同株距對植物生長發(fā)育的影響，需進行不同密度的種植試驗。研究選取了黑豆果、短梗刺五加和桑樹三種植物，參照有關綠籬的栽植技術，將行距設定為25 cm，將株距分別設置為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm共4個處理，栽植后連續(xù)2 a對植物的株高和地徑進行測定。試驗結果發(fā)現(xiàn)，植物籬在不同株距情況下，生長存在一定的差異，黑豆果在株距5 cm和10 cm之間、在株距15 cm和20 cm之間的生長差異不大，但是株距10 cm以下的與15 cm以上的黑豆果生長差異較大，并且第二年生長差異要大于第一年，這說明10 cm以下的株距，對黑豆果生長發(fā)育有較大不利影響，因此，黑豆果的株距設置應大于10 cm。

短梗刺五加在不同株距下的生長情況對比，與黑豆果的生長情況相似，10 cm以下的株距也對短梗刺五加生長產生了較大不利影響，說明短梗刺五加的株距也應大于10 cm。

桑樹在株距5 cm的情況下，第1年對生長發(fā)育產生了很大的影響，但第2年對株高生長影響不大，而對地徑生長有一定影響，說明這幾組株距對桑樹正常生長發(fā)育沒有特別不利的影響(表2)。通過生長發(fā)育試驗，結合理論計算的結果，可以得出黑土區(qū)不同植物籬適宜的栽植密度，即：黑豆果和短梗刺五加株距為15 cm，桑樹株距為5 cm，行距均為25 cm。

表2 不同間距植物生長測定統(tǒng)計表

3 植物籬帶間結構

3.1 帶間結構型式

植物籬帶間結構是指籬帶與籬帶之間的間作配置結構型式。由于不同地區(qū)耕地的土地利用方式、土壤侵蝕程度以及當地社會經濟發(fā)展方向的不同，不同地區(qū)植物籬的帶間種植結構模式也多種多樣。四川省主要有固氮植物籬+牧草(果園/桑園)、經濟(牧草、固氮)植物籬+農作物等結構模式，重慶有植物籬+農作物/(果園、牧草)等模式，湖北有植物籬+農作物/果園等結構型式，貴州有植物籬+農作物、復合植物籬(牧草+果樹植物籬)+農作物等模式，河北省有固氮(復合)植物籬+農作物的模式[13]，植物籬模式多種多樣。黑土區(qū)特別是黑龍江省具有坡緩坡長的特點[14]，是我國糧食主產區(qū)，坡耕地主要以種植農作物為主，因此，黑土區(qū)植物籬應采取植物籬+農作物的結構型式，籬帶之間采用等高壟作的方式，并按橫坡壟作規(guī)范要求，沿等高方向設3‰～5‰的比降，以利于坡耕地排水。

3.2 植物籬帶間距

植物籬帶間距的確定，是要結合地面坡度大小、土壤性質、抗蝕能力以及地區(qū)的降雨情況進行綜合分析，一般來說，坡度大、土層薄、水土流失嚴重地區(qū)，植物籬的帶間距應該設置小一些，反之則間距設置可大一些。目前，植物籬帶間距的設置方法主要有兩種：一種是主要考慮帶間在天然降雨條件下不會產生可以攜帶<0.02 mm土壤顆粒的片流侵蝕，以控制在坡面不發(fā)生細溝侵蝕的臨界坡長作為確定間距的依據[15]；另一種是不允許有基巖出露的最大寬度法計算帶間距，公式形式

L=4H/sin2α

(1)

式中：L為帶間距，m;H為坡面土壤厚度，m;α為坡度，(°)[12]。

第一種方法，需要參數較多且不易取得，計算方法較為復雜，不易掌握；第二種方法比較適用于侵蝕量較大且成土母質風化較慢的地區(qū)。由此可見，這兩種方法對于東北黑土區(qū)來說，都不十分理想。

坡耕地的水土流失是由土壤狀況、氣候條件、耕作及經營管理措施和坡度、坡向等因素決定的，土壤侵蝕量可以通過通用水土流失方程式求得，黑土區(qū)相關研究成果可以提供。植物籬種植后，籬帶發(fā)揮了阻滯地表徑流、攔截泥沙的作用，相當于將坡長截短，因此，我們可以根據水土流失方程式A=RKLSCP，以帶間坡耕地土壤侵蝕量A作為控制指標，反推植物籬帶間的坡長L，以此可以作為確定帶間距的理論指導依據。根據有關研究成果[16]，經公式轉化，帶間距計算公式為：

L={A/(RKCP×0.0719×θ1.3)}1/0.18

(2)

式中：A為土壤侵蝕量,t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子，J/m2;K為土壤可蝕性因子;C為植被與經營管理因子;P為水土保持措施因子;L為坡長因子，m;θ為地面坡度,(°)。

試驗區(qū)各因子值為：A因子在考慮黑土區(qū)土壤允許侵蝕量基礎上，同時也要考慮發(fā)揮植物籬的阻流減沙作用，經過綜合分析A值確定為3 t/(hm2·a)；查黑龍江省降雨侵蝕R等值線圖，試驗區(qū)所在地R值為125 J/m2；試驗地為黑土，K值取0.26；試驗種植作物為大豆，C值取0.2626；帶間為等高壟作，P值取0.352。根據上述方法，試驗區(qū)上部θ=4.7100時，L=30.72 m，壟寬為0.6 m，帶間設51條壟，該部位的帶間距應為30.6 m；試驗區(qū)下部θ=5.6200時，則L=8.58 m，帶間設15條壟，該部位的帶間距應為9.0 m。

4 不同植物籬減流減沙效果

通過降雨產流產沙試驗(4次)，黑土區(qū)植物籬模式地表徑流量減少了77.13%，土壤侵蝕量減少了90.88%，可以看出植物籬的水土保持效果顯著。從不同間距植物籬模式看，30.6 m間距徑流量減少了74.86%，土壤侵蝕量減少了89.26%；9.0 m間距徑流量較減少了79.4%，土壤侵蝕量減少了92.49%，9.0 m間距減水減沙效果優(yōu)于30.6 m間距。從不同品種植物籬模式看，黑豆果減少徑流量78.28%～84.45%，減少土壤侵蝕量91.58%～95.05%；短梗刺五加減少徑流量75.33%～81.32%，減少土壤侵蝕量89.8%～93.17%；桑樹減少徑流量70.95%～72.43%，減少土壤侵蝕量86.41%～89.25%(見表3)；蓄水保土效果：黑豆果>短梗刺五加>桑樹，這也說明了植物籬阻流減沙能力與基部分枝等生物學特性密切相關。通過試驗可以得出，黑土區(qū)不同帶間距與帶內結構的植物籬，其減流減沙效果雖略有差異，但均較對照有大幅度提高，均具有良好的水土保持效果，說明采用本研究方法確定黑土區(qū)植物籬空間結構是可行的。

表3 不同間距植物生長測定統(tǒng)計表

5 結 論

(1)黑土區(qū)植物籬宜選用雙排式、品字形配置結構。植物籬株距以近地枝條密度法計算作參考，并通過栽植試驗驗證來確定，行距依據綠籬栽植技術確定。試驗確定了黑土區(qū)3種植物籬的栽植密度，株距為黑豆果和短梗刺五加15 cm、桑樹 5 cm，行距25 cm。

(2)黑土區(qū)植物籬應采用植物籬+農作物模式，籬帶之間為等高壟作，壟底比降3‰～5‰。應以通用水土流失方程式的轉化形式，作為計算黑土區(qū)植物籬帶間距的依據，即：L={A/(RKCP×0.0719×θ1.3)}1/0.18，按此方法，試驗地塊設為30.6 m和9.0 m兩個帶間距。

(3)黑土區(qū)幾種植物籬模式保持水土效果略有差異但不顯著，9.0 m間距的植物籬模式效果優(yōu)于30.6 m間距，不同品種植物籬的效果：黑豆果>短梗刺五加>桑樹?？傮w來看，黑土區(qū)幾種模式的植物籬，均具有良好的水土保持效果，可以依據此研究方法進行黑土區(qū)植物籬的空間結構設計。

(4)本項研究的植物籬模式主要基于漫川漫崗黑土區(qū)，生產方向主要以農業(yè)為主，對于山區(qū)和非農業(yè)區(qū)的模式還需進一步探討。