植物篱系统对三峡库区水土与养分流失的协同控制作用

Synergic Control of Water， Soil and Nutrients Loss by Hedgerow Systems in the Three Gorges Reservoir Area

摘要

植物篱具有减少径流和土壤流失的潜力。为探究植物篱对坡耕地的水土固持、养分拦截和土壤质量保护的综合影响，以中国科学院三峡工程生态环境秭归实验站为研究对象，在脐橙园径流场和坡耕地径流场共设置10个实验处理。对比分析了在不同种植模式下的产流产沙量和泥沙中养分流失量，并运用土壤质量综合指数法评价了不同实验处理之间土壤质量的差异。结果表明：1） 植物篱能有效减少脐橙园和坡耕地的地表径流量和产沙量，其中黄花菜植物篱能降低脐橙园径流场44.4%年均径流量和74.6%年均产沙量，紫花苜蓿植物篱能降低坡耕地径流场50.8%总径流量，香椿植物篱能降低坡耕地径流场32.7%总产沙量；2） 植物篱对土壤养分具有明显的拦截作用，脐橙园秸秆覆盖与套种黄花菜植物篱均能起到较强的拦截作用，坡耕地只有小麦-花生套种紫花苜蓿植物篱能起到拦截作用；3） 脐橙园各处理组土壤质量综合指数普遍高于对照组，坡耕地各处理组土壤质量出现一定退化。综合以上结论，建议三峡库区推广应用脐橙间作黄花菜植物篱和坡耕地间作紫花苜蓿植物篱的种植模式。

Abstract

Hedgerow systems have the potential to reduce runoff and soil loss. In order to explore the comprehensive effects of hedgerows on soil and water retention, nutrient interception and soil quality of slope farmland, this study took the Zigui Experimental Station of the Three Gorges Project ecological environment of Chinese Academy of Sciences as the research object, and set up a total of 10 experimental treatments in the runoff fields of navel orange orchard and slope farmland. The sediment yield as well as nitrogen and phosphorus loss under different planting patterns were compared and analyzed, and the soil quality differences among various experimental treatments were evaluated by using a comprehensive index of soil quality. The findings were as follows: 1) Hedges could effectively reduce the surface runoff and sediment yield of navel orange orchard and slope farmland, in which the average annual runoff in navel orange orchard could be reduced by 44.4%, with an average annual sediment yield reduction of 74.6%. In alfalfa fields the total runoff could be reduced by 50.8%, and the total sediment yield of Chinese toon (Toona sinensis) could be reduced by 32.7%. 2) Hedgerows demonstrated a significant interception effect on soil nutrients. Straw mulching and interplanting daylily hedgerows in navel orange orchard also exhibited a fairly strong interception effect, while in slope farmland only wheat-peanut interplanting alfalfa hedgerows could demonstrate a strong interception effect. 3) The comprehensive index of soil quality in all treatment groups of navel orange orchards was generally higher than that in the control group. However, the soil quality in all treatment groups of slope farmland was degraded to a certain extent. Based on the aforementioned findings, it was suggested to popularize the planting model of navel orange intercropping daylily hedgerow and alfalfa intercropping hedgerows in slope farmland in the Three Gorges Reservoir area.

Graphical abstract

关键词

三峡库区 / 植物篱 / 水土流失 / 土壤质量

Key words

the Three Gorges Reservoir Area / hedgerows / water and soil erosion / soil quality

0　 引 言

三峡库区水系发达，兼顾我国最大的水力发电系统——三峡大坝，是我国淡水资源战略储备库。三峡工程带来的影响涉及区域土地利用格局、居民生产生活方式及陆地地表生态过程等，这些影响也正作用于库区水土流失和农业面源污染^[1]。三峡地区河套层级复杂，水土流失问题严重，平均侵蚀模数3 000 t/(ha²·a)，其中坡耕地作为库区泥沙的主要来源，侵蚀模数高达7 500 t/(ha²·a)，年侵蚀量9 450万t，占库区年侵蚀量的60%^[2]。水土流失携带大量泥沙进入下游水体，造成严重的泥沙淤积，不仅严重威胁三峡工程和库区其他水利工程的使用寿命，也影响灌溉、发电效益，甚至造成土壤质量下降、面源污染等。三峡大坝蓄水后，库区的农业结构逐步调整，果园（柑橘，脐橙和柚子）逐渐成为三峡库区的主要经济来源之一，但由于管理粗糙，也存在水土流失、养分流失、面源污染、土地退化等生态问题。国内外学者在增加地面覆盖度、减少降水对土壤的侵蚀、降低径流系数，尤其是坡耕地防治方向，提出以下措施：1） 调整土地利用的布局；2） 设置不同类型的植物篱^[3]；3） 推进坡改梯工程，减缓坡面坡度，减少径流^[4，5]；4） 实施农林间作，改善生态环境，提高产量和产值。其中，植物篱技术因具有拦截径流、流沙^[6]，改善土壤物理性状^[7]，改变微地形等作用^[8]，在三峡地区得到了广泛推广。有研究表明，植物篱地上和地下部分对减流的贡献率分别为62.25%和37.75%，对减沙的贡献率分别为60.44%和39.54%^[9]。同时，植物篱还能增加土壤中的可溶性有机质（SOM）、总氮（TN）、总钾（TK）以及黏粒的含量，提高土壤抗侵蚀的能力^[10，11]。植物篱一般选用易于种植、适应性强的作物，可以根据不同的土壤状况调整栽种的密度和物种，机动性较强、操作难度较小，且能够产生一定的经济效益^[12]。三峡地区山坡陡峭，土层薄，成土母质主要为紫色岩类和石灰石，生态环境脆弱，养分易流失^[13]。因此，将植物篱技术协同控制水土流失和养分的流失结合讨论具有重要意义。

本文以三峡库区最典型的两大耕种模式（坡耕地和脐橙园）为研究对象，探究不同植物篱系统在协同控制水土流失和养分流失中的作用，希望为强化和完善三峡库区水土流失防治提供参考。

1　 实验部分

1.1　研究区域的概况

中国科学院三峡工程生态环境秭归实验站地处湖北省宜昌市秭归县上坝村（31°3.53′N，110°40.55′E），地理位置如图1所示。秭归县地处三峡库首，位于西陵峡两岸，地势从西南向东北逐渐降低，境内山岗、丘陵交错起伏，多为坡地梯田、河谷阶地，地面切割较深，平地较少。全县土地面积为2 274 km²，其中耕地约300 km^2[14]。研究区域海拔224 m，属亚热带大陆季风型气候，夏季炎热多雨，冬季温暖少雨。根据记录^[15]，该区域年平均气温16.7 ℃，实验站区域内雨量段分布不均，垂直分布明显。秭归实验站及周边以山地为主，成土母质以紫色岩类和石灰岩为主。土壤类型以红砂骨土、红大土、白沙土、紫色土为主，其中紫色土约占耕地面积的78.7%。耕地以坡地为主，土壤侵蚀严重，年平均土壤流失量约3 100 t/(ha²·a)。耕种类型以海拔高度区分，600 m以下的低河谷地带主要种植脐橙，600~1 000 m的半高地带主要种植大豆、玉米、芝麻和红薯等，1 000 m以上的高山地带主要以林业和大规模茶园为主。

1.2　实验设计

在秭归实验站内设有6个脐橙园径流场和4个坡耕地径流场。6个脐橙园径流场小区包括脐橙园套种白三叶草（F1）、脐橙园地面覆盖农作物秸秆（F2）、脐橙园套种黄花菜植物篱（F3）、沿等高线埋设防渗膜（F4）、裸地脐橙栽种（F5，对照）以及脐橙园套种小麦花生（F6），每个小区面积为5 m×9.06 m=45.30 m²，坡度为25°；4个坡耕地径流场小区，包括黑麦草-芝麻轮作模式（G1）、小麦-花生套种紫花苜蓿植物篱模式（G2）、小麦-花生套种香椿植物篱模式（G3）以及传统小麦-花生耕种模式（G4，对照），每个小区面积为4.92 m×8.46 m=41.62 m²，坡度为27°。用水泥预制板将各小区隔开，在每个径流小区下端设置长、宽、深均为1 m的水泥集水池，池内放有径流桶，用于收集地表径流。

监测并记录每次降雨时各径流场的降雨产流、径流泥沙产量以及降雨过后集水池的水深。在自然降雨时记录各小区的地表径流量，将取得的水样混合均匀后检测泥沙含量，并对过滤后的泥沙样进行养分分析。各径流小区统一施肥，脐橙园和坡耕地各小区氮肥施用量分别为437.09、216.24 kg/hm²，磷肥（P₂O₅）施用量分别为178.81、141.76 kg/hm²，钾肥（K₂O）施用量分别为178.81、151.37 kg/hm²。

1.3　实验方法

本实验于2019年1月开始采样，记录每天的温度，通过WatchDog2000自动气象观测站记录降雨，监测每次降雨的降雨量、持续时间最长的10、20、30 min雨强。对地表径流的检测则包括了地表径流量、径流中的泥沙含量，同时采集径流样品，分析地表径流泥沙的理化指标。每次降雨结束后，雨水通过管道进入集水池，用标尺在水池不同位置测量三次水深，取平均值。在每次降雨产流后，将集水池或径流桶中收集到的水分搅拌均匀取2 000 mL分别装入两个1 000 mL的广口瓶中，静置沉淀后用中速定量滤纸过滤，泥沙样品用于测定有机质（OM）、总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）、水解氮（HN）、速效磷（RAP）、速效钾（RAK）。在每个径流场小区采用s型采样法选取5个点的表层土壤（0~20 cm）混合均匀，风干后研磨过70目筛用于自身理化性质的检测，检测项目包括：土壤pH、容重、粒径组成（3级）、OM、TN、TP、TK、RAP、RAK。

径流中的泥沙风干过后，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定泥沙中OM含量；采用半微量开氏法测定泥沙的总氮含量；总磷由硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定；总钾由火焰光度法测定；硝态氮和氨态氮均由氯化钾浸提，分别用紫外分光光度法和靛酚蓝比色法进行测定；速效磷由碳酸氢钠浸提并用钼酸铵分光光度法测定；速效钾由铵醇法测定，降雨量与时段雨量、雨强采用SJ-1虹吸式雨量自计人工判读法。土壤中pH用测定电极在土壤/蒸馏水为1∶2.5的悬浮液中测定；土壤的容重采用环刀法测定；粒度分布由激光衍射测定；土壤其他指标同泥沙中的测定相似。

1.4　土壤质量评估

本实验根据当地实际情况考虑，采用国际通用的土壤质量综合指数法^[16]对各径流场土壤质量进行评价，其基本步骤包括：1） 建立评价指标的体系，确定评价标准；2） 测定评价指标的性质（物理、化学、生物，本次实验主要为理化指标），针对各项指标建立相应的评分函数；3） 利用经验模型（主成分分析，层次分析、因子分析、多元回归分析）确定各项评价指标和土壤功能的权重；4） 将各项指标与权重系数相乘后相加，总和即为土壤质量的等级，数值越大，表明土壤质量越好^[17,18]。土壤指标标准化一般通过三类标准评分方程进行：SSF1，越多越好型；SSF2，最适范围型；SSF3，越少越好型。根据已有的研究成果和长期生产经验的实践总结，土壤OM、RAK、RAP、HN、TN、TP、TK等都可以采用SSF1来计算隶属度值；pH、黏粒含量、容重等因素可以采用SSF2来计算其隶属度值；还有一些与作物的产量呈负相关的则采用SSF3计算其隶属度值^[19]。

在本实验中，我们采用主成分分析法（PCA）分别确定脐橙园和径流场土壤质量的评价指标的权重，选取特征值大于等于1的PC和每个PC中公因子方差最高的指标，组成新的矩阵（最小数据集），并重新计算权重系数。土壤质量评价指标的临界值分别为OM 15 g/kg、TN 1.5 g/kg、TP 1 g/kg、TK 25 g/kg、HN 70 mg/kg、RAP 10 mg/kg、RAK 250 mg/kg。

土壤养分评价模^[20]型如下:

N_i =（1）

土壤pH评价模型^[21]如下：

N_i =（2）

土壤容重评价模型^[22]如下：

N_i =（3）

上述各式中，N_i 为某养分隶属函数；x为某养分实际含量；x₀为某养分上临界值。

1.5　计算公式

降雨径流量计算公式如下：

v_i=\frac{s\times d_i}{S}\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}（4）

式中：v_i （mm）为降雨产生的径流量；s（m²）为每个水泥井的面积；d_i （m）为降雨径流之后的井深；S（m²）为径流场的小区面积。

产沙量计算如下：

E_i=\frac{{\rho }_i\times s\times d_i}{S}\times {\mathrm{10}}^{}（5）

式中：E_i （kg/ha）为每个径流事件产生的泥沙量；ρ_i （kg/m³）为每次径流事件收集到的每单位体积水中的沉积物质量。

泥沙氮（磷）流失量的计算如下：

N_{\mathrm{s}}=c_{\mathrm{s}}\times E_i\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}（6）

式中：N_s（kg/ha）为每个径流事件中泥沙造成的氮（磷）的损失量；c_s（g/kg）为沉积物中总氮（磷）含量。

土壤综合质量指数的计算如下：

Q={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i\times N_i（7）

式中：Q为土壤综合质量指数；W_i 为主成分评价指标i的方差贡献率（权重）。

1.6　数据分析

以上所有的数据都是由Excel进行汇总，所有的数据分析和绘图都是由R语言4.2.1版本所完成，数据清洗运行包主要为“vegan”和“reshape2”，画图运行的包主要为 “ggplot2”，SEM主要由“piecewiseSEM”包完成，PCA分析由“FactoMineR”包完成，显著性差异分析采用方差分析和事后LSD检验，主要运行的包为“agriolae”，P<0.05。

2　 结果和讨论

2.1　径流与产沙量

2019年在研究区域内降雨总量为698.7 mm，5—10月降雨合计472.4 mm，占全年降雨量的67.6%，降雨量最多的是6月，其次是8月和10月。全年共发生116次降雨，产生地表径流的降雨有9次，分别为5月2次，6月2次，8月3次和10月2次。每个降雨事件产生的平均径流量和产沙量如图2所示。由图2A可知，对照组（F5）与秸秆覆盖（F2）、黄花菜植物篱（F3）具有显著性差异，而与其他组别差异不显著。与F5相比，F2和F3的平均径流量分别降低了42%和44.4%，产沙量分别降低了75.3%和74.6%。由图2B可知，虽然实验组与对照组之间差异并不显著，但紫花苜蓿植物篱（G2）、香椿植物篱（G3）相较于小麦-花生（G4），平均径流量和产沙量都有一定程度降低，径流量分别降低了13.3%和32.6%，产沙量分别降低了50.9%和23.5%，黑麦草-芝麻（G1）则相对于G4，反而增加了20.4%的径流量和79.3%的产沙量，这一结果表明，黑麦草-芝麻套种的耕作模式可能加剧水土流失，不适合在三峡库区种植。

分别将脐橙园和坡耕地产生的9次径流量和产沙量相加，得到总径流量和总产沙量。由图3A可知，脐橙园径流场F5（裸地脐橙栽种）的径流量和产沙量均最大。埋设等高防渗膜（F4）也具有一定的水土保持能力，但是该组的产沙量相对较高，且防渗膜通常都由沥青或者塑料制成，长久使用对周围环境存在一定的污染隐患。套种白三叶草（F1）和套种小麦花生（F6）虽然能大幅降低地表径流量，但F6组相对于F1组泥沙拦截效果较差，这可能与种植的作物类型有关，白三叶草须根多、根系分布在土壤20 cm以内，而小麦-花生不但根系量大且深，一般分布在土壤30 cm左右。植被覆盖通过枝叶截流和改善土壤理化性质来延滞径流、削减径流的侵蚀动能，提高土壤的抗冲击性，发挥防止水土流失的作用^[23]。而F2组和F3组的总径流量和总产沙量均明显较低，表明覆盖农作物秸秆和套种黄花菜植物篱能够有效增加入渗，降低坡面径流量，同时大幅减少坡面产沙量。

由图3B可知，坡耕地径流场中，与对照组（G4）相比， 栽种有紫花苜蓿植物篱（G2）和香椿植物篱（G3）的径流量分别降低了50.8%和23.4%，产沙量分别降低了13.4%和32.7%；而栽种黑麦草-芝麻（G1）组则相反，径流量比起对照组（G4）反而增加79.4%，产沙量增加20.6%。上述结果表明，两种植物篱栽种模式都能够对坡耕地的水土保持起到一定作用。

综上所述，不论是在脐橙园还是在坡耕地，植物篱都能较好地改善区域内水土流失的现状。

2.2　径流场的肥力损失效应

为探究植物篱对土壤肥力损失的影响，进一步比较了脐橙园径流场和坡耕地径流场生产力的变化。对每次径流产生泥沙中的养分OM、TN、TP、TK、HN、RAP以及RAK的含量构建结构方程模型（SEM），以径流场土壤理化性质代表不同耕种模式、气温和降水量代表气候，结合径流量和产沙量，综合评价各因素对肥力损失的贡献。根据图4，产沙量与肥力损失均呈正相关，表明植物篱主要通过控制产沙量影响径流场的肥力流失；种植模式均与肥力损失呈负相关，表明不同耕种模式均对肥力损失有限制作用；径流量则与肥力损失无明显相关性。对比发现，气候对脐橙园和坡耕地种植模式和肥力损失的影响完全不同。相对于坡耕地栽种的植物，脐橙是小乔木植物，枝干更为茂密强壮，对降雨能起到更好的缓冲^[24]。综合两类径流场的SEM结果，耕种模式对肥力损失的影响最大^[25]。

进一步对各耕种模式下泥沙中理化指标含量进行聚类分析，结果如表1、2和图5所示。由图5可知在脐橙园和坡耕地泥沙中流失量最大的是OM，其次分别是TN和TK，前期施肥量、土壤自身的性质以及植物对肥料的需求均会影响土壤元素的流失，实验站所处区域为紫土，富含大量的钾元素，所以钾元素的流失量也相对较大^[13]。对比不同处理小区的保肥效果发现，与对照组相比，保肥效果最好的是覆盖农作物秸秆（F2）和套种黄花菜植物篱（F3），所有指标都相较于F5下降了50%~70%，秸秆覆盖通过吸收雨滴的动能起到缓冲作用，从而减少雨水对土壤表层的侵蚀，植物篱通过拦截地表径流减少了水土流失^[26,27]。套种白三叶草（F1）和套种小麦花生（F6）也能起到较好保肥作用，各指标降低了40%~50%，但埋设等高防渗膜（F4）不能起到保肥的作用。与秸秆覆盖和间作植相比，三叶草的地表覆盖度相对较低，其截留土壤流失效果不如植物篱，地表径流和泥沙的减少量也相对较少^[28]，此外，白三叶草还是一种固氮植物，长期种植能够增加表层土壤中AN的含量。当降雨导致地表径流时，白三叶草固定的氮素会随着土壤一起流失，因此F1的氮流失量相较于F2和F3的流失量更大^[29]。由表2可知，紫花苜蓿植物篱（G3）各指标相对于G1降低了50%~60%，最大程度地减少了肥力的流失。G2和G3在不同程度上加剧了径流场肥力的流失，说明并非所有耕种模式和植物篱都能起到保肥的作用。

根据树状聚类结果（图5）分析，F2和F3对于肥力流失的拦截能力相当。根据前文结果，F2和F3还对径流量和泥沙量有较强的拦截作用。同时考虑植物篱的经济效益，更推荐在脐橙园栽种黄花菜植物篱（F3）。结合图5B和表2结果，更推荐在坡耕地小麦-花生套作并栽种紫花苜蓿植物篱（G3）。

2.3　各径流场小区土壤质量的评估

检测各小区土壤理化性质，通过PCA分析，选出合适的代表性数据，并对各径流场小区土壤质量进行评估，结果如图6所示。最小数据集各指标的公因子方差和权重占比在表3中列出，最后根据（4）式得出各小区的土壤质量评分。脐橙径流场各组的质量评分分别为F1 0.57、F2 0.49、F3 0.37、F4 0.58、F5 0.35、F6 0.45；坡耕地径流场的土壤质量评分分别为G1 0.71、G2 0.63、G3 0.51、G4 0.71，可见脐橙与其他作物同时耕作能有效提高土壤质量，坡耕地间作香椿植物篱会加剧土壤质量的降低。综上所述，脐橙园最适合间作黄花菜植物篱和覆盖秸秆，而坡耕地最适合栽种紫花苜蓿植物篱。

3　 结 论

本文以三峡库区的两大典型耕种模式（脐橙园和坡耕地）为研究对象，探究不同植物篱系统在协同控制水土流失和养分流失中的作用。得到如下结论： 1） 植物篱能有效减少脐橙园和坡耕地的径流量和泥沙量，农作物秸秆覆盖和脐橙套作黄花菜植物篱在控制脐橙园径流场产流产沙均体现出优良的性能。小麦-花生套种紫花苜蓿植物篱控制坡耕地径流场产流效果最佳，小麦-花生套种香椿植物篱控制产沙效果最佳。2） 在肥力流失方面，脐橙套种黄花菜植物篱和覆盖秸秆均能对土壤营养流失起到较强的拦截作用。小麦-花生间作紫花苜蓿植物篱在坡耕地中能起到较强的拦截作用。3） 在土壤质量方面，脐橙园径流场土壤质量评分说明植物篱使脐橙园径流场土壤质量有所提升。坡耕地径流场土壤质量评分说明坡耕地径流场目前种植的作物会加重土壤质量的退化。建议尽快改变坡耕地径流场作物种植方式，种植在提升土壤质量上有正向效果的作物。

本研究可为植物篱技术治理三峡库区土壤侵蚀和农业面源污染提供理论支撑，同时为坡耕地氮磷流失的综合整治提供技术支持，对促进秭归县水土流失防治和农业可持续发展具有重要现实意义。

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基金资助

国家杰出青年科学基金(41825021)

三峡工程运行安全综合监测系统、库区维护和管理基金(2136703)