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Ecological benefits  of the hedgerows: A review.

植物篱的生态效益研究进展


植物篱/植被隔离带指沿坡地等高线,或在农田、河岸、沟道等水体边缘营建的,由草本或木本植物单一或组合形成的植物条带.植物篱可以改善土壤结构,对土壤质地、孔隙度、容重等物理性质有显著影响,其机械阻挡作用可以拦截径流、增加入渗、减少土壤流失、影响侵蚀过程,还能减缓坡度、促进坡耕地梯化.本文通过梳理和总结国内外学者在不同生态系统类型区和自然地理单元上开展的相关研究,综述了植物篱对改良土壤理化属性、调节降雨入渗和水蚀过程、植被恢复、生物多样性保护、优化景观及生态服务等多个方面的影响.同时,提出了当前植物篱研究中的两大主要问题:在工程技术与应用上,需要对植物篱种植模式、结构选择、管理办法系统化;在科学研究层面上,要深入探究影响植被恢复与生态演替的机理.

The hedgerows, also called vegetative barriers, are defined as strips of grass, trees or shrubs or combinations of herbaceous and woody plants established along the contour lines of slopes, the edge of fields, streams, ditches or other water bodies, which can play outstanding roles in soil structure improvement, such as soil texture, porosity, bulk density, and some other physical pro-perties. Its mechanical resistance can delay and intercept runoff effectively, facilitate rainwater infiltration, and reduce the denudation power of runoff on surface land. Moreover, the hedgerows can change sloping topography through constant sediment accumulation at the upper sides of the strips. The international and domestic researches across different ecological zones and geographical regions were summarized and analyzed in this paper. On the basis of such analysis, the hedgerows were confirmed to play a positive role in soil physical and chemical properties, rainfall infiltration, erosion processes, vegetation restoration, biodiversity conservation, landscape optimization and other important ecosystem services. Meanwhile, two problems in the current research of hedgerows were put forward: the planting pattern and structure of hedgerows, species selection, and management practices should be systematized for application, while the mechanisms of hedgerows on vegetation restoration and ecological succession should be further explored in scientific research.


全 文 :植物篱的生态效益研究进展
陈  蝶1,2  卫  伟1∗
( 1中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 2中国科学院大学资源与环境学院, 北京
100049)
摘  要  植物篱 /植被隔离带指沿坡地等高线,或在农田、河岸、沟道等水体边缘营建的,由草
本或木本植物单一或组合形成的植物条带.植物篱可以改善土壤结构,对土壤质地、孔隙度、
容重等物理性质有显著影响,其机械阻挡作用可以拦截径流、增加入渗、减少土壤流失、影响
侵蚀过程,还能减缓坡度、促进坡耕地梯化.本文通过梳理和总结国内外学者在不同生态系统
类型区和自然地理单元上开展的相关研究,综述了植物篱对改良土壤理化属性、调节降雨入
渗和水蚀过程、植被恢复、生物多样性保护、优化景观及生态服务等多个方面的影响.同时,提
出了当前植物篱研究中的两大主要问题:在工程技术与应用上,需要对植物篱种植模式、结构
选择、管理办法系统化;在科学研究层面上,要深入探究影响植被恢复与生态演替的机理.
关键词  植物篱; 生态效益; 径流; 土壤侵蚀; 面源污染
Ecological benefits of the hedgerows: A review. CHEN Die1,2, WEI Wei1∗ ( 1State Key Labora⁃
tory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco⁃environmental Sciences, Chinese Acade⁃
my of Sciences, Beijing 100085, China; 2School of Resources and Environment, University of Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100049, China) .
Abstract: The hedgerows, also called vegetative barriers, are defined as strips of grass, trees or
shrubs or combinations of herbaceous and woody plants established along the contour lines of slopes,
the edge of fields, streams, ditches or other water bodies, which can play outstanding roles in soil
structure improvement, such as soil texture, porosity, bulk density, and some other physical pro⁃
perties. Its mechanical resistance can delay and intercept runoff effectively, facilitate rainwater infil⁃
tration, and reduce the denudation power of runoff on surface land. Moreover, the hedgerows can
change sloping topography through constant sediment accumulation at the upper sides of the strips.
The international and domestic researches across different ecological zones and geographical regions
were summarized and analyzed in this paper. On the basis of such analysis, the hedgerows were
confirmed to play a positive role in soil physical and chemical properties, rainfall infiltration, ero⁃
sion processes, vegetation restoration, biodiversity conservation, landscape optimization and other
important ecosystem services. Meanwhile, two problems in the current research of hedgerows were
put forward: the planting pattern and structure of hedgerows, species selection, and management
practices should be systematized for application, while the mechanisms of hedgerows on vegetation
restoration and ecological succession should be further explored in scientific research.
Key words: hedgerow; ecological benefit; runoff; soil erosion; non⁃point source pollution.
本文由国家自然科学基金项目(41371123, 41390462)和城市与区域
生态国家重点实验室创新项目( SKLURE2013⁃1⁃02)资助 This work
was supported by the National Natural Science Foundation of China
(41371123, 41390462) and the Innovation Project of the State Key La⁃
boratory of Urban and Regional Ecology of China (SKLURE2013⁃1⁃02) .
2015⁃04⁃09 Received, 2015⁃11⁃02 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: weiwei@ rcees.ac.cn
    当前,全球气候变化的影响日趋加剧,资源短
缺、温室效应、人口压力等问题已经严重阻碍了区域
的健康发展[1] .我国可资利用的有效土地资源严重
不足,山地、丘陵面积占全国土地总面积的 2 / 3 以
上,并且由于一些不合理的土地利用方式,土壤退化
严重.据统计,我国因水土流失、盐渍化、肥力衰退、
污染以及酸化等造成的土地退化总面积达 4.6×108
hm2,占全国土地总面积的 40%,占全球土地退化总
面积的 1 / 4[2] .如何通过合理设置生态用地,有效提
高生态系统服务功能和保障生态安全,国内外学者
应 用 生 态 学 报  2016年 2月  第 27卷  第 2期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2016, 27(2): 652-662                    DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201602.004
进行了大量研究.
植物篱水保技术是在坡地上沿等高线或地埂,
按一定间距成行种植草本或木本植物,以减少水土
流失、保护坡地,该技术的应用有效抑制了土壤侵
蚀、提高了作物产量[3-9] .此外,植物篱还具有一系列
生态、社会和经济效益,在缓解农业面源污染[10-12],
减轻风蚀[13],降低洪水水位、调节微气候、过滤空气
污染物和异味[12,14]、公路边坡防护[15]、减弱噪
声[16]、生境改良和生物多样性保护[17]等方面均有
重要作用.尽管国际上关于植物篱生态效益的研究
已经取得一定进展,但对植物篱的空间结构、配置模
式及其生态效益相关的深层次机理依然不明确,更
难以研判其长期效果和后续效应.鉴于此,本文综述
了当前植物篱在生态效益方面的研究进展和存在的
不足,以期能引起更多学者对植物篱建设及其综合
效应的持续关注和思考,为脆弱生态区植被恢复、生
态系统管理、促进生境改良和提高生态系统服务功
能等提供科学依据.
1  植物篱及其发展历史
植物篱概念是在 20 世纪 70 年代末,由尼日利
亚国际热带农业研究所 ( International Institute of
Tropical Agriculture,IITA)研究人员提出,被应用于
平原地区的带状耕作系统中,通常指在坡面上沿等
高线或直接在地埂上按一定间距成行种植的,由草、
灌、乔植物单一或组合形成的拦护带,利用其根系固
土保水、隔离污染物、提高土壤质量、增加土壤含水
量、促进生态系统恢复[5-6] .目前,一些研究中出现的
植被隔离带( vegetative barrier strips) [18-20]、活篱笆
(living hedge) [21-22]、缓冲带(buffer strips) [23]、植被
过滤带(vegetative filter strips, VFS) [11,24-26]等术语,
其意义和本质是相似的.
鉴于植物篱具有重要的科学意义和实践价值,
国内外学者围绕水土保持、面源污染、养分循环等多
个方面开展了植物篱生态效益研究(表 1,表 2).溯
源其发展历史,发现植物篱技术最早出现于 20世纪
30年代的印度尼西亚,当地农民通过在林下种植豆
科固氮植物,以减少橡胶林的土壤侵蚀、改善土壤肥
力[27] .菲律宾在 1980 年实施的坡地农耕技术( slo⁃
ping agriculture land technology,SALT),将农业耕作
与环境保护相结合,在山区水土保持方面的效果良
好[28] .20世纪 80年代中期,等高灌木篱作为一项水
土保持措施,在中国无定河流域进行大面积推广,并
取得了一定的生态和经济效益[29] . 1991 年,唐亚
等[30-31]在国际山地中心的支持下,在金沙江干热河
谷坡地上开展了植物篱技术的研究与示范,并根据
山区实际情况进行了完善,认为该技术在山区水土
保持和土壤培肥、荒山荒坡的治理、饲料、薪炭林的
发展以及在恢复山区退化生态系统方面都具有广阔
前景.1993 年,申元村[32]在三峡库区开展了植物篱
防治水土流失的试验研究,通过对新银合欢( Leu⁃
caena leucocephala)、黄荆(Vitex negundo)、马桑(Co⁃
riaria nepalensis)、木槿 (Hibiscus syriacus)、黄花菜
(Hemerocallis citrina)等不同植物篱品种的研究,发
现植物篱在拦截径流、挡土减蚀、减缓坡度、缩短坡
长、增加土壤有机质、提高植被覆盖度及水分利用
率、碳固定(carbon sequestration)及提高作物产量等
方面均有重要价值.目前植物篱技术已在美国、德
国、印度、菲律宾、肯尼亚、泰国等很多国家和地区得
到推广(表 2),在我国主要应用于金沙江干旱河谷
区、三峡库区以及黄土高原地区(表 1).总体而言,
在亚热带湿润半湿润区的相关研究较多,温带干旱
半干旱区较少(图 1).
2  植物篱的构建要素
植物篱的构建要素包括其物种组成、空间结构
(带间距、篱带宽度、带内植株间的距离等)以及植
物篱与其他水土保持措施的搭配使用方式等.植物
篱的有效性随其构建要素的变化而明显不同,设计
中需考虑诸多影响因子,主要包括气候特征、地形地
貌、土壤属性、径流来源、区域大小、降水量及其集中
程度以及人为干扰和管理措施等.
2􀆰 1  植物篱物种组成及配置
植物篱的种类根据不同的植物品种及效益可划
分为固氮型植物篱、牧草型植物篱、水土保持型植物
篱、经济型植物篱等.一般而言,所选择的植物种类
应具备以下特征:种植密集、萌发力强、生长快、耐修
剪、能固氮,并且具有一定的经济价值.在黄土高原
地区,以沙柳( Salix psammophila)、沙棘(Hippophae
rhamnoides)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、黄荆、柠条
(Caragana korshinskii)等植物构成的“等高灌木带”
是该区植物篱的主要形式[33] .当前国内外已选用许
多不同的植物篱品种.李秀彬等[21]认为,植物的生
物学特性、环境适应能力和植物的功用是植物篱品
种选择时需要重点考虑的 3 个方面.张斌[34]则利用
参数投影模型评价样本的优劣来选择合适的植物
种.植物篱品种的选择不仅要考虑其生态和经济效
益,还应以本土物种为主,以利于保护生物多样性和
3562期                                  陈  蝶等: 植物篱的生态效益研究进展           
表 1  中国相关地区的植物篱生态效益研究
Table 1  Research on the ecological benefits of the hedgerows in the main areas of China
研究区
Study area
植被种类
Plant species
结论
Conclusion 来源 Source
江苏扬州
Yangzhou, Jiangsu
白花三叶草、高羊茅 Trifolium repens, Fes⁃
tuca arundinacea
去除污染物,与径流水相比对渗流水中污染物的去除效果
较好
[10]
陕西华县
Huaxian, Shaanxi
沙棘 Hippophae rhamnoides 对地表径流中的颗粒态氮、颗粒态磷、总氮、总磷和化学需
氧量浓度削减率分别为 82.0%、77.1%、46.1%、73. 3%和
60.5%以上,负荷削减率分别达到 90.0%、87.3%、69.9%、
85.1%和 78.0%以上,对污染物的削减主要发生在过滤带
的前 10 m
[25]
湖北秭归
Zigui, Hubei
新银合欢、黄荆、马桑、木槿、黄花菜、香根
草 Leucaena leucocephala, Vitex negundo,
Coriaria nepalensis, Hibiscus syriacus,
Hemerocallis citrine, Vetiveria zizanioides
坡度从 30°降至 21° ~24°,坡长缩短,土壤有机质增加,脐橙
产量提高 20%;土壤非毛管孔隙度、饱和导水率、饱和含水
量和自然含水量比石坎梯田高,容重和田间持水量比石坎
梯田低;降水量与径流量、土壤流失量显著相关,植物篱减
少土壤流失、增加作物产量,与施肥结合能提高生态效益
[32,51,63]
河北张家口
Zhangjiakou, Hebei
柠条、紫穗槐、杏树、海棠、黄花菜 Caraga⁃
na korshinskii, Amorpha fruticosa, Prunus
armeniaca, Malus spectabilis, Hemerocallis
citrine
保护梯田埂免受冲刷,改善土壤的理化性状,提高土壤含
水量,拦蓄径流及泥沙
[33]
贵州
Guizhou
香根草、紫穗槐、砂仁、黄花菜、紫花苜蓿
Vetiveria zizanioides, Amorpha fruticosa,
Amomum villosum, Hemerocallis citrine,
Medicago sativa
植物篱品种的选择应以本土物种为主,以利于水土保持和
生物多样性;增加作物产量,提高经济效益;植物篱还能促
进畜牧业的发展,且有逐步形成梯地的作用
[47-48]
浙江兰溪
Lanxi, Zhejiang
黄花菜+大豆,百喜草+大豆 Hemerocallis
citrine+Glycine max, Paspalum natatu+ Gly⁃
cine max
径流量减少 4.7%,侵蚀量减少 37.8%,减沙效应比减水效
应更明显
[50]
江西余江
Yujiang, Jiangxi
香根草 Vetiveria zizanioides 产流量减少 21%,产沙量减少 82%,地下部分增加 15%的
入渗量,地上部分减少 75%的侵蚀量
[62]
重庆
Chongqing
皇竹草、大豆、玉米、紫花苜蓿、黄花菜
Pennisetum sinese, Glycine max, Zea mays,
Medicago sativa, Hemerocallis citrine
篱带土壤养分状况好于篱间;随着土层加深,土壤有机质、
全氮含量递减,而全磷、全钾则以中层土壤含量最高;紫花
苜蓿篱总氮流失减少 80.9%,总磷流失减少 91.2%;黄花菜
篱总氮流失减少 85.0%,总磷流失减少 92.5%,植物篱减少
径流和泥沙是营养流失减少的主要原因
[66,69]
四川遂宁
Suining, Sichuan
香根草、银合欢
Vetiveria zizanioides, Leucaena esculenta
植物篱减少细小颗粒的流失量、提高土壤分形特征、降低
可蚀性,香根草比新银合欢控制土壤侵蚀的效果更好
[68]
四川资阳
Ziyang, Sichuan
香根草、紫穗槐
Vetiveria zizanioides, Amorpha fruticosa
土壤黏粒在篱带上部富集,而篱下侵蚀加剧;土壤有机质、
N、P 等主要营养元素出现与土壤黏粒相同的分布规律,K
表现出均一分布的特点;养分的数量上,P 高度富集,有机
质和 K高度耗竭
[72]
四川宁南
Ningnan, Sichuan
山毛豆、新银合欢 Tephrosia candida, Leu⁃
caena leucocephala
提高作物产量,新银合欢植物篱通过刈割枝叶每年提供的
主要养分为氮素 258 kg·hm-2,磷素 18 kg·hm-2,钾素
180 kg·hm-2以上,山毛豆植物篱提供的养分略低
[74]
图 1  世界范围内植物篱主要研究区的分布
Fig.1  Distribution of the key sites in which the hedgerows have been studied.
456                                       应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 2  其他国家和地区的植物篱生态效益研究
Table 2  Research on the ecological benefits of the hedgerows in other countries and regions
研究区
Study area
植被种类
Plant species
结论
Conclusion
来源
Source
菲律宾棉兰老岛 Minda⁃
nao, Philippines
石梓、 玉米 Gmelina chinensis, Zea
mays
带间距较宽时,玉米产量和石梓凋落物的养分含量更高,有更
高的能量利用率;带间距较小时,有更大的穿透降雨和树干径
流量,54%的降雨量以穿透降雨的形式进入植物篱系统,1%以
树干茎流的形式进入;穿透降雨中 NH4 +和 NO3 -含量更高,而
树干茎流中 K+含量更高
[7]
尼泊尔哥达瓦里
Godavari, Nepal
尼泊尔桤木、尼泊尔木蓝 Alnus ne⁃
palensis, Indigofera hebepetala
径流量减少 28%~56%,玉米产量增加 72% ~87%,土壤流失量
减少,养分含量增加
[8]
日本东京
Tokyo, Japan
葎草、早熟禾 Humulus japonicus, Poa
annua
7.2 m宽、22.1 m长的草篱能减少 93.1%的径流量,减少 99.6%
的土壤流失量,减少 80% 的 N素损失
[9]
意大利波河平原
Po Valley, Italy
高羊茅、雪球荚蒾、法国梧桐 Festuca
arundinacea, Viburnum plicatum, Pla⁃
tanus orientalis
减少 90%~98%的除草剂(异丙甲草胺和特丁津)进入水体 [11]
德国柏林
Berlin, Germany
刺槐、杨树 Robinia pseudoacacia, Pop⁃
ulus tremula
24 m作物带的中央,年平均风速减小 50%以上 [13]
德国不莱梅
Bremen, Germany
夏栎、鹅耳枥、欧洲榛子、花楸、西洋
接骨木 Quercus robur, Carpinus turcza⁃
ninowii, Corylus avellana, Sorbus po⁃
huashanensis, Sambucus nigra
改善濒危植物的生境条件,保护生物多样性 [17]
印度奥里萨邦
Orissa, India
甜根子草、香根草、柠檬草、粽叶芦
Saccharum spontaneum, Vetiveria zi⁃
zanioides, Cymbopogon citrates, Thys⁃
anolaena maxima
减少径流和土壤、养分的流失,增加土壤肥力,提高土壤持水能
力和作物产量;种植 5年后,布设甜根子草篱的小区有机碳、有
效磷和有效钾含量最高
[18-19]
布基纳法索
Burkina Faso
非洲兰茎草、毛利枣、剑麻 Andro⁃
pogon gayanus, Zizyphus jujube, Eleo⁃
charis yokoscensis
整个耕作期间侵蚀量减少 70% ~ 90%,天然植被和非洲兰茎草
构成的植物篱效果较好;土壤流失与降雨量、降雨强度的相关
性最大
[20]
美国密苏里州
Missouri, US
牛毛草、柳枝稷、苜蓿 Eleocharis yoko⁃
scensis, Panicum virgatum, Medicago
sativa
过滤带前 4 m能使径流量减少 18%,泥沙减少 92%,养分流失
减少 71%
[26]
菲律宾棉兰老岛
Mindanao, Philippines
南洋樱、两耳草、象草 Gli⁃ricidia sepi⁃
um, Paspalum conjugatum, Pennisetum
purpureum
南洋樱不能显著提高土壤肥力,而象草会消耗土壤肥力 [35]
肯尼亚
Kenya
银合欢、象草 Leucaena esculenta, Pen⁃
nisetum purpureum
丰水期结束时,银合欢植物篱土壤含水量增加 43%,象草篱土
壤含水量增加 60%;在采取免耕措施的条件下,象草篱使玉米
产量减少 26%
[37]
泰国西北部
NW⁃Thailand
乳汁草、银合欢 Brachiaria ruziziensis,
Leucaena. esculenta
植物篱与农作物竞争水分和氮素,通过施肥可以缓解植物篱与
玉米对氮素的竞争
[39]
肯尼亚马查科斯
Machakos, Kenya
铁刀木 Cassia siamea 旱季土壤平均入渗率提高 30%,雨季提高 94% [56]
泰国佛统府
Nakhon Pathom, Thailand
香根草 Vetiveria zizanioides 径流量减少 31%~69%,土壤流失量减少 62%~86% [60]
海地 Haiti 银合欢 Leucaena. esculenta 修剪后作为绿肥,提高土壤有机碳、氮和潜在可矿化性碳、氮 [67]
印度科拉普特
Koraput, India
南洋樱、木兰、甜根子草、龙爪稷 Glir⁃
icidia sepium, Magnolia, Saccharum
spontaneum, Eleusine coracana
南洋樱与甜根子草构建的植物篱效益最好,径流量减少 33%,
土壤流失量减少 35%,通过径流损失的有机碳减少 50
kg·hm-2·a-1;龙爪稷的产量增加 49%
[71]
美国布鲁克斯韦尔
Brooksville, US
柳枝稷 Panicum virgatum 柳枝稷过滤带能吸附径流中的伏草隆,有机质含量与土壤剖面
的深度正相关,过滤带中有机质的积累实质是对除草剂(伏草
隆)吸附量的增加
[76]
区域生态系统的稳定.
植物篱的生长需要一定的水肥条件,若品种选
择不当会导致与农作物产生竞争抑制.Agus 等[35]、
Dercon 等[36] 和 Guto 等[37] 研究发现:球茎虉草
(Phalaris tuberosa)、两耳草(Paspalum conjugatum)、
象草(Pennisetum purpureum)会与农作物竞争养分而
影响农作物产量.Guo 等[38]通过在大豆田种植紫穗
槐植物篱和香根草植物篱发现,与植物篱间作的大
豆地上部分生物量和对氮素的吸收量均降低,且紫
穗槐植物篱的影响更强.Pansak 等[39]在泰国西北部
利用13 C 同位素示踪技术,发现乳汁草(Brachiaria
ruziziensis)和银合欢植物篱与农作物竞争土壤水和
5562期                                  陈  蝶等: 植物篱的生态效益研究进展           
养分.Akyeampong等[40]比较了田菁(Sesbania canna⁃
bina)、朱缨花(Calliandra haematocephala)、银合欢、
决明子(Catsia tora)等植物篱品种对土壤肥力的影
响,认为朱缨花控制杂草的效果最好,且能使玉米产
量提高 29%~63%.何聪等[10]认为,将豆科的白花三
叶草(Trifolium repens)与禾本科牧草高羊茅(Festuca
arundinacea)混播可充分发挥其品种间的优势,有效
增加根系生物量,积累有机质,增强土壤的渗透性,
且当白花三叶草与高羊茅混播比例为 1 ∶ 3时,植物
篱去除径流中氮、磷的效果最佳.
2􀆰 2  植物篱的空间结构
植物篱的空间结构是决定其生态效益能否充分
发挥的关键因素,合理布设的植物篱能有效渗透径
流、拦蓄泥沙、提高土壤质量,而株距、行距、带间距
则是确定植物篱空间结构的主要参数.
株距过大,植物近地面枝条过于稀疏,不能有效
发挥其生态效益;而株距过小则不利于植株本身的
正常生长,而且会造成土壤水分和肥力的过度消
耗[20] .植物篱基部快速密闭发挥拦截径流和泥沙的
能力而又不产生竞争抑制是植物篱株距选择的原则
之一[21] .同时,行距设计要与株距相结合,行间植株
错开呈“品”字形的锯齿状分布具有较好的拦水挡
沙效果[21,41] .三峡库区植物篱株距的设计以近地面
枝条密度为依据,其计算公式为:N=Pn / Pm,式中,N
为单位距离内所需植株数,Pn为植物篱近地表枝条
密度,Pm为单株植物平均近地表枝条密度,近地面
枝条密度是基部萌枝数与植株基部直径的比值[22] .
受植物根茎强度和基部密闭度的限制,单行植
物篱有时不能达到防治土壤流失的理想效果,往往
需要采取每带双行甚至多行的设计.张沛等[42]通过
对麦冬(Ophiopogon japonicus)、黄花菜在单行、双行
两种种植模式下的减蚀效应进行研究,证实双行种
植下植物篱对土壤流失量和地表径流量的控制效
果,均显著优于相应的单行种植处理.
带间距很大程度上决定了坡面利用空间结构和
土地利用效率,以坡耕地为例,植物篱带间距的选择
要考虑坡耕地的坡度、田面宽度、土层厚度、覆盖物
产量、人工投入等多方面因素.迄今,对于带间距的
确定有不少研究.如施迅[22]在仅考虑坡度和土层厚
度的情况下,得出了确定带间距的理论公式:L =
4H / sin2α,式中:L 为带间距;H 为坡地土层平均厚
度;α为坡度.公式的理论前提是植物篱可拦截全部
带间泥沙进而形成水平梯田,该公式在成土速度较
慢、土层较薄的地区有一定意义.Young[43]将坡度作
为确定带间距的唯一条件,提出植物篱带间最大坡
面距离的经验公式 L= 100 / α.许峰等[41]从防止细沟
侵蚀、植物篱与带间作物的竞争、坡地的土地利用率
等方面,探讨了三峡紫色土区等高植物篱的带间距
确定技术,并推导了适用于当地的估算公式.蔡强国
等[44]通过对不同坡长径流小区的试验比较得出:为
减少水土流失,张家口地区的植物篱种植间距应小
于 10 m,而三峡库区植物篱的带间距布设则应小于
5 m.Chen 等[45]认为,当坡度为 10°时,植物篱间距
以不超过 6 m为宜.总之,为有效发挥植物篱的水土
保持作用,带间距应控制在发生细沟侵蚀的临界坡
长以内.
由于各地的气候、环境、地形及社会经济状况等
的差异,植物篱的种植模式应根据当地条件合理选
择.陈一兵等[46]提出了适用于四川丘陵区的经济植
物篱农作模式:陡坡(20° ~ 25°)为香根草+紫穗槐,
中坡(15° ~ 20°)为香根草、梨树+黄花菜,缓坡为香
椿+黄花菜、枇杷+黄花菜.三峡库区则有香根草+农
作物、马桑+农作物、黄荆+农作物、新银合欢+桃等
模式[32] .贵州常见的有茶叶+杨梅、桃树+金荞麦、桃
+紫花苜蓿、梨树+紫花苜蓿、梨树+皇竹草、梨树+黄
花菜[47-48] .焦菊英[49]在黄土高原地区,采取沟沿线
的上部种植草灌植物篱,并结合水平沟、水平阶、反
坡梯田等工程整地措施,使流域的土壤侵蚀量减少
54.5%~77.0%.此外,对坡耕地植物篱模式要科学规
划其空间结构,强化管理(如整地、栽种、修剪),控
制其生长高度,对植物篱进行周期性刈割,防止其与
周围农作物产生竞争抑制.
3  植物篱的生态效益
3􀆰 1  改善土壤物理性状
土壤物理性状是评价土壤质量的重要因素之
一.植物篱通过其根系的穿插和分泌作用提高土壤
非毛管孔隙度、饱和导水率、团聚体稳定度和通气状
况,减小容重,增强入渗能力等[50-51] . Agus 等[35]发
现,植物篱所处的坡面位置显著影响容重、保水性、
水势等土壤物理性质.黎建强等[52-54]研究发现,乔、
灌、草植物篱均能有效提高篱带内土壤孔隙度、含水
量、饱和导水率、抗蚀性和抗冲性等物理性质,且土
壤有机质、黏粒含量均与这些性质呈极显著正相关
关系.孙辉等[55]对植物篱系统土壤水分动态的研究
结果证明,植物篱区别于农作物土壤水分的利用深
度,在旱季主要利用土层 50 cm 以下的深层土壤水
分,在雨季促进水分向深层土壤渗透,不仅能减少雨
656                                       应  用  生  态  学  报                                      27卷
季坡面径流量,而且有利于改善旱季土壤水分状况.
Kiepe[56]在坡耕地上种植铁刀木(Cassia siamea)植
物篱 4年后发现,旱季有植物篱的土壤入渗率增加
30% ,雨季时比无植物篱的土壤多入渗 94%的水分.
3􀆰 2  拦截径流和控制水土流失
水土流失是导致环境恶化、土地退化、点源和非
点源污染以及碳释放等的重要原因,它主要受植被
覆盖、降水、地形、气候、土质、坡度等因素的影
响[57-58] .坡面径流的形成是造成水土流失的重要因
素,植物篱可以改变径流,减少侵蚀.研究发现,土壤
前期含水量与产流时间存在显著的负相关关系,而
在前期含水量相近时,产流时间则主要受植被形态
学特征及其微观格局的影响[59] .Donjadee 等[60]利用
香根草植物篱结合模拟降雨分析证明,坡地土壤流
失量随坡度、径流量、降雨量和带间距的增加而增
加.蔡强国等[61]分析了植物篱控制水土流失的机
制,认为其主要通过根部阻挡水流速度,增加径流的
入渗时间,降低水流挟沙能力,减少细沟形成,从而
减少土壤侵蚀.袁久芹等[62]探讨了香根草植物篱不
同部位的减流和减沙作用,发现减流效应主要依靠
地下根系对土壤结构的改善,与裸地相比,地下根系
增加了 16%的入渗量,地上部分增加了 5%的入渗,
减沙效应则主要依靠地上庞大的生物量削弱雨滴动
能,减轻对土壤颗粒的破坏,香根草植物篱的地上部
分可减少 75%的侵蚀量.Ng 等[63]认为,植物篱与合
理施肥相结合后,减少水土流失的效益更显著.何丙
辉等[64]基于种植有香根草和新银合欢的植物篱试
验小区的土壤侵蚀状况,利用 Markov模型和元胞自
动机相结合的方法分别模拟不同小区的水土流失情
况,结果表明植物篱显著减少坡面土壤流失量,并且
香根草的水土保持效益更好.Lacoste 等[65]利用137Cs
示踪技术和 LandSoil 模型估算了 1960—2010 年间
植物篱系统下坡面土壤的再分布.综合当前研究表
明,植物篱能减少径流、降低土壤侵蚀的机制主要是
植物根系改变了局部径流和土壤颗粒性质,削减径
流流速进而降低其携沙能力;其本身的机械拦截作
用可截留降雨、拦截泥沙、削减雨滴能量.
3􀆰 3  改善土壤养分状况
适宜的植物篱可以改善土壤肥力,促进土壤养
分良性循环.土壤侵蚀过程也是土壤养分加速流失
的过程,植物篱通过拦截径流中的土壤颗粒,减少细
小颗粒的流失量,从而减少土壤养分损失[66-68] .
Wang等[69]在三峡地区的研究发现,植物篱通过减
少径流和泥沙沉积进而减少养分的流失,紫花苜蓿
和黄花菜植物篱减少的氮素流失量分别为 80.9%和
85.0%,减少的磷素流失量分别为 91.2%和 92.5%.
卜崇峰等[70]认为,氮素主要通过径流损失而流失,
碳、磷、钾主要随着土壤侵蚀而流失. Lenka 等[71]在
印度科拉普特县的研究发现,南洋樱与甜根子草构
成的植物篱能够使随径流而损失的有机碳减少 50
kg·hm-2·a-1 .同时,植物篱可以通过生物作用富集
营养元素,其根系吸收深层土壤养分,待季节变化凋
落物或刈割枝叶返还表土,在土壤微生物的分解作
用下,将深层土壤养分转移至表土,提高养分利用
率[67] .Lin等[72]发现,从土壤绝对量来看,磷高度富
积,有机质和钾则高度耗竭,且篱带上部肥力升高,
而篱带下部肥力下降.孙辉等[73-74]通过对植物篱系
统内养分含量及枝叶中矿质元素的研究,发现植物
篱刈割茎叶后氮、钾可满足农作物的需求,而磷素需
要施肥补充.出现这种差异的原因可能与植物篱品
种和土壤质地等有关,植物篱能改善土壤肥力,但不
同植物篱品种和种植条件对土壤养分状况的影响还
有待进一步研究.
3􀆰 4  降低污染物含量
无论点源污染还是非点源污染,其主要特征均
是产生携带着吸附或含有污染物的地表径流.非点
源污染是养分在时空过程上的“盈”、“亏”不平衡造
成的,控制污染的有效途径之一是在养分传输过程
中,通过合理设置“源”、“汇”景观的空间格局,促进
地表径流中养分在异质景观中的重新分配[75] .植物
篱阻隔污染物的基本机理包括滞留径流中的沉积物
和其携带的污染物、植物吸收养分、土壤中有机或无
机成分对污染物的吸附以及土壤微生物对污染物质
的降解、转化和固定[76] .影响净化效果的因素包括
水文特征、径流中污染物的含量和特性、植物篱的生
物学特征(类型、年龄、长势等)和土壤理化性质(氧
化还原电位、有机质含量、土壤质地等)等[24,77-78] .李
怀恩等[25]认为,过滤带削减地表径流中的 N、P 含
量主要发生在前 10 m.肖波等[24]利用狼尾草(Penn⁃
isetum clandestinum)和野古草(Arundinella anomala)
混合条播,发现篱带对阿特拉津的拦截率高达 95%.
黄沈发等[23]研究发现,百慕大(Cynodon dactylon)、
白花三叶草和高羊茅 3种草皮缓冲带对径流中的悬
浮颗粒物的去除率分别为 84%、81%和 73%,对渗流
水中 TN、TP 净化效果也很明显.对于草本植物篱而
言,其面积大小和植被粗糙度是影响其降低污染物
功能的最重要因子.然而,由于草本植物的生物量
小、根系浅,可能会使过滤到的污染物重新释放,或
7562期                                  陈  蝶等: 植物篱的生态效益研究进展           
图 2  植物篱的生态效益示意图
Fig.2  Sketch of ecological benefits of the hedgerows.
被转化为更易移动的形式,从而影响其长期效益.
3􀆰 5  逐步减缓坡度并缩短坡长
植物篱能改变坡面的水文连通性,拦截径流的
同时使泥沙在植物篱带淤积,有梯化形成生物梯地
的效果,节省梯田建设的投资.陈一兵等[79]认为,由
于耕作或土壤自然位移、耕作侵蚀,泥沙在植物篱带
前形成淤积层,从而使梯台地形成加速,进而减缓坡
度、缩短坡长、增加土层厚度、改良土壤系统结构等.
陈晶晶[80]研究表明,不同坡位植物篱前淤积带大小
表现为底行>中行>顶行,且植物篱带前的泥沙淤积
现象在 15°坡耕地比 10°地坡耕地更显著.申元村[81]
在三峡库区秭归县的试验发现,种植 7 年的植物篱
坡耕地坡度逐渐从陡坡向缓坡发展,其中种植 7 年
黄荆篱的坡耕地坡度由 34°减缓至 17°,种植新银合
欢篱的坡耕地坡度由 29°减缓至 16°,香根草篱坡耕
地从 32°减缓至 15. 5°,木槿篱坡耕地从 33°减至
18􀆰 5°,效果都极明显.彭熙等[82]在贵州毕节市的研
究也发现,植物篱有梯化坡地效果,其微地貌变化大
小依次为:黄荆植物篱>新银合欢植物>马桑植物篱.
3􀆰 6  影响土壤生物学特性
植物篱能较好地改善土壤微生态环境,直接影
响着土壤的供肥状况.Unger 等[83]利用脱氢酶、荧光
素二乙酸脂(FDA)水解酶和磷脂脂肪酸(PLFA)生
物标记法分析比较了土壤微生物的功能和群落结
构,发现植物篱处理能提高土壤细菌和真菌的生物
量,草本植物篱处理下的土壤则表现出最强的脱氢
酶活性和 FDA水解酶活性.王玉川等[84]在四川资阳
市的研究发现,香根草和紫穗槐植物篱均能显著增
加土壤细菌、放线菌、真菌数量、土壤微生物生物量
碳、氮,提高土壤中脲酶活性和碱性磷酸酶活性,同
时还提高了土壤氨化作用强度,降低了土壤硝化和
亚硝化作用强度.林超文[85]认为,植物篱处理丰富
了农田微生物遗传多样性,豆科饲草植物篱能为地
面蜘蛛提供良好的避难场所,从而提高了农田蜘蛛
的多样性.吴玉红等[86]研究发现,地埂植物篱的存
在提高了土壤动物的个体密度、类群数和多样性指
数,增加了农田景观的异质性,有利于土壤动物多样
性的保护.土壤生物学特性的变化,既反映了植物篱
对土壤肥力、物质循环及能量转化的作用,也揭示了
土壤各因素对土壤生物特别是微生物的生态分布、
生化特性及对其功能的影响.
4  总结和建议
植物篱的主要作用包括:地上密集部分对水土
流失的机械阻挡,地下发达根系对土壤物理性质的
改善;缓解农业面源污染,减缓坡度,形成生物梯田;
每年几次修剪的大量枝叶作为绿肥施于作物种植
带,增加土壤养分含量,或铺盖于耕作带减少地表水
分蒸发,改善土壤的耕作性能;根系的固氮作用也可
增加土壤含氮量,提高作物产量,增加经济效益;改
善田间小气候;同时具有美化环境和为野生动物提
供栖息地等多种生态效益(图 2).
植物篱成本低且易于实施,关于植物篱的研究,
主要以其生态、经济、社会等效益为主, 而对植物篱
的结构、配置模式及其生态效益的相关机理研究相
对较少.由于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时
间的监测,建议加强长期系统的监测和科研设计,实
现对植物篱长期有效的科学管理.其次,影响植物篱
生态效益的微观机理仍然不明,目前的研究很少涉
及到植物篱与土壤微生物之间的关系,而微生物作
为土壤养分和有机质周转的动力,是土壤中最活跃
的因子,今后应加强这方面的研究工作,以助于揭示
某种种植模式下退化生态系统恢复的机制与过程.
最后,还需要探索植物篱与农作物间的竞争与互补
关系,优化植物篱结构与配置模式,实现生态位合理
分离,维持和提高农作物产量.
856                                       应  用  生  态  学  报                                      27卷
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作者简介  陈  蝶,女,1990 年生,硕士研究生.主要从事生
态水文与水土保持研究.E⁃mail: diechen_st@ rcees.ac.cn
责任编辑  杨  弘
陈蝶,卫伟. 植物篱的生态效益研究进展. 应用生态学报, 2016, 27(2): 652-662
Chen D, Wei W. Ecological benefits of the hedgerows: A review. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(2): 652-662 ( in
Chinese)
266                                       应  用  生  态  学  报                                      27卷