暗棕壤坡耕地水保耕作保水保土效益分析

許曉鴻， 任 麗， 崔 斌， 張 瑜， 王永豐， 隋媛媛， 崔海鋒

(1.吉林省水土保持科學研究院， 吉林 長春 130033; 2.吉林省墑情監測中心， 吉林 長春130033)

坡耕地土地利用率低，是水土流失的重要策源地。坡面泥沙大量流失，造成土層變薄、土地生產力低下，且坡地保水蓄水性差，極易造成干旱，致使土地荒蕪，不堪利用，而合理的土地利用方式可有效解決坡耕地難以利用這一問題。有研究表明，以少耕、免耕為代表的各種保護性耕作措施在增加土壤持水性能，改善土壤結構，提高抗蝕性和通透性等方面都具有明顯的效果[1-3]。國外也已經開展了大量的關于保護性耕作措施研究[4-6]。本文擬尋求適合東北黑土區坡耕地的有效土地利用方式，運用坡面徑流調控技術，從截短坡面徑流流線，增加坡面積水入滲著手，實現大水均勻流，小水地下走，以期為治理和改善坡耕地提供理論支撐和技術參照。

1 研究區概況

研究區為以吉林省水土保持科學研究院杏木試驗基地，該區位于吉林省遼源市東遼縣境內，地理坐標為東經125°22′40″—125°26′10″，北緯42°58′05″—43°01′40″，總面積25.00 hm2。土壤多為白漿土、草甸土、沼澤土和泥炭土。多年平均降水量658.1 mm，其中6—9月降水量占全年的67.9%。2012年6—9月降雨量456 mm，最大瞬時降雨強度118 mm/h，最大日降水量為1953年8月9日的140 mm。

1.1 試驗小區布設

研究區設置12個標準徑流小區(20 m×5 m)，小區長邊垂直等高線，坡向朝南，周邊用埋深30 cm的60 cm×60 cm防水擋板隔離，相鄰小區間隔1 m。土壤為暗棕壤，平均土層厚度25 cm，下層為砂壤土。小區下端布設距地面1.5 m高的出水口，出水口連接吉林省水土保持科學研究院自主研發的泥沙觀測儀器。5°和8°小區各6個，每種坡度布設3種措施，各重復1次。3種措施分別為：橫壟玉米(H)、橫壟玉米+秸稈還田(HO)、橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶(HOD)，地埂植物帶上種植多年生黃花菜，栽植密度為16 株/m2，地埂植物帶布設在小區最下處，與地壟平行。秸稈還田量按5 000 kg/hm2計算，每個小區還田量為50 kg。首先將秸稈截成3～5 cm的短節，于每年10月秋收之后均勻覆蓋在耕地表面，翌年春耕時，通過翻壓將秸稈埋入深10—15 cm的土層之中，地埂植物帶橫斷面尺寸如表1所示。

表1 地埂植物帶橫斷面尺寸

1.2 試驗方法

1.2.1 降雨特征的觀測 試驗小區布設一套引自美國的DL 16綜合氣象觀測站，經實地校訂，為本次試驗提供實時、精確、全面的降雨數據。

1.2.2 地表徑流量與產沙量的測定 每個試驗小區下部接水口均接有吉林省水土保持科學研究院自主研制的泥沙觀測儀，該儀器在降雨后可直接顯示每次降雨的徑流量和產沙量總和，泥沙重根據每次收集量不同采用不同方法，當泥沙量較少時，采用烘干法，先將儀器內渾水倒出，待水樣澄清后，倒掉上清液，重復2～3次保證沉淀完全，并將土樣放入鋁盤中烘干。計算公式如下：

WS=WT-WH

(1)

式中：WS——泥沙重(g)；WT——泥沙加鋁盒的總重(g)；WH——鋁盒的重量(g)。

當泥沙含量較多時，采用置換法，計算公式如下：

(2)

式中：Ws——渾水樣中的泥沙重量(g)；Wws——瓶加水重(g)；Ww——瓶加清渾水重(g)(同濕度下，與渾水樣相同體積的清水重)，泥沙所占體積(cm3)；γs——泥沙密度(g/cm3)；γw——清水密度(g/cm3)。

2 結果與分析

2.1 不同措施不同坡度小區產流量分析

從圖1中可以看出，對于本次試驗所選的4場降雨，各措施的產流量在不同降雨強度與降雨量條件下，均表現出一致的趨勢，即8°橫壟玉米(8H)>8°橫壟玉米+秸稈還田(8HO)>5°橫壟玉米(5H)>5°橫壟玉米產+秸稈還田(5HO)>8°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶(8HOD)>5°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶(5HOD)。通過計算，與8°橫壟玉米(8H)小區對比，8°橫壟玉米+秸稈還田(8HO)在4場降雨中的徑流量分別減少了13.2%，18.0%，32.1%和57.6%，而5°坡則分別減少了55.9%，32.5%，42.9%和88.2%。兩種坡度小區布設地埂植物帶的小區均不易發生產流。以上結果表明，耕地中秸稈還田(O)可以減少坡面徑流產生，而地埂植物帶(D)對坡面徑流的削減作用更為明顯，在I30=6 mm/30 min，降雨量為30 mm的條件下都未使8°坡耕地發生產流。同時，隨著坡度的減緩，秸稈還田(O)使坡耕地雨水入滲的效果更為明顯，5°小區與8°小區相比，各措施對產流量的減少幅度大大提高。

2.2 不同措施不同坡度小區產沙量分析

地表徑流是土壤流失的主要驅動力之一[7]。從圖2中可以看出，各小區產沙量的變化趨勢與徑流量的變化趨勢基本一致，總體表現出8°橫壟玉米(8H)>8°橫壟玉米+秸稈還田(8HO)>5°橫壟玉米(5H)>5°橫壟玉米產+秸稈還田(5HO)>8°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶(8HOD)>5°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶(5HOD)。7月4日各小區產沙量要明顯高于其他3場降雨的產沙量。分析主要原因是7月4日降雨強度大，且各小區內玉米處于拔節期，地表覆蓋度低，雨滴直接擊打地表造成較大程度的濺蝕，并隨著坡面被沖刷造成明顯的侵蝕。分析認為，6月22日小區內的植被覆蓋度應比7月4日要低，但降雨強度和徑流量均要小于7月4日，這直接造成對泥沙的起動和搬運作用大大降低，同時也是產沙量較少的主要原因。而8月22日與7月4日降雨強度雖有差別，但降雨量卻相差無己，產生的徑流量卻遠小于8月22日的徑流量，這說明產沙量與徑流量并不呈線性關系。

圖1 不同措施小區在4場降雨后的產流量對比

注：8H代表8°橫壟玉米； 8HO代表8°橫壟玉米+秸稈還田； 5H代表5°橫壟玉米； 5HO代表5°橫壟玉米產+秸稈還田； 8HOD代表8°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶； 5HOD代表5°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶。下同。

圖2 不同措施小區在4場降雨后的產沙量對比

2.3 坡耕地產流條件的判定分析

杏木小流域6—9月降雨32場，橫壟玉米作為當地的傳統耕作模式，與布設措施相比更易于產流，且8°更易于5°產流，共有11次發生產流；布設秸稈還田和地埂植物帶的小區最不易產流，8°和5°小區產流次數一致，共4次(表2)。從表2中可以看出，產流時的I30具有一定的界限。在11場降雨中，有10場降雨的I30>6 mm/30 min，最小降雨量僅為6 mm。也就是說，當I30>6 mm/30 min時，8°橫壟玉米(8H)產流的比例達到了91%。僅有一場I30>6 mm/30 min降雨未產流(6月5日)，這時的降雨量為15 mm，同時，I30<6 mm/30 min時的7月10日降雨發生了產流，此次降雨量為41 mm。根據以上數據可以推斷，I30是該地區傳統耕作方式(8°橫壟玉米)產流與否的重要判斷依據。而對于布設秸稈還田和地埂植物帶的8°和5°小區產流次數明顯減少。結合觀測發現，這兩種小區的產流主要是由于地埂植物帶下邊坡承雨匯流所造成的，特別是8月15日，雖然降雨量相對較少，但是瞬時降雨強度大，地埂植物帶下方坡面雨水來不及入滲，成為匯水的場所，發生產流，而8月28日降雨量很大，但是降雨強度相對較小，這使降水與入滲相對平衡，入滲受長降雨歷時的緩沖作用，入滲量不斷增加，產流量減少。由此說明，對于布設秸稈還田和地埂植物帶的8°和5°小區可以有效減少坡面徑流，產流受降雨強度影響更大。

3 結 論

(1)不同耕作措施的保水保土效果不同，徑流量表現為8°橫壟玉米(8H)>8°橫壟玉米+秸稈還田(8HO)>5°橫壟玉米(5HO)>5°橫壟玉米產+秸稈還田(5HO)>8°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶(8HOD)>5°橫壟玉米+秸稈還田+地埂植物帶(5HOD)。

(2)秸稈還田可有效增加坡面徑流入滲，且徑流的入滲效果隨坡度降低大幅度提高。

(3)吉林省東遼縣杏木小流域傳統耕作坡耕地的產流與I30密切相關，當I30>6 mm/30 min時，產流的概率達到了91%，滿足產流條件的最小降雨量僅為6 mm，而當I30<6 mm/30 min時，產流比例較低。I30是否大于6 mm/30 min是衡量該地區產流與否的重要判斷依據。對于布設秸稈還田和地埂植物帶的小區，降雨強度對產流起主導作用。

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