保護性耕作對水土保持的影響

白 鑫，廖勁楊，胡 紅，2，劉 祥，許乙山，鄢祺迅，黃 鑠

(1.西華大學機械工程學院，四川 成都610039； 2.西華大學現代農業裝備研究院，四川 成都610039)

0 引言

中國是世界上水土流失和土地退化最嚴重的國家之一，在中國東北、華北和西北部的15個省份，約有7 000萬hm2干旱和半干旱土地[1]。據水利部2005年統計，我國水土流失面積為356.92萬km2(約占國土總面積的37.2%)，主要分布在西北黃土高原、東北黑土區、北方沙土區和長江上游地區。山西省、陜西省和四川省是我國水土流失較嚴重的地區，這些地區的生態環境受到嚴重破壞，人民的日常生活受到威脅[2]。

保護性耕作起源于20世紀30年代，是美國在治理沙塵暴的耕作技術上提出的，定義為種植后30%的作物殘茬留在土壤表面的耕作種植制度[3]。與傳統耕作方式不同，保護性耕作采用大量秸稈殘茬覆蓋地表，減少耕作到能保證種子發芽即可，并用化學農藥控制病蟲害和雜草，主要包括4項技術：農作物秸稈覆蓋技術、機械深松技術、免耕播種技術和化學除草與病蟲害防治技術[4-5]。20世紀90年代，為解決我國北方地區嚴重干旱和水土流失問題，保護性耕作被引入中國。經過幾十年的治理，人們已經看到保護性耕作在水土保持和環境保護中的重要作用[6]。然而，是否采用保護性耕作技術一直是人們爭論的話題，許多人認為保護性耕作降低了作物產量，人多地少的國情不適宜發展保護性耕作。因此，國內學者進行了一系列長期試驗，重點研究了保護性耕作對水土保持、土地荒漠化防治效果、土壤理化特性和作物生長與產量等方面的影響，結果表明，保護性耕作不僅可以減少水土流失，提高土壤生產力，同時還能省工、省力并降低投入成本[7]。但是，目前的研究主要是集中分析某個保護性耕作試驗點對水土保持的影響，并沒有進行系統的梳理，缺乏全面性和綜合性。

因此，研究分析水土流失較嚴重的黃土高原、東北黑土區和北方沙土區保護性耕作對水土保持的影響，對于綜合分析保護性耕作對水土保持的效應具有重要意義。

1 材料和方法

以傳統耕作(CT)、免耕秸稈覆蓋(NTS)、深松(ST)等耕作措施進行試驗數據分析，選取西北黃土高原、東北黑土區及北方沙土區等典型水土流失嚴重區，通過計算平均值的方法來研究保護性耕作對土壤含水量、水分利用效率、水蝕量、風蝕速率和土壤肥力的影響。試驗中，CT是指采用常規播種機進行播種，收獲后秸稈運出田外，再用旋耕機進行整地，深度為10～15 cm；NTS是指收獲上一季作物后土地表面采用秸稈覆蓋(>30%)，再進行免耕或少耕，能保證種子萌發即可；ST是指采用常規播種機進行播種，收獲后留茬約45 cm，再進行深松，深度為35～50 cm。

文中數據主要通過萬方、中國知網、維普和Science Direct等中英文數據庫檢索得到，并采用Excel和WPS等軟件對數據進行處理。

2 結果與討論

2.1土壤含水量與水分利用效率

土壤含水量是指土壤水質量與干土質量的百分數，水分利用效率是指單位面積上收獲的干物質質量與該面積上蒸散量之比[8]。目前，國內學者主要通過土壤水分中子儀和取土烘干法等來測量土壤含水量和水分利用效率[9-10]。

試驗數據(表1)表明，在黃土高原地區，NTS和ST處理的土壤含水量分別比CT處理提高了13.6%和31.7%，NTS和ST處理的水分利用效率分別比CT提高了2.26和3.82 kg(hm2·mm)；在東北黑土區，NTS和ST處理的土壤含水量比CT處理提高了14.5%和23.9%，在水分利用效率方面ST比CT提高了7.9%，NTS和CT之間無顯著差異；在北方沙土區，NTS和ST處理的土壤含水量和水分利用效率與CT相比均有顯著提高，ST>NTS>CT[11-19]。

結果表明，免耕秸稈覆蓋和深松保護性耕作措施可以提高土壤含水量和水分利用效率，主要是由于免耕秸稈覆蓋和深松有助于增加土地表面粗糙度，減少土壤水分蒸發，調節土壤表層溫度，改善土壤結構，提高土壤貯水量，從而提高水分利用效率[20-24]。此外，郭清毅等[25]和李月興[26]等也發現，保護性耕作可以顯著提高土壤含水量和水分利用效率，這與本文的結果一致。

表1 不同耕作方式對土壤含水量和水分利用效率的影響

2.2水侵蝕

水蝕作用是指土壤和母質在水的作用下被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程，主要包括降雨的飛濺力和地表徑流的沖刷力[27]。控制和減少水土流失可以減少土壤有機質的流失，提高土壤肥力和土地生產力。長期試驗表明，保護性耕作是減少水土流失和保護生態環境的有效方法。目前，國內學者主要采用平均徑流量、土壤流失量和徑流起始時間等參數來表征土壤水侵蝕程度。通過人工模擬降雨的方法記錄徑流起始時間，采用進口flume自動測定儀測定地表徑流量，徑流由集流桶收集，攪拌后采樣、過濾并稱量沉淀物及土壤流失量[28-30]。

由圖1可知，不同處理方式下的平均徑流量、土壤流失量和徑流起始時間都存在差異[31-35]。在黃土高原地區，與CT相比，NTS和ST的平均徑流量減少了43.9%和44.4%，土壤流失量減少了58.4%和44.8%，徑流起始時間增加了71.2%和102.6%。在東北黑土區，與CT相比，NTS和ST的平均徑流量分別減少32.8%和23.5%。在土壤流失量方面，NTS和ST分別比CT減少72.7%和37.9%。另外，NTS和ST的徑流起始時間分別比CT延遲了11.7和10.9 min。在北方沙土區，NTS的平均徑流量和土壤流失量分別比CT減少了20.8%和67.9%，ST的平均徑流量和土壤流失量分別比CT減少了36.8%和55.3%。NTS和ST的徑流起始時間分別比CT延遲了16.3和15.3 min。

結果表明，NTS和ST是控制水蝕的有效方法。主要是由于在免耕覆蓋和深松處理下，土壤中有高密度的根系，能有效地提高土壤的抗沖性、滲透能力和抗剪強度[36]。作物殘茬留在土地上，可減少降雨的飛濺力，增加雨水入滲時間，減少土壤水分蒸發；增加土壤孔隙度，改善土壤結構，提高土壤肥力；殘基還可以降低徑流速度和截留流失土壤[37-38]。

2.3土壤肥力

土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個重要指標，它是衡量土壤能夠提供作物生長所需養分的能力，是土壤各種基本性質的綜合表現。目前，國內學者主要采用土壤有機質、速效氮和速效磷等參數來衡量土壤肥力。并采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定土壤有機質，開式定氮法測定速效氮，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷[39]。

不同耕作模式下土壤有機質(SOM)、速效氮(available N)和速效磷(available P)含量如表2所示[29，40-43]。從表2中可以看出，在黃土高原地區，NTS和ST土壤有機質含量分別比CT提高了13.7%和7.6%，3種耕作模式的速效氮含量無明顯差異，NTS和ST的速效磷含量分別比CT提高了18.7%和36.4%。在東北黑土區，NTS和ST土壤有機質含量分別比CT提高了14.8%和7.1%，NTS和ST的速效氮含量分別比CT提高了10.8%和8.4%，NTS和ST的速效磷含量分別比CT提高了6.2%和8.2%。在北方沙土區，NTS和ST土壤有機質含量分別比CT提高了11.3%和12.9%，速效氮含量NTS和ST分別比CT提高了22.6%和26.5%，速效磷含量NTS和ST分別比CT提高了21.2%和7.6%。

結果表明，NTS和ST有助于提高土壤肥力。NTS和ST減少了對土壤的翻動，增加土壤中微生物的數量和活躍程度，有助于土壤中有機質的積累。同時，覆蓋在土壤表面的秸稈殘茬腐爛后可以形成大量的有機物，提高了土壤肥力[44]。

表2 不同耕作方式對土壤肥力的影響

2.4風力侵蝕

風力侵蝕是指風力剝蝕、搬運和聚積土壤及其松散母質的過程，其主要受地表風速等侵蝕因子和土壤含水量、土壤質地等可蝕性因子影響[45]。大量試驗表明，保護性耕作技術能夠有效控制土地土壤風蝕，改善生態環境[46]。

不同耕作措施下，根據不同風速處理測得的土壤風蝕速率如圖2所示，當風速較低時，不同耕作措施之間的土壤風蝕速率沒有明顯差異，隨著風速的增加，土壤風蝕速率也不斷增加[47-51]。如當風速為10 ms時，與CT相比，NTS和ST都顯著降低了土壤風蝕速率。在黃土高原地區，分別降低了55.4%和48.7%；在東北黑土區，分別降低了68.3%和70.5%；在北方沙土區，分別降低了90.2%和85.0%。

結果表明，NTS和ST能顯著降低土壤風蝕速率。NTS和ST能夠防治農田土壤風蝕，是因為它在農田地表覆蓋作物秸稈并留茬，殘茬能夠分解風力對地表的剪應力。此外，殘茬根系能固土并且減少地表水分蒸發，覆蓋在地表的作物秸稈能使地表不受風力的直接侵蝕，對易蝕性土壤顆粒有一定的保護作用[51]。

3 結論

(1)保護性耕作措施能明顯增加土壤水分含量，提高水分利用率。在東北黑土區，免耕秸稈覆蓋和深松的土壤平均含水量相比于傳統耕作提高了14.5%和23.9%，水分利用效率也有所提高。免耕秸稈覆蓋和深松能夠降低土壤容重，改善土壤結構，增加土壤孔隙度，從而提高土壤含水量和水分利用效率。

(2)在黃土高原地區，與傳統耕作相比，免耕秸稈覆蓋和深松的土壤平均徑流量減少了43.9%和44.4%，土壤流失量減少了58.4%和44.8%，徑流起始時間增加了71.2%和102.6%。因為免耕秸稈覆蓋和深松與傳統耕作相比，土壤中有高密度的根系，能有效地提高土壤的抗沖性、滲透能力和抗剪強度。作物殘茬留在土地上，能夠減少降雨的飛濺力，改善土壤結構，達到減少徑流、減緩徑流起始時間和減少土壤流失和泥沙輸移的效果。

(3)免耕秸稈覆蓋與深松盡可能的將秸稈還田，能夠增加土壤中微生物的數量和活躍程度，有助于土壤中有機質的累計，提高土壤肥力和土壤生產力。在0～10 cm的土壤中，對提高土壤肥力有顯著效果。

(4)保護性耕作措施對減少土壤風力侵蝕有顯著效果。在北方沙土區，當風速為10 ms時，免耕秸稈覆蓋和深松與傳統耕作相比，土壤風蝕速率分別降低了90.2%和85.0%。免耕秸稈覆蓋和深松與傳統耕作相比，地表覆蓋物和殘茬能分解風力對地表的剪應力，殘茬根系能達到固土作用并減少土壤風蝕。另外，隨著作物秸稈殘茬的高度增加，土壤風蝕減少。