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(xué)研究院， 吉林 長春 130033; 2.吉林省墑情監(jiān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(jīng)開展了大量的關(guān)于保護性耕作措施研究[4-6]。本文擬尋求適合東北黑土區(qū)坡耕地的有效土地利用方式，運用坡面徑流調(diào)控技術(shù)，從截短坡面徑流流線，增加坡面積水入滲著手，實現(xiàn)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(shù)參照。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為以吉林省水土保持科學(xué)研究院杏木試驗基地，該區(qū)位于吉林省遼源市東遼縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)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(qū)布設(shè)

研究區(qū)設(shè)置12個標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(20 m×5 m)，小區(qū)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(qū)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(qū)下端布設(shè)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(xué)研究院自主研發(fā)的泥沙觀測儀器。5°和8°小區(qū)各6個，每種坡度布設(shè)3種措施，各重復(fù)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(shè)在小區(qū)最下處，與地壟平行。秸稈還田量按5 000 kg/hm2計算，每個小區(qū)還田量為50 kg。首先將秸稈截成3～5 cm的短節(jié)，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(qū)布設(shè)一套引自美國的DL 16綜合氣象觀測站，經(jīng)實地校訂，為本次試驗提供實時、精確、全面的降雨數(shù)據(jù)。

1.2.2 地表徑流量與產(chǎn)沙量的測定 每個試驗小區(qū)下部接水口均接有吉林省水土保持科學(xué)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(chǎn)沙量總和，泥沙重根據(jù)每次收集量不同采用不同方法，當(dāng)泥沙量較少時，采用烘干法，先將儀器內(nèi)渾水倒出，待水樣澄清后，倒掉上清液，重復(fù)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(dāng)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(jié)果與分析

2.1 不同措施不同坡度小區(qū)產(chǎn)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(chǎn)流量在不同降雨強度與降雨量條件下，均表現(xiàn)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(chǎn)+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(qū)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(qū)布設(shè)地埂植物帶的小區(qū)均不易發(fā)生產(chǎn)流。以上結(jié)果表明，耕地中秸稈還田(O)可以減少坡面徑流產(chǎn)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(fā)生產(chǎn)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(qū)與8°小區(qū)相比，各措施對產(chǎn)流量的減少幅度大大提高。

2.2 不同措施不同坡度小區(qū)產(chǎn)沙量分析

地表徑流是土壤流失的主要驅(qū)動力之一[7]。從圖2中可以看出，各小區(qū)產(chǎn)沙量的變化趨勢與徑流量的變化趨勢基本一致，總體表現(xiàn)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(chǎn)+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(qū)產(chǎn)沙量要明顯高于其他3場降雨的產(chǎn)沙量。分析主要原因是7月4日降雨強度大，且各小區(qū)內(nèi)玉米處于拔節(jié)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(rèn)為，6月22日小區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的徑流量卻遠小于8月22日的徑流量，這說明產(chǎn)沙量與徑流量并不呈線性關(guān)系。

圖1 不同措施小區(qū)在4場降雨后的產(chǎn)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(chǎn)+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(qū)在4場降雨后的產(chǎn)沙量對比

2.3 坡耕地產(chǎn)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(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)耕作模式，與布設(shè)措施相比更易于產(chǎn)流，且8°更易于5°產(chǎn)流，共有11次發(fā)生產(chǎn)流；布設(shè)秸稈還田和地埂植物帶的小區(qū)最不易產(chǎn)流，8°和5°小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)一致，共4次(表2)。從表2中可以看出，產(chǎn)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(dāng)I30>6 mm/30 min時，8°橫壟玉米(8H)產(chǎn)流的比例達到了91%。僅有一場I30>6 mm/30 min降雨未產(chǎn)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(fā)生了產(chǎn)流，此次降雨量為41 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以推斷，I30是該地區(qū)傳統(tǒng)耕作方式(8°橫壟玉米)產(chǎn)流與否的重要判斷依據(jù)。而對于布設(shè)秸稈還田和地埂植物帶的8°和5°小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)明顯減少。結(jié)合觀測發(fā)現(xiàn)，這兩種小區(qū)的產(chǎn)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(fā)生產(chǎn)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(chǎn)流量減少。由此說明，對于布設(shè)秸稈還田和地埂植物帶的8°和5°小區(qū)可以有效減少坡面徑流，產(chǎn)流受降雨強度影響更大。

3 結(jié) 論

(1)不同耕作措施的保水保土效果不同，徑流量表現(xiàn)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(chǎn)+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(tǒng)耕作坡耕地的產(chǎn)流與I30密切相關(guān)，當(dāng)I30>6 mm/30 min時，產(chǎn)流的概率達到了91%，滿足產(chǎn)流條件的最小降雨量僅為6 mm，而當(dāng)I30<6 mm/30 min時，產(chǎn)流比例較低。I30是否大于6 mm/30 min是衡量該地區(qū)產(chǎn)流與否的重要判斷依據(jù)。對于布設(shè)秸稈還田和地埂植物帶的小區(qū)，降雨強度對產(chǎn)流起主導(dǎo)作用。

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