高山蔬菜坡耕地溝廂改造模式的水土保持效應(yīng)

陳磊夫等

摘要：高山蔬菜坡耕地溝廂改造是高山蔬菜生態(tài)栽培技術(shù)的重要組成部分，已被證明能夠有效緩解坡耕地水土流失，促進(jìn)高山蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。以鄂西高山蔬菜主產(chǎn)區(qū)坡耕地為對(duì)象，研究了自然降雨條件下高山菜田10種溝廂改造措施對(duì)兩種坡度的坡耕地水土流失的防治效果。結(jié)果表明，在30°和15°坡度的高山菜田坡耕地上，設(shè)溝畦和開挖導(dǎo)流溝的耕作措施能夠明顯減少地表徑流量和土壤流失量，且抑制效果與坡度呈正相關(guān)。直畦+導(dǎo)流溝、斜畦+導(dǎo)流溝措施與無導(dǎo)流溝方式相比可分別減少21%和15%的徑流，36%和43%的泥沙，直畦+導(dǎo)流溝抑制地表徑流效果較好，斜畦+導(dǎo)流溝對(duì)泥沙的抑制效果更佳，但陡坡地耕作仍有較高的水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：高山蔬菜；坡耕地；水土保持；溝廂改造模式

中圖分類號(hào)：S157.3；S157.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）16-3820-04

Abstract：Ecological cultivation techniques including ridge and furrows alteration have been reported as an effective technique to reducing soil and water loss in high land vegetable production. However， the effects of this technique have not been adequately evaluated. The effect of some ridge and furrows alteration techniques on soil and water loss were evaluated under nature rainfall from vegetable farmland of 1 800 m elevation on slopes with 15°and 25°gradients in western Hubei. The results showed that oblique ridging and increasing gutter significantly limited soil and water loss under different slope gradients. Runoff and soil loss under oblique ridge with gutter， vertical ridge with gutter decreased by 21% and 15%， 36% and 43%， respectively， compared with conventional vertical ridge without gutter. It is indicated that runoff reduction of vertical ridge with gutter and soil loss reduction of oblique ridge with gutter was effective. These findings will be useful in remedying soil and water loss in production of highland vegetable.

Key words：highland vegetable；sloping cropland；soil and water conservation；ridges and furrows design patterns

山區(qū)坡耕地是山地水土流失和農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。長(zhǎng)江上游約70%的耕地為無水保措施的順坡耕作，大于25°的坡耕地較普遍，其中宜昌江段的入江泥沙主要來源于坡耕地[1]；坡耕地的水土流失使山區(qū)土層變薄、養(yǎng)分流失、土壤微生態(tài)變差、生產(chǎn)力低下，不利于山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2，3]。

鄂西山區(qū)是我國(guó)高山蔬菜第一大產(chǎn)區(qū)，也是國(guó)家集中連片特困地區(qū)之一，經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，高山蔬菜產(chǎn)業(yè)在很好解決山區(qū)農(nóng)民脫貧致富的同時(shí)，也對(duì)山地生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了影響。高山蔬菜生產(chǎn)季節(jié)正值當(dāng)?shù)赜昙?，降水頻率高且強(qiáng)度大，劇烈的淋溶造成土壤侵蝕，土壤健康度下降，間接導(dǎo)致大面積連作障礙和病害頻發(fā)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本上升，農(nóng)作物品質(zhì)變差，同時(shí)影響下游水質(zhì)[4]。因此，研究生態(tài)型高山蔬菜栽培技術(shù)，采取保水護(hù)土的耕作措施，保持坡耕地生產(chǎn)力，是促進(jìn)山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的治本之策。

針對(duì)坡耕地保土保水型耕作措施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多保護(hù)性耕作技術(shù)，旨在減少農(nóng)田土壤侵蝕，維護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。其核心是通過地表覆蓋技術(shù)、地表微地形改造技術(shù)、少耕免耕技術(shù)等，達(dá)到保持水土、提高土壤肥效、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生長(zhǎng)的一系列農(nóng)技措施[5-8]，此外，植物籬-農(nóng)作模式也被證明對(duì)坡耕地水土保持效果顯著[9]。盡管這些保護(hù)性耕作措施和農(nóng)林復(fù)合模式的積極作用已得到較多證實(shí)，但其研究大多集中在某幾個(gè)主要農(nóng)業(yè)區(qū)域，在不同區(qū)域和不同質(zhì)地土壤上，這些措施的功效仍有待驗(yàn)證，尤其對(duì)于高山蔬菜坡耕地的研究較為缺乏。本課題組針對(duì)我國(guó)鄂西山區(qū)坡耕地的保護(hù)性耕作措施進(jìn)行了長(zhǎng)期探索，結(jié)合已有研究，針對(duì)雨季降水集中的特點(diǎn)，提出了高山蔬菜地膜覆蓋+溝廂改造模式，目的在于使土壤水分飽和時(shí)能迅速將多余降雨導(dǎo)流，避免徑流對(duì)菜畦造成嚴(yán)重沖刷，達(dá)到保水護(hù)土的目的。研究就上述溝廂改造模式的水土流失防治效果開展評(píng)價(jià)，其結(jié)論可為我國(guó)南方高山蔬菜坡耕地水土流失防治及其可持續(xù)生產(chǎn)提供依據(jù)，同時(shí)豐富我國(guó)保護(hù)性耕作措施的技術(shù)內(nèi)容。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)區(qū)域?qū)俣跷髂仙絽^(qū)武陵山余脈和長(zhǎng)江上游的清江水系中下游，試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省宜昌市長(zhǎng)陽縣火燒坪鄉(xiāng)青樹包村湖北省高山蔬菜試驗(yàn)站，地處東經(jīng)110°43′，北緯30°30′，海拔約1 840 m，坡向朝南，年均氣溫為7.6℃，全年無霜期為200 d，晝夜溫差大，為寒帶氣候。年均降雨量為1 366 mm，主要分布在6～9月，占全年降雨量的70%。試驗(yàn)地土壤為黃棕壤，土壤質(zhì)地疏松，pH約5.1，土壤有機(jī)質(zhì)含量約為3%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地內(nèi)全部種植蘿卜（Raphans sativus L.），品種為雪單一號(hào)；全部壟作并覆蓋地膜，直播后即開始試驗(yàn)觀測(cè)。試驗(yàn)設(shè)坡度和溝畦走向2個(gè)因素，其中坡度設(shè)30°和15°兩個(gè)水平；溝畦走向設(shè)順坡直畦和順坡斜畦兩種，順坡直畦指畦面走向與坡面水平等高線垂直，順坡斜畦指畦面走向與坡面水平等高線成45°左右夾角；主導(dǎo)流溝寬40 cm，深20 cm左右，位于各小區(qū)中部位置，與畦面走向成一定夾角。

坡度30°設(shè)5個(gè)處理，分別為處理1（T1）：直畦+30°導(dǎo)流溝；處理2（T2）：直畦+45°導(dǎo)流溝；處理3（T3）：直畦+2條45°平行導(dǎo)流溝；處理4（T4）：斜畦+垂直導(dǎo)流溝；處理5（T5）：直畦+無導(dǎo)流溝。坡度15°設(shè)5個(gè)處理，分別為處理6（T6）：直畦+45°交叉導(dǎo)流溝；處理7（T7）：直畦+45°導(dǎo)流溝；處理8（T8）：斜畦+垂直導(dǎo)流溝；處理9（T9）：直畦+無導(dǎo)流溝；處理10（T10）：斜畦+無導(dǎo)流溝。無重復(fù)，共10個(gè)徑流試驗(yàn)小區(qū)。

1.3 試驗(yàn)方法

10個(gè)徑流小區(qū)均為北南坡向，小區(qū)坡長(zhǎng)18.0 m，寬2.8 m。小區(qū)四周用防水板圍砌，坡面底部安裝徑流桶收集地表徑流。每次自然降雨產(chǎn)流結(jié)束后測(cè)定徑流桶中的徑流高度，并換算成單次降雨徑流量（以徑流深表示），同時(shí)將桶內(nèi)徑流攪拌均勻后取2份500 mL的樣品，經(jīng)沉降、過濾、烘干后取平均值作為泥沙濃度，換算成單次降雨土壤侵蝕量（kg/hm2），并用SPSS 13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間降雨情況

試驗(yàn)觀測(cè)期從2013年7月19日起至10月20日結(jié)束，期間共發(fā)生11次產(chǎn)流降雨，降雨收集情況見表1。

2.2 不同處理措施對(duì)地表徑流的防治效果

由表2可知，在30°坡度條件下，5種處理的平均地表徑流量由大到小依次為：直畦+無導(dǎo)流溝>斜畦+垂直導(dǎo)流溝>直畦+45°導(dǎo)流溝>直畦+2條45°平行導(dǎo)流溝>直畦+30°導(dǎo)流溝。對(duì)該坡度下各處理的總徑流量分析可知（圖1），斜畦+垂直導(dǎo)流溝、直畦+45°導(dǎo)流溝、直畦+2條45°平行導(dǎo)流溝、直畦+30°導(dǎo)流溝4種處理的總地表徑流量分別為17.13、16.99、14.79和14.29 mm，與對(duì)照直畦+無導(dǎo)流溝的總地表徑流量相比分別減少了13%、13%、24%和27%。

由表3可知，在15°坡度條件下，5種處理的平均地表徑流量由大到小依次為：直畦+無導(dǎo)流溝>斜畦+無導(dǎo)流溝>直畦+45°交叉導(dǎo)流溝>斜畦+垂直導(dǎo)流溝>直畦+45°導(dǎo)流溝。對(duì)該坡度下各處理的總徑流量分析可知（圖2），斜畦+無導(dǎo)流溝、直畦+45°交叉導(dǎo)流溝、斜畦+垂直導(dǎo)流溝、直畦+45°導(dǎo)流溝4種處理的總地表徑流量分別為17.52、15.82、15.52和14.41 mm，與對(duì)照直畦+無導(dǎo)流溝的總地表徑流量相比分別減少了8%、17%、18%和24%。

由此可見，在兩種坡度下開挖導(dǎo)流排水溝對(duì)地表徑流量幾乎都有明顯的降低作用。此外，開挖導(dǎo)流溝措施對(duì)徑流的降低作用與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，即對(duì)地表徑流的抑制效果隨坡度增加而增加，其對(duì)陡坡地表徑流的抑制作用更明顯。對(duì)兩種坡度下的徑流量綜合分析可知，直畦+導(dǎo)流溝、斜畦+導(dǎo)流溝以及直畦+無導(dǎo)流溝3種方式同等面積下的總徑流量分別76.30、82.43、96.66 mm，與直畦+無導(dǎo)流溝相比，直畦+導(dǎo)流溝和斜畦+導(dǎo)流溝方式的地表徑流分別減少了21%和15%。

2.3 不同處理措施對(duì)土壤流失的防治效果

由表4可知，在30°坡度條件下，5種處理的平均土壤侵蝕量由大到小依次為：直畦+無導(dǎo)流溝>直畦+2條45°平行導(dǎo)流溝>直畦+30°導(dǎo)流溝>直畦+45°導(dǎo)流溝>斜畦+垂直導(dǎo)流溝。對(duì)該坡度下各處理的總土壤侵蝕量分析可知（圖1），直畦+2條45°平行導(dǎo)流溝、直畦+30°導(dǎo)流溝、直畦+45°導(dǎo)流溝、斜畦+垂直導(dǎo)流溝的總土壤侵蝕量分別為5 711.13、5 378.04、 5 099.91和3 799.01 kg/hm2，與對(duì)照直畦+無導(dǎo)流溝的總土壤侵蝕量相比分別減少了28%、32%、36%和52%。

由表5可知，在15°坡度條件下，5種處理的平均土壤侵蝕量由大到小依次為：直畦+無導(dǎo)流溝>斜畦+無導(dǎo)流溝>直畦+45°交叉導(dǎo)流溝>斜畦+垂直導(dǎo)流溝>直畦+45°導(dǎo)流溝。對(duì)該坡度下各處理的總土壤侵蝕量分析可知（圖2），斜畦+無導(dǎo)流溝、直畦+45°交叉導(dǎo)流溝、斜畦+垂直導(dǎo)流溝和直畦+45°導(dǎo)流溝的總土壤侵蝕量分別為16 506.4、14 285.92、 12 103.82和9 463.54 kg/hm2，與對(duì)照直畦+無導(dǎo)流溝的總土壤侵蝕量相比分別減少了14%、25%、37%和51%。

由此表明，在兩種坡度下開挖導(dǎo)流排水溝對(duì)土壤侵蝕量均有明顯降低作用，這與徑流量的結(jié)果基本一致。開挖導(dǎo)流溝措施對(duì)土壤流失的降低作用與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，即對(duì)土壤流失的抑制作用隨坡度增加而增加，其對(duì)陡坡土壤流失的抑制作用更為明顯。對(duì)兩種坡度下的土壤流失綜合分析可知，直畦+導(dǎo)流溝、斜畦+導(dǎo)流溝以及直畦+無導(dǎo)流溝3種方式同等面積下的總土壤侵蝕量分別39 938.5、35 604.67、62 212.79 kg/hm2，與直畦+無導(dǎo)流溝相比，直畦+導(dǎo)流溝和斜畦+導(dǎo)流溝方式分別減少了36%和43%的土壤流失。

3 討論及結(jié)論

文章研究了自然降雨條件下，高山菜田坡耕地溝廂改造對(duì)坡耕地水土流失的防治效果。結(jié)果表明，在不同坡度的高山菜田坡耕地，采取設(shè)溝畦和開挖導(dǎo)流溝的溝廂改造方式能夠明顯減少地表徑流量和土壤流失量，且坡度越大水土保持效果相對(duì)越好。直畦+導(dǎo)流溝、斜畦+導(dǎo)流溝措施與直畦+無導(dǎo)流溝方式相比可分別減少21%和15%的徑流，36%和43%的泥沙。

由此可見，直畦+導(dǎo)流溝對(duì)地表徑流有更好的抑制作用，而斜畦+導(dǎo)流溝對(duì)泥沙的抑制效果更強(qiáng)。究其原因可能是由于斜畦+導(dǎo)流溝方式下的徑流路徑坡度更緩，降低了徑流流速和沖刷力，使產(chǎn)沙量更小的同時(shí)也有利于徑流中泥沙的沉積和水流入滲，其作用原理與橫坡壟作、等高線種植和設(shè)置截流溝相似[10，11]。此外，結(jié)果表明，溝廂改造措施對(duì)地表徑流和土壤流失的降低作用均與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，即抑制作用隨坡度增加而增加，其對(duì)陡坡地的水土流失抑制效果更為明顯，這與保護(hù)性耕作和等高草籬等措施的作用效果剛好相反[12，13]，說明溝廂改造措施與已有水土流失防治措施在作用機(jī)理上有所不同，是一種新的防治方式。同時(shí)，研究?jī)H證明溝廂改造模式在陡坡地更能體現(xiàn)出抑制水土流失的作用，但不能證明能將陡坡地的水土流失控制在安全水平，陡坡長(zhǎng)度等因素也會(huì)對(duì)侵蝕強(qiáng)度產(chǎn)生劇烈影響[14]，減少耕作過程中的地表擾動(dòng)、增加可透性地表覆蓋等也是降低水土流失強(qiáng)度的重要方式[15，16]。研究還發(fā)現(xiàn)，目前普遍采用的地膜覆蓋方式雖能在一定程度上減少土壤中流和徑流總深[17]，但其客觀上對(duì)雨水起到了一定的匯集作用，促進(jìn)了地表徑流的形成。由于研究中兩種坡度試驗(yàn)的觀測(cè)期并非完全一致，因而無法對(duì)不同坡度下的徑流量和侵蝕量作直接比較，陡坡地耕作仍有較高的水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯 田宇曦）

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（責(zé)任編輯 田宇曦）

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（責(zé)任編輯 田宇曦）