東北黑土區(qū)不同耕作措施保水保土效應(yīng)研究

史彥林，陳生永，劉建新，樊 華

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150400)

我國(guó)東北松遼流域黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一。該地區(qū)具有較緩的坡狀起伏地形，坡度一般在7°以下，并以小于4°居多，土壤肥沃，多被開墾成坡耕地。在開荒過(guò)程中土壤蓄水保肥能力下降，水土流失加劇，黑土層被剝蝕，嚴(yán)重影響糧食生產(chǎn)。因此，針對(duì)東北典型黑土區(qū)坡耕地嚴(yán)重的水土流失問題，采取有效的保護(hù)性耕作措施來(lái)控制坡耕地水土流失及地力下降迫在眉睫。本研究通過(guò)觀測(cè)不同耕作措施小區(qū)的徑流量、土壤侵蝕量，分析和評(píng)價(jià)不同耕作措施的蓄水保土效益，探究黑土區(qū)坡耕地適宜的耕作措施。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省賓縣，地理坐標(biāo)為127°24′47″E、45°44′57″N，屬丘陵漫崗地貌區(qū)、中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量590 mm，年均徑流深133 mm，年均氣溫3.5 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 732.2 h，≥10 ℃年積溫2 400 ℃，年均風(fēng)速3.1 m/s，無(wú)霜期128 d。土壤主要是黑土，表土疏松，底土黏重，有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為4.3 %，土壤容重為1.2 g/cm3，總孔隙率為50%，pH值為6.2，呈微酸性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3°、5°坡度下橫坡壟作+種植大豆、順坡壟作+種植大豆、裸地(對(duì)照)3種耕作措施共6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，每個(gè)小區(qū)重復(fù)試驗(yàn)3次。徑流小區(qū)規(guī)格為20 m×5 m，順坡向?yàn)殚L(zhǎng)邊，小區(qū)間用隔板分開，隔板高40 cm、厚約5 cm、埋深不少于20 cm。小區(qū)底部設(shè)集流槽，將徑流導(dǎo)入集流池或集流桶。集流槽上沿為一水平面，寬5 cm，集流槽下沿為擋土墻，槽體中部為傾斜的陡槽，將徑流導(dǎo)入集流口，并通過(guò)安裝在墻體內(nèi)的集流管將徑流收集到集流桶中。集流槽用混凝土砂漿抹面，表面平整光滑。集流桶設(shè)有防雨設(shè)備，防止雨水進(jìn)入。通過(guò)小區(qū)附近設(shè)置的綜合氣象觀測(cè)站觀測(cè)和記錄降雨情況。每次降雨后觀測(cè)小區(qū)產(chǎn)生的徑流量，并均勻采集水樣于室內(nèi)過(guò)濾、烘干并稱量，測(cè)定含沙量，計(jì)算小區(qū)土壤侵蝕量。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕性降雨篩選

2010年共觀測(cè)到降雨27場(chǎng)，總降雨量(不含降雪)為312.2 mm。試驗(yàn)區(qū)降雨具有明顯的季節(jié)性特征，主要集中在6—8月。27場(chǎng)降雨中，最大一場(chǎng)降雨量出現(xiàn)在6月29日，降雨量達(dá)42.8 mm，降雨歷時(shí)1.47 h，平均雨強(qiáng)為29.18 mm/h；最小一場(chǎng)降雨量出現(xiàn)在9月27日，降雨量?jī)H為0.4 mm，歷時(shí)0.68 h，平均雨強(qiáng)為0.59 mm/h。根據(jù)黑土區(qū)侵蝕性降雨的基本雨量標(biāo)準(zhǔn)(9.8 mm)[1]，在27場(chǎng)降雨中有8場(chǎng)為侵蝕性降雨，主要集中在6—7月。為了方便分析降雨量和降雨強(qiáng)度與不同小區(qū)土壤侵蝕量之間的關(guān)系，將降雨量從小到大排序，將8場(chǎng)侵蝕性降雨分別記作Ⅰ到Ⅷ，見圖1。

3.2 不同耕作措施對(duì)徑流量的影響

3.2.1 順坡壟作措施對(duì)徑流量的影響

表1為侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)徑流量。由表1知，順坡壟作+種植大豆小區(qū)年徑流量大于裸地小區(qū)，隨著坡度的增加(從3°到5°)，兩類小區(qū)年徑流量均有所增加，3°坡和5°坡順坡壟作+種植大豆小區(qū)年徑流量分別為1 368.40、1 838.44 m3/hm2，相比同坡度裸地小區(qū)增幅分別為13.15%、13.69%。從年徑流量來(lái)看，順坡壟作措施沒有起到蓄水減流效果，但是從單場(chǎng)降雨來(lái)看，在降雨量和降雨強(qiáng)度較小的情況下，這種耕作措施也具有一定的蓄水減流作用。

圖1 2010年8場(chǎng)侵蝕性降雨的降雨量及降雨強(qiáng)度

表1 侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)徑流量

3.2.2 橫坡壟作措施對(duì)徑流量的影響

表2為侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)徑流量。由表2知，橫坡壟作+種植大豆小區(qū)年徑流量明顯少于裸地小區(qū)。隨著坡度增加，橫坡壟作+種植大豆小區(qū)年徑流量有所增加，5°坡

表2 侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)徑流量

小區(qū)為83.38 m3/hm2，是3°坡小區(qū)的3.17倍，但與5°坡裸地小區(qū)相比仍然減少了94.84%，說(shuō)明在坡度≤5°的情況下，橫坡壟作能有效減少地表徑流，起到蓄水保水的作用。

3.3 不同耕作措施對(duì)侵蝕量的影響

3.3.1 順坡壟作對(duì)侵蝕量的影響

表3為2010年侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)土壤侵蝕量。由表3知，3°坡順坡壟作+種植大豆小區(qū)土壤侵蝕量較裸地小區(qū)有明顯減少，減少了72.84%，隨著坡度增加，裸地小區(qū)和順坡壟作+種植大豆小區(qū)的土壤侵蝕量均有大幅增加，5°坡順坡壟作+種植大豆小區(qū)年侵蝕量較裸地小區(qū)增加了8.25%。這說(shuō)明在坡度≤5°坡耕地采取順坡壟作的水土保持耕作措施可以有效降低土壤侵蝕量，但隨著坡度增加其效果明顯下降。

表3 侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)土壤侵蝕量

從單場(chǎng)降雨的土壤侵蝕量來(lái)分析，不管是3°坡還是5°坡，順坡壟作+種植大豆小區(qū)和裸地小區(qū)的土壤侵蝕量均有隨降雨量、降雨強(qiáng)度增大而增大的趨勢(shì)，且在這一過(guò)程中順坡壟作+種植大豆小區(qū)土壤侵蝕量的變化幅度略大于裸地小區(qū)。以5°坡為例，前4場(chǎng)降雨中順坡壟作措施可以起到控制土壤侵蝕的效果，而后4場(chǎng)降雨中土壤侵蝕量大于裸地小區(qū)，可以看出隨著降雨量和降雨強(qiáng)度的增大，順坡壟作措施對(duì)土壤侵蝕的控制效果變差。

3.3.2 橫坡壟作對(duì)侵蝕量的影響

表4為侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)土壤侵蝕量。由表4知，隨著坡度的增加，裸地小區(qū)土壤侵蝕量有顯著增加，說(shuō)明若沒有有效的水土保持措施，則黑土區(qū)坡耕地的土壤侵蝕將十分嚴(yán)重。而橫坡壟作措施極大地減少了小區(qū)的土壤侵蝕量，3°坡橫坡壟作+種植大豆小區(qū)土壤侵蝕量為16.17 kg/hm2，僅為同坡度下裸地小區(qū)的0.28%，隨著坡度的增加，橫坡壟作+種植大豆小區(qū)土壤侵蝕量也有所增加，5°坡的土壤侵蝕量雖為3°坡的4.77倍，但總量也僅為77.16 kg/hm2?？梢钥闯觯瑹o(wú)論是3°坡還是5°坡，采用橫坡壟作措施均可有效減輕土壤侵蝕，與裸地小區(qū)相比，其控制效果均可以達(dá)到99%以上。

表4 侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區(qū)、裸地小區(qū)土壤侵蝕量

3.4 不同耕作措施的蓄水保土效益分析

表5為不同耕作措施的蓄水保土效益及土壤侵蝕模數(shù)。從表5可以看出，在3°和5°坡耕地上，橫坡壟作+種植大豆小區(qū)的蓄水效益均極顯著大于順坡壟作+種植大豆小區(qū)，其中順坡壟作+種植大豆小區(qū)的蓄水效益在3°和5°坡上均為負(fù)值，即比裸地小區(qū)的產(chǎn)流量還大，且隨著坡度的增加，其蓄水效益還有所下降。這說(shuō)明順坡壟作沒有起到蓄水減流的作用，而橫坡壟作的蓄水效益均大于90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于順坡壟作，這是因?yàn)闄M坡壟作減緩了坡度，縮短了坡長(zhǎng)，可有效減少?gòu)搅鳌?/p>

表5 不同耕作措施的蓄水保土效益及土壤侵蝕模數(shù)

注：不同大寫字母表示在0.01水平上差異顯著，不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

通過(guò)不同耕作措施小區(qū)保土效益的計(jì)算結(jié)果可以看出，3°、5°坡橫坡壟作的保土效益均在99.5%以上，其中5°坡橫坡壟作+種植大豆小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大，為7.72 t/(km2·a)，但也僅為5°坡順坡壟作+種植大豆小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的0.16%。可以看出，橫坡壟作能夠很好地控制坡耕地土壤侵蝕的發(fā)生，具有很好的水土保持效果[2]。而順坡壟作措施的保土效益要顯著低于橫坡壟作措施，其中3°坡順坡壟作+種植大豆小區(qū)保土效益為72.84%，顯著(P<0.05)低于3°坡橫坡壟作+種植大豆小區(qū)，3°坡順坡壟作+種植大豆小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)為156.31 t/(km2·a)，極顯著(P<0.01)高于3°坡橫坡壟作+種植大豆小區(qū)，同時(shí)極顯著低于3°坡裸地小區(qū)，并且小于黑土區(qū)的容許土壤侵蝕量200 t/(km2·a)，可見在3°坡上，順坡壟作措施起到了一定的保土作用，但效果不如橫坡壟作。隨著坡度的增加，在5°坡上順坡壟作+種植大豆小區(qū)沒有起到保土作用，土壤侵蝕模數(shù)達(dá)4 736.84 t/(km2·a)，極顯著高于橫坡壟作+種植大豆小區(qū)，是黑土區(qū)容許土壤侵蝕量的23倍多?？梢钥闯?，在坡度較大的坡耕地上不宜采取順坡壟作措施。

4 結(jié) 論

(1)在不同坡度下，不同耕作措施小區(qū)按徑流量大小排序均為順坡壟作+種植大豆小區(qū)>裸地小區(qū)>橫坡壟作+種植大豆小區(qū)，其中：3°坡上，橫坡壟作+種植大豆小區(qū)徑流量?jī)H為順坡壟作+種植大豆小區(qū)的1.92%；5°坡上，橫坡壟作+種植大豆小區(qū)徑流量雖然有所增加，但也僅為順坡壟作+種植大豆小區(qū)的4.54%?？梢钥闯?，從對(duì)地表徑流量的控制效果上來(lái)看，橫坡壟作要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于順坡壟作，在坡度≤5°的坡耕地上，橫坡壟作是很好的水土保持耕作措施。

(2)分析不同耕作措施對(duì)土壤侵蝕量的影響，3°坡各小區(qū)按土壤侵蝕量大小排序?yàn)槁愕匦^(qū)>順坡壟作+種植大豆小區(qū)>橫坡壟作+種植大豆小區(qū)，5°坡為順坡壟作+種植大豆小區(qū)>裸地小區(qū)>橫坡壟作+種植大豆小區(qū)?？梢钥闯?，在相同坡度下，橫坡壟作+種植大豆小區(qū)的侵蝕模數(shù)要極顯著小于順坡壟作+種植大豆小區(qū)和裸地小區(qū)，在3°坡上橫坡壟作+種植大豆小區(qū)的侵蝕量?jī)H為順坡壟作+種植大豆小區(qū)的1.03%，而順坡壟作+種植大豆小區(qū)的侵蝕量雖然小于裸地小區(qū)，但也達(dá)到較高的水平，其控制土壤侵蝕的效果遠(yuǎn)不如橫坡壟作+種植大豆小區(qū)?？梢?，橫坡壟作是東北黑土區(qū)適宜的水土保持耕作措施。