保护性耕作对坡耕地土壤水分特性和水土流失的影响

郭贤仕，杨如萍，马一凡，郭天文，张绪成

(甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃兰州730070)

坡耕地是我国重要耕地资源，尽管多年来一直坚持坡地改梯田的农田基本建设，我国坡耕地仍然占耕地总面积的1/5，面积达2.13×107hm2[1]。坡耕地也是我国水土流失的主要区域之一，坡耕地每年产生的土壤流失量约为1.5×109t，占全国水土流失总量的1/3[3]。黄土高原丘陵沟壑区是我国乃至世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区之一，侵蚀模数高达4 000～10 000 t/(km2◦a)，该区域所产生的泥沙占每年1.3×109～1.5×109t入黄泥沙中的大部分，由于坡耕地又是该区水土流失最严重的部位，并且面积所占比重较大，坡耕地水土流失量一般占流域水土流失总量的40%～60%[2，4]。

虽然坡耕地的“退耕”和“坡改梯”是黄土高原丘陵沟壑区防治水土流失、提高旱地生产力的有效措施，但由于资金及地形地貌等客观条件的限制，坡耕地在一定时期内仍将存在。在农业生产实践过程中，对这些坡耕地采用一些水土保持耕作措施，同样可能达到防治水土流失，提高旱地生产力的目的。免耕覆盖作为一种保护性耕作种植技术，可改善土壤结构，增加土壤水分入渗，能有效防止水土流失，同时还有省工、省力、省能、易行等特点，是可持续的旱地农业发展模式[5-7，10]。为探索控制黄土丘陵沟壑区坡耕地水土流失的耕作方法和原理，本研究进行坡耕地免耕和秸杆覆盖定位试验，分析措施实施后坡耕地土壤水分特性的变化及其对径流量和土壤侵蚀量的影响。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验小区位于甘肃省定西市安定区唐家堡镇唐家堡村(35°26′30″N ，104°34′32″E)，属典型黄土高原半干旱丘陵沟壑区。该区多年年均降水415.2 mm，降水主要分布在7—9这3个月，年均蒸发量1 531 mm，年平均气温 6.2℃。试验小区为10°～12°的坡耕地，海拔2 030 m，土壤类型为黄绵土，该区在试验期的降水情况见表1。

表1 试验期降水情况

1.2 处理设置

设置传统耕作、免耕、秸杆覆盖免耕共3个处理。传统耕作是按当地的耕作习惯，翻耕裸地种植，休闲期实行三耕两耱。免耕为作物收获后休闲期不进行耕作，播种时也尽量少翻动土壤。试验共进行了3 a，秸杆覆盖为试验开始的第一年(2007年)用6 000 kg/hm2小麦秸杆进行覆盖，2008和2009年按1 500 kg/hm2进行秸杆补充，小麦收获时留高茬。3个处理作物种植制度均为:春小麦—春小麦—豌豆。田间试验小区面积5.0 m×7.2 m，3次重复，随机区组排列。

1.3 主要指标测定方法

所有主要指标测定过程中，采集土样均按照小区进行3次重复取样。

(1)土壤水分特性测定。在作物主要生长期和休闲期测定200 cm土层含水量;在初春播种后，测定耕作层土壤水分动态和容重的变化;在作物生长期和休闲期各选择1～2次能产生有效径流的降水，在降雨后测定耕作层土壤水分动态。(2)土壤结构测定。测定0—10 cm土壤容重;团粒结构于2009年7月7日取0—30 cm耕作层的混合土样，用萨维诺夫干筛法和湿筛法测定。(3)降水量、径流量和侵蚀量测定。气象站记录降水量、降水强度和降水历时。在试验小区下部设置径流池，每次降水产流后及时测量径流体积，同时采集混合水样100 ml，过滤后烘干称重，计算水样的泥沙含量，进一步计算侵蚀量。侵蚀量(kg/hm2)=浑水总量(ml)×样品泥沙含量(g/ml)×10-3/(3.6×10-3);径流量(m3/hm2)=〔浑水总量(ml)-侵蚀量(g)/坡面土壤比重〕×10-6/(3.6×10-3)。(4)数据处理。显著性和回归分析使用DPS分析软件。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对坡耕地土壤水分的影响

2.1.1 不同耕作方式对田间土壤水分的影响 不同耕作方式对坡耕地土壤水分有明显的影响。2 a的试验结果表明(表2)，免耕+覆盖处理土壤含量最高，2 a的年平均土壤含量比传统耕作处理分别高出了0.77%和1.32%，保水效果明显。虽然传统耕作与单纯的免耕处理的年平均土壤含水量没有显著差异，但由于秋休闲期土壤水分含量相对较高，传统耕作比单纯的免耕处理年平均土壤含水量高出约0.3%。2009年不同时段免耕+覆盖处理土壤含量都是最高的，而2008年在春小麦生长期，不同处理之间土壤含水量没有明显区别。

表2 不同耕作方式下200 cm土层土壤水分含量 %

2.1.2 初春耕作层土壤水分动态 初春播种后耕作层土壤保墒对旱地作物出苗有重要影响。在陇中黄土丘陵沟壑半干旱区，在每年3月中旬夏季作物播种期，此阶段正是土壤耕作层解冻期，该期耕作层土壤水分含量一般都较高。夏作物播种期后的初春是气温快速升高的时期，该时期耕作层土壤水分散失很快，半干旱区夏作物经常出现的缺苗现象，就是由于这一时期耕作层土壤水分快速散失而造成的。不同的耕作方式耕作层土壤水分动态表现出不同的特点，传统耕作表层土壤水分下降较快;免耕处理耕作层土壤水分下降较慢，但保持下降趋势;覆盖免耕处理耕作层土壤水分下降速度较为缓慢(表3)。播种前及播种后的10 d内，免耕处理耕作层土壤含水量均显著高于传统耕作，但在15 d以后，免耕处理耕作层的土壤水分含量与传统耕作没有显著差异，覆盖免耕处理的耕作层土壤水分含量均显著高于其它两个处理。

表3 2009年不同耕作方式下耕作层土壤水分动态 %

不同耕作方式对耕作层不同层次的含水量也有显著影响(表3)。传统耕作由于播种对土壤的扰动较大，表层(0—20 cm)土壤水分迅速下降到6%～7%，但20—40 cm土层土壤水分下降较为缓慢，这与表层土壤干层对下层水分阻断作用有关。传统耕作使表层土壤水分迅速下降，对底墒较差的土壤影响较大，将严重影响作物出苗。免耕处理表层土壤水分下降速度虽然慢于传统耕作处理，但整个耕作层土壤水分下降幅度高于传统耕作，播种后持续干旱也可能使耕作层土壤水分下降至很低的水平，免耕地经常出现的作物出苗保苗困难就与耕作层整体土壤水分散失较快有关。覆盖免耕处理耕作层土壤水分散失较慢，各层次均保持了较高的水分含量，旱地覆盖免耕条件作物出苗率通常较高，特别是针对一些播种深度较浅的作物，该措施保苗效果更为明显。

2.1.3 耕作层土壤雨水的入渗和蒸发 雨后耕作层水分动态，既是雨后土壤水分入渗状况的反映，又是表层土壤水分散失的反映。表4为2008年6月7日小麦生长期在降水20.3 mm后第5天的耕作层土壤水分动态，雨后第一天，表层土壤水分含量都较高，接近饱和，20 cm以下土壤水分含量较低，雨后几天耕作层下层的土壤水分含量还有小幅上升。传统耕作处理耕作层在0—20 cm土层土壤水分含量下降较快，20—30 cm土层土壤水分含量上升较快;免耕处理包括覆盖免耕处理，其耕作层在0—20 cm土层土壤水分下降较慢，20—30 cm土层土壤水分上升也较慢。传统耕作雨后耕作层土壤水分变化较剧烈，入渗和蒸发均较快;免耕处理耕作层土壤水分含量则相对稳定，并且较长时间维持较高的水分含量。

表4 不同耕作方式下雨后耕作层土壤水分动态 %

2.2 不同耕作方式对坡耕地土壤结构的影响

2.2.1 全年土壤容重动态 免耕和覆盖对耕作层容重影响明显(表5)。

2 a的试验结果表明，传统耕作处理的耕作层容重较低，免耕和覆盖免耕处理的容重较高。在休闲期不同耕作方式的容重差异显著，而在作物生长期各处理之间差异较小，多差异不显著。耕作层土壤容重一直处于较高水平，土壤结构紧密，是免耕雨后土壤水分入渗性较差的主要原因。免耕地通过覆盖可以降低表层土壤容重，秸杆覆盖是改善土壤结构的有效方法，特别是在雨后表层土壤水分快速蒸发、休闲期自然降水较少时可防止土壤表层产生结皮。秋休闲期实行三耕两礳的传统耕作方法，容易使表层土壤水分散失，也不符合现代保护性耕作的理念，但传统耕作方法可通过多次耕礳打破雨后表层结皮、松散土壤、改善土壤结构，有利于雨水快速下渗，同时切断土壤水分上升的毛管通道。

表5 2009年不同耕作方式下土壤容重 g/cm3

2.2.2 初春耕作层土壤容重动态 初春播种后，不同耕作方式下耕作层土壤容重差异较大(表6)。传统耕作处理由于播种时的翻耱，容重一直处于较低水平，免耕和覆盖免耕处理容重较高。初春温度升高，土壤解冻，表层土壤水分快速蒸发，对免耕处理的容重影响较大，容重保持增大趋势。反过来，免耕处理初春季节土壤容重较大、坚实，也是免耕地初春土壤水分散失较快的原因。初春免耕处理土壤容重较大、坚实，也是作物出苗率降低的原因之一。覆盖免耕处理土壤容重变化较小，覆盖能有效改善耕作层土壤结构。

表6 2009年初春耕作层土壤容重动态 g/cm3

2.3 不同耕作方式对土壤团聚体组成的影响

土壤团聚体的数量和稳定性是衡量土壤结构、水分入渗与抗蚀性的重要指标。不论采用干筛或湿筛的团聚体测定方式，团聚体结构组成中，＞1 mm的土壤大颗粒团聚体含量均为传统耕作处理的较高;＜1 mm的土壤小颗粒团聚体含量均为传统耕作处理的较低(表7)。水稳性团聚体受耕作方式的影响更大一些，免耕条件下水稳性团聚体含量高出传统耕作处理21.12%，覆盖免耕高出传统耕作处理50.17%，覆盖能进一步强化免耕的作用。

传统耕作团聚体破坏率最高(81.72%)，免耕能增加团聚体的稳定性，降低团聚体破坏率。这说明耕作和扰动的程度越大，团聚体稳定性越小，土壤的抗蚀性也就越低，而扰动程度较小的免耕处理，团聚体稳定性较高，土壤抗蚀性也较强，可更好地防止水土流失。

表7 土壤团聚体组成分析 %

2.4 不同耕作方式下水土流失状况

根据气象站降水记录，2008和2009年试验区共降水164次，降水总量为717.9 mm。其中，最大日降水量为30.6 mm，有可能产生径流的＞10 mm降水次数23次，实际产流降雨只有15次。

从这2 a的试验结果可以看出(表8)，各耕作方式年径流总量由大到小的顺序为:免耕＞传统耕作＞覆盖免耕。说明免耕处理不仅没有减少径流，还增加了径流量，覆盖免耕处理的径流量只略小于传统耕作，两者没有显著差别。究其原因，一方面与陇中半干旱区的自然降水分布特点有关，另一方面与免耕方式对土壤结构的影响有关。

陇中半干旱区的自然降水主要集中在夏季作物收获后的秋季，夏季作物收获后的翻耕、耱耙增加了土壤表面的粗糙度，有利于自然降水的入渗，而免耕地表紧实度较高，容易形成径流。覆盖也有增加土壤表面粗糙度的作用，能使免耕地径流量大幅下降。

免耕和覆盖处理的减沙效果显著。从这2 a的试验结果可以看出，各耕作方式产沙总量的大小顺序为:传统耕作＞免耕＞覆盖免耕，免耕、覆盖免耕处理的产沙量相比传统耕作处理分别减少 34.20%和88.11%。从产沙的时段看，泥沙主要产生于夏季作物收获后的秋季，这一时期也是该区的雨季，是径流主要形成期。

传统耕作在作物收获后的多次翻耕耱耙，使土壤过度松散，是其产沙量最大的主要原因。免耕地土壤表层较为紧密，增加了团聚体的稳定性，土壤抗蚀力也较强。作物秸杆覆盖在有效降低径流量的同时，防止雨水和径流对土壤的冲溅效果也很明显，相对无覆盖的免耕地可减少81.93%的产沙量。

表8 不同耕作方式下水土流失量

径流量、产沙量与自然降特征参数的单因子回归及多因子线性回归关系分析表明，2008—2009年试验期间自然降水特征参数中的平均降水强度和降水历时与径流量、侵蚀量的相关性不大，径流量、产沙量与降水量呈显著的正相关，多为极显著(P=0.01水平)。

不同耕作条件下的次降雨径流量、产沙量均与降水量呈显著的线性回归关系，关联方式还是相同的，不同耕作方式对径流量和产沙量的影响只是量上的区别。

3 结论

(1)不同耕作方式对坡耕地土壤水分有一定影响。免耕+覆盖处理的年平均土壤含水量比传统耕作高出1%以上，保水效果明显，单纯的免耕处理的土壤含水量与传统耕作没有显著差异。初春播种后的作物出苗期，传统耕作表层土壤水分下降较快;免耕处理耕作层土壤水分下降幅度较为缓慢，但呈持续下降趋势;覆盖免耕处理耕作层土壤水分下降幅度较为缓慢，半干旱区旱地在这一时期耕作层土壤水分经常处于出苗所需的临界点，微小水分含量差异都可能对作物出苗造成很大的影响。传统耕作雨后耕作层土壤水分变化较剧烈，入渗较快蒸发也较快;免耕处理耕作层土壤水分则相对稳定，并且较长时间维持较高的土壤含水量，免耕有利于土壤水分保持。

(2)免耕和覆盖处理对耕作层土壤容重影响明显，传统耕作耕作层土壤容重较小，免耕和覆盖免耕处理土壤容重较大。免耕地通过覆盖处理可以降低表层土壤容重，特别是在土壤水分快速蒸发时可有效防止土壤表层结皮的产生。免耕能增加团聚体的稳定性，降低团聚体破坏率，增强土壤抗蚀力，覆盖能进一步强化免耕的作用。免耕对土壤容重的影响差异较大，可能与免耕年限、是否有秸杆覆盖以及土壤结构有关[7-9，11]。

(3)免耕处理增大了土壤容重、紧实度，也增加了坡地产流量，由于免耕措施可增加土壤团聚体的稳定性，增强了土壤抗蚀性，使其产沙量显著降低。黄土高原半干旱区降水主要集中在夏作物的秋休闲期，传统耕作的三耕两耱方式在秋休闲期相比单纯的免耕处理可更好地接收雨水入渗[8，10]。作物秸杆覆盖可有效降低径流量，防止雨水和径流对土壤的冲溅效果也很明显。免耕地要真正实现对水土流失的双重控制，必须辅以秸杆覆盖的保护性耕作方式[6-7]。

[1] 孙辉，唐亚，陈克明，等.等高固氮植物篱控制坡耕地地表径流的效果[J].水土保持通报，2001，21(2):48-51.

[2] 王磬凤，王丽华.大力推进我国水土流失的综合防治[J].今日国土 ，2008(3):17-19.

[3] 李小燕，杨永利.浅谈坡改梯工程在流域治理中的地位和作用[J].陕西水利，2008(7):139-140.

[4] 潘竟虎，张伟强，秦晓娟.陇东黄土高原土壤侵蚀的人文因素及经济损失分析[J].中国水利，2008(12):37-39.

[5] 王洪中，张忠武.云南坡耕地农业持续发展研究[J].水土保持通报，1999，19(4):18-20.

[6] 刘贤赵，康绍忠.降水入渗和产流问题研究的若干进展及评述[J].水土保持通报，1999，19(2):57-65.

[7] 沈裕琥，黄相国，王海庆.秸秆覆盖的农田效应[J].干旱地区农业研究，1998，16(1):45-50.

[8] 黄高宝，罗珠珠，辛平，等.耕作方式对黄土高原旱地土壤入渗性能的影响[J].水土保持通报，2007，27(6):5-8.

[9] 张福武，蔡立群，陈英.免耕对土壤容重总孔隙度和水稳性团聚体的影响[J].甘肃农业科技，2008(8):9-11.

[10] 张晓艳，王立，黄高宝，等.道地药材保护性耕作对坡耕地土壤侵蚀的影响[J].水土保持学报，2008，22(2):58-61.

[11] 李爱宗，张仁陟，王晶.耕作方式对黄绵土水稳定性团聚体形成的影响[J].土壤通报，2008，39(3):480-484.