东北黑土区不同水保耕作措施固土保水性能研究

王 平

(黑龙江省水土保持研究所，黑龙江 宾县 150400)

0 引言

东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，对保障我国粮食安全起到重要作用。然而，长期以来受气候变化和人为活动等的影响，东北黑土区水土流失严重，面积高达27.59万km2，占土地总面积的26.8%，而且水土流失仍在不断发展，强度持续增加，面积逐年扩展。水土流失已成为导致黑土退化、影响作物产量、威胁粮食安全的最主要原因之一，已对区域社会和经济可持续发展造成严重影响。深入开展黑土区水土流失成因、积极探索有效水土治理措施已成为亟待解决的关键课题。水土保持耕作措施作为三大水保措施，其固土保水效益早已验证。在我国黄土高原等地已广泛推广应用，并取得显著水保效益。但对东北黑土区不同水保耕作措施的保水固土效益研究较少，以往相关研究大都集中于不同耕作措施对土壤理化特性影响等方面。2003年国家在启动东北黑土区水土流失综合治理试点工程，同时启动水保监测，建立标准坡面观测场。标准径流小区可对不同土地利用方式和农作管理方式下的水土流失进行观测，能较好地反映不同土地管理措施水土保持性能。因此，本研究利用标准径流小区多年监测数据，来说明不同耕作措施保水固土能力，评价其水保效益，进而为黑土区水土流失治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于黑龙江省海伦市前进乡光荣村黑龙江省水土保持标准径流监测站(47°21'N，126°50'E)。该区属寒温带大陆性季风气候，一年一熟制，冬季寒冷干燥，夏季温热多雨，年均气温1.5℃，极端最高温度为37℃，极端最低温度为-39.5℃，多年平均降水量530 mm，雨季多集中在5—9月。年均有效积温2 450℃。土壤为典型中层黑土，耕层土壤有机质含量在4%左右，抗冲刷和抗侵蚀能力均较弱。

1.2 试验设计

试验在监测站内4个标准径流小区进行，小区基本情况见表1。

表1 试验验小区基本情况

1.3 监测内容与方法

径流小区监测始于2007年，连续监测5 a。每年3—10月，监测内容包括降雨总量、产流数和产沙量。降雨采用人工观测结合自动雨量计，人工观测每次降雨总量，自动雨量计观测降雨过程及总量。地表径流和输沙量:监测设备采用东北地理与农业生态研究所可移动式地表径流观测装置。

2 结果与分析

2.1 不同年份雨季降雨总量

由图1可知，不同年份间雨季降雨总量有明显不同，在所观测的几个年份雨季，2008年降雨总量最大，高达598 mm，而2007年雨季降雨总量最小为388 mm。降雨总量的差异对不同耕作措施的固土保水性能有一定影响。已有大量研究表明，土壤侵蚀以及地表径流的产生受降雨总量、强度以及坡度等众多因素影响。因此，只有在不同年份降雨背景下，获得的监测数据才能准确和真实地反映土壤侵蚀情况。鉴于此，本研究在标准径流小区的监测进行多年连续监测，这样有效保障了数据的可靠性，也为评价不同耕作措施的水土保持效益提供可靠依据。

图1 不同年份雨季(3—10月)降雨总量变化

2.2 不同耕作措施对产流次数的影响

不同年份雨季免耕、少耕、横坡和传统耕作方式产流次数比较见图2。从图2可以明显看出，雨季降雨总量对产流次数有显著影响。2008年4种耕作措施下产流次数均高于其它年份，这说明较大降雨总量可导致较多产流次数，但最小产流次数并没有出现在雨季降雨总量最小的2007年，而出现在2010年。这也进一步说明产流次数尽管受降雨总量的影响，但单次降雨量以及降雨强度才是导致径流次数的最主要因素。不同耕作措施对产流次数也有显著影响。横坡垄作和免耕产流次数低于传统和少耕两种耕作措施，但在不同降雨背景下，耕作方式表现出不同变化趋势，2011年免耕产流次数最低，而2010年横坡垄耕作最低。之所以出现不同年份间耕作措施产流次数表现出一定的异质性，除了耕作措施影响下土壤物理性状、涵养水分不同之外，也与种植作物种类密切相关。相对于大豆低矮的植物高度，玉米有较大生物量和垂直多样的空间分布。可有效截留降雨，减缓雨强。此外，免耕地表残留的秸秆及掉落物可吸附一定水分，因而减轻径流产生，但其截留和吸附效应均有一定限度，其中对较小降雨的水保效应更为明显，而一旦降雨量超过其自身吸附和截留负荷，其效果会大大降低。

图2 不同年份耕作措施间产流次数

2.3 不同耕作措施对产沙次数的影响

不同耕作措施对产沙次数的影响与对产流的影响极为相似，也表现出耕作措施对雨季不同降雨总量下产沙次数具有一定的异质性。不论雨季降雨总量大小，免耕和横坡垄作均表现出产沙次数校少，而少耕和传统耕作方式产沙次数最多。这与耕作措施对产流次数影响的结果相一致。之所以呈现这样的结果，一方面是产流和产沙过程如影相随，互相制约和影响。产流不一定产沙，但产沙一定需要产流才能实现。因此，所有影响和制约产流的因子都会对产沙造成不同程度的影响。免耕和横坡垄之所以能有效减低产沙和产流次数，主要与地表微地形空间异质性和指标覆盖物的大小密切相关。横坡垄作下的等高垄沟能积蓄和缓冲径流，从而减少径流量，而免耕地表覆盖物对雨滴动量的缓冲、分散和吸附都有助于减轻径流的形成。至于不同年份间耕作措施表现出不同的水土保持效益，这依然取决于不同的作物种类以及与此相关的植物根系生物量大小、根系在表层土壤空间分布、根系的固土保肥性能以及其对土壤水稳性团聚体等理化特性的影响。

图3 不同年份耕作措施间产沙次数

3 结论

东北黑土区典型水土保持耕作措施:免耕、少耕、横坡垄作及传统耕作在连续5 a的产流产沙监测结果表明，相对传统区域传统耕作措施，免耕和横坡垄作能有效降低产流和产沙次数，而少耕对降低产流和产沙次数没有显著降低作用。免耕和横坡垄作可作为东北黑土区坡耕地的有效水土保持措施，在黑土水土流失区治理中得到应用。

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