暗棕壤坡耕地水保耕作保水保土效益分析

许晓鸿， 任 丽， 崔 斌， 张 瑜， 王永丰， 隋媛媛， 崔海锋

(1.吉林省水土保持科学研究院， 吉林 长春 130033; 2.吉林省墒情监测中心， 吉林 长春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，造成土层变薄、土地生产力低下，且坡地保水蓄水性差，极易造成干旱，致使土地荒芜，不堪利用，而合理的土地利用方式可有效解决坡耕地难以利用这一问题。有研究表明，以少耕、免耕为代表的各种保护性耕作措施在增加土壤持水性能，改善土壤结构，提高抗蚀性和通透性等方面都具有明显的效果[1-3]。国外也已经开展了大量的关于保护性耕作措施研究[4-6]。本文拟寻求适合东北黑土区坡耕地的有效土地利用方式，运用坡面径流调控技术，从截短坡面径流流线，增加坡面积水入渗着手，实现大水均匀流，小水地下走，以期为治理和改善坡耕地提供理论支撑和技术参照。

1 研究区概况

研究区为以吉林省水土保持科学研究院杏木试验基地，该区位于吉林省辽源市东辽县境内，地理坐标为东经125°22′40″—125°26′10″，北纬42°58′05″—43°01′40″，总面积25.00 hm2。土壤多为白浆土、草甸土、沼泽土和泥炭土。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，最大瞬时降雨强度118 mm/h，最大日降水量为1953年8月9日的140 mm。

1.1 试验小区布设

研究区设置12个标准径流小区(20 m×5 m)，小区长边垂直等高线，坡向朝南，周边用埋深30 cm的60 cm×60 cm防水挡板隔离，相邻小区间隔1 m。土壤为暗棕壤，平均土层厚度25 cm，下层为砂壤土。小区下端布设距地面1.5 m高的出水口，出水口连接吉林省水土保持科学研究院自主研发的泥沙观测仪器。5°和8°小区各6个，每种坡度布设3种措施，各重复1次。3种措施分别为：横垄玉米(H)、横垄玉米+秸秆还田(HO)、横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带(HOD)，地埂植物带上种植多年生黄花菜，栽植密度为16 株/m2，地埂植物带布设在小区最下处，与地垄平行。秸秆还田量按5 000 kg/hm2计算，每个小区还田量为50 kg。首先将秸秆截成3～5 cm的短节，于每年10月秋收之后均匀覆盖在耕地表面，翌年春耕时，通过翻压将秸秆埋入深10—15 cm的土层之中，地埂植物带横断面尺寸如表1所示。

表1 地埂植物带横断面尺寸

1.2 试验方法

1.2.1 降雨特征的观测 试验小区布设一套引自美国的DL 16综合气象观测站，经实地校订，为本次试验提供实时、精确、全面的降雨数据。

1.2.2 地表径流量与产沙量的测定 每个试验小区下部接水口均接有吉林省水土保持科学研究院自主研制的泥沙观测仪，该仪器在降雨后可直接显示每次降雨的径流量和产沙量总和，泥沙重根据每次收集量不同采用不同方法，当泥沙量较少时，采用烘干法，先将仪器内浑水倒出，待水样澄清后，倒掉上清液，重复2～3次保证沉淀完全，并将土样放入铝盘中烘干。计算公式如下：

WS=WT-WH

(1)

式中：WS——泥沙重(g)；WT——泥沙加铝盒的总重(g)；WH——铝盒的重量(g)。

当泥沙含量较多时，采用置换法，计算公式如下：

(2)

式中：Ws——浑水样中的泥沙重量(g)；Wws——瓶加水重(g)；Ww——瓶加清浑水重(g)(同湿度下，与浑水样相同体积的清水重)，泥沙所占体积(cm3)；γs——泥沙密度(g/cm3)；γw——清水密度(g/cm3)。

2 结果与分析

2.1 不同措施不同坡度小区产流量分析

从图1中可以看出，对于本次试验所选的4场降雨，各措施的产流量在不同降雨强度与降雨量条件下，均表现出一致的趋势，即8°横垄玉米(8H)>8°横垄玉米+秸秆还田(8HO)>5°横垄玉米(5H)>5°横垄玉米产+秸秆还田(5HO)>8°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带(8HOD)>5°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带(5HOD)。通过计算，与8°横垄玉米(8H)小区对比，8°横垄玉米+秸秆还田(8HO)在4场降雨中的径流量分别减少了13.2%，18.0%，32.1%和57.6%，而5°坡则分别减少了55.9%，32.5%，42.9%和88.2%。两种坡度小区布设地埂植物带的小区均不易发生产流。以上结果表明，耕地中秸秆还田(O)可以减少坡面径流产生，而地埂植物带(D)对坡面径流的削减作用更为明显，在I30=6 mm/30 min，降雨量为30 mm的条件下都未使8°坡耕地发生产流。同时，随着坡度的减缓，秸秆还田(O)使坡耕地雨水入渗的效果更为明显，5°小区与8°小区相比，各措施对产流量的减少幅度大大提高。

2.2 不同措施不同坡度小区产沙量分析

地表径流是土壤流失的主要驱动力之一[7]。从图2中可以看出，各小区产沙量的变化趋势与径流量的变化趋势基本一致，总体表现出8°横垄玉米(8H)>8°横垄玉米+秸秆还田(8HO)>5°横垄玉米(5H)>5°横垄玉米产+秸秆还田(5HO)>8°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带(8HOD)>5°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带(5HOD)。7月4日各小区产沙量要明显高于其他3场降雨的产沙量。分析主要原因是7月4日降雨强度大，且各小区内玉米处于拔节期，地表覆盖度低，雨滴直接击打地表造成较大程度的溅蚀，并随着坡面被冲刷造成明显的侵蚀。分析认为，6月22日小区内的植被覆盖度应比7月4日要低，但降雨强度和径流量均要小于7月4日，这直接造成对泥沙的起动和搬运作用大大降低，同时也是产沙量较少的主要原因。而8月22日与7月4日降雨强度虽有差别，但降雨量却相差无己，产生的径流量却远小于8月22日的径流量，这说明产沙量与径流量并不呈线性关系。

图1 不同措施小区在4场降雨后的产流量对比

注：8H代表8°横垄玉米； 8HO代表8°横垄玉米+秸秆还田； 5H代表5°横垄玉米； 5HO代表5°横垄玉米产+秸秆还田； 8HOD代表8°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带； 5HOD代表5°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带。下同。

图2 不同措施小区在4场降雨后的产沙量对比

2.3 坡耕地产流条件的判定分析

杏木小流域6—9月降雨32场，横垄玉米作为当地的传统耕作模式，与布设措施相比更易于产流，且8°更易于5°产流，共有11次发生产流；布设秸秆还田和地埂植物带的小区最不易产流，8°和5°小区产流次数一致，共4次(表2)。从表2中可以看出，产流时的I30具有一定的界限。在11场降雨中，有10场降雨的I30>6 mm/30 min，最小降雨量仅为6 mm。也就是说，当I30>6 mm/30 min时，8°横垄玉米(8H)产流的比例达到了91%。仅有一场I30>6 mm/30 min降雨未产流(6月5日)，这时的降雨量为15 mm，同时，I30<6 mm/30 min时的7月10日降雨发生了产流，此次降雨量为41 mm。根据以上数据可以推断，I30是该地区传统耕作方式(8°横垄玉米)产流与否的重要判断依据。而对于布设秸秆还田和地埂植物带的8°和5°小区产流次数明显减少。结合观测发现，这两种小区的产流主要是由于地埂植物带下边坡承雨汇流所造成的，特别是8月15日，虽然降雨量相对较少，但是瞬时降雨强度大，地埂植物带下方坡面雨水来不及入渗，成为汇水的场所，发生产流，而8月28日降雨量很大，但是降雨强度相对较小，这使降水与入渗相对平衡，入渗受长降雨历时的缓冲作用，入渗量不断增加，产流量减少。由此说明，对于布设秸秆还田和地埂植物带的8°和5°小区可以有效减少坡面径流，产流受降雨强度影响更大。

3 结 论

(1)不同耕作措施的保水保土效果不同，径流量表现为8°横垄玉米(8H)>8°横垄玉米+秸秆还田(8HO)>5°横垄玉米(5HO)>5°横垄玉米产+秸秆还田(5HO)>8°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带(8HOD)>5°横垄玉米+秸秆还田+地埂植物带(5HOD)。

(2)秸秆还田可有效增加坡面径流入渗，且径流的入渗效果随坡度降低大幅度提高。

(3)吉林省东辽县杏木小流域传统耕作坡耕地的产流与I30密切相关，当I30>6 mm/30 min时，产流的概率达到了91%，满足产流条件的最小降雨量仅为6 mm，而当I30<6 mm/30 min时，产流比例较低。I30是否大于6 mm/30 min是衡量该地区产流与否的重要判断依据。对于布设秸秆还田和地埂植物带的小区，降雨强度对产流起主导作用。

[参考文献]

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