不同耕作方式对小流域坡改梯工程效果的影响

张松松，胡续礼，张光灿†，邢伟，刘霞，姚孝友

(1.山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室 山东农业大学林学院，271018，山东泰安；

2.水利部淮河水利委员会，233001，安徽蚌埠；3. 南京林业大学林学院，210037，南京)



不同耕作方式对小流域坡改梯工程效果的影响

张松松1，胡续礼2，张光灿1†，邢伟1，刘霞3，姚孝友2

(1.山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室 山东农业大学林学院，271018，山东泰安；

2.水利部淮河水利委员会，233001，安徽蚌埠；3. 南京林业大学林学院，210037，南京)

摘要：为了解田间耕作方式对小流域坡改梯工程实施效果的影响，在沂蒙山区沂水县大峪小流域，对坡改梯工程实施后不同耕作方式(垄沟耕作、田间免耕和埂坎耕作)梯田的土壤流失量、土壤水文物理性能和作物产量进行调查。引用水土保持生态经济指数的概念，分析不同耕作方式梯田的水土保持生态经济耦合效果。结果表明：小流域坡改梯工程实施后，不同耕作方式对梯田工程的水土保持生态与经济效果具有明显影响：1)相对于坡耕梯田(埂坎耕作)的土壤流失量和养分流失量，林果梯田(田间免耕)分别为7.1%和9.6%明显小于作物梯田(沟垄耕作)的22.1%和24.8%，也就是田间免耕的控制效果明显大于垄沟耕作的控制效果；2)相对坡耕地，作物梯田和林果梯田对土壤颗粒分形维数、土壤毛管孔隙度和总孔隙度提高程度都在30%以上；但后者对土壤水文物理性能的提高成度大于前者；3)坡耕梯田(埂坎耕作)的水土保持生态经济指数(Ec)值是作物梯田(沟垄耕作)的19%，同时林果梯田(田间免耕)的Ec值又是作物梯田(沟垄耕作)的18.87倍。梯田田间免耕方式在控制田间土壤流失和养分流失、改善土壤水文物理性能、提高水土保持生态经济耦合效果方面的作用，都明显大于梯田垄沟耕作方式；而田埂和田坎破坏后种植农作物的梯田埂坎耕作方式，会明显降低梯田工程的水土保持生态与经济效果。

关键词：坡改梯； 水平梯田； 耕作方式； 土壤流失量； 生态经济指数； 浙蒙山区

项目名称： 水利部淮河水利委员会水土保持管理科技项目“淮河流域国家水土保持重点建设工程区水土流失问题与防治对策研究”(HWSBC2014002)

坡耕地是我国山地丘陵区主要的水土流失源地之一，土壤流失危害严重[1-4]；因此坡耕地改造措施对于防治水土流失具有重要的意义。小流域坡耕地改造工程是沂蒙山区国家水土保持重点建设工程[5-6]中的重要内容，坡耕地改造水平梯田(坡改梯)是改造坡耕地的主要工程措施。目前，针对坡耕地改造效果的研究报道较多，研究[7-14]表明，坡改梯工程在蓄水保土以及农作物增产等方面的效益比较明显。例如，胡建民等[10]的研究结果显示，坡耕地改梯田后的蓄水效益达67.6%，保土效益超过85.0%；张永涛等[12]研究表明，坡改梯工程实施后，田间土壤含水量、土层贮水量和土壤入渗性能明显提高，地表径流量明显降低；刘志刚[13]的研究表明，坡改梯后可拦蓄70%～95%的坡面径流，使得田间土壤养分含量增加、粮食产量和农民收入提高。但迄今为止，关于坡改梯工程实施后，不同耕作方式对其生态与经济效果的影响问题，还缺乏调查研究和深入认识。目前，国家水土保持重点建设工程是我国重要的小流域水土流失综合治理项目，也需要进行项目区坡改梯等工程实施效果的调查和评价研究[15-18]；因此，笔者以沂蒙山区国家水土保持重点建设工程项目区小流域坡改梯工程为对象，通过测定田间土壤流失量和土壤水文物理性能、调查田间作物产量和产值，分析不同耕作方式下梯田的生态与经济效果及其差别，为深入认识田间耕作方式对坡改梯工程水土保持效果的影响提供参考。

1研究区概况

研究区位于淮河流域沂蒙山国家水土保持重点工程项目区。沂蒙山区[19-21]位于淮河流域东北部，山东省中南部，E116°34′～119°37′，N34°26′～36°19′，总面积约3.0万km2；属暖温带半湿润季风气候，年平均降水量700～900 mm，年平均气温12～14 ℃。植被类型为暖温带落叶阔叶林，山地丘陵区的地表岩性以花岗岩、片麻岩为主，土壤主要为棕壤、褐土和潮土。沂蒙山区是淮河流域水土流失与危害最为严重的区域之一，在全国水土保持区划[22]中被定为鲁中南低山丘陵土壤保持功能区，在全国水土流失重点防治区复核划分[23]中被列为国家级重点治理区，在全国水土保持重点工程建设中被纳入第4期(2008—2012年)和第5期(2013—2017年)项目规划。

2研究方法

在沂蒙山区2010年实施的国家水土保持重点工程项目区内，选择沂水县大峪小流域重点工程项目修筑的土坎梯田，于2014年采用样地试验观测、农户访问调查等方法，研究小流域坡改梯工程实施后不同耕作方式的水土保持生态与经济效果。该小流域的坡改梯工程，在梯田修筑的类型与规格、配套措施与田间耕作栽培方式等方面具有区域典型性和代表性。

2.1土壤流失与养分流失量测定

2.1.1田间土壤流失量估算利用沉砂池泥沙测量法估算田间土壤流失量即利用小流域坡改梯工程修建的土坎水平梯田横向排水沟沉砂池，观测不同耕作方式梯田的田间土壤流失量。不同耕作方式梯田的基本状况见表1。其中“坡耕梯田”的耕作方式使得小流域坡改梯后田埂和田坎又被开发耕作种植农作物，导致田面顺坡倾斜和水土流失。本调查将该类梯田称为“坡耕梯田”，其耕作方式称为“埂坎耕作”。

不同耕作方式梯田土壤流失量测定时段为2014年的4—11月份。在4月上旬，分别在作物梯田和林果梯田排水体系中各选择5个沉砂池，坡耕梯田选择2个沉砂池(因梯田数量受限)，每个沉砂池控制一阶梯田集水区；将沉砂池内原有的泥沙清理干净，并量测每一沉砂池的体积及其上游控制的梯田集水区(产流产沙)面积。在每次降雨(有产流产沙)后，从每一沉砂池中取样测定其泥沙含量[24]，近似作为田间土壤流失量。将每次测定数据合计后，结合沉砂池的集水区面积，推算出不同耕作方式梯田的单位面积土壤流失量(表2)。

表1　不同耕作方式梯田的基本情况

2.1.2土壤养分流失量估算利用沉砂池泥沙含量测定取得的泥沙样品，采用土壤农化分析法[25]测定其养分元素的含量。其中：有机质(Organic Matter,OM)采用重铬酸钾外加热氧化法测定；水解氮(Hydrolyzable Nitrogen, AN)采用碱解扩散法测定；有效磷(Available Phosphorus,AP)采用盐酸-硫酸浸提法测定；速效钾(Available Potassium,AK)采用火焰光度计法。由此结合土壤流失量推算出不同耕作方式梯田的单位面积土壤养分流失量(表2)。

2.2土壤水文物理性能指标测定

采用典型样地试验观测法于2014年10月下旬，在坡改梯后不同耕作方式梯田田面上，分别选取9个试验观测样点(3阶梯田×3个样点)，测定表层(0～20 cm)土壤水文物理性能指标(表3)。利用烘干法测定土壤质量含水量[26]，采用单环渗透法测定原位土壤入渗速率[12]，利用环刀法(取原状土)测定土壤孔隙度[26]，利用LS133320型激光粒度仪测定土壤颗粒分布的分形维数[27]。另外，在小流域内选取2块未经治理的坡耕地(种植花生)做对照，每块坡耕地面积500～600 m2，坡度约16°，土层厚度约30 cm。

表2　不同耕作方式梯田的土壤流失与养分流失量

2.3水土保持生态经济指数计算

采用典型农户访问调查与土壤流失量估算相结合的方法，在小流域内通过典型农户访问调查坡改梯后不同耕作方式梯田(表1)的单位面积作物(花生)与林果(苹果)产量，每一耕作方式调查3家农户(计算平均值)，按市场单价(2014年)计算其单位面积经济产值。参考相关研究[28]定义的“生态经济耦合指数”，提出“水土保持生态经济指数”Ec的概念与计算方法，计算公式为：

Ec=Eo/Se。

(1)

式中：Ec为田间单位面积作物或果树的经济产值与土壤流失量的比值，元/t；Eo为单位面积经济产值，元/hm2；Se为单位面积土壤流失量，t/hm2。

Ec表示了田间土壤流失与经济产出的关系(单位土壤流失量下的经济产值)，即土壤流失量越小或经济值越大，则田间的Ec越大，亦即生态经济耦合效益越高，水土保持工程的实施效果越好。

3结果与分析

3.1不同耕作方式梯田的土壤与养分流失量

不同耕作方式梯田的田间土壤流失量和养分流失量差别明显。若以埂坎耕作的坡耕梯田土壤流失量(15.45 t/hm2)为100%，则沟垄耕作的作物梯田和田间免耕的林果梯田土壤流失量(3.42和1.10 t/hm2)的相对值为22.1%和7.1%；若以坡耕梯田(埂坎耕作)的养分流失量为100%，则作物梯田(沟垄耕作)和林果梯田(田间免耕)不同养分(有机质、K、P、N)流失量的相对值在23.7%～25.8%(平均24.8%)和8.0%～12.8%(平均9.6%)。上述结果(表2)说明，坡改梯工程实施后，采用田间免耕的方式对土壤及其养分流失的控制效果较好，明显大于田间垄沟耕作的控制效果。相反地，若对梯田工程保护不利，梯田埂坎被破坏或开发耕作，会造成田间土壤和养分流失量的明显加剧，例如，坡耕梯田(埂坎耕作)的土壤流失量是林果梯田(田间免耕)和作物梯田(沟垄耕作)的14.0倍和4.5倍。

3.2不同耕作方式的土壤水文物理性能

坡改梯工程实施后，作物梯田(沟垄耕作)和林果梯田(田间免耕)均能明显改善田间土壤水文物理性能，即试验观测的6项水文物理性能指标值，相对坡耕地(顺坡耕作)均有一定程度的提高。作物梯田和林果梯田对土壤颗粒分形维数、土壤毛管孔隙度和总孔隙度3项指标的提高程度较大，相对坡耕地的提高程度都在30%以上，尤其对毛管孔隙度提高程度最大，达到40%以上。这表明，坡改梯工程能明显提高田间土壤的粉黏粒等细粒物质量(土壤颗粒分形维数)和土壤的持水保水性能(毛管孔隙度)[25，27]。在田间免耕(林果梯田)和垄沟耕作(作物梯田)2种耕作方式梯田中，前者对土壤水文物理性能的提高程度大于后者。例如，若以坡耕地(顺坡耕作)的土壤毛管孔隙度为100%，林果梯田(田间免耕)和作物梯田(沟垄耕作)的分别为148.0%和141.2%，前者比后者高出6.8%。相反，梯田工程遭受破坏后的田间埂坎耕作方式(坡耕梯田)，会明显降低土壤的水文物理性能(表3)。例如，坡耕梯田(埂坎耕作)的土壤毛管孔隙度和总孔隙度，相对坡耕地(顺坡耕作)土壤的100%为112.7%和110.2%，相比林果梯田(田间免耕)的分别下降了35.3%和27.4%。

表3　不同耕作方式的田间土壤水文物理性能指标

3.3不同耕作方式梯田的生态经济耦合效果

如表4所示，坡改梯后不同耕作方式梯田的Ec有较大差别。田间种植花生时，埂坎耕作(坡耕梯田)的Ec(1 738元/t)是沟垄耕作(作物梯田)Ec(9 046元/t)的19%，即前者比后者降低了81%。田间免耕(林果梯田)的Ec(17万727元/t)是沟垄耕作(作物梯田)Ec的18.87倍。这表明，坡改梯工程实施后，相对于田间垄沟种植作物(花生)的方式，采用田间免耕栽培林果(苹果)大幅度提高了田间的水土保持生态经济指数，即提高单位土壤流失量的经济产值或水土保持生态经济的耦合效果；而梯田破坏后的埂坎耕作方式(坡耕梯田)，明显降低了田间的水土保持生态经济指数。

表4　不同耕作方式梯田的水土保持生态经济效益指标

注：1.Ey单位面积产量;2.苹果4.0元/kg，花生6.8元/kg。Note：1.Eyis the yield per unit area.Eois the output value per unit area.Ecis the ecological and economic index in soil and water conservation andSeis the amount of soil loss per unit area. 2.Maluspumilaprice is 4.0 yuan/kg andArachishypogaeaprice is 6.8 yuan/kg.

4结论与讨论

1)小流域坡耕地改造梯田(坡改梯)工程实施后，不同耕作方式对梯田工程的水土保持生态与经济效果具有明显影响。梯田的田间免耕方式(林果梯田)在控制土壤流失和养分流失、改善土壤水文物理性能、提高水土保持生态经济耦合效果方面的作用，都明显大于田间垄沟耕作方式(作物梯田)。而对田埂和田坎破坏后种植农作物的梯田埂坎耕作(坡耕梯田)，使梯田工程的水土流失控制效果、土壤水文物理性能改善效果和水土保持生态经济耦合效果明显降低。

2)相关研究[7-11,26]表明：坡改梯工程在减少田间土壤流失、保持土壤养分、增加土壤水分、促进土壤入渗等生态效应方面具有显著作用；同时，在促进作物增产、提高农业产值、增加农民收入等方面具有明显的促进作用。也有研究报道了梯田工程的实施效果与坡度的关系，得出地面坡度越大，坡改梯工程水土保持效果越明显[8]。本研究与前人研究不尽相同，在坡改梯工程减少田间土壤流失量、土壤养分流失量、提高土壤水文物理性能、作物增产增收等方面结果趋势相同；但笔者是针对具体的田间耕作方式进行的，为认识坡改梯工程实施的生态经济效果与田间耕作方式的关系提供了一定的调查依据和参考数据。

3)需要说明的是，研究中利用梯田排水沟沉砂池估测的土壤流失及养分流失量，还难以确切反映田间水土流失的实际情况：原因之一是沉砂池的体积有限，难以完全拦蓄暴雨或大雨时田间的全部径流泥沙。例如，不能测定沉砂池蓄满后流至下游的泥沙等，导致估测的土壤流失量偏低；因此，要更确切反映坡改梯工程以及不同耕作方式的水土流失控制效果，还需要通过建立专门的对比试验小区等方法，进行长期连续的定位观测。本研究中对Ec的调查与计算，忽略了不同耕作方式之间经济投入或生产成本的差异。在考虑生产成本的情况下，不同耕作方式下Ec的结果会有所变化，这还需要做进一步的研究。另外，本研究的调查设计是基于现有坡改梯工程的配套措施(排水沟沉砂池等)及田间耕作方式进行的，因受其限制未能测算到坡耕地(顺坡耕作)的土壤流失量和不同耕作方式梯田相同作物或果树品种的Ec。

参考文献5

[1]周萍, 文安邦, 张信宝, 等. 坡耕地植物篱在水土保持中的应用[J]. 中国水土保持科学, 2010, 8(4):108-113

[2]黄少燕, 查轩. 坡耕地侵蚀过程与土壤理化特性演变[J]. 山地学报, 2002, 20(3):290-295

[3]傅涛, 倪九派, 魏朝富. 坡耕地土壤侵蚀研究进展[J]. 水土保持学报, 2001, 15(3):123-128

[4]刘志刚. 坡改梯对我国经济可持续发展的影响和对策[J]. 中国水土保持科学, 2011, 9(4):46-49

[5]汤星颐, 金荣华. 关于八大片重点治理投资的效果和建议[J]. 中国水土保持, 1992(6):48-49

[6]史志刚. 安徽省大别山项目区国家水土保持重点建设工程实施成效与经验[J]. 中国水土保持, 2013(1):16-18

[7]张治国. 晋西黄土丘陵沟壑区水平阶造林减水减沙效益研究[J]. 中国水土保持, 1999(1):24-26

[8]杨绍兵, 王克勤, 陈志中. 坡耕地反坡水平阶对土壤水N、P垂直再分配的影响[J]. 中国水土保持科学, 2011, 9(1):56-60

[9]尹迪信, 唐华彬, 朱青. 坡耕地不同水土保持措施下的养分平衡和土壤肥力变化[J]. 水土保持学报, 2002, 16(1):72-75

[10] 胡建民, 胡欣, 左长清. 红壤坡地坡改梯水土保持效应分析[J]. 水土保持研究, 2005, 12(4):271-273

[11] 徐勇, 安祥生, 杨波, 等. 黄土高原坡改梯综合效益分析：以燕沟流域为例[J]. 中国水土保持科学, 2010, 8(1):1-5

[12] 张永涛, 王洪刚, 李增印, 等. 坡改梯的水土保持效益研究[J]. 水土保持研究, 2001, 8(3):9-11

[13] 刘志刚. 坡改梯对我国经济可持续发展的影响和对策[J]. 中国水土保持科学, 2011, 9(4):46-49

[14] 余忠明. 坡改梯在水土流失治理项目建设实践中存在的问题与建议[J]. 中国水土保持科学, 2008, 6(增刊):178-179

[15] 范彦淳, 杜慧娟. 河南省国家水土保持重点建设工程成效及做法[J]. 中国水土保持, 2013(8):4-5

[16] 元月贵. 山西省国家水土保持重点工程项目实施的主要途径及其效益分析[J]. 水土保持通报, 2009, 29 (1):192-195

[17] 刘青松, 刘德力, 王瑞霞. 沂蒙山区国家水土保持工程主要做法[J]. 山东水利, 2012(4):41-42

[18] 白志军. 和顺县国家水土保持重点建设工程实践与思考[J]. 山西水利, 2011(2):34-35

[19] 王延平, 刘霞, 姚孝友, 等. 淮河流域沂蒙山区水土保持生态脆弱性的AHP分析[J]. 中国水土保持科学, 2010, 8(3):20-27

[20] 王友胜, 刘霞, 姚孝友, 等. 沂蒙山区土地利用格局变化与经济社会发展的典范对应分析[J]. 中国水土保持科学, 2011, 9(6):71-78

[21] 姚孝友, 肖幼, 顾洪, 等. 淮河流域水土保持生态修复机理与技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2011:16-30

[22] 中华人民共和国水利部. 水利部办公厅关于印发《全国水土保持区划(试行)》的通知：办水保[2012]512号[EB/OL]. (2012-11-15) [2015-02-26]. http: ∥ zwgk. mwr. gov. cn/zfxxgkml/201212/t20121214_335132.html?keywords=办水保

[23] 中华人民共和国水利部. 水利部办公厅关于印发《全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区和重点治理区复核划分成果》的通知：办水保[2013]188号[EB/OL]. (2013-08-12) [2015-02-26]. http: ∥ www. swcc. org. cn/desc.asp?id=35813

[24] 陈瑾. 水土保持径流小区监测方法探讨[J]. 水土保持通报, 2009, 29(2):94-96

[25] 单桂梅, 张春平, 刘霞, 等. 沂蒙山区小流域坡耕地土壤颗粒结构与养分退化特征[J]. 中国水土保持科学, 2013, 11(5):76-82

[26] 王昭艳, 左长清, 曹文洪, 等. 红壤丘陵区不同植被恢复模式土壤理化性质相关分析[J]. 土壤学报, 2011, 48(4):715-724

[27] 徐萍, 刘霞, 张光灿, 等. 鲁中山区小流域不同土地利用类型的土壤分形及水分入渗特征[J]. 中国水土保持科学, 2013, 11 (5):89-95

[28] 徐勇, 党丽娟, 汤青, 等. 黄土丘陵区坡改梯生态经济耦合效应[J]. 生态学报, 2015, 35(4):1-14

(责任编辑：程云郭雪芳)

Effects of different tillage methods on the project of changing slope into

terrace in small watersheds

Zhang Songsong1， Hu Xuli2， Zhang Guangcan1， Xing Wei1， Liu Xia3， Yao Xiaoyou2

(1. Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration of Shandong Province, School of Forestry,

Shandong Agricultural University, 271018, Tai′an, Shandong, China; 2. Soil and Water Conservation

Division of Huaihe River Commission of Water Resources Ministry, 233001, Bengbu, Anhui,China;

3. School of Forestry, Nanjing Forestry University, 210037, Nanjing, China)

Abstract:In order to understand the implementation effects of different tillage methods on terracing project in small watersheds, we surveyed the amount of soil loss, hydrology and physical properties of soil and crop yield of the terrace where different tillage methods (furrow and ridge tillage, non-tillage and embankment tillage) had been applied after the implementation of the project, in Dayu small watershed of Yishui Cunty in Yimeng mountainous area, Shandong Province. The concept of economic index in soil and water conservation was introduced to analyze ecological and economic coupling effects in soil and water conservation of terrace with different tillage methods. The results show that: tillage methods had significant impacts on ecological and economic effects in soil and water conservation of the terracing project after the implementation of the project. 1) Compared to slope terrace (with embankments tillage), the field soil loss and field nutrient loss of fruit terrace (without tillage) were 7.1% and 9.6% respectively, which were much smaller than those of crops terrace (with furrow and ridge tillage) of 22.1% and 24.8%. That was to say, the control effect of non-tillage was significantly greater than that of furrow and ridge tillage. 2) Compared with slope farmland, crops terrace and fruit terrace increased the soil particles fractal dimension, soil capillary porosity and soil total porosity by more than 30%. But the effect of the latter on the improvement of hydrologically physical properties of soil was greater than the former. 3) The ecological and economic index in soil and water conservation (Ec) of slope terrace (with embankment tillage) was 19% of that of the crop terrace (with furrow and ridge tillage). The ecological and economic index in soil and water conservation (Ec) of fruit terrace (non-tillage) was 18.87 times as high as that of crops terrace (with furrow and ridge tillage). The effects of non-tillage in controlling soil erosion and nutrient loss, improving hydrologically physical properties of soil and improving soil and water conservation economy coupling were significantly greater than embankment tillage. The way of furrow and ridge tillage that destroyed embankments and ridges could significantly reduce the ecological and economic effects in soil and water conservation of terracing project, including increasing amount of soil and nutrient loss, reducing the hydrologically physical properties of soil and the ecological and economic index in soil and water conservation. This research mainly illustrated that after carrying out terracing project, terraces with different tillage methods have effects to varying extent in controlling soil erosion and nutrient loss, improving hydrologically physical properties of soil, and coupling soil and water conservation and economy. Our study would provided basis and reference for understanding the relationship between terracing project and ecological and economic effect.

Keywords:changing slope into terrace； level terrace； tillage methods； the amount of soil loss； ecological economic index; Yimeng mountainous area

通信作者†简介： 张光灿(1963—)，男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向：植被重建与生态修复。E-mail：zhgc@sdau.edu.cn

作者简介：第一 张松松(1988—)，女，硕士研究生。主要研究方向：植被重建与生态修复。E-mail：zhangsongsongwdy@126.com

收稿日期：2015-03-01修回日期： 2015-11-03

中图分类号：S157.2

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0091-07