基于不同耕作方式的小流域坡改梯工程效果分析

邓宝玉

(本溪市水利电力勘测设计有限责任公司，辽宁 本溪 117000)

山地丘陵区水土流失现象严重，而坡耕地是引起土壤流失的关键性因素之一，对坡耕地进行改造是防治水土流失的主要治理措施[1]。辽宁省水土保持重点建设工程的主要内容是对小流域进行坡耕地的工程改造，而水平梯田是在坡耕地工程改造中的重要措施。当前，对坡耕地改造的经济效果研究相对较多，并且大量工程实践表明坡改耕工程措施可明显提高农作物产量，有利于促进区域的蓄水保土作用。胡建民[2]等研究表明坡改梯之后的蓄水和保土效益分别提高67.6%和85.0%；张永涛[3]等研究显示坡改梯措施实施后土壤含水量、入渗性和贮水量得到明显改善，地表径流量显著降低；刘志刚[4]等认为坡改梯工程可明显增加土壤养分、提高粮食产量增加农民纯收入，且对坡面的径流量拦蓄能力明显提高。然而，当前坡改梯工程下不同农作方式对生态经济效果的作用影响研究还相对较少，并未形成较为成熟的理论体系，仍需要进一步调查研究。综上所述，本文以辽宁省水土保持重点建设工程项目小流域的坡改梯工程为研究对象，以农作物产量和产值、土壤流失量、土壤物理性能为主要参数指标，通过水利计算对不同耕作方式下梯田的生态经济效果和差异性进行研究分析，探讨坡改梯工程在不同耕作方式下对水土保持效果的作用影响[5-7]。

1 研究区域概况

太子河流域位于辽宁省内，属于国家水土保持重点工程项目区，河流泥沙量较大，受降雨量和人类活动影响较为显著，泥沙含量约为57kg/m3。流域大小支干交错，河道长359km，占地面积为13258km2。其中，流经本溪市境内的河长159km，流域面积为4325km2；属于温带季风气候，四季分明，日照丰富、温差大，年降水量约为450～600mm，7～8月为降雨旺季，径流量约为16.67亿km2。流域内植被覆盖率较低，植被类型为落叶阔叶林；地形地貌特征以低山地丘陵、山间河谷平原以及林草滩地为主，且以低山地丘陵区为主占总流域面积的75%。土壤以棕土壤、褐土和草甸土为主，土质疏松物理性能较差，水土流失严重，是太子河泥沙的主要来源。研究区域的水土流失现象严重，洪涝灾害等自然灾害频发，在全国水土保持规划中的重点治理范围之内[8]。

2 研究方法

本文结合研究流域的实际状况选择太子河本溪市境内某小流域修筑的土坎梯田，在2016年对试验样地采用现场观测、农户访问调查等方式对坡改梯工程实施后不同耕作方式的水土保持生态经济效果进行研究分析。所选取的坡改梯工程，在配套设施、类型规格以及耕作栽培方式等方面具有一定的代表性和合理性。

表1 在3种耕作方式下梯田的参数特征值

表2 不同耕作方式下梯田的土壤和养分流失量计算结果

2.1 土壤和养分流失量测定

本文对不同耕作方式下梯田的田间土壤流失量观测采用沉砂池泥沙测量法进行估算，结合小流域坡改梯工程的实际情况，可利用修建的土坎水平梯田横向排水沟沉砂池进行相关计算，在3类耕作方式下梯田的有关参数特征见表1。

坡改梯工程实施后在田埂和田坎重新种植农作物，导致本田面顺坡倾斜和水土流失，本文将此梯田称为坡耕梯田，并将此类型耕作方式称为埂坎耕作。

本研究选取在2016年5～12月不同耕作方式下梯田的土壤流失量进行测定。试验测试开始之前，对坡耕地设置2个沉砂池，对林果梯田和农作物梯田设定5个沉砂池，且沉砂池分别与每阶梯田集水区相互对应。测定主要过程为将沉砂池的泥沙清洗干净，并对上游控制梯田集水区面积以及每一沉砂池的梯级进行测量；在产流产沙降雨过后，分别对各个沉砂池进行取样测定其含泥量并作为田间土壤流失量；通过对沉砂池中泥沙进行若干个样品取样，并利用土壤农化分析法对样品土壤的养分元素含量进行测定，如采用外加热氧化重铬酸钾法对有机质进行测定、采用碱解扩散法对水解氮进行测定、利用火焰光度法对速效钾进行测定、采用盐酸-硫酸浸提法对有效磷进行提取[9]。综上所述，在不同耕作方式下梯田的单位面积土壤流失量和养分流失量计算结果见表2。

2.2 土壤水文物理性能指标测定

本文结合研究小流域实际概况，选取了9个典型(3阶梯田×3个的测试样点)，对不同耕作方式下的土壤物理性能指标进行测定，测定土壤标称为0～20cm。其中土壤含水量的测定法选取烘干法进行、入渗率则选用单环渗透法、孔隙度利用环刀法进行测定、土壤颗粒的分形维数采用LS133320型激光粒度仪进行测定，并选取2块未经治理的坡耕地(花生地)为试验对比参照组，该对照组土壤厚度为30cm、坡度为15°、耕地面积为450～550m2、土壤物理性能指标测定计算结果见表3。

2.3 水土保持生态经济指数计算

本文利用土壤流失量估算与典型农户调查相结合的方法对小流域的坡改梯工程在不同农作方式下的单位面积农作物和林果产量进行估算，并取3家农户在同一耕作方式下的平均农产值为调查结果，以2016年市场价对单位面积经济产值进行估算。结合生态经济耦合指数等参数指标，引入水土保持生态经济指数Ec进行经济产值和土壤流失量的比值计算，计算公式如下：

Ec=Eo/Se

(1)

式中，Eo—单位面积经济产值，元/hm2；Se—单位面积土壤流失量，t/hm2；Ec—单位面积农作物或果树的经济产值与土壤流失量的比值，元/t，是表征土壤流失与经济产出之间相互作用关系的重要参数指标，其值的大小代表了生态经济的耦合效益程度，值越大则经济效益越高或土壤流失量越小，水土保持工程的实施效果就越好。

表3 不同耕作方式下田间土壤物理性能指标测定结果 %

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

由表2的计算结果可知，在不同耕作方式下梯田的单位面积土壤流失量和养分流失量存在明显的差异性。以埂坎耕作方式的梯田土壤流失量15.38t/hm2和土壤养分中有机质、氮、磷、钾等元素为基础值的100%，则垄沟耕作和田间免耕梯田的土壤流失量分别为3.52和1.15t/hm2，其相对值分别为22.9%和7.5%，土壤养分中有机质、氮、磷、钾元素的流失量相对值分别在22.4%～28.0%(平均值为25.2%)和7.9%～14.7%(平均值为11.3%)的范围内。研究表明，田间免耕的耕作方式在坡改梯工程实施后可明显增大对土壤和养分流失的控制能力，其作用效果明显优于田间垄沟耕作；同理，当梯田工程遭到不利影响时，田间免耕所引起的土壤和养分流失量则会明显增加。例如埂坎耕作方式的土壤流失量分别是沟垄耕作和田间免耕方式的4.4和13.3倍。

3.2 不同耕作方式的土壤水文物理性能

研究表明，作物梯田和林果梯田能明显提高土壤物理性能各参数指标，本文所测试的6项土壤物理指标相对于顺坡耕作均有不同程度的改善[10]。田间免耕和垄沟耕作方式下的前3项指标的提高幅度明显大于其他耕作方式，颗粒分形维数的提高幅度在35%以上，而毛管孔隙度提高幅度均大于40%。研究表明，坡改梯工程实施后土壤保持水土能力得到明显改善，土壤中黏粉粒含量比重得到显著的增加。根据表3中的测量计算结果，田间免耕对土壤物理性质的改善程度大于垄沟耕作方式，如以坡耕地土壤各物理指标为基础值100%，则田间免耕和垄沟耕作方式下土壤的总孔隙度分别为134.9%和128.8%、土壤稳渗滤为111.6%和107.0%。同理，埂坎耕作方式在梯田工程受到破坏或开发后，其土壤物理性能的降低程度也会最大。如相对于坡耕地的总孔隙度和毛管孔隙度的100%，坡耕梯田分别为104.2%和111.1%，相比田间免耕的134.9%和140.7%明显降低。

3.3 不同耕作方式梯田的生态经济耦合效果

利用文中所述计算方法，对坡改梯工程后不同耕作方式的梯田进行生态经济耦合效果计算，计算结果见表4。

表4 坡改梯田在不同耕作方式下的水土保持生态经济效益评价指标

由表4计算结果可知，当埂坎耕作方式下种植花生时，埂坎耕作方式的Ec值1836元/t仅为沟垄耕作Ec值10224元/t和田间免耕Ec值180625元/t的18.0%，埂坎耕作比沟垄耕作的Ec值降低了82.0%。田间免耕方式的Ec值为18.0625万是沟垄耕作方式Ec值1.0224万元的17.67倍。研究表明，田间免耕种植苹果相对于垄沟耕作种植花生在坡改梯工程实施后的水土保持生态效益经济指标明显提高，单位面积土壤和养分流失量的经济产值得到显著增大，水土保持和生态经济的耦合效果大幅增大，同理可知当梯田遭到破坏后，则田间的生态经济指数明显降低[11]。

4 结论

本文以太子河本溪市境内的某小流域的坡改梯工程为研究对象，通过选取3种不同耕作方式即埂坎耕作、沟垄耕作和田间免耕耕作方式对坡改梯工程实施后的土壤和养分流失量、土壤水文物理性能指标和生态经济耦合效果进行计算研究，得出的主要结论如下：

(1)垄沟耕作和田间免耕梯田的土壤流失量分别为3.52和1.15t/hm2，其相对值分别为22.9%和7.5%，土壤养分中有机质、氮、磷钾元素的流失量相对值分别在22.4%～28.0%(平均值为25.2%)和7.9%～14.7%(平均值为11.3%)的范围内。

(2)田间免耕和垄沟耕作方式下的前3项指标的提高幅度明显大于其他耕作方式，颗粒分形维数的提高幅度在35%以上，而毛管孔隙度提高幅度均大于40%。

(3)当埂坎耕作方式下种植花生时，埂坎耕作方式的Ec值1836元/t仅为沟垄耕作Ec值10224元/t和田间免耕Ec值180625元/t的18.0%，埂坎耕作比沟垄耕作的Ec值降低了82.0%。田间免耕方式的Ec值为18.0625万是沟垄耕作方式Ec值1.0224万元的17.67倍。