东北黑土区不同耕作措施保水保土效应研究

史彦林，陈生永，刘建新，樊 华

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150400)

我国东北松辽流域黑土区是世界三大黑土区之一。该地区具有较缓的坡状起伏地形，坡度一般在7°以下，并以小于4°居多，土壤肥沃，多被开垦成坡耕地。在开荒过程中土壤蓄水保肥能力下降，水土流失加剧，黑土层被剥蚀，严重影响粮食生产。因此，针对东北典型黑土区坡耕地严重的水土流失问题，采取有效的保护性耕作措施来控制坡耕地水土流失及地力下降迫在眉睫。本研究通过观测不同耕作措施小区的径流量、土壤侵蚀量，分析和评价不同耕作措施的蓄水保土效益，探究黑土区坡耕地适宜的耕作措施。

1 试验区概况

试验区位于黑龙江省宾县，地理坐标为127°24′47″E、45°44′57″N，属丘陵漫岗地貌区、中温带大陆性季风气候区，多年平均年降水量590 mm，年均径流深133 mm，年均气温3.5 ℃，年均日照时数2 732.2 h，≥10 ℃年积温2 400 ℃，年均风速3.1 m/s，无霜期128 d。土壤主要是黑土，表土疏松，底土黏重，有机质含量仅为4.3 %，土壤容重为1.2 g/cm3，总孔隙率为50%，pH值为6.2，呈微酸性。

2 试验设计与研究方法

试验设计了3°、5°坡度下横坡垄作+种植大豆、顺坡垄作+种植大豆、裸地(对照)3种耕作措施共6个标准径流小区，每个小区重复试验3次。径流小区规格为20 m×5 m，顺坡向为长边，小区间用隔板分开，隔板高40 cm、厚约5 cm、埋深不少于20 cm。小区底部设集流槽，将径流导入集流池或集流桶。集流槽上沿为一水平面，宽5 cm，集流槽下沿为挡土墙，槽体中部为倾斜的陡槽，将径流导入集流口，并通过安装在墙体内的集流管将径流收集到集流桶中。集流槽用混凝土砂浆抹面，表面平整光滑。集流桶设有防雨设备，防止雨水进入。通过小区附近设置的综合气象观测站观测和记录降雨情况。每次降雨后观测小区产生的径流量，并均匀采集水样于室内过滤、烘干并称量，测定含沙量，计算小区土壤侵蚀量。

3 结果与分析

3.1 侵蚀性降雨筛选

2010年共观测到降雨27场，总降雨量(不含降雪)为312.2 mm。试验区降雨具有明显的季节性特征，主要集中在6—8月。27场降雨中，最大一场降雨量出现在6月29日，降雨量达42.8 mm，降雨历时1.47 h，平均雨强为29.18 mm/h；最小一场降雨量出现在9月27日，降雨量仅为0.4 mm，历时0.68 h，平均雨强为0.59 mm/h。根据黑土区侵蚀性降雨的基本雨量标准(9.8 mm)[1]，在27场降雨中有8场为侵蚀性降雨，主要集中在6—7月。为了方便分析降雨量和降雨强度与不同小区土壤侵蚀量之间的关系，将降雨量从小到大排序，将8场侵蚀性降雨分别记作Ⅰ到Ⅷ，见图1。

3.2 不同耕作措施对径流量的影响

3.2.1 顺坡垄作措施对径流量的影响

表1为侵蚀性降雨下不同坡度顺坡垄作+种植大豆小区、裸地小区径流量。由表1知，顺坡垄作+种植大豆小区年径流量大于裸地小区，随着坡度的增加(从3°到5°)，两类小区年径流量均有所增加，3°坡和5°坡顺坡垄作+种植大豆小区年径流量分别为1 368.40、1 838.44 m3/hm2，相比同坡度裸地小区增幅分别为13.15%、13.69%。从年径流量来看，顺坡垄作措施没有起到蓄水减流效果，但是从单场降雨来看，在降雨量和降雨强度较小的情况下，这种耕作措施也具有一定的蓄水减流作用。

图1 2010年8场侵蚀性降雨的降雨量及降雨强度

表1 侵蚀性降雨下不同坡度顺坡垄作+种植大豆小区、裸地小区径流量

3.2.2 横坡垄作措施对径流量的影响

表2为侵蚀性降雨下不同坡度横坡垄作+种植大豆小区、裸地小区径流量。由表2知，横坡垄作+种植大豆小区年径流量明显少于裸地小区。随着坡度增加，横坡垄作+种植大豆小区年径流量有所增加，5°坡

表2 侵蚀性降雨下不同坡度横坡垄作+种植大豆小区、裸地小区径流量

小区为83.38 m3/hm2，是3°坡小区的3.17倍，但与5°坡裸地小区相比仍然减少了94.84%，说明在坡度≤5°的情况下，横坡垄作能有效减少地表径流，起到蓄水保水的作用。

3.3 不同耕作措施对侵蚀量的影响

3.3.1 顺坡垄作对侵蚀量的影响

表3为2010年侵蚀性降雨下不同坡度顺坡垄作+种植大豆小区、裸地小区土壤侵蚀量。由表3知，3°坡顺坡垄作+种植大豆小区土壤侵蚀量较裸地小区有明显减少，减少了72.84%，随着坡度增加，裸地小区和顺坡垄作+种植大豆小区的土壤侵蚀量均有大幅增加，5°坡顺坡垄作+种植大豆小区年侵蚀量较裸地小区增加了8.25%。这说明在坡度≤5°坡耕地采取顺坡垄作的水土保持耕作措施可以有效降低土壤侵蚀量，但随着坡度增加其效果明显下降。

表3 侵蚀性降雨下不同坡度顺坡垄作+种植大豆小区、裸地小区土壤侵蚀量

从单场降雨的土壤侵蚀量来分析，不管是3°坡还是5°坡，顺坡垄作+种植大豆小区和裸地小区的土壤侵蚀量均有随降雨量、降雨强度增大而增大的趋势，且在这一过程中顺坡垄作+种植大豆小区土壤侵蚀量的变化幅度略大于裸地小区。以5°坡为例，前4场降雨中顺坡垄作措施可以起到控制土壤侵蚀的效果，而后4场降雨中土壤侵蚀量大于裸地小区，可以看出随着降雨量和降雨强度的增大，顺坡垄作措施对土壤侵蚀的控制效果变差。

3.3.2 横坡垄作对侵蚀量的影响

表4为侵蚀性降雨下不同坡度横坡垄作+种植大豆小区、裸地小区土壤侵蚀量。由表4知，随着坡度的增加，裸地小区土壤侵蚀量有显著增加，说明若没有有效的水土保持措施，则黑土区坡耕地的土壤侵蚀将十分严重。而横坡垄作措施极大地减少了小区的土壤侵蚀量，3°坡横坡垄作+种植大豆小区土壤侵蚀量为16.17 kg/hm2，仅为同坡度下裸地小区的0.28%，随着坡度的增加，横坡垄作+种植大豆小区土壤侵蚀量也有所增加，5°坡的土壤侵蚀量虽为3°坡的4.77倍，但总量也仅为77.16 kg/hm2。可以看出，无论是3°坡还是5°坡，采用横坡垄作措施均可有效减轻土壤侵蚀，与裸地小区相比，其控制效果均可以达到99%以上。

表4 侵蚀性降雨下不同坡度横坡垄作+种植大豆小区、裸地小区土壤侵蚀量

3.4 不同耕作措施的蓄水保土效益分析

表5为不同耕作措施的蓄水保土效益及土壤侵蚀模数。从表5可以看出，在3°和5°坡耕地上，横坡垄作+种植大豆小区的蓄水效益均极显著大于顺坡垄作+种植大豆小区，其中顺坡垄作+种植大豆小区的蓄水效益在3°和5°坡上均为负值，即比裸地小区的产流量还大，且随着坡度的增加，其蓄水效益还有所下降。这说明顺坡垄作没有起到蓄水减流的作用，而横坡垄作的蓄水效益均大于90%，远远好于顺坡垄作，这是因为横坡垄作减缓了坡度，缩短了坡长，可有效减少径流。

表5 不同耕作措施的蓄水保土效益及土壤侵蚀模数

注：不同大写字母表示在0.01水平上差异显著，不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

通过不同耕作措施小区保土效益的计算结果可以看出，3°、5°坡横坡垄作的保土效益均在99.5%以上，其中5°坡横坡垄作+种植大豆小区土壤侵蚀模数最大，为7.72 t/(km2·a)，但也仅为5°坡顺坡垄作+种植大豆小区土壤侵蚀模数的0.16%。可以看出，横坡垄作能够很好地控制坡耕地土壤侵蚀的发生，具有很好的水土保持效果[2]。而顺坡垄作措施的保土效益要显著低于横坡垄作措施，其中3°坡顺坡垄作+种植大豆小区保土效益为72.84%，显著(P<0.05)低于3°坡横坡垄作+种植大豆小区，3°坡顺坡垄作+种植大豆小区土壤侵蚀模数为156.31 t/(km2·a)，极显著(P<0.01)高于3°坡横坡垄作+种植大豆小区，同时极显著低于3°坡裸地小区，并且小于黑土区的容许土壤侵蚀量200 t/(km2·a)，可见在3°坡上，顺坡垄作措施起到了一定的保土作用，但效果不如横坡垄作。随着坡度的增加，在5°坡上顺坡垄作+种植大豆小区没有起到保土作用，土壤侵蚀模数达4 736.84 t/(km2·a)，极显著高于横坡垄作+种植大豆小区，是黑土区容许土壤侵蚀量的23倍多。可以看出，在坡度较大的坡耕地上不宜采取顺坡垄作措施。

4 结 论

(1)在不同坡度下，不同耕作措施小区按径流量大小排序均为顺坡垄作+种植大豆小区>裸地小区>横坡垄作+种植大豆小区，其中：3°坡上，横坡垄作+种植大豆小区径流量仅为顺坡垄作+种植大豆小区的1.92%；5°坡上，横坡垄作+种植大豆小区径流量虽然有所增加，但也仅为顺坡垄作+种植大豆小区的4.54%。可以看出，从对地表径流量的控制效果上来看，横坡垄作要远远好于顺坡垄作，在坡度≤5°的坡耕地上，横坡垄作是很好的水土保持耕作措施。

(2)分析不同耕作措施对土壤侵蚀量的影响，3°坡各小区按土壤侵蚀量大小排序为裸地小区>顺坡垄作+种植大豆小区>横坡垄作+种植大豆小区，5°坡为顺坡垄作+种植大豆小区>裸地小区>横坡垄作+种植大豆小区。可以看出，在相同坡度下，横坡垄作+种植大豆小区的侵蚀模数要极显著小于顺坡垄作+种植大豆小区和裸地小区，在3°坡上横坡垄作+种植大豆小区的侵蚀量仅为顺坡垄作+种植大豆小区的1.03%，而顺坡垄作+种植大豆小区的侵蚀量虽然小于裸地小区，但也达到较高的水平，其控制土壤侵蚀的效果远不如横坡垄作+种植大豆小区。可见，横坡垄作是东北黑土区适宜的水土保持耕作措施。