不同水土保持耕作措施对降雨径流、产沙及土壤水蚀特性的影响

李 菲 李晓光

（1.辽宁省旱地农林研究所，辽宁 朝阳 122000；2.辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000）

0 引言

辽西地区属于半干旱大陆性季风气候区，年降水量在400 mm左右，并且全年降水量有60%～80%集中在夏季。由于夏季雨水集中，暴雨冲刷加剧了水土流失，导致大面积土地退化。如何治理水土流失和做好水土保持工作成为现阶段辽西地区生态环境保护与农村经济发展中关注的焦点问题。由于辽西地区多山地丘陵，采取不同的水土保持耕作措施，对坡耕地的土壤水分入渗量、坡面径流量、侵蚀量等都会产生差异化影响。通过探究各类水土保持耕作措施对降雨径流、产沙及土壤水蚀特性的影响，找出一种最有利于水土保持的耕作模式，对于解决辽西地区坡耕地的水土流失问题，进而实现农业发展与生态保护统筹兼顾有积极的作用。

此次试验通过探究常规耕作、免耕播种、垄作、横坡种植等6种不同水土保持措施对降雨径流、产沙、坡面入渗量、土壤储水量的影响，从而横向对比选出一种最有利于坡耕地水土保持的耕作模式，并在辽西地区进行推广使用，在保证农业生产活动正常开展的前提下，切实提高水土保持成效。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验选择在辽宁省朝阳市建平县坡耕地径流试验场进行，试验区土壤类型以发育在黄土母质上的褐土为主，兼有少量的棕壤和黑钙土，坡度5.2°～6.1°。试验区属北温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，年平均气温7.8 ℃，年均降雨量447 mm，年均蒸发量1 480 mm，降雨集中在6—8月，无霜期150 d。供试玉米品种为辽单2811，于2020年5月上旬播种。

1.2 试验设计

试验从2020年5月2日开始，于同年9月30日结束，期间共有10场降雨。此次试验设置了6个处理，每个试验小区规格为6 m×15 m。其中，1个为裸地（LD），作为参照。其余5个分别为常规耕作（CK），人工松土后播种，苗期中耕松土深度20 cm；免耕播种（MG），免耕种植，无中耕；垄作（LQ），7月上旬在垄间修筑土垱，垄距50 cm，垱距80 cm，垱高15～20 cm，垱顶厚度20 cm；深松+垄作（SQ），苗期中耕深松，松土厚度20～25 cm，7月上旬在垄间修筑土垱，具体参数同上；横坡种植（HP），等高耕作，作物垄方向与地块坡向垂直进行种植，无中耕。为探究不同水土保持耕作措施对降雨径流的影响，笔者选取比较典型的3场降雨，场次A发生在6月17日，降雨历时104 min，降雨量71 mm；场次B发生在7月22日，降雨历时291 min，降雨量153 mm；场次C发生在8月13日，降雨历时76 min，降雨量56 mm。

1.3 观测内容与方法

此次试验共选取降雨径流、产沙量、坡面入渗特征、土壤含水量和水分利用效率5个观测指标，各指标计算方法如下。

①降雨径流。使用偏心翻斗式径流测试系统，径流从导管流进翻斗内，当水量达到翻斗标定量后，在重力作用下翻斗进行180°翻转，此时位于翻斗一侧的感光器接收翻转信号，将数据传输给数据采集器，并在单片机中记录翻转时间和径流量。

②产沙量，即土壤水蚀观测。在坡面产流开始后，每隔5 min取一翻斗沙样，将其放置24 h后抽出上层清水，然后将剩余泥沙置于烘干箱内，设定烘干温度为 100 ℃，烘干时间为 6 h，然后称量其质量。

③坡面入渗特征。采用同心环有压入渗方式观测，加水后分别记录在0、10、30、60、300、600、1 800、3 600、5 400 s和7 200 s时的内环水层深度，从而求出某个时间段的入渗量，用“入渗量/时间”可以得到土壤入渗速率。

④土壤含水量。采用烘干法测量，使用取土设备分别在降雨前后取0～100 cm土层的土样，称量其质量，记为m；然后将其置于烘干箱中，设定烘干温度为80 ℃，烘干时间为4 h，然后取出称量其质量，记为m。m-m即为土壤含水量。

⑤水分利用效率。单位面积的经济产量与作物生长期耗水量之比即为水分利用效率。

2 结果与分析

2.1 不同水土保持耕作措施对降雨径流的影响

以6月17日降雨为例，6种处理下的径流总量如图1所示。此次降雨历时104 min，降雨量71 mm，最大雨强61 mm/h。降雨前测得6个试验小区的土壤含水率在18.4%～20.3%，平均含水率为19.5%。试验发现，由于此次降雨历时较短、雨水量较少，加之土壤含水率较低，因此，降雨初期并未观测到地表有径流出现。20 min之后，由于雨水入渗使土壤含水率增加，并逐渐达到了饱和状态，此时地表开始有径流出现，并且随着降雨时长的增加，径流量也呈现出增加趋势，在60 min有最大雨强时，地表径流达到最大值，为30.3 mm。结合图1可知，此次降雨中6个试验小区径流量从大到小依次为：LD＞CK＞MG＞LQ＞SQ＞HP。裸地径流最大，分析其原因，笔者认为是雨水的击打溅蚀破坏了土壤内部结构，堵塞了土壤孔隙，使地表板结。降雨下渗通道被堵塞，由此导致地表径流明显增加。而横坡等高种植可以利用横坡发挥较好的截留、拦蓄作用，因此地表径流极少。

图1 不同水土保持耕作措施径流总量统计

2.2 不同水土保持耕作措施对产沙的影响

以7月22日降雨为例，6种处理下的土壤侵蚀量如图2所示。该降雨历时291 min，降雨量153 mm，最大雨强为77 mm/h，降雨前测得6个试验小区土壤平均含水率为24.3%。降雨时，垄作和深松+垄作2块试验小区已经修筑土垱。降雨15 min左右，各个试验小区相继出现径流，但是不同试验小区的土壤侵蚀量差异较为明显。结合图2可知，不同处理下的土壤侵蚀量由大到小依次为LD＞CK＞MG＞LQ＞SQ=HP。对比可以发现，未采取任何耕作措施的裸地，在遭遇强降雨后土壤侵蚀量明显高于其他5个试验地块，达到了0.15 t/hm；垄作区田修筑土垱以后，能够在坡面出现径流以后有效拦截雨水，使雨水不会沿着地表流走，而是向下渗透到土壤深处。在蓄水的同时，土垱也能拦截泥沙，从而减少侵蚀量，本次试验中测得垄作区的土壤侵蚀量为0.016 t/hm，相比于未修筑土垱的裸地、常规耕作模式有明显减少。而深耕+垄作区和横坡等高种植区在此次降雨中土壤侵蚀量为0，水土保持效果优良。

图2 不同水土保持耕作措施土壤侵蚀量统计

2.3 不同水土保持耕作措施下坡面入渗特征分析

2.3.1 不同处理条件下产流时间分析。结合图3可知，3场降雨中不同耕作措施的产流时间变化规律基本一致，但是因为每次降雨量和最大雨强不同，因此在产流变化幅度上存在一定差异。其中，A场降雨（6月17日）虽然降水量较少，但是产流时间最早，说明在田间未修筑土垱的情况下，坡面更易产生径流。而修建土垱后，在B场和C场降雨中，产流时间均有不同程度延后，并且两场降雨下不同耕作措施的产流时间变化基本一致。在土壤含水率方面，B场降雨（7月22日）由于降雨时间长（291 min）、降雨量大（153 mm），导致不同耕作措施下的土壤含水率均明显高于A场降雨和C场降雨。具体到耕作措施来看，B场降雨中横坡等高种植处理方式下的土壤含水率最高，达到了31.1%，其次是深松+垄作，土壤含水率为26.3%。而裸地的土壤含水率最低，仅为14.0%。根据这一数据对比可知，在降雨条件相同情况下，横坡等高种植模式下坡面入渗效果最好，可以截留更多雨水，从而提高土壤含水率，满足坡面植物生长所需。

图3 不同耕作措施下降雨前期土壤含水率及产流开始时间

2.3.2 不同耕作措施下的入渗量。由表1可知，在降雨量相同的情况下，不同水土保持耕作措施对雨水入渗的影响存在较为明显的差异。在A场降雨中，横坡等高种植的入渗总量最大，为61.17 mm，明显高于裸地、常规耕作等其他5种处理方式。在B、C两场降雨中，横坡等高种植的入渗总量均为最大，分别为168.47 mm和48.01 mm。分析其原因，横坡等高种植模式下，无论是降雨期间直接落入地面的雨水，还是在垄沟内形成的积水，都能够最大限度地被拦蓄起来，并在重力作用和土壤毛细孔作用下不断入渗，因此入渗总量较高。同样，垄作及深松+垄作处理下由于修筑了土垱，也能起到类似于横坡的作用，从而减少地表径流，增加入渗时间，因此入渗量也比较高。而裸地、常规耕作因为没有拦蓄雨水的措施，雨水形成径流后夹杂着泥沙顺坡流下，入渗时间少，入渗量低。

表1 不同耕作措施的入渗总量 mm

2.3.3 不同耕作措施下的稳定入渗率。由表2可知，在同一场降雨中，横坡等高种植下土壤入渗率要明显高于其他5种处理。其中，在B场降雨中横坡等高种植下的稳定入渗率最高，达到了0.717 mm/min，为6种处理措施下的最高值。深松+垄作和垄作区田的土壤入渗率次之，分别为0.648 mm/min和0.625 mm/min，两者之间差异并不明显，而同场降雨中裸地的入渗率仅为0.377 mm/min。这一试验现象表明，裸地由于土壤结构紧密，雨水形成径流后很快流失，入渗难度较大。垄作和深松+垄作两种模式下，通过修筑土垱的方式发挥了拦蓄径流的效果，被拦截下来的雨水可以有更加充分的时间向土壤深处渗透，因此，这两种耕作措施下的土壤入渗率要比落地和常规耕作高。但是，考虑到土垱会占用一部分耕地面积，因此，修筑土垱时往往会尽量降低土垱的厚度，以便留出更大的种植空间。这种情况下土垱对于坡面径流的拦截效果也会被削弱，因此，土壤入渗率相比于横坡等高种植略低。而横坡等高种植可以在垄沟积水的影响下强化入渗作用，因此入渗率更高。

表2 不同耕作措施下的入渗率对比 mm/min

2.4 不同水土保持耕作措施下土壤含水量动态变化

2.4.1 不同耕作措施对土壤含水量的影响。试验表明，土壤含水量的变化趋势与观测期内降雨动态变化趋势基本一致。纵向来看，随着降雨时间的延长，6种处理下各个试验小区的土壤含水量整体呈上升趋势；横向来看，不同处理下各个试验小区之间土壤含水量变化有明显差异。其中，以含水量变化幅度从大到小排序为HP＞SQ＞LQ＞MG＞CK＞LD。进入6月以后，一方面是随着气温升高，冻土完全融化，为雨水入渗提供了良好条件；另一方面是雨水开始增多。在两方面因素的共同影响下，土壤含水量也有明显增加。裸地因为地表没有植被，无法发挥对雨水的截留和拦蓄作用，加之耕层土壤致密，导致土壤储水能力差；免耕种植由于土壤没有扰动，相比于常规耕作避免了土壤颗粒压实的情况，有利于雨水下渗，因此，免耕种植试验区的土壤含水量要高于常规耕作区。而横坡等高种植和垄作在拦蓄雨水方面效果明显，因此土壤含水量较高。

2.4.2 不同耕作措施对不同深度土层含水量的影响。6月未修筑土垱时，6种处理下40～80 cm处土壤含水量无明显差异。40 cm以上土层，裸地水分变化明显，降雨之后裸地浅层水分有明显升高，但是由于截流蓄水能力差，雨水无法渗透到更深土层。80 cm以上土层，垄作区、横坡等高种植区的水分变化明显，说明降雨之后雨水拦蓄能力较强，地表雨水可以充分渗透至土壤深层。8月修筑土垱后，结合表3数据可知，横坡等高种植试验区在不同深度的土壤含水量均高于其他试验小区，其中在60～80 cm处，土壤含水量达到了最大值，为78.21 mg；而修筑了土垱的垄作区和深松+垄作的土壤含水量也有明显增加，并且同样在60～80 cm处出现了最大含水量，分别为72.41 mg和74.68 mg，说明土垱在截留和拦蓄雨水方面效果显著，起到了很好的水土保持作用。裸地在不同深度土层的土壤含水量均为6种耕作措施下最低，其中地表0～20 cm处的土壤含水量仅为18.31 mg，说明裸地的蓄水能力极差。

表3 8月不同深度土层的平均土壤含水量 mg

2.5 不同水土保持耕作措施下水分利用效率分析

2.5.1 不同耕作措施的水分平衡分析。为量化表示农田水分转化关系，笔者引入了土壤水分平衡公式：

式（1）中：ΔW表示观测期初始阶段与结束阶段的水量差，单位为mm；P表示降雨量，单位为mm；S表示补充灌溉量，由于试验中未进行人工灌溉，因此该值为0；R表示地表径流，单位为mm；ET表示作物水分蒸散量，单位为mm，其计算公式为：

式（2）中：ΔS表示收获期、播种期0～200 cm土壤含水量之差，单位为mm。根据公式（1）计算6种处理下的ΔW、P和R等值，统计结果如表4所示。

表4 观测器内不同耕作措施的水分转化计算 mm

由表4可知，在观测期内裸地和常规耕作在时段初的储水量要高于时段末，并且蒸散量在6种处理措施中也属于较低水平。分析其原因，裸地表面无植被覆盖，因此径流损失较大。同样，常规耕作中地表土层较为紧实，不利于雨水留存、下渗，因此作物从土壤中吸收水分较少，相应的作物水分蒸散量较少。免耕种植区和垄作区的作物水分蒸散量相差无几，而横坡等高种植区的作物水分蒸散量最高。这是因为横坡等高种植下水分得以较好地保留，土壤中含水率较高，加之植物蒸腾作用的影响，在晴朗天气可以源源不断地蒸散水分。

2.5.2 不同耕作措施水分利用效率分析。为直观地表示农作物物质生产与水分之间的关系，此次试验中还引入了“作物水分利用率（WUE）”这一指标，其计算公式为：

式（3）中：Y表示作物产量，单位为 kg/hm；M 表示作物生育期的耗水量，单位为mm。6种处理下农作物全生育期水分利用效率如表5所示。

表5 不同耕作措施下全生育期耗水量

结合表5数据可知，6种处理下农作物水分利用率由高到低排序为HP＞SQ＞LQ＞LD＞MG＞CK。横坡等高种植模式下农作物水分利用效率最高，原因主要有两方面：一是横坡有利于减少地表径流，起到了很好的截流效果，有利于水分向土壤深层渗透，为农作物根系吸收水分提供了良好条件；二是等高耕作模式下不需要耕作压实，有利于优化土壤内部结构，避免土壤板结等问题，降雨后能够有效提高土壤水分含量。

3 结论

笔者在辽西地区黑土坡耕地上设置6个等规格的试验小区，每个试验小区内分别采用一种水土保持耕作措施，其中1组裸地，作为对照，另外5组分别采取了常规耕作、免耕播种、垄作、深松+垄作、横坡等高种植。另外，在试验期内选择3场典型降雨，分析3场降雨下不同处理模式在地表径流、产沙量、坡面入渗量、农作物水分利用效率等指标方面的差异性。根据试验结果，选出一种坡面径流小、产沙量少、土壤水分入渗率和作物水分利用效率高的种植模式，从而在辽西地区山地丘陵区进行推广，实现生态效益和种植效益有机统一。根据试验内容，可得出以下3条结论。

在立地条件相同的情况下，不同耕作措施的水土保持效果有明显差异。在降雨条件相同的情况下，横坡等高耕作的截流蓄水能力最强，坡面入渗量最大，坡面径流最小，水土保持效果最理想。在深松+垄作和垄作未修建土垱时，其水土保持效果与免耕播种、常规耕作无明显差异；但是修建土垱后，其水土保持效果得到明显提升，此时按照蓄水减沙效果从优到劣排序为：横坡等高耕作＞深松+垄作＞垄作＞免耕播种＞常规耕作＞裸地。

在3场降雨中，发生在7月22日的B场降雨历时最长，达到了291 min，最大雨强为77 mm/h。在同一试验小区内，雨强越大的情况下坡面产流时间越早，同时由于雨水流动速度较快，来不及向下渗漏，因此土壤入渗率相对较低。此外，雨强较大的情况下，雨滴对坡面冲蚀破坏更加明显，径流含沙量也更高。

不同耕作措施对于土壤储水量、蒸散量、水分利用效率的影响也有明显差异。总体来说，横坡等高种植下由于蓄水保土效果好，因此，土壤储水量高于其他处理方式；横坡等高耕作模式下径流少、入渗量多，可以满足农作物生长所需水分，因此，植株长势更好，相应地蒸散量更大、水分利用效率更高。

综上，在辽西山地丘陵地区，选择横坡等高种植模式可以有效解决水土流失问题，并且能切实提高山区丘陵土地资源的利用率，满足当地农民生产需要。