不同耕作方式對小流域坡改梯工程效果的影響

張松松，胡續(xù)禮，張光燦?，邢偉，劉霞，姚孝友

(1.山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點實驗室 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，271018，山東泰安；

2.水利部淮河水利委員會，233001，安徽蚌埠；3. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，210037，南京)

?

不同耕作方式對小流域坡改梯工程效果的影響

張松松1，胡續(xù)禮2，張光燦1?，邢偉1，劉霞3，姚孝友2

(1.山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點實驗室 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，271018，山東泰安；

2.水利部淮河水利委員會，233001，安徽蚌埠；3. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，210037，南京)

摘要：為了解田間耕作方式對小流域坡改梯工程實施效果的影響，在沂蒙山區(qū)沂水縣大峪小流域，對坡改梯工程實施后不同耕作方式(壟溝耕作、田間免耕和埂坎耕作)梯田的土壤流失量、土壤水文物理性能和作物產(chǎn)量進行調(diào)查。引用水土保持生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)的概念，分析不同耕作方式梯田的水土保持生態(tài)經(jīng)濟耦合效果。結(jié)果表明：小流域坡改梯工程實施后，不同耕作方式對梯田工程的水土保持生態(tài)與經(jīng)濟效果具有明顯影響：1)相對于坡耕梯田(埂坎耕作)的土壤流失量和養(yǎng)分流失量，林果梯田(田間免耕)分別為7.1%和9.6%明顯小于作物梯田(溝壟耕作)的22.1%和24.8%，也就是田間免耕的控制效果明顯大于壟溝耕作的控制效果；2)相對坡耕地，作物梯田和林果梯田對土壤顆粒分形維數(shù)、土壤毛管孔隙度和總孔隙度提高程度都在30%以上；但后者對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)的水土保持生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)(Ec)值是作物梯田(溝壟耕作)的19%，同時林果梯田(田間免耕)的Ec值又是作物梯田(溝壟耕作)的18.87倍。梯田田間免耕方式在控制田間土壤流失和養(yǎng)分流失、改善土壤水文物理性能、提高水土保持生態(tài)經(jīng)濟耦合效果方面的作用，都明顯大于梯田壟溝耕作方式；而田埂和田坎破壞后種植農(nóng)作物的梯田埂坎耕作方式，會明顯降低梯田工程的水土保持生態(tài)與經(jīng)濟效果。

關(guān)鍵詞：坡改梯； 水平梯田； 耕作方式； 土壤流失量； 生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)； 浙蒙山區(qū)

項目名稱： 水利部淮河水利委員會水土保持管理科技項目“淮河流域國家水土保持重點建設(shè)工程區(qū)水土流失問題與防治對策研究”(HWSBC2014002)

坡耕地是我國山地丘陵區(qū)主要的水土流失源地之一，土壤流失危害嚴(yán)重[1-4]；因此坡耕地改造措施對于防治水土流失具有重要的意義。小流域坡耕地改造工程是沂蒙山區(qū)國家水土保持重點建設(shè)工程[5-6]中的重要內(nèi)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，針對坡耕地改造效果的研究報道較多，研究[7-14]表明，坡改梯工程在蓄水保土以及農(nóng)作物增產(chǎn)等方面的效益比較明顯。例如，胡建民等[10]的研究結(jié)果顯示，坡耕地改梯田后的蓄水效益達67.6%，保土效益超過85.0%；張永濤等[12]研究表明，坡改梯工程實施后，田間土壤含水量、土層貯水量和土壤入滲性能明顯提高，地表徑流量明顯降低；劉志剛[13]的研究表明，坡改梯后可攔蓄70%～95%的坡面徑流，使得田間土壤養(yǎng)分含量增加、糧食產(chǎn)量和農(nóng)民收入提高。但迄今為止，關(guān)于坡改梯工程實施后，不同耕作方式對其生態(tài)與經(jīng)濟效果的影響問題，還缺乏調(diào)查研究和深入認識。目前，國家水土保持重點建設(shè)工程是我國重要的小流域水土流失綜合治理項目，也需要進行項目區(qū)坡改梯等工程實施效果的調(diào)查和評價研究[15-18]；因此，筆者以沂蒙山區(qū)國家水土保持重點建設(shè)工程項目區(qū)小流域坡改梯工程為對象，通過測定田間土壤流失量和土壤水文物理性能、調(diào)查田間作物產(chǎn)量和產(chǎn)值，分析不同耕作方式下梯田的生態(tài)與經(jīng)濟效果及其差別，為深入認識田間耕作方式對坡改梯工程水土保持效果的影響提供參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于淮河流域沂蒙山國家水土保持重點工程項目區(qū)。沂蒙山區(qū)[19-21]位于淮河流域東北部，山東省中南部，E116°34′～119°37′，N34°26′～36°19′，總面積約3.0萬km2；屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均降水量700～900 mm，年平均氣溫12～14 ℃。植被類型為暖溫帶落葉闊葉林，山地丘陵區(qū)的地表巖性以花崗巖、片麻巖為主，土壤主要為棕壤、褐土和潮土。沂蒙山區(qū)是淮河流域水土流失與危害最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，在全國水土保持區(qū)劃[22]中被定為魯中南低山丘陵土壤保持功能區(qū)，在全國水土流失重點防治區(qū)復(fù)核劃分[23]中被列為國家級重點治理區(qū)，在全國水土保持重點工程建設(shè)中被納入第4期(2008—2012年)和第5期(2013—2017年)項目規(guī)劃。

2研究方法

在沂蒙山區(qū)2010年實施的國家水土保持重點工程項目區(qū)內(nèi)，選擇沂水縣大峪小流域重點工程項目修筑的土坎梯田，于2014年采用樣地試驗觀測、農(nóng)戶訪問調(diào)查等方法，研究小流域坡改梯工程實施后不同耕作方式的水土保持生態(tài)與經(jīng)濟效果。該小流域的坡改梯工程，在梯田修筑的類型與規(guī)格、配套措施與田間耕作栽培方式等方面具有區(qū)域典型性和代表性。

2.1土壤流失與養(yǎng)分流失量測定

2.1.1田間土壤流失量估算利用沉砂池泥沙測量法估算田間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橫向排水溝沉砂池，觀測不同耕作方式梯田的田間土壤流失量。不同耕作方式梯田的基本狀況見表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開發(fā)耕作種植農(nóng)作物，導(dǎo)致田面順坡傾斜和水土流失。本調(diào)查將該類梯田稱為“坡耕梯田”，其耕作方式稱為“埂坎耕作”。

不同耕作方式梯田土壤流失量測定時段為2014年的4—11月份。在4月上旬，分別在作物梯田和林果梯田排水體系中各選擇5個沉砂池，坡耕梯田選擇2個沉砂池(因梯田數(shù)量受限)，每個沉砂池控制一階梯田集水區(qū)；將沉砂池內(nèi)原有的泥沙清理干凈，并量測每一沉砂池的體積及其上游控制的梯田集水區(qū)(產(chǎn)流產(chǎn)沙)面積。在每次降雨(有產(chǎn)流產(chǎn)沙)后，從每一沉砂池中取樣測定其泥沙含量[24]，近似作為田間土壤流失量。將每次測定數(shù)據(jù)合計后，結(jié)合沉砂池的集水區(qū)面積，推算出不同耕作方式梯田的單位面積土壤流失量(表2)。

表1　不同耕作方式梯田的基本情況

2.1.2土壤養(yǎng)分流失量估算利用沉砂池泥沙含量測定取得的泥沙樣品，采用土壤農(nóng)化分析法[25]測定其養(yǎng)分元素的含量。其中：有機質(zhì)(Organic Matter,OM)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定；水解氮(Hydrolyzable Nitrogen, AN)采用堿解擴散法測定；有效磷(Available Phosphorus,AP)采用鹽酸-硫酸浸提法測定；速效鉀(Available Potassium,AK)采用火焰光度計法。由此結(jié)合土壤流失量推算出不同耕作方式梯田的單位面積土壤養(yǎng)分流失量(表2)。

2.2土壤水文物理性能指標(biāo)測定

采用典型樣地試驗觀測法于2014年10月下旬，在坡改梯后不同耕作方式梯田田面上，分別選取9個試驗觀測樣點(3階梯田×3個樣點)，測定表層(0～20 cm)土壤水文物理性能指標(biāo)(表3)。利用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量[26]，采用單環(huán)滲透法測定原位土壤入滲速率[12]，利用環(huán)刀法(取原狀土)測定土壤孔隙度[26]，利用LS133320型激光粒度儀測定土壤顆粒分布的分形維數(shù)[27]。另外，在小流域內(nèi)選取2塊未經(jīng)治理的坡耕地(種植花生)做對照，每塊坡耕地面積500～600 m2，坡度約16°，土層厚度約30 cm。

表2　不同耕作方式梯田的土壤流失與養(yǎng)分流失量

2.3水土保持生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)計算

采用典型農(nóng)戶訪問調(diào)查與土壤流失量估算相結(jié)合的方法，在小流域內(nèi)通過典型農(nóng)戶訪問調(diào)查坡改梯后不同耕作方式梯田(表1)的單位面積作物(花生)與林果(蘋果)產(chǎn)量，每一耕作方式調(diào)查3家農(nóng)戶(計算平均值)，按市場單價(2014年)計算其單位面積經(jīng)濟產(chǎn)值。參考相關(guān)研究[28]定義的“生態(tài)經(jīng)濟耦合指數(shù)”，提出“水土保持生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)”Ec的概念與計算方法，計算公式為：

Ec=Eo/Se。

(1)

式中：Ec為田間單位面積作物或果樹的經(jīng)濟產(chǎn)值與土壤流失量的比值，元/t；Eo為單位面積經(jīng)濟產(chǎn)值，元/hm2；Se為單位面積土壤流失量，t/hm2。

Ec表示了田間土壤流失與經(jīng)濟產(chǎn)出的關(guān)系(單位土壤流失量下的經(jīng)濟產(chǎn)值)，即土壤流失量越小或經(jīng)濟值越大，則田間的Ec越大，亦即生態(tài)經(jīng)濟耦合效益越高，水土保持工程的實施效果越好。

3結(jié)果與分析

3.1不同耕作方式梯田的土壤與養(yǎng)分流失量

不同耕作方式梯田的田間土壤流失量和養(yǎng)分流失量差別明顯。若以埂坎耕作的坡耕梯田土壤流失量(15.45 t/hm2)為100%，則溝壟耕作的作物梯田和田間免耕的林果梯田土壤流失量(3.42和1.10 t/hm2)的相對值為22.1%和7.1%；若以坡耕梯田(埂坎耕作)的養(yǎng)分流失量為100%，則作物梯田(溝壟耕作)和林果梯田(田間免耕)不同養(yǎng)分(有機質(zhì)、K、P、N)流失量的相對值在23.7%～25.8%(平均24.8%)和8.0%～12.8%(平均9.6%)。上述結(jié)果(表2)說明，坡改梯工程實施后，采用田間免耕的方式對土壤及其養(yǎng)分流失的控制效果較好，明顯大于田間壟溝耕作的控制效果。相反地，若對梯田工程保護不利，梯田埂坎被破壞或開發(fā)耕作，會造成田間土壤和養(yǎng)分流失量的明顯加劇，例如，坡耕梯田(埂坎耕作)的土壤流失量是林果梯田(田間免耕)和作物梯田(溝壟耕作)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

坡改梯工程實施后，作物梯田(溝壟耕作)和林果梯田(田間免耕)均能明顯改善田間土壤水文物理性能，即試驗觀測的6項水文物理性能指標(biāo)值，相對坡耕地(順坡耕作)均有一定程度的提高。作物梯田和林果梯田對土壤顆粒分形維數(shù)、土壤毛管孔隙度和總孔隙度3項指標(biāo)的提高程度較大，相對坡耕地的提高程度都在30%以上，尤其對毛管孔隙度提高程度最大，達到40%以上。這表明，坡改梯工程能明顯提高田間土壤的粉黏粒等細粒物質(zhì)量(土壤顆粒分形維數(shù))和土壤的持水保水性能(毛管孔隙度)[25，27]。在田間免耕(林果梯田)和壟溝耕作(作物梯田)2種耕作方式梯田中，前者對土壤水文物理性能的提高程度大于后者。例如，若以坡耕地(順坡耕作)的土壤毛管孔隙度為100%，林果梯田(田間免耕)和作物梯田(溝壟耕作)的分別為148.0%和141.2%，前者比后者高出6.8%。相反，梯田工程遭受破壞后的田間埂坎耕作方式(坡耕梯田)，會明顯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總孔隙度，相對坡耕地(順坡耕作)土壤的100%為112.7%和110.2%，相比林果梯田(田間免耕)的分別下降了35.3%和27.4%。

表3　不同耕作方式的田間土壤水文物理性能指標(biāo)

3.3不同耕作方式梯田的生態(tài)經(jīng)濟耦合效果

如表4所示，坡改梯后不同耕作方式梯田的Ec有較大差別。田間種植花生時，埂坎耕作(坡耕梯田)的Ec(1 738元/t)是溝壟耕作(作物梯田)Ec(9 046元/t)的19%，即前者比后者降低了81%。田間免耕(林果梯田)的Ec(17萬727元/t)是溝壟耕作(作物梯田)Ec的18.87倍。這表明，坡改梯工程實施后，相對于田間壟溝種植作物(花生)的方式，采用田間免耕栽培林果(蘋果)大幅度提高了田間的水土保持生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)，即提高單位土壤流失量的經(jīng)濟產(chǎn)值或水土保持生態(tài)經(jīng)濟的耦合效果；而梯田破壞后的埂坎耕作方式(坡耕梯田)，明顯降低了田間的水土保持生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)。

表4　不同耕作方式梯田的水土保持生態(tài)經(jīng)濟效益指標(biāo)

注：1.Ey單位面積產(chǎn)量;2.蘋果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結(jié)論與討論

1)小流域坡耕地改造梯田(坡改梯)工程實施后，不同耕作方式對梯田工程的水土保持生態(tài)與經(jīng)濟效果具有明顯影響。梯田的田間免耕方式(林果梯田)在控制土壤流失和養(yǎng)分流失、改善土壤水文物理性能、提高水土保持生態(tài)經(jīng)濟耦合效果方面的作用，都明顯大于田間壟溝耕作方式(作物梯田)。而對田埂和田坎破壞后種植農(nóng)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態(tài)經(jīng)濟耦合效果明顯降低。

2)相關(guān)研究[7-11,26]表明：坡改梯工程在減少田間土壤流失、保持土壤養(yǎng)分、增加土壤水分、促進土壤入滲等生態(tài)效應(yīng)方面具有顯著作用；同時，在促進作物增產(chǎn)、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、增加農(nóng)民收入等方面具有明顯的促進作用。也有研究報道了梯田工程的實施效果與坡度的關(guān)系，得出地面坡度越大，坡改梯工程水土保持效果越明顯[8]。本研究與前人研究不盡相同，在坡改梯工程減少田間土壤流失量、土壤養(yǎng)分流失量、提高土壤水文物理性能、作物增產(chǎn)增收等方面結(jié)果趨勢相同；但筆者是針對具體的田間耕作方式進行的，為認識坡改梯工程實施的生態(tài)經(jīng)濟效果與田間耕作方式的關(guān)系提供了一定的調(diào)查依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

3)需要說明的是，研究中利用梯田排水溝沉砂池估測的土壤流失及養(yǎng)分流失量，還難以確切反映田間水土流失的實際情況：原因之一是沉砂池的體積有限，難以完全攔蓄暴雨或大雨時田間的全部徑流泥沙。例如，不能測定沉砂池蓄滿后流至下游的泥沙等，導(dǎo)致估測的土壤流失量偏低；因此，要更確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，還需要通過建立專門的對比試驗小區(qū)等方法，進行長期連續(xù)的定位觀測。本研究中對Ec的調(diào)查與計算，忽略了不同耕作方式之間經(jīng)濟投入或生產(chǎn)成本的差異。在考慮生產(chǎn)成本的情況下，不同耕作方式下Ec的結(jié)果會有所變化，這還需要做進一步的研究。另外，本研究的調(diào)查設(shè)計是基于現(xiàn)有坡改梯工程的配套措施(排水溝沉砂池等)及田間耕作方式進行的，因受其限制未能測算到坡耕地(順坡耕作)的土壤流失量和不同耕作方式梯田相同作物或果樹品種的Ec。

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(責(zé)任編輯：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?簡介： 張光燦(1963—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：植被重建與生態(tài)修復(fù)。E-mail：zhgc@sdau.edu.cn

作者簡介：第一 張松松(1988—)，女，碩士研究生。主要研究方向：植被重建與生態(tài)修復(fù)。E-mail：zhangsongsongwdy@126.com

收稿日期：2015-03-01修回日期： 2015-11-03

中圖分類號：S157.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3007(2015)06-0091-07