黑土區(qū)寬壟和窄壟耕作的順坡坡面土壤侵蝕對比

王 磊，師宏強(qiáng)，劉 剛，2，鄭粉莉，2※，覃 超，張勛昌，張加瓊,2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌712100；3.美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局牧草地實(shí)驗(yàn)室，厄爾雷諾73036）

0 引言

壟作是一種非常普遍的耕作方式，具有保土溫、提高水分利用效率和作物產(chǎn)量等多方面優(yōu)勢[1-3]。東北黑土區(qū)地形多為漫川漫崗地，受農(nóng)戶地塊不連續(xù)的影響，以橫坡壟作為主的保護(hù)性耕作措施不能得到很好的應(yīng)用，進(jìn)而致使順坡壟作、斜坡壟作等成為最普遍的耕作方式[4-5]。順坡壟作通常被認(rèn)為會加劇坡面水流匯集，而機(jī)械犁耕下的壟丘相對較為疏松，土壤抗侵蝕能力較弱，因此在強(qiáng)降雨條件下往往會造成嚴(yán)重的坡面土壤侵蝕[5-6]。

窄壟也稱小壟，一般指寬度為30～70 cm 的較小規(guī)格壟丘，壟上一般僅種植一行作物[7-8]。寬壟也稱大壟，是在20世紀(jì)90年代引進(jìn)美國大豆平作密植的基礎(chǔ)上，與我國傳統(tǒng)壟作模式相結(jié)合而形成的[9]。經(jīng)過多年的發(fā)展改進(jìn)，逐步形成了寬度為90～140 cm 的不同規(guī)格壟丘，壟上一般種植2～6 行作物[8-11]。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在中國東北黑土區(qū)，大型農(nóng)機(jī)具耕作的集約化經(jīng)營農(nóng)場，寬壟耕作方式已得到大面積推廣。王慶杰等[10]認(rèn)為寬壟耕作方式能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤蓄水保水能力，是東北黑土區(qū)一種較理想的保護(hù)性耕作技術(shù)。汪順生等[11]研究表明，與常規(guī)種植模式相比，寬壟種植模式下小麥水分生產(chǎn)效率最高，產(chǎn)能最優(yōu)。韓毅強(qiáng)等[8]通過對比寬壟和窄壟2種耕作方式，認(rèn)為寬壟處理可以有效提高0～20 cm 耕層土壤含水量，同時(shí)增加光照強(qiáng)度和玉米產(chǎn)量。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同壟作方式下坡面土壤侵蝕特征進(jìn)行了大量研究[5-6,12-14]，而對寬壟耕作方式的研究大多局限于作物產(chǎn)量、土壤水熱變化等[15-18]，針對順坡寬壟耕作的坡面土壤侵蝕定量研究鮮見報(bào)道，而分析寬壟耕作對坡面土壤侵蝕阻控作用將對黑土資源保護(hù)和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。鑒于此，本文基于野外大型坡面徑流場觀測數(shù)據(jù)和室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)資料，對比分析東北黑土區(qū)農(nóng)耕地順坡寬壟和窄壟耕作的坡面土壤侵蝕，評價(jià)順坡寬壟耕作的防蝕效應(yīng)，以期為中國黑土資源保護(hù)和減少農(nóng)耕地水土流失提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省克山縣城西北糧食溝流域（125°49'48"E，48°3'52″N），屬于典型中層黑土區(qū)[19]。地形總體趨勢為東北高、西南低，從丘陵起伏的山脈向漫川漫崗的平原過渡，平均海拔236.9 m，農(nóng)田地面坡度大多在1°～7°之間?？松娇h屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.4 ℃，降雨集中在6—9 月份，年平均降水量500 mm，雨熱同期。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 野外大型自然坡面徑流場布設(shè)

在克山縣糧食溝流域農(nóng)耕地上建立了長緩坡大型自然坡面徑流場2個(gè)，其分別為320 m（長）×3 m（寬）順坡寬壟坡耕地和320 m（長）×2 m（寬）順坡窄壟坡耕地，二者地形條件完全相似，地面坡度變化于2°～7°。根據(jù)當(dāng)?shù)貙拤藕驼瓑乓?guī)格，選取的順坡寬壟壟高為15 cm，壟間距110 cm，壟丘頂寬70 cm；順坡窄壟壟高15 cm，壟間距65 cm，壟丘頂寬20 cm（圖1）。在每個(gè)徑流場出口處安裝xyz-2型徑流泥沙自動收集裝置一套，實(shí)時(shí)監(jiān)測次降雨下2 個(gè)大型坡面徑流場的徑流和侵蝕過程；并安裝美國Onset Computer Corporation 公司生產(chǎn)的HOBO 氣象站進(jìn)行天然降雨過程的觀測。

圖1 野外徑流場順坡寬壟和順坡窄壟坡面照片F(xiàn)ig.1 Photos of wide and narrow longitudinal ridge tillage runoff plots

1.2.2 室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)

室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行，順坡寬壟供試土槽規(guī)格為8 m（長）×2.2 m（寬）×0.6 m（深），順坡窄壟供試土槽規(guī)格為8 m（長）×1.3 m（寬）×0.6 m（深）。模擬降雨系統(tǒng)選用側(cè)噴式降雨系統(tǒng)，降雨高度18 m，降雨均勻度大于80%。根據(jù)東北黑土區(qū)侵蝕性降雨特征[20]，造成嚴(yán)重土壤侵蝕的降雨強(qiáng)度變化于23.4～103.2 mm/h，降雨歷時(shí)介于20～80 min，因此設(shè)計(jì)模擬降雨強(qiáng)度為50、75 和100 mm/h，降雨歷時(shí)60 min。基于東北黑土區(qū)順坡壟作改為橫坡壟作的臨界坡度[4]，設(shè)計(jì)試驗(yàn)坡度為5°。

供試土壤為采集于野外徑流場旁邊的0～20 cm耕層黑土，其砂粒（＞50 μm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.7%，粉粒（2～50 μm）為48.7%，黏粒（＜2 μm）為40.6%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為37.2 g/kg（重鉻酸鉀—外加熱法）。設(shè)計(jì)順坡寬壟和順坡窄壟（圖2）規(guī)格與野外坡面徑流場一致。模擬降雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)降雨強(qiáng)度、2個(gè)壟作方式的6個(gè)試驗(yàn)處理，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)2個(gè)重復(fù)，共計(jì)試驗(yàn)處理12次。每場次模擬降雨試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)土槽重新填土制作順坡寬壟或順坡窄壟坡面。

圖2 室內(nèi)模擬順坡寬壟和順坡窄壟坡面照片F(xiàn)ig.2 Photos of wide and narrow longitudinal ridge tillage of laboratory simulation experiments

1.3 試驗(yàn)步驟和方法

對于野外2個(gè)大型自然坡面徑流場，坡面徑流泥沙自動收集裝置為哈爾濱柏亮科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的xyz-2型無動力水土流失過程自動監(jiān)測裝置，徑流收集為翻斗式。每場次侵蝕性降雨結(jié)束后，導(dǎo)出數(shù)據(jù)采集器中的徑流量數(shù)據(jù)，并收集自動取樣瓶中的泥沙，同時(shí)重新更換取樣瓶，以便下次觀測。將采集的徑流泥沙樣帶入室內(nèi)，量取每個(gè)取樣瓶中徑流泥沙樣品質(zhì)量，然后將采集的徑流泥沙樣放入105 ℃的烘箱烘干稱質(zhì)量，計(jì)算含沙濃度和侵蝕量。

對于室內(nèi)模擬試驗(yàn)，根據(jù)野外測定的犁底層和耕作層的土壤容重分別裝填試驗(yàn)土槽。為保持野外采集的耕層土壤的原有結(jié)構(gòu)，對供試土壤采用不過篩、不研磨處理，僅剔除秸稈、根系等雜物，并將大土塊按照自然節(jié)理分成稍小的土塊用于裝填土槽[13,21-23]。土槽底部裝填5 cm厚的細(xì)沙作為透水層，沙層之上填裝15 cm 厚，土壤容重為1.3 g/cm3的犁底層和20 cm 厚，土壤容重為1.2 g/cm3的耕作層，采用分層填土法，每5 cm 為一層，耕作層填土完成后按照壟高15 cm、壟間距為65 cm 制作順坡窄壟，按照壟高15 cm、壟間距110 cm 制作順坡寬壟。試驗(yàn)前一天，用紗網(wǎng)覆蓋土槽，用30 mm/h降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨至坡面產(chǎn)流為止，之后靜置12 h開始正式降雨；徑流泥沙觀測采用人工定時(shí)采集各時(shí)段的徑流泥沙全樣。每場次試驗(yàn)結(jié)束后重新裝填土槽并修建順坡寬壟和順坡窄壟，模擬降雨試驗(yàn)步驟和徑流泥沙觀測與文獻(xiàn)[6]一致。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013 軟件進(jìn)行徑流泥沙數(shù)據(jù)處理和降雨重現(xiàn)期計(jì)算，SPSS 23.0 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，采用Matlab 2013a 軟件進(jìn)行三維曲面圖制作和方程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕性降雨特征

2018 年度收集侵蝕性降雨資料5 場次，次降雨量均＞20 mm/h，次侵蝕性降雨量變化為22.6～67.8 mm，對應(yīng)的最大30 min 降雨強(qiáng)度（I30）變化于10.8～35.2 mm/h。該5 場次降雨均具有雨量較大，降雨歷時(shí)較短，I30較大的特征，降雨特征符合東北黑土區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)[24]，具有較強(qiáng)的代表性（表1）?；诳松娇h1961—2014年日降雨觀測資料，采用Pearson-Ⅲ概率分布推算各次降雨的重現(xiàn)期[25]，得出P1 場次降雨為三年一遇的侵蝕性強(qiáng)降雨，P2～P5均為一年一遇降雨。

表1 2018年次侵蝕性降雨特征Table 1 Erosive rainfall characteristics in 2018

2.2 順坡寬壟和順坡窄壟耕作的次降雨坡面徑流侵蝕對比

表2表明，5場次侵蝕降雨下順坡寬壟徑流量和侵蝕量分別介于1.1～13.2 mm 和3.0～188.3 t/km2，順坡窄壟坡面徑流量和侵蝕量分別介于3.4～30.6mm和25.4～562.6t/km2。順坡窄壟坡面徑流量和侵蝕量分別是順坡寬壟坡面徑流量和侵蝕量的2.1～3.3 倍和2.8～10.4 倍。此結(jié)果表明，在相同降雨條件下，順坡寬壟耕作較之順坡窄壟可減少坡面徑流量和侵蝕量分別為51.3%～70.0%和64.4%～90.4%，其減少幅度受降雨特征的影響。當(dāng)PI30為430～605時(shí)和1520～1708時(shí)，順坡寬壟較窄壟的坡面土壤侵蝕量分別減少74.8%～90.4%和64.4%～66.5%。通過對比2個(gè)壟作方式的坡面徑流系數(shù)，發(fā)現(xiàn)順坡窄壟坡面在5 場次侵蝕性降雨下的徑流系數(shù)均大于順坡寬壟坡面，其原因可能是單位面積順坡窄壟坡面擁有比順坡寬壟坡面多的壟溝，每條壟溝都成為一個(gè)小型集水區(qū)，這些集水區(qū)促使了坡面徑流的匯集。此外，由于寬壟壟丘平面面積較大且壟丘與壟溝間的橫向比降小，因此壟丘向壟溝方向的徑流匯集速率小于窄壟，雨水在壟丘上的滯留時(shí)間相對較長，從而導(dǎo)致降水入滲率大于窄壟坡面。特別是P1和P3 的2 場次降雨下，順坡窄壟坡面的徑流系數(shù)分別達(dá)到45.1%和53.7%；造成徑流系數(shù)較大的原因主要是該2場次降雨的I30均較大，分別為25.2 和35.2 mm/h，短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨降低了入滲作用，尤其是順坡窄壟坡面多條壟溝的匯水作用也加快了地表徑流過程。2 個(gè)壟作坡面的平均含沙濃度變化特征與徑流量、徑流系數(shù)和侵蝕量變化趨勢一致，順坡寬壟坡面的平均含沙濃度為順坡窄壟坡面的0.5 倍。對于該5 場次侵蝕性降雨，順坡寬壟和順坡窄壟的坡面累積徑流量分別為28.3 和65.8 mm，二者相對應(yīng)的坡面累積侵蝕量分別為364.1和1100.5 t/km2，說明順坡寬壟耕作較之順坡窄壟分別減少56.8%坡面徑流量和66.9%坡面侵蝕量。

表2 順坡寬壟和順坡窄壟耕作的坡面徑流量、徑流系數(shù)、侵蝕量和含沙濃度對比Table 2 Comparisons of runoff,runoff coefficient,soil loss and sediment concentration under wide and narrow longitudinal ridge tillage

2.3 順坡寬壟和順坡窄壟坡面侵蝕量與徑流量和PI30的關(guān)系

降雨侵蝕力因子是影響坡面土壤侵蝕速率的重要指標(biāo)[26]，有研究表明EI30與PI30(P指次雨量)之間高度線性相關(guān),在降雨能量E不易獲得的情況下，PI30可以代替EI30來表征降雨侵蝕力因子[27-28]。為此，這里分析了PI30對2種耕作方式下坡面徑流量和侵蝕量的影響，結(jié)果表明2種壟作坡面侵蝕量與徑流量和PI30均呈顯著或極顯著正相關(guān)（表3）。進(jìn)一步分析表明，2種壟作坡面侵蝕量與徑流量均呈極顯著正相關(guān)，這與前人在不同地區(qū)的研究結(jié)果相似[29-30]。

表3 順坡寬壟和順坡窄壟耕作的侵蝕量與徑流量和PI30的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlations among soil loss,runoff and PI30 under wide and narrow longitudinal ridge tillage

通過Matlab 2013a 軟件進(jìn)一步分析侵蝕量與PI30和徑流量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)2 種壟作坡面侵蝕量皆隨著徑流量和PI30的增加而增大，但增加幅度有所差異，其中順坡窄壟坡面的侵蝕量隨徑流量和PI30的增加幅度明顯大于順坡寬壟坡面。順坡寬壟和順坡窄壟坡面侵蝕量與PI30呈冪函數(shù)關(guān)系，而坡面侵蝕量與徑流量呈線性關(guān)系（圖3）。

圖3 順坡寬壟和順坡窄壟坡面侵蝕量與徑流量和PI30的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil loss,runoff and PI30under wide and narrow longitudinal ridge tillage

3 討論

順坡壟作通過改變地表形態(tài)和匯流過程進(jìn)而影響坡面土壤侵蝕，壟溝可以加速坡面水流的匯集，進(jìn)而加劇坡面土壤侵蝕。東北黑土區(qū)較為普遍的順坡窄壟耕作方式，一方面導(dǎo)致單位面積壟溝條數(shù)較多，而每一條壟溝均為一個(gè)小型集水區(qū)，為徑流的匯集提供了更多的路徑；另一方面，壟丘與壟溝之間的坡度相對較大（30°～60°），加之壟丘土壤容重較?。?.0～1.2 g/cm3），壟溝兩側(cè)的壟丘邊坡為徑流提供了豐富的泥沙來源。與順坡窄壟相比，順坡寬壟耕作的單位面積壟溝條數(shù)減少，壟丘頂部平坦，壟丘與壟溝之間的橫向比降小于順坡窄壟（圖1和圖2），削弱了側(cè)方匯水能量，使坡面徑流量和侵蝕量均有所減小。降雨雨型決定PI30的大小，野外觀測條件下大多數(shù)降雨類型為長歷時(shí)、低強(qiáng)度的中小型降雨，造成的坡面土壤侵蝕也相對較小，罕見降雨量和降雨強(qiáng)度均較大的短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨，而較嚴(yán)重的土壤侵蝕多發(fā)生在這種極端降雨條件下[20]。順坡寬壟和窄壟耕作的坡面侵蝕量與徑流量、PI30分別呈現(xiàn)出線性關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系，這是由于在PI30較小時(shí)，即降雨量或降雨強(qiáng)度較小，在野外長緩坡農(nóng)地，坡面徑流能量小，所造成的土壤侵蝕較弱；而當(dāng)PI30較大時(shí)，如短歷時(shí)高強(qiáng)度的暴雨，坡面徑流瞬時(shí)能量大，所造成的坡面土壤侵蝕急劇增加，這與前人的研究結(jié)果類似[31-33]。

室內(nèi)模擬試驗(yàn)可進(jìn)一步解釋順坡寬壟和窄壟耕作對坡面徑流侵蝕的影響（表4）。在50、75和100 mm/h 的3種降雨強(qiáng)度下，2種壟作模式的坡面土壤侵蝕變化與野外觀測結(jié)果相似，即順坡寬壟坡面的侵蝕量明顯小于順坡窄壟，前者坡面侵蝕量較后者坡面侵蝕量減少了33.2%～57.9%。而在3個(gè)降雨強(qiáng)度下，順坡寬壟和窄壟坡面徑流變化規(guī)律與野外觀測結(jié)果有差異，其中在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡寬壟坡面的徑流量較之順坡窄壟減少了14.8%，在75 mm/h降雨強(qiáng)度下，二者的徑流量基本相同，在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡寬壟坡面的徑流量較之順坡窄壟增加了26.8%。其原因是正式模擬降雨試驗(yàn)前進(jìn)行的前期降雨所造成的，即正式試驗(yàn)前一天，用30 mm/h降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨至坡面產(chǎn)流為止，導(dǎo)致土壤水分基本處于飽和狀態(tài)。而野外坡面由于前期降雨以及匯流面積和地表糙度等因素的影響，導(dǎo)致其與室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)的結(jié)果有所差異。

表4 室內(nèi)模擬試驗(yàn)的順坡寬壟和順坡窄壟坡面徑流量與侵蝕量Table 4 Runoff and soil loss of wide and narrow longitudinal ridge tillage in laboratory simulation experiments

圖4 表明，基于野外坡面徑流場觀測和室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)的2 種壟作坡面侵蝕量與徑流量均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系（R2＞0.81），通過對該線性方程進(jìn)行趨勢預(yù)測，可以看出基于野外觀測的順坡寬壟坡面侵蝕量隨徑流量的增加幅度小于順坡窄壟坡面，這與室內(nèi)模擬試驗(yàn)的結(jié)果一致。室內(nèi)模擬試驗(yàn)和野外徑流場觀測結(jié)果均表明寬壟耕作較之窄壟耕作可減少坡面土壤侵蝕，具有較好的防蝕效應(yīng)。

大多數(shù)研究結(jié)果均表明寬壟耕作可以有效提高單位面積作物產(chǎn)量，主要表現(xiàn)為種植密度的增加[7]，東北黑土區(qū)的研究也表明大壟（寬壟）雙行耕作方式比傳統(tǒng)窄壟耕作玉米產(chǎn)量提高了6.70%～9.49%[10]。目前，寬壟耕作方式在大型集約化農(nóng)場應(yīng)用比較廣泛，而尚未普及到個(gè)體農(nóng)戶，原因可能是農(nóng)戶缺少大型機(jī)械，現(xiàn)有農(nóng)機(jī)具較小且適用于傳統(tǒng)窄壟耕作方式，窄壟耕作普適性較高。因此，今后在個(gè)體農(nóng)戶中普及寬壟耕作方式可望在提高單位面積產(chǎn)量的同時(shí)，也有效減少坡面土壤侵蝕，有利于黑土資源的保護(hù)。

圖4 野外觀測和室內(nèi)模擬條件下順坡寬壟和順坡窄壟坡面侵蝕量與徑流量的關(guān)系Fig.4 Relationship between runoff and soil loss of wide and narrow longitudinal ridge tillage under field observation and laboratory simulation

4 結(jié) 論

1）野外大型自然坡面徑流場觀測條件下，順坡寬壟相較于順坡窄壟可以有效減少坡面徑流量和侵蝕量。與順坡窄壟坡面相比，順坡寬壟坡面徑流量和侵蝕量分別減少51.3%～70.0%和64.4%～90.4%。同樣，在室內(nèi)模擬降雨條件下，在50、75和100 mm/h 的3種降雨強(qiáng)度下，順坡寬壟較之順坡窄壟的坡面侵蝕量減少33.2%～57.9%。

2）野外次降雨條件下順坡寬壟和窄壟坡面侵蝕量與徑流量和降雨侵蝕力PI30皆呈顯著正相關(guān)關(guān)系，2 種壟作方式下坡面侵蝕量皆隨PI30的增大呈冪函數(shù)增加，但順坡窄壟坡面侵蝕量的增大幅度大于順坡寬壟坡面，順坡寬壟較之于順坡窄壟減少坡面侵蝕量的比例隨PI30的增大而呈降低趨勢。與順坡窄壟相比，當(dāng)PI30為430～605時(shí)，順坡寬壟坡面侵蝕量減少74.8%～90.4%，當(dāng)PI30為1520～1708 時(shí)，順 坡 寬 壟 坡 面 侵 蝕 量 減 少64.4% 和66.5%。

3）順坡寬壟耕作可以減少單位面積壟溝的數(shù)量和徑流匯集路徑，進(jìn)而減少坡面徑流量。野外大型自然坡面徑流場觀測和室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)結(jié)果均表明順坡寬壟相較于傳統(tǒng)窄壟耕作具有較好的防蝕效果，是一種值得推廣的耕作模式。