等高反坡臺(tái)階整地對(duì)坡耕地農(nóng)田耗水及水量平衡的影響

閆騰云, 王克勤, 趙洋毅, 冷 鵬, 陳 宇, 張 洋

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650224; 2.云南省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 昆明 650106)

坡耕地因多位于山區(qū)丘陵地帶且耕層淺、水土流失嚴(yán)重等特點(diǎn)，其蓄水保土保肥的管理難度更大[1-2]，水土流失是影響坡耕地土壤肥力下降的主要因素，水是坡耕地肥料保護(hù)的關(guān)鍵，將直接影響作物產(chǎn)量的高低[3-4]。目前，紅壤坡耕地的水土保持措施，種類很多[5-6]，但由于這些措施工程量大，造價(jià)高、勞動(dòng)力短缺，云南省內(nèi)地理?xiàng)l件復(fù)雜等問題，大面積普及推廣使用的難度較大[7-8]，應(yīng)全面評(píng)價(jià)適用性的基礎(chǔ)上，抓住坡耕地改造的主因，以提高坡耕地土壤肥力的關(guān)鍵因子——水分為前提，實(shí)施科學(xué)合理的措施[9-11]提升土壤的肥力。等高反坡階簡(jiǎn)易且更為實(shí)用，有合理用水和提高水分的利用效率的效果，是蓄水保土的重要農(nóng)業(yè)措施，在西南紅壤區(qū)有廣泛的使用。

已有研究證實(shí)[12-14]，整地類型能夠調(diào)整土壤蒸發(fā)和降雨、土壤水分變化量的比例關(guān)系而改變水分利用效率。前期大量研究已證實(shí)，等高反坡臺(tái)階整地在山區(qū)坡耕地能有效控制、攔截地表徑流，減少泥沙輸出，對(duì)土壤養(yǎng)分流失和面源污染控制具有重要作用，且其具有更適合西南土石山區(qū)坡耕地治理的顯著特點(diǎn)[15]。已有研究報(bào)道多集中在等高反坡階對(duì)泥沙中的氮、磷消減率呈現(xiàn)出提高的趨勢(shì)[16]，等高反坡階不僅具有較強(qiáng)攔蓄地表徑流，保墑保水的功能，而且導(dǎo)致地表徑流量與土壤流失量均相應(yīng)減少。關(guān)于不同整地方式對(duì)作物耗水及水量平衡的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了一些研究工作。劉曉燕等[17]研究了整地措施可以提升土壤水分的含量，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)；康玲玲[18]和韓曉陽(yáng)[19]等研究發(fā)現(xiàn)，梯田有攔截泥沙的作用，可以有效減少水土流失。根據(jù)前人的研究，作物的耗水過程受到農(nóng)作物類型及試驗(yàn)地的氣候條件影響較大。在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)等高反坡階紅壤農(nóng)田水量平衡還鮮有研究。

由于等高反坡階對(duì)土壤蒸發(fā)和作物蒸騰有不同的影響，因此需要采用合適的模型來分析等高反坡階條件下的蒸發(fā)和蒸騰。常用的雙源蒸散發(fā)模型包括分層模型、分塊模型，但是前兩種模型比較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)需要參數(shù)比較多，F(xiàn)AO推薦的雙作物系數(shù)法作為一種能有效計(jì)算土壤蒸發(fā)和作物蒸騰的方法，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，需要參數(shù)較少，并被證明是一種有效的估算方法[16]。

云南具有干濕季明顯，氣候獨(dú)特且雨季較集中、雨量較大的特點(diǎn)，作物耗水過程和水分利用受氣候因素及地形條件等影響顯著，因此，針對(duì)紅壤坡耕地實(shí)施等高反坡臺(tái)階措施下的作物和土壤蒸發(fā)以及農(nóng)田水量平衡研究，在相應(yīng)的措施影響下，進(jìn)一步了解作物水分利用結(jié)構(gòu)及規(guī)律，以期探討農(nóng)田作物產(chǎn)量的增加與耗水規(guī)律的關(guān)系。本文使用雙作物系數(shù)法及農(nóng)田水量平衡模型研究等高反坡階對(duì)作物耗水量、耗水結(jié)構(gòu)以及農(nóng)田水量平衡特征的影響，以期為坡耕地水土保持提供技術(shù)支撐和促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域，地理坐標(biāo)為24°14′43″—25°12′48″N，102°48′37″—102°44′51″E該流域?yàn)榈岢厮当P龍江一級(jí)支流源頭區(qū)，流域總面積21.56 km2，屬于低緯度高原山地季風(fēng)氣候，海拔為2 010～2 590 m，年均氣溫13.8℃，5—10月為雨季，降雨量平均為512 mm。該流域是典型的農(nóng)業(yè)小流域，該區(qū)域內(nèi)為紅壤，耕地面積約占25%，主要以坡耕地為主，種植農(nóng)作物為烤煙、大豆、玉米、馬鈴薯等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2017—2018年玉米生長(zhǎng)期進(jìn)行，總生育期為120 d，播種前田間初始水分含量接近田間持水量，能夠滿足玉米種子發(fā)芽和出苗的水分需求。

試驗(yàn)點(diǎn)選自昆明市松華壩水源區(qū)迤者小流域水土保持監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站內(nèi)有3塊坡耕地標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(圖1A)，坡度均為15°，分別編號(hào)為1#，2#，3#，其中2#，3#小區(qū)布設(shè)有2個(gè)反坡臺(tái)階，均位于同一斜坡上，1#小區(qū)為原始坡耕地，土壤為紅壤。反坡臺(tái)階為5°，階寬1.2 m(圖1B)，2條反坡臺(tái)階之間距離為7.5 m，3個(gè)小區(qū)的主要作物為玉米。試驗(yàn)地基本情況見表1。

圖1 徑流小區(qū)平面示意圖及反坡臺(tái)階剖面示意圖

表1 試驗(yàn)地基本概況

通過已標(biāo)定過的MiniTrase-6050X3時(shí)域反射儀(美國(guó)Soilmoisture公司生產(chǎn)TDR)在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)樣地的上、中、下位置按土壤0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm測(cè)定土壤的體積含水率，每月月初和月末測(cè)定2次，遇到降雨時(shí)在雨后實(shí)施加測(cè)。距離樣地23 m的空曠地已布設(shè)有Envidata-thies全自動(dòng)野外固定氣象站，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、輻射、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)，能夠滿足試驗(yàn)的需要。研究期間的降雨量如圖2所示。

圖2 2017年、2018年5-9月試驗(yàn)區(qū)降雨量

1.3 雙作物系數(shù)法

綜合作物系數(shù)Kc可以表示為作物蒸散量與參考作物蒸散量的比值，本研究采用FAO-56推薦的雙作物系數(shù)法[19]，可表示為

ET=Kc·ETo

(1)

ET=(Kcb+Ke)ETo

(2)

式中：ETo為參考作物需水量；Kc為綜合作物系數(shù)；Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù)；Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù)。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)化的FAO Penman-Monteith公式：

(3)

式中：ETo為參考作物需水量(mm/d);Rn為作物表面的凈輻射量[MJ/(m2·d)];G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T為平均氣溫(℃)；U2為2 m高處的平均風(fēng)速(m/s)；ex為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃);γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

1.4 基礎(chǔ)作物系數(shù)的確定

FAO-56通常將作物生長(zhǎng)期分為4個(gè)時(shí)期，分別為初期、發(fā)育期、中期以及后期，當(dāng)2 m高的平均風(fēng)速不等于2 m/s時(shí)，且基礎(chǔ)作物系數(shù)大于0.45時(shí)，必須根據(jù)空氣濕度、2 m高的風(fēng)速及作物高度進(jìn)行一定的調(diào)整。

(4)

式中：Kcb(tab)為一定條件下的中期或后期的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)作物系數(shù)；u2為2 m高處的日平均風(fēng)速(m/s)；RHmin為日平均最小相對(duì)濕度(%)；h為對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)階段內(nèi)作物的平均高度(m)。以上參數(shù)中，Kcb(tab)可以利用FAO-56的推薦值，最小相對(duì)濕度及2 m高處的日平均時(shí)速可以由小型氣象站得知，株高用手工測(cè)量。

1.5 土壤蒸發(fā)系數(shù)的確定

Ke是土壤蒸發(fā)部分。在降雨之后，土壤表層會(huì)相對(duì)濕潤(rùn)，此時(shí)Ke可達(dá)到最大值，隨著土壤水分的消退，土壤蒸發(fā)量也會(huì)減少，甚至降至為0，一般土壤蒸發(fā)可以表示為：

Ke=Kr(Kcmax-Kcb)≤fewKcmax

(5)

式中：Kcmax為降雨后作物系數(shù)的最大值；Kr為土壤蒸發(fā)衰減系數(shù)；few為蒸發(fā)的土壤和全部土壤的比例。

FAO-56推薦的Kcmax計(jì)算方法為：

(6)

一般認(rèn)為，土壤蒸發(fā)初始階段內(nèi)，由于充足的降雨水分，蒸發(fā)衰減系數(shù)Kr取為1；土壤蒸發(fā)消退階段內(nèi)，Kr需要根據(jù)土壤表層的每日水量平衡進(jìn)行計(jì)算，可表示為：

(7)

式中：De,i-1為累積蒸發(fā)深度(mm)；TEW為土壤表層的可蒸發(fā)深度(mm)；REW為土壤表面易蒸發(fā)的水量(mm)。當(dāng)De,i-1不超過易蒸發(fā)深度REW時(shí)，即為土壤蒸發(fā)的第1階段，Kr=1；當(dāng)De,i-1達(dá)到TEW時(shí)，Kr=0。

土壤蒸發(fā)的有效部分few的取值隨著作物的生長(zhǎng)，作物覆蓋率fc逐漸增大，土壤的蒸發(fā)面積比例1-fc會(huì)逐漸減小。而對(duì)于試驗(yàn)地的土壤，few可表示為：

few=min(1-fc,fw)

(8)

本次試驗(yàn)中采用降雨的方式灌溉，因此各個(gè)樣地fw設(shè)置為1。

1.6 水量平衡

農(nóng)田水量平衡是任意時(shí)段內(nèi)，來水量和出水量的結(jié)算。程立平等[14]對(duì)農(nóng)田水量平衡模型中的降雨量、徑流量、土壤水分變化量及蒸散發(fā)量等要素的相互關(guān)系進(jìn)行了論述。聶曉等[15-16]通過三江平原寒地稻田的農(nóng)田水量平衡模型，證實(shí)了土壤水分對(duì)水稻產(chǎn)量的影響。本次研究中使用的田間水量平衡模型將農(nóng)田水分變化以土壤水分變化量的形式表示出來。農(nóng)田水量平衡方程的表達(dá)式為：

ΔS=P-R-ET-Q

(9)

式中：ΔS為耕地蓄水量；P為降雨量；R為徑流量；ET為蒸散量；Q為根系層底部水分交換量。

農(nóng)田中的根系層底部水分交換量多用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即

Q=a(W/Wf)d(W-Wc)

(10)

式中：a，d為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；Wf為根系層田間持水量(mm)；Wc為根系層底部水分交換的臨界儲(chǔ)水量，主要受土壤性質(zhì)和地下水深影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分變化

通過對(duì)2017—2018年作物生長(zhǎng)期間試驗(yàn)地土壤體積含水率連續(xù)測(cè)定可知(圖3)，坡耕地布設(shè)反坡臺(tái)階后，0—40 cm各個(gè)土層的土壤水分均大于未布設(shè)的坡耕地。同一試驗(yàn)地中土壤水分量在不同的深度也存在一定的差異，其中以0—10 cm土層的最大，隨著土層的加深呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，降雨對(duì)表層土壤平均含水量有一定的影響，但對(duì)深層土壤影響不大。反坡臺(tái)階對(duì)各層次土壤水分的增加效果顯著，這表明反坡臺(tái)階措施對(duì)土壤水分的增加和保持具有較好的作用。

圖3 2017-2018年土壤水分變化規(guī)律

2.2 作物耗水過程分析

1#，2#，3#的玉米在不同的生長(zhǎng)階段時(shí)長(zhǎng)有所差異(表2)，表明等高反坡階能縮短玉米的初期生長(zhǎng)天數(shù)，延長(zhǎng)中期生長(zhǎng)天數(shù)。作物各階段的供水、耗水量及每日耗水量見表3。

表2 玉米各生長(zhǎng)階段時(shí)長(zhǎng) d

布設(shè)等高反坡階后，玉米的總耗水量降低。研究發(fā)現(xiàn)1#，2#，3#作物的耗水量呈現(xiàn)顯著差異(p<0.05)，2#，3#的坡耕地耗水普遍偏低，在2017年、2018年分別減少11.8%，9.7%，9.8%，7.5%，因此，本次試驗(yàn)中，等高反坡臺(tái)階起到了較好的蓄水、節(jié)水的效果。

布設(shè)等高反坡階條件下，兩年的初期階段的供水完全滿足耗水需求；發(fā)育階段，供水略大于耗水，中期階段作物的供水能滿足耗水，后期階段同中期階段相似?；?#，3#來看，供水基本滿足作物的耗水。而未布設(shè)的試驗(yàn)地，兩年的1#坡耕地供水不足主要出現(xiàn)在初期，發(fā)育期、中期、后期的供需關(guān)系和2#，3#的相似，相比于布設(shè)的作物，未布設(shè)條件下在前期供水不足的情況更加嚴(yán)重。

表3 玉米生長(zhǎng)期供水量、耗水量及每日耗水量 mm

注：表內(nèi)不同小寫字母表示差異達(dá)到0.05的顯著水平，下表同。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，作物在前期耗水速率最低，1#作物耗水速率為2.46，2.71 mm/d，2#，3#的作物耗水速率分別為0.97，1.03，1.09，1.17 mm/d，2#，3#的玉米的耗水速率相對(duì)減少60.6%，62%，58.1%，56.8%。發(fā)育期2#，3#，1#的玉米耗水速率及耗水量接近。在中期，2#，3#，1#的蒸散發(fā)速率達(dá)到或者接近峰值，所有樣地蒸散發(fā)速率為4.36～5.46 mm/d。后期2#，3#，1#的玉米耗水量為63.75～83.56 mm，樣地的耗水速率在2.90～5.35 mm/d。以2#，3#兩個(gè)處理對(duì)比為例，2017年作物各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的耗水量和耗水速率變化過程一致，然而，隨著降雨量的增加，中后期的耗水量受到較大的影響，耗水量及耗水速率分別增加了7.95～41.84 mm及0.7～0.94 mm/d。

2.3 作物蒸騰及土壤蒸發(fā)比較

1#，2#，3#樣地的蒸發(fā)E、蒸騰T見表4。2#，3#的E和T分別為108～135.68 mm，240～255 mm，1#的E和T分別是240，248，160.4，171.92 mm，研究發(fā)現(xiàn)1#，2#，3#的E和T呈現(xiàn)顯著差異(p<0.05)。等高反坡階可以有效減少作物土壤蒸發(fā)量，增加作物蒸騰量。2017年、2018年1#的作物蒸騰量占總耗水的39.7%，40.9%，2#，3#的T/ET分別為69.7%，64.4%，68.2%，65.1%，相對(duì)于1#提高了28.7%～30.1%。所以，等高反坡階提高了全發(fā)育期的作物蒸騰比例。

表4 2017-2018年布設(shè)和未布設(shè)等高反坡階處理下土壤蒸發(fā)量和作物蒸騰

2.4 作物系數(shù)比較

圖4比較了1#和2#樣地的玉米基礎(chǔ)作物系數(shù)與土壤蒸發(fā)系數(shù)。經(jīng)過公式(4)調(diào)整后，2017年1#的初期、中期、后期基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為0.13，1.03，0.46，2#的基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為0.16，1.15，0.5，2018年1#的初期、中期、后期基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為0.15，1.13，0.48，2#的基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為0.19，1.19，0.55(圖4A)，布設(shè)條件下，基礎(chǔ)作物系數(shù)在各個(gè)階段都有所提高，且布設(shè)措施的樣地生長(zhǎng)后期作物系數(shù)降低緩慢，說明布設(shè)反坡階措施后能夠延長(zhǎng)作物的結(jié)果實(shí)時(shí)間，有利于提高作物產(chǎn)量。本次試驗(yàn)中，2017年、2018年2#的玉米提前6 d左右進(jìn)入發(fā)育期；在中期，2#的玉米保持更久的旺盛時(shí)期，相對(duì)于1#延長(zhǎng)了近10 d左右。2017年、2018年等高反坡階能夠有效降低土壤蒸發(fā)系數(shù)Ke，并使Ke相對(duì)平穩(wěn)(圖4B)。

圖4 基礎(chǔ)作物系數(shù)及土壤蒸發(fā)系數(shù)

從圖4B可以看出，等高反坡階可以有效地減少土壤蒸發(fā)，并且使土壤蒸發(fā)系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。多數(shù)時(shí)候，布設(shè)的樣地土壤蒸發(fā)系數(shù)比較小，尤其在前期、發(fā)育期和后期，土壤蒸發(fā)系數(shù)明顯降低。布設(shè)和未布設(shè)樣地最大土壤蒸發(fā)系數(shù)分別為0.89，1.23，等高反坡階條件下相對(duì)下降27.6%。

2.5 農(nóng)田水量平衡分析

農(nóng)田水量平衡因子中的土壤水分變化情況見表5。由于試驗(yàn)地沒有進(jìn)行灌溉處理，所以試驗(yàn)地的所有水分供應(yīng)量來源為降雨。從表中可以看出，除去初始和最后的土壤水分變化，得到的土壤水分利用量以及根系層底部水分交換量，2#，3#樣地大于1#樣地，說明等高反坡階能在一定程度上提高土壤水分的利用效率。

3 討 論

3.1 等高反坡階對(duì)作物耗水總量的影響

已有研究表明，整地措施對(duì)農(nóng)田作物耗水總量的研究中，多數(shù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整地措施可以減少作物的蒸騰量，改善土壤水分條件，增加作物的產(chǎn)量[18]，彭正凱等[8]發(fā)現(xiàn)不同的耕作措施能減少土壤的蒸發(fā)和作物的耗水量。本次試驗(yàn)中，等高反坡階可以降低作物7%～12%的耗水，與前人研究一致。但是也有部分學(xué)者指出，不同的整地措施可能會(huì)造成更大的耗水，趙引等[9]發(fā)現(xiàn)覆膜使作物有了更大的葉面積指數(shù)，增加作物的蒸騰量。本次試驗(yàn)中，等高反坡階減少了土壤的蒸發(fā)量和耗水量，但在不同的地區(qū)，布設(shè)等高反坡階的作物可能增加蒸騰量和耗水量。因此需要在不同的地區(qū)對(duì)等高反坡階是否能減少作物的總耗水量進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表5 2017-2018年農(nóng)田水量平衡分析結(jié)果 mm

3.2 等高反坡階對(duì)作物耗水過程的影響

目前，作物的耗水過程呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，曹艷等[2]研究發(fā)現(xiàn)，整地措施可以使土壤前期儲(chǔ)存更多的水分，供作物生長(zhǎng)利用。本次研究中，作物的耗水量及每日耗水量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，與前人研究一致。對(duì)全生育期供水及耗水關(guān)系的分析可以看出，布設(shè)的作物水分供應(yīng)充足，未布設(shè)的作物水分不足主要出現(xiàn)在前期，前期供水不足更有可能影響未布設(shè)的樣地作物，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

3.3 等高反坡階對(duì)作物耗水結(jié)構(gòu)和土壤水分的影響

國(guó)內(nèi)大多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，整地措施可以有效減少土壤蒸發(fā)。曹雪[4]研究發(fā)現(xiàn)不同的整地措施能降低土壤蒸發(fā)，提升土壤水分。由表4可以看出，等高反坡階增加了作物的蒸騰量(80～95 mm)，且顯著提升作物的蒸騰比例(28.8%～30%)，此外，土壤蒸發(fā)受等高反坡階的影響比較大，這是由于等高反坡階促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，減少土壤的蒸發(fā)，因此，可以減少土壤的蒸發(fā)量和增加作物的蒸騰比例?；趫D3，可以發(fā)現(xiàn)坡耕地布設(shè)反坡臺(tái)階后，0—40 cm各個(gè)深度處土壤水分量大于未布設(shè)的坡耕地。反坡臺(tái)階對(duì)各層次土壤水分的增加效果顯著，這表明反坡臺(tái)階對(duì)土壤水分的增加有一定的作用。

3.4 等高反坡階對(duì)作物系數(shù)和生育期的影響

基于圖4A，可發(fā)現(xiàn)本次研究得到的基礎(chǔ)作物系數(shù)中，未布設(shè)樣地的作物系數(shù)小于布設(shè)的基礎(chǔ)系數(shù)。就等高反坡階對(duì)作物的全生育期來看，本次研究中等高反坡階促使玉米更早進(jìn)入發(fā)育期，中期延長(zhǎng)了生長(zhǎng)階段，延緩了后期的生長(zhǎng)周期，進(jìn)而可以提升玉米的產(chǎn)量，這是由于等高反坡階導(dǎo)致的差異性。本研究中的參數(shù)在2017年、2018年得到很好的驗(yàn)證，還需要進(jìn)行更多的研究，證明該研究的適用性。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)期布設(shè)等高反坡階可有效減少作物的7%～12%的耗水，改善作物的耗水結(jié)構(gòu)。從2017—2018年全生育期供水及耗水關(guān)系研究可知，兩年的初期階段的供水完全滿足耗水需求；發(fā)育階段，供水略大于耗水，中期階段作物的供水能滿足耗水，后期階段同中期階段相似。等高反坡階措施可以有效增加作物的蒸騰量，減少土壤的蒸散發(fā)，且能夠顯著增加作物的蒸騰比例，提高土壤水分含量，更好地促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。布設(shè)等高反坡臺(tái)階措施下，基礎(chǔ)作物系數(shù)在各個(gè)生長(zhǎng)階段都有所提高，且布設(shè)有措施的試驗(yàn)地后期作物系數(shù)降低緩慢，說明等高反坡階能促使玉米更早進(jìn)入發(fā)育期，延長(zhǎng)了生長(zhǎng)中、后期的結(jié)實(shí)時(shí)間，有利于提高產(chǎn)量。因此，等高反坡臺(tái)階措施不僅能有效地減少坡耕地土壤水分的流失，且能較好的改善作物的用水結(jié)構(gòu)，為坡耕地水土保持和提高產(chǎn)量提供有效幫助。