不同水保措施下紅壤坡耕地淺層土壤水分含量對(duì)降雨的響應(yīng)

鄭太輝,湯崇軍,徐銘澤,蔡袁海,陳曉安

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院,南昌 330029;2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330029)

坡耕地(Slope farmland )是紅壤丘陵山區(qū)非常重要的土地資源之一，具有水、熱、光資源相當(dāng)豐富等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著重要的作用[1]。紅壤坡耕地所在區(qū)域通常降雨強(qiáng)度較大且比較集中，且表現(xiàn)出季節(jié)分布不均勻的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致該區(qū)域經(jīng)常發(fā)生季節(jié)性干旱或洪澇災(zāi)害等異常天氣，與此同時(shí)，紅壤質(zhì)地偏黏性，其有效水庫(kù)容總體偏小，蓄水能力也不強(qiáng)，這些都嚴(yán)重威脅著紅壤丘陵山區(qū)的糧食生產(chǎn)安全[2]。因此，如何有效改善紅壤物理性質(zhì)，提高土壤蓄水保墑性能是應(yīng)對(duì)紅壤丘陵區(qū)季節(jié)性干旱，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

研究表明，稻草覆蓋(Straw mulching)、施用有機(jī)肥(Organic fertilization)或添加保水劑等一些措施都可以不同程度上起到對(duì)土壤物理性質(zhì)如土壤蓄水能力的改善作用[1,3-7]。林麗蓉等[3]通過(guò)研究紅壤旱坡地水力性質(zhì)及水分狀況對(duì)稻草覆蓋的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)，采用稻草覆蓋后土壤的持水性及有效水庫(kù)容均得到顯著提高，土壤入滲能力顯著增加，紅壤表層飽和導(dǎo)水率在雨季的降低幅度，從而對(duì)紅壤保水抗旱能力起到有效促進(jìn)作用。王曉娟等[4]通過(guò)研究旱地土壤水分和玉米產(chǎn)量對(duì)有機(jī)肥使用的響應(yīng)，指出有機(jī)肥使用量為中等水平時(shí)，旱地土壤蓄水保墑能力提高及玉米產(chǎn)量提升效果最明顯。保水劑可以有效調(diào)節(jié)土壤三相(土粒、土壤水分及土壤空氣)的比例及分布情況，從而有效降低土壤容重、增加孔隙數(shù)量并改善其分布狀況，顯著提高土壤保水、保肥功能[6-7]。

綜上可知，關(guān)于稻草覆蓋、施用有機(jī)肥或保水劑等措施的保水效益已有報(bào)道，但研究主要通過(guò)取樣后進(jìn)行相關(guān)理化指標(biāo)測(cè)試，對(duì)比不同措施下土壤含水量大小。而關(guān)于次降雨過(guò)程中采取不同措施的紅壤坡耕地小區(qū)土壤水分含量變化規(guī)律的原位對(duì)比研究還較少。鑒于此，本文通過(guò)開(kāi)展人工降雨模擬試驗(yàn)，對(duì)比研究次降雨過(guò)程中經(jīng)稻草覆蓋、施用有機(jī)肥或保水劑等措施處理的紅壤坡耕地小區(qū)淺層土壤水分含量變化規(guī)律，闡明措施對(duì)土壤水分變化規(guī)律的影響，為紅壤丘陵區(qū)土壤水分持續(xù)高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5—9月在江西省水土保持生態(tài)科技園進(jìn)行。該科技園地處江西省北部的德安縣燕溝小流域，小流域面積約80 hm2。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1 350.9 mm，降水年內(nèi)分布不均，主要集中在6—9月，且多以暴雨形式出現(xiàn)，多年平均氣溫16.7℃。地貌為淺丘崗地，海拔30～100 m，坡度5°～25°;成土母質(zhì)以第四紀(jì)紅黏土為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理:常規(guī)耕作(對(duì)照)、有機(jī)肥+常規(guī)耕作、稻草覆蓋+深翻耕、保水劑+常規(guī)耕作，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行。種植作物為紅壤丘陵區(qū)坡耕地最主要的農(nóng)作物花生。

試驗(yàn)采用規(guī)格為長(zhǎng)2 m×寬1 m×高0.6 m的土槽進(jìn)行。土槽坡度均設(shè)置為10°。土槽底部填筑3 cm厚度的粗砂，粗砂上覆蓋一層土工布，再填筑過(guò)10 cm篩的第四紀(jì)紅黏土。3—25 cm(以底板為基準(zhǔn)計(jì)算)填筑土壤容重控制在1.44 g/cm3;25—45 cm(以底板為基準(zhǔn)計(jì)算)填筑土壤容重分別控制為1.32 g/cm3(常規(guī)耕作措施),1.15 g/cm3(深翻措施);45—65 cm填筑土壤容重控制為1.15 g/cm3。填土過(guò)程按照10 cm一層分層填土。采用稻草覆蓋+深翻耕措施的土槽在花生播種覆土后按播種順序方向均勻覆蓋稻草，覆蓋量為10 t/hm2。保水劑采用華翔聚丙烯酸鉀鹽型農(nóng)用保水劑，使用量為90 kg/hm2。有機(jī)肥使用量為2.25 t/hm2，全部作為基肥，施肥方式為穴施。所有措施花生株行距統(tǒng)一為30 cm×30 cm。

在每個(gè)土槽上、下坡位各安裝1個(gè)EM50土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集器，采集器埋設(shè)深度為20 cm，采集頻率為每隔5 min一次。

1.3 人工模擬降雨試驗(yàn)

人工模擬降雨試驗(yàn)在江西省水土保持生態(tài)科技園人工模擬降雨大廳進(jìn)行，采用西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)的QYJY-503人工模擬降雨系統(tǒng)，主要由供水系統(tǒng)、降雨系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)4個(gè)部分組成。系統(tǒng)采用先進(jìn)的垂直下噴式噴頭模擬自然降雨，降雨高度18 m。根據(jù)花生生長(zhǎng)期進(jìn)行降雨，降雨時(shí)間分為為2018年5月30日(花生出苗期),2018年6月28日(花生盛花期),2018年7月22日(花生結(jié)莢期),2018年8月20日(花生收獲期)及2018年9月11日(翻耕期)。雨強(qiáng)大小設(shè)置為1.5 mm/min，降雨歷時(shí)90 min。降雨開(kāi)始的同時(shí)用EM50土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集器采集0—20 cm土壤水分含量(5 min一次)，降雨結(jié)束后繼續(xù)采集2 h的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 次降雨條件下花生不同生長(zhǎng)期坡耕地淺層土壤水分變化情況

圖1顯示的是花生不同生長(zhǎng)期坡耕地土壤(20 cm)含水量對(duì)降雨的響應(yīng)情況。不同生長(zhǎng)期坡耕地上、下坡20 cm深度土壤含水量在降雨后的變化幅度均呈收獲期≈結(jié)莢期>盛花期>出苗期>翻耕期(p<0.01)。常規(guī)耕作措施下，花生不同生長(zhǎng)期坡耕地上、下坡位淺層含水量對(duì)將降雨的響應(yīng)規(guī)律差異較大，翻耕期上坡位20 cm深度土壤含水量降雨前后變化幅度較小(降雨后提升幅度約20%)，且增速緩慢，而下坡位20 cm深度土壤含水量變化幅度較大(降雨后變化幅度達(dá)38%)。出苗期常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的變化幅度分別為38%和52%，均顯著高于翻耕期(p<0.01)。與此同時(shí)，出苗期常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量分別于降雨后40 min,45 min達(dá)到最大值，比翻耕期20 cm深度土壤含水量達(dá)到峰值的時(shí)間顯著提前。盛花期和結(jié)莢期常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為降雨開(kāi)始后逐漸增加，降雨結(jié)束后(90 min后)則呈現(xiàn)一定程度的降低，但結(jié)莢期20 cm深度土壤含水量變化幅度要顯著高于盛花期(p<0.01)。收獲期常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量均呈現(xiàn)大幅提升趨勢(shì)，增幅均超過(guò)100%，且降雨結(jié)束后衰減幅度較慢。

圖1 花生不同生長(zhǎng)期坡耕地土壤(20 cm)水分含量對(duì)降雨的響應(yīng)情況

類似于常規(guī)耕作小區(qū)，保水劑+常規(guī)耕作措施小區(qū)不同生長(zhǎng)期20 cm深度土壤含水量降雨后的提高幅度亦呈現(xiàn)為收獲期≈結(jié)莢期>盛花期>出苗期>翻耕期(p<0.01)。出苗期保水劑+常規(guī)耕作措施小區(qū)20 cm深度土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)最快，且達(dá)到峰值的時(shí)間也最短。

花生不同生長(zhǎng)期有機(jī)肥+常規(guī)耕作措施小區(qū)20 cm深度土壤含水量在人工模擬降雨后均呈現(xiàn)較大幅度的提高。該小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量在不同花生生長(zhǎng)期的降雨響應(yīng)規(guī)律相差較大。其中，結(jié)莢期小區(qū)上坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的提高幅度最高，收獲期次之，而出苗期最低，翻耕期與盛花期20 cm深度土壤含水量變化幅度類似。小區(qū)下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的提高幅度則呈現(xiàn):結(jié)莢期≈收獲期>盛花期>出苗期≈翻耕期(p<0.01)。

花生不同生長(zhǎng)期稻草覆蓋+深翻小區(qū)上坡位20 cm深度土壤含水量對(duì)人工模擬降雨的響應(yīng)規(guī)律相似，總體呈現(xiàn)結(jié)莢期≈收獲期>出苗期≈盛花期>翻耕期(p<0.01)?；ㄉ煌L(zhǎng)期稻草覆蓋+深翻小區(qū)下坡位20 cm深度土壤含水量降雨前差異較大，但人工模擬降雨后相差較小。

2.2 不同水保措施下坡耕地淺層土壤水分對(duì)次降雨的響應(yīng)

翻耕期不同水保措施小區(qū)上坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的變化幅度呈現(xiàn)稻草覆蓋+常規(guī)耕作>有機(jī)肥+常規(guī)耕作>保水劑+常規(guī)耕作>常規(guī)耕作，而下坡位20 cm深度土壤含水量則呈現(xiàn)稻草覆蓋+常規(guī)耕作>有機(jī)肥+常規(guī)耕作≈保水劑+常規(guī)耕作>常規(guī)耕作(圖2)(p<0.01)。在翻耕期，常規(guī)耕作措施小區(qū)上坡位20 cm深度土壤含水量在人工模擬降雨開(kāi)始后70 min基本沒(méi)有明顯變化，70 min后才開(kāi)始呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。相比之下，常規(guī)耕作措施小區(qū)下坡位20 cm深度土壤含水量在人工模擬降雨開(kāi)始后即開(kāi)始增加，在降雨后50 min即達(dá)到最大值，從降雨前的26.9%提高至37.3%，增加10.4%，增幅達(dá)38.7%(表1)。50 min后常規(guī)耕作措施小區(qū)下坡位20 cm深度土壤含水量呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。保水劑+常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量在人工模擬降雨后均呈現(xiàn)較大幅度提升，其中，上坡位從20.8%提高至28.6%，增加7.8%，增幅達(dá)37.5%;下坡位從30.4%提高至43.2%，增加12.8%，增幅達(dá)42%。保水劑+常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量分別于降雨開(kāi)始后110 min,90 min達(dá)到峰，后呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)。有機(jī)肥+常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量在人工模擬降雨試驗(yàn)開(kāi)始后40 min均呈現(xiàn)較大幅度的提升，在降雨90 min(人工模擬降雨試驗(yàn)結(jié)束)達(dá)到峰值。下坡位20 cm深度土壤含水量增加速度顯著高于上坡位(p<0.01)。類似于有機(jī)肥+常規(guī)耕作措施小區(qū)，稻草覆蓋+常規(guī)耕作措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后亦呈現(xiàn)大幅提升，降雨停止后則呈現(xiàn)一定幅度的下降。

表1 花生不同生長(zhǎng)期水保措施對(duì)紅壤紅坡耕地土壤保水效益的影響 %

圖2 不同水保措施下土壤(20 cm深度)水分含量對(duì)降雨的響應(yīng)情況

花生出苗期不同水保措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即人工模擬降雨試驗(yàn)開(kāi)始后20 min呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，降雨結(jié)束后則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。稻草覆蓋+常規(guī)耕作小區(qū)20 cm深度土壤含水量在降雨后的增幅最高，其他幾種措施相差不大?；ㄉ⒒ㄆ冢静莞采w+常規(guī)耕作小區(qū)20 cm深度土壤含水量在降雨后10 min即呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，在降雨后40 min即達(dá)到峰值，并隨著繼續(xù)降雨保持在峰值水平，降雨結(jié)束后以較快速度降低。有機(jī)肥+常規(guī)耕作、保水劑+常規(guī)耕作小區(qū)上坡位20 cm深度土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)規(guī)律相似，但有機(jī)肥+常規(guī)耕作小區(qū)下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的增長(zhǎng)幅度要顯著高于保水劑+常規(guī)耕作小區(qū)?；ㄉY(jié)莢期，不同水保措施小區(qū)上、下坡位20 cm深度土壤含水量呈現(xiàn)相似的規(guī)律，均在降雨后30 min開(kāi)始增加，70 min左右達(dá)到峰值，70 min后開(kāi)始逐漸降低。稻草覆蓋+常規(guī)耕作小區(qū)20 cm深度土壤含水量在降雨后的增幅最高，其他幾種措施相差不大?；ㄉ斋@期，不同水保措施小區(qū)上坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的變化幅度呈現(xiàn)稻草覆蓋+常規(guī)耕作>保水劑+常規(guī)耕作>有機(jī)肥+常規(guī)耕作≈常規(guī)耕作(p<0.01)。花生收獲期常規(guī)耕作措施小區(qū)下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的提高幅度要顯著低于其他3種措施小區(qū)(p<0.01)。

3 討 論

紅壤坡耕地所在區(qū)域通常降雨強(qiáng)度較大且比較集中，且表現(xiàn)出季節(jié)分布不均勻的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致該區(qū)域經(jīng)常發(fā)生季節(jié)性干旱或洪澇災(zāi)害等異常天氣[8]，與此同時(shí)，紅壤質(zhì)地較黏重，有效水庫(kù)容總體偏小，蓄水能力也較弱，因此，如何提高紅壤蓄水保墑能力是區(qū)域內(nèi)亟待解決的重要問(wèn)題之一。本研究通過(guò)對(duì)比有機(jī)肥+常規(guī)耕作、稻草覆蓋+深翻耕、保水劑+常規(guī)耕作以及常規(guī)耕作措施下紅壤坡耕地20 cm深度土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)規(guī)律及降雨結(jié)束后的變化規(guī)律，為提高紅壤坡耕地土壤蓄水保墑能力、緩解紅壤區(qū)季節(jié)性干旱等氣候危害提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

研究結(jié)果顯示，稻草覆蓋+深翻耕措施在提高紅壤坡耕地土壤蓄水能力方面效果最顯著，尤其是在花生翻耕期和收獲期。在降雨20 min后，稻草覆蓋+深翻耕措施小區(qū)土壤含水量即快速增加，在降雨持續(xù)40～50 min后達(dá)到最大值，并保持直到降雨結(jié)束后才慢慢降低，分析原因可能是采取稻草覆蓋可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)、降低土壤黏粒流失、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體數(shù)量增加，進(jìn)而改善土壤物理特性，增加土壤水分入滲能力[9-10]。因此，人工模擬降雨試驗(yàn)開(kāi)始后，稻草覆蓋+深翻耕措施淺層土壤含水量快速提高，而降雨結(jié)束后由于土壤淺層土壤水分含量迅速向更深層土壤滲透，因此淺層土壤含水量呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)采用稻草覆蓋措施能夠有效調(diào)節(jié)土壤地溫、減少土壤水分增發(fā)、提高土壤保水能力、提升土壤地力條件、增加土壤有效水含量，進(jìn)而促進(jìn)作物產(chǎn)量提高等[11]。同時(shí)，將稻草覆蓋進(jìn)行還田還可以有效降低土壤通氣孔隙數(shù)量并促進(jìn)有效孔隙數(shù)量增加，進(jìn)而有效提高土壤蓄水保墑性能[12]。在花生翻耕期和收獲期，稻草覆蓋措施的保水效益最明顯，主要是因?yàn)榛ㄉ诤褪斋@期受到人為擾動(dòng)較頻繁，而采取稻草覆蓋措施后地表裸露面積顯著降低，水土流失顯著降低，抑制土壤水分蒸發(fā)，促進(jìn)降雨就地入滲[1]，故稻草覆蓋措施具有最顯著的抗旱保墑能力。而在花生其他生長(zhǎng)期，尤其是盛花期、結(jié)莢期，花生本身覆蓋度較高，加上人為擾到較大，因此稻草覆蓋措施對(duì)土壤水分的增加效應(yīng)沒(méi)有花生翻耕期和收獲期顯著。

保水劑是一類吸水和保水非常強(qiáng)的高分子有機(jī)聚合物，主要是因?yàn)楸Ｋ畡┓肿又泻写罅繌?qiáng)吸水基團(tuán)。向土壤添加適量的保水劑能夠顯著改善土壤孔隙狀況，增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度、土壤有效水容量，進(jìn)而提高土壤抗旱保墑作用[6,13-15]。本研究中，保水劑處理對(duì)紅壤坡地土壤保水效果的促進(jìn)作用最顯著的時(shí)期為花生翻耕期，而在花生其他生長(zhǎng)期未呈現(xiàn)比對(duì)照(常規(guī)耕作)更強(qiáng)的保水效果。主要原因是，花生翻耕期，土壤表面裸露，再加上人為翻耕擾動(dòng)導(dǎo)致土壤比較疏松，而該時(shí)期向土壤添加保水劑后開(kāi)展人工模擬降雨，保水劑迅速吸水膨脹，因此土壤含水量呈現(xiàn)顯著提高，而花生其他生長(zhǎng)時(shí)期，因?yàn)楸Ｋ畡┰?，紅壤坡耕地土壤降雨前期含水量處于較高水平，但因保水劑已經(jīng)處于吸水膨脹狀態(tài)，再遇到降雨后其繼續(xù)吸水的能力較小，因而對(duì)降雨后土壤水分含量變化的影響較小。

向土壤施加適量有機(jī)肥也能夠?qū)ν寥篮慨a(chǎn)生明顯的影響[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)施加適量有機(jī)肥能夠有效促進(jìn)土壤物理特性改善、顯著提高土壤水分庫(kù)容[18]，減少土壤水分蒸發(fā)[19]、增加降水入滲[20]、增加土壤有效水含量[4-5]。在本研究中，花生翻耕期有機(jī)肥+常規(guī)耕作措施小區(qū)淺層土壤水分含量在降雨后的提高幅度顯著高于保水劑+常規(guī)耕作、常規(guī)耕作小區(qū)，僅次于稻草覆蓋+深翻小區(qū);而在花生其他生長(zhǎng)期，有機(jī)肥+常規(guī)耕作措施的保水效益與保水劑+常規(guī)耕作、常規(guī)耕作措施差異不顯著。翻耕期，增加有機(jī)肥改善土壤物理性質(zhì)，提高了保水效，而花生其他生長(zhǎng)期，施加有機(jī)肥的小區(qū)花生生物量更大，花生需水量更大，降雨后，花生根系吸收了更多地水分，導(dǎo)致有機(jī)肥+常規(guī)耕作措施土壤水分含量提高幅度與保水劑+常規(guī)耕作、常規(guī)耕作措施差異不明顯。

4 結(jié) 論

(1) 花生不同生長(zhǎng)期，采取稻草覆蓋+深翻措施的小區(qū)土壤淺層土壤水分在降雨后的提高幅度均顯著高于有機(jī)肥+常規(guī)耕作、保水劑+常規(guī)耕作和常規(guī)耕作小區(qū)(p<0.01)。稻草覆蓋措施在花生翻耕期和收獲期的保水效益最強(qiáng)。

(2)花生翻耕期，保水劑和有機(jī)肥增施處理主要對(duì)紅壤坡地土壤保水效果的促進(jìn)作用明顯，且有機(jī)肥增施措施對(duì)土壤保水效應(yīng)的促進(jìn)作用顯著高于保水劑添加措施(p<0.01)，而花生其他生長(zhǎng)期則不明顯。

(3) 稻草覆蓋+深翻適宜在紅壤丘陵區(qū)坡耕地進(jìn)行推廣應(yīng)用，有利于區(qū)域內(nèi)坡耕地土壤水分的持續(xù)高效利用。