不同水土保持耕作措施對降雨徑流、產(chǎn)沙及土壤水蝕特性的影響

李 菲 李曉光

（1.遼寧省旱地農(nóng)林研究所，遼寧 朝陽 122000；2.遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

遼西地區(qū)屬于半干旱大陸性季風氣候區(qū)，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，暴雨沖刷加劇了水土流失，導致大面積土地退化。如何治理水土流失和做好水土保持工作成為現(xiàn)階段遼西地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中關注的焦點問題。由于遼西地區(qū)多山地丘陵，采取不同的水土保持耕作措施，對坡耕地的土壤水分入滲量、坡面徑流量、侵蝕量等都會產(chǎn)生差異化影響。通過探究各類水土保持耕作措施對降雨徑流、產(chǎn)沙及土壤水蝕特性的影響，找出一種最有利于水土保持的耕作模式，對于解決遼西地區(qū)坡耕地的水土流失問題，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展與生態(tài)保護統(tǒng)籌兼顧有積極的作用。

此次試驗通過探究常規(guī)耕作、免耕播種、壟作、橫坡種植等6種不同水土保持措施對降雨徑流、產(chǎn)沙、坡面入滲量、土壤儲水量的影響，從而橫向對比選出一種最有利于坡耕地水土保持的耕作模式，并在遼西地區(qū)進行推廣使用，在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動正常開展的前提下，切實提高水土保持成效。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗選擇在遼寧省朝陽市建平縣坡耕地徑流試驗場進行，試驗區(qū)土壤類型以發(fā)育在黃土母質上的褐土為主，兼有少量的棕壤和黑鈣土，坡度5.2°～6.1°。試驗區(qū)屬北溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫7.8 ℃，年均降雨量447 mm，年均蒸發(fā)量1 480 mm，降雨集中在6—8月，無霜期150 d。供試玉米品種為遼單2811，于2020年5月上旬播種。

1.2 試驗設計

試驗從2020年5月2日開始，于同年9月30日結束，期間共有10場降雨。此次試驗設置了6個處理，每個試驗小區(qū)規(guī)格為6 m×15 m。其中，1個為裸地（LD），作為參照。其余5個分別為常規(guī)耕作（CK），人工松土后播種，苗期中耕松土深度20 cm；免耕播種（MG），免耕種植，無中耕；壟作（LQ），7月上旬在壟間修筑土垱，壟距50 cm，垱距80 cm，垱高15～20 cm，垱頂厚度20 cm；深松+壟作（SQ），苗期中耕深松，松土厚度20～25 cm，7月上旬在壟間修筑土垱，具體參數(shù)同上；橫坡種植（HP），等高耕作，作物壟方向與地塊坡向垂直進行種植，無中耕。為探究不同水土保持耕作措施對降雨徑流的影響，筆者選取比較典型的3場降雨，場次A發(fā)生在6月17日，降雨歷時104 min，降雨量71 mm；場次B發(fā)生在7月22日，降雨歷時291 min，降雨量153 mm；場次C發(fā)生在8月13日，降雨歷時76 min，降雨量56 mm。

1.3 觀測內(nèi)容與方法

此次試驗共選取降雨徑流、產(chǎn)沙量、坡面入滲特征、土壤含水量和水分利用效率5個觀測指標，各指標計算方法如下。

①降雨徑流。使用偏心翻斗式徑流測試系統(tǒng)，徑流從導管流進翻斗內(nèi)，當水量達到翻斗標定量后，在重力作用下翻斗進行180°翻轉，此時位于翻斗一側的感光器接收翻轉信號，將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集器，并在單片機中記錄翻轉時間和徑流量。

②產(chǎn)沙量，即土壤水蝕觀測。在坡面產(chǎn)流開始后，每隔5 min取一翻斗沙樣，將其放置24 h后抽出上層清水，然后將剩余泥沙置于烘干箱內(nèi)，設定烘干溫度為 100 ℃，烘干時間為 6 h，然后稱量其質量。

③坡面入滲特征。采用同心環(huán)有壓入滲方式觀測，加水后分別記錄在0、10、30、60、300、600、1 800、3 600、5 400 s和7 200 s時的內(nèi)環(huán)水層深度，從而求出某個時間段的入滲量，用“入滲量/時間”可以得到土壤入滲速率。

④土壤含水量。采用烘干法測量，使用取土設備分別在降雨前后取0～100 cm土層的土樣，稱量其質量，記為m；然后將其置于烘干箱中，設定烘干溫度為80 ℃，烘干時間為4 h，然后取出稱量其質量，記為m。m-m即為土壤含水量。

⑤水分利用效率。單位面積的經(jīng)濟產(chǎn)量與作物生長期耗水量之比即為水分利用效率。

2 結果與分析

2.1 不同水土保持耕作措施對降雨徑流的影響

以6月17日降雨為例，6種處理下的徑流總量如圖1所示。此次降雨歷時104 min，降雨量71 mm，最大雨強61 mm/h。降雨前測得6個試驗小區(qū)的土壤含水率在18.4%～20.3%，平均含水率為19.5%。試驗發(fā)現(xiàn)，由于此次降雨歷時較短、雨水量較少，加之土壤含水率較低，因此，降雨初期并未觀測到地表有徑流出現(xiàn)。20 min之后，由于雨水入滲使土壤含水率增加，并逐漸達到了飽和狀態(tài)，此時地表開始有徑流出現(xiàn)，并且隨著降雨時長的增加，徑流量也呈現(xiàn)出增加趨勢，在60 min有最大雨強時，地表徑流達到最大值，為30.3 mm。結合圖1可知，此次降雨中6個試驗小區(qū)徑流量從大到小依次為：LD＞CK＞MG＞LQ＞SQ＞HP。裸地徑流最大，分析其原因，筆者認為是雨水的擊打濺蝕破壞了土壤內(nèi)部結構，堵塞了土壤孔隙，使地表板結。降雨下滲通道被堵塞，由此導致地表徑流明顯增加。而橫坡等高種植可以利用橫坡發(fā)揮較好的截留、攔蓄作用，因此地表徑流極少。

圖1 不同水土保持耕作措施徑流總量統(tǒng)計

2.2 不同水土保持耕作措施對產(chǎn)沙的影響

以7月22日降雨為例，6種處理下的土壤侵蝕量如圖2所示。該降雨歷時291 min，降雨量153 mm，最大雨強為77 mm/h，降雨前測得6個試驗小區(qū)土壤平均含水率為24.3%。降雨時，壟作和深松+壟作2塊試驗小區(qū)已經(jīng)修筑土垱。降雨15 min左右，各個試驗小區(qū)相繼出現(xiàn)徑流，但是不同試驗小區(qū)的土壤侵蝕量差異較為明顯。結合圖2可知，不同處理下的土壤侵蝕量由大到小依次為LD＞CK＞MG＞LQ＞SQ=HP。對比可以發(fā)現(xiàn)，未采取任何耕作措施的裸地，在遭遇強降雨后土壤侵蝕量明顯高于其他5個試驗地塊，達到了0.15 t/hm；壟作區(qū)田修筑土垱以后，能夠在坡面出現(xiàn)徑流以后有效攔截雨水，使雨水不會沿著地表流走，而是向下滲透到土壤深處。在蓄水的同時，土垱也能攔截泥沙，從而減少侵蝕量，本次試驗中測得壟作區(qū)的土壤侵蝕量為0.016 t/hm，相比于未修筑土垱的裸地、常規(guī)耕作模式有明顯減少。而深耕+壟作區(qū)和橫坡等高種植區(qū)在此次降雨中土壤侵蝕量為0，水土保持效果優(yōu)良。

圖2 不同水土保持耕作措施土壤侵蝕量統(tǒng)計

2.3 不同水土保持耕作措施下坡面入滲特征分析

2.3.1 不同處理條件下產(chǎn)流時間分析。結合圖3可知，3場降雨中不同耕作措施的產(chǎn)流時間變化規(guī)律基本一致，但是因為每次降雨量和最大雨強不同，因此在產(chǎn)流變化幅度上存在一定差異。其中，A場降雨（6月17日）雖然降水量較少，但是產(chǎn)流時間最早，說明在田間未修筑土垱的情況下，坡面更易產(chǎn)生徑流。而修建土垱后，在B場和C場降雨中，產(chǎn)流時間均有不同程度延后，并且兩場降雨下不同耕作措施的產(chǎn)流時間變化基本一致。在土壤含水率方面，B場降雨（7月22日）由于降雨時間長（291 min）、降雨量大（153 mm），導致不同耕作措施下的土壤含水率均明顯高于A場降雨和C場降雨。具體到耕作措施來看，B場降雨中橫坡等高種植處理方式下的土壤含水率最高，達到了31.1%，其次是深松+壟作，土壤含水率為26.3%。而裸地的土壤含水率最低，僅為14.0%。根據(jù)這一數(shù)據(jù)對比可知，在降雨條件相同情況下，橫坡等高種植模式下坡面入滲效果最好，可以截留更多雨水，從而提高土壤含水率，滿足坡面植物生長所需。

圖3 不同耕作措施下降雨前期土壤含水率及產(chǎn)流開始時間

2.3.2 不同耕作措施下的入滲量。由表1可知，在降雨量相同的情況下，不同水土保持耕作措施對雨水入滲的影響存在較為明顯的差異。在A場降雨中，橫坡等高種植的入滲總量最大，為61.17 mm，明顯高于裸地、常規(guī)耕作等其他5種處理方式。在B、C兩場降雨中，橫坡等高種植的入滲總量均為最大，分別為168.47 mm和48.01 mm。分析其原因，橫坡等高種植模式下，無論是降雨期間直接落入地面的雨水，還是在壟溝內(nèi)形成的積水，都能夠最大限度地被攔蓄起來，并在重力作用和土壤毛細孔作用下不斷入滲，因此入滲總量較高。同樣，壟作及深松+壟作處理下由于修筑了土垱，也能起到類似于橫坡的作用，從而減少地表徑流，增加入滲時間，因此入滲量也比較高。而裸地、常規(guī)耕作因為沒有攔蓄雨水的措施，雨水形成徑流后夾雜著泥沙順坡流下，入滲時間少，入滲量低。

表1 不同耕作措施的入滲總量 mm

2.3.3 不同耕作措施下的穩(wěn)定入滲率。由表2可知，在同一場降雨中，橫坡等高種植下土壤入滲率要明顯高于其他5種處理。其中，在B場降雨中橫坡等高種植下的穩(wěn)定入滲率最高，達到了0.717 mm/min，為6種處理措施下的最高值。深松+壟作和壟作區(qū)田的土壤入滲率次之，分別為0.648 mm/min和0.625 mm/min，兩者之間差異并不明顯，而同場降雨中裸地的入滲率僅為0.377 mm/min。這一試驗現(xiàn)象表明，裸地由于土壤結構緊密，雨水形成徑流后很快流失，入滲難度較大。壟作和深松+壟作兩種模式下，通過修筑土垱的方式發(fā)揮了攔蓄徑流的效果，被攔截下來的雨水可以有更加充分的時間向土壤深處滲透，因此，這兩種耕作措施下的土壤入滲率要比落地和常規(guī)耕作高。但是，考慮到土垱會占用一部分耕地面積，因此，修筑土垱時往往會盡量降低土垱的厚度，以便留出更大的種植空間。這種情況下土垱對于坡面徑流的攔截效果也會被削弱，因此，土壤入滲率相比于橫坡等高種植略低。而橫坡等高種植可以在壟溝積水的影響下強化入滲作用，因此入滲率更高。

表2 不同耕作措施下的入滲率對比 mm/min

2.4 不同水土保持耕作措施下土壤含水量動態(tài)變化

2.4.1 不同耕作措施對土壤含水量的影響。試驗表明，土壤含水量的變化趨勢與觀測期內(nèi)降雨動態(tài)變化趨勢基本一致?？v向來看，隨著降雨時間的延長，6種處理下各個試驗小區(qū)的土壤含水量整體呈上升趨勢；橫向來看，不同處理下各個試驗小區(qū)之間土壤含水量變化有明顯差異。其中，以含水量變化幅度從大到小排序為HP＞SQ＞LQ＞MG＞CK＞LD。進入6月以后，一方面是隨著氣溫升高，凍土完全融化，為雨水入滲提供了良好條件；另一方面是雨水開始增多。在兩方面因素的共同影響下，土壤含水量也有明顯增加。裸地因為地表沒有植被，無法發(fā)揮對雨水的截留和攔蓄作用，加之耕層土壤致密，導致土壤儲水能力差；免耕種植由于土壤沒有擾動，相比于常規(guī)耕作避免了土壤顆粒壓實的情況，有利于雨水下滲，因此，免耕種植試驗區(qū)的土壤含水量要高于常規(guī)耕作區(qū)。而橫坡等高種植和壟作在攔蓄雨水方面效果明顯，因此土壤含水量較高。

2.4.2 不同耕作措施對不同深度土層含水量的影響。6月未修筑土垱時，6種處理下40～80 cm處土壤含水量無明顯差異。40 cm以上土層，裸地水分變化明顯，降雨之后裸地淺層水分有明顯升高，但是由于截流蓄水能力差，雨水無法滲透到更深土層。80 cm以上土層，壟作區(qū)、橫坡等高種植區(qū)的水分變化明顯，說明降雨之后雨水攔蓄能力較強，地表雨水可以充分滲透至土壤深層。8月修筑土垱后，結合表3數(shù)據(jù)可知，橫坡等高種植試驗區(qū)在不同深度的土壤含水量均高于其他試驗小區(qū)，其中在60～80 cm處，土壤含水量達到了最大值，為78.21 mg；而修筑了土垱的壟作區(qū)和深松+壟作的土壤含水量也有明顯增加，并且同樣在60～80 cm處出現(xiàn)了最大含水量，分別為72.41 mg和74.68 mg，說明土垱在截留和攔蓄雨水方面效果顯著，起到了很好的水土保持作用。裸地在不同深度土層的土壤含水量均為6種耕作措施下最低，其中地表0～20 cm處的土壤含水量僅為18.31 mg，說明裸地的蓄水能力極差。

表3 8月不同深度土層的平均土壤含水量 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。為量化表示農(nóng)田水分轉化關系，筆者引入了土壤水分平衡公式：

式（1）中：ΔW表示觀測期初始階段與結束階段的水量差，單位為mm；P表示降雨量，單位為mm；S表示補充灌溉量，由于試驗中未進行人工灌溉，因此該值為0；R表示地表徑流，單位為mm；ET表示作物水分蒸散量，單位為mm，其計算公式為：

式（2）中：ΔS表示收獲期、播種期0～200 cm土壤含水量之差，單位為mm。根據(jù)公式（1）計算6種處理下的ΔW、P和R等值，統(tǒng)計結果如表4所示。

表4 觀測器內(nèi)不同耕作措施的水分轉化計算 mm

由表4可知，在觀測期內(nèi)裸地和常規(guī)耕作在時段初的儲水量要高于時段末，并且蒸散量在6種處理措施中也屬于較低水平。分析其原因，裸地表面無植被覆蓋，因此徑流損失較大。同樣，常規(guī)耕作中地表土層較為緊實，不利于雨水留存、下滲，因此作物從土壤中吸收水分較少，相應的作物水分蒸散量較少。免耕種植區(qū)和壟作區(qū)的作物水分蒸散量相差無幾，而橫坡等高種植區(qū)的作物水分蒸散量最高。這是因為橫坡等高種植下水分得以較好地保留，土壤中含水率較高，加之植物蒸騰作用的影響，在晴朗天氣可以源源不斷地蒸散水分。

2.5.2 不同耕作措施水分利用效率分析。為直觀地表示農(nóng)作物物質生產(chǎn)與水分之間的關系，此次試驗中還引入了“作物水分利用率（WUE）”這一指標，其計算公式為：

式（3）中：Y表示作物產(chǎn)量，單位為 kg/hm；M 表示作物生育期的耗水量，單位為mm。6種處理下農(nóng)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

結合表5數(shù)據(jù)可知，6種處理下農(nóng)作物水分利用率由高到低排序為HP＞SQ＞LQ＞LD＞MG＞CK。橫坡等高種植模式下農(nóng)作物水分利用效率最高，原因主要有兩方面：一是橫坡有利于減少地表徑流，起到了很好的截流效果，有利于水分向土壤深層滲透，為農(nóng)作物根系吸收水分提供了良好條件；二是等高耕作模式下不需要耕作壓實，有利于優(yōu)化土壤內(nèi)部結構，避免土壤板結等問題，降雨后能夠有效提高土壤水分含量。

3 結論

筆者在遼西地區(qū)黑土坡耕地上設置6個等規(guī)格的試驗小區(qū)，每個試驗小區(qū)內(nèi)分別采用一種水土保持耕作措施，其中1組裸地，作為對照，另外5組分別采取了常規(guī)耕作、免耕播種、壟作、深松+壟作、橫坡等高種植。另外，在試驗期內(nèi)選擇3場典型降雨，分析3場降雨下不同處理模式在地表徑流、產(chǎn)沙量、坡面入滲量、農(nóng)作物水分利用效率等指標方面的差異性。根據(jù)試驗結果，選出一種坡面徑流小、產(chǎn)沙量少、土壤水分入滲率和作物水分利用效率高的種植模式，從而在遼西地區(qū)山地丘陵區(qū)進行推廣，實現(xiàn)生態(tài)效益和種植效益有機統(tǒng)一。根據(jù)試驗內(nèi)容，可得出以下3條結論。

在立地條件相同的情況下，不同耕作措施的水土保持效果有明顯差異。在降雨條件相同的情況下，橫坡等高耕作的截流蓄水能力最強，坡面入滲量最大，坡面徑流最小，水土保持效果最理想。在深松+壟作和壟作未修建土垱時，其水土保持效果與免耕播種、常規(guī)耕作無明顯差異；但是修建土垱后，其水土保持效果得到明顯提升，此時按照蓄水減沙效果從優(yōu)到劣排序為：橫坡等高耕作＞深松+壟作＞壟作＞免耕播種＞常規(guī)耕作＞裸地。

在3場降雨中，發(fā)生在7月22日的B場降雨歷時最長，達到了291 min，最大雨強為77 mm/h。在同一試驗小區(qū)內(nèi)，雨強越大的情況下坡面產(chǎn)流時間越早，同時由于雨水流動速度較快，來不及向下滲漏，因此土壤入滲率相對較低。此外，雨強較大的情況下，雨滴對坡面沖蝕破壞更加明顯，徑流含沙量也更高。

不同耕作措施對于土壤儲水量、蒸散量、水分利用效率的影響也有明顯差異?？傮w來說，橫坡等高種植下由于蓄水保土效果好，因此，土壤儲水量高于其他處理方式；橫坡等高耕作模式下徑流少、入滲量多，可以滿足農(nóng)作物生長所需水分，因此，植株長勢更好，相應地蒸散量更大、水分利用效率更高。

綜上，在遼西山地丘陵地區(qū)，選擇橫坡等高種植模式可以有效解決水土流失問題，并且能切實提高山區(qū)丘陵土地資源的利用率，滿足當?shù)剞r(nóng)民生產(chǎn)需要。