耕作方式對紅壤坡耕地土壤持水及入滲性能的影響

摘 要： 采取合理的耕作方式是提高紅壤坡耕地抗旱保墑能力的關(guān)鍵。以云南省紅壤坡耕地為研究對象，設(shè)置傳統(tǒng)耕作、覆膜耕作、橫坡壟作和順坡壟作4 種耕作方式的微試驗小區(qū)，探明不同耕作方式條件下土壤持水及入滲參數(shù)變化特征。結(jié)果表明，覆膜耕作對降低土壤容重、增大土壤孔隙度效果顯著，土壤含水率相比其他耕作方式增大5.35～11.71 個百分點(diǎn)；覆膜耕作與橫坡壟作土壤入滲參數(shù)變幅相對較大，橫坡壟作累計入滲量相比其他耕作方式增大20.24%～85.42%；覆膜耕作的土壤蓄水保墑能力較好，橫坡壟作的土壤供水性能較好，而順坡壟作則在蓄水保墑能力方面均較差。

關(guān)鍵詞：耕作方式；土壤持水性；土壤入滲性能；紅壤坡耕地；季節(jié)性干旱

中圖分類號：S28 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0112-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411317

0 引言

據(jù)2021 年國家統(tǒng)計局及水利部門統(tǒng)計，我國旱地耕作面積占耕地總面積的50.33%，其中南方紅壤坡耕地占旱地耕作面積的70% 以上[1-2]。云南省作為發(fā)展高原特色農(nóng)業(yè)的重要生產(chǎn)區(qū)，現(xiàn)有坡耕地472.55 萬hm2，土壤分布以紅壤為主，是典型的旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[3]。近些年，由于受降雨時空分布不均和氣候變暖等影響，導(dǎo)致干旱事件頻發(fā)，旱季紅壤坡耕地因土壤水分蓄持不足而易發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長，造成糧食產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低，嚴(yán)重威脅區(qū)域糧食安全，成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[4-5]。

在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，采用適當(dāng)?shù)暮档剞r(nóng)藝耕作措施，對于提高農(nóng)田土壤的蓄水保墑能力至關(guān)重要。傳統(tǒng)耕作雖能在一定程度上增加丘陵旱地土壤耕層厚度、提高土壤的透氣性，但易加快土壤水分的蒸發(fā)，不利于土壤蓄水保墑[6]。施正發(fā)等[7]、金慧芳[8] 研究發(fā)現(xiàn)，不同的耕作方式會影響丘陵山地土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體之間的轉(zhuǎn)化和分布，并對紅壤坡耕地土壤入滲及水分蓄持性能產(chǎn)生顯著影響。毛妍婷等[9] 研究表明，橫坡壟作相比順坡壟作可較好地提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強(qiáng)土壤持水能力。王移等[10] 研究表明，覆蓋耕作可提高土壤入滲能力和水分涵養(yǎng)效益。張洋等[11] 研究表明，等高反坡階措施可改良土壤通透性，提高土壤水分含量。然而，隨著坡耕地坡度的降低，等高耕作的水土保持能力會逐漸下降[12]。由此可見，耕作方式可通過改變地表微地形和覆蓋度等途徑改變土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水分入滲及提高水分固持能力。目前，紅壤坡耕地常見的耕作方式包括傳統(tǒng)水平耕作、壟作、覆膜耕作等[9，13]。其中，關(guān)于紅壤坡耕地土壤持水及入滲性能方面的研究主要以壟作方式為主，以覆膜及傳統(tǒng)耕作開展的系統(tǒng)研究還相對較少。

本研究以云南省紅壤坡耕地為研究對象，設(shè)置傳統(tǒng)耕作、覆膜耕作、橫坡壟作和順坡壟作4 種耕作方式的微試驗小區(qū)，探明不同耕作方式條件下土壤容重、總孔隙度等持水性能指標(biāo)，以及初始入滲率、累計入滲率等入滲性能參數(shù)變化特征，以期為紅壤坡耕地土壤蓄水保墑能力提升及合理耕作方式構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)節(jié)水灌溉試驗中心（25°07'56″N、102°44'51″E），海拔高度1 930 m。屬低緯度高原季風(fēng)氣候，干冷同期，雨熱同季，年均氣溫14.9 °C，年蒸發(fā)量1 856.4 mm，年日照時長2 327.5 h，多年平均降水量1 000.5 mm，主要集中在5—10 月，雨季降雨量約為全年的85% 以上，是典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)域。試驗區(qū)坡耕地分布廣泛，土壤類型主要以紅壤為主。供試土壤取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗農(nóng)場坡耕地0～30 cm 耕層土壤，土壤類型為旱地紅壤，其基本理化性質(zhì)如表1 所示。

1.2 試驗設(shè)計及樣品采集

2021 年5 月，采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，設(shè)置傳統(tǒng)耕作（沿地塊坡度方向不起壟種植作物）、覆膜耕作（在坡耕地表面覆膜不起壟）、橫坡壟作（沿著等高線起壟，作物種植在壟上）和順坡壟作（沿著坡面起壟，作物種植在壟上）4 種耕作方式的微試驗小區(qū)，以此模擬我國南方紅壤坡耕地典型耕作方式。各微試驗小區(qū)由不銹鋼材質(zhì)制造而成，面積1.28 m2（1.60 m×0.80 m），根據(jù)我國南方紅壤坡耕地坡度分布特點(diǎn)，試驗過程中小區(qū)坡度均設(shè)置10°， 內(nèi)裝填原狀土厚度30 cm（紅壤坡耕地耕層厚度一般25～35 cm，故試驗小區(qū)填土厚度設(shè)置30 cm）[3]。此外，在試驗小區(qū)種植作物前，需進(jìn)行灌水處理，以使試驗小區(qū)土壤在自然沉降后，其容重與自然狀態(tài)下的紅壤坡耕地基本保持一致。

試驗小區(qū)內(nèi)種植作物為當(dāng)?shù)刂髟杂衩灼贩N，播種采用種子穴播方式，各小區(qū)種4 行作物，每行種3 株，行距0.4 m、株距0.3 m。于5 月21 日播種，9 月28 日收獲，耕作管理嚴(yán)格參照我國南方紅壤坡耕地玉米作物管理經(jīng)驗進(jìn)行，分別在6 月22 日和7 月26 日施加氮肥，均為尿素（N 46%），每次施肥量75 kg/hm2。

作物生長過程共進(jìn)行3 次土壤樣品采集。分別于6 月10 日、7 月18 日、9 月7 日進(jìn)行土壤環(huán)刀（100 cm3）、鋁盒樣品采集，用于土壤容重、含水率、總孔隙度等土壤持水性能指標(biāo)及入滲特征參數(shù)測定。土壤容重及總孔隙度采用環(huán)刀法測定，土壤含水率采用烘干法測定，土壤入滲特征參數(shù)采用室內(nèi)雙環(huán)刀法測定。計算3 次取樣土壤各測定指標(biāo)的平均值用于土壤持水及入滲性能分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2020 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析和圖形繪制，采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式土壤容重變化特征

土壤容重是評估土壤持水性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，土壤容重越大，土壤緊實(shí)度就越大，最終會導(dǎo)致土壤的通氣透水性能降低[14]。由圖1 可知，不同耕作方式土壤容重存在一定差異性，4 種耕作方式土壤容重變化范圍0.85～0.90 g/cm3，其中，覆膜耕作土壤容重平均值最小，相比橫坡壟作、順坡壟作和傳統(tǒng)耕作分別減小3.41%、5.13% 和4.82%，不同耕作方式土壤容重由大到小為順坡壟作gt;傳統(tǒng)耕作gt;橫坡壟作gt;覆膜耕作。由此表明，在紅壤坡耕地耕作方式中覆膜耕作的土壤容重較小，土壤蓄水能力較好，而順坡壟作的土壤容重較大，不利于作物根系生長，易造成土壤持水性能的降低。

2.2 不同耕作方式土壤總孔隙度變化特征

土壤孔隙是水分運(yùn)動和貯存的主要場所，其數(shù)量和分布直接影響土壤的供水能力[15]。由圖2 可知，4種耕作方式土壤總孔隙度的范圍55.46%～60.19%，其中，覆膜耕作的土壤總孔隙度的平均值最大，比橫坡壟作、順坡壟作和傳統(tǒng)耕作分別減少7.87、7.31 和5.31 個百分點(diǎn)，不同耕作方式土壤總孔隙度由大到小為覆膜耕作gt;傳統(tǒng)耕作gt;順坡壟作gt;橫坡壟作。由此表明，覆膜耕作相比其余耕作方式的土壤總孔隙度最大，這可能是由于南方紅壤坡耕地作物生育過程與降雨侵蝕期重疊，降雨對土壤結(jié)構(gòu)的破壞擾動較大，而覆膜耕作由于地表物理屏障效應(yīng)，可減少土壤侵蝕的沖刷，有效地改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，對于提高紅壤坡耕地土壤持水性能具有顯著優(yōu)勢。

2.3 不同耕作方式土壤含水率變化特征

土壤含水率作為土壤的物理性質(zhì)之一，是反映土壤持水性的重要指標(biāo)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[16]。由圖3 可知， 4 種耕作方式土壤含水率的范圍33.47%～37.91%，其中，覆膜耕作的土壤含水率最高，橫坡壟作、順坡壟作和傳統(tǒng)耕作相比覆膜耕作分別減少5.35、11.71 和6.75 個百分點(diǎn)，不同耕作方式土壤含水率由大到小為覆膜耕作gt;橫坡壟作gt;傳統(tǒng)耕作gt;順坡壟作。由此表明，覆膜耕作可有效防止水分的蒸發(fā)，提高土壤含水率，增加旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)蓄水保墑能力，表現(xiàn)出較好的土壤保水性能，相對來說，橫坡壟作及傳統(tǒng)耕作兩種耕作方式的保水性能次之，順坡壟作的保水性能較差。

2.4 不同耕作方式土壤入滲變化特征

2.4.1 土壤入滲速率

土壤入滲速率是反映土壤入滲性能的重要指標(biāo)，土壤入滲速率越大，供水性能越好[17]。由圖4 可知，4 種耕作方式土壤入滲速率隨時間的變化具有較強(qiáng)的一致性，均表現(xiàn)出隨時間的推移土壤入滲速率逐漸降低后趨于穩(wěn)定趨勢。入滲開始的60 min 內(nèi)入滲速率變化較大，60 min 后入滲速率趨于平緩，在90 min 左右趨于穩(wěn)定。其中，覆膜耕作和橫坡壟作兩種耕作方式的入滲速率變幅較大，隨時間的推移入滲速率快速減小，并且趨于穩(wěn)定后覆膜耕作在4 種耕作方式中入滲速率最小。其次，傳統(tǒng)耕作方式入滲速率變化相對平緩且變幅較小，但當(dāng)其穩(wěn)定后入滲速率是4 種耕作方式中最大的。然而，順坡壟作與其他3 種耕作方式相比較，其變幅也相對較小，入滲速率趨于穩(wěn)定后，與覆膜耕作入滲速率大小基本一致。

為進(jìn)一步研究不同耕作方式條件下土壤入滲變化特征，采用初始入滲速率、穩(wěn)定入滲速率和平均入滲速率3 個入滲特征參數(shù)來反映紅壤坡耕地土壤入滲特性，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，4 種耕作方式下土壤初始入滲速率及平均入滲速率范圍分別為26.32～63.72 和11.41～21.16 mm/min，其中，均以橫坡壟作的數(shù)值最大，相比覆膜耕作、順坡壟作和傳統(tǒng)耕作的分別增大9.71%～55.47%、85.45%～142.10% 和20.23%～141.91%。其次， 土壤穩(wěn)定入滲速率范圍6.76～11.79 mm/min，其中傳統(tǒng)耕作的穩(wěn)定入滲速率最大，相比覆膜耕作、橫坡壟作和順坡壟作的分別增大63.75%、24.76% 和74.41%。由此表明，覆膜耕作和橫坡壟作兩種耕作方式的初始入滲速率較大，并且入滲速率變幅也較大，而傳統(tǒng)耕作和順坡壟作兩種耕作方式的初始入滲速率較小，入滲速率變幅也較小。

2.4.2 土壤累計入滲量

土壤累計入滲量常用以表征土壤穩(wěn)定入滲前土壤入滲性能。由圖5 可知，入滲初期累積入滲量迅速增加，隨著時間推移，累計入滲增量逐漸減小，最終進(jìn)入穩(wěn)定入滲量增加階段。從4 種耕作方式土壤累計入滲總量來看，范圍1 369.66～2 539.66 mm，其中橫坡壟作的累計入滲量最大，相比覆膜耕作、順坡壟作和傳統(tǒng)耕作分別增大55.49%、85.42% 和20.24%。由此表明，橫坡壟作的土壤累計入滲量最大，橫坡壟作可明顯增加土壤入滲性能，有利于土壤水分下滲，改善紅壤坡耕地土壤供水能力，而順坡壟作的累計入滲量最小，土壤入滲效果相對較差。

3 結(jié)束語

（1）對比不同耕作方式土壤持水性能指標(biāo)，覆膜耕作可有效降低土壤容重，增大土壤孔隙度，具有較高的土壤含水率，順坡壟作則相反。

（2）不同耕作方式土壤入滲特征參數(shù)變化存在較大差異性，覆膜耕作和橫坡壟作兩種耕作方式的初始入滲速率及入滲速率的變幅均相對較大，而其余兩種耕作方式相對較??；耕作方式間土壤累計入滲量具體表現(xiàn)為橫坡壟作gt;傳統(tǒng)耕作gt;覆膜耕作gt;順坡壟作。

（3）覆膜耕作可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，減少水分蒸發(fā)，土壤持水性能較好；橫坡壟作有利于土壤水分下滲，改善紅壤坡耕地供水能力，而順坡壟作土壤持水及入滲性能均較差。

參考文獻(xiàn)

［1］自然資源部 國家統(tǒng)計局．第三次全國國土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報[EB/OL]． （ 2021-08-26） [2024-07-05]． https：//www.gov.cn/xinwen/2021-08/26/content_5633490.htm.

［2］袁久芹，梁音，曹龍熹，等．紅壤坡耕地不同植物籬配置模式減流減沙效益對比[J]．土壤，2015，47（2）：400-407．

YUAN Jiuqin， LIANG Yin， CAO Longxi， et al． Comparison of benefitsof runoff and sediment reduction of different hedgerow configurationmodes in red-soil hilly area[J]．Soils，2015，47（2）：400-407．

［3］陳正發(fā)，史東梅，何偉，等．1980—2015 年云南坡耕地資源時空分布及演變特征分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（ 15）：256-265．

CHEN Zhengfa，SHI Dongmei，HE Wei，et al．Spatio-temporal distributionand evolution characteristics of slope farmland resources in Yunnanfrom 1980 to 2015[J]．Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering，2019，35（15）：256-265．

［4］張強(qiáng)，姚玉璧，李耀輝，等．中國干旱事件成因和變化規(guī)律的研究進(jìn)展與展望[J]．氣象學(xué)報，2020，78（3）：500-521．

ZHANG Qiang，YAO Yubi，LI Yaohui，et al．Progress and prospecton the study of causes and variation regularity of droughts inChina[J]．Acta Meteorologica Sinica，2020，78（3）：500-521．

［5］趙鴻，蔡迪花，王鶴齡，等．干旱災(zāi)害對糧食安全的影響及其應(yīng)對技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J]．干旱氣象，2023，41（2）：187-206．

ZHAO Hong， CAI Dihua， WANG Heling， et al． Progress and prospecton impact of drought disaster on food security and its countermeasures[J]．Journal of Arid Meteorology，2023，41（2）：187-206．

［6］王元俊，李明生，［6］ 謝守勇，等．丘陵山地耕作裝備發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]．農(nóng)業(yè)工程，2023，13（9）：12-19.

WANG Yuanjun， LI Mingsheng， XIE Shouyong， et al． Developmentstatus and prospect of hilly and mountainous cultivation equipment[J]．Agricultural Engineering，2023，13（9）：12-19.

［7］施正發(fā)，袁奎，黃寧，等．不同耕作方式對植煙土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程，2024，14（6）：118-123.

SHI Zhengfa，YUAN Kui，HUANG Ning，et al．Effects of differenttillage methods on distribution and stability of aggregate in tobacco growingsoil[J]．Agricultural Engineering，2024，14（6）：118-123.

［8］金慧芳． 耕作措施對紅壤坡耕地耕層物理性能影響及調(diào)控研究[D]．重慶：西南大學(xué)，2019．

JIN Huifang． Study on the effects of tillage measures onthe physicalproperties of cultivated-layerand regulation of red soil sloping farmland[D]．Chongqing：Southwest University，2019．

［9］毛妍婷，崔榮陽，陳安強(qiáng)，等．壟作方向?qū)Σ煌挛患t壤坡耕地耕層土壤水分特征曲線的影響[J]．土壤通報，2022，53（2）：308-314．

MAO Yanting， CUI Rongyang， CHEN Anqiang， et al． Effects ofridge directions on water characteristic curves of cultivated top-layer soilsin different slope positions[J]．Chinese Journal of Soil Science，2022，53（2）：308-314．

［10］王移，曹龍熹，樊劍波，等．紅壤坡地耕作措施對土壤入滲過程的影響機(jī)制[J]．四川師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，43（1）：108-114．

WANG Yi，CAO Longxi，F(xiàn)AN Jianbo，et al．The mechanism of tillagepractices in affecting infiltration on slope farmland of the red soil region[J]． Journal of Sichuan Normal University（ Natural Science） ，2020，43（1）：108-114．

［11］張洋，王克勤，段旭，等．等高反坡階措施下玉米水分利用效率對坡耕地土壤水分變化的響應(yīng)[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，50（1）：112-125．

ZHANG Yang， WANG Keqin， DUAN Xu， et al． Response of cropwater use efficiency to soil water changes on contour-reverse slope[J]．Journal of Northwest A amp; F University（Natural Science Edition），2022，50（1）：112-125．

［12］王健，吳發(fā)啟，孟秦倩．耕作措施對徑流能量的影響[J]．人民黃河，2007，29（3）：51-52，54，80．

［13］侯紅波，劉偉，李恩堯，等．不同覆蓋方式對紅壤坡耕地氮磷流失的影響[J]．湖南生態(tài)科學(xué)學(xué)報，2019，6（1）：16-20．

HOU Hongbo，LIU Wei，LI Enyao，et al．Effect of different mulchingmethods on nitrogen and phosphorous loss in red soil slopes of dongtinglake[J]．Journal of Hunan Ecological Science，2019，6（ 1）：16-20．

［14］游浩宇，陳大剛，徐開未，等．不同改良措施對獼猴桃園土壤理化性質(zhì)變化的影響[J]．四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2022，40（ 6）：826-837．

YOU Haoyu， CHEN Dagang， XU Kaiwei， et al． Effect of differentimprovement treatments on the soil physicochemical property changes ofkiwifruit orchard[J]．Journal of Sichuan Agricultural University，2022，40（6）：826-837．

［15］孫梟沁，房凱，費(fèi)遠(yuǎn)航，等．施加生物質(zhì)炭對鹽漬土土壤結(jié)構(gòu)和水力特性的影響[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50（2）：242-249．

SUN Xiaoqin， FANG Kai， FEI Yuanhang， et al． Structure and hydrauliccharacteristics of saline soil improved by applying biochar basedon Micro-CT scanning[J]．Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2019，50（2）：242-249．

［16］祝瑜，褚琳琳，朱文東，等．濱海鹽漬土土壤物化性質(zhì)與水動力學(xué)性質(zhì)變異[J]．水土保持學(xué)報，2022，36（6）：379-386．

ZHU Yu，CHU Linlin，ZHU Wendong，et al．Variation of soil physicochemicalproperties and hydrodynamic properties of coastal salinesoil[J]．Journal of Soil and Water Conservation，2022，36（ 6）：379-386．

［17］羅瑩麗，韋杰，劉春紅．紫色土坡耕地埂坎裂隙發(fā)育對土壤入滲的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37（21）：116-123．

LUO Yingli， WEI Jie， LIU Chunhong． Water seepage in soil bundsunder different crack development degrees on the purple-soil slopingfarmlands[J]． Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2021，37（21）：116-123．

基金項目： 云南省基礎(chǔ)研究計劃面上項目（202201AT070272）；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“不同灌溉模式的紅壤坡耕地土壤優(yōu)先流特征”（2023）