保護性耕作對坡耕地土壤水分特性和水土流失的影響

郭賢仕，楊如萍，馬一凡，郭天文，張緒成

(甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅蘭州730070)

坡耕地是我國重要耕地資源，盡管多年來一直堅持坡地改梯田的農田基本建設，我國坡耕地仍然占耕地總面積的1/5，面積達2.13×107hm2[1]。坡耕地也是我國水土流失的主要區域之一，坡耕地每年產生的土壤流失量約為1.5×109t，占全國水土流失總量的1/3[3]。黃土高原丘陵溝壑區是我國乃至世界上水土流失最嚴重、生態環境最脆弱的地區之一，侵蝕模數高達4 000～10 000 t/(km2?a)，該區域所產生的泥沙占每年1.3×109～1.5×109t入黃泥沙中的大部分，由于坡耕地又是該區水土流失最嚴重的部位，并且面積所占比重較大，坡耕地水土流失量一般占流域水土流失總量的40%～60%[2，4]。

雖然坡耕地的“退耕”和“坡改梯”是黃土高原丘陵溝壑區防治水土流失、提高旱地生產力的有效措施，但由于資金及地形地貌等客觀條件的限制，坡耕地在一定時期內仍將存在。在農業生產實踐過程中，對這些坡耕地采用一些水土保持耕作措施，同樣可能達到防治水土流失，提高旱地生產力的目的。免耕覆蓋作為一種保護性耕作種植技術，可改善土壤結構，增加土壤水分入滲，能有效防止水土流失，同時還有省工、省力、省能、易行等特點，是可持續的旱地農業發展模式[5-7，10]。為探索控制黃土丘陵溝壑區坡耕地水土流失的耕作方法和原理，本研究進行坡耕地免耕和秸桿覆蓋定位試驗，分析措施實施后坡耕地土壤水分特性的變化及其對徑流量和土壤侵蝕量的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗小區位于甘肅省定西市安定區唐家堡鎮唐家堡村(35°26′30″N ，104°34′32″E)，屬典型黃土高原半干旱丘陵溝壑區。該區多年年均降水415.2 mm，降水主要分布在7—9這3個月，年均蒸發量1 531 mm，年平均氣溫 6.2℃。試驗小區為10°～12°的坡耕地，海拔2 030 m，土壤類型為黃綿土，該區在試驗期的降水情況見表1。

表1 試驗期降水情況

1.2 處理設置

設置傳統耕作、免耕、秸桿覆蓋免耕共3個處理。傳統耕作是按當地的耕作習慣，翻耕裸地種植，休閑期實行三耕兩耱。免耕為作物收獲后休閑期不進行耕作，播種時也盡量少翻動土壤。試驗共進行了3 a，秸桿覆蓋為試驗開始的第一年(2007年)用6 000 kg/hm2小麥秸桿進行覆蓋，2008和2009年按1 500 kg/hm2進行秸桿補充，小麥收獲時留高茬。3個處理作物種植制度均為:春小麥—春小麥—豌豆。田間試驗小區面積5.0 m×7.2 m，3次重復，隨機區組排列。

1.3 主要指標測定方法

所有主要指標測定過程中，采集土樣均按照小區進行3次重復取樣。

(1)土壤水分特性測定。在作物主要生長期和休閑期測定200 cm土層含水量;在初春播種后，測定耕作層土壤水分動態和容重的變化;在作物生長期和休閑期各選擇1～2次能產生有效徑流的降水，在降雨后測定耕作層土壤水分動態。(2)土壤結構測定。測定0—10 cm土壤容重;團粒結構于2009年7月7日取0—30 cm耕作層的混合土樣，用薩維諾夫干篩法和濕篩法測定。(3)降水量、徑流量和侵蝕量測定。氣象站記錄降水量、降水強度和降水歷時。在試驗小區下部設置徑流池，每次降水產流后及時測量徑流體積，同時采集混合水樣100 ml，過濾后烘干稱重，計算水樣的泥沙含量，進一步計算侵蝕量。侵蝕量(kg/hm2)=渾水總量(ml)×樣品泥沙含量(g/ml)×10-3/(3.6×10-3);徑流量(m3/hm2)=〔渾水總量(ml)-侵蝕量(g)/坡面土壤比重〕×10-6/(3.6×10-3)。(4)數據處理。顯著性和回歸分析使用DPS分析軟件。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對坡耕地土壤水分的影響

2.1.1 不同耕作方式對田間土壤水分的影響 不同耕作方式對坡耕地土壤水分有明顯的影響。2 a的試驗結果表明(表2)，免耕+覆蓋處理土壤含量最高，2 a的年平均土壤含量比傳統耕作處理分別高出了0.77%和1.32%，保水效果明顯。雖然傳統耕作與單純的免耕處理的年平均土壤含水量沒有顯著差異，但由于秋休閑期土壤水分含量相對較高，傳統耕作比單純的免耕處理年平均土壤含水量高出約0.3%。2009年不同時段免耕+覆蓋處理土壤含量都是最高的，而2008年在春小麥生長期，不同處理之間土壤含水量沒有明顯區別。

表2 不同耕作方式下200 cm土層土壤水分含量 %

2.1.2 初春耕作層土壤水分動態 初春播種后耕作層土壤保墑對旱地作物出苗有重要影響。在隴中黃土丘陵溝壑半干旱區，在每年3月中旬夏季作物播種期，此階段正是土壤耕作層解凍期，該期耕作層土壤水分含量一般都較高。夏作物播種期后的初春是氣溫快速升高的時期，該時期耕作層土壤水分散失很快，半干旱區夏作物經常出現的缺苗現象，就是由于這一時期耕作層土壤水分快速散失而造成的。不同的耕作方式耕作層土壤水分動態表現出不同的特點，傳統耕作表層土壤水分下降較快;免耕處理耕作層土壤水分下降較慢，但保持下降趨勢;覆蓋免耕處理耕作層土壤水分下降速度較為緩慢(表3)。播種前及播種后的10 d內，免耕處理耕作層土壤含水量均顯著高于傳統耕作，但在15 d以后，免耕處理耕作層的土壤水分含量與傳統耕作沒有顯著差異，覆蓋免耕處理的耕作層土壤水分含量均顯著高于其它兩個處理。

表3 2009年不同耕作方式下耕作層土壤水分動態 %

不同耕作方式對耕作層不同層次的含水量也有顯著影響(表3)。傳統耕作由于播種對土壤的擾動較大，表層(0—20 cm)土壤水分迅速下降到6%～7%，但20—40 cm土層土壤水分下降較為緩慢，這與表層土壤干層對下層水分阻斷作用有關。傳統耕作使表層土壤水分迅速下降，對底墑較差的土壤影響較大，將嚴重影響作物出苗。免耕處理表層土壤水分下降速度雖然慢于傳統耕作處理，但整個耕作層土壤水分下降幅度高于傳統耕作，播種后持續干旱也可能使耕作層土壤水分下降至很低的水平，免耕地經常出現的作物出苗保苗困難就與耕作層整體土壤水分散失較快有關。覆蓋免耕處理耕作層土壤水分散失較慢，各層次均保持了較高的水分含量，旱地覆蓋免耕條件作物出苗率通常較高，特別是針對一些播種深度較淺的作物，該措施保苗效果更為明顯。

2.1.3 耕作層土壤雨水的入滲和蒸發 雨后耕作層水分動態，既是雨后土壤水分入滲狀況的反映，又是表層土壤水分散失的反映。表4為2008年6月7日小麥生長期在降水20.3 mm后第5天的耕作層土壤水分動態，雨后第一天，表層土壤水分含量都較高，接近飽和，20 cm以下土壤水分含量較低，雨后幾天耕作層下層的土壤水分含量還有小幅上升。傳統耕作處理耕作層在0—20 cm土層土壤水分含量下降較快，20—30 cm土層土壤水分含量上升較快;免耕處理包括覆蓋免耕處理，其耕作層在0—20 cm土層土壤水分下降較慢，20—30 cm土層土壤水分上升也較慢。傳統耕作雨后耕作層土壤水分變化較劇烈，入滲和蒸發均較快;免耕處理耕作層土壤水分含量則相對穩定，并且較長時間維持較高的水分含量。

表4 不同耕作方式下雨后耕作層土壤水分動態 %

2.2 不同耕作方式對坡耕地土壤結構的影響

2.2.1 全年土壤容重動態 免耕和覆蓋對耕作層容重影響明顯(表5)。

2 a的試驗結果表明，傳統耕作處理的耕作層容重較低，免耕和覆蓋免耕處理的容重較高。在休閑期不同耕作方式的容重差異顯著，而在作物生長期各處理之間差異較小，多差異不顯著。耕作層土壤容重一直處于較高水平，土壤結構緊密，是免耕雨后土壤水分入滲性較差的主要原因。免耕地通過覆蓋可以降低表層土壤容重，秸桿覆蓋是改善土壤結構的有效方法，特別是在雨后表層土壤水分快速蒸發、休閑期自然降水較少時可防止土壤表層產生結皮。秋休閑期實行三耕兩礳的傳統耕作方法，容易使表層土壤水分散失，也不符合現代保護性耕作的理念，但傳統耕作方法可通過多次耕礳打破雨后表層結皮、松散土壤、改善土壤結構，有利于雨水快速下滲，同時切斷土壤水分上升的毛管通道。

表5 2009年不同耕作方式下土壤容重 g/cm3

2.2.2 初春耕作層土壤容重動態 初春播種后，不同耕作方式下耕作層土壤容重差異較大(表6)。傳統耕作處理由于播種時的翻耱，容重一直處于較低水平，免耕和覆蓋免耕處理容重較高。初春溫度升高，土壤解凍，表層土壤水分快速蒸發，對免耕處理的容重影響較大，容重保持增大趨勢。反過來，免耕處理初春季節土壤容重較大、堅實，也是免耕地初春土壤水分散失較快的原因。初春免耕處理土壤容重較大、堅實，也是作物出苗率降低的原因之一。覆蓋免耕處理土壤容重變化較小，覆蓋能有效改善耕作層土壤結構。

表6 2009年初春耕作層土壤容重動態 g/cm3

2.3 不同耕作方式對土壤團聚體組成的影響

土壤團聚體的數量和穩定性是衡量土壤結構、水分入滲與抗蝕性的重要指標。不論采用干篩或濕篩的團聚體測定方式，團聚體結構組成中，＞1 mm的土壤大顆粒團聚體含量均為傳統耕作處理的較高;＜1 mm的土壤小顆粒團聚體含量均為傳統耕作處理的較低(表7)。水穩性團聚體受耕作方式的影響更大一些，免耕條件下水穩性團聚體含量高出傳統耕作處理21.12%，覆蓋免耕高出傳統耕作處理50.17%，覆蓋能進一步強化免耕的作用。

傳統耕作團聚體破壞率最高(81.72%)，免耕能增加團聚體的穩定性，降低團聚體破壞率。這說明耕作和擾動的程度越大，團聚體穩定性越小，土壤的抗蝕性也就越低，而擾動程度較小的免耕處理，團聚體穩定性較高，土壤抗蝕性也較強，可更好地防止水土流失。

表7 土壤團聚體組成分析 %

2.4 不同耕作方式下水土流失狀況

根據氣象站降水記錄，2008和2009年試驗區共降水164次，降水總量為717.9 mm。其中，最大日降水量為30.6 mm，有可能產生徑流的＞10 mm降水次數23次，實際產流降雨只有15次。

從這2 a的試驗結果可以看出(表8)，各耕作方式年徑流總量由大到小的順序為:免耕＞傳統耕作＞覆蓋免耕。說明免耕處理不僅沒有減少徑流，還增加了徑流量，覆蓋免耕處理的徑流量只略小于傳統耕作，兩者沒有顯著差別。究其原因，一方面與隴中半干旱區的自然降水分布特點有關，另一方面與免耕方式對土壤結構的影響有關。

隴中半干旱區的自然降水主要集中在夏季作物收獲后的秋季，夏季作物收獲后的翻耕、耱耙增加了土壤表面的粗糙度，有利于自然降水的入滲，而免耕地表緊實度較高，容易形成徑流。覆蓋也有增加土壤表面粗糙度的作用，能使免耕地徑流量大幅下降。

免耕和覆蓋處理的減沙效果顯著。從這2 a的試驗結果可以看出，各耕作方式產沙總量的大小順序為:傳統耕作＞免耕＞覆蓋免耕，免耕、覆蓋免耕處理的產沙量相比傳統耕作處理分別減少 34.20%和88.11%。從產沙的時段看，泥沙主要產生于夏季作物收獲后的秋季，這一時期也是該區的雨季，是徑流主要形成期。

傳統耕作在作物收獲后的多次翻耕耱耙，使土壤過度松散，是其產沙量最大的主要原因。免耕地土壤表層較為緊密，增加了團聚體的穩定性，土壤抗蝕力也較強。作物秸桿覆蓋在有效降低徑流量的同時，防止雨水和徑流對土壤的沖濺效果也很明顯，相對無覆蓋的免耕地可減少81.93%的產沙量。

表8 不同耕作方式下水土流失量

徑流量、產沙量與自然降特征參數的單因子回歸及多因子線性回歸關系分析表明，2008—2009年試驗期間自然降水特征參數中的平均降水強度和降水歷時與徑流量、侵蝕量的相關性不大，徑流量、產沙量與降水量呈顯著的正相關，多為極顯著(P=0.01水平)。

不同耕作條件下的次降雨徑流量、產沙量均與降水量呈顯著的線性回歸關系，關聯方式還是相同的，不同耕作方式對徑流量和產沙量的影響只是量上的區別。

3 結論

(1)不同耕作方式對坡耕地土壤水分有一定影響。免耕+覆蓋處理的年平均土壤含水量比傳統耕作高出1%以上，保水效果明顯，單純的免耕處理的土壤含水量與傳統耕作沒有顯著差異。初春播種后的作物出苗期，傳統耕作表層土壤水分下降較快;免耕處理耕作層土壤水分下降幅度較為緩慢，但呈持續下降趨勢;覆蓋免耕處理耕作層土壤水分下降幅度較為緩慢，半干旱區旱地在這一時期耕作層土壤水分經常處于出苗所需的臨界點，微小水分含量差異都可能對作物出苗造成很大的影響。傳統耕作雨后耕作層土壤水分變化較劇烈，入滲較快蒸發也較快;免耕處理耕作層土壤水分則相對穩定，并且較長時間維持較高的土壤含水量，免耕有利于土壤水分保持。

(2)免耕和覆蓋處理對耕作層土壤容重影響明顯，傳統耕作耕作層土壤容重較小，免耕和覆蓋免耕處理土壤容重較大。免耕地通過覆蓋處理可以降低表層土壤容重，特別是在土壤水分快速蒸發時可有效防止土壤表層結皮的產生。免耕能增加團聚體的穩定性，降低團聚體破壞率，增強土壤抗蝕力，覆蓋能進一步強化免耕的作用。免耕對土壤容重的影響差異較大，可能與免耕年限、是否有秸桿覆蓋以及土壤結構有關[7-9，11]。

(3)免耕處理增大了土壤容重、緊實度，也增加了坡地產流量，由于免耕措施可增加土壤團聚體的穩定性，增強了土壤抗蝕性，使其產沙量顯著降低。黃土高原半干旱區降水主要集中在夏作物的秋休閑期，傳統耕作的三耕兩耱方式在秋休閑期相比單純的免耕處理可更好地接收雨水入滲[8，10]。作物秸桿覆蓋可有效降低徑流量，防止雨水和徑流對土壤的沖濺效果也很明顯。免耕地要真正實現對水土流失的雙重控制，必須輔以秸桿覆蓋的保護性耕作方式[6-7]。

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