周至縣坡耕地農業耕作措施蓄水保土效益試驗研究

齊養周

（周至縣水務局 陜西 周至 710400）

1 周至縣坡耕地概況

周至縣地處關中盆地南部偏西，分秦嶺山區、山前臺塬區和渭河關中平原三個地貌單元，總面積2968km2,是西安市的重要水源地。氣候屬干旱半干旱大陸性季風氣候區，土壤以黃土、婁土、褐土、石渣土為主，年均氣溫13.2℃，≥10℃的活動積溫3171℃，無霜期225 d，年平均光照時數2154.7 h，年水面蒸發量為1170mm，年均年降水量為820.52mm。

周至縣坡耕地主要集中在山前臺塬區，山區有少量分布，總面積16.8萬畝，占總耕地面積的20%，由于大多數群眾仍然使用傳統的順坡耕作習慣，加之雨季地面裸露，土壤侵蝕強烈，水土流失極為嚴重。

2 實驗原理和過程

2.1 研究內容

周至縣坡耕地農業耕作措施通常有等高耕作、等高溝壟耕作、水平防沖溝和蓄水聚肥改土耕作法等。但目前最為常用的有等高耕作、深耕深翻和管理過程中的人工鋤耕等，本文主要對耕作措施蓄水保土效益與降雨、坡度對蓄水保土效益影響及產生機理等進行研究。

2.2 實驗設計

針對研究內容制定了如下實驗方案。

供試土樣：取自周至縣沙河流域的耕層黃墡土。

實驗地點：西北農林科技大學資源與環境學院土壤侵蝕實驗室。

設備及材料：側噴式降雨機，雨量筒，泥沙收集桶和沖刷槽4組。

耕作措施設計：等高耕作，進行橫向耕作，形成溝和壟，壟高10cm，壟距33cm；深耕深翻，用镢頭挖地，并使地面保持掏挖后的原始狀態；人工鋤耕，用鋤頭以常規方式經行鋤挖。實驗中以同坡度的耙耱平地為對照。

降雨設計：降雨強度0.5mm/min、1.0mm/min、1.5mm/min、2.0mm/min 和 2.5mm/min。

沖刷槽坡度設計：坡度為5°、10°、15°、20°、25°。

2.3 蓄水保土效益計算方法

在計算耕作措施的蓄水保土效益時，采用了水保法（成因分析法），農業耕作措施的減水、減沙效益采用水保法進行計算，公式為：

式中，η水——耕作措施減水作用（%）；

η沙——耕作措施減沙作用（%）；

W直——耙磨平直線坡的坡面產流量（m3）；

S直——耙磨平直線坡的侵蝕產沙量（t）；

W耕——耕作措施小區的坡面產流量（m3）；

S耕——耕作措施小區的侵蝕產沙量（t）。

3 農業耕作措施蓄水保土效益分析

3.1 主要耕作措施的蓄水保土效益

經過對實驗結果進行計算后，得到主要耕作措施的蓄水保土效益平均值，見表1。

由表1可以看出，等高耕作的蓄水效益值介于70.56%～10.07%之間，平均值為51.58%，保土效益為76.60%～21.66%，平均值37.73%；深耕深翻蓄水效益介于61.34%～6.48%之間，平均40.73%，保土效益為69.69%～10.69%，平均為25.47%；人工鋤耕措施蓄水效益為51.93%～4.59%，平均26.79%，保土效益為43.25%～-1.65%，平均10.73%。因此，就效益大小來看，等高耕作效益最好。

3.2 降雨對耕作措施蓄水保土效益的影響

以10°坡為例分析3種耕作措施條件下，雨強對耕作措施的蓄水保土效益的影響。

圖1 10°坡耕地雨強對耕作措施的蓄水效益影響

圖2 10°坡耕地雨強對耕作措施的保土效益影響

圖1、圖2分別為10°坡面上三種耕作措施情況下的蓄水效益和保土效益。由圖1可以看出，隨著雨強增大，蓄水效益明顯降低，蓄水效益隨雨強增加呈直線降低。相對來說，等高耕作蓄水能力強于深耕深翻和人工鋤挖。在試驗中，前者的平均蓄水效益高于后兩者，最大可達67.32%。

表1 主要耕作措施蓄水保土效益表

由圖2可以看出坡面耕作措施的保土效益與雨強相關性較差，總的來說，隨雨強增大，耕作措施的保土效益呈現降低趨勢；等高耕作保土效益明顯高于深耕深翻和人工鋤耕。

3.3 坡度對耕作措施的蓄水保土效益的影響

項目區坡耕地坡度是影響產流產沙的另一重要因子。現以雨強為1.0mm/m in為例，說明坡度對3種耕作措施的蓄水保土效益的影響。圖3、圖4反映的是雨強為1.0mm/m in時坡度與耕作措施蓄水效益、保土效益的關系。

圖3 雨強為1.0mm/min時坡度對耕作措施蓄水效益的影響

由圖3可以看出，隨坡度增加耕作措施蓄水效益呈現降低趨勢；在3種耕作措施中，等高耕作在各種坡度情況下蓄水效益均高于深耕深翻，人工鋤耕效益最低。

圖4 雨強為1.0mm/min時坡度對耕作措施保土效益的影響

由圖4可以看出，耕作措施都具有一定的保土效益，隨坡度增加，耕作措施的保土作用降低；在3種耕作措施中，等高耕作在各種坡度情況下保土效益均高于深耕深翻和人工鋤耕。

4 農業耕作措施蓄水保土機理分析

4.1 坡耕地耕作措施對土壤入滲的影響

坡面徑流取決于降雨強度和土壤入滲率間的對比關系，當降雨強度大于土壤入滲率時，坡面開始產流。水土保持耕作措施其強化降水入滲作用為：改變微地形，增加地面糙度，改善土壤物理性狀，提高入滲速率。

觀測耕作措施的降雨入滲過程，可以看出，當降雨強度大于入滲能力時，直線坡將會產生徑流，但對于其他耕作而言，由于地表凹凸不平，制造出許多微型水塘，形成積水入滲，增加下滲水頭；當積水達到一定程度時，隨著填洼作用減弱，將出現徑流，土壤入滲能力將會減弱。

表2 10°坡耕地不同耕作措施條件下土壤的穩定入滲率

表3 不同雨強下耕作措施與徑流模數及蓄水效益關系 單位：m3/km2

根據坡耕地人工降雨試驗，確定出不同耕作措施情況下的穩定入滲率，如表2。

從中可以看出，在相同的降雨條件下，等高耕作土壤穩定入滲速率＞深耕深翻＞人工鋤耕＞直線坡。等高耕作與直線坡相比，可提高入滲67%；深耕深翻可提高入滲41%，人工鋤耕可提高入滲29%；在中小雨強情況下，這種情況更為顯著。這是由于中小雨強對土壤表層破壞作用較小，而大雨強的破壞作用較大。

4.2 坡耕地耕作措施對產流歷時的影響

不同的耕作措施，形成了不同的地表粗糙度，影響產流時間，而且也能改變地表的水流方向。圖5為雨強1mm/m in不同坡度下的耕作措施與產流時間的關系。

圖5 不同坡度下產流時間與耕作措施的關系

從上圖中可以看出，同一坡度下，產流時間隨著耕作擾動強度的增加明顯延長，即耕作措施有延緩產流時間的作用；由于該區產流屬超滲產流，產流時間主要取決于滯蓄量，當降雨強度、土壤含水率、坡度等一定的情況下，坡面糙度越大，微地形起伏越明顯，滯蓄量越大，相應的產流發生的較晚。產流時間推遲，無疑增加了坡面水分入滲時間，增加降水入滲量，減少徑流量。

4.3 坡耕地耕作措施產流的影響

坡耕地耕作措施進一步影響著坡面徑流，表3為10°坡耕地在不同耕作措施下各個雨強的產流模數。

從表中可以看出，在同一雨強作用下，隨著耕作擾動強度的增大，徑流呈減小的趨勢，蓄水效應越大；同一耕作措施條件下，隨著雨強的增加，這一阻擋逐漸減弱，甚至破壞，徑流量遞增。

5 結語

實驗結果表明：①不同的耕作措施對坡耕地水、土的保護效益不同，采用等高耕作蓄水保土效益最好。②坡耕地耕作措施的蓄水作用與雨強有密切關系，隨雨強增加，蓄水效益明顯降低，降雨強度對保土效益影響不大。③坡度也在影響著耕作措施的蓄水保土效益，隨坡度增加耕作措施蓄水保土作用下降，在較小坡度情況下，耕作措施的蓄水保土作用較強。陜西水利