地面不同壟溝形式對土壤水分的影響

顧 賀

（甘肅省水利廳水利管理局，甘肅 蘭州 730000）

我國干旱半干旱區(qū)面積約占全國土地面積的52.5%，年降水量少，大部分地區(qū)的年降水量為250～550mm、降水時空分布不均、冬春少雨，且多為無效降水（小于10mm的降水發(fā)生頻率占到70%）；夏秋多雨，降水集中在7～9月，占全年降水量的60%～70%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，水土流失嚴重，土地生產力極低，旱災頻繁，農田生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞［1－5］。溝壟集雨種植技術將降雨資源適時、適量和適地聚集起來，解決供水時期和作物需水時期錯位矛盾，使雨水達到時空協(xié)調和高效利用的目的，同時減少水土流失，保持該地區(qū)農業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展［6－9］。溝壟集雨種植土地利用可分為2部分，即集水區(qū)和作物種植區(qū)。集水區(qū)的目的是產生最大徑流和最小入滲，使作物種植區(qū)得到的水分資源富集，有效減少土壤表面蒸發(fā)和作物 耗水系數(shù)，提高降水資源利用率［6－10］。作物種植區(qū)溝中的土壤水分分布及其變化是研究農田水量平衡的重要因素，對作物生長尤為突出，對于農業(yè)生產持續(xù)發(fā)展有其重大理論與實踐意義［11，12］。土壤水分運動是一個復雜的過程，其運動分為飽和水流、非飽和水流和水汽的運動，研究飽和土壤水分運動對建立農田降水入滲及產流關系，對于有效防治土壤侵蝕，合理利用有限的雨水資源具有重要的現(xiàn)實意義。溝壟集雨種植在平地上人工起壟，形成溝壟相間的微地形，溝中的水分產生疊加，必然導致種植區(qū)溝中土壤水分發(fā)生變化。盡管對不同覆蓋、不同坡面土壤水分及入滲已有較多研究［2，3］，但對壟溝微地形土壤水分分布及入滲的研究工作尚不深入。本文研究不同壟溝表面處理對土壤水分分布及入滲的影響，旨在為黃土高原壟溝集雨種植和降水資源有效利用提供參考。

1 試驗設計與方法

1.1 自然概況

試驗于2002年4～9月在蘭州大學榆中校區(qū)干旱農業(yè)生態(tài)試驗站進行，地理位置 N 35.87°，E 104.09°，海拔1 874m，本區(qū)屬于黃土高原西部丘陵溝壑區(qū)，屬中溫帶半干旱氣候，年均氣溫6.5℃，年平均降水量為314.1mm1999～2002年）。降水季節(jié)分布不均勻，1999～2002年約56%的降水發(fā)生在7～9月。地下水位深度＞20m，超過作物根系吸收利用范圍。試驗區(qū)地貌溝壑縱橫，土壤為黃土母質上發(fā)育的黑麻土和黃綿土，耕層土壤 （0～20cm）田間持水量為21.18%，凋萎濕度為7.17%，土壤容重1.13g/cm3，有機碳0.53 g/kg，全氮0.065g/kg，全磷0.063g/kg［13］。

1.2 試驗設計

采取溝壟集雨種植馬鈴薯，設計了3種溝壟比：1∶0.5，1∶0.75和1∶1，溝寬比壟寬為：60∶30cm，60∶45cm和60∶60cm和2種下墊面材料，有覆膜壟和土壟兩種形狀集雨面材料。覆膜壟覆蓋塑料薄膜厚度為0.08mm，土壟為人工原土夯實。共設計7個處理 （3個溝壟比×2個覆蓋材料＋1個平作），傳統(tǒng)種植 （平作）作為對照，集雨壟坡度為40°，溝長和壟長均為5m，壟高為25cm，壟溝相間分布于田間，每1小區(qū)有3條溝和4條壟，小區(qū)隨機排列，3次重復，試驗小區(qū)編號及其他參數(shù)見表1

1.3 種植管理

根據(jù)當?shù)伛R鈴薯種植經(jīng)驗，于2002年4月16日開始整地、起壟、覆膜、施基肥。播前施純雞糞3.8×104kg/hm2，過磷酸鈣420kg/hm2，尿素180kg/hm2，3種肥料混合后于2002年4月17日全面條播施入，對于溝壟種植，基肥施入溝中；對平作處理，將肥料全地面施入，施肥深度為10cm。2002年4月26日開始在溝內穴播種植，供試馬鈴薯品種為渭薯1號，在每個小區(qū)的溝內穴播點種2行馬鈴薯，行距30cm，株距30 cm，馬鈴薯種植行與壟坡腳距離為5cm，每溝種植33株。平作采取寬窄行種植，共6行，寬行行距75cm，窄行行距30cm，每行種植16～17株馬鈴薯。每個試驗小區(qū)有3條種植帶，總播種株數(shù)為99株。播種用切塊種植，種植深度為5～6cm。采用手工除草，2002年8月31日收獲。2002年馬鈴薯生育期降水量（圖1），全生育期降水為183.6mm。

表1 溝壟集雨種植馬鈴薯試驗設計Table 1 Experimental design for planting potato of rainfall harvesting

圖1 2002年馬鈴薯生長季節(jié)降水量Fig.1 The rainfall during potato growing seasons in 2002

1.4 土壤含水量及土壤水分入滲速率測定

采用烘干法測定每一小區(qū)溝中土壤含水量，測定深度為200cm，按20cm分層，每隔10d觀測1次，降水（降水量＞5mm）后加測。利用圭爾夫滲透儀測定土壤水分入滲速率，采用變水頭法，第1個水頭（10 cm）作用下求得第1個穩(wěn)定的流量值，施加第2個水頭（20cm），求得第2個穩(wěn)定的流量值。采用秒表計時，每隔1min記錄1次入滲量，測到入滲速率達到穩(wěn)定值時為止，每小區(qū)重復9次，取平均值。

1.5 土壤貯水量計算與數(shù)據(jù)分析

式中：W為土壤貯水量（mm），h為土層深度 （cm），ρ為土壤容重（g/cm3），b為質量含水量。

利用完全隨機模型分析不同溝壟比和覆蓋材料對土壤含水量的影響，將3次重復收集的數(shù)據(jù)用SPSS 15.0與Excel軟件進行方差分析和顯著性檢驗 （P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 膜壟的土壤水分比較

試驗處理分為兩組，第1組為膜壟（MR），第2組為土壟（SR）和平作。根據(jù)溝壟集雨土壤水分特征將集雨時期分為集雨前期（4月下旬至5月下旬）、集雨中期（6月上旬至7月中旬）與集雨后期（7月下旬至8月下旬）［12］。集雨前期，不同膜壟處理溝中土壤水分差異顯著（圖2）。如5月12日測定，MR30、MR45與 MR60在2m土壤深度的平均含水量分別為7.92%b，8.14%ab和9.06%a數(shù)字后，不同字母表示差異顯著（P＜0.05），MR60平均土壤含水量顯著大于 MR30，MR45與MR60之間、MR45與MR30之間相差不顯著。集雨前期，降水量較多，MR60的集雨面積是 MR30的兩倍，同時MR60與MR30的溝面積相等，使MR60土壤含水量顯著大于MR30。在集雨中期和集雨后期，隨著降水量減少，不同膜壟處理間溝中土壤水分差異不顯著。6月14日測定，MR30，MR45和 MR60在2m土壤深度的平均土壤含水量分別為10.73%a，11.16%a和11.37%a；7月14日測定，它們值分別為6.28%a，6.63%a和7.04%a；8月13日測定，它們值分別為 6.81%a，7.06%a和7.18%a。從測定結果可以看出，MR60溝中土壤水分相對較大，但 MR30、MR45與 MR60之間的土壤含水相差不顯著。通過徑流分析［12］，MR30、MR45與MR60平均集流效率分別為93%，87%和89%。MR60集雨效率相對較低，但其集雨面積大，集雨量大，用于同樣寬度的種植帶，MR60溝內土壤含水量相對較高。由于集雨效率相差不大，再加上高蒸散使MR30、MR45與MR60之間的土壤水分差異不顯著。

2.2 土壟、平作土壤水分比較

集雨前期，土壟和平作2m土壤深度平均含水量（圖2），5月12日測定ER30、ER45、ER60與平作2m 土壤深度的平均含水量分別為8.91%a9.04%a9.20%a和8.87%a。從數(shù)值可以看出，ER60的土壤水分略大于ER30、ER45與平作，土壟處理間、土壟與平作之間的土壤水分差異相差不顯著。集雨前期，土壟表面的結皮初步形成，厚度相對較薄，通過研究發(fā)現(xiàn)土壟的集雨效率與結皮厚度有關，結皮厚度越小，集雨效率越低［12］，雖然降水量較多，但土壟間、土壟與平作之間的土壤水分差異不明顯；集雨中期與集雨后期，隨著降水量的減少，不同土壟間的土壤水分差異不顯著。集雨中期，隨著土壟結皮增厚，土壟處理溝中土壤含水量顯著大于平作；集雨后期，隨降水減少和作物耗水增大，土壟溝中土壤水分與平作差異不顯著。6月14日測定，ER30、ER45、ER60與平作2m土壤深度的平均含水量分別為9.10%a、9.49%a、9.64%a和8.33%b；7月14日測定，值分別為5.87%a、5.97%a、6.18%a和4.89%b；8月13日測定，值分別為6.24%a、6.65%a、6.18%a與6.75%a。由于土壟集雨效率差異不顯著，使土壟處理間溝中的土壤水分相差不顯著。土壟表面結皮產生一定徑流，同時土壟表層結皮具有減少蒸發(fā)作用，在集雨中期，土壟溝中土壤水分顯著大于平作。

2.3 土壤貯水量比較

為了比較不同下墊面材料溝中的土壤水分差異，將膜壟、土壟、平作的土壤貯水量進行比較。土壤表層0～40cm，貯水量的高峰期主要出現(xiàn)在降水時期，在出現(xiàn)土壤貯水量差異的時期，膜壟的土壤貯水量高于土壟，土壟的土壤貯水量高于平作（圖3）。集雨前期，各處理溝中的土壤水分變化不大，隨著生育時期延伸，各處理溝中的土壤貯水量的差異逐漸變大，8月13日測定，MR60、MR45、MR30、ER60、ER45、ER30與平作處理0～40cm深度的土壤貯水量分別為77.53a、89.70a、72.88a、51.92b、59.79b、53.81b、37.68cmm，MR60比ER60、MR45比ER45、MR30比ER30分別多貯水26.61、29.91、19.07mm，MR60、MR45、MR30、ER60、ER45、ER30比平作分別多貯水39.85、52.02、35.20、14.24、22.11、16.13mm，說明，膜壟集雨效果高于土壟，土壟的集雨效果高于平作。在作物收獲時期，由于土壤水分的嚴重耗竭，處理間的土壤貯水量差異又逐漸變小，但趨勢仍然是膜壟高于土壟，土壟高于平作。

各處理深層土壤40～120cm的貯水量差異沒有表層土壤0～40cm明顯，貯水量值分布相對比較散亂，但基本趨勢是膜壟高于土壟、土壟高于平作。8月13日測定MR60MR45MR30ER60ER45ER30與平作處理40～120cm深度的土壤貯水量119.93、115.20、119.48、94.01、92.16、91.22、62.26mm，MR60比ER60、MR45比 ER45、MR30比 ER30分別多貯水25.92、23.0328.26mmMR60MR45MR30ER60ER45ER30比平作分別多貯水57.67、52.94、57.22、31.75、29.90、28.96mm。說明深層土壤膜壟和土壟仍然具有明顯的集水和保水效果，對馬鈴薯抗旱非常有力。

圖2 膜壟之間、土壟與平作土壤水分比較Fig.2 Comparison of soil moisture between MR （mulching ridge），SR （soil ridge）and flat planting

圖3 0～40cm土壤貯水量比較Fig.3 Comparison of soil water storage in 0～40cm soil

圖4 40～120cm土壤貯水量比較Fig.4 Comparison of soil water storage in 40～120cm soil

2.4 土壤水分入滲速率比較

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以看出，滲透開始時，土壤滲透速度較快，隨著滲透時間增加，滲透速度下降，最后達到穩(wěn)定（圖5）。從試驗結果可以看出，當水頭等于10cm時，膜壟溝中穩(wěn)定入滲率為2.1mm/min，土壟溝中與平作穩(wěn)定入滲效率1.8mm/min；當水頭等于20cm時，膜壟溝中穩(wěn)定入滲率為2.3mm/min，土壟溝中與平作穩(wěn)定入滲率2.2mm/min。

圖5 膜壟、土壟和平作土壤水分入滲速率比較Fig.5 Comparison of soil water permeation between MR （mulching ridge），SR（soil ridge）and flat planting

盡管集水條件下土壤水分入滲和野外自然降雨條件下土壤水分入滲有差異，但結果說明，不管水頭等于10cm或20cm，膜壟溝中的土壤水分入滲速率大于土壟和平作，土壟和平作的土壤水分入滲速率相差不顯著。主要原因是膜壟溝中馬鈴薯生長旺盛、根系下扎深度深，土壤小動物和微生物數(shù)量多于土壟和平作，使膜壟溝中形成很多微細孔道，使膜壟溝中土壤水分入滲速率大于土壟和平作。

3 討論與結論

MR30，MR45和MR60的平均集雨效率分別為93%a，87%a和89%a，SR30、SR45和SR60集雨效率變化為0～19%b、0～28%ab和0～17%［12］，膜壟之間（或土壟之間）的集雨效率相差不顯著，使膜壟處理之間或土壟處理之間土壤水分相差不顯著。在集雨前期，由于土壟結皮初步形成，厚度相對較薄，土壟與平作之間的土壤水分差異不明顯；在集雨中期，隨著土壟結皮增厚，土壟表面結皮產生一定徑流，同時土壟表層結皮具有減少蒸發(fā)作用，土壟處理溝中土壤含水量顯著大于平作；在集雨后期，隨降雨減少和作物耗水增大，土壟溝中土壤水分與平作差異不顯著。

土壟集水效率平均為16.8%b，膜壟集水效率平均為90%a，土壟集水效率明顯低于膜壟［12］，膜壟的土壤貯水量高于土壟，土壟的土壤貯水量高于平作。土壤貯水量差異層主要出現(xiàn)在土壤表層0～40cm，如8月13日測定，在0～40cm土壤深度，MR60比ER60、MR45比ER45、MR30比 ER30分別多貯水26.61，29.91和19.07mm；MR60、MR45、MR30、ER60、ER45、ER30比平作分別多貯水39.85、52.02、35.20、14.24、22.11、16.13mm。溝壟集雨使兩個面上 （壟和溝）的降水集中到一個面上 （溝），溝中的水分產生疊加，土壤水分入滲越深，蒸發(fā)損失越小，同時壟結皮具有減少蒸發(fā)作用，使膜壟溝中土壤貯水量高于土壟，土壟溝中土壤貯水量高于平作。

觀測發(fā)現(xiàn)，當入滲水頭相同時，膜壟溝中土壤水分穩(wěn)定入滲率大于土壟和平作，土壟和平作之間的差異不明顯。在膜壟處理下，馬鈴薯生長旺盛，馬鈴薯地上生物量和地下生物量大于土壟和平作，馬鈴薯根系生長對許多土壤小動物和微生物提供生活場所，膜壟處理的馬鈴薯根系下扎較深和土壤小動物等形成土壤空隙較多，使膜壟溝中土壤水分穩(wěn)定入滲率大于土壟和平作。

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