東北黑土區不同耕作措施保水保土效應研究

史彥林，陳生永，劉建新，樊 華

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150400)

我國東北松遼流域黑土區是世界三大黑土區之一。該地區具有較緩的坡狀起伏地形，坡度一般在7°以下，并以小于4°居多，土壤肥沃，多被開墾成坡耕地。在開荒過程中土壤蓄水保肥能力下降，水土流失加劇，黑土層被剝蝕，嚴重影響糧食生產。因此，針對東北典型黑土區坡耕地嚴重的水土流失問題，采取有效的保護性耕作措施來控制坡耕地水土流失及地力下降迫在眉睫。本研究通過觀測不同耕作措施小區的徑流量、土壤侵蝕量，分析和評價不同耕作措施的蓄水保土效益，探究黑土區坡耕地適宜的耕作措施。

1 試驗區概況

試驗區位于黑龍江省賓縣，地理坐標為127°24′47″E、45°44′57″N，屬丘陵漫崗地貌區、中溫帶大陸性季風氣候區，多年平均年降水量590 mm，年均徑流深133 mm，年均氣溫3.5 ℃，年均日照時數2 732.2 h，≥10 ℃年積溫2 400 ℃，年均風速3.1 m/s，無霜期128 d。土壤主要是黑土，表土疏松，底土黏重，有機質含量僅為4.3 %，土壤容重為1.2 g/cm3，總孔隙率為50%，pH值為6.2，呈微酸性。

2 試驗設計與研究方法

試驗設計了3°、5°坡度下橫坡壟作+種植大豆、順坡壟作+種植大豆、裸地(對照)3種耕作措施共6個標準徑流小區，每個小區重復試驗3次。徑流小區規格為20 m×5 m，順坡向為長邊，小區間用隔板分開，隔板高40 cm、厚約5 cm、埋深不少于20 cm。小區底部設集流槽，將徑流導入集流池或集流桶。集流槽上沿為一水平面，寬5 cm，集流槽下沿為擋土墻，槽體中部為傾斜的陡槽，將徑流導入集流口，并通過安裝在墻體內的集流管將徑流收集到集流桶中。集流槽用混凝土砂漿抹面，表面平整光滑。集流桶設有防雨設備，防止雨水進入。通過小區附近設置的綜合氣象觀測站觀測和記錄降雨情況。每次降雨后觀測小區產生的徑流量，并均勻采集水樣于室內過濾、烘干并稱量，測定含沙量，計算小區土壤侵蝕量。

3 結果與分析

3.1 侵蝕性降雨篩選

2010年共觀測到降雨27場，總降雨量(不含降雪)為312.2 mm。試驗區降雨具有明顯的季節性特征，主要集中在6—8月。27場降雨中，最大一場降雨量出現在6月29日，降雨量達42.8 mm，降雨歷時1.47 h，平均雨強為29.18 mm/h；最小一場降雨量出現在9月27日，降雨量僅為0.4 mm，歷時0.68 h，平均雨強為0.59 mm/h。根據黑土區侵蝕性降雨的基本雨量標準(9.8 mm)[1]，在27場降雨中有8場為侵蝕性降雨，主要集中在6—7月。為了方便分析降雨量和降雨強度與不同小區土壤侵蝕量之間的關系，將降雨量從小到大排序，將8場侵蝕性降雨分別記作Ⅰ到Ⅷ，見圖1。

3.2 不同耕作措施對徑流量的影響

3.2.1 順坡壟作措施對徑流量的影響

表1為侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區、裸地小區徑流量。由表1知，順坡壟作+種植大豆小區年徑流量大于裸地小區，隨著坡度的增加(從3°到5°)，兩類小區年徑流量均有所增加，3°坡和5°坡順坡壟作+種植大豆小區年徑流量分別為1 368.40、1 838.44 m3/hm2，相比同坡度裸地小區增幅分別為13.15%、13.69%。從年徑流量來看，順坡壟作措施沒有起到蓄水減流效果，但是從單場降雨來看，在降雨量和降雨強度較小的情況下，這種耕作措施也具有一定的蓄水減流作用。

圖1 2010年8場侵蝕性降雨的降雨量及降雨強度

表1 侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區、裸地小區徑流量

3.2.2 橫坡壟作措施對徑流量的影響

表2為侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區、裸地小區徑流量。由表2知，橫坡壟作+種植大豆小區年徑流量明顯少于裸地小區。隨著坡度增加，橫坡壟作+種植大豆小區年徑流量有所增加，5°坡

表2 侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區、裸地小區徑流量

小區為83.38 m3/hm2，是3°坡小區的3.17倍，但與5°坡裸地小區相比仍然減少了94.84%，說明在坡度≤5°的情況下，橫坡壟作能有效減少地表徑流，起到蓄水保水的作用。

3.3 不同耕作措施對侵蝕量的影響

3.3.1 順坡壟作對侵蝕量的影響

表3為2010年侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區、裸地小區土壤侵蝕量。由表3知，3°坡順坡壟作+種植大豆小區土壤侵蝕量較裸地小區有明顯減少，減少了72.84%，隨著坡度增加，裸地小區和順坡壟作+種植大豆小區的土壤侵蝕量均有大幅增加，5°坡順坡壟作+種植大豆小區年侵蝕量較裸地小區增加了8.25%。這說明在坡度≤5°坡耕地采取順坡壟作的水土保持耕作措施可以有效降低土壤侵蝕量，但隨著坡度增加其效果明顯下降。

表3 侵蝕性降雨下不同坡度順坡壟作+種植大豆小區、裸地小區土壤侵蝕量

從單場降雨的土壤侵蝕量來分析，不管是3°坡還是5°坡，順坡壟作+種植大豆小區和裸地小區的土壤侵蝕量均有隨降雨量、降雨強度增大而增大的趨勢，且在這一過程中順坡壟作+種植大豆小區土壤侵蝕量的變化幅度略大于裸地小區。以5°坡為例，前4場降雨中順坡壟作措施可以起到控制土壤侵蝕的效果，而后4場降雨中土壤侵蝕量大于裸地小區，可以看出隨著降雨量和降雨強度的增大，順坡壟作措施對土壤侵蝕的控制效果變差。

3.3.2 橫坡壟作對侵蝕量的影響

表4為侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區、裸地小區土壤侵蝕量。由表4知，隨著坡度的增加，裸地小區土壤侵蝕量有顯著增加，說明若沒有有效的水土保持措施，則黑土區坡耕地的土壤侵蝕將十分嚴重。而橫坡壟作措施極大地減少了小區的土壤侵蝕量，3°坡橫坡壟作+種植大豆小區土壤侵蝕量為16.17 kg/hm2，僅為同坡度下裸地小區的0.28%，隨著坡度的增加，橫坡壟作+種植大豆小區土壤侵蝕量也有所增加，5°坡的土壤侵蝕量雖為3°坡的4.77倍，但總量也僅為77.16 kg/hm2。可以看出，無論是3°坡還是5°坡，采用橫坡壟作措施均可有效減輕土壤侵蝕，與裸地小區相比，其控制效果均可以達到99%以上。

表4 侵蝕性降雨下不同坡度橫坡壟作+種植大豆小區、裸地小區土壤侵蝕量

3.4 不同耕作措施的蓄水保土效益分析

表5為不同耕作措施的蓄水保土效益及土壤侵蝕模數。從表5可以看出，在3°和5°坡耕地上，橫坡壟作+種植大豆小區的蓄水效益均極顯著大于順坡壟作+種植大豆小區，其中順坡壟作+種植大豆小區的蓄水效益在3°和5°坡上均為負值，即比裸地小區的產流量還大，且隨著坡度的增加，其蓄水效益還有所下降。這說明順坡壟作沒有起到蓄水減流的作用，而橫坡壟作的蓄水效益均大于90%，遠遠好于順坡壟作，這是因為橫坡壟作減緩了坡度，縮短了坡長，可有效減少徑流。

表5 不同耕作措施的蓄水保土效益及土壤侵蝕模數

注：不同大寫字母表示在0.01水平上差異顯著，不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

通過不同耕作措施小區保土效益的計算結果可以看出，3°、5°坡橫坡壟作的保土效益均在99.5%以上，其中5°坡橫坡壟作+種植大豆小區土壤侵蝕模數最大，為7.72 t/(km2·a)，但也僅為5°坡順坡壟作+種植大豆小區土壤侵蝕模數的0.16%。可以看出，橫坡壟作能夠很好地控制坡耕地土壤侵蝕的發生，具有很好的水土保持效果[2]。而順坡壟作措施的保土效益要顯著低于橫坡壟作措施，其中3°坡順坡壟作+種植大豆小區保土效益為72.84%，顯著(P<0.05)低于3°坡橫坡壟作+種植大豆小區，3°坡順坡壟作+種植大豆小區土壤侵蝕模數為156.31 t/(km2·a)，極顯著(P<0.01)高于3°坡橫坡壟作+種植大豆小區，同時極顯著低于3°坡裸地小區，并且小于黑土區的容許土壤侵蝕量200 t/(km2·a)，可見在3°坡上，順坡壟作措施起到了一定的保土作用，但效果不如橫坡壟作。隨著坡度的增加，在5°坡上順坡壟作+種植大豆小區沒有起到保土作用，土壤侵蝕模數達4 736.84 t/(km2·a)，極顯著高于橫坡壟作+種植大豆小區，是黑土區容許土壤侵蝕量的23倍多。可以看出，在坡度較大的坡耕地上不宜采取順坡壟作措施。

4 結 論

(1)在不同坡度下，不同耕作措施小區按徑流量大小排序均為順坡壟作+種植大豆小區>裸地小區>橫坡壟作+種植大豆小區，其中：3°坡上，橫坡壟作+種植大豆小區徑流量僅為順坡壟作+種植大豆小區的1.92%；5°坡上，橫坡壟作+種植大豆小區徑流量雖然有所增加，但也僅為順坡壟作+種植大豆小區的4.54%。可以看出，從對地表徑流量的控制效果上來看，橫坡壟作要遠遠好于順坡壟作，在坡度≤5°的坡耕地上，橫坡壟作是很好的水土保持耕作措施。

(2)分析不同耕作措施對土壤侵蝕量的影響，3°坡各小區按土壤侵蝕量大小排序為裸地小區>順坡壟作+種植大豆小區>橫坡壟作+種植大豆小區，5°坡為順坡壟作+種植大豆小區>裸地小區>橫坡壟作+種植大豆小區。可以看出，在相同坡度下，橫坡壟作+種植大豆小區的侵蝕模數要極顯著小于順坡壟作+種植大豆小區和裸地小區，在3°坡上橫坡壟作+種植大豆小區的侵蝕量僅為順坡壟作+種植大豆小區的1.03%，而順坡壟作+種植大豆小區的侵蝕量雖然小于裸地小區，但也達到較高的水平，其控制土壤侵蝕的效果遠不如橫坡壟作+種植大豆小區。可見，橫坡壟作是東北黑土區適宜的水土保持耕作措施。