保護(hù)性耕作對(duì)水土保持的影響

白 鑫，廖勁楊，胡 紅，2，劉 祥，許乙山，鄢祺迅，黃 鑠

(1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610039； 2.西華大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，四川 成都610039)

0 引言

中國(guó)是世界上水土流失和土地退化最嚴(yán)重的國(guó)家之一，在中國(guó)東北、華北和西北部的15個(gè)省份，約有7 000萬(wàn)hm2干旱和半干旱土地[1]。據(jù)水利部2005年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水土流失面積為356.92萬(wàn)km2(約占國(guó)土總面積的37.2%)，主要分布在西北黃土高原、東北黑土區(qū)、北方沙土區(qū)和長(zhǎng)江上游地區(qū)。山西省、陜西省和四川省是我國(guó)水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)，這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，人民的日常生活受到威脅[2]。

保護(hù)性耕作起源于20世紀(jì)30年代，是美國(guó)在治理沙塵暴的耕作技術(shù)上提出的，定義為種植后30%的作物殘茬留在土壤表面的耕作種植制度[3]。與傳統(tǒng)耕作方式不同，保護(hù)性耕作采用大量秸稈殘茬覆蓋地表，減少耕作到能保證種子發(fā)芽即可，并用化學(xué)農(nóng)藥控制病蟲(chóng)害和雜草，主要包括4項(xiàng)技術(shù)：農(nóng)作物秸稈覆蓋技術(shù)、機(jī)械深松技術(shù)、免耕播種技術(shù)和化學(xué)除草與病蟲(chóng)害防治技術(shù)[4-5]。20世紀(jì)90年代，為解決我國(guó)北方地區(qū)嚴(yán)重干旱和水土流失問(wèn)題，保護(hù)性耕作被引入中國(guó)。經(jīng)過(guò)幾十年的治理，人們已經(jīng)看到保護(hù)性耕作在水土保持和環(huán)境保護(hù)中的重要作用[6]。然而，是否采用保護(hù)性耕作技術(shù)一直是人們爭(zhēng)論的話題，許多人認(rèn)為保護(hù)性耕作降低了作物產(chǎn)量，人多地少的國(guó)情不適宜發(fā)展保護(hù)性耕作。因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一系列長(zhǎng)期試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了保護(hù)性耕作對(duì)水土保持、土地荒漠化防治效果、土壤理化特性和作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量等方面的影響，結(jié)果表明，保護(hù)性耕作不僅可以減少水土流失，提高土壤生產(chǎn)力，同時(shí)還能省工、省力并降低投入成本[7]。但是，目前的研究主要是集中分析某個(gè)保護(hù)性耕作試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)水土保持的影響，并沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的梳理，缺乏全面性和綜合性。

因此，研究分析水土流失較嚴(yán)重的黃土高原、東北黑土區(qū)和北方沙土區(qū)保護(hù)性耕作對(duì)水土保持的影響，對(duì)于綜合分析保護(hù)性耕作對(duì)水土保持的效應(yīng)具有重要意義。

1 材料和方法

以傳統(tǒng)耕作(CT)、免耕秸稈覆蓋(NTS)、深松(ST)等耕作措施進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，選取西北黃土高原、東北黑土區(qū)及北方沙土區(qū)等典型水土流失嚴(yán)重區(qū)，通過(guò)計(jì)算平均值的方法來(lái)研究保護(hù)性耕作對(duì)土壤含水量、水分利用效率、水蝕量、風(fēng)蝕速率和土壤肥力的影響。試驗(yàn)中，CT是指采用常規(guī)播種機(jī)進(jìn)行播種，收獲后秸稈運(yùn)出田外，再用旋耕機(jī)進(jìn)行整地，深度為10～15 cm；NTS是指收獲上一季作物后土地表面采用秸稈覆蓋(>30%)，再進(jìn)行免耕或少耕，能保證種子萌發(fā)即可；ST是指采用常規(guī)播種機(jī)進(jìn)行播種，收獲后留茬約45 cm，再進(jìn)行深松，深度為35～50 cm。

文中數(shù)據(jù)主要通過(guò)萬(wàn)方、中國(guó)知網(wǎng)、維普和Science Direct等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)檢索得到，并采用Excel和WPS等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1土壤含水量與水分利用效率

土壤含水量是指土壤水質(zhì)量與干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，水分利用效率是指單位面積上收獲的干物質(zhì)質(zhì)量與該面積上蒸散量之比[8]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要通過(guò)土壤水分中子儀和取土烘干法等來(lái)測(cè)量土壤含水量和水分利用效率[9-10]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)表明，在黃土高原地區(qū)，NTS和ST處理的土壤含水量分別比CT處理提高了13.6%和31.7%，NTS和ST處理的水分利用效率分別比CT提高了2.26和3.82 kg(hm2·mm)；在東北黑土區(qū)，NTS和ST處理的土壤含水量比CT處理提高了14.5%和23.9%，在水分利用效率方面ST比CT提高了7.9%，NTS和CT之間無(wú)顯著差異；在北方沙土區(qū)，NTS和ST處理的土壤含水量和水分利用效率與CT相比均有顯著提高，ST>NTS>CT[11-19]。

結(jié)果表明，免耕秸稈覆蓋和深松保護(hù)性耕作措施可以提高土壤含水量和水分利用效率，主要是由于免耕秸稈覆蓋和深松有助于增加土地表面粗糙度，減少土壤水分蒸發(fā)，調(diào)節(jié)土壤表層溫度，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤貯水量，從而提高水分利用效率[20-24]。此外，郭清毅等[25]和李月興[26]等也發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作可以顯著提高土壤含水量和水分利用效率，這與本文的結(jié)果一致。

表1 不同耕作方式對(duì)土壤含水量和水分利用效率的影響

2.2水侵蝕

水蝕作用是指土壤和母質(zhì)在水的作用下被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程，主要包括降雨的飛濺力和地表徑流的沖刷力[27]?？刂坪蜏p少水土流失可以減少土壤有機(jī)質(zhì)的流失，提高土壤肥力和土地生產(chǎn)力。長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，保護(hù)性耕作是減少水土流失和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效方法。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要采用平均徑流量、土壤流失量和徑流起始時(shí)間等參數(shù)來(lái)表征土壤水侵蝕程度。通過(guò)人工模擬降雨的方法記錄徑流起始時(shí)間，采用進(jìn)口flume自動(dòng)測(cè)定儀測(cè)定地表徑流量，徑流由集流桶收集，攪拌后采樣、過(guò)濾并稱量沉淀物及土壤流失量[28-30]。

由圖1可知，不同處理方式下的平均徑流量、土壤流失量和徑流起始時(shí)間都存在差異[31-35]。在黃土高原地區(qū)，與CT相比，NTS和ST的平均徑流量減少了43.9%和44.4%，土壤流失量減少了58.4%和44.8%，徑流起始時(shí)間增加了71.2%和102.6%。在東北黑土區(qū)，與CT相比，NTS和ST的平均徑流量分別減少32.8%和23.5%。在土壤流失量方面，NTS和ST分別比CT減少72.7%和37.9%。另外，NTS和ST的徑流起始時(shí)間分別比CT延遲了11.7和10.9 min。在北方沙土區(qū)，NTS的平均徑流量和土壤流失量分別比CT減少了20.8%和67.9%，ST的平均徑流量和土壤流失量分別比CT減少了36.8%和55.3%。NTS和ST的徑流起始時(shí)間分別比CT延遲了16.3和15.3 min。

結(jié)果表明，NTS和ST是控制水蝕的有效方法。主要是由于在免耕覆蓋和深松處理下，土壤中有高密度的根系，能有效地提高土壤的抗沖性、滲透能力和抗剪強(qiáng)度[36]。作物殘茬留在土地上，可減少降雨的飛濺力，增加雨水入滲時(shí)間，減少土壤水分蒸發(fā)；增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力；殘基還可以降低徑流速度和截留流失土壤[37-38]。

2.3土壤肥力

土壤肥力是反映土壤肥沃性的一個(gè)重要指標(biāo)，它是衡量土壤能夠提供作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的能力，是土壤各種基本性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要采用土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮和速效磷等參數(shù)來(lái)衡量土壤肥力。并采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)，開(kāi)式定氮法測(cè)定速效氮，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷[39]。

不同耕作模式下土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、速效氮(available N)和速效磷(available P)含量如表2所示[29，40-43]。從表2中可以看出，在黃土高原地區(qū)，NTS和ST土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比CT提高了13.7%和7.6%，3種耕作模式的速效氮含量無(wú)明顯差異，NTS和ST的速效磷含量分別比CT提高了18.7%和36.4%。在東北黑土區(qū)，NTS和ST土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比CT提高了14.8%和7.1%，NTS和ST的速效氮含量分別比CT提高了10.8%和8.4%，NTS和ST的速效磷含量分別比CT提高了6.2%和8.2%。在北方沙土區(qū)，NTS和ST土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比CT提高了11.3%和12.9%，速效氮含量NTS和ST分別比CT提高了22.6%和26.5%，速效磷含量NTS和ST分別比CT提高了21.2%和7.6%。

結(jié)果表明，NTS和ST有助于提高土壤肥力。NTS和ST減少了對(duì)土壤的翻動(dòng)，增加土壤中微生物的數(shù)量和活躍程度，有助于土壤中有機(jī)質(zhì)的積累。同時(shí)，覆蓋在土壤表面的秸稈殘茬腐爛后可以形成大量的有機(jī)物，提高了土壤肥力[44]。

表2 不同耕作方式對(duì)土壤肥力的影響

2.4風(fēng)力侵蝕

風(fēng)力侵蝕是指風(fēng)力剝蝕、搬運(yùn)和聚積土壤及其松散母質(zhì)的過(guò)程，其主要受地表風(fēng)速等侵蝕因子和土壤含水量、土壤質(zhì)地等可蝕性因子影響[45]。大量試驗(yàn)表明，保護(hù)性耕作技術(shù)能夠有效控制土地土壤風(fēng)蝕，改善生態(tài)環(huán)境[46]。

不同耕作措施下，根據(jù)不同風(fēng)速處理測(cè)得的土壤風(fēng)蝕速率如圖2所示，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，不同耕作措施之間的土壤風(fēng)蝕速率沒(méi)有明顯差異，隨著風(fēng)速的增加，土壤風(fēng)蝕速率也不斷增加[47-51]。如當(dāng)風(fēng)速為10 ms時(shí)，與CT相比，NTS和ST都顯著降低了土壤風(fēng)蝕速率。在黃土高原地區(qū)，分別降低了55.4%和48.7%；在東北黑土區(qū)，分別降低了68.3%和70.5%；在北方沙土區(qū)，分別降低了90.2%和85.0%。

結(jié)果表明，NTS和ST能顯著降低土壤風(fēng)蝕速率。NTS和ST能夠防治農(nóng)田土壤風(fēng)蝕，是因?yàn)樗谵r(nóng)田地表覆蓋作物秸稈并留茬，殘茬能夠分解風(fēng)力對(duì)地表的剪應(yīng)力。此外，殘茬根系能固土并且減少地表水分蒸發(fā)，覆蓋在地表的作物秸稈能使地表不受風(fēng)力的直接侵蝕，對(duì)易蝕性土壤顆粒有一定的保護(hù)作用[51]。

3 結(jié)論

(1)保護(hù)性耕作措施能明顯增加土壤水分含量，提高水分利用率。在東北黑土區(qū)，免耕秸稈覆蓋和深松的土壤平均含水量相比于傳統(tǒng)耕作提高了14.5%和23.9%，水分利用效率也有所提高。免耕秸稈覆蓋和深松能夠降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，從而提高土壤含水量和水分利用效率。

(2)在黃土高原地區(qū)，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋和深松的土壤平均徑流量減少了43.9%和44.4%，土壤流失量減少了58.4%和44.8%，徑流起始時(shí)間增加了71.2%和102.6%。因?yàn)槊飧斩捀采w和深松與傳統(tǒng)耕作相比，土壤中有高密度的根系，能有效地提高土壤的抗沖性、滲透能力和抗剪強(qiáng)度。作物殘茬留在土地上，能夠減少降雨的飛濺力，改善土壤結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少?gòu)搅鳌p緩徑流起始時(shí)間和減少土壤流失和泥沙輸移的效果。

(3)免耕秸稈覆蓋與深松盡可能的將秸稈還田，能夠增加土壤中微生物的數(shù)量和活躍程度，有助于土壤中有機(jī)質(zhì)的累計(jì)，提高土壤肥力和土壤生產(chǎn)力。在0～10 cm的土壤中，對(duì)提高土壤肥力有顯著效果。

(4)保護(hù)性耕作措施對(duì)減少土壤風(fēng)力侵蝕有顯著效果。在北方沙土區(qū)，當(dāng)風(fēng)速為10 ms時(shí)，免耕秸稈覆蓋和深松與傳統(tǒng)耕作相比，土壤風(fēng)蝕速率分別降低了90.2%和85.0%。免耕秸稈覆蓋和深松與傳統(tǒng)耕作相比，地表覆蓋物和殘茬能分解風(fēng)力對(duì)地表的剪應(yīng)力，殘茬根系能達(dá)到固土作用并減少土壤風(fēng)蝕。另外，隨著作物秸稈殘茬的高度增加，土壤風(fēng)蝕減少。