壟溝耕作對雨養農田水循環過程影響及其布局優化研究進展

邢子強，劉姍姍，呂振豫

（1.水利部水利水電規劃設計總院，北京100120；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038）

0 引 言

根據國際糧農組織（FAO）統計數據［1］，全球雨養農田分布面積約為12.26億hm2（183.9億畝），約占全球耕地總面積的80.3%，對于保障全球糧食安全發揮了極其重要的作用。作為農業大國，水資源問題一直是影響我國糧食安全生產的剛性約束之一［2］。壟溝耕作是一種雨養農業區蓄水保墑重要的耕作模式，通過人工起壟改變農田單元微地貌特征，對田塊尺度土壤墑情進行調控。壟溝耕作制度早在2200多年前就被我國勞動人民所采用［3］。《漢書?食貨志》中記錄“廣尺深尺曰甽，……，而播種于甽中”的“代田法”，是典型的壟溝耕作模式。當前，國內外學者已經開展了壟溝耕作對雨養農田水循環過程影響的一系列研究工作，并取得了豐富的研究成果。

本文從農田水循環過程梳理壟溝耕作對雨養農田水循環過程影響相關研究成果，并歸納分析了壟溝耕作對雨養農田水循環影響的研究方法；進一步闡述了雨養農田壟溝布局優化的研究成果，對于推動我國干旱半干旱區雨養農業水資源高效利用、坡耕地水土流失治理等具有一定的指導意義。

1 壟溝耕作對雨養農田水循環過程影響研究

壟溝耕作通過改變雨養農田局部微地形，進而對農田水循環大氣過程的農田蒸散發，地表過程的坡面產流、洼地儲流、地表徑流，土壤過程的降水入滲和蒸發及地下過程的深層滲漏等過程產生影響，如圖1所示。

圖1 壟溝耕作對雨養農田水循環過程影響示意圖Fig.1 The schematic diagram of the effects of ridge-furrow tillage on water cycle over the rain-fed cropland

1.1 壟溝耕作對大氣過程的影響

壟溝耕作對農田水循環大氣過程影響主要體現在農田蒸散發過程，但由于受到研究區域、作物類型、耕作方式等因素影響，不同研究經常得到不同甚至相反的結論。Qin等［4］和田媛等［5］在我國西北地區不同壟溝耕作模式種植馬鈴薯對土壤蒸發影響的研究結果表明，壟溝耕作模式在馬鈴薯不同生長期對土壤蒸發的作用不同，幼苗期壟溝種植模式對土壤蒸發具有顯著抑制作用，而在生長期壟溝耕作模式下農田蒸散發顯著大于無壟帶狀種植模式。呂曉東等［6］基于甘肅張掖綠洲灌區不同耕作方式下春小麥棵間土壤蒸發的研究結果表明，相對于平地耕作模式，壟溝耕作模式對春小麥棵間土壤蒸發具有顯著促進作用且壟溝棵間土壤蒸發量大于壟臺。但Wade［7］采用水文模型對甘肅定西干旱氣象與生態環境試驗場的模擬分析結果表明，壟溝雨水收集系統能使作物生長季節（4-10月）平均土壤蒸發減少40%。Zhang等［8］對河北魚兒山牧場壟溝耕作模式對老芒麥（Elymus sibiricus L）水分利用效率研究結果表明，采用壟溝耕作模式與平地耕作模式在老芒麥生長期內蒸散發不存在顯著差異性。

1.2 壟溝耕作對地表過程的影響

壟溝耕作直接改變了農田的微地貌特征，影響田塊尺度上降水分配，進而對農田水循環中坡面產匯流等地表過程產生直接影響。大部分研究結果表明壟溝耕作降低了降水坡面產流、提高降水累積入滲量，進而提升農田土壤含水量。如Taconet等［9］基于法國Grignon實驗站壟溝種植的實驗結果分析，壟溝耕作模式直接改變農田地表粗糙度，延緩了降水坡面產流時間，進而導致壟溝耕作模式下降水累積入滲量顯著提高。Wang等［10］基于蘭州大學旱區農業與生態修復試驗站開展壟溝微集雨系統的徑流效率實驗結果表明，采用壓實土壟溝耕作模式中田壟形成坡面產流的最小降水量為2.76～2.78 mm，平均場次降水的產流系數為24.6%～28.8%；而采用平地耕種模式中降水不產流。此外，壟溝耕作還將直接改變農田土壤理化性質，進而影響到農田降水產流過程。Twomlow等［11］對在不同耕種模式下津巴布韋3種典型土壤水分動態變化監測結果表明，農田壟溝耕作能夠顯著提高剖面土壤的儲水性能；壟溝耕作模式在雨季比平地耕作模式能截留更多降水。嚴冬春等［12］在三峽庫區紫色土坡耕地順坡壟作對水土保持研究實驗結果表明，壟溝耕作土壤總孔隙度比平地耕作模式高20.56%，壟坡土壤具有更大吸持水分潛力，降雨產流閾值更大。

1.3 壟溝耕作對土壤過程的影響

壟溝耕作對農田水循環土壤過程的影響主要體現為具有集水保墑作用。李永平等［13］于寧南山區農作物壟溝種植模式對降水入滲和土壤蓄水等研究的結果表明，壟溝種植模式能顯著提高農田蓄水增墑作用，0～2 m土層土壤蓄水量在作物生長季和非生長季分別比平地耕作模式多78.0～136.7 mm和24.8～49.2 mm。Jiang等［14］于2010-2011年榆林市旱田農業示范園開展的覆膜壟溝種植綠豆的水土保持實驗結果也證明，采用壟溝耕作種植綠豆模式下0～100 cm土層在整個生長期內土壤含水量比平地耕作模式增加了7.96～22.76 mm。劉目興等［15］在內蒙古太仆寺旗沙區采用壟溝種植油菜模式下土壤水分動態觀測實驗結果也證明，在油菜生長季內采用壟溝種植模式土壤水分含量顯著高于傳統平地耕作模式，在0～30 cm耕作層尤為突出。但傅永斌等［16］基于冀西北旱坡地壟溝種植南瓜的大田實驗結果表明，采用壟溝種植模式能夠顯著提高農田表層土壤含水量，而對深層土壤含水量的影響較為微弱。Ren等［17］在西北農林大學作物試驗站開展的模擬降雨條件下壟溝耕作對不同深度土壤含水量影響研究結果也表明，采用壟溝耕作模式下0～100 cm土層的土壤含水量顯著大于對照組平地耕作模式下；而兩組實驗中100～200 cm土層的土壤含水量無顯著差異性。

壟溝耕作模式對農田土壤含水量影響主要包括以下3方面的因素。一方面，壟溝耕作能夠改變農田微地貌特征，提高土壤入滲并減少蒸散發，進而提高土壤含水量。如顧賀［18］基于蘭州大學干旱農業生態試驗站實施的壟溝耕作對土壤入滲和含水量影響研究結果表明，在集雨前期，田壟結皮較薄，壟溝耕作與平地耕作間土壤含水量不存在顯著差異；在集雨中期，田壟結皮增厚，抑制土壤蒸發，壟溝耕作的土壤含水量顯著大于平作模式；而在集雨后期，受作物耗水增大的影響，壟溝耕作與平地耕作之間土壤含水量差異不顯著。McHugh等［19］對俄塞俄比亞北部高地農田壟溝耕作技術對農作物根區土壤含水量影響研究結果也表明，壟溝耕作模式保水性能與季節降水分布、耕地坡度等有關，壟溝耕作模式下作物根區土壤含水量比平地耕作模式大15%～24%。其次，壟溝耕作還將通過改善農田土壤理化性質提高降水入滲能力/累積入滲量，進而提高農田土壤含水量。Kuotsu等［20］在印度東北部山區開展的壟溝耕作模式對農田土壤理化性質影響研究表明，經過兩季作物種植后，采用壟溝耕作模式的土壤入滲率和導水率均比平地耕種模式有顯著提高，因此能夠提高壟溝耕作模式下垂直剖面的土壤含水量。Robinson［21］采用自動土壤水分監測站對英國薩福克郡Upton Suffolk Farms農場壟溝種植馬鈴薯實驗土壤入滲性能監測結果也證明，采用壟溝種植模式下降水繞過馬鈴薯種植的田壟而大部分經田溝入滲，從而提高降水累積入滲量。此外，壟溝耕作對農田土壤理化生性質的改變還將導致土壤持水性能的提升，進而提高土壤含水量。Hulugalle等［22］在布基納法索Kamboinse實驗站開展采用壟溝種植模式對土壤物理性質影響研究表明，田溝表層0～5 cm土壤層的黏粒含量顯著大于田壟及平地耕作模式，同時影響到農田土壤表層土壤容重、日最高土溫等土壤物理參數，導致壟溝耕作模式中田溝表層土壤的保水性能最優。于同艷等［23］基于中國科學院海倫農業生態試驗站耕作措施對土壤墑情影響研究也表明，少耕壟作能顯著改善土壤耕作層土壤持水能力，顯著提高雨季期間農田土壤儲流量，導致壟溝耕作模式下農田耕作層土壤含水量較高。林靜等［24］對我國東北三省壟作免耕覆蓋模式下土壤理化性質的調查結果也表明，免耕膜覆壟溝耕作模式將顯著提高農田土壤有機質含量，改變田壟和田溝的土壤緊實度，提高土壤的儲水能力。Jia等［25］在蘭州大學黃土高原半干旱環境監測站開展壟溝種植紫花苜蓿對土壤理化性質的研究也表明，壟溝耕作模式下土壤有機碳含量增加1.8%～14.2%，而對照組平地耕作模式下土壤有機碳含量減少3.5%。Müller等［26］在德國黑森州Lindenbreite試驗站中壟溝耕作系統中也發現，壟溝種植模式下土壤微生物生物量碳、氮分別比平地耕種模式高5%和6%。此外，史福剛等［27］基于河南省輝縣市壟溝種植夏玉米的大田試驗結果表明，壟溝耕作措施能導致田壟土壤孔隙度增大，提升土壤通氣透水性能，增加土壤水庫容，減少地表徑流。Cannon等［28］在英國坎布里亞郡一處緩坡牧場土壤水分特性影響因子分析結果也表明，壟溝耕作模式下土壤水分變化主要受土壤生物擾動、降水侵蝕形成的土壤空隙大小和空間分布的影響。

1.4 壟溝耕作對地下過程的影響

除在干旱半干旱地區作為重要的集水保墑措施外，壟溝耕作模式還被用于濕潤氣候區農牧業雨季除澇排漬，降低地下水位。如Ogban等［29］選取尼日利亞西南部三處濕潤內陸山谷農田評估不同耕作模式對地下水位和玉米產量的影響，結果表明采用壟溝排水模式下地下水埋深平均約為30 cm，而控制對照組的地下水埋深小于15 cm。郭玉和劉龍軍［30］基于我國三江平原低濕耕地壟底壟溝深松技術的田間原型觀測實驗結果表明，暴雨情境下壟溝耕作能夠快速產流，緩解澇災程度。Moffat等［31］基于英國森林復墾計劃中三處站點土壤水文物理特性調查結果表明，壟溝種植模式能夠顯著排出冬季降水，降低研究區地下水位，有效降低澇漬災害。

2 壟溝耕作對農田水循環過程影響研究方法

當前，壟溝耕作對農田水循環過程影響研究方法包括室內模擬實驗方法、農田原型觀測試驗方法和數值模型模擬方法3種。

2.1 室內模擬實驗方法

室內模擬實驗能夠實現前期實驗設計中設定的條件，較精準的控制降水時間、降水強度及壟溝布局等外部實驗條件，實驗研究過程周期短且便于管理；但受室內模擬實驗尺度較小、與自然條件差別大等因素制約，難以系統反映出壟溝耕作對農田水循環全過程的影響，實驗結果難以廣泛應用于農業生產指導。目前，室內模擬實驗方法在壟溝耕作對農田水循環過程影響的研究中應用較少。呂殿青等［32］采用室內模擬降雨實驗對比分析了黃土高原丘陵溝壑區壟溝耕作條件下土壤水分入滲、剖面分布以及不同壟壓實程度的影響。呂剛等［33］采用室內人工模擬降雨系統分析了遼西低山丘陵區典型土壤類型在不同坡度和降雨強度下發生細溝侵蝕階段性徑流和泥沙變化等。

2.2 大田觀測試驗方法

大田觀測試驗方法是在雨養農業區選擇具有代表性的農田試驗站，通過布設水文、氣象、土壤、生態等觀測設施，開展天然降雨條件下雨養農田水循環過程監測研究的方法，具有準確、全面反應試驗站所在地區壟溝耕作模式下農田水循環變化的實際情況等優點。目前，該方法已被廣泛應用于我國及南亞［34］、非洲［35］、北美［36］、澳大利亞［37］、歐洲［38］等世界主要國家和地區雨養農田水循環過程研究中。但是，大田觀測試驗方法也存在觀測過程周期長且成果產出慢、外部條件可控性差、人力物力投入大等不足，取得的研究成果可復制性和可推廣性相對較弱，難以在大范圍規模化推廣應用。

2.3 數值模型模擬方法

數值模型模擬方法是根據農田水文相關基礎理論，采用函數表達式概化田塊尺度上降水、蒸發、徑流、入滲等水循環過程，建立農田尺度水循環數學模型，模擬預測分析了不同條件下壟溝耕作模式對農田水循環的影響。Benjamin等［39，40］開發了一個模擬農田壟溝系統水熱耦合運動的有限元模型，模擬分析了不同耕作模式下土壤物理特征的差異及其對壤中流及熱量傳輸的影響。金建新等［41］采用甘肅省民勤綠洲壟溝滾水流推進試驗實測資料與SRFR數值模擬軟件建立并率定壟溝灌土壤水分Kostiakov入滲模型的相關參數。陳雪等［42］采用Van Genuchten模型模擬分析了滇中昆明市北郊松華壩迤者小流域典型坡耕地的等高反坡階下土壤水分特征。

3 基于降水資源高效利用的壟溝布局優化

為了實現雨養農田降水資源的高效利用，部分學者采用數理統計最優化分析方法根據大田實驗觀測結果對壟溝比、壟臺寬等壟溝布局模式進行優化。如Wiyo等［43］根據非洲馬拉維4個地區99塊農田種植玉米的壟溝大小、形狀及玉米生長狀況進行統計分析，提出同時考慮雨水收集效率最大化和農田高密度玉米種植的減產作用的壟溝大小和形狀設計方法。丁瑞霞等［44］通過寧南旱區壟溝種植谷子實驗建立了單位面積谷子籽粒產量與壟寬（或溝寬）的多元線性回歸方程，確定寧南旱區谷子種植最優田壟和田溝的寬度均為45 cm。Wang等［10］基于蘭州大學旱區農業與生態修復試驗站壟溝種植馬鈴薯的實驗結果，建立馬鈴薯產量與田壟寬度回歸方程，確定馬鈴薯種植最優壟溝比范圍為39∶60～48∶60（cm∶cm）。寇江濤等［45］和Jia等［46］分別在甘肅省永登縣和蘭州大學黃土高原半干旱環境監測站開展旱地壟溝種植紫花苜蓿的不同壟溝寬比對水分利用效率影響的研究，通過回歸分析確定采用壟溝模式種植紫花苜蓿的最優壟溝比分別為60 cm∶70 cm和60 cm∶60 cm。Li等［47］基于中科院黃土高原皋蘭生態與農業綜合試驗站大田實驗結果建立作物需水與有效降水的函數關系，通過最優化分析確定在300、400和500 mm降雨區，種植玉米和冬小麥的最佳壟溝比分別為1∶1、1∶2和1∶4；在300 mm降雨區，種植谷子的最佳壟溝比為1∶3。

此外，部分學者采用理論分析方法通過數學建模對農田壟溝系統進行優化設計。如金彥兆［48］基于農田壟溝耕作微地形雨水疊加利用模式，以提高水資源利用效率為最優目標，建立不同水分利用條件下微地形雨水疊加利用壟溝比的數學模型。Yang等［49］開發了壟溝播種模式的斥水砂土水熱耦合運移數值模型并在西澳大利亞北部小麥種植帶進行驗證，提出該區應采用南北走向、壟高75 mm、兩壟間距250 mm的壟溝布局模式，以降低農田土壤地溫和蒸發損失。

4 展 望

當前，國內外相關研究重點關注是壟溝耕作對降水儲流、地表產匯流、農田蒸散發、土壤墑情等農田水循環過程單一環節的影響且研究方法相對單一。針對我國雨養農業壟溝耕作模式尚存在關鍵問題和技術難點，應強化不同時空尺度上農田水循環過程與農田土壤、農作物等雙向反饋機理作用研究，進一步明晰雨養農田壟溝布局對關鍵水循環要素過程影響機理及其時空格局差異；在研究方法上，應強化農田水循環與管理模型在壟溝耕作模式對雨養農業降水資源高效利用和作物產量等影響研究方法體系，建立一套普適性的壟溝耕作優化方法。 □