不同水土保持耕作措施對降雨徑流、產沙及土壤水蝕特性的影響

李 菲 李曉光

（1.遼寧省旱地農林研究所，遼寧 朝陽 122000；2.遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

遼西地區屬于半干旱大陸性季風氣候區，年降水量在400 mm左右，并且全年降水量有60%～80%集中在夏季。由于夏季雨水集中，暴雨沖刷加劇了水土流失，導致大面積土地退化。如何治理水土流失和做好水土保持工作成為現階段遼西地區生態環境保護與農村經濟發展中關注的焦點問題。由于遼西地區多山地丘陵，采取不同的水土保持耕作措施，對坡耕地的土壤水分入滲量、坡面徑流量、侵蝕量等都會產生差異化影響。通過探究各類水土保持耕作措施對降雨徑流、產沙及土壤水蝕特性的影響，找出一種最有利于水土保持的耕作模式，對于解決遼西地區坡耕地的水土流失問題，進而實現農業發展與生態保護統籌兼顧有積極的作用。

此次試驗通過探究常規耕作、免耕播種、壟作、橫坡種植等6種不同水土保持措施對降雨徑流、產沙、坡面入滲量、土壤儲水量的影響，從而橫向對比選出一種最有利于坡耕地水土保持的耕作模式，并在遼西地區進行推廣使用，在保證農業生產活動正常開展的前提下，切實提高水土保持成效。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗選擇在遼寧省朝陽市建平縣坡耕地徑流試驗場進行，試驗區土壤類型以發育在黃土母質上的褐土為主，兼有少量的棕壤和黑鈣土，坡度5.2°～6.1°。試驗區屬北溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區，年平均氣溫7.8 ℃，年均降雨量447 mm，年均蒸發量1 480 mm，降雨集中在6—8月，無霜期150 d。供試玉米品種為遼單2811，于2020年5月上旬播種。

1.2 試驗設計

試驗從2020年5月2日開始，于同年9月30日結束，期間共有10場降雨。此次試驗設置了6個處理，每個試驗小區規格為6 m×15 m。其中，1個為裸地（LD），作為參照。其余5個分別為常規耕作（CK），人工松土后播種，苗期中耕松土深度20 cm；免耕播種（MG），免耕種植，無中耕；壟作（LQ），7月上旬在壟間修筑土垱，壟距50 cm，垱距80 cm，垱高15～20 cm，垱頂厚度20 cm；深松+壟作（SQ），苗期中耕深松，松土厚度20～25 cm，7月上旬在壟間修筑土垱，具體參數同上；橫坡種植（HP），等高耕作，作物壟方向與地塊坡向垂直進行種植，無中耕。為探究不同水土保持耕作措施對降雨徑流的影響，筆者選取比較典型的3場降雨，場次A發生在6月17日，降雨歷時104 min，降雨量71 mm；場次B發生在7月22日，降雨歷時291 min，降雨量153 mm；場次C發生在8月13日，降雨歷時76 min，降雨量56 mm。

1.3 觀測內容與方法

此次試驗共選取降雨徑流、產沙量、坡面入滲特征、土壤含水量和水分利用效率5個觀測指標，各指標計算方法如下。

①降雨徑流。使用偏心翻斗式徑流測試系統，徑流從導管流進翻斗內，當水量達到翻斗標定量后，在重力作用下翻斗進行180°翻轉，此時位于翻斗一側的感光器接收翻轉信號，將數據傳輸給數據采集器，并在單片機中記錄翻轉時間和徑流量。

②產沙量，即土壤水蝕觀測。在坡面產流開始后，每隔5 min取一翻斗沙樣，將其放置24 h后抽出上層清水，然后將剩余泥沙置于烘干箱內，設定烘干溫度為 100 ℃，烘干時間為 6 h，然后稱量其質量。

③坡面入滲特征。采用同心環有壓入滲方式觀測，加水后分別記錄在0、10、30、60、300、600、1 800、3 600、5 400 s和7 200 s時的內環水層深度，從而求出某個時間段的入滲量，用“入滲量/時間”可以得到土壤入滲速率。

④土壤含水量。采用烘干法測量，使用取土設備分別在降雨前后取0～100 cm土層的土樣，稱量其質量，記為m；然后將其置于烘干箱中，設定烘干溫度為80 ℃，烘干時間為4 h，然后取出稱量其質量，記為m。m-m即為土壤含水量。

⑤水分利用效率。單位面積的經濟產量與作物生長期耗水量之比即為水分利用效率。

2 結果與分析

2.1 不同水土保持耕作措施對降雨徑流的影響

以6月17日降雨為例，6種處理下的徑流總量如圖1所示。此次降雨歷時104 min，降雨量71 mm，最大雨強61 mm/h。降雨前測得6個試驗小區的土壤含水率在18.4%～20.3%，平均含水率為19.5%。試驗發現，由于此次降雨歷時較短、雨水量較少，加之土壤含水率較低，因此，降雨初期并未觀測到地表有徑流出現。20 min之后，由于雨水入滲使土壤含水率增加，并逐漸達到了飽和狀態，此時地表開始有徑流出現，并且隨著降雨時長的增加，徑流量也呈現出增加趨勢，在60 min有最大雨強時，地表徑流達到最大值，為30.3 mm。結合圖1可知，此次降雨中6個試驗小區徑流量從大到小依次為：LD＞CK＞MG＞LQ＞SQ＞HP。裸地徑流最大，分析其原因，筆者認為是雨水的擊打濺蝕破壞了土壤內部結構，堵塞了土壤孔隙，使地表板結。降雨下滲通道被堵塞，由此導致地表徑流明顯增加。而橫坡等高種植可以利用橫坡發揮較好的截留、攔蓄作用，因此地表徑流極少。

圖1 不同水土保持耕作措施徑流總量統計

2.2 不同水土保持耕作措施對產沙的影響

以7月22日降雨為例，6種處理下的土壤侵蝕量如圖2所示。該降雨歷時291 min，降雨量153 mm，最大雨強為77 mm/h，降雨前測得6個試驗小區土壤平均含水率為24.3%。降雨時，壟作和深松+壟作2塊試驗小區已經修筑土垱。降雨15 min左右，各個試驗小區相繼出現徑流，但是不同試驗小區的土壤侵蝕量差異較為明顯。結合圖2可知，不同處理下的土壤侵蝕量由大到小依次為LD＞CK＞MG＞LQ＞SQ=HP。對比可以發現，未采取任何耕作措施的裸地，在遭遇強降雨后土壤侵蝕量明顯高于其他5個試驗地塊，達到了0.15 t/hm；壟作區田修筑土垱以后，能夠在坡面出現徑流以后有效攔截雨水，使雨水不會沿著地表流走，而是向下滲透到土壤深處。在蓄水的同時，土垱也能攔截泥沙，從而減少侵蝕量，本次試驗中測得壟作區的土壤侵蝕量為0.016 t/hm，相比于未修筑土垱的裸地、常規耕作模式有明顯減少。而深耕+壟作區和橫坡等高種植區在此次降雨中土壤侵蝕量為0，水土保持效果優良。

圖2 不同水土保持耕作措施土壤侵蝕量統計

2.3 不同水土保持耕作措施下坡面入滲特征分析

2.3.1 不同處理條件下產流時間分析。結合圖3可知，3場降雨中不同耕作措施的產流時間變化規律基本一致，但是因為每次降雨量和最大雨強不同，因此在產流變化幅度上存在一定差異。其中，A場降雨（6月17日）雖然降水量較少，但是產流時間最早，說明在田間未修筑土垱的情況下，坡面更易產生徑流。而修建土垱后，在B場和C場降雨中，產流時間均有不同程度延后，并且兩場降雨下不同耕作措施的產流時間變化基本一致。在土壤含水率方面，B場降雨（7月22日）由于降雨時間長（291 min）、降雨量大（153 mm），導致不同耕作措施下的土壤含水率均明顯高于A場降雨和C場降雨。具體到耕作措施來看，B場降雨中橫坡等高種植處理方式下的土壤含水率最高，達到了31.1%，其次是深松+壟作，土壤含水率為26.3%。而裸地的土壤含水率最低，僅為14.0%。根據這一數據對比可知，在降雨條件相同情況下，橫坡等高種植模式下坡面入滲效果最好，可以截留更多雨水，從而提高土壤含水率，滿足坡面植物生長所需。

圖3 不同耕作措施下降雨前期土壤含水率及產流開始時間

2.3.2 不同耕作措施下的入滲量。由表1可知，在降雨量相同的情況下，不同水土保持耕作措施對雨水入滲的影響存在較為明顯的差異。在A場降雨中，橫坡等高種植的入滲總量最大，為61.17 mm，明顯高于裸地、常規耕作等其他5種處理方式。在B、C兩場降雨中，橫坡等高種植的入滲總量均為最大，分別為168.47 mm和48.01 mm。分析其原因，橫坡等高種植模式下，無論是降雨期間直接落入地面的雨水，還是在壟溝內形成的積水，都能夠最大限度地被攔蓄起來，并在重力作用和土壤毛細孔作用下不斷入滲，因此入滲總量較高。同樣，壟作及深松+壟作處理下由于修筑了土垱，也能起到類似于橫坡的作用，從而減少地表徑流，增加入滲時間，因此入滲量也比較高。而裸地、常規耕作因為沒有攔蓄雨水的措施，雨水形成徑流后夾雜著泥沙順坡流下，入滲時間少，入滲量低。

表1 不同耕作措施的入滲總量 mm

2.3.3 不同耕作措施下的穩定入滲率。由表2可知，在同一場降雨中，橫坡等高種植下土壤入滲率要明顯高于其他5種處理。其中，在B場降雨中橫坡等高種植下的穩定入滲率最高，達到了0.717 mm/min，為6種處理措施下的最高值。深松+壟作和壟作區田的土壤入滲率次之，分別為0.648 mm/min和0.625 mm/min，兩者之間差異并不明顯，而同場降雨中裸地的入滲率僅為0.377 mm/min。這一試驗現象表明，裸地由于土壤結構緊密，雨水形成徑流后很快流失，入滲難度較大。壟作和深松+壟作兩種模式下，通過修筑土垱的方式發揮了攔蓄徑流的效果，被攔截下來的雨水可以有更加充分的時間向土壤深處滲透，因此，這兩種耕作措施下的土壤入滲率要比落地和常規耕作高。但是，考慮到土垱會占用一部分耕地面積，因此，修筑土垱時往往會盡量降低土垱的厚度，以便留出更大的種植空間。這種情況下土垱對于坡面徑流的攔截效果也會被削弱，因此，土壤入滲率相比于橫坡等高種植略低。而橫坡等高種植可以在壟溝積水的影響下強化入滲作用，因此入滲率更高。

表2 不同耕作措施下的入滲率對比 mm/min

2.4 不同水土保持耕作措施下土壤含水量動態變化

2.4.1 不同耕作措施對土壤含水量的影響。試驗表明，土壤含水量的變化趨勢與觀測期內降雨動態變化趨勢基本一致。縱向來看，隨著降雨時間的延長，6種處理下各個試驗小區的土壤含水量整體呈上升趨勢；橫向來看，不同處理下各個試驗小區之間土壤含水量變化有明顯差異。其中，以含水量變化幅度從大到小排序為HP＞SQ＞LQ＞MG＞CK＞LD。進入6月以后，一方面是隨著氣溫升高，凍土完全融化，為雨水入滲提供了良好條件；另一方面是雨水開始增多。在兩方面因素的共同影響下，土壤含水量也有明顯增加。裸地因為地表沒有植被，無法發揮對雨水的截留和攔蓄作用，加之耕層土壤致密，導致土壤儲水能力差；免耕種植由于土壤沒有擾動，相比于常規耕作避免了土壤顆粒壓實的情況，有利于雨水下滲，因此，免耕種植試驗區的土壤含水量要高于常規耕作區。而橫坡等高種植和壟作在攔蓄雨水方面效果明顯，因此土壤含水量較高。

2.4.2 不同耕作措施對不同深度土層含水量的影響。6月未修筑土垱時，6種處理下40～80 cm處土壤含水量無明顯差異。40 cm以上土層，裸地水分變化明顯，降雨之后裸地淺層水分有明顯升高，但是由于截流蓄水能力差，雨水無法滲透到更深土層。80 cm以上土層，壟作區、橫坡等高種植區的水分變化明顯，說明降雨之后雨水攔蓄能力較強，地表雨水可以充分滲透至土壤深層。8月修筑土垱后，結合表3數據可知，橫坡等高種植試驗區在不同深度的土壤含水量均高于其他試驗小區，其中在60～80 cm處，土壤含水量達到了最大值，為78.21 mg；而修筑了土垱的壟作區和深松+壟作的土壤含水量也有明顯增加，并且同樣在60～80 cm處出現了最大含水量，分別為72.41 mg和74.68 mg，說明土垱在截留和攔蓄雨水方面效果顯著，起到了很好的水土保持作用。裸地在不同深度土層的土壤含水量均為6種耕作措施下最低，其中地表0～20 cm處的土壤含水量僅為18.31 mg，說明裸地的蓄水能力極差。

表3 8月不同深度土層的平均土壤含水量 mg

2.5 不同水土保持耕作措施下水分利用效率分析

2.5.1 不同耕作措施的水分平衡分析。為量化表示農田水分轉化關系，筆者引入了土壤水分平衡公式：

式（1）中：ΔW表示觀測期初始階段與結束階段的水量差，單位為mm；P表示降雨量，單位為mm；S表示補充灌溉量，由于試驗中未進行人工灌溉，因此該值為0；R表示地表徑流，單位為mm；ET表示作物水分蒸散量，單位為mm，其計算公式為：

式（2）中：ΔS表示收獲期、播種期0～200 cm土壤含水量之差，單位為mm。根據公式（1）計算6種處理下的ΔW、P和R等值，統計結果如表4所示。

表4 觀測器內不同耕作措施的水分轉化計算 mm

由表4可知，在觀測期內裸地和常規耕作在時段初的儲水量要高于時段末，并且蒸散量在6種處理措施中也屬于較低水平。分析其原因，裸地表面無植被覆蓋，因此徑流損失較大。同樣，常規耕作中地表土層較為緊實，不利于雨水留存、下滲，因此作物從土壤中吸收水分較少，相應的作物水分蒸散量較少。免耕種植區和壟作區的作物水分蒸散量相差無幾，而橫坡等高種植區的作物水分蒸散量最高。這是因為橫坡等高種植下水分得以較好地保留，土壤中含水率較高，加之植物蒸騰作用的影響，在晴朗天氣可以源源不斷地蒸散水分。

2.5.2 不同耕作措施水分利用效率分析。為直觀地表示農作物物質生產與水分之間的關系，此次試驗中還引入了“作物水分利用率（WUE）”這一指標，其計算公式為：

式（3）中：Y表示作物產量，單位為 kg/hm；M 表示作物生育期的耗水量，單位為mm。6種處理下農作物全生育期水分利用效率如表5所示。

表5 不同耕作措施下全生育期耗水量

結合表5數據可知，6種處理下農作物水分利用率由高到低排序為HP＞SQ＞LQ＞LD＞MG＞CK。橫坡等高種植模式下農作物水分利用效率最高，原因主要有兩方面：一是橫坡有利于減少地表徑流，起到了很好的截流效果，有利于水分向土壤深層滲透，為農作物根系吸收水分提供了良好條件；二是等高耕作模式下不需要耕作壓實，有利于優化土壤內部結構，避免土壤板結等問題，降雨后能夠有效提高土壤水分含量。

3 結論

筆者在遼西地區黑土坡耕地上設置6個等規格的試驗小區，每個試驗小區內分別采用一種水土保持耕作措施，其中1組裸地，作為對照，另外5組分別采取了常規耕作、免耕播種、壟作、深松+壟作、橫坡等高種植。另外，在試驗期內選擇3場典型降雨，分析3場降雨下不同處理模式在地表徑流、產沙量、坡面入滲量、農作物水分利用效率等指標方面的差異性。根據試驗結果，選出一種坡面徑流小、產沙量少、土壤水分入滲率和作物水分利用效率高的種植模式，從而在遼西地區山地丘陵區進行推廣，實現生態效益和種植效益有機統一。根據試驗內容，可得出以下3條結論。

在立地條件相同的情況下，不同耕作措施的水土保持效果有明顯差異。在降雨條件相同的情況下，橫坡等高耕作的截流蓄水能力最強，坡面入滲量最大，坡面徑流最小，水土保持效果最理想。在深松+壟作和壟作未修建土垱時，其水土保持效果與免耕播種、常規耕作無明顯差異；但是修建土垱后，其水土保持效果得到明顯提升，此時按照蓄水減沙效果從優到劣排序為：橫坡等高耕作＞深松+壟作＞壟作＞免耕播種＞常規耕作＞裸地。

在3場降雨中，發生在7月22日的B場降雨歷時最長，達到了291 min，最大雨強為77 mm/h。在同一試驗小區內，雨強越大的情況下坡面產流時間越早，同時由于雨水流動速度較快，來不及向下滲漏，因此土壤入滲率相對較低。此外，雨強較大的情況下，雨滴對坡面沖蝕破壞更加明顯，徑流含沙量也更高。

不同耕作措施對于土壤儲水量、蒸散量、水分利用效率的影響也有明顯差異。總體來說，橫坡等高種植下由于蓄水保土效果好，因此，土壤儲水量高于其他處理方式；橫坡等高耕作模式下徑流少、入滲量多，可以滿足農作物生長所需水分，因此，植株長勢更好，相應地蒸散量更大、水分利用效率更高。

綜上，在遼西山地丘陵地區，選擇橫坡等高種植模式可以有效解決水土流失問題，并且能切實提高山區丘陵土地資源的利用率，滿足當地農民生產需要。