黑土坡耕地幾種水土保持措施的蓄水保土效應研究

齊智娟，張忠學，楊愛崢

（東北農業大學 水利與建筑學院，哈爾濱150030）

坡耕地作為東北黑土區主要的耕地資源，占耕地總面積的60%，多數分布在3°～15°的坡面上，是產生水土流失的主要來源地，占黑土區水土流失面積的80．3%［1］。保護性耕作技術是目前旱農地區保蓄水分、緩解干旱、增產增收的重要手段［2－4］。保護性耕作措施主要通過改善耕層土壤結構、減少擾動和改變壟向、增加降雨入滲時間來減少坡面侵蝕，蓄水保墑。研究表明，深松能有效改善土壤物理性狀，增加土壤入滲，有利于提高土壤蓄水能力［5－6］，免耕、少耕雖然具有較好的水土保持功效，但需及時的耕作和管理以防止潛在的流失危險［7］，壟向區田通過土擋，攔蓄雨水，減少徑流，起到保水、保土、保肥的作用，大大提高了天然降雨的利用率，有效地防止坡耕地水土流失［8－9］。橫坡耕作與順坡耕作相比，更能有效地減少地表徑流和土壤侵蝕，起到蓄水保土的作用，但隨著雨強的增大，保土效應逐漸降低［10－11］，因此，采取有效的水土保持耕作措施對農業的可持續發展有著至關重要的作用。

坡耕地蓄水保土效應受降雨情況、耕作措施的影響較大，不同耕作措施的土壤侵蝕過程和保水保土效果相差較大。本研究通過田間試驗，并結合以往的數據資料，概括分析了幾種保護性耕作措施的土壤儲水量變化趨勢，以及不同耕作措施下植被蒸散量的變化和作物水分利用效率的變化情況，旨在為黑土坡耕地不同耕作措施蓄水保土效應的研究提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1．1 試區概況

試驗地位于黑龍江省甘南縣興隆鄉，當地屬溫帶半干旱季風氣候，四季冷暖干濕分明，年平均氣溫2．6℃，年均降水量450 mm，年平均蒸發量1 499．8 mm，降雨季節分配不均，雨水集中在7－9月，水土流失嚴重。供試土壤為黑鈣土，徑流場平均坡度為5．0°。試區作物為良種春玉米海玉4號。

1．2 試驗設計

共設8個處理，2次重復：裸地（LD）、常規耕作（CK）、免耕（MG）、少耕深松（SGS）、壟向區田（LQ）、深松＋區田（SQ）、橫坡種植（HP）、橫坡免耕（H M），其中壟向區田于7月中旬筑垱，免耕持續時間2 a，深松于7月初壟間深松，以常規耕作作為參照。小區規格為5 m×20 m。

測定方法：土壤含水量測定采用傳統的烘干法，取樣深度為0－10，10－20，20－40，40－60，60－80 c m，5個層次，每兩周測一次，降雨前后加測一次。

2 結果與分析

2．1 不同耕作措施對土壤儲水量的影響

圖1為觀測期內降雨量變化和不同耕作措施的土壤儲水量變化圖，土壤儲水量的動態變化與觀測期內降雨動態變化趨勢相符。觀測期內不同耕作措施儲水量變化曲線的波動程度有較大差異，按儲水量變化情況由大到小依次為：H M＞HP＞SQ＞LQ＞SGS＞MG＞CK＞LD。

圖1 觀測期內降雨量與不同耕作措施的土壤儲水量變化

由圖1可以看出，觀測初期，不同耕作方式土壤儲水量相差不大，主要因為6月初期部分土壤處于凍融階段，降雨不能很好地入滲，保護性耕作措施的蓄水保土效果沒有發揮出來，同時，深層凍土融化的增濕效果與土壤的蒸發相抵，使儲水量變化較小。此時區田尚未筑垱，區田相當于常規處理。土壤儲水量由大到小為：H M＞HP＞SQ＞SGS＞MG＞LQ＞CK＞LD。觀測后期，伴隨天氣轉暖、凍土融化以及降雨影響，雨水向深層滲透，土壤儲水量發生大幅度變化。橫坡種植和壟向區田由于較大程度的攔蓄降雨，強化入滲，儲水量較高；深松由于土層疏松，土壤孔隙增大，儲水量僅次于壟向區田；免耕的儲水量略低于深松處理，卻明顯高于常規耕作，因其土壤沒有擾動，避免壓實，增加了入滲；裸地的土壤儲水量最低，分析原因：裸地沒有植被覆蓋，耕層土壤致密，不利于下滲，對降雨起不到截留攔蓄的作用，且表層土壤蒸發嚴重，土壤儲水能力差。

2．2 不同耕作措施對不同深度土層儲水量的影響

不同耕作措施不同深度土層的土壤儲水量變化曲線如圖2所示，將土壤劃分為5層：0－10，10－20，20－40，40－60，60－80 c m。

圖2可以看出，0－10 c m土層儲水量波動較大，降雨后儲水量增加，雨后由于蒸騰作用土壤儲水量迅速下降。其中 H M、HP、SQ、LQ、SGS、MG儲水量分別為 CK 的121．2%，117．3%，112．7%，108．7%，104．0%，102．3%。裸地儲水量最低，僅為常規耕作的91．6%。10－20 c m土層儲水量變化趨勢與0－10 c m相同，但差值明顯減小，不同耕作措施的儲水量變化逐漸變緩，占常規耕作的百分比有所降低。20－40 c m土層觀測初期儲水量變化微弱，主要因為凍融的影響很大，隨著凍土的融化，降雨量的增加，水分向深層入滲。此時深松處理由于疏松土壤，加大了蒸發且更深層土壤水分來不及補給，儲水量較低。不同耕作措施按儲水量大小依次為：H M、HP、SQ、LQ、MG、SGS、CK、LD。40－60 c m土層，不難看出裸地儲水量曲線基本為直線，波動極小，表明其受到降雨影響小。其它耕作措施的儲水量雖有變化，但相比淺層土壤其變化程度小，曲線變化規律不明顯。60－80 c m土層各耕作措施儲水量差異很小，土壤儲水量變化平穩，仍以裸地儲水量最低，HM、HP、SQ、LQ、SGS、MG儲水量分別為 CK 的101．8%，101．7%，101．2%，100．8%，100．2%，100．2%，裸地土壤儲水量為常規耕作的99．3%。

2．3 不同耕作措施的水量平衡分析

為描述農田水分轉化關系，采用土壤水分平衡公式：

式中：ΔW——時段初、末儲水量的變化（mm）；S——補充灌溉量（mm），當觀測期沒有人工灌溉時，S＝0；P——降雨量（mm）；R——地表徑流（mm）；ET——作物蒸散量（mm）。研究結果如表1所示。

圖2 不同土層的儲水量變化

表1 觀測期內不同耕作措施的水分轉化計算 mm

由表1可知，觀測期內裸地和常規耕作時段末儲水量少于時段初儲水量，二者蒸散量亦較低，其中裸地主要是無植被覆蓋，沒有植株的蒸騰作用，徑流損失過大。免耕和深松處理蒸散量略高，二者相差不多。橫坡和含有區田的處理蒸散量最高，主要因為這幾種處理有效攔蓄降雨，很大程度上減少了坡面徑流，蓄水保墑，作物長勢好。

2．4 不同耕作措施水分利用效率分析

為反映作物的物質生產和水分之間的關系，引入作物水分利用效率（WUE）對作物生長適宜程度進行評價：

WUE＝Y／ET

式中：Y——作物產量（kg／h m2）；ET——作物生育期耗水量（mm）。

表2為不同耕作措施作物生育期耗水量，其值為歷年資料的平均值，其中不同耕作措施生育期降雨量均為925 mm，表3為不同耕作措施作物水分利用效率，其中作物產量亦為多年平均產量。由表3可知，作物水分利用效率變化保持H M＞HP＞SQ＞LQ＞SGS＞MG＞CK的趨勢，各水土保持耕作措施的作物水分利用效率較常規分別增加34%，31%，28%，19%，14%和11%。其中橫坡免耕效果最好，主要因為：一方面橫坡有效攔蓄降雨，起到蓄水保土作用，另一方面免耕避免了耕作壓實，改善土壤內部結構，從而有效地增加土壤水分，為作物生長提供適宜的土壤水分條件，提高了作物水分利用效率。

表2 不同耕作措施的全生育期耗水量 mm

表3 不同耕作措施作物水分利用效率

3 結 論

（1）不同耕作措施的蓄水保土效果不同，儲水量曲線的波動程度有較大差異，按儲水量變化由大到小依次為：H M＞HP＞SQ＞LQ＞SGS＞MG＞CK＞LD。

（2）不同耕作措施不同深度土層的儲水量差異顯著，表層土體受降雨、蒸騰作用影響大，土壤儲水量變化程度大；深層土體由于雨水向深層的入滲量有限，以及凍融作用，土壤水分變化小，儲水量變化程度小。

（3）不同耕作措施對作物蒸散量有較大影響，耕作措施對雨水的調蓄作用越強、徑流越少，作物的長勢越好，其蒸散量越大，反之，徑流大，降雨得不到有效利用，作物生育期需水得不到滿足，植株長勢不好，蒸散量小。

（4）采用水土保持耕作技術可以減少坡面土壤水蝕，增加土壤水分入滲，起到蓄水保土作用，高效利用天然降雨，顯著提高了土壤水分利用效率。

［1］ 楊文文，張學培，王洪英．東北黑土區坡耕地水土流失及防治技術研究進展［J］．水土保持研究，2005，12（5）：232－236．

［2］ 賈延明，尚長青，張振國．保護性耕作適應性試驗及關鍵技術研究［J］．農業工程學報，2002，18（1）：78－81．

［3］ 何進，李洪文，高煥文．中國北方保護性耕作條件下深松效應與經濟效益研究［J］．農業工程學報，2006，22（10）：62－67．

［4］ 高煥文，李問盈，李洪文．中國特色保護性耕作技術［J］．農業工程學報，2003，19（3）：1－4．

［5］ 羅錫文，李就好，朱余清．耕作方式對磚紅壤物理特性和含水率的影響［J］．農業工程學報，2006，37（12）：62－66．

［6］ 馬月存，秦紅靈，高旺盛．農牧交錯帶不同耕作方式土壤水分動態變化特征［J］．生態學報，2007，27（6）：2523－2530．

［7］ Shipitalo M J，Ed wards W H．Runoff and erosion control with conservation tillage and reduced－input practices on cropped watersheds［J］．Soil ＆ Tillage Research，1998，46（1／2）：1－12．

［8］ 張忠學，曾賽星．東北半干旱抗旱灌溉區節水農業理論與實踐［M］．北京：中國農業出版社，2005．

［9］ 沈昌蒲，劉福．張世玲，等．坡耕地壟作區田最佳擋距數學模型及其檢驗［J］．水土保持通報，1997，17（3）：1－5．

［10］ 林超文，龐良玉，陳一兵，等．不同耕作方式和雨強對紫色土坡耕地降雨有效性的影響［J］．生態環境，2008，17（3）：1257－1261．

［11］ 王建，吳發啟，孟秦倩．農業耕作措施蓄水保土效益試驗研究［J］．水土保持通報，2004，24（5）：39－41．