周至县坡耕地农业耕作措施蓄水保土效益试验研究

齐养周

（周至县水务局 陕西 周至 710400）

1 周至县坡耕地概况

周至县地处关中盆地南部偏西，分秦岭山区、山前台塬区和渭河关中平原三个地貌单元，总面积2968km2,是西安市的重要水源地。气候属干旱半干旱大陆性季风气候区，土壤以黄土、娄土、褐土、石渣土为主，年均气温13.2℃，≥10℃的活动积温3171℃，无霜期225 d，年平均光照时数2154.7 h，年水面蒸发量为1170mm，年均年降水量为820.52mm。

周至县坡耕地主要集中在山前台塬区，山区有少量分布，总面积16.8万亩，占总耕地面积的20%，由于大多数群众仍然使用传统的顺坡耕作习惯，加之雨季地面裸露，土壤侵蚀强烈，水土流失极为严重。

2 实验原理和过程

2.1 研究内容

周至县坡耕地农业耕作措施通常有等高耕作、等高沟垄耕作、水平防冲沟和蓄水聚肥改土耕作法等。但目前最为常用的有等高耕作、深耕深翻和管理过程中的人工锄耕等，本文主要对耕作措施蓄水保土效益与降雨、坡度对蓄水保土效益影响及产生机理等进行研究。

2.2 实验设计

针对研究内容制定了如下实验方案。

供试土样：取自周至县沙河流域的耕层黄墡土。

实验地点：西北农林科技大学资源与环境学院土壤侵蚀实验室。

设备及材料：侧喷式降雨机，雨量筒，泥沙收集桶和冲刷槽4组。

耕作措施设计：等高耕作，进行横向耕作，形成沟和垄，垄高10cm，垄距33cm；深耕深翻，用镢头挖地，并使地面保持掏挖后的原始状态；人工锄耕，用锄头以常规方式经行锄挖。实验中以同坡度的耙耱平地为对照。

降雨设计：降雨强度0.5mm/min、1.0mm/min、1.5mm/min、2.0mm/min 和 2.5mm/min。

冲刷槽坡度设计：坡度为5°、10°、15°、20°、25°。

2.3 蓄水保土效益计算方法

在计算耕作措施的蓄水保土效益时，采用了水保法（成因分析法），农业耕作措施的减水、减沙效益采用水保法进行计算，公式为：

式中，η水——耕作措施减水作用（%）；

η沙——耕作措施减沙作用（%）；

W直——耙磨平直线坡的坡面产流量（m3）；

S直——耙磨平直线坡的侵蚀产沙量（t）；

W耕——耕作措施小区的坡面产流量（m3）；

S耕——耕作措施小区的侵蚀产沙量（t）。

3 农业耕作措施蓄水保土效益分析

3.1 主要耕作措施的蓄水保土效益

经过对实验结果进行计算后，得到主要耕作措施的蓄水保土效益平均值，见表1。

由表1可以看出，等高耕作的蓄水效益值介于70.56%～10.07%之间，平均值为51.58%，保土效益为76.60%～21.66%，平均值37.73%；深耕深翻蓄水效益介于61.34%～6.48%之间，平均40.73%，保土效益为69.69%～10.69%，平均为25.47%；人工锄耕措施蓄水效益为51.93%～4.59%，平均26.79%，保土效益为43.25%～-1.65%，平均10.73%。因此，就效益大小来看，等高耕作效益最好。

3.2 降雨对耕作措施蓄水保土效益的影响

以10°坡为例分析3种耕作措施条件下，雨强对耕作措施的蓄水保土效益的影响。

图1 10°坡耕地雨强对耕作措施的蓄水效益影响

图2 10°坡耕地雨强对耕作措施的保土效益影响

图1、图2分别为10°坡面上三种耕作措施情况下的蓄水效益和保土效益。由图1可以看出，随着雨强增大，蓄水效益明显降低，蓄水效益随雨强增加呈直线降低。相对来说，等高耕作蓄水能力强于深耕深翻和人工锄挖。在试验中，前者的平均蓄水效益高于后两者，最大可达67.32%。

表1 主要耕作措施蓄水保土效益表

由图2可以看出坡面耕作措施的保土效益与雨强相关性较差，总的来说，随雨强增大，耕作措施的保土效益呈现降低趋势；等高耕作保土效益明显高于深耕深翻和人工锄耕。

3.3 坡度对耕作措施的蓄水保土效益的影响

项目区坡耕地坡度是影响产流产沙的另一重要因子。现以雨强为1.0mm/m in为例，说明坡度对3种耕作措施的蓄水保土效益的影响。图3、图4反映的是雨强为1.0mm/m in时坡度与耕作措施蓄水效益、保土效益的关系。

图3 雨强为1.0mm/min时坡度对耕作措施蓄水效益的影响

由图3可以看出，随坡度增加耕作措施蓄水效益呈现降低趋势；在3种耕作措施中，等高耕作在各种坡度情况下蓄水效益均高于深耕深翻，人工锄耕效益最低。

图4 雨强为1.0mm/min时坡度对耕作措施保土效益的影响

由图4可以看出，耕作措施都具有一定的保土效益，随坡度增加，耕作措施的保土作用降低；在3种耕作措施中，等高耕作在各种坡度情况下保土效益均高于深耕深翻和人工锄耕。

4 农业耕作措施蓄水保土机理分析

4.1 坡耕地耕作措施对土壤入渗的影响

坡面径流取决于降雨强度和土壤入渗率间的对比关系，当降雨强度大于土壤入渗率时，坡面开始产流。水土保持耕作措施其强化降水入渗作用为：改变微地形，增加地面糙度，改善土壤物理性状，提高入渗速率。

观测耕作措施的降雨入渗过程，可以看出，当降雨强度大于入渗能力时，直线坡将会产生径流，但对于其他耕作而言，由于地表凹凸不平，制造出许多微型水塘，形成积水入渗，增加下渗水头；当积水达到一定程度时，随着填洼作用减弱，将出现径流，土壤入渗能力将会减弱。

表2 10°坡耕地不同耕作措施条件下土壤的稳定入渗率

表3 不同雨强下耕作措施与径流模数及蓄水效益关系 单位：m3/km2

根据坡耕地人工降雨试验，确定出不同耕作措施情况下的稳定入渗率，如表2。

从中可以看出，在相同的降雨条件下，等高耕作土壤稳定入渗速率＞深耕深翻＞人工锄耕＞直线坡。等高耕作与直线坡相比，可提高入渗67%；深耕深翻可提高入渗41%，人工锄耕可提高入渗29%；在中小雨强情况下，这种情况更为显著。这是由于中小雨强对土壤表层破坏作用较小，而大雨强的破坏作用较大。

4.2 坡耕地耕作措施对产流历时的影响

不同的耕作措施，形成了不同的地表粗糙度，影响产流时间，而且也能改变地表的水流方向。图5为雨强1mm/m in不同坡度下的耕作措施与产流时间的关系。

图5 不同坡度下产流时间与耕作措施的关系

从上图中可以看出，同一坡度下，产流时间随着耕作扰动强度的增加明显延长，即耕作措施有延缓产流时间的作用；由于该区产流属超渗产流，产流时间主要取决于滞蓄量，当降雨强度、土壤含水率、坡度等一定的情况下，坡面糙度越大，微地形起伏越明显，滞蓄量越大，相应的产流发生的较晚。产流时间推迟，无疑增加了坡面水分入渗时间，增加降水入渗量，减少径流量。

4.3 坡耕地耕作措施产流的影响

坡耕地耕作措施进一步影响着坡面径流，表3为10°坡耕地在不同耕作措施下各个雨强的产流模数。

从表中可以看出，在同一雨强作用下，随着耕作扰动强度的增大，径流呈减小的趋势，蓄水效应越大；同一耕作措施条件下，随着雨强的增加，这一阻挡逐渐减弱，甚至破坏，径流量递增。

5 结语

实验结果表明：①不同的耕作措施对坡耕地水、土的保护效益不同，采用等高耕作蓄水保土效益最好。②坡耕地耕作措施的蓄水作用与雨强有密切关系，随雨强增加，蓄水效益明显降低，降雨强度对保土效益影响不大。③坡度也在影响着耕作措施的蓄水保土效益，随坡度增加耕作措施蓄水保土作用下降，在较小坡度情况下，耕作措施的蓄水保土作用较强。陕西水利