地面不同垄沟形式对土壤水分的影响

顾 贺

（甘肃省水利厅水利管理局，甘肃 兰州 730000）

我国干旱半干旱区面积约占全国土地面积的52.5%，年降水量少，大部分地区的年降水量为250～550mm、降水时空分布不均、冬春少雨，且多为无效降水（小于10mm的降水发生频率占到70%）；夏秋多雨，降水集中在7～9月，占全年降水量的60%～70%，且多以暴雨形式出现，水土流失严重，土地生产力极低，旱灾频繁，农田生态系统遭到严重破坏［1－5］。沟垄集雨种植技术将降雨资源适时、适量和适地聚集起来，解决供水时期和作物需水时期错位矛盾，使雨水达到时空协调和高效利用的目的，同时减少水土流失，保持该地区农业生态可持续发展［6－9］。沟垄集雨种植土地利用可分为2部分，即集水区和作物种植区。集水区的目的是产生最大径流和最小入渗，使作物种植区得到的水分资源富集，有效减少土壤表面蒸发和作物 耗水系数，提高降水资源利用率［6－10］。作物种植区沟中的土壤水分分布及其变化是研究农田水量平衡的重要因素，对作物生长尤为突出，对于农业生产持续发展有其重大理论与实践意义［11，12］。土壤水分运动是一个复杂的过程，其运动分为饱和水流、非饱和水流和水汽的运动，研究饱和土壤水分运动对建立农田降水入渗及产流关系，对于有效防治土壤侵蚀，合理利用有限的雨水资源具有重要的现实意义。沟垄集雨种植在平地上人工起垄，形成沟垄相间的微地形，沟中的水分产生叠加，必然导致种植区沟中土壤水分发生变化。尽管对不同覆盖、不同坡面土壤水分及入渗已有较多研究［2，3］，但对垄沟微地形土壤水分分布及入渗的研究工作尚不深入。本文研究不同垄沟表面处理对土壤水分分布及入渗的影响，旨在为黄土高原垄沟集雨种植和降水资源有效利用提供参考。

1 试验设计与方法

1.1 自然概况

试验于2002年4～9月在兰州大学榆中校区干旱农业生态试验站进行，地理位置 N 35.87°，E 104.09°，海拔1 874m，本区属于黄土高原西部丘陵沟壑区，属中温带半干旱气候，年均气温6.5℃，年平均降水量为314.1mm1999～2002年）。降水季节分布不均匀，1999～2002年约56%的降水发生在7～9月。地下水位深度＞20m，超过作物根系吸收利用范围。试验区地貌沟壑纵横，土壤为黄土母质上发育的黑麻土和黄绵土，耕层土壤 （0～20cm）田间持水量为21.18%，凋萎湿度为7.17%，土壤容重1.13g/cm3，有机碳0.53 g/kg，全氮0.065g/kg，全磷0.063g/kg［13］。

1.2 试验设计

采取沟垄集雨种植马铃薯，设计了3种沟垄比：1∶0.5，1∶0.75和1∶1，沟宽比垄宽为：60∶30cm，60∶45cm和60∶60cm和2种下垫面材料，有覆膜垄和土垄两种形状集雨面材料。覆膜垄覆盖塑料薄膜厚度为0.08mm，土垄为人工原土夯实。共设计7个处理 （3个沟垄比×2个覆盖材料＋1个平作），传统种植 （平作）作为对照，集雨垄坡度为40°，沟长和垄长均为5m，垄高为25cm，垄沟相间分布于田间，每1小区有3条沟和4条垄，小区随机排列，3次重复，试验小区编号及其他参数见表1

1.3 种植管理

根据当地马铃薯种植经验，于2002年4月16日开始整地、起垄、覆膜、施基肥。播前施纯鸡粪3.8×104kg/hm2，过磷酸钙420kg/hm2，尿素180kg/hm2，3种肥料混合后于2002年4月17日全面条播施入，对于沟垄种植，基肥施入沟中；对平作处理，将肥料全地面施入，施肥深度为10cm。2002年4月26日开始在沟内穴播种植，供试马铃薯品种为渭薯1号，在每个小区的沟内穴播点种2行马铃薯，行距30cm，株距30 cm，马铃薯种植行与垄坡脚距离为5cm，每沟种植33株。平作采取宽窄行种植，共6行，宽行行距75cm，窄行行距30cm，每行种植16～17株马铃薯。每个试验小区有3条种植带，总播种株数为99株。播种用切块种植，种植深度为5～6cm。采用手工除草，2002年8月31日收获。2002年马铃薯生育期降水量（图1），全生育期降水为183.6mm。

表1 沟垄集雨种植马铃薯试验设计Table 1 Experimental design for planting potato of rainfall harvesting

图1 2002年马铃薯生长季节降水量Fig.1 The rainfall during potato growing seasons in 2002

1.4 土壤含水量及土壤水分入渗速率测定

采用烘干法测定每一小区沟中土壤含水量，测定深度为200cm，按20cm分层，每隔10d观测1次，降水（降水量＞5mm）后加测。利用圭尔夫渗透仪测定土壤水分入渗速率，采用变水头法，第1个水头（10 cm）作用下求得第1个稳定的流量值，施加第2个水头（20cm），求得第2个稳定的流量值。采用秒表计时，每隔1min记录1次入渗量，测到入渗速率达到稳定值时为止，每小区重复9次，取平均值。

1.5 土壤贮水量计算与数据分析

式中：W为土壤贮水量（mm），h为土层深度 （cm），ρ为土壤容重（g/cm3），b为质量含水量。

利用完全随机模型分析不同沟垄比和覆盖材料对土壤含水量的影响，将3次重复收集的数据用SPSS 15.0与Excel软件进行方差分析和显著性检验 （P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 膜垄的土壤水分比较

试验处理分为两组，第1组为膜垄（MR），第2组为土垄（SR）和平作。根据沟垄集雨土壤水分特征将集雨时期分为集雨前期（4月下旬至5月下旬）、集雨中期（6月上旬至7月中旬）与集雨后期（7月下旬至8月下旬）［12］。集雨前期，不同膜垄处理沟中土壤水分差异显著（图2）。如5月12日测定，MR30、MR45与 MR60在2m土壤深度的平均含水量分别为7.92%b，8.14%ab和9.06%a数字后，不同字母表示差异显著（P＜0.05），MR60平均土壤含水量显著大于 MR30，MR45与MR60之间、MR45与MR30之间相差不显著。集雨前期，降水量较多，MR60的集雨面积是 MR30的两倍，同时MR60与MR30的沟面积相等，使MR60土壤含水量显著大于MR30。在集雨中期和集雨后期，随着降水量减少，不同膜垄处理间沟中土壤水分差异不显著。6月14日测定，MR30，MR45和 MR60在2m土壤深度的平均土壤含水量分别为10.73%a，11.16%a和11.37%a；7月14日测定，它们值分别为6.28%a，6.63%a和7.04%a；8月13日测定，它们值分别为 6.81%a，7.06%a和7.18%a。从测定结果可以看出，MR60沟中土壤水分相对较大，但 MR30、MR45与 MR60之间的土壤含水相差不显著。通过径流分析［12］，MR30、MR45与MR60平均集流效率分别为93%，87%和89%。MR60集雨效率相对较低，但其集雨面积大，集雨量大，用于同样宽度的种植带，MR60沟内土壤含水量相对较高。由于集雨效率相差不大，再加上高蒸散使MR30、MR45与MR60之间的土壤水分差异不显著。

2.2 土垄、平作土壤水分比较

集雨前期，土垄和平作2m土壤深度平均含水量（图2），5月12日测定ER30、ER45、ER60与平作2m 土壤深度的平均含水量分别为8.91%a9.04%a9.20%a和8.87%a。从数值可以看出，ER60的土壤水分略大于ER30、ER45与平作，土垄处理间、土垄与平作之间的土壤水分差异相差不显著。集雨前期，土垄表面的结皮初步形成，厚度相对较薄，通过研究发现土垄的集雨效率与结皮厚度有关，结皮厚度越小，集雨效率越低［12］，虽然降水量较多，但土垄间、土垄与平作之间的土壤水分差异不明显；集雨中期与集雨后期，随着降水量的减少，不同土垄间的土壤水分差异不显著。集雨中期，随着土垄结皮增厚，土垄处理沟中土壤含水量显著大于平作；集雨后期，随降水减少和作物耗水增大，土垄沟中土壤水分与平作差异不显著。6月14日测定，ER30、ER45、ER60与平作2m土壤深度的平均含水量分别为9.10%a、9.49%a、9.64%a和8.33%b；7月14日测定，值分别为5.87%a、5.97%a、6.18%a和4.89%b；8月13日测定，值分别为6.24%a、6.65%a、6.18%a与6.75%a。由于土垄集雨效率差异不显著，使土垄处理间沟中的土壤水分相差不显著。土垄表面结皮产生一定径流，同时土垄表层结皮具有减少蒸发作用，在集雨中期，土垄沟中土壤水分显著大于平作。

2.3 土壤贮水量比较

为了比较不同下垫面材料沟中的土壤水分差异，将膜垄、土垄、平作的土壤贮水量进行比较。土壤表层0～40cm，贮水量的高峰期主要出现在降水时期，在出现土壤贮水量差异的时期，膜垄的土壤贮水量高于土垄，土垄的土壤贮水量高于平作（图3）。集雨前期，各处理沟中的土壤水分变化不大，随着生育时期延伸，各处理沟中的土壤贮水量的差异逐渐变大，8月13日测定，MR60、MR45、MR30、ER60、ER45、ER30与平作处理0～40cm深度的土壤贮水量分别为77.53a、89.70a、72.88a、51.92b、59.79b、53.81b、37.68cmm，MR60比ER60、MR45比ER45、MR30比ER30分别多贮水26.61、29.91、19.07mm，MR60、MR45、MR30、ER60、ER45、ER30比平作分别多贮水39.85、52.02、35.20、14.24、22.11、16.13mm，说明，膜垄集雨效果高于土垄，土垄的集雨效果高于平作。在作物收获时期，由于土壤水分的严重耗竭，处理间的土壤贮水量差异又逐渐变小，但趋势仍然是膜垄高于土垄，土垄高于平作。

各处理深层土壤40～120cm的贮水量差异没有表层土壤0～40cm明显，贮水量值分布相对比较散乱，但基本趋势是膜垄高于土垄、土垄高于平作。8月13日测定MR60MR45MR30ER60ER45ER30与平作处理40～120cm深度的土壤贮水量119.93、115.20、119.48、94.01、92.16、91.22、62.26mm，MR60比ER60、MR45比 ER45、MR30比 ER30分别多贮水25.92、23.0328.26mmMR60MR45MR30ER60ER45ER30比平作分别多贮水57.67、52.94、57.22、31.75、29.90、28.96mm。说明深层土壤膜垄和土垄仍然具有明显的集水和保水效果，对马铃薯抗旱非常有力。

图2 膜垄之间、土垄与平作土壤水分比较Fig.2 Comparison of soil moisture between MR （mulching ridge），SR （soil ridge）and flat planting

图3 0～40cm土壤贮水量比较Fig.3 Comparison of soil water storage in 0～40cm soil

图4 40～120cm土壤贮水量比较Fig.4 Comparison of soil water storage in 40～120cm soil

2.4 土壤水分入渗速率比较

根据实测数据可以看出，渗透开始时，土壤渗透速度较快，随着渗透时间增加，渗透速度下降，最后达到稳定（图5）。从试验结果可以看出，当水头等于10cm时，膜垄沟中稳定入渗率为2.1mm/min，土垄沟中与平作稳定入渗效率1.8mm/min；当水头等于20cm时，膜垄沟中稳定入渗率为2.3mm/min，土垄沟中与平作稳定入渗率2.2mm/min。

图5 膜垄、土垄和平作土壤水分入渗速率比较Fig.5 Comparison of soil water permeation between MR （mulching ridge），SR（soil ridge）and flat planting

尽管集水条件下土壤水分入渗和野外自然降雨条件下土壤水分入渗有差异，但结果说明，不管水头等于10cm或20cm，膜垄沟中的土壤水分入渗速率大于土垄和平作，土垄和平作的土壤水分入渗速率相差不显著。主要原因是膜垄沟中马铃薯生长旺盛、根系下扎深度深，土壤小动物和微生物数量多于土垄和平作，使膜垄沟中形成很多微细孔道，使膜垄沟中土壤水分入渗速率大于土垄和平作。

3 讨论与结论

MR30，MR45和MR60的平均集雨效率分别为93%a，87%a和89%a，SR30、SR45和SR60集雨效率变化为0～19%b、0～28%ab和0～17%［12］，膜垄之间（或土垄之间）的集雨效率相差不显著，使膜垄处理之间或土垄处理之间土壤水分相差不显著。在集雨前期，由于土垄结皮初步形成，厚度相对较薄，土垄与平作之间的土壤水分差异不明显；在集雨中期，随着土垄结皮增厚，土垄表面结皮产生一定径流，同时土垄表层结皮具有减少蒸发作用，土垄处理沟中土壤含水量显著大于平作；在集雨后期，随降雨减少和作物耗水增大，土垄沟中土壤水分与平作差异不显著。

土垄集水效率平均为16.8%b，膜垄集水效率平均为90%a，土垄集水效率明显低于膜垄［12］，膜垄的土壤贮水量高于土垄，土垄的土壤贮水量高于平作。土壤贮水量差异层主要出现在土壤表层0～40cm，如8月13日测定，在0～40cm土壤深度，MR60比ER60、MR45比ER45、MR30比 ER30分别多贮水26.61，29.91和19.07mm；MR60、MR45、MR30、ER60、ER45、ER30比平作分别多贮水39.85、52.02、35.20、14.24、22.11、16.13mm。沟垄集雨使两个面上 （垄和沟）的降水集中到一个面上 （沟），沟中的水分产生叠加，土壤水分入渗越深，蒸发损失越小，同时垄结皮具有减少蒸发作用，使膜垄沟中土壤贮水量高于土垄，土垄沟中土壤贮水量高于平作。

观测发现，当入渗水头相同时，膜垄沟中土壤水分稳定入渗率大于土垄和平作，土垄和平作之间的差异不明显。在膜垄处理下，马铃薯生长旺盛，马铃薯地上生物量和地下生物量大于土垄和平作，马铃薯根系生长对许多土壤小动物和微生物提供生活场所，膜垄处理的马铃薯根系下扎较深和土壤小动物等形成土壤空隙较多，使膜垄沟中土壤水分稳定入渗率大于土垄和平作。

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