红壤丘岗坡耕地复式保护性耕作效应试验

魏 晓，李 红，苏昌贵，高更和，谢庭生*

(1.湖南省经济地理研究所，湖南 长沙 410004；2.河南财经政法大学 资源与环境学院，河南 郑州 450046)



红壤丘岗坡耕地复式保护性耕作效应试验

魏 晓1，李 红1，苏昌贵1，高更和2，谢庭生1*

(1.湖南省经济地理研究所，湖南 长沙 410004；2.河南财经政法大学 资源与环境学院，河南 郑州 450046)

摘要：针对亚热带红壤丘岗坡耕地季节性干旱、水土流失严重等问题，2010～2014年在湖南省衡南县炮公村，通过坡面径流小区试验，对红壤坡耕地复式保护性耕作的效应进行了研究，结果表明：与常规耕作比较，耕层有机质提高了10.2 g/kg，由轻度缺乏级上升为丰富级；土壤含水量提高了3.7个百分点；减少泥沙流失量96.7%，年侵蚀量为2.15 t/(hm2·a)，接近红壤坡耕地允许侵蚀量值1.8 t/(hm2·a)；玉米增产835.5 kg/hm2，油菜增产432.0 kg/hm2，增加产值4499.4元/hm2，投入产出比由1.57上升为2.59，投入回报率提高了65%。

关键词：红壤；坡耕地；复式保护性耕作；效应

保护性耕作被称为农业耕作制度的一场革命[1]，保护性耕作技术在国际上尚无统一的定义[2]。1985年，Allmaras提出了保护性耕作(Conservation tillage)定义：保护性耕作是指在一季作物之后地表残茬覆盖至少30%，使土壤侵蚀控制约在50%的耕作和种植体系。2002年，我国农业部按照保护性耕作的内涵和目标，将其定义为对农田实行免耕、少耕，并用作物秸秆覆盖地表，以减少风蚀、水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的先进农业耕作技术。有关保护性耕作的应用和研究，国内外报道较多。在国外，美国农业部于1937年以研究作物秸秆覆盖作用为切入点，总结出了以免耕、少耕和秸秆覆盖为核心的保护性耕作技术，并开始在美国大面积推广。截至目前，美国有近60%的耕地实行各种类型的保护性耕作，其中采用作物残茬秸秆覆盖耕作方式的占53%，采用免耕方式的占44%。目前，加拿大、澳大利亚、俄罗斯、巴西、法国、墨西哥、以色列、印度、埃及、巴基斯坦等国也在大面积应用保护性耕作技术。国内20世纪60年代开始进行保护性耕作研究，“九五”、“十五”期间，保护性耕作技术一直被列入国家科技攻关项目计划，并被选为目前农业部重点推广的50项农业技术之一，截止2001年，应用面积已超过14×104hm2，在研究资料累积方面，有比较系统的关于保护性耕作的理论与技术介绍[1-5]，有若干单项技术试验和农艺试验的报道[6-25]。然而，有关方面的介绍和报道，针对北方干旱半干旱地区的多，南方季节性干旱地区的少；针对温带棕壤、黑土、草甸土的多，亚热带红壤的少，并且均为单项保护性耕作或保护性种植，红壤坡耕地复式保护性耕作未见报道。

南方红壤坡耕地，由于常年降雨量多在1200 mm以上，并且多强降雨，尽管实施了单项保护性耕作或保护性种植措施，水土流失问题依然较严重，尤以砂岩红壤、花岗岩红壤丘陵区最为明显。笔者针对这一问题，于2010～2014年在湖南省衡南县炮公村进行了复式保护性耕作试验研究，以期为亚热带红壤坡耕地高效利用提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地处于湘江二级支流柿江中上游南岸，缓坡，耕层较厚(22～26 cm)，土层厚(>1.0 m)，种植模式为玉米-油菜。属北亚热带季风湿润气候，年平均气温17.8 ℃，≥10 ℃的活动积温5300～5500 ℃·d；年降雨量1268.8 mm，降雨分布不均，年年有规律性的伏秋干旱发生。

1.2试验处理

试验设4个处理：(1)复式保护性耕作，即等高开沟+稻草覆盖方法，简称复保法(代号TP)；(2)保护性种植，即稻草覆盖方法简称保种法(代号PP)；(3)保护性耕作，即等高开沟方法，简称保耕法(代号PT)；(4)常规耕种，即顺坡耕种，简称常规法(代号CK)。

试验布置在坡度为5.8°～8.3°的缓坡地段同一坡面上，顺坡面分别设宽为10 m、长为15 m的试验小区，小区面积150 m2；小区边界均将塑料板埋入地下1 m，以免受侧渗的影响；不同小区间用砖砌埂，一是起隔离作用，二是便于田间操作；小区坡底建径流收集池；每小区内部微地形(指坡度和低洼水线等)均是人工模拟建造，CK、PP区顺坡分厢开沟、厢面坡度6.5°(当地多数坡耕地坡度)；TP、PT区横向分厢等高开沟，厢面坡度1.8°；TP、PP区用稻草覆盖3～5 cm，这样各个小区除保护性耕作类型不同以外，其他自然条件基本相同。各处理的小区编号及相应类型见表1。

表1　小区编号与保护性耕作类型

1.3观测项目及方法

2014年，油菜收获后取0～5、5～10、10～20 cm土层的混合土样，常规法测定土壤养分含量。玉米、油菜生长期用土壤水分速测仪(南京产)测定0～20、20～40 cm土层土壤含水率。在小区的上、中、下位置各设1个测点，每7 d左右测1次，视天气情况提前或推迟。径流量由安装在径流场出水口的翻斗式流量计自动记录的径流过程整理得出；泥沙量分为白天和夜间两部分，白天的泥沙量由人工观测的产沙过程整理得出，而夜间的产沙量为出水口拦沙设施的拦截量；玉米、油菜成熟时，各小区分别测产。

2结果与分析

2.1复式保护性耕作提高耕层养分含量效应

2.1.1TP处理提高耕层养分含量效应明显由表2可知，TP处理耕层有机质、全氮、速效磷、速效钾分别为28.7 g/kg、1.42 g/kg、18.2 mg/kg、152.8 mg/kg，分别较PP、PT、CK等3个处理养分含量均值提高7.1 g/kg、0.37 g/kg、6.1 mg/kg、43.9 mg/kg，提高幅度分别为33.08%、35.24%、50.83%、40.36%。经t值检验，差异均达极显著水平。TP处理提高耕层养分含量的效应主要是由于秸秆覆盖和秸秆肥料化利用，加速了土壤改良和土壤生物改良进程的结果，其次也与泥沙流失少、养分流失相应少有关。

表2不同处理的耕层养分含量比较

mg/kg

2.1.2TP处理提高养分效应依土层深度而异由表2可知，TP处理的0～5、5～10、10～20 cm土层有机质含量分别为33.8、33.1、19.2 g/kg，平均为28.7 g/kg，分别较PP、PT、CK等对应土层的有机质含量均值高10.80、10.27、0.33 g/kg，提高幅度分别为46.96%、44.96%、1.77%；0～5、5～10 cm土层的养分提高效应达极显著水平，10～20 cm土层的效应不显著；其他全氮、速效磷、速效钾依土层的变化趋势与有机质完全一致，即0～5、5～10 cm土层TP处理提高效应达极显著水平，10～20 cm土层的养分差异不显著。这说明秸秆肥料化利用影响的土层深度主要为0～10 cm，而对10～20 cm土层的影响则小；这点还可以从各处理不同土层养分含量差异得到证实，TP、PP两个秸秆覆盖的处理0～10 cm和10～20 cm土层有机质相差10.3～14.6 g/kg、而PT、CK两个无秸秆覆盖的差异值只有0.3～1.6 g/kg。

2.2复式保护性耕作提高土壤含水量效应

2.2.1TP处理提高土壤含水量效应明显由表3可知，TP处理0～40 cm土层含水量均值为24.9%，分别较PP、PT、CK处理提高2.2、2.4、3.7个百分点。TP处理土壤含水量的明显提高主要得益于秸秆覆盖，首先，秸秆阻挡水汽上升，水汽难以透过覆盖层而被秸秆截留，土壤水分蒸发量减少；其次，秸秆将降雨的超渗部分就地蓄存，渗入土壤中；第三，秸秆覆盖保护了土壤免受雨滴直接冲击，最大限度减少了对土壤结构的破坏，土壤有效持水孔隙多，保蓄水能力增强；第四，由于等高横耕，坡长，坡度明显减小。

表3不同处理土壤含水量的比较

土层深度/cmTP/%PP/%PT/%CK/%TP-PPTP-PTTP-CK0～1028.726.823.221.11.95.57.610～2027.524.722.420.42.85.17.120～3024.223.423.421.50.80.82.730～4023.422.922.821.60.50.61.8均值24.922.722.521.22.22.43.7

2.2.2TP处理提高土壤含水量随土层深度而异从表3可以看出，TP处理的0～20、20～40 cm土壤含水量分别为28.1%、23.8%，较PP处理提高2.35、0.65个百分点；较PT处理提高5.3、0.7个百分点；较CK处理提高7.35、2.25个百分点，均是随土层深度的增加而递减。这与前人的研究结果相悖，其原因可能是试验地立地条件不同，前人的研究是在干旱和半干旱地区。

2.3复式保护性耕作减流、减沙效应

将3年测定的复式保护性耕作(TP)、保护性种植(PP)、保护性耕作(PT)、常规耕作(CK)处理径流量、泥沙流失量结果加权平均，按月份统计的结果见表4。

表4　不同处理径流量、泥沙流失量的比较

2.3.1TP处理减流、减沙效应明显TP处理年径流量223.6 mm，较PP、PT、CK处理减少105.3、142.0、767.5 mm，减少幅度分别为32.0%、38.8%、77.4%；泥沙流失量2.15 t/(hm2·a)，接近红壤坡耕地允许侵蚀量值1.8 t/(hm2·a)，较PP、PT、CK处理减少2.18、3.44、41.36 t/(hm2·a)，分别减少68.3%、74.6%、96.7%。

TP处理的减流、减沙效应明显，主要是由于秸秆覆盖，首先，雨滴的动能被秸秆吸收，径流发生延后，径流程度降低；其次，秸秆可保护土表免受降雨的冲击，稳定土壤疏松多孔的结构，增加降雨入渗；第三，地面坡度小，据测定，坡度每增加5°，流失量增加75%～80%[26]，TP较CK地面坡度小4.1°。

2.3.2TP处理减流、减沙效应随量的增加而下降TP处理在9～12、1～2、7～8、3～6月的月径流量均值分别为1.5、5.1、16.9、43.5 mm，依次增加，减流效应均值分别为75.4%、65.7%、51.3%、44.6%，依次下降；月泥沙流失量分别为0、0.06、0.21、0.40 t/hm2，依次增加，减沙效应均值分别为100%、83.4%、76.5%、59.6%，依次下降。这与前人的研究结果相反，其原因可能是试验地点不同所致，前人的研究在干旱和半干旱地区。

2.4复式保护性耕作作物增产明显

复式保护性耕作(TP)、保护性种植(PP)、保护性耕作(PT)、常规耕作(CK)处理4年中玉米、油菜测产结果见表5。

TP处理玉米、油菜产量分别为5002.5、3033.0 kg/hm2，较PP、PT、CK等3处理平均产量增产557.5、309.5 kg/hm2，分别增产12.8%、11.5%。经t值检验，差异达极显著水平。对各保护性耕作的大量文献进行统计，对作物产量的影响大部分是增产或平产，平均增产幅度为12.51%，其中小麦为8.98%、水稻为6.23%、玉米为15.88%[23]。本试验上述介绍了复式保护性耕作土壤养分含量提高，土壤水分条件改善，水土流失减轻，即作物生长的立地条件明显改善；改善的立地条件，势必会反映到作物产量构成因素指标上来。

表5　不同处理作物产量的比较

2.5复式保护性耕作经济效益明显提高

复式保护性耕作(TP)、保护性种植(PP)、保护性耕作(PT)、常规耕作(CK)处理各项经济效益指标见表6。

从表6可知，TP处理作物产量较CK增加18.7%，因而产出高4499.4元/hm2，而投入因免耕而少用工折款为4500元/hm2，故经济效益明显提高，由1.57提高到2.59，高1.02，即每投入1元钱比CK多收入1.02元。

表6　不同处理经济效益差异

3结论与讨论

本研究首次探索了复式保护性耕作对南方红壤坡耕地有明显的生态效应和经济效应。TP与CK比较，耕层有机质提高10.2 g/kg，由轻度缺乏上升为丰富(国家土壤养分分级标准)；土壤含水率提高3.7个百分点；减少泥沙流失量96.7%，年侵蚀量为2.15 t/hm2，接近红壤旱耕地允许侵蚀量值1.8 t/hm2。由于水土流失得到控制，因而TP与CK比较，玉米增产688.5～976.5 kg/hm2，油菜增产387.0～474.0 kg/hm2，增加产值4499.4元/hm2，投入产出比由1∶1.57上升为1∶2.59。

复式保护性耕作(TP)技术的关键：一是等高种植，二是铺覆盖物，这两项措施方法简单，群众易于掌握，因此，值得应用推广。

试验过程中发现:TP处理提高土壤含水量的效应随土层深度增加而递减；TP处理减流、减沙效应随量的增加而下降。为了充分发挥复式保护性耕作的保水、保土、保肥效应，实施该技术时，一是畦面应尽量做到等高，最好在厢沟内间3～5 m筑一土埂；二是覆盖物要做到雨后勤检查，及时用切成长10 cm左右的稻草补盖。

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(责任编辑：曾小军)

Effect Test for Duplex Conservation Tillage in Red Soil Slope Farmland

WEI Xiao1, LI hong1, SU Chang-gui1, GAO Geng-he2, XIE Ting-sheng1*

(1. Hunan Institute of Economic Geography, Changsha 410004, China; 2. Resource and Environmental College, University of Finance and Law of Henan, Zhengzhou 450046, China)

Abstract：Aiming at the seasonal drought and serious soil erosion problem in subtropical red soil slope farmland, by proceeding the slope runoff plot test, performed a research about influence of red soil sloping duplex conservation tillage(TP) in Paogong village, Hengnan county, Hunan province from 2010 to 2014. The results showed that: compared with regular farming, the soil organic matter increased 10.2 g/kg from mildly deficient to rich level, the soil moisture increased 3.7%; the sediment loss decreased 96.7%, and the annual erosion 2.15 t/hm2, which was close to 1.8 t/hm2of the erosion magnitude allowance in slope cultivated land of red soil, The corn yield increased 835.5 kg/hm2and rape yield increased 432.0 kg/hm2, the output value increased 4499.4 yuan/hm2, and the input-output ratio increased from 1.57 to 2.59, the return on investment increased 65%.

Key words：Red soil; Slope farmland; Duplex conservation tillage; Effect

中图分类号：S157.2

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)02-0012-05

作者简介：魏晓(1961─)，女，湖南长沙人，研究员，硕士生导师，主要从事地理与土地资源利用研究。*通讯作者：谢庭生。

基金项目：国家自然科学基金项目(41271192)；湖南省科技支撑计划项目(2009T4013)。

收稿日期：2015-07-20