等高反坡台阶整地对坡耕地农田耗水及水量平衡的影响

闫腾云, 王克勤, 赵洋毅, 冷 鹏, 陈 宇, 张 洋

(1.西南林业大学 生态与环境学院, 昆明 650224; 2.云南省水土保持生态环境监测总站, 昆明 650106)

坡耕地因多位于山区丘陵地带且耕层浅、水土流失严重等特点，其蓄水保土保肥的管理难度更大[1-2]，水土流失是影响坡耕地土壤肥力下降的主要因素，水是坡耕地肥料保护的关键，将直接影响作物产量的高低[3-4]。目前，红壤坡耕地的水土保持措施，种类很多[5-6]，但由于这些措施工程量大，造价高、劳动力短缺，云南省内地理条件复杂等问题，大面积普及推广使用的难度较大[7-8]，应全面评价适用性的基础上，抓住坡耕地改造的主因，以提高坡耕地土壤肥力的关键因子——水分为前提，实施科学合理的措施[9-11]提升土壤的肥力。等高反坡阶简易且更为实用，有合理用水和提高水分的利用效率的效果，是蓄水保土的重要农业措施，在西南红壤区有广泛的使用。

已有研究证实[12-14]，整地类型能够调整土壤蒸发和降雨、土壤水分变化量的比例关系而改变水分利用效率。前期大量研究已证实，等高反坡台阶整地在山区坡耕地能有效控制、拦截地表径流，减少泥沙输出，对土壤养分流失和面源污染控制具有重要作用，且其具有更适合西南土石山区坡耕地治理的显著特点[15]。已有研究报道多集中在等高反坡阶对泥沙中的氮、磷消减率呈现出提高的趋势[16]，等高反坡阶不仅具有较强拦蓄地表径流，保墒保水的功能，而且导致地表径流量与土壤流失量均相应减少。关于不同整地方式对作物耗水及水量平衡的影响，国内外学者已开展了一些研究工作。刘晓燕等[17]研究了整地措施可以提升土壤水分的含量，促进作物的生长；康玲玲[18]和韩晓阳[19]等研究发现，梯田有拦截泥沙的作用，可以有效减少水土流失。根据前人的研究，作物的耗水过程受到农作物类型及试验地的气候条件影响较大。在前人研究的基础上，针对等高反坡阶红壤农田水量平衡还鲜有研究。

由于等高反坡阶对土壤蒸发和作物蒸腾有不同的影响，因此需要采用合适的模型来分析等高反坡阶条件下的蒸发和蒸腾。常用的双源蒸散发模型包括分层模型、分块模型，但是前两种模型比较复杂，计算时需要参数比较多，FAO推荐的双作物系数法作为一种能有效计算土壤蒸发和作物蒸腾的方法，计算方法简单，需要参数较少，并被证明是一种有效的估算方法[16]。

云南具有干湿季明显，气候独特且雨季较集中、雨量较大的特点，作物耗水过程和水分利用受气候因素及地形条件等影响显著，因此，针对红壤坡耕地实施等高反坡台阶措施下的作物和土壤蒸发以及农田水量平衡研究，在相应的措施影响下，进一步了解作物水分利用结构及规律，以期探讨农田作物产量的增加与耗水规律的关系。本文使用双作物系数法及农田水量平衡模型研究等高反坡阶对作物耗水量、耗水结构以及农田水量平衡特征的影响，以期为坡耕地水土保持提供技术支撑和促进农业生产提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市松华坝水源区迤者小流域，地理坐标为24°14′43″—25°12′48″N，102°48′37″—102°44′51″E该流域为滇池水系盘龙江一级支流源头区，流域总面积21.56 km2，属于低纬度高原山地季风气候，海拔为2 010～2 590 m，年均气温13.8℃，5—10月为雨季，降雨量平均为512 mm。该流域是典型的农业小流域，该区域内为红壤，耕地面积约占25%，主要以坡耕地为主，种植农作物为烤烟、大豆、玉米、马铃薯等。

1.2 试验设计

田间试验于2017—2018年玉米生长期进行，总生育期为120 d，播种前田间初始水分含量接近田间持水量，能够满足玉米种子发芽和出苗的水分需求。

试验点选自昆明市松华坝水源区迤者小流域水土保持监测站，监测站内有3块坡耕地标准径流小区(图1A)，坡度均为15°，分别编号为1#，2#，3#，其中2#，3#小区布设有2个反坡台阶，均位于同一斜坡上，1#小区为原始坡耕地，土壤为红壤。反坡台阶为5°，阶宽1.2 m(图1B)，2条反坡台阶之间距离为7.5 m，3个小区的主要作物为玉米。试验地基本情况见表1。

图1 径流小区平面示意图及反坡台阶剖面示意图

表1 试验地基本概况

通过已标定过的MiniTrase-6050X3时域反射仪(美国Soilmoisture公司生产TDR)在标准小区样地的上、中、下位置按土壤0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm测定土壤的体积含水率，每月月初和月末测定2次，遇到降雨时在雨后实施加测。距离样地23 m的空旷地已布设有Envidata-thies全自动野外固定气象站，能够实时监测降雨量、风速、风向、辐射、气温、气压、相对湿度等气象数据，能够满足试验的需要。研究期间的降雨量如图2所示。

图2 2017年、2018年5-9月试验区降雨量

1.3 双作物系数法

综合作物系数Kc可以表示为作物蒸散量与参考作物蒸散量的比值，本研究采用FAO-56推荐的双作物系数法[19]，可表示为

ET=Kc·ETo

(1)

ET=(Kcb+Ke)ETo

(2)

式中：ETo为参考作物需水量；Kc为综合作物系数；Kcb为基础作物系数；Ke为土壤蒸发系数。

本文采用标准化的FAO Penman-Monteith公式：

(3)

式中：ETo为参考作物需水量(mm/d);Rn为作物表面的净辐射量[MJ/(m2·d)];G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；T为平均气温(℃)；U2为2 m高处的平均风速(m/s)；ex为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/℃);γ为干湿表常数(kPa/℃)。

1.4 基础作物系数的确定

FAO-56通常将作物生长期分为4个时期，分别为初期、发育期、中期以及后期，当2 m高的平均风速不等于2 m/s时，且基础作物系数大于0.45时，必须根据空气湿度、2 m高的风速及作物高度进行一定的调整。

(4)

式中：Kcb(tab)为一定条件下的中期或后期的标准基础作物系数；u2为2 m高处的日平均风速(m/s)；RHmin为日平均最小相对湿度(%)；h为对应生长阶段内作物的平均高度(m)。以上参数中，Kcb(tab)可以利用FAO-56的推荐值，最小相对湿度及2 m高处的日平均时速可以由小型气象站得知，株高用手工测量。

1.5 土壤蒸发系数的确定

Ke是土壤蒸发部分。在降雨之后，土壤表层会相对湿润，此时Ke可达到最大值，随着土壤水分的消退，土壤蒸发量也会减少，甚至降至为0，一般土壤蒸发可以表示为：

Ke=Kr(Kcmax-Kcb)≤fewKcmax

(5)

式中：Kcmax为降雨后作物系数的最大值；Kr为土壤蒸发衰减系数；few为蒸发的土壤和全部土壤的比例。

FAO-56推荐的Kcmax计算方法为：

(6)

一般认为，土壤蒸发初始阶段内，由于充足的降雨水分，蒸发衰减系数Kr取为1；土壤蒸发消退阶段内，Kr需要根据土壤表层的每日水量平衡进行计算，可表示为：

(7)

式中：De,i-1为累积蒸发深度(mm)；TEW为土壤表层的可蒸发深度(mm)；REW为土壤表面易蒸发的水量(mm)。当De,i-1不超过易蒸发深度REW时，即为土壤蒸发的第1阶段，Kr=1；当De,i-1达到TEW时，Kr=0。

土壤蒸发的有效部分few的取值随着作物的生长，作物覆盖率fc逐渐增大，土壤的蒸发面积比例1-fc会逐渐减小。而对于试验地的土壤，few可表示为：

few=min(1-fc,fw)

(8)

本次试验中采用降雨的方式灌溉，因此各个样地fw设置为1。

1.6 水量平衡

农田水量平衡是任意时段内，来水量和出水量的结算。程立平等[14]对农田水量平衡模型中的降雨量、径流量、土壤水分变化量及蒸散发量等要素的相互关系进行了论述。聂晓等[15-16]通过三江平原寒地稻田的农田水量平衡模型，证实了土壤水分对水稻产量的影响。本次研究中使用的田间水量平衡模型将农田水分变化以土壤水分变化量的形式表示出来。农田水量平衡方程的表达式为：

ΔS=P-R-ET-Q

(9)

式中：ΔS为耕地蓄水量；P为降雨量；R为径流量；ET为蒸散量；Q为根系层底部水分交换量。

农田中的根系层底部水分交换量多用经验公式进行计算，即

Q=a(W/Wf)d(W-Wc)

(10)

式中：a，d为经验参数；Wf为根系层田间持水量(mm)；Wc为根系层底部水分交换的临界储水量，主要受土壤性质和地下水深影响。

2 结果与分析

2.1 土壤水分变化

通过对2017—2018年作物生长期间试验地土壤体积含水率连续测定可知(图3)，坡耕地布设反坡台阶后，0—40 cm各个土层的土壤水分均大于未布设的坡耕地。同一试验地中土壤水分量在不同的深度也存在一定的差异，其中以0—10 cm土层的最大，随着土层的加深呈现逐渐减少的趋势，降雨对表层土壤平均含水量有一定的影响，但对深层土壤影响不大。反坡台阶对各层次土壤水分的增加效果显著，这表明反坡台阶措施对土壤水分的增加和保持具有较好的作用。

图3 2017-2018年土壤水分变化规律

2.2 作物耗水过程分析

1#，2#，3#的玉米在不同的生长阶段时长有所差异(表2)，表明等高反坡阶能缩短玉米的初期生长天数，延长中期生长天数。作物各阶段的供水、耗水量及每日耗水量见表3。

表2 玉米各生长阶段时长 d

布设等高反坡阶后，玉米的总耗水量降低。研究发现1#，2#，3#作物的耗水量呈现显著差异(p<0.05)，2#，3#的坡耕地耗水普遍偏低，在2017年、2018年分别减少11.8%，9.7%，9.8%，7.5%，因此，本次试验中，等高反坡台阶起到了较好的蓄水、节水的效果。

布设等高反坡阶条件下，两年的初期阶段的供水完全满足耗水需求；发育阶段，供水略大于耗水，中期阶段作物的供水能满足耗水，后期阶段同中期阶段相似。基于2#，3#来看，供水基本满足作物的耗水。而未布设的试验地，两年的1#坡耕地供水不足主要出现在初期，发育期、中期、后期的供需关系和2#，3#的相似，相比于布设的作物，未布设条件下在前期供水不足的情况更加严重。

表3 玉米生长期供水量、耗水量及每日耗水量 mm

注：表内不同小写字母表示差异达到0.05的显著水平，下表同。

根据试验结果，作物在前期耗水速率最低，1#作物耗水速率为2.46，2.71 mm/d，2#，3#的作物耗水速率分别为0.97，1.03，1.09，1.17 mm/d，2#，3#的玉米的耗水速率相对减少60.6%，62%，58.1%，56.8%。发育期2#，3#，1#的玉米耗水速率及耗水量接近。在中期，2#，3#，1#的蒸散发速率达到或者接近峰值，所有样地蒸散发速率为4.36～5.46 mm/d。后期2#，3#，1#的玉米耗水量为63.75～83.56 mm，样地的耗水速率在2.90～5.35 mm/d。以2#，3#两个处理对比为例，2017年作物各个生长时期的耗水量和耗水速率变化过程一致，然而，随着降雨量的增加，中后期的耗水量受到较大的影响，耗水量及耗水速率分别增加了7.95～41.84 mm及0.7～0.94 mm/d。

2.3 作物蒸腾及土壤蒸发比较

1#，2#，3#样地的蒸发E、蒸腾T见表4。2#，3#的E和T分别为108～135.68 mm，240～255 mm，1#的E和T分别是240，248，160.4，171.92 mm，研究发现1#，2#，3#的E和T呈现显著差异(p<0.05)。等高反坡阶可以有效减少作物土壤蒸发量，增加作物蒸腾量。2017年、2018年1#的作物蒸腾量占总耗水的39.7%，40.9%，2#，3#的T/ET分别为69.7%，64.4%，68.2%，65.1%，相对于1#提高了28.7%～30.1%。所以，等高反坡阶提高了全发育期的作物蒸腾比例。

表4 2017-2018年布设和未布设等高反坡阶处理下土壤蒸发量和作物蒸腾

2.4 作物系数比较

图4比较了1#和2#样地的玉米基础作物系数与土壤蒸发系数。经过公式(4)调整后，2017年1#的初期、中期、后期基础作物系数分别为0.13，1.03，0.46，2#的基础作物系数分别为0.16，1.15，0.5，2018年1#的初期、中期、后期基础作物系数分别为0.15，1.13，0.48，2#的基础作物系数分别为0.19，1.19，0.55(图4A)，布设条件下，基础作物系数在各个阶段都有所提高，且布设措施的样地生长后期作物系数降低缓慢，说明布设反坡阶措施后能够延长作物的结果实时间，有利于提高作物产量。本次试验中，2017年、2018年2#的玉米提前6 d左右进入发育期；在中期，2#的玉米保持更久的旺盛时期，相对于1#延长了近10 d左右。2017年、2018年等高反坡阶能够有效降低土壤蒸发系数Ke，并使Ke相对平稳(图4B)。

图4 基础作物系数及土壤蒸发系数

从图4B可以看出，等高反坡阶可以有效地减少土壤蒸发，并且使土壤蒸发系数相对稳定。多数时候，布设的样地土壤蒸发系数比较小，尤其在前期、发育期和后期，土壤蒸发系数明显降低。布设和未布设样地最大土壤蒸发系数分别为0.89，1.23，等高反坡阶条件下相对下降27.6%。

2.5 农田水量平衡分析

农田水量平衡因子中的土壤水分变化情况见表5。由于试验地没有进行灌溉处理，所以试验地的所有水分供应量来源为降雨。从表中可以看出，除去初始和最后的土壤水分变化，得到的土壤水分利用量以及根系层底部水分交换量，2#，3#样地大于1#样地，说明等高反坡阶能在一定程度上提高土壤水分的利用效率。

3 讨 论

3.1 等高反坡阶对作物耗水总量的影响

已有研究表明，整地措施对农田作物耗水总量的研究中，多数试验发现整地措施可以减少作物的蒸腾量，改善土壤水分条件，增加作物的产量[18]，彭正凯等[8]发现不同的耕作措施能减少土壤的蒸发和作物的耗水量。本次试验中，等高反坡阶可以降低作物7%～12%的耗水，与前人研究一致。但是也有部分学者指出，不同的整地措施可能会造成更大的耗水，赵引等[9]发现覆膜使作物有了更大的叶面积指数，增加作物的蒸腾量。本次试验中，等高反坡阶减少了土壤的蒸发量和耗水量，但在不同的地区，布设等高反坡阶的作物可能增加蒸腾量和耗水量。因此需要在不同的地区对等高反坡阶是否能减少作物的总耗水量进行进一步的研究。

表5 2017-2018年农田水量平衡分析结果 mm

3.2 等高反坡阶对作物耗水过程的影响

目前，作物的耗水过程呈现先增加后减少的趋势，曹艳等[2]研究发现，整地措施可以使土壤前期储存更多的水分，供作物生长利用。本次研究中，作物的耗水量及每日耗水量呈现先增加后减少的趋势，与前人研究一致。对全生育期供水及耗水关系的分析可以看出，布设的作物水分供应充足，未布设的作物水分不足主要出现在前期，前期供水不足更有可能影响未布设的样地作物，导致产量下降。

3.3 等高反坡阶对作物耗水结构和土壤水分的影响

国内大多学者研究发现，整地措施可以有效减少土壤蒸发。曹雪[4]研究发现不同的整地措施能降低土壤蒸发，提升土壤水分。由表4可以看出，等高反坡阶增加了作物的蒸腾量(80～95 mm)，且显著提升作物的蒸腾比例(28.8%～30%)，此外，土壤蒸发受等高反坡阶的影响比较大，这是由于等高反坡阶促进作物的生长，减少土壤的蒸发，因此，可以减少土壤的蒸发量和增加作物的蒸腾比例。基于图3，可以发现坡耕地布设反坡台阶后，0—40 cm各个深度处土壤水分量大于未布设的坡耕地。反坡台阶对各层次土壤水分的增加效果显著，这表明反坡台阶对土壤水分的增加有一定的作用。

3.4 等高反坡阶对作物系数和生育期的影响

基于图4A，可发现本次研究得到的基础作物系数中，未布设样地的作物系数小于布设的基础系数。就等高反坡阶对作物的全生育期来看，本次研究中等高反坡阶促使玉米更早进入发育期，中期延长了生长阶段，延缓了后期的生长周期，进而可以提升玉米的产量，这是由于等高反坡阶导致的差异性。本研究中的参数在2017年、2018年得到很好的验证，还需要进行更多的研究，证明该研究的适用性。

4 结 论

长期布设等高反坡阶可有效减少作物的7%～12%的耗水，改善作物的耗水结构。从2017—2018年全生育期供水及耗水关系研究可知，两年的初期阶段的供水完全满足耗水需求；发育阶段，供水略大于耗水，中期阶段作物的供水能满足耗水，后期阶段同中期阶段相似。等高反坡阶措施可以有效增加作物的蒸腾量，减少土壤的蒸散发，且能够显著增加作物的蒸腾比例，提高土壤水分含量，更好地促进作物的生长。布设等高反坡台阶措施下，基础作物系数在各个生长阶段都有所提高，且布设有措施的试验地后期作物系数降低缓慢，说明等高反坡阶能促使玉米更早进入发育期，延长了生长中、后期的结实时间，有利于提高产量。因此，等高反坡台阶措施不仅能有效地减少坡耕地土壤水分的流失，且能较好的改善作物的用水结构，为坡耕地水土保持和提高产量提供有效帮助。