辽西地区不同耕作措施下的保水保土效应分析

王 慧

(喀左县水利局，辽宁 朝阳 122300)

一直以来，顺坡垄作改横坡垄作是辽西地区坡耕地保护的主要措施，该措施对于降低坡耕地水土流失程度发挥着积极作用，然而受高低起伏的微地形变化影响难以保证横坡垄全部都是绝对等高的，等高线与垄作方向间具有一定的夹角，即垄向坡度。强降雨条件下雨水沿垄沟汇流至低洼水线处，并进一步发展成细沟侵蚀，从而引起坡耕地土壤生产力下降，肥力减弱以及水土流失等问题[1]。目前，保护性耕作措施已被广泛应用于我国黑土区、棕壤区、红壤区和黄土区等，实际工程中其水保效益显著。因此，保护性耕作技术模式的应用是实现农业高效发展以及耕地保护的必然选择[2-4]。

目前，如何有效控制坡耕地土壤侵蚀、优化传统耕作方式以及制定行之有效的耕作措施等已成为领域内研究的热点。鉴于此，文章将略低于垄背的土档每隔一段距离布设于垄沟内，垄沟被土档隔成能够拦蓄雨水、存贮降水的一节一节的浅坑，将其称为起垄栽培[5-7]。通过观测或测定不同耕作措施下的泥沙量、径流量以及各小区内土壤理化性质，系统地评价不同耕作措施的固土保水能力及其水土保持效益，并揭示了保护性耕作措施对坡耕地水土流失的防治机理，旨在为辽西低山丘陵区坡耕地保护提供科学依据和指导。

1 研究方法

1.1 试验区概况

该试验区的农用耕地多集中于坡耕地，沟壑分布广且坡面长、坡度大，严重的土壤侵蚀导致坡耕地土层不断变薄，初垦时土壤厚度可以达到150-180cm，开垦20a则减少到120-160cm，开垦40a减少至100-120cm，开垦50-70a只剩下60-80cm。试验区现耕种的坡耕地60%以上分布于坡度8°左右的坡面上，坡耕地坡度全部≤15°，并且大多数完成横坡垄改造，然而受微地形影响尚存在横坡垄不等高的问题，局部坡耕地已形成细沟甚至较深的侵蚀沟[8-10]。

1.2 方案设计

选择坡度8°的坡耕地布设四个宽5m、长20m的试验小区，各试验小区分别用不同措施处理，如表1所示。

径流泥沙收集池建于每个小区的坡底，并将0.5m隔离带布设在C、D小区，2018年春开始整地播种玉米，保持各试验小区的基肥用量相等，在中耕结束后对起垄栽培小区修筑土档，并对泥沙量和径流量进行监测，以径流深(mm)作为径流量。试验于2020年秋收后和2018年春播前采集各小区10-20cm、0-10cm土层试样，为了保证测试精度各小区重复取样3次，起垄栽培模式如图1所示。其中，“α”、“θ”为垄向坡度和地面坡度；“H”、“W”为土档顶部厚度和土档高度[11-13]。

表1 试验方案设计

1.3 试验方法

实际上，短历时降雨量是坡耕地产生水土流失的重要参数，通过查阅有关资料确定坡耕地不同坡度与档距关系的经验公式，在此基础上明确坡耕地起垄栽培的最佳土档档距。根据试验区坡耕地垄体立体形状确定垄沟中土档横截面为梯形，垄体高度15cm，相邻垄的间距取60cm，土档高度要低于垄体高度以保护垄台不被水冲垮，所以土档顶部宽度和高度均为15cm，垄背与土档可以构成闭合的浅坑体如图2所示。

将浅坑体分解成一个中间的锲形体(空白区)和两侧的三角椎体(阴影区)，然后利用立体几何计算三角椎体和锲形的体积，在此基础上推出计算浅坑贮水容积V的公式，具体如下：

V=11H2/tanα-11tanα(H/tanα-L+W)2+
0.285H3/tanα-0.285tan2(H/tanα-L+W)3-
(11H2+0.472H)

(1)

式中：L为相邻土档的间距，cm，其他字母含义同上。L>H/tanα条件下，浅坑下部土档与靠下部分水面持平，土档上部无贮水层；L/H/tanα条件下，浅坑下端水层较深而上端水层极浅，即每个浅坑表面被贮水层完全覆盖，该条件下的土档距离就是最大档距；L

Vmax=V×L0/L

(2)

式中：L0、Vmax为100m垄长及其最大贮水容量。经模拟计算确定V值与档距L值在不同垄向坡度条件下的变化特征，不同坡度α值都有唯一的峰值V与其对应，该条件下的档距V就是最佳档距。根据不同坡度下(0.5°-15°)计算机模拟出的最佳档距L1值，采用SPSS软件分析确定回归方程，即：

L1=168α-0.5

(3)

图2 浅坑示意图

各垄向坡度的最佳档距利用该回归方程计算确定，考虑到坡耕地主要集中于8°坡上，故在8°坡耕地上布设各试验小区，并进一步分析横坡起垄栽培和顺坡起垄栽培两种措施的水保效应。起垄栽培Ⅰ和起垄栽培Ⅱ的垄向坡度为8°、4°，最佳档距为0.4m、0.8m。

由于各高校实际情况的不同，实验班体制的设定也有很大差异。根据具体高校的教育资源和师资力量的不同，实验班的开展主要采取具体的实体班级制度或虚拟班级制度。以湖南大学为例，实体班级制度与前文的实验班的开展略有差别，由学生所在院系和合作院系共同管理，与前文实验班的管理模式差别不大不作赘述；其中虚拟班级制度则是在学生入校之初便按照所报专业作为主专业进入院系学习，由主专业所在院系教学。学生的课程学习则是按照个人倾向的第二专业，由第二专业所在的院系负责课程方案的设定。

各试验小区的泥沙含量、径流量、降雨时间和降雨量利用径流泥沙仪自动测定，土壤含水率利用土壤环境测定仪TZS-ECW测定，土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质利用碱解扩散法、抗比色法、火焰光度计法和重铬酸钾容量法测定，利用SPSS10.0分析试验数据[17]。

2 结果与分析

2.1 起垄栽培承雨能力分析

瞬时雨率是降雨引起土壤侵蚀的关键因素，在不产生径流的情况下起垄栽培可以承受多大瞬时雨率是利用起垄栽培保持水土的限制条件。对于小型蓄排引水工程的暴雨径流设计《水土保持综合治理技术规范》明确规定，即以10a一遇24h最大雨量作为暴雨防御标准，由于试验过程中主要分析短历时降雨量，所以选择10a一遇20min降雨量(20.16mm)计算各垄向坡度的最佳和最大档距承雨能力，其计算公式为：

M=V/Vd

(4)

式中：Vd=K×S、S=L×F、Q=M×K；M为承受最大雨量的时间(min)；Vd为单位时间最大积水量，cm3/min；V为单个浅坑容水体积，cm3；S为积水面积(cm2)、F为垄间距，cm；K为10a一遇20min最大雨量；Q为可拦蓄雨量，mm，计算结果如表2所示。

表2 不同垄向坡度的最大和最佳档距承雨能力

由表2可知，地面坡度达到15°时，虽然最大与最佳档距相差7cm，但是承受最大雨量时间、可拦蓄降雨量以及单位面积贮水容积基本一致，依次为11.0min、12mm和1.30/m3；地面坡度处于11°-13°范围时，各坡度的最佳和最大档距拦蓄降雨能力相差较少，承受最大雨量时间、可拦蓄降雨量和单位面积贮水容积差值均<1；地面坡度为9°时，最大和最佳档距可承受最大降雨量时间相差1.47min；地面坡度<9°时，最大和最佳档距拦蓄降雨量差值随着垄向坡度的减小逐渐增大，其差值幅度也更加明显，最大与最佳档距拦蓄降雨能力随着垄向坡度的减少而逐渐增强，两者的差距也不断增加。例如，地面坡度为5°时，最大档距较最佳档距可拦蓄降雨量减少7.95mm，而地面坡度为0.5°时，最大档距较最佳档距拦蓄降雨量减少26.07mm。因此，在坡度相同且<9°的情况下，起垄栽培最大档距远远低于最佳档距承受瞬时雨率能力，最佳档距形成的浅坑承受暴雨时间更长及其可拦蓄降雨量更多。

2.2 不同耕作措施的保水保土效应

考虑单次降雨情况分析不同耕作措施水土保持效益，2019年某场次降雨量为96.5mm，最大雨强和平均雨强达到52.60mm/h、24.17mm/h，降雨历时225min，降雨后各小区的土档都没有被冲毁，0-10cm、10-20cm土层土壤降雨前含水率测定值31.5%、33.2%，产流产沙情况如表3所示。

表3 不同耕作措施下的产流产沙量

对于次降雨径流量和产沙量，横坡耕作、起垄栽培Ⅰ、起垄栽培Ⅱ为顺坡耕作的51.5%、48.5%、22.7%和51.2%、50.8%、24.4%。对于次降雨径流量和产沙量，起垄栽培Ⅰ为顺坡耕作的48.5%和50.8%，起垄栽培Ⅱ为横坡耕作的41.2%和47.7%，起垄栽培Ⅱ为起垄栽培Ⅰ的43.8%和48.0%。研究发现，产流产沙量最小、最大的是起垄栽培Ⅱ和顺坡耕作措施，起垄栽培Ⅱ的产流产沙量均<起垄栽培Ⅰ，表明垄向坡度越小则可拦蓄降雨能力越高，其引起的土壤侵蚀量和降雨径流量就越小。

通过分析产流时间发现，横坡耕作、起垄栽培Ⅰ、起垄栽培Ⅱ的产流起始时间相对顺坡耕作分别延迟30min、38min、70min。起垄栽培Ⅱ的产流起始时间较横坡耕作和起垄栽培Ⅰ延长40min、32min，起垄栽培Ⅰ的产流起始时间较顺坡耕作延长38min。因此，在垄沟内修筑土档能够有效减少径流冲刷和土壤水蚀作用，通过拦蓄降水和增大入渗等方式使得产流起始时间在一定程度上得以延迟。将起垄栽培Ⅰ和起垄栽培Ⅱ相比较，垄向坡度大的要低于垄向坡度小的单位面积贮水容积，所以在降雨量、降雨时间相同的条件下，起垄栽培Ⅱ能够明显延迟产流时间，承受更大的降雨以及蓄积更多的降水。

根据不同耕作措施下的单次降雨产沙量、径流量和产流时间可知，产流起始时间最晚、土壤侵蚀量和径流量最少的是垄向坡度较小起垄栽培Ⅱ，因此水土保持效果最显著的是起垄栽培Ⅱ。深入分析原因，垄沟内修筑土档使得坡耕地的微地形发生改变，这既缓解了强降水与土壤低入渗之间的矛盾，还能有效拦蓄降水以及减少产沙量、径流量；此外，垄沟浅坑内汇集了被拦蓄的雨水，由此形成的水层有利于减轻雨滴对土壤的击打作用，从而发挥着保护土壤结构和蓄水保土的作用。

2.3 不同耕作措施下的土壤养分

文章差值分析了2020年和2016年(基准年)的养分数据，以百分比的形式反映不同耕作措施对土壤养分的影响，如图3所示。其中，数据的“正”、“负”代表土壤养分量的增加和减少。

(a)0-10cm土层

(b)10-20cm土层

从图3可以看出，0-20cm土层顺坡耕作各数值为负，起垄栽培Ⅱ各数据均为正，横坡耕作和起垄栽培Ⅰ除碱解氮外各数据均为正。较起垄栽培Ⅰ、横坡耕作、顺坡垄作，起垄栽培Ⅱ各土层土壤的速效钾、速效磷、碱解氮、有机质含量均较高。

由图3可知，0-10cm土层顺坡耕作速效钾、速效磷、碱解氮、有机质含量依次减少7.78%、10.34%、25.12%、8.15%；0-10cm土层横坡耕作速效钾、速效磷、有机质含量依次增大3.57%、10.26%、1.85%，碱解氮减少了12.67%；0-10cm土层起垄栽培Ⅰ速效钾、速效磷、有机质含量依次增大19.28%、8.52%、7.06%，碱解氮减少了7.35%；0-10cm土层起垄栽培Ⅱ速效钾、速效磷、碱解氮、有机质含量依次增大28.73%、20.07%、4.81%、12.25%。10-20cm土层不同耕作措施的土壤养分量变化规律与0-10cm土层相似。

研究认为，土壤速效钾、速效磷、碱解氮、有机质含量最高和最低的是起垄栽培Ⅱ以及顺坡耕作；0-20cm土层起垄栽培Ⅰ的土壤速效钾、速效磷、碱解氮、有机质平均量较顺坡耕作处理依次提高36.10%、17.89%、13.14%、14.57%；0-20cm土层起垄栽培Ⅱ的土壤速效钾、速效磷、碱解氮、有机质平均量较横坡耕作处理依次提高22.83%、16.19%、12.24%、6.80%；0-20cm土层起垄栽培Ⅱ的土壤速效钾、速效磷、碱解氮、有机质平均量较起垄栽培Ⅰ处理依次提高6.84%、18.16%、8.99%、5.47%。保肥效果最明显的是垄向坡度较小的起垄栽培Ⅱ处理，较其他耕作措施起垄栽培Ⅱ的土壤养分量较高。垄沟内土档能够有效拦蓄雨水，在很大程度上抑制雨水顺垄流下并发展形成大股径流冲刷，减少土壤和泥沙中养分的流失，所以起垄栽培Ⅱ的保肥作用最为明显。

3 结 论

1)最大和最佳档距拦蓄降雨能力均随着垄向坡度的增加而降低，并且垄向坡度越高最大与最佳档距拦蓄降雨能力的差距不断减少。不同耕作措施保持水土的能力存在一定差异，保水保土效应最优的是起垄栽培Ⅱ，其产流产沙量最少且产流起始时间最晚，其他耕作措施起垄栽培Ⅱ的土壤养分量相对较高。

2)起垄栽培Ⅱ的产流起始时间较横坡耕作延长40min，对于次降雨径流量和产沙量，起垄栽培Ⅱ为横坡耕作的41.2%和47.7%；0-20cm土层起垄栽培Ⅱ的土壤速效钾、速效磷、碱解氮、有机质平均量较横坡耕作处理依次提高22.83%、16.19%、12.24%、6.80%；起垄栽培Ⅰ与顺坡耕作相比产流产沙量有所减少，但高于起垄栽培Ⅱ。