生物炭施加垄沟集雨种植对水土流失及紫花苜蓿草产量的影响

朱进辉 赵武成 Erastus Mak-Mensah 王琦 张登奎 周旭姣 赵晓乐 戚文佳 马文 崔循臻 李旭春 刘冰

摘要：為缓解我国黄土高原区干旱胁迫和控制水土流失，本研究采用裂区设计，生物炭施加模式（生物炭施加和无生物炭施加） 为主区，耕作模式（打结垄、开敞垄和平作） 为副区，研究不同生物炭施加模式和耕作模式对土壤水分、径流、泥沙流失、养分流失、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）干草产量和水分利用效率的影响。试验结果表明，在2019和2020年紫花苜蓿生育期，与平作处理相比，开敞垄和打结垄处理的径流量、泥沙、全氮、全磷、有机质流失量分别减少20.1%～37.7%和60.1%～64.7%，54%～75.5%和77.1%～87.6%，44.4%～65.5%和49.0%～81.8%，36.7%～75.3%和48.6%～87.3%，48.2%～72.9%和58.6%～85.4%，土壤贮水量、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率分别增加39.5～52.1和31.2～60.5 mm，26.2%～31.7%和26.5%～35.2%，10.07～14.86和12.14～16.55 kg·hm-2·mm-1。与无生物炭施加处理相比，生物炭施加处理的径流量、泥沙、全氮、全磷和有机质流失量分别减少48%～69%，94%～125%，12%～24%，28%～46%和35%～48%，土壤贮水量、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率分别增加42.93～26.09 mm，106%～111% 和1.96～6.90 kg·hm-2·mm-1。本研究表明，生物炭施加打结垄沟集雨种植是该区域适宜耕作模式。

关键词：生物炭添加模式；耕作模式；径流；水土流失；养分流失；坡地

中图分类号：S541+.4    文献标识码：A     文章编号：1007-0435（2024）05-1314-13

Effects of Biochar Application and Ridge-furrow Rainwater Harvesting on Soil

Erosion Control and Alfalfa Fodder Yield

ZHU Jin-hui1， ZHAO Wu-cheng1， ERASTUS Mak-Mensah1， WANG Qi1*， ZHANG Deng-kui1，

ZHOU Xu-jiao1， ZHAO Xiao-le1， QI Wen-jia1， MA Wen1， CUI Xun-zhen2，

LI Xu-chun3， LIU Bing4

（1. College of Grassland Science， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China; 2. Dingxi Hydraulic

Science Research Institute， Dingxi， Gansu Province 743000， China;3. Dingxi Institute of Soil and Water Conservation， Dingxi，

Gansu Province 743000， China;4. Linze Inland River Basin Research Station /Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River

Basin， Northwest Institute of Eco-Environment and Resources， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou， Gansu Province

730000， China）

Abstract：To mitigate drought stress and control soil erosion in the Loess Plateau in China，a field experiment was conducted by split-plot design to determine the effects of biochar application patterns and tillage practices on soil moisture，runoff，loss of sediment，nutrients，fodder yield，and water use efficiency of alfalfa. In this experiment，biochar application patterns （biochar application and no biochar application） were the main plots，and tillage practices （tied-ridging，open-ridging，and flat planting） were the split-plots. Compared to flat planting，runoff，the loss of sediment，total nitrogen，total phosphorus，and organic matter in the practices of open-ridging and tied-ridging decreased by 20.1%～37.7% and 60.1%～64.7%，54%～75.5% and 77.1%～87.6%，44.4%～65.5% and 49.0%～81.8%，36.7%～75.3% and 48.6%～87.3%，and 48.2%～72.9% and 58.6%～85.4%，respectively. Soil water storage，fodder yield，and water use efficiency of alfalfa in open-ridging and tied-ridging increased by 39.5～52.1 and 31.2～60.5 mm，26.2%～31.7% and 26.5%～35.2%，and 10.07～14.86 and 12.14～16.55 kg·hm-2·mm-1，respectively，during the alfalfa growing season in 2019 and 2020. Compared to no biochar application，runoff，the loss of sediment，total nitrogen，total phosphorus，and organic matter in biochar application decreased by 48%～69%，94%～125%，12%～24%，28%～46%，and 35%～48%，respectively，while soil water storage，fodder yield，and water use efficiency of alfalfa increased by 42.93～26.09 mm，106%～111%，and 1.96～6.90 kg·hm-2·mm-1，respectively. The tillage practice of tied-ridge-furrow rainwater harvesting combined with biochar application was found to be an effective practice for controlling soil erosion and enhancing alfalfa fodder yield in this region.

Key words：Biochar application pattern;Tillage practice;Runoff;Water loss and soil erosion;Nutrient loss;Slopping land

干旱、水土流失及极端气候严重阻碍我国半干旱黄土高原丘陵区农业可持续生产［1］。我国半干旱黄土高原丘陵区具有降水少、蒸发强烈、地形破碎、植被覆盖稀疏、栽培模式单一、地下水位较深等特点［2］，该地区农业生产主要依赖自然降雨。近些年，全球气候变暖和不合理人类活动（过度放牧、单一耕作、连作等） 加剧干旱和水土流失风险［3］。该区降雨主要集中于夏季和秋季，以长时低强度小雨（单次降雨量<5 mm）和短时高强度暴雨（单次降雨量>15 mm）为主，长时低强度小雨经常不能被作物吸收利用，短时高强度暴雨经常以径流或蒸发损失，作物吸收利用率较低［2］。同时，短时高强度暴雨易引起水土流失和养分流失，导致土壤贫瘠、板结、干燥化和土地生产力下降，进而影响农牧业可持续发展，对全球粮食安全构成威胁［4-5］。干旱失水引起土壤表层不均匀收缩，不均匀收缩导致土壤产生裂缝，土壤裂缝加剧土壤蒸发，土壤可蚀性随干旱程度和持续时间增加而增加。干旱和水土流失降低土壤有机质含量，进而降低土壤颗粒粘聚力和土壤持水力，使该地区土壤易受干旱胁迫，干旱和水土流失是我国半干旱黄土高原丘陵区最复杂和最频繁发生的自然灾害［3］。为克服水资源短缺和水土流失严重等自然灾害，有效保留田地内地表径流和改善农田土壤水状况，减缓土壤水分亏缺和提高作物产量，当地自给自足农民在田间使用各种雨水收集技术，雨水收集技术包括梯田耕作、覆盖、少免耕、垄沟集雨种植等技术。

垄沟集雨种植技术是一种有效控制水土流失和提高降水利用效率的耕作措施。垄沟集雨种植系统包括种植沟和集雨垄，集雨垄设计主要目的是产生径流，种植沟设计主要目的是汇集降雨和径流，垄沟集雨种植增加降雨垂直入渗和停留时间。集雨垄覆盖材料降低土壤表面蒸发，改善土壤水分、温度和养分条件，促进作物生长和地上干物质形成，提高作物产量和水分利用效率，降低全球粮食安全威胁［4-5］。为避免沟内降水和径流向低处汇集，在传统垄沟集雨种植系统中，在种植沟内布设固定距离交错或非交错打结垄，打结垄、集雨垄和种植沟形成一系列微盆地，有助于分散径流，提高径流均匀分配，延长径流滞留时间和促进降雨入渗时间［6］。打结垄沟集雨种植是一种特殊垄沟集雨种植技术，该技术广泛应用于亚洲和非洲南部农业种植，尤其坡耕地种植，常称为盒垄、沟筑堤、沟淤坝、盆地耕作等［7］。在打结垄沟集雨种植系统中，打结垄隔断、堵塞和封闭种植沟，有效控制地表径流和水土流失，收集降雨，补给干旱期缺水［8］。在推广打结垄沟集雨种植之前，需要定量评估该技术对水土流失、土壤水分和作物产量的影响。当设计不合理或遇到强大暴雨时，打结垄沟集雨种植系统造成水淹、溢垄、垄沟破坏、养分过度流失等现象，降低土壤有机质含量，加剧土壤侵蚀和土地退化，增加土壤盐碱化和沙漠化［9］。在垄沟集雨种植系统中，集雨垄或种植沟覆盖材料主要包括塑料薄膜、可降解薄膜、农作物秸秆、砾石、生物炭等［10］。塑料薄膜覆盖产生大量地膜残留，地膜残留引起聚乙烯在土壤中积累，污染土壤及周围环境，导致农牧业不可持续生产；可降解薄膜容易产生光解和生物降解，覆盖时间短和成本较高，限制可降解薄膜覆盖推广应用；农作物秸秆覆盖易引起春季低温、杂草生长、酸泄漏等，进而阻碍作物出苗；砾石覆盖需要较多劳动力和运输成本，较难清除和处置［11］。在推广打结垄沟集雨种植之前，需要开发利用环保型覆盖材料。

生物炭是在可控热解温度和缺氧条件下植物残渣或动物粪便热化学制成的一种环保型材料，具有多孔结构、比表面积大、持水能力强等特点［12］。土壤添加生物炭改善土壤孔隙度、透氣性、入渗率和土壤保水率，进而减少土壤容重、地表径流和土壤侵蚀。在强降雨期，生物炭添加有利于增加土壤渗透性和降低地表径流，进而增加土壤持水量，提高作物产量［13］。刘目兴等［14］研究结果表明，生物炭添加减少土壤颗粒之间连接，易导致地表径流和土壤侵蚀。Feng等［15］研究发现，低量生物炭添加（1%和3%重量比） 降低地表径流和土壤侵蚀，高量生物炭添加（5%和7%重量比） 增加地表径流和土壤侵蚀。Zhang等［16］研究发现，与无生物炭添加相比，土壤添加生物炭的径流减少2.4%～10.8%，泥沙流失量增加20.8%～50.8%。土壤添加生物炭对土壤水分、径流、泥沙和作物产量的影响随生物炭类型、粒径、施加量、作物类型、土壤类型、耕作措施、气候条件等变化而变化。目前关于垄沟集雨种植和生物炭施加相结合的研究较少，尤其对径流、泥沙、养分流失等方面的研究。

紫花苜蓿（Medicago sativa L.） 是我国半干旱黄土高原区广泛种植的多年生豆科牧草［17］。紫花苜蓿具有较高的营养价值、消化率、饲料产量潜力、抗旱性和适应性。紫花苜蓿深根系增强土壤凝聚力、土壤稳定性和入渗速率，有效控制地表径流和土壤侵蚀［18］。茂密的紫花苜蓿冠层覆盖土壤表层，降低雨水打击地表动能，阻止土壤颗粒分离和运输，增加地表粗糙度和土壤入渗，提高土壤抗侵蚀性，有效减少地表径流和土壤侵蚀［19］。Zhang等［20］研究发现，与裸地相比，紫花苜蓿种植的径流系数和泥沙流失量分别降低28.3%和78.4%，入渗率提高177%。然而，紫花苜蓿耗水量大于普通作物，紫花苜蓿多年种植导致土壤水分亏缺和土壤干层，土壤干层阻断土壤水和大气水交换［21］。根据区域气候和土壤特点设计紫花苜蓿耕作模式，可减少紫花苜蓿水分过度消耗，控制水土流失，确保紫花苜蓿可持续生产。

本研究假设垄沟集雨种植，尤其打结垄沟集雨种植，结合生物炭施加可以提高土壤水分，减少径流、泥沙和养分流失，进而提高紫花苜蓿牧草产量和水分利用效率（图1）。本研究目的是在自然降雨条件下，研究生物炭施加垄沟集雨对土壤水分、径流、泥沙、养分流失、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率的影响，确定适宜生物炭施加垄沟集雨耕作模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验布置于甘肃省定西市水土保持科学研究所安家坡试验站（北纬35°35′，东经104°39′，海拔2 076 m），试验站气候类型属于典型温带半干旱大陆季风性气候。根据甘肃省定西市气象局记录，该地区近51年（1970—2020年） 平均气温为6.7℃，年平均降水量为392 mm，紫花苜蓿生长季（4—9月） 降雨量占全年降雨量比例为76%，年潜在蒸发量约1 445 mm，年日照时数达2 438 h，无霜期约140～160 d，平均空气相对湿度约65.8%。根据美国土壤分类系统，试验区土壤为沉积性黄土发育而成的钙质土壤，该土壤抗侵蚀能力较弱，土壤容重范围1.09～1.36 g·cm-3，在2 m深度田间持水量范围20%～23%，永久萎蔫系数5.16%，表层（0～40 cm）土壤化学性质见表1。

2019和2020年试验区年降水量分别为480.6和512.50 mm，与近51年（1970—2020年） 年平均降水量（392 mm） 相比，2019和2020年年降水量分别增加22.60 %和30.74 % （图2）。2019和2020年试验区全年平均气温分别为7.45和7.23℃，最高气温分别为21.5和22.1℃，最低气温分别为-9.4和-12.6℃；2019和2020年紫花苜蓿全生育期平均气温分别为13.9和13.4℃，最高气温分别为21.5和22.1℃，最低气温分别为0.3和0℃。与近51年（1970—2020年） 年平均气温相比，2019和2020年的年平均气温分别升高0.24和0.02℃，紫花苜蓿全生育期平均气温分别升高0.35和0.20℃。

1.2 生物炭来源和性质

生物炭来源于浙江省生物炭工程研究中心，以稻秆和牛粪为生物炭原料，在大约500℃无氧或限氧条件下进行生物炭热解，碾压热解生物炭块，通过2 mm筛子，筛选细颗粒生物炭保存于密封袋，放置于常温实验室内，以备后用。生物炭理化性质见表2。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计，生物炭施加模式为主区，耕作模式为副区，生物炭施加模式包括生物炭施加（3×104 kg·hm-2） 和无生物炭施加（0 kg·hm-2），耕作模式包括打结垄、开敞垄和传统平作，在主区中，无生物炭施加作为对照，在副区中，传统平作作为对照，共设6个处理（2种生物炭施加模式×3种耕作模式），重复3次。在垄沟集雨种植紫花苜蓿试验中，集雨垄宽度和高度分别为45 和15～20 cm，打结垄宽度和高度分别为15～20 cm和10～15 cm，采用德国BASF化工厂提供生物可降解膜作为集雨垄覆盖材料，生物可降解膜宽度为1.4 m，厚度为 0.008 mm。

在代表性缓坡地（坡度约为10°） 布置种植区，每小区面积50 m2（长10 m×宽5 m）。对于垄沟集雨种植而言，交替垄沟沿等高线布置，集雨垄和打结垄形状为拱型，集雨垄上垄面与沟面夹角约为5°～10°，下垄面与沟面夹角约为60°～70°，沟坡度接近0°，沟宽为60 cm，沟长5 m，沟作为紫花苜蓿种植区。每条沟设置3条打结垄，打结垄之间距离为2.5 m，相邻2条沟的打结垄排列方式为交错排列，每小区有9条垄和10条沟，每小区种植沟面积为30 m2（长5 m×宽0.6 m×10条沟），行间距为15 cm，每条沟播种4行紫花苜蓿，每小区种植44 行紫花苜蓿；对于平作种植而言，每小区种植面积为50 m2，行间距为15 cm，种植66行紫花苜蓿。为防止小区外径流流入和小区内径流溢出，每小区采用混凝土砖作为边界，混凝土砖埋入土壤深度 10 cm，混凝土砖高出地面 10 cm，相邻小区之间设置宽1.5 m缓冲带。为收集小区内径流和泥沙，在每小区坡底修建集流槽，集流槽用于导流径流和泥沙，径流和泥沙流入径流泥沙观测池，径流泥沙观测池与集流槽之间距离为30 cm，采用水泥砂浆和砖块修筑径流泥沙观测池，每个径流泥沙观测池体积为3.375 m3（长1.5 m×宽1.5 m×高1.5 m）。

1.4 种植管理

在试验区选择坡度为10°撂荒地作为试验小区，在土壤完全解冻后（2019年4月1日），清除撂荒地表层枯落物和杂物，人工铲起深20～30 cm土壤表面肥力层，堆砌成小堆，使用带刻度卷尺和坡度仪标定小区大小和坡度，于2019年4月12日建成垄沟集雨种植小区和径流泥沙观测池。在紫花苜蓿播种前，堆砌土壤肥力层均匀铺撒平作表面或种植沟表面。对无生物炭施加而言，翻耕和平整小区各1次；对生物炭施加而言，细颗粒生物炭撒施种植沟表面，均匀混合翻深土壤20～30 cm，平整种植沟。于2019年4月5日和2020年3月25日完成生物可降解膜覆盖集雨垄，紫花苜蓿种植2月后人工修筑打结垄。为防止野生动物入侵、践踏和破坏试验小区，采用1.5米高铁网作为围栏。‘甘农3号紫花苜蓿（Medicago sativa L.）为供试作物，根据试验区种植经验，紫花苜蓿播种量为22.5 kg·hm-2，播种时间2019年4月12日，播种深度2～3 cm。在连续2年紫花苜蓿种植期，根据杂草生长状况人工除草，不施肥、灌溉和喷洒除草剂，降雨作为紫花苜蓿生长唯一水资源。

1.5 样品采集和测定

1.5.1 径流和泥沙 为减少水分蒸发和渗漏，在降雨后24 h测量径流和泥沙。用钢尺测定径流泥沙观测池水深，用铲子和扫帚连续搅拌径流浑浊液10～15 min，使径流泥沙观测池悬浮液均匀混合，立即用6个1 000 mL容量瓶收集均匀悬浮液，样品悬浮液澄清24～48 h，倒掉样品悬浮液上层澄清液，对3个1 000 mL容量瓶收集样品悬浮液进行过滤、烘干和称重，计算小区泥沙流失量，对剩余3个1 000 mL容量瓶收集样品悬浮液自然条件下风干，测定养分流失。采用以下公式计算径流量和泥沙流失量。当径流和泥沙流失量测定完成后，用扫帚、簸箕和小水泵清理径流泥沙观測池的径流和泥沙，为下次收集径流和泥沙做准备。径流量和泥沙量用以下公式计算：

1.5.2 土壤水分  在紫花苜蓿返青期前、刈割后和有效降水（降水量>5 mm） 后1 d，在每小区上坡、中坡和下坡分别随机取3个样点，采用烘干法测定沟中土壤含水量，测定土壤深度为200 cm，在深度0～20 cm，按10 cm分层，在深度20～200 cm，按20 cm分层。土壤贮水量采用以下公式计算。

式中，P为紫花苜蓿全生育期降水量（mm），Prunoff为产生径流的降雨量（mm），W1和W2分别为返青前期和最后1次刈割后土壤贮水量（mm），AFY为实际紫花苜蓿干草产量（kg·hm-2），ET为紫花苜蓿耗水量（mm）。

1.6 数据处理

利用SPSS 19.0进行方差分析，采用一般线性模型单变量分析不同副区和不同主区之间差异，生物炭施加模式和耕作模式作为固定因子，土壤贮水量、径流量、泥沙流失量、养分流失、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率作为因变量。

2 结果与分析

2.1 土壤贮水量

2019和2020年紫花苜蓿全生育期土壤贮水量见图3。在紫花苜蓿全生育期，土壤贮水量随季节变化不明显。在多数情况下，打结垄处理的土壤贮水量显著高于开敞垄，开敞垄处理的土壤贮水量显著高于平作，生物炭施加处理的土壤贮水量显著高于无生物炭施加处理（P<0.05）。

与平作处理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，在生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的平均土壤贮水量分别增加45.22和72.83 mm；在无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的平均土壤贮水量分别增加11.24和54.22 mm。与平作处理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，在生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的平均土壤贮水量分别增加59.03和48.17 mm；在无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的平均土壤贮水量分别增加67.77和8.27 mm。与无生物炭施加处理相比，2019和2020年生物炭施加处理的土壤贮水量分别增加42.93和26.09 mm。

2.2 径流量和泥沙流失量

2019和2020年径流量和泥沙流失量见图4。在紫花苜蓿生育期，2019和2020年降雨次数分别为101和93次，产生径流暴雨次数均为8次，产生泥沙暴雨次数均为5次。在多数情况下，打结垄处理的径流量和泥沙流失量显著高于开敞垄，开敞垄处理的径流量和泥沙流失量显著高于平作处理（P<0.05），生物炭施加处理的径流量和泥沙流失量明显高于无生物炭施加处理。

与平作处理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理径流量分别减少26.1%和60.1%，泥沙流失量分别减少54.0%和77.1%；无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理径流量分别减少35.0%和40.8%，泥沙流失量分别减少55.0%和62.1%。与平作处理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的径流量分别减少37.7%和64.7%，泥沙流失量分别减少75.5%和87.6%；无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理径流分别减少20.0%和33.5%，泥沙流失量分别减少65.2%和81.6%。与无生物炭施加处理相比，2019和2020年生物炭施加处理的径流量分别减少32.2%和40.9%，泥沙流失量分别减少25.5%和55.4%。

2.3 土壤养分流失

2019和2020土壤养分流失见图5。在多数情况下，平作处理的土壤养分（全氮、全磷和有机质） 流失量显著高于开敞垄处理，开敞垄处理的土壤养分显著高于打结垄处理（P<0.05），生物炭施加处理的土壤养分明显低于无生物炭施加处理。与平作处理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理全氮流失量分别减少47.4%和67.3%，全磷流失量分别减少36.7%和48.6%，有机质流失量分别减少48.2%和72.2%；无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理全氮流失量分别减少44.4%和49.0%，全磷流失量分别减少47.1%和52.2%，有机质流失量分别减少51.7%和58.6%。与平作处理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理全氮流失量分别减少65.5%和81.8%，全磷流失量分别减少75.3%和87.3%，有机质流失量分别减少72.9%和85.4%；无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理全氮流失量分别减少49.2%和67.3%，全磷流失量分别减少61.5%和77.2%，有机质流失量分别减少61.0%和78.5%。与无生物炭施加处理相比，2019年生物炭施加处理的全氮、全磷和有机质分别减少24.5%，37.8%和25.9%，2020年生物炭施加处理的全氮、全磷和有机质分别减少 35.9%，48.6%和48.2%。

2.4 紫花苜蓿干草产量和水分利用效率

2019和2020年紫花苜蓿干草产量和水分利用效率见表3。就紫花苜蓿全生育期而言，第1茬紫花苜蓿实际干草产量明显高于第2茬，第2茬紫花苜蓿实际干草产量明显高于第3茬。在2019和2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加和无生物炭施加条件下，打结垄处理的实际干草产量显著高于开敞垄处理（P<0.05），开敞垄处理的实际干草产量均显著高于平作处理（P<0.05）。与平作处理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的实际干草产量分别增加22.3%和26.1%；无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的实际干草产量分别增加13.8%和18.8%；与平作处理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的实际干草产量分别增加41.1%和44.4%；无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的实际干草产量分别增加38.6%和34.1%。与无生物炭施加处理相比，2019和2020年生物炭施加處理的实际干草产量分别增加106%和111%。

在2019和2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加和无生物炭施加条件下，打结垄处理的水分利用效率显著高于开敞垄（P<0.05），开敞垄处理的水分利用效率均显著高于平作处理（P<0.05）。与平作处理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的水分利用效率分别提高16.45和17.46 kg·hm-2·mm-1；无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的水分利用效率分别提高11.09和12.99 kg·hm-2·mm-1。与平作处理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的水分利用效率分别提高13.26和15.64 kg·hm-2·mm-1，在无生物炭施加条件下，开敞垄和打结垄处理的水分利用效率分别提高9.04和11.28 kg·hm-2·mm-1。与无生物炭施加处理相比，2019和2020年生物炭施加处理的水分利用效率分别增加6.90和1.96 kg·hm-2·mm-1。

3 讨论

土壤水分在维持紫花苜蓿连续性种植、生态系统可持续发展和粮食安全等方面具有重要意义。紫花苜蓿具有高产、营养价值高、适应性广、多年生等特点，作为放牧、干草、青贮饲料、颗粒、草捆等食用方式，为牛羊等家畜提供良好蛋白质和热量，紫花苜蓿种植具有保护土地、提高农民经济收入、创造野生动物栖息地等优点［23］。在中国黄土高原区，土壤水分是限制紫花苜蓿发芽、生长、建植和产量形成的一个重要因素［24-25］，土壤水分受降水量、蒸散量、入渗、径流、地形、土壤物理特性等影响［26］。在垄沟集雨种植中，尤其打结垄沟集雨种植，打结垄、集雨垄和种植沟形成一系列微盆地，提高径流流动曲度，增加径流路径和地表粗糙度，延长径流沟内滞留和降雨入渗时间，减缓径流速度，改善沟内土壤水分状况［27］。在本研究中，打结垄处理的土壤贮水量显著高于开敞垄，开敞垄处理的土壤贮水量显著高于平作。在2019—2020年紫花苜蓿生育期，与平作处理相比，开敞垄和打结垄处理的土壤贮水量分别增加39.50～52.13和31.24～60.50 mm。生物炭是一种多孔粒状物质，具有较高比表面积，与土壤颗粒聚集成土壤-生物炭团聚体，土壤-生物炭团聚体增加土壤孔隙度，土壤孔隙度减缓土壤水和溶质流动速率，提高毛细管含水量和土壤保水力［28］。在本研究中，与无生物炭施加相比，在2019和2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加处理的土壤贮水量增加26.09和42.93 mm。Fu等［29］研究发现生物炭内部孔隙显著提高土壤持水力，生物炭外部孔隙对土壤持水力影响不显著，与无生物炭施加相比，全生物炭施加（1.2×105 kg·hm-2） 和半生物炭施加（6×104 kg·hm-2） 的土壤含水量分别提高12.20 %和4.01%。在气候变化等引起水分亏缺植物生长环境下，生物炭施加打结垄沟集雨种植有效提高土壤水分，有利于促进紫花苜蓿可持续发展［30］。

水土流失是土壤退化和土地生产力下降的一个重要原因，耕地，尤其坡耕地，是我国半干旱黄土高原区最易受土壤侵蚀土地类型之一［31］。水土流失导致该地区土壤养分流失、土体结构破坏、土壤团聚体分散、土壤容重提高、土地生产力下降等［32］。坡地径流和泥沙流失受降雨特征、植被覆盖、土地利用、初始土壤含水量、坡度、覆盖材料等影响［33］。在打结垄沟集雨种植中，打结垄、集雨垄和种植沟增加土壤交叉面积，降低径流速度，提高种植沟泥沙沉积时间，减弱种植沟径流运输能力。在本研究中，在2019—2020年紫花苜蓿生育期，与平作处理相比，开敞垄和打结垄处理的径流量分别减少20.0%～37.7%和33.5%～64.7%，泥沙流失量分别减少54.0%～75.5%和62.1%～87.6%，养分（全氮、全磷、有机质等） 流失量分别减少36.7%～75.3%和48.6%～87.3%。生物炭是一种多孔碳质材料，具有较大孔隙度和较强吸附力，增加土壤颗粒粘结力，易形成生物炭-土壤团聚体，生物炭-土壤团聚体吸收和减弱降雨动能，延缓地表径流形成［34］。在本研究中，与无生物炭施加处理相比，在2019—2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加处理的径流量、泥沙流失量、全氮、全磷和有机质流失量分别减少32.2%～40.9%，25.5%～55.4%，24.5%～35.9%，37.8%～48.6%和25.9%～48.2%。Li等［35］研究发现，与无生物炭施加处理相比，生物炭施加处理的径流量和泥沙流失量分别下降19%～28%和11%。生物炭施加打结垄沟集雨种植有效控制径流和防止水土流失。

在垄沟集雨种植中，集雨垄收集降雨，增加种植沟土壤贮水量，垄上覆盖材料减缓土壤水分蒸发和昼夜温差波动，优化田间小气候，适宜土壤水热条件促进作物根系和地上部分生长，提高作物产量和水分利用效率［36］。垄沟集雨种植有效减缓种植面积，通过调整集雨垄和种植沟面积，优化光水资源利用效率，提高地上干物质积累［37］。然而，当降雨量大于600 mm时，种植沟增产效应无法抵偿集雨垄降低有效种植面积引起减产效应，降低作物产量和水分利用效率［38］。在本研究中，与平作处理相比，开敞垄和打结垄处理的紫花苜蓿干草产量分别提高13.8%～41.1%和18.8%～44.4%，水分利用效率分别提高9.04～16.45和11.28～17.46 kg·hm-2·mm-1。垄沟集雨種植将无效降雨变成有效降雨，有效提高长历时低强度降雨利用率；沿等高线布置垄沟集雨种植系统拦截高强度降雨，减少径流和泥沙流失，改善土壤水肥条件，有效提高短历时高强度降雨利用率。生物炭-土壤团聚体提高土壤导水率、通气性、氧化还原电位等，提高土壤持水和持肥力，进而提高作物产量和水分利用效率［39］。在本研究中，与无生物炭施加处理相比，在2019—2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加处理的紫花苜蓿实际干草产量增加106%～111%，水分利用效率提高1.96～6.90 kg·hm-2·mm-1。Hu等［37］研究发现，低生物炭施加（0.8×104 kg·hm-2） 和高生物炭施加（1.6×104 kg·hm-2） 的小麦产量分别提高66.3%和81.7%。Wang等［40］研究结果表明，与平作处理相比，开敞垄和打结垄处理的紫花苜蓿饲草产量分别提高32.7%～34.6%和20.2%～20.6%，水分利用效率分别提高4.78～4.89和4.06～4.57 kg·hm-2·mm-1。垄沟集雨种植和生物炭施加相结合增加土壤水分，减少径流和泥沙流失量，提高紫花苜蓿干草产量和水分利用效率。

未来气候变化将导致更多农业生产问题，垄沟集雨种植技术在干旱、半干旱和半湿润区已得到广泛应用，有利于解决干旱、水土流失、洪灾、沙尘暴、地下水盐渍化等自然灾害［41］。然而，不合理垄沟集雨种植技术设计，易导致土壤污染、低温、溢垄、垄沟破坏、养分过度流失等现象。今后垄沟集雨种植技术设计不仅考虑有机覆盖材料，而且考虑有机覆盖材料的资源可获得性、覆盖期限、价格、负效应等。

4 结论

垄沟集雨种植，尤其打结垄沟集雨种植，可以减少径流、泥沙流失和养分流失，提高土壤水分、紫花苜蓿饲草产量和水分利用效率；土壤添加生物炭显著提高土壤贮水能力，减少径流和泥沙流失量，提高紫花苜蓿饲草产量和水分利用效率。生物炭施加打结垄沟集雨种植是我国半干旱黄土高原丘陵区防治水土流失和提高饲草产量的推荐耕作模式。今后垄沟集雨种植技术设计应考虑有机覆盖材料的资源可获得性、覆盖期限、价格、负效应等。

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（責任编辑 闵芝智）

收稿日期：2023-10-13；修回日期：2024-01-05

基金项目：国家自然科学基金项目（42061050）；甘肃省自然基金（22 JR5RA849）；2022年度甘肃省科技重大专项-国际科技合作类项目（22ZD6 WA036）资助

作者简介：

朱进辉（1999-），男，汉族，甘肃渭源人，硕士研究生，主要从事旱区节水农业和饲草栽培研究，E-mail：373691631@qq.com;*通信作者Author for correspondence，E-mail：wangqigsau@gmail.com