免耕秸秆覆盖和横坡垄作的保水保土作用

免耕秸秆覆盖和横坡垄作的保水保土作用

水土流失是中国面临的主要生态问题之一，给国家和社会带来了巨大的破坏。水土流失的控制已成为社会关注的焦点，水土流失的处理重点是河流流域的控制。据统计,黑土区坡耕地面积约10万km2,占耕地的50%以上,主要坡度1.5°～5°,大于3°以上坡耕地年均土壤侵蚀模数3000～5000t/km2,近20年来,由于管理不当,一些水土流失较为严重的县市,土壤有机质以年平均13.5‰的速度下降,水土流失至少使粮食减产10%,据《东北黑土区水土流失科考报告》(2008年),当前东北黑土区水土流失仍处在发展之中,表现为侵蚀面积不断扩大,强度增加,侵蚀沟的数量不断上升,沟道继续扩展,土壤养分不断下降,严重影响区域农业的可持续发展,东北黑土区被列为急需治理的三大侵蚀区之一。水土保持耕作措施是治理坡耕地水土流失的三大重要措施之一,其主要是通过减少耕作次数、增加地表覆盖和改变垄向来减少土壤侵蚀。研究表明,由于采用小型机械耕作,土壤压实加重,降低了土壤入渗能力,从而增加了地表径流和土壤侵蚀,秸秆还田和覆盖能有效地减少蒸发、增加土壤入渗、增加土壤含水量、减少地表径流和土壤侵蚀,深松能改善土壤物理性状,增加土壤入渗,有利于提高土壤蓄水能力,免耕、少耕虽然具有较好的水土保持功效,但是不及时的耕作和管理存在潜在的流失危险;等高耕作比顺坡垄作能更有效地减少地表径流和土壤侵蚀,但是随着雨强的增大保土效益呈现降低趋势,因此,采取有效的水土保持耕作措施对农业的可持续发展十分重要。水土流失受土壤类型、土壤质地和气候的影响较大,不同地域和气候条件下土壤侵蚀过程和结果差别较大,免耕、少耕和横坡垄作保土和保水功效的研究在典型黑土侵蚀区鲜见报道,本研究通过田间定位试验观测,分析了4种耕作措施在典型黑土侵蚀区的保水和保土功效,旨在为黑土区坡耕地水土流失治理提共理论依据和技术支撑。1材料方法1.1苏集居家积极条件本试验是在黑龙江水土保持网络骨干站点海伦坡面侵蚀监测点完成,位于黑龙江省海伦市前进乡光荣小流域(47°21′12.61″N,126°50′01.42″E),地形为漫川漫岗,坡度5°,属寒温带大陆性季风气候区,一年一熟制,冬季寒冷干燥,夏季温热多雨,年均气温1.5℃,极端最高温度为37℃,极端最低温度为-39.5℃,多年平均降水量530mm,年均有效积温2450℃,年均日照时数为2600～2800h,无霜期为125d,地下水水位埋深10～20m。土壤类型为典型中层黑土。1.2不同坡位的径流收集装置田间定位试验,起始于2006年秋,试验设4个处理,3次重复,随机区组排列,坡向面东,2007和2008年种植大豆,小区规格20m×5m,小区坡下设径流收集装置。措施1:免耕(NT),每年秋后秸秆全部还田覆盖,不进行任何翻耕处理,春季直播;措施2:少耕(RT),顺坡垄作,中耕两次,雨季之前垄沟深松,秋收后原垄越冬,次年原垄种植;措施3:传统耕作(CT),顺坡垄作,中耕3次,秋收后旋松起垄;措施4:横坡垄作(TT),沿等高线方向起垄,中耕3次,不进行秋整地,原垄越冬,次年原垄种植。1.3土壤储水量测定径流量采用径流深(mm)表示;侵蚀量采用烘干法测定;利用自动降雨器RainCollectorBoxcarⅡ测定降雨量和雨强;0～20cm土壤储水量采用TDR测定、20～170cm土壤储水量采用中子仪测定。所有数据分析均在SPSS12.0中进行,图形绘制在Sigmaplot中完成。2结果分析2.1各种农业措施的保水效果2.1.1不同耕作措施对地表径流的影响表1所示,2008年3-10月份降雨量比同期多年平均降雨量高90mm,为丰水年,与传统耕作比,免耕和横坡垄作径流次数分别比传统耕作少2次和6次,少耕径流次数比传统多2次,说明免耕和横坡垄作比少耕和传统耕作产流机率小,横坡垄作最不易产流;免耕和横坡垄作的径流量远远小于少耕和传统耕作,免耕和横坡垄作年径流量分别比传统耕作少97.7%和96.8%;径流系数是径流量占降雨量比例,可用于描述不同耕作措施在降雨过程中的保水作用,横坡垄作和免耕远小于少耕和传统耕作径流系数,说明采取免耕或横坡垄作可显著降低地表径流发生的机率和流量,可作为黑土区坡耕地重要的保水耕作措施。其减少地表径流的主要原因可归纳为少耕和传统耕作采用顺坡垄作,在雨强较大或降雨较多时雨水易汇集于垄沟沿坡向产生径流;而横坡垄作采用等高种植,雨水多存于垄沟,延长了雨水在垄沟的滞留时间,增加了降雨的入渗,降低了地表径流;免耕由于采用地表秸秆覆盖,减弱了降雨对土壤的溅蚀,阻碍了地表径流的产生,同时秸秆吸收了一部分降雨起到了较好的蓄水和保水作用。2.1.2免耕和横坡垄作地表径流特征实验室通常可以模拟固定的降雨强度,而实际降雨强度在自然界中多变,经常用30min最大雨强和60min最大雨强来分析降雨与产流的关系。分析表明,各处理径流量与平均降雨强度相关性不显著,但与降雨量、I30和I60相关性均达到极显著相关水平,且与I60相关性最大(表2),说明在典型黑土侵蚀区用I60分析几种处理径流量与降雨的关系更具意义。图1所示,在I60相同情况下免耕和横坡垄作径流量远远小于少耕和传统耕作,免耕和横坡垄作在I60小于5.8mm/h时径流量较小;当雨强在5.8～20mm/h时径流量总体呈上升趋势,但波动较大,主要是受地表植物生长状况和雨前土壤含水量的影响;当I60大于20mm/h时,横坡垄作径流量表现出急剧上升的趋势,而免耕起初增长较慢;而当I60大于40mm/h时免耕径流量急剧上升,并逐渐与横坡垄作的相接近,说明在I60较小时免耕和横坡垄作减少径流量效果相近,但是随着降雨强度的增大横坡垄作地表径流增加较大,这与林超文等人的研究结果相同,I60增大到一定值免耕措施抑制地表径流能力迅速下降。少耕和传统耕作径流量随I60的变化趋势相似,在I60小于13mm/h时,径流量变化相差较小,当I60大于13mm/h时,传统耕作径流量略大于少耕;当I60小于20mm/h时径流量波动较大,总体上升;当I60大于20mm/h径流量上升加快,说明在I60较大时少耕比传统耕作减少径流作用效果好。2.1.3月生期径流8-10月4种耕作方式累积径流量在6月份前增长较慢,6-8月份增长较快,免耕、横坡、少耕和传统垄作分别集中了全年径流量的96.4%,96.4%,96.7%和98.3%,而此阶段降雨量仅占全年降雨量的65.9%,但雨强和降雨频率较大。8-10月份累积径流量增长较慢,这是由于该阶段地表覆盖率最大,降雨减少。各月份累积径流量免耕和横坡垄作远远小于少耕和传统,免耕小于横坡垄作、小于传统耕作、小于少耕(图2)。2.1.4-液压免耕时土壤储水量分析土壤储水量与降雨、土壤渗透速率、土壤蒸发和作物蒸腾等因素有关,土壤有效水储量是影响作物生长的重要因素,因此分析土壤储水量在农业生产上具有重要意义。如表3所示,免耕在0-70cm土层土壤储水量一直处于较高的水平,同时地表径流量较低,又主要是因为地表覆盖有效的减少了地表蒸发,免耕7月1日0-170cm土层土壤储水量较高,一方面,受0-70cm土层土壤储水量的影响;另一方面,由于免耕叶面指数在7月1日较小(图3),作物蒸腾量较小;但是免耕8月7日以后土壤储水量较低,主要是70-170cm土层土壤储水量有所降低,是由于此阶段免耕叶面指数(图3)保持稳定,少耕和传统耕作页面指数逐渐下降,作物蒸腾量较大,同时由于免耕没有机械碾压其土壤导水性能较好,深层土壤水分不断向上输送,使70-170cm土层储水量较低,影响0-170cm土层土壤储水量。少耕由于夏季垄沟深松,7月1日前,降雨强度较小以入渗为主,后期由于作物生长相对缓慢,叶面指数较低,作物蒸腾量小,土壤储水量较高(图3)。虽然横坡垄作在作物生育期内地表径流量较小,但储水量一直处于较低水平,分析认为前期是由于蒸发量较大所致,后期是作物生长旺盛,叶面指数高,蒸腾耗水所致。传统耕作储水量较低是由于前期作物生长旺盛,叶面指数大,蒸腾作用较强,后期主要是地表径流量较大。2.2各种农业措施的保土效果2.2.1免耕和横坡垄作侵蚀模数比较,这也和免耕和横坡垄作侵蚀模数更免耕和横坡垄作输沙次数都比传统少7次,少耕输沙次数比传统耕作少1次,说明少耕和传统耕作比免耕和横坡垄作发生土壤流失的机率大;少耕和传统耕作的侵蚀模数远远大于免耕和横坡垄作,免耕和横坡垄作侵蚀模数分别比传统耕作少98.9%和99.2%(表4)。表明免耕和横坡垄作都具有较好的保土功效,主要是由于少耕和传统耕作采用顺坡垄作易产生地表径流和土壤侵蚀,而横坡垄作采用等高种植较好地减少了土壤侵蚀的作用,免耕处理采用秸秆覆盖等技术也能起到了较好地减少土壤侵蚀的作用。2.2.2不同地表径流对免耕和横坡垄作侵蚀的影响4种耕作措施下的侵蚀量与平均降雨强度相关性均不显著,但与降雨量、I30和I60相关性达极显著水平,其中少耕和传统耕作分别与I60相关性较大,免耕和横坡耕作分别与I30相关性较大(表5),所以分析少耕和传统随I60的变化趋势及免耕和横坡垄作随I30的变化趋势意义较大。免耕和横坡垄作侵蚀量远远小于少耕和传统耕作,受地表覆盖的影响,在I30<60mm/h时,相同I30条件下免耕侵蚀量比横坡垄作大,但是当I30>60mm/h时,横坡垄作侵蚀量增幅较大,开始大于免耕,主要是由于地表径流量增大的缘故(图4)。少耕和传统耕作侵蚀量随I60的变化趋势相似,当I60相同时少耕侵蚀量大于传统耕作,当I60>20mm/h时少耕侵蚀量随I60的增加迅速上升,远远超过传统耕作侵蚀量,特别当I60>40mm/h时其侵蚀量迅速增加,这是因为少耕在夏季进行垄沟深松后,当遇到较强降雨时疏松的土壤易随地表径流流失,不但没有起到较好的蓄水效果,反而易造成较大的土壤侵蚀(图5)。2.2.3耕作期及其土壤流失图6为4种耕作措施累积侵蚀量随时间的变化趋势,各月份累积侵蚀量远远小于少耕和传统耕作,均是少耕大于传统耕作。各处理累积侵蚀量在5月份开始缓慢增长。在6-7月份免耕、横坡、少耕和传统耕作分别集中了全年侵蚀量的100%,100%,98.1%和95.8%,主要是由于此阶段降雨量占全年降雨量的46.6%,且雨强较大,地表覆盖率低,径流量较大。7月份以后免耕和横坡垄作无土壤流失,少耕和传统耕作有少量土壤流失,主要是因为7月份以后,作物覆盖率增加,叶面指数增大减小了降雨动能,同时较发达植物根系起到较好的保土作用。研究表明,此阶段免耕、横坡垄作、少耕和传统分别集中了全年径流量的15.0%,15.1%,24.2%和24.9%,而侵蚀量却集中了全年0%,0%,1.8%和4.1%即此阶段虽有较大的径流发生,但土壤流失较少。2.3矛盾的回归分析观测结果显示免耕、少耕和传统径流量分别在0.01mm,0.01mm和0.08mm时开始出现土壤侵蚀比传统耕作分别少0.15mm,0.15mm和0.008mm。为了进一步确定径流量和侵蚀量的关系,进行了次径流量与次侵蚀量的回归分析,并建立回归方程。免耕措施径流量与侵蚀量的回归方程达显著水平(Y=12.29X+0.53,R2=0.32;P<0.05),少耕、传统耕作和横坡垄作径流量与侵蚀量回归方程均达到极显著水平(RT:Y=183.34X-58.79,R2=0.817;CT:Y=93.48X-21.73,R2=0.911;TT:Y=14.00X+0.03,R2=0.637;P<0.01)。3不同耕作措施对黑土水土流失的影响研究表明,在典型黑土侵蚀区实行免耕秸秆覆盖和横坡垄作措施能够有效地减少土壤侵蚀和地表径流的发生,两种耕作措施都能为作物生长提供充足的土壤水分,有利于作物生长;传统耕作尤其是顺坡垄作,最易发生地表径流和土壤侵蚀;在雨水较多的年份,少耕未表现出较好的水土保持功效,尤其是遇降雨强度较大时,不但没有表现出较好的水土保持功效,反而发生了较严重的土壤侵蚀。4种耕作措施,免耕和横坡垄作分别比传统耕作减少年径流量97.7%和96.8%,免耕和横坡垄作分别比传统耕作降低土壤侵蚀模数98.9%和99.2%。4种耕作措施地表径流主要发生在6-8月份,土壤流失主要发生在6-7月份,尤其7月份地表覆盖率较低,当遇到降雨较大时易发生地表径流和土壤侵蚀。虽然免耕和横坡垄作地表径流不多,但是由于作物生长旺盛,蒸腾量较大,土壤0-170cm储水量不高;少耕虽然地表径流量较大,但土壤储水量一直处于较高水平。传统耕作前期作物生长旺盛,后期径流量大,其土壤储水量一直处于较低水平。相关分析