王 慧

(喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300)

一直以來，順坡壟作改橫坡壟作是遼西地區(qū)坡耕地保護的主要措施，該措施對于降低坡耕地水土流失程度發(fā)揮著積極作用，然而受高低起伏的微地形變化影響難以保證橫坡壟全部都是絕對等高的，等高線與壟作方向間具有一定的夾角，即壟向坡度。強降雨條件下雨水沿壟溝匯流至低洼水線處，并進一步發(fā)展成細溝侵蝕，從而引起坡耕地土壤生產(chǎn)力下降，肥力減弱以及水土流失等問題[1]。目前，保護性耕作措施已被廣泛應(yīng)用于我國黑土區(qū)、棕壤區(qū)、紅壤區(qū)和黃土區(qū)等，實際工程中其水保效益顯著。因此，保護性耕作技術(shù)模式的應(yīng)用是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效發(fā)展以及耕地保護的必然選擇[2-4]。

目前，如何有效控制坡耕地土壤侵蝕、優(yōu)化傳統(tǒng)耕作方式以及制定行之有效的耕作措施等已成為領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點。鑒于此，文章將略低于壟背的土檔每隔一段距離布設(shè)于壟溝內(nèi)，壟溝被土檔隔成能夠攔蓄雨水、存貯降水的一節(jié)一節(jié)的淺坑，將其稱為起壟栽培[5-7]。通過觀測或測定不同耕作措施下的泥沙量、徑流量以及各小區(qū)內(nèi)土壤理化性質(zhì)，系統(tǒng)地評價不同耕作措施的固土保水能力及其水土保持效益，并揭示了保護性耕作措施對坡耕地水土流失的防治機理，旨在為遼西低山丘陵區(qū)坡耕地保護提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

該試驗區(qū)的農(nóng)用耕地多集中于坡耕地，溝壑分布廣且坡面長、坡度大，嚴重的土壤侵蝕導(dǎo)致坡耕地土層不斷變薄，初墾時土壤厚度可以達到150-180cm，開墾20a則減少到120-160cm，開墾40a減少至100-120cm，開墾50-70a只剩下60-80cm。試驗區(qū)現(xiàn)耕種的坡耕地60%以上分布于坡度8°左右的坡面上，坡耕地坡度全部≤15°，并且大多數(shù)完成橫坡壟改造，然而受微地形影響尚存在橫坡壟不等高的問題，局部坡耕地已形成細溝甚至較深的侵蝕溝[8-10]。

1.2 方案設(shè)計

選擇坡度8°的坡耕地布設(shè)四個寬5m、長20m的試驗小區(qū)，各試驗小區(qū)分別用不同措施處理，如表1所示。

徑流泥沙收集池建于每個小區(qū)的坡底，并將0.5m隔離帶布設(shè)在C、D小區(qū)，2018年春開始整地播種玉米，保持各試驗小區(qū)的基肥用量相等，在中耕結(jié)束后對起壟栽培小區(qū)修筑土檔，并對泥沙量和徑流量進行監(jiān)測，以徑流深(mm)作為徑流量。試驗于2020年秋收后和2018年春播前采集各小區(qū)10-20cm、0-10cm土層試樣，為了保證測試精度各小區(qū)重復(fù)取樣3次，起壟栽培模式如圖1所示。其中，“α”、“θ”為壟向坡度和地面坡度；“H”、“W”為土檔頂部厚度和土檔高度[11-13]。

表1 試驗方案設(shè)計

1.3 試驗方法

實際上，短歷時降雨量是坡耕地產(chǎn)生水土流失的重要參數(shù)，通過查閱有關(guān)資料確定坡耕地不同坡度與檔距關(guān)系的經(jīng)驗公式，在此基礎(chǔ)上明確坡耕地起壟栽培的最佳土檔檔距。根據(jù)試驗區(qū)坡耕地壟體立體形狀確定壟溝中土檔橫截面為梯形，壟體高度15cm，相鄰壟的間距取60cm，土檔高度要低于壟體高度以保護壟臺不被水沖垮，所以土檔頂部寬度和高度均為15cm，壟背與土檔可以構(gòu)成閉合的淺坑體如圖2所示。

將淺坑體分解成一個中間的鍥形體(空白區(qū))和兩側(cè)的三角椎體(陰影區(qū))，然后利用立體幾何計算三角椎體和鍥形的體積，在此基礎(chǔ)上推出計算淺坑貯水容積V的公式，具體如下：

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為相鄰?fù)翙n的間距，cm，其他字母含義同上。L>H/tanα條件下，淺坑下部土檔與靠下部分水面持平，土檔上部無貯水層；L/H/tanα條件下，淺坑下端水層較深而上端水層極淺，即每個淺坑表面被貯水層完全覆蓋，該條件下的土檔距離就是最大檔距；L

Vmax=V×L0/L

(2)

式中：L0、Vmax為100m壟長及其最大貯水容量。經(jīng)模擬計算確定V值與檔距L值在不同壟向坡度條件下的變化特征，不同坡度α值都有唯一的峰值V與其對應(yīng)，該條件下的檔距V就是最佳檔距。根據(jù)不同坡度下(0.5°-15°)計算機模擬出的最佳檔距L1值，采用SPSS軟件分析確定回歸方程，即：

L1=168α-0.5

(3)

圖2 淺坑示意圖

各壟向坡度的最佳檔距利用該回歸方程計算確定，考慮到坡耕地主要集中于8°坡上，故在8°坡耕地上布設(shè)各試驗小區(qū)，并進一步分析橫坡起壟栽培和順坡起壟栽培兩種措施的水保效應(yīng)。起壟栽培Ⅰ和起壟栽培Ⅱ的壟向坡度為8°、4°，最佳檔距為0.4m、0.8m。

由于各高校實際情況的不同，實驗班體制的設(shè)定也有很大差異。根據(jù)具體高校的教育資源和師資力量的不同，實驗班的開展主要采取具體的實體班級制度或虛擬班級制度。以湖南大學(xué)為例，實體班級制度與前文的實驗班的開展略有差別，由學(xué)生所在院系和合作院系共同管理，與前文實驗班的管理模式差別不大不作贅述；其中虛擬班級制度則是在學(xué)生入校之初便按照所報專業(yè)作為主專業(yè)進入院系學(xué)習(xí)，由主專業(yè)所在院系教學(xué)。學(xué)生的課程學(xué)習(xí)則是按照個人傾向的第二專業(yè)，由第二專業(yè)所在的院系負責課程方案的設(shè)定。

各試驗小區(qū)的泥沙含量、徑流量、降雨時間和降雨量利用徑流泥沙儀自動測定，土壤含水率利用土壤環(huán)境測定儀TZS-ECW測定，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)利用堿解擴散法、抗比色法、火焰光度計法和重鉻酸鉀容量法測定，利用SPSS10.0分析試驗數(shù)據(jù)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 起壟栽培承雨能力分析

瞬時雨率是降雨引起土壤侵蝕的關(guān)鍵因素，在不產(chǎn)生徑流的情況下起壟栽培可以承受多大瞬時雨率是利用起壟栽培保持水土的限制條件。對于小型蓄排引水工程的暴雨徑流設(shè)計《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》明確規(guī)定，即以10a一遇24h最大雨量作為暴雨防御標準，由于試驗過程中主要分析短歷時降雨量，所以選擇10a一遇20min降雨量(20.16mm)計算各壟向坡度的最佳和最大檔距承雨能力，其計算公式為：

M=V/Vd

(4)

式中：Vd=K×S、S=L×F、Q=M×K；M為承受最大雨量的時間(min)；Vd為單位時間最大積水量，cm3/min；V為單個淺坑容水體積，cm3；S為積水面積(cm2)、F為壟間距，cm；K為10a一遇20min最大雨量；Q為可攔蓄雨量，mm，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同壟向坡度的最大和最佳檔距承雨能力

由表2可知，地面坡度達到15°時，雖然最大與最佳檔距相差7cm，但是承受最大雨量時間、可攔蓄降雨量以及單位面積貯水容積基本一致，依次為11.0min、12mm和1.30/m3；地面坡度處于11°-13°范圍時，各坡度的最佳和最大檔距攔蓄降雨能力相差較少，承受最大雨量時間、可攔蓄降雨量和單位面積貯水容積差值均<1；地面坡度為9°時，最大和最佳檔距可承受最大降雨量時間相差1.47min；地面坡度<9°時，最大和最佳檔距攔蓄降雨量差值隨著壟向坡度的減小逐漸增大，其差值幅度也更加明顯，最大與最佳檔距攔蓄降雨能力隨著壟向坡度的減少而逐漸增強，兩者的差距也不斷增加。例如，地面坡度為5°時，最大檔距較最佳檔距可攔蓄降雨量減少7.95mm，而地面坡度為0.5°時，最大檔距較最佳檔距攔蓄降雨量減少26.07mm。因此，在坡度相同且<9°的情況下，起壟栽培最大檔距遠遠低于最佳檔距承受瞬時雨率能力，最佳檔距形成的淺坑承受暴雨時間更長及其可攔蓄降雨量更多。

2.2 不同耕作措施的保水保土效應(yīng)

考慮單次降雨情況分析不同耕作措施水土保持效益，2019年某場次降雨量為96.5mm，最大雨強和平均雨強達到52.60mm/h、24.17mm/h，降雨歷時225min，降雨后各小區(qū)的土檔都沒有被沖毀，0-10cm、10-20cm土層土壤降雨前含水率測定值31.5%、33.2%，產(chǎn)流產(chǎn)沙情況如表3所示。

表3 不同耕作措施下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量

對于次降雨徑流量和產(chǎn)沙量，橫坡耕作、起壟栽培Ⅰ、起壟栽培Ⅱ為順坡耕作的51.5%、48.5%、22.7%和51.2%、50.8%、24.4%。對于次降雨徑流量和產(chǎn)沙量，起壟栽培Ⅰ為順坡耕作的48.5%和50.8%，起壟栽培Ⅱ為橫坡耕作的41.2%和47.7%，起壟栽培Ⅱ為起壟栽培Ⅰ的43.8%和48.0%。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)流產(chǎn)沙量最小、最大的是起壟栽培Ⅱ和順坡耕作措施，起壟栽培Ⅱ的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均<起壟栽培Ⅰ，表明壟向坡度越小則可攔蓄降雨能力越高，其引起的土壤侵蝕量和降雨徑流量就越小。

通過分析產(chǎn)流時間發(fā)現(xiàn)，橫坡耕作、起壟栽培Ⅰ、起壟栽培Ⅱ的產(chǎn)流起始時間相對順坡耕作分別延遲30min、38min、70min。起壟栽培Ⅱ的產(chǎn)流起始時間較橫坡耕作和起壟栽培Ⅰ延長40min、32min，起壟栽培Ⅰ的產(chǎn)流起始時間較順坡耕作延長38min。因此，在壟溝內(nèi)修筑土檔能夠有效減少徑流沖刷和土壤水蝕作用，通過攔蓄降水和增大入滲等方式使得產(chǎn)流起始時間在一定程度上得以延遲。將起壟栽培Ⅰ和起壟栽培Ⅱ相比較，壟向坡度大的要低于壟向坡度小的單位面積貯水容積，所以在降雨量、降雨時間相同的條件下，起壟栽培Ⅱ能夠明顯延遲產(chǎn)流時間，承受更大的降雨以及蓄積更多的降水。

根據(jù)不同耕作措施下的單次降雨產(chǎn)沙量、徑流量和產(chǎn)流時間可知，產(chǎn)流起始時間最晚、土壤侵蝕量和徑流量最少的是壟向坡度較小起壟栽培Ⅱ，因此水土保持效果最顯著的是起壟栽培Ⅱ。深入分析原因，壟溝內(nèi)修筑土檔使得坡耕地的微地形發(fā)生改變，這既緩解了強降水與土壤低入滲之間的矛盾，還能有效攔蓄降水以及減少產(chǎn)沙量、徑流量；此外，壟溝淺坑內(nèi)匯集了被攔蓄的雨水，由此形成的水層有利于減輕雨滴對土壤的擊打作用，從而發(fā)揮著保護土壤結(jié)構(gòu)和蓄水保土的作用。

2.3 不同耕作措施下的土壤養(yǎng)分

文章差值分析了2020年和2016年(基準年)的養(yǎng)分數(shù)據(jù)，以百分比的形式反映不同耕作措施對土壤養(yǎng)分的影響，如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)的“正”、“負”代表土壤養(yǎng)分量的增加和減少。

(a)0-10cm土層

(b)10-20cm土層

從圖3可以看出，0-20cm土層順坡耕作各數(shù)值為負，起壟栽培Ⅱ各數(shù)據(jù)均為正，橫坡耕作和起壟栽培Ⅰ除堿解氮外各數(shù)據(jù)均為正。較起壟栽培Ⅰ、橫坡耕作、順坡壟作，起壟栽培Ⅱ各土層土壤的速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)含量均較高。

由圖3可知，0-10cm土層順坡耕作速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)含量依次減少7.78%、10.34%、25.12%、8.15%；0-10cm土層橫坡耕作速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量依次增大3.57%、10.26%、1.85%，堿解氮減少了12.67%；0-10cm土層起壟栽培Ⅰ速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量依次增大19.28%、8.52%、7.06%，堿解氮減少了7.35%；0-10cm土層起壟栽培Ⅱ速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)含量依次增大28.73%、20.07%、4.81%、12.25%。10-20cm土層不同耕作措施的土壤養(yǎng)分量變化規(guī)律與0-10cm土層相似。

研究認為，土壤速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)含量最高和最低的是起壟栽培Ⅱ以及順坡耕作；0-20cm土層起壟栽培Ⅰ的土壤速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)平均量較順坡耕作處理依次提高36.10%、17.89%、13.14%、14.57%；0-20cm土層起壟栽培Ⅱ的土壤速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)平均量較橫坡耕作處理依次提高22.83%、16.19%、12.24%、6.80%；0-20cm土層起壟栽培Ⅱ的土壤速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)平均量較起壟栽培Ⅰ處理依次提高6.84%、18.16%、8.99%、5.47%。保肥效果最明顯的是壟向坡度較小的起壟栽培Ⅱ處理，較其他耕作措施起壟栽培Ⅱ的土壤養(yǎng)分量較高。壟溝內(nèi)土檔能夠有效攔蓄雨水，在很大程度上抑制雨水順壟流下并發(fā)展形成大股徑流沖刷，減少土壤和泥沙中養(yǎng)分的流失，所以起壟栽培Ⅱ的保肥作用最為明顯。

3 結(jié) 論

1)最大和最佳檔距攔蓄降雨能力均隨著壟向坡度的增加而降低，并且壟向坡度越高最大與最佳檔距攔蓄降雨能力的差距不斷減少。不同耕作措施保持水土的能力存在一定差異，保水保土效應(yīng)最優(yōu)的是起壟栽培Ⅱ，其產(chǎn)流產(chǎn)沙量最少且產(chǎn)流起始時間最晚，其他耕作措施起壟栽培Ⅱ的土壤養(yǎng)分量相對較高。

2)起壟栽培Ⅱ的產(chǎn)流起始時間較橫坡耕作延長40min，對于次降雨徑流量和產(chǎn)沙量，起壟栽培Ⅱ為橫坡耕作的41.2%和47.7%；0-20cm土層起壟栽培Ⅱ的土壤速效鉀、速效磷、堿解氮、有機質(zhì)平均量較橫坡耕作處理依次提高22.83%、16.19%、12.24%、6.80%；起壟栽培Ⅰ與順坡耕作相比產(chǎn)流產(chǎn)沙量有所減少，但高于起壟栽培Ⅱ。