坡耕地不同坡度下的水土保持措施研究

坡耕地不同坡度下的水土保持措施研究

傾斜農(nóng)用地是水土流失和農(nóng)業(yè)表面污染物的重要來源。同時，它也是當(dāng)前管理的薄弱環(huán)節(jié)，吸引了越來越多的科學(xué)家。大量資料顯示:坡耕地是江河大量泥沙的主要來源,其中長江來沙量的60%~78%源于坡耕地;同時,坡耕地嚴(yán)重的水土流失使山區(qū)丘陵土層變薄、養(yǎng)分流失、保水能力變差、生產(chǎn)力低下,進(jìn)而嚴(yán)重阻礙山地丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。北京山區(qū)坡陡土薄,土壤侵蝕嚴(yán)重,導(dǎo)致山區(qū)土地生產(chǎn)力降低,生態(tài)環(huán)境惡化,且影響下游水庫、湖泊的水質(zhì),加重北京水資源短缺程度。因此,研究如何改進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)體系、實(shí)施保水護(hù)土的耕作措施、減少農(nóng)田水土流失、充分利用有限的降水資源,是解決水資源短缺、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的治本之策。保護(hù)性耕作技術(shù)泛指保土保水的耕作措施。保護(hù)性耕作的目的是減少農(nóng)田土壤侵蝕,保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的綜合技術(shù)體系,其技術(shù)關(guān)鍵是通過土壤少耕或免耕、地表微地形改造技術(shù)及地表覆蓋技術(shù)達(dá)到少動土、少裸露、少污染并保持適度濕潤和適度粗糙的土壤狀態(tài),從而保護(hù)土地的可持續(xù)生產(chǎn)力。趙明等認(rèn)為,凡是能夠起到保持水土、提高土壤肥效、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生長的一切農(nóng)田技術(shù)措施都是保護(hù)性耕作措施。國內(nèi)外學(xué)者研究表明,保護(hù)性耕作措施不僅能改良土壤性質(zhì)使土壤團(tuán)粒穩(wěn)定、堅(jiān)實(shí)度增大、減弱土壤分離、減少產(chǎn)沙量,并且能增加入滲量、減少徑流和土壤流失,最終改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。盡管目前已有較多研究證實(shí)了保護(hù)性耕作措施的積極作用,但這些研究大多集中在某幾個主要農(nóng)業(yè)區(qū)域,因此在全球尺度上其案例數(shù)量仍顯不足,證據(jù)仍不夠充分。同時,目前仍有相當(dāng)數(shù)量的研究人員質(zhì)疑保護(hù)性耕作的功能與效果,尤其認(rèn)為在黏土上進(jìn)行保護(hù)性耕作會顯著降低土壤通氣性,并引起相關(guān)土壤理化性狀的惡化,最終造成作物減產(chǎn)。可見,在不同區(qū)域和不同質(zhì)地土壤上,保護(hù)性耕作措施的功能與效果仍有待進(jìn)行深入研究。除保護(hù)性耕作外,等高草籬是防治坡耕地水土流失的又一種有效措施。國外學(xué)者對等高草籬的水土保持效果及機(jī)理進(jìn)行了一定研究,證實(shí)其主要通過植物莖稈的阻擋和過濾作用從而表現(xiàn)出顯著的水土保持功能,但其效果受植物種類、土壤類型以及區(qū)域氣候特征等影響明顯,同時相關(guān)研究在我國較為缺乏。對此,本課題組針對我國北方地區(qū),在坡耕地上利用本地草種狼尾草[Pennisetumalopecuroides(Linn.)]和野古草[Arundinellahirta(Thunb.)CTanaka]構(gòu)建等高草籬,繼而對等高草籬防治坡耕地水土流失的效果和機(jī)理進(jìn)行了一定研究。本文在上述研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合保護(hù)性耕作措施,進(jìn)一步研究了保護(hù)性耕作和等高草籬這兩種措施對坡耕地水土及氮磷流失的防治效果。研究結(jié)果可為北京地區(qū)坡耕地水土流失防治及其可持續(xù)利用提供依據(jù),同時為保護(hù)性耕作和等高草籬技術(shù)的推廣提供指導(dǎo)。1材料和方法1.1主要?dú)夂蛞卦囼?yàn)地位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地(東經(jīng)116°26′,北緯40°10′),海拔約50m。該區(qū)地處華北平原北緣,主要地貌類型為平原、丘陵和淺山,屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)年際間的氣候要素變幅較大,晝夜溫差大,年平均氣溫11.5℃,平均無霜期190d,≥0℃積溫4400℃,多年平均降水量為640mm,降水主要集中于夏季(6—8月),占年降水量的70%以上。試驗(yàn)地土壤為壤質(zhì)黏土(砂粒41%、粉粒24%、黏粒35%),容重為1.37g·cm–3,飽和導(dǎo)水率為0.18cm·h–1,表層土壤(0~10cm)硬度為7.87kg·cm–2,有機(jī)質(zhì)含量為1.40%,總氮含量為0.82g·kg–1,總磷含量為0.82g·kg–1。1.2供試玉米品種供試小麥(TriticumaestivumL.)品種為“京冬22”,供試玉米(ZeamaysL.)品種為“京花8”;供試等高草籬為狼尾草,草種均采自北京當(dāng)?shù)亍?.3水土保持措施總體規(guī)劃試驗(yàn)設(shè)坡度和水土保持措施2種因素,其中坡度設(shè)5%、10%、15%和20%4個水平,水土保持措施設(shè)傳統(tǒng)耕作+無草籬(T1)、傳統(tǒng)耕作+草籬(T2)、保護(hù)性耕作+無草籬(T3)和保護(hù)性耕作+草籬(T4)4個水平,進(jìn)行完全區(qū)組試驗(yàn)。即共16種處理,每處理重復(fù)2~3次,共36個試驗(yàn)觀測小區(qū)。所有試驗(yàn)均在模擬降雨條件下進(jìn)行。1.4不同降雨強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)相對應(yīng)的36個徑流小區(qū)(圖1),小區(qū)1.6m寬、11.0m長,底部安裝徑流桶。小區(qū)內(nèi)進(jìn)行冬小麥-玉米輪作,耕作方式分為傳統(tǒng)耕作和保護(hù)性耕作。耕作前均施底肥,施肥量為純氮75.6kg·hm–2、純磷86.4kg·hm–2。具體施肥方式如下:傳統(tǒng)耕作為表面撒施后深翻25cm;保護(hù)性耕作為10cm開溝后施肥,然后掩土至2~4cm播種,最后細(xì)土覆蓋。傳統(tǒng)耕作的播種方式為機(jī)械行播,行距20cm,播種深度2~4cm;保護(hù)性耕作的播種方式為開溝-施肥-掩土-播種-掩土,行距20cm。草籬處理:在徑流小區(qū)中部和底部的等高方向上各配置一條雙行種植的狼尾草草籬帶,兩草籬帶間距為5m。草籬為2005年6月育苗移栽而成,移栽株距10cm、行距50cm。經(jīng)過5年的生長至本試驗(yàn)開始時,已形成密集的草籬帶,其密度為838株·m–2,株高95cm,草籬帶覆蓋度接近100%。試驗(yàn)使用中農(nóng)先飛(北京)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司建造的人工模擬降雨系統(tǒng),該系統(tǒng)使用不同大小的噴頭和水壓控制雨強(qiáng),從而實(shí)現(xiàn)10~100mm·h–1的雨強(qiáng)范圍。采用Christiansen方法測定結(jié)果顯示該模擬降雨系統(tǒng)的降雨均勻度可達(dá)86%。模擬降雨試驗(yàn)依照通用方法進(jìn)行,即土壤含水量較低時降雨1h(干降),間隔24h再降雨1h(濕降),間隔1h后再次降雨1h(濕濕降),以上3場降雨為一次有效降雨。在降雨結(jié)束后測定徑流桶中徑流高度并換算成單次降雨徑流深(mm),同時將徑流攪拌均勻后取樣約1000mL,經(jīng)沉降、過濾、烘干后計(jì)算泥沙濃度,并換算成單次降雨土壤流失量(kg·hm–2)。徑流深為總徑流量除以徑流小區(qū)投影面積,其具體計(jì)算方法為Rh=πr2×h/[a×b×cos(arctanα)]×1000。其中,Rh為徑流深,單位mm;r為徑流桶半徑,單位m;a為徑流小區(qū)長度,單位m;b為徑流小區(qū)寬度,單位m;α為百分?jǐn)?shù)表示的徑流小區(qū)坡度,是坡面豎直距離占水平距離的百分比,即坡度角的正切值。徑流中的總氮和總磷使用K2S2O8和NaOH消煮,紫外分光光度計(jì)測定。1.5數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析為避免初始土壤含水量對試驗(yàn)結(jié)果的影響,本研究將每次降雨的干降數(shù)據(jù)舍棄,將濕降和濕濕降數(shù)據(jù)求和,作為該處理在該次降雨中的有效數(shù)據(jù)。對每種處理的2~3個重復(fù),使用SAS8.1計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差,同時進(jìn)行單因素方差分析和多重比較,以分析不同坡度下4種處理的差異顯著性。其后,對4種坡度下的4種處理,分別計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差,并用OriginPro8.6繪制成圖。最后,使用SPSS19.0對水土及氮磷流失量與坡度、草籬、雨強(qiáng)、徑流量和泥沙量等因素進(jìn)行回歸分析,以定量評價各因素對坡耕地水土及氮磷養(yǎng)分流失的貢獻(xiàn)率和重要性。2結(jié)果與分析2.1各坡度對徑流的影響從2010年6月5日—9月16日進(jìn)行了6次模擬降雨試驗(yàn),其中前2次在小麥季進(jìn)行,后4次在玉米季進(jìn)行(表1)。由表1可知,4種處理的徑流量由大到小依次為:傳統(tǒng)耕作+無草籬>保護(hù)性耕作+無草籬>傳統(tǒng)耕作+草籬>保護(hù)性耕作+草籬。方差分析結(jié)果顯示,傳統(tǒng)耕作+無草籬與其他3種處理差異顯著(P<0.05),表明保護(hù)性耕作和等高草籬措施對徑流量有顯著降低作用。對4種坡度分別計(jì)算總徑流量可知(圖2),在5%、10%、15%和20%4種坡度下保護(hù)性耕作+草籬分別比對照(傳統(tǒng)耕作+無草籬)減少78%、74%、66%和61%的徑流,保護(hù)性耕作+無草籬分別減少52%、48%、41%和39%的徑流,傳統(tǒng)耕作+草籬分別減少64%、58%、56%和51%的徑流。由此可見,保護(hù)性耕作和等高草籬對徑流的降低作用與坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即這兩種措施對徑流的抑制作用隨坡度增加而逐漸降低。對4種坡度下的徑流量求和可知,傳統(tǒng)耕作+無草籬、傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬以及保護(hù)性耕作+草籬的總徑流量分別為42.2mm、18.5mm、23.7mm和13.6mm。即與對照(傳統(tǒng)耕作+無草籬)相比,傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬和保護(hù)性耕作+草籬分別平均減少了56%、44%和68%的徑流。2.2不同坡度和4種坡度下的土壤流失量表2為4種處理的土壤流失量結(jié)果。表2顯示,4種處理的土壤流失量從大到小依次為:傳統(tǒng)耕作+無草籬>保護(hù)性耕作+無草籬>傳統(tǒng)耕作+草籬>保護(hù)性耕作+草籬,這與徑流量的結(jié)果一致。方差分析結(jié)果同樣顯示,傳統(tǒng)耕作+無草籬與其他3種措施差異顯著,表明等高草籬措施或保護(hù)性耕作措施對土壤流失量有顯著降低效果。在5%、10%、15%和20%4種坡度下,與對照(傳統(tǒng)耕作+無草籬)相比,保護(hù)性耕作+草籬分別減少了91%、87%、80%和78%的泥沙,保護(hù)性耕作+無草籬減少了65%、55%、46%和40%的泥沙,傳統(tǒng)耕作+草籬減少了86%、82%、62%和57%的泥沙。結(jié)合表2和圖2可知,4種處理的方差分析結(jié)果在4種坡度下并不完全一致。如圖2中,傳統(tǒng)耕作+草籬的土壤流失量顯著低于傳統(tǒng)耕作+無草籬;而保護(hù)性耕作+草籬與傳統(tǒng)耕作+草籬的土壤流失量在5%和10%坡度上差異不顯著,但在15%和20%坡度上差異顯著。在4種坡度下,傳統(tǒng)耕作+無草籬、傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬和保護(hù)性耕作+草籬的總土壤流失量分別為381.8kg·hm–2、123.2kg·hm–2、196.3kg·hm–2和67.6kg·hm–2。即傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬和保護(hù)性耕作+草籬分別平均減少了68%、49%和82%的土壤流失。2.3護(hù)性耕作和等高草籬措施對總氮流失量的影響徑流中攜帶養(yǎng)分大多為可溶性,是可以被植物和微生物直接吸收利用的有效養(yǎng)分,其損失對作物營養(yǎng)吸收和水質(zhì)污染有直接影響,因此控制徑流攜帶的養(yǎng)分流失極其必要。本研究對隨徑流流失的總氮和總磷進(jìn)行了測定,結(jié)果見表3和表4。由表3可知,各處理隨徑流流失的總氮量從大到小依次為:傳統(tǒng)耕作+無草籬>保護(hù)性耕作+無草籬>傳統(tǒng)耕作+草籬>保護(hù)性耕作+草籬。圖3顯示,傳統(tǒng)耕作+無草籬在絕大多數(shù)情況下與其他3種處理差異顯著,表明保護(hù)性耕作和等高草籬措施都能減少隨徑流流失的總氮量。在5%、10%、15%和20%4種坡度下,與對照(傳統(tǒng)耕作+無草籬)相比,保護(hù)性耕作+草籬分別減少了74%、70%、64%和61%的總氮,保護(hù)性耕作+無草籬減少了50%、44%、42%和39%的總氮,傳統(tǒng)耕作+草籬則減少了68%、57%、53%和50%的總氮。所有坡度下,傳統(tǒng)耕作+無草籬、傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬和保護(hù)性耕作+草籬的總氮流失量分別為191.8mg·m–2、83.8mg·m–2、109.0mg·m–2和64.3mg·m–2。即與對照相比,傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬和保護(hù)性耕作+草籬分別平均減少了56%、43%和66%的總氮流失。與此類似,在5%、10%、15%和20%4種坡度下,與對照(傳統(tǒng)耕作+無草籬)相比,保護(hù)性耕作+草籬分別減少了78%、71%、68%和65%的總磷流失,保護(hù)性耕作+無草籬減少了49%、41%、38%和35%的總磷流失,傳統(tǒng)耕作+草籬減少了61%、55%、53%和51%的總磷流失(表4和圖3)。傳統(tǒng)耕作+無草籬、傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬和保護(hù)性耕作+草籬的總磷流失量分別為548.7mg·m–2、250.6mg·m–2、331.2mg·m–2和166.7mg·m–2。即與對照相比,傳統(tǒng)耕作+草籬、保護(hù)性耕作+無草籬和保護(hù)性耕作+草籬分別平均減少了54%、40%和70%的總磷流失。2.4水土保持措施、水土保持執(zhí)為進(jìn)一步定量分析徑流量、土壤流失量和徑流中的氮磷養(yǎng)分與各影響因子之間的關(guān)系,揭示各因素對水土流失及氮磷養(yǎng)分流失的貢獻(xiàn)大小,本文以徑流量、土壤流失量以及徑流中氮磷養(yǎng)分流失量為因變量,以保護(hù)性耕作和等高草籬復(fù)合措施、坡度以及雨強(qiáng)為自變量,進(jìn)行最優(yōu)尺度回歸分析,結(jié)果見表5。由表5中回歸方程的決定系數(shù)R2和P值大小可知,回歸方程的回歸效果較好。從P值可以看出,水土保持措施、坡度以及雨強(qiáng)均對徑流量、土壤流失量和氮磷養(yǎng)分流失量影響顯著,徑流量對土壤流失量和隨徑流的總氮流失量影響顯著,而對隨徑流的總磷流失量影響不顯著。對于徑流量和氮磷養(yǎng)分流失量而言,其回歸方程中均是水土保持措施的回歸系數(shù)最大,說明水土保持措施是影響其流失量的決定因素,其次是坡度或雨強(qiáng);對于土壤流失量,則是徑流量的回歸系數(shù)最大,其次是水土保持措施、坡度和雨強(qiáng),表明徑流量是影響土壤流失的決定因素。這是因?yàn)橥寥李w粒主要通過徑流攜帶發(fā)生位移從而造成土壤流失,因此作用更直接,但水土保持措施可以通過直接影響徑流量,從而達(dá)到減少土壤流失的目的。綜上可知,水土保持措施是影響坡耕地徑流量、土壤流失和徑流中氮磷養(yǎng)分流失的最關(guān)鍵因素。3不同措施處理的土壤水土流失效果比較本文在模擬降雨條件下,研究了保護(hù)性耕作結(jié)合等高草籬措施對坡耕地水土及氮磷養(yǎng)分流失的防治效果,得出保護(hù)性耕作和等高草籬措施能顯著減少坡耕地水土及氮磷養(yǎng)分流失的結(jié)論。對傳統(tǒng)耕作而言,本研究中保護(hù)性耕作措施在無草籬時減少了44%的徑流、49%的泥沙、43%的總氮以及40%的總磷,在有草籬時減少了68%的徑流、82%的泥沙、66%的總氮以及70%的總磷。究其原因,傳統(tǒng)耕作措施在播種前將土壤深翻25cm,破壞了土壤原有結(jié)構(gòu),使土壤顆粒變得松散,從而使其抗侵蝕能力減弱、水土流失加劇;而保護(hù)性耕作措施沒有翻耕,最大程度地避免了對土壤結(jié)構(gòu)的破壞,因而土壤團(tuán)粒更為穩(wěn)定、堅(jiān)實(shí)度更大,遭受雨滴擊濺和徑流沖刷時土壤顆粒分散的機(jī)率更小,因此保護(hù)性耕作措施下土壤產(chǎn)流時間更長,產(chǎn)流和產(chǎn)沙量更小。與傳統(tǒng)耕作相比,保護(hù)性耕作措施能顯著減少坡耕地上水土及氮磷養(yǎng)分流失,其原因是顯而易見的,這一結(jié)論也與目前大多數(shù)相關(guān)研究的結(jié)論一致。等高草籬措施的水土保持功能主要來源于植物莖稈的阻擋和過濾作用,本研究結(jié)果與蔡強(qiáng)國和黎四龍的研究結(jié)論一致。等高草籬中植物莖稈的阻擋作用降低了徑流流速、增加入滲率,從而減少了坡面徑流量并降低了徑流對泥沙的攜帶能力;而植物莖稈的過濾作用可以過濾去除徑流攜帶的絕大部分粗顆粒泥沙;等高草籬措施通過減少徑流量和泥沙量,繼而降低徑流和泥沙攜帶的養(yǎng)分,從而達(dá)到控制養(yǎng)分流失的目的。本研究中,等高草籬措施在傳統(tǒng)耕作下減少了56%的徑流、66%的泥沙、56%的總氮以及54%的總磷,在保護(hù)性耕作下減少了68%的徑流、82%的泥沙、66%的總氮以及70%的總磷,這一降低程度與我國其他地區(qū)的研究結(jié)果類似。在南方紫色土地區(qū),25°陡坡耕地上一年生植物籬可使徑流量減少22%~43%、土壤流失量減少94%~98%;在三峽庫區(qū),黃荊植物籬可減少44%的徑流和70%的土壤流失,馬桑植物