水土保持耕作措施因子的确定

水土保持耕作措施因子的确定

农业措施是改变农业微地形，增加地表覆盖，增加土壤入渗，提高土壤抗侵蚀性，保水保土，防止土壤侵蚀。耕作措施可以有效控制土壤侵蚀,评价它们的作用,是水土流失调查和水土保持规划的重要依据。美国通用土壤流失方程就将耕作措施的影响分别归为植被与覆盖管理因子C和水土保持措施因子P中,前者如免耕,后者如等高耕作、沟垄种植和带状耕作等。我国农业耕作历史悠久,水土保持耕作措施种类繁多,效果显著,因此我国学者多将其在一级分类中单独划分,非常符合我国农地土壤侵蚀和水土保持特征。基于此,中国土壤流失方程CSLE(ChineseSoilLossEquation)将水土保持措施的影响归为3个因子:植物覆盖因子、工程措施因子和耕作措施因子。耕作措施因子是中国土壤流失方程7个预报因子之一,是指采取某种耕作措施的土壤流失量与同等条件无耕作措施的土壤流失量之比(T),无量纲,取值范围为0~1;未采取耕作措施的顺坡种植耕作T取1,采取某种耕作措施未导致土壤流失时,T取0,T越小表示某种耕作措施的保土效益越好。由于耕作措施可以起到保土和增产的双重效益,因此学者对其进行了大量研究,归纳起来包括两类:一是评价各种耕作措施的保水保土效益,如陈光等监测了东北黑土区横坡垄作的水土保持效益,夏岑岭等研究了皖南地区坡耕地主要水土保持耕作措施,杨爱民等研究了不同垄作区田配置形式在黑龙江省西部半干旱坡耕地的水土保持效益;二是为估算土壤流失量研究耕作措施因子值,如张宪魁等对黑龙江水土流失方程的研究,孙景华等对辽北低山丘陵区坡耕地水土流失规律的研究,杨子生对滇东北坡耕地土壤流失方程的研究等。这些研究涉及的主要耕作措施包括等高耕作、等高沟垄种植、垄作区田、掏钵种植、抗旱丰产沟、休闲地水平犁沟、中耕培垄、草田轮作、间作与套种、横坡带状间作、休闲地绿肥、留茬少耕、免耕和轮作等。无论是效益评价还是耕作措施因子值的确定,往往都因研究者使用不同地区不同类型的小区观测资料,研究结果只能进行区域性评价或应用,而无法实现全国范围的统一应用。2010—2012年国务院开展了第一次全国水利普查(国发4号),第五项内容是水土保持情况普查,包括土壤水蚀普查。实施方案要求采用中国土壤流失方程计算土壤水蚀模数,评价土壤侵蚀强度及其分布,确定适用全国的主要耕作措施因子T值是实现评价的前提和基础。本研究通过收集已有耕作措施研究成果和监测数据,基于T的定义采用统一方法,修订和计算了我国主要耕作措施T值,保证了水力侵蚀普查的顺利实施。1数据和方法1.1耕作措施因子t值的确定收集与耕作措施相关的研究成果,包括期刊论文、会议论文、学位论文等186篇;径流泥沙测验资料,包括水利部和省(市、区)等的监测数据汇编11册,还有部分自有径流小区实测资料。由于径流小区资料提供的数据形式不一,所以将其归纳为3类:(1)直接利用径流小区实测数据计算出耕作措施因子T值;(2)成果目的是评价耕作措施水土保持效益,给出了与对照小区相比的某种耕作措施的水土保持效益值,即保水保土比例或百分比;(3)前两种成果都没有给出T值,但给出了顺坡和耕作措施小区土壤流失量,以及相应的小区坡度和坡长信息。为了保证收集的径流小区资料合理可靠,采取以下方式进行遴选:(1)比较同一区域内同一措施因子值,如有个别值与总体相差太大,作为异常值剔除;(2)采用观测年限长的资料。据此共得到53条记录(表1)。记录条目最多的是等高沟垄种植33条,其次是垄作区田9条和免耕7条。区域上涉及东北黑土区、北方土石山区、西北黄土高原区、西南土石山区和南方红壤丘陵区等我国所有水蚀类型区。考虑到样本大小,最终确定计算等高沟垄种植、垄作区田、掏钵(穴状)种植、抗旱丰产沟和免耕共5种耕作措施的T值。1.2经济效益t值对上述3类数据采取不同的方法修正或计算T值。(1)第一类文献。该类文献给出了T值,可利用文献提供的小区土壤流失量资料,按照T值定义计算复核该值的可靠性,若不符合则寻找原因,进行修订。(2)第二类文献。该类文献给出了耕作措施的保土效益,T值等于1减去该效益值。(3)第三类文献。根据给出的信息可以计算T值,具体方法如下:若顺坡小区和耕作措施小区坡度和坡长一致,则直接用耕作小区流失量与顺坡小区流失量相比得到T值;若二者坡度坡长不同,则利用下述坡度和坡长因子公式将耕作小区坡度坡长订正到与顺坡小区相同水平,计算出该坡长坡度下的流失量,再与顺坡小区流失量相比即为T值。公式为式中:Ti为第i种耕作措施因子值;Ai和A0分别为该种耕作措施小区和顺坡小区土壤流失量;Si和S0分别是该种耕作措施小区和顺坡小区坡度因子;Li和L0分别是该种耕作措施小区和顺坡小区坡长因子。L和S因子计算公式为式中:θ为坡度,(°);m为坡长指数,θ≥5°时m取0.5,θ在3°~5°之间时m取0.4,θ在1°~3°之间时m取0.3,θ<1°时m取0.2。2结果分析2.1土壤理化性质对53条记录修正和计算后,得到不同地区主要耕作措施T值(表1)。等高沟垄种植、垄作区田和免耕3种耕作措施在全国分布较广,资料比较丰富,进行了T值统计分析(表2)。等高沟垄种植在5个水蚀类型区都有分布,共有33条记录,T值变化于0.035~0.776之间,平均值为0.402,标准差0.205。其中,记录T值大于0.7的有3条:1条位于四川盐亭,明显高于同篇文献中的乐至、内江和仁寿,作者提到土壤母质有所不同;2条记录分别出现在辽宁的铁岭和阜新,均位于辽宁北部。T值小于0.1的有2条,分别出现在甘肃庆阳和黑龙江宾县。垄作区田主要位于东北黑土区和西北黄土高原区,共有9条记录,T值变化在0~0.413之间,平均值为0.196,标准差0.161。免耕除西南土石山区外都有分布,共有7条记录,T值变化在0~0.399之间,平均值为0.207,标准差0.12。3种措施相比,垄作区田和免耕T值比较稳定,水土保持效益接近,且明显好于等高沟垄种植。这与耕作措施机理有关:免耕对土壤扰动很小,而且秸秆覆盖削减雨滴击溅作用,不仅保土,而且有助于保土保墒,改良土壤结构,提高土壤肥力,增强土壤抗侵蚀性。垄作区田能就地蓄水保肥,有效降低径流量和流失量。等高沟垄种植主要依靠改变微地形特征,改变径流方向,减缓土壤侵蚀,但若垄沟被冲毁,则会加剧侵蚀,加之自然界地形复杂,难以保证完全的等高,遇到较大降雨也可能会产生侵蚀,因而其水土保持效益相对前二者会差一些。掏钵种植(穴状种植)和抗旱丰产沟主要分布在北方旱地农业区,掏钵种植仅有山西离石1条记录,T值为0.499;抗旱丰产沟仅有吉林1条和山西2条T值记录,T值分别为0.409、0.05和0,需要丰富观测。2.2耕作措施的地域差异为了进行全国范围的应用,进一步对5个水蚀类型区主要耕作措施T值进行差异显著性检验,若差异不显著则可以直接采用均值,若差异显著则需要分区赋值。由于等高沟垄种植、垄作区田和免耕3类T值记录较多,所以对其分别在0.01和0.05两个水平进行均值差异显著性检验。结果表明:0.01水平下所有耕作措施的地区差异均不显著,0.05水平下只有等高沟垄种植T值在东北黑土区和北方土石山区之间有显著性差异,与其他水蚀类型区均无显著性差异;垄作区田和免耕T值均无显著性地区差异(表3)。总体来说,这3种耕作措施可以在全国范围内采用统一的均值(表4)。若要提高计算精度,则可以将等高沟垄种植按3个水蚀类型区分别取值,东北黑土区、北方土石山区和其他地区分别为0.251、0.549和0.435。掏钵(穴状)种植和抗旱丰产沟T值记录很少,暂时直接采用其平均值(表4)。5种耕作措施T值显示(表4),全国范围内垄作区田水土保持效益最好,减少了84%的土壤流失量,其次是免耕和抗旱丰产沟,约减少80%的土壤流失量,等高沟垄耕作和掏钵(穴状)种植减少了50%以上土壤流失量。3耕作措施类型分布及影响本研究通过收集、整理和筛选已有水土保持耕作措施效益研究成果,并结合相关径流小区监测资料,修订和计算了研究成果包含的不同地区各种耕作措施因子值,在此基础上通过同一耕作措施均值在不同区域的差异显著性检验,最终确定适用全国的5种主要耕作措施因子值,基本结论如下:(1)我国水土保持耕作措施主要包括等高沟垄种植、垄作区田、免耕、掏钵(穴状)种植和抗旱丰产沟,其中等高沟垄种植在全国5个水蚀类型区均有分布,其次是免耕,除西南土石山区外均有分布,其他几种类型主要分布在我国北方旱作农业区。(2)对样本量较多的等高沟垄种植、垄作区田和免耕3种类型T值的差异显著性检验表明,0.01水平下各种耕作措施T值均无显著性区域差异,0.05水平下垄作区田和免耕T值无显著性地区差异,只有等高沟垄种植在北方土石山区和东北黑土区有显著差异,其他地区也无显著差异。(3)根据无显