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

倾斜农用地是水土流失和农业表面污染物的重要来源。同时，它也是当前管理的薄弱环节，吸引了越来越多的科学家。大量资料显示:坡耕地是江河大量泥沙的主要来源,其中长江来沙量的60%~78%源于坡耕地;同时,坡耕地严重的水土流失使山区丘陵土层变薄、养分流失、保水能力变差、生产力低下,进而严重阻碍山地丘陵区农业可持续发展。北京山区坡陡土薄,土壤侵蚀严重,导致山区土地生产力降低,生态环境恶化,且影响下游水库、湖泊的水质,加重北京水资源短缺程度。因此,研究如何改进旱地农业体系、实施保水护土的耕作措施、减少农田水土流失、充分利用有限的降水资源,是解决水资源短缺、促进农业可持续发展的治本之策。保护性耕作技术泛指保土保水的耕作措施。保护性耕作的目的是减少农田土壤侵蚀,保护农田生态环境的综合技术体系,其技术关键是通过土壤少耕或免耕、地表微地形改造技术及地表覆盖技术达到少动土、少裸露、少污染并保持适度湿润和适度粗糙的土壤状态,从而保护土地的可持续生产力。赵明等认为,凡是能够起到保持水土、提高土壤肥效、改善土壤结构、促进作物生长的一切农田技术措施都是保护性耕作措施。国内外学者研究表明,保护性耕作措施不仅能改良土壤性质使土壤团粒稳定、坚实度增大、减弱土壤分离、减少产沙量,并且能增加入渗量、减少径流和土壤流失,最终改善农田生态环境。尽管目前已有较多研究证实了保护性耕作措施的积极作用,但这些研究大多集中在某几个主要农业区域,因此在全球尺度上其案例数量仍显不足,证据仍不够充分。同时,目前仍有相当数量的研究人员质疑保护性耕作的功能与效果,尤其认为在黏土上进行保护性耕作会显著降低土壤通气性,并引起相关土壤理化性状的恶化,最终造成作物减产。可见,在不同区域和不同质地土壤上,保护性耕作措施的功能与效果仍有待进行深入研究。除保护性耕作外,等高草篱是防治坡耕地水土流失的又一种有效措施。国外学者对等高草篱的水土保持效果及机理进行了一定研究,证实其主要通过植物茎秆的阻挡和过滤作用从而表现出显著的水土保持功能,但其效果受植物种类、土壤类型以及区域气候特征等影响明显,同时相关研究在我国较为缺乏。对此,本课题组针对我国北方地区,在坡耕地上利用本地草种狼尾草[Pennisetumalopecuroides(Linn.)]和野古草[Arundinellahirta(Thunb.)CTanaka]构建等高草篱,继而对等高草篱防治坡耕地水土流失的效果和机理进行了一定研究。本文在上述研究的基础上,结合保护性耕作措施,进一步研究了保护性耕作和等高草篱这两种措施对坡耕地水土及氮磷流失的防治效果。研究结果可为北京地区坡耕地水土流失防治及其可持续利用提供依据,同时为保护性耕作和等高草篱技术的推广提供指导。1材料和方法1.1主要气候要素试验地位于北京市昌平区小汤山镇国家精准农业示范基地(东经116°26′,北纬40°10′),海拔约50m。该区地处华北平原北缘,主要地貌类型为平原、丘陵和浅山,属于典型的暖温带半湿润大陆季风气候。区内年际间的气候要素变幅较大,昼夜温差大,年平均气温11.5℃,平均无霜期190d,≥0℃积温4400℃,多年平均降水量为640mm,降水主要集中于夏季(6—8月),占年降水量的70%以上。试验地土壤为壤质黏土(砂粒41%、粉粒24%、黏粒35%),容重为1.37g·cm–3,饱和导水率为0.18cm·h–1,表层土壤(0~10cm)硬度为7.87kg·cm–2,有机质含量为1.40%,总氮含量为0.82g·kg–1,总磷含量为0.82g·kg–1。1.2供试玉米品种供试小麦(TriticumaestivumL.)品种为“京冬22”,供试玉米(ZeamaysL.)品种为“京花8”;供试等高草篱为狼尾草,草种均采自北京当地。1.3水土保持措施总体规划试验设坡度和水土保持措施2种因素,其中坡度设5%、10%、15%和20%4个水平,水土保持措施设传统耕作+无草篱(T1)、传统耕作+草篱(T2)、保护性耕作+无草篱(T3)和保护性耕作+草篱(T4)4个水平,进行完全区组试验。即共16种处理,每处理重复2~3次,共36个试验观测小区。所有试验均在模拟降雨条件下进行。1.4不同降雨强度试验设置与试验设计相对应的36个径流小区(图1),小区1.6m宽、11.0m长,底部安装径流桶。小区内进行冬小麦-玉米轮作,耕作方式分为传统耕作和保护性耕作。耕作前均施底肥,施肥量为纯氮75.6kg·hm–2、纯磷86.4kg·hm–2。具体施肥方式如下:传统耕作为表面撒施后深翻25cm;保护性耕作为10cm开沟后施肥,然后掩土至2~4cm播种,最后细土覆盖。传统耕作的播种方式为机械行播,行距20cm,播种深度2~4cm;保护性耕作的播种方式为开沟-施肥-掩土-播种-掩土,行距20cm。草篱处理:在径流小区中部和底部的等高方向上各配置一条双行种植的狼尾草草篱带,两草篱带间距为5m。草篱为2005年6月育苗移栽而成,移栽株距10cm、行距50cm。经过5年的生长至本试验开始时,已形成密集的草篱带,其密度为838株·m–2,株高95cm,草篱带覆盖度接近100%。试验使用中农先飞(北京)农业工程技术有限公司建造的人工模拟降雨系统,该系统使用不同大小的喷头和水压控制雨强,从而实现10~100mm·h–1的雨强范围。采用Christiansen方法测定结果显示该模拟降雨系统的降雨均匀度可达86%。模拟降雨试验依照通用方法进行,即土壤含水量较低时降雨1h(干降),间隔24h再降雨1h(湿降),间隔1h后再次降雨1h(湿湿降),以上3场降雨为一次有效降雨。在降雨结束后测定径流桶中径流高度并换算成单次降雨径流深(mm),同时将径流搅拌均匀后取样约1000mL,经沉降、过滤、烘干后计算泥沙浓度,并换算成单次降雨土壤流失量(kg·hm–2)。径流深为总径流量除以径流小区投影面积,其具体计算方法为Rh=πr2×h/[a×b×cos(arctanα)]×1000。其中,Rh为径流深,单位mm;r为径流桶半径,单位m;a为径流小区长度,单位m;b为径流小区宽度,单位m;α为百分数表示的径流小区坡度,是坡面竖直距离占水平距离的百分比,即坡度角的正切值。径流中的总氮和总磷使用K2S2O8和NaOH消煮,紫外分光光度计测定。1.5数据处理和统计分析为避免初始土壤含水量对试验结果的影响,本研究将每次降雨的干降数据舍弃,将湿降和湿湿降数据求和,作为该处理在该次降雨中的有效数据。对每种处理的2~3个重复,使用SAS8.1计算平均值和标准误差,同时进行单因素方差分析和多重比较,以分析不同坡度下4种处理的差异显著性。其后,对4种坡度下的4种处理,分别计算其平均值和标准误差,并用OriginPro8.6绘制成图。最后,使用SPSS19.0对水土及氮磷流失量与坡度、草篱、雨强、径流量和泥沙量等因素进行回归分析,以定量评价各因素对坡耕地水土及氮磷养分流失的贡献率和重要性。2结果与分析2.1各坡度对径流的影响从2010年6月5日—9月16日进行了6次模拟降雨试验,其中前2次在小麦季进行,后4次在玉米季进行(表1)。由表1可知,4种处理的径流量由大到小依次为:传统耕作+无草篱>保护性耕作+无草篱>传统耕作+草篱>保护性耕作+草篱。方差分析结果显示,传统耕作+无草篱与其他3种处理差异显著(P<0.05),表明保护性耕作和等高草篱措施对径流量有显著降低作用。对4种坡度分别计算总径流量可知(图2),在5%、10%、15%和20%4种坡度下保护性耕作+草篱分别比对照(传统耕作+无草篱)减少78%、74%、66%和61%的径流,保护性耕作+无草篱分别减少52%、48%、41%和39%的径流,传统耕作+草篱分别减少64%、58%、56%和51%的径流。由此可见,保护性耕作和等高草篱对径流的降低作用与坡度呈负相关关系,即这两种措施对径流的抑制作用随坡度增加而逐渐降低。对4种坡度下的径流量求和可知,传统耕作+无草篱、传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱以及保护性耕作+草篱的总径流量分别为42.2mm、18.5mm、23.7mm和13.6mm。即与对照(传统耕作+无草篱)相比,传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱和保护性耕作+草篱分别平均减少了56%、44%和68%的径流。2.2不同坡度和4种坡度下的土壤流失量表2为4种处理的土壤流失量结果。表2显示,4种处理的土壤流失量从大到小依次为:传统耕作+无草篱>保护性耕作+无草篱>传统耕作+草篱>保护性耕作+草篱,这与径流量的结果一致。方差分析结果同样显示,传统耕作+无草篱与其他3种措施差异显著,表明等高草篱措施或保护性耕作措施对土壤流失量有显著降低效果。在5%、10%、15%和20%4种坡度下,与对照(传统耕作+无草篱)相比,保护性耕作+草篱分别减少了91%、87%、80%和78%的泥沙,保护性耕作+无草篱减少了65%、55%、46%和40%的泥沙,传统耕作+草篱减少了86%、82%、62%和57%的泥沙。结合表2和图2可知,4种处理的方差分析结果在4种坡度下并不完全一致。如图2中,传统耕作+草篱的土壤流失量显著低于传统耕作+无草篱;而保护性耕作+草篱与传统耕作+草篱的土壤流失量在5%和10%坡度上差异不显著,但在15%和20%坡度上差异显著。在4种坡度下,传统耕作+无草篱、传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱和保护性耕作+草篱的总土壤流失量分别为381.8kg·hm–2、123.2kg·hm–2、196.3kg·hm–2和67.6kg·hm–2。即传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱和保护性耕作+草篱分别平均减少了68%、49%和82%的土壤流失。2.3护性耕作和等高草篱措施对总氮流失量的影响径流中携带养分大多为可溶性,是可以被植物和微生物直接吸收利用的有效养分,其损失对作物营养吸收和水质污染有直接影响,因此控制径流携带的养分流失极其必要。本研究对随径流流失的总氮和总磷进行了测定,结果见表3和表4。由表3可知,各处理随径流流失的总氮量从大到小依次为:传统耕作+无草篱>保护性耕作+无草篱>传统耕作+草篱>保护性耕作+草篱。图3显示,传统耕作+无草篱在绝大多数情况下与其他3种处理差异显著,表明保护性耕作和等高草篱措施都能减少随径流流失的总氮量。在5%、10%、15%和20%4种坡度下,与对照(传统耕作+无草篱)相比,保护性耕作+草篱分别减少了74%、70%、64%和61%的总氮,保护性耕作+无草篱减少了50%、44%、42%和39%的总氮,传统耕作+草篱则减少了68%、57%、53%和50%的总氮。所有坡度下,传统耕作+无草篱、传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱和保护性耕作+草篱的总氮流失量分别为191.8mg·m–2、83.8mg·m–2、109.0mg·m–2和64.3mg·m–2。即与对照相比,传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱和保护性耕作+草篱分别平均减少了56%、43%和66%的总氮流失。与此类似,在5%、10%、15%和20%4种坡度下,与对照(传统耕作+无草篱)相比,保护性耕作+草篱分别减少了78%、71%、68%和65%的总磷流失,保护性耕作+无草篱减少了49%、41%、38%和35%的总磷流失,传统耕作+草篱减少了61%、55%、53%和51%的总磷流失(表4和图3)。传统耕作+无草篱、传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱和保护性耕作+草篱的总磷流失量分别为548.7mg·m–2、250.6mg·m–2、331.2mg·m–2和166.7mg·m–2。即与对照相比,传统耕作+草篱、保护性耕作+无草篱和保护性耕作+草篱分别平均减少了54%、40%和70%的总磷流失。2.4水土保持措施、水土保持执为进一步定量分析径流量、土壤流失量和径流中的氮磷养分与各影响因子之间的关系,揭示各因素对水土流失及氮磷养分流失的贡献大小,本文以径流量、土壤流失量以及径流中氮磷养分流失量为因变量,以保护性耕作和等高草篱复合措施、坡度以及雨强为自变量,进行最优尺度回归分析,结果见表5。由表5中回归方程的决定系数R2和P值大小可知,回归方程的回归效果较好。从P值可以看出,水土保持措施、坡度以及雨强均对径流量、土壤流失量和氮磷养分流失量影响显著,径流量对土壤流失量和随径流的总氮流失量影响显著,而对随径流的总磷流失量影响不显著。对于径流量和氮磷养分流失量而言,其回归方程中均是水土保持措施的回归系数最大,说明水土保持措施是影响其流失量的决定因素,其次是坡度或雨强;对于土壤流失量,则是径流量的回归系数最大,其次是水土保持措施、坡度和雨强,表明径流量是影响土壤流失的决定因素。这是因为土壤颗粒主要通过径流携带发生位移从而造成土壤流失,因此作用更直接,但水土保持措施可以通过直接影响径流量,从而达到减少土壤流失的目的。综上可知,水土保持措施是影响坡耕地径流量、土壤流失和径流中氮磷养分流失的最关键因素。3不同措施处理的土壤水土流失效果比较本文在模拟降雨条件下,研究了保护性耕作结合等高草篱措施对坡耕地水土及氮磷养分流失的防治效果,得出保护性耕作和等高草篱措施能显著减少坡耕地水土及氮磷养分流失的结论。对传统耕作而言,本研究中保护性耕作措施在无草篱时减少了44%的径流、49%的泥沙、43%的总氮以及40%的总磷,在有草篱时减少了68%的径流、82%的泥沙、66%的总氮以及70%的总磷。究其原因,传统耕作措施在播种前将土壤深翻25cm,破坏了土壤原有结构,使土壤颗粒变得松散,从而使其抗侵蚀能力减弱、水土流失加剧;而保护性耕作措施没有翻耕,最大程度地避免了对土壤结构的破坏,因而土壤团粒更为稳定、坚实度更大,遭受雨滴击溅和径流冲刷时土壤颗粒分散的机率更小,因此保护性耕作措施下土壤产流时间更长,产流和产沙量更小。与传统耕作相比,保护性耕作措施能显著减少坡耕地上水土及氮磷养分流失,其原因是显而易见的,这一结论也与目前大多数相关研究的结论一致。等高草篱措施的水土保持功能主要来源于植物茎秆的阻挡和过滤作用,本研究结果与蔡强国和黎四龙的研究结论一致。等高草篱中植物茎秆的阻挡作用降低了径流流速、增加入渗率,从而减少了坡面径流量并降低了径流对泥沙的携带能力;而植物茎秆的过滤作用可以过滤去除径流携带的绝大部分粗颗粒泥沙;等高草篱措施通过减少径流量和泥沙量,继而降低径流和泥沙携带的养分,从而达到控制养分流失的目的。本研究中,等高草篱措施在传统耕作下减少了56%的径流、66%的泥沙、56%的总氮以及54%的总磷,在保护性耕作下减少了68%的径流、82%的泥沙、66%的总氮以及70%的总磷,这一降低程度与我国其他地区的研究结果类似。在南方紫色土地区,25°陡坡耕地上一年生植物篱可使径流量减少22%~43%、土壤流失量减少94%~98%;在三峡库区,黄荆植物篱可减少44%的径流和70%的土壤流失,马桑植物