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坡地打結壟溝集雨種植對泥沙?養分流失和紫花苜蓿草產量的影響

來源: 樹人論文網 發表時間:2020-11-23
摘要:為尋求控制水土流失適宜坡耕地利用方式,開展如下試驗:1)采用完全隨機設計,研究不同坡度(0、5和10)集雨壟的徑流效率和臨界產流降水量;2)采用裂區設計,坡度(5和10)為主區,耕作模
職稱論文發表

  摘要:為尋求控制水土流失適宜坡耕地利用方式,開展如下試驗:1)采用完全隨機設計,研究不同坡度(0°、5°和10°)集雨壟的徑流效率和臨界產流降水量;2)采用裂區設計,坡度(5°和10°)為主區,耕作模式(傳統平作、開敞壟和打結壟)為副區,研究坡地打結壟溝集雨種植對土壤水分、徑流、泥沙損失、養分損失、紫花苜蓿干草產量和水分利用效率的影響。結果表明:0°、5°和10°集雨壟的臨界產流降水量分別為1.55、1.33和1.00mm,徑流效率分別為88.2%、91.1%和92.7%;與傳統平作相比,開敞壟和打結壟的小區徑流量分別減少62.3%~67.9%和76.4%~79.9%,小區徑流效率分別減少51.0%~54.5%和67.8%~68.2%;泥沙流失量分別減少95.6%~96.4%和98.4%,全氮流失量分別減少95.3%~96.2%和98.1%~98.2%,全磷流失量分別減少95.3%~96.1%和98.2%,有機質流失量分別減少94.1%~95.6%和97.8%~97.9%;開敞壟和打結壟明顯增加淺層(0~60cm)土壤剖面含水量;開敞壟和打結壟紫花苜蓿全年干草產量分別提高40.3%~50.4%和16.0%~18.7%,水分利用效率分別提高4.4~11.5kg•hm-2•mm-1和2.0~5.3kg•hm-2•mm-1。坡度10°的徑流量、徑流效率、小區泥沙流失量、全氮流失量、全磷流失量和有機質流失量分別是坡度5°的1.44、1.40、2.34、2.24、2.39和1.97倍;坡度5°的紫花苜蓿全生育期根系層(0~200cm)土壤貯水量、紫花苜蓿全年干草產量和水分利用效率分別是坡度10°的1.05、1.28和1.41倍。開敞壟增加紫花苜蓿干草產量和水分利用效率效果最為明顯,打結壟減少徑流、泥沙流失和養分損失效果最為明顯。

草業學報

  本文源自草業學報,2020,29(11):102-117.《草業學報》雜志,于1990年經國家新聞出版總署批準正式創刊,CN:62-1105/S,本刊在國內外有廣泛的覆蓋面,題材新穎,信息量大、時效性強的特點,其中主要欄目有:綜合評述、研究簡報、相關信息等。

  我國黃土高原丘陵溝壑區是全球水土流失嚴重和生態環境脆弱的地區之一。該地區具有降水稀少、水土流失嚴重、地形破碎、土壤淺薄貧瘠、地下水位深、地表水匱乏等特點,屬于典型雨養農業區,農牧業發展主要依靠天然降水[1]。據甘肅省定西市氣象局統計,該地區多年潛在年蒸發量(1510mm)遠大于多年平均年降水量(384.5mm),夏、秋季的總降水量占全年降水量比例(60%~75%)較高,單次降水多為無效降水(降水量<5mm),無法被作物有效吸收利用。單次有效降水(降水量>5mm)多以大強度降水或暴雨為主,70%~80%降水以徑流或蒸發損失,作物吸收利用降水量占總降水量的20%~30%[2]。該區黃土覆蓋層厚,土質疏松,抗水蝕及風蝕能力差,大強度降水或暴雨易引起土壤侵蝕和水土流失。土壤侵蝕和水土流失破壞土壤耕作層,淋失土壤養分,加速土壤退化、沙化和荒漠化,降低土地生產力,同時,全球變暖、人口增加、經濟發展、極端氣候事件、不合理耕作模式等加劇區域生態環境惡化,增加糧食生產安全危機,阻礙當地經濟增長和農牧業可持續發展,威脅當地生態安全[3]。當大強度降水或暴雨發生時,傳統耕作不能有效攔截坡地地表徑流和泥沙,引起上游土壤水分和養分流失、土壤貧瘠化、鹽堿化等,導致下游水域富營養化、藻化、污染等[4,5]。為克服水資源短缺和水土流失等問題,當地農民和政府利用水土保持工程和農藝措施以提高降水入滲和攔截地表徑流。

  壟溝集雨種植技術是干旱和半干旱雨養農業區普遍應用的一種保護性耕作措施。在壟溝集雨種植技術中,水平溝通常作為種植區,用以種植作物、牧草、林木等,拱形壟作為徑流收集區,收集降水和產生徑流,集雨壟產生的徑流沿壟面流入種植溝中,使降水和徑流在水平溝中匯集入滲,提高溝中作物根系層土壤水分狀況,促進作物根系發育,增加降水資源利用率。Zhao等[6]的研究結果表明,壟溝集雨種植可增加溝中土壤貯水量、表層土壤溫度和作物生產潛力,與傳統平作種植相比,壟溝集雨種植馬鈴薯(Solanumtuberosum)產量可提高57.4%~78.2%,水分利用效率可增加56.8%~70.3%。壟溝集雨種植技術通過沿等高線修筑相間壟和溝系統,增加地表粗糙度,實現降水資源時空調配,減少地表徑流和增加雨水入滲,有效減緩地表徑流流速和攔截土壤顆粒流失,達到控制水土流失的目的[7]。Al-Seekh等[8]的研究結果表明,壟溝集雨種植系統可增加土壤濕度,延長作物生長季節,減少作物補給灌溉量,與傳統平作種植相比,壟溝集雨種植的徑流量和泥沙流失量分別減少50%和78%。

  在傳統壟溝集雨種植系統中,當發生大強度降水或暴雨時,降水強度大于土壤入滲強度,壟面產生徑流,徑流和降水在溝中向低處匯集,當溝內徑流深度超過壟面高度,壟面低凹處產生沉降和塌陷,溝內徑流進而引起溢壟和毀壟,加劇水分流失和土壤侵蝕。為避免溝內降水和徑流向低處匯集,在傳統壟溝集雨種植系統中,修筑拱形打結壟,拱形打結壟底寬15~20cm,拱形打結壟高度略低于集雨壟高度,該系統稱為打結壟溝集雨種植。打結壟溝集雨種植也稱為溝筑堤種植(furrowdikingplanting)、畦田耕作(basintillageplanting)、盒壟種植(boxedridgesplanting)等[9,10]。在打結壟溝集雨種植系統水分調控中,對于集雨壟而言,打結壟有助于分散徑流和削減徑流峰值,進而避免徑流向低處聚集和提高徑流分配均勻度;對于溝而言,打結壟有助于縮短徑流流動距離和增加徑流停滯時間,進而提高徑流入滲速率和改善作物根系層水分狀況。Brhane等[9]的研究結果表明,與傳統平作相比,打結壟溝集雨種植的土壤水分和高粱(Sorghumbicolor)籽粒產量分別增加25%和40%。

  坡度是影響土壤水分流失和土壤侵蝕的主要地形因素之一,在一定坡度范圍內,降水入滲時間隨坡度增加而減少,地表徑流流速隨坡度增加而增加,土壤營養元素伴隨徑流流失而損失[11,12]。Grum等[13]研究發現,與傳統平作相比,打結壟溝集雨種植的土壤侵蝕量、全氮和全磷損失量分別減少82%~90%、82%和83%。我國黃土高原區是紫花苜蓿(Medicagosativa)主要產區之一。紫花苜蓿茂密莖葉可有效減少雨滴擊濺土壤強度,其深根性(入土深度2~3m)能有效抵抗徑流剝蝕地表侵蝕力,壟溝集雨種植紫花苜蓿能減少土地退化和水土流失,尤其適合坡耕地種植[14,15]。

  打結壟溝集雨種植水土保持效果和增產效應與降水量、降水強度、土壤質地、坡度、景觀位置、作物類型、起壟時間等有關。如果打結壟溝集雨種植設計不合理,大強度降水或暴雨將引起澇漬、溢壟、毀壟、作物減產等現象[16]。基于此,本研究擬開展有關坡地打結壟溝集雨種植的徑流損失、土壤侵蝕、養分流失和紫花苜蓿生長特性的評價體系研究,以期為推廣打結壟溝集雨種植技術和促進生態系統良性循環提供理論依據。

  1、材料與方法

  1.1試驗區概況

  大田試驗布置于甘肅省定西市水土保持科學研究所安家溝流域試驗基地(N35°33′-35°35′,E104°38′-104°40′),該基地位于黃土高原西部,占地面積384km2,海拔1900~2250m。研究區域氣候類型屬溫帶半干旱大陸性氣候。根據定西市氣象局的記錄,46年(1971-2016年)的年平均降水量為427mm,年最大降水量為547.9mm(1979年),年最小降水量為245.7mm(1982年),大約65%降水集中在7-9月,雨季(夏末~秋初)產生較多徑流,而旱季(冬季~春季)基本不產生徑流。年潛在蒸發量1510mm,夏季月潛在蒸發量150~270mm,冬季月潛在蒸發量20~80mm。極端最高氣溫34.3℃(7月),極端最低氣溫-27.1℃(1月),年均氣溫6.3℃,年平均日照時間2409h,年平均無霜期141d。春、夏、秋和冬季降水量占全年降水量的比例分別為10.8%、45.1%、41.2%和2.9%,降水季節與多數作物需水期錯位[17]。試驗土壤質地為黃土母質上發育而成的黃綿土,0~200cm土壤容重為1.09~1.36g·cm-3,田間持水量為20%~21%,永久萎蔫土壤含水量為6.7%,土壤化學性質見表1。作物生長季節積溫較低,耕作制度為1年1熟,主要種植作物包括玉米(Zeamays)、馬鈴薯、燕麥(Avenasativa)、高粱、紫花苜蓿、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)等。

  表1試驗區土壤化學性質導

  1.2試驗設計

  1.2.1集雨壟徑流試驗

  試驗采用完全隨機設計,共設3個處理,3個坡度分別為0°、5°和10°,重復3次(圖1)。根據當地種植經驗,在坡地上沿等高線修筑集雨壟,集雨壟形狀為拱形,壟長、壟寬和壟高分別為5.0m、0.45m和0.2m。集雨壟下壟面與水平面夾角為40°~60°;集雨壟上壟面與水平面夾角為5°~10°。為了收集全部徑流,集雨壟長度方向沿地面坡度為1/500。集雨壟覆蓋材料為生物可降解地膜,生物可降解地膜由德國BASF公司提供,主要由淀粉與其他生物可降解材料混合而成,厚度為0.008mm。為防止徑流外溢,采用預制板在集雨壟兩側鋪設高8cm集流槽(圖1);為防止徑流下滲,集流槽下鋪設0.2cm厚瀝青,每2條集雨壟之間設置1.5m隔離區和觀測區。在每條集雨壟低端安置100L集雨桶收集徑流。

  圖1坡地集雨壟徑流效率示意圖

  1.2.2坡地紫花苜蓿種植試驗

  試驗采用裂區設計,坡度作為主區,種植模式作為副區,2個坡度分別為5°和10°,3個種植模式分別為傳統平作、開敞壟和打結壟,重復3次,試驗處理數目為6個(3個種植模式×2個坡度)(圖2和圖3)。試驗地坡度方向為南北走向,小區長和寬分別為10.05m和5.00m,每個小區有9條壟和10條溝,種植試驗的集雨壟尺寸、形狀和覆蓋材料與集雨壟徑流試驗完全相同。種植試驗溝寬為60cm,溝內無覆蓋材料,作為種植區。選擇甘農3號紫花苜蓿(M.sativacv.GannongNo.3)為供試作物,當其株高達到2~3cm時,用原地土壤修筑打結壟,打結壟形狀為拱形,打結壟長度、寬度和高度分別為60cm、20cm和15cm,每2條打結壟之間打結距離為2.5m。為收集小區內徑流和阻止小區外徑流流入,每小區4周用高出地面15cm預制板圍起。在小區上側設置排水溝,排水溝導流小區外徑流,在小區下側設置集流槽,集流槽收集小區內徑流和泥沙。在每小區坡腳處修建1個徑流泥沙觀測池,采用磚塊和水泥砂漿修筑徑流泥沙觀測池,每個徑流泥沙觀測池容積為3.375m3(1.5m×1.5m×1.5m)。

  圖2坡地壟溝集雨種植紫花苜蓿示意圖

  圖33個種植模式種植紫花苜蓿示意圖

  1.3種植管理

  試驗種植管理參照李富春等[18]的研究。2015年3月15日-4月10日進行試驗小區修整、徑流泥沙觀測池修建等工作。2015年4月12日種植紫花苜蓿,種植方式為條播,根據當地種植經驗,對于壟溝集雨種植(開敞壟種植和打結壟種植)而言,播種密度為22.5kg·hm-2,播種深度2~3cm,行距15cm,每小區有效種植面積30m2(10條溝×5m長×0.6m寬),每條溝種植4行紫花苜蓿,每小區種植40行;對于傳統平作種植而言,播種密度、深度和行距與壟溝集雨種植完全相同,每小區有效種植面積50.25m2(5m寬×10.05m長),每小區種植66行紫花苜蓿。在2017年紫花苜蓿返青前(3月25日),維修集雨壟和打結壟形狀和尺寸,采用生物可降解地膜覆蓋集雨壟,采用土壤結皮覆蓋打結壟,拍實打結壟上原土,經降水、徑流、干燥等作用形成土壤結皮。在紫花苜蓿全生育期不追肥和不灌溉,大約每隔30d人工鋤草。

  1.4樣品采集和測定

  1.4.1降水量和集雨壟徑流效率

  降水-徑流觀測時段為2017年5-10月。利用試驗站安置自動虹吸式雨量計(WS-STD1,英國)測定試驗區降水量,為避免偶然事件引起側漏,同時安裝2臺手動雨量計(RS485,中國)測定試驗區降水量。每次降水后,采用稱重法測定集雨桶收集徑流。采用以下公式計算集雨壟的徑流效率(runoffefficiency,ER):

  ER=RvPt×Ac×100%ER=RvΡt×Ac×100%(1)

  式中:Rv為集雨桶收集徑流量(m3),Pt為降水量(m),Ac為集雨壟投影面積(m2)。

  1.4.2小區徑流量、小區徑流效率和小區泥沙流失量

  在紫花苜蓿全生育期(2017年4月3日-2017年10月6日),當發生高強度降水和小區產生徑流時,通過觀測徑流泥沙觀測池水深,計算小區的徑流量[徑流量(m3)=水深(m)×池底面積(2.25m2)]。在泥沙測定前,人工用鐵鏟連續攪拌徑流泥沙觀測池的徑流5~10min,使泥沙顆粒均勻懸浮于徑流液體中,立即用6個1000mL量筒取樣,使樣品澄清24~48h,倒掉樣品上層清液,其中3個樣品下層渾濁液烘干和稱重,計算小區泥沙流失量,另外3個樣品下層渾濁液在自然條件下風干,測定土壤營養元素。小區徑流量、小區徑流效率和小區泥沙流失量采用以下公式計算:

  Vrunoff=Apool×Dpool(2)

  Drunoff=VrunoffAplotDrunoff=VrunoffAplot(3)

  Replot=VrunoffPt×AplotReplot=VrunoffΡt×Aplot(4)

  Wsediment=Vrunoff×WsamplesedimentVsampleWsediment=Vrunoff×WsamplesedimentVsample(5)

  Wsedimentperarea=WsedimentAplotWsedimentperarea=WsedimentAplot(6)

  式中:Vrunoff為小區徑流量(m3),Apool為徑流泥沙觀測池池底面積(m2),Dpool為徑流泥沙觀測池水深(m),Drunoff為單位面積小區徑流量(L·m-2),Aplot為小區面積(m2),Replot為小區徑流效率(%),Wsediment為小區泥沙流失量(g),Wsamplesediment為樣品泥沙流失量(g),Vsample為樣品體積(1×10-3m3),Wsedimentperarea為小區單位面積泥沙流失量(g·m-2)。

  1.4.3泥沙流失營養成分

  自然風干泥沙渾濁液,采用凱氏定氮法、酸溶-鉬銻抗比色法和重鉻酸鉀容量法分析全氮、全磷和有機質含量[1]。

  1.4.4土壤水分

  在紫花苜蓿返青期前(2017年4月3日)、刈割后(2017年6月22日和10月6日)和有效降水(降水量>5mm)后1d,在每小區的上坡、中坡和下坡分別隨機取3個樣點,測定溝中土壤含水量,測定方法為烘干法,測定土層深度為200cm,在0~20cm土層深度,每隔10cm分層;在20~200cm土層深度,每隔20cm分層,共分11層。土壤容重測定方法為環刀法[2],土壤容重測定深度和分層與土壤含水量測定深度和分層完全相同。土壤貯水量采用以下公式計算:

  W=∑i=111θi×BDi×H×10W=∑i=111θi×BDi×Η×10(7)

  式中:θ為各層土壤質量含水量(%),BD(bulkdensity)為各層土壤容重(g·cm-3),H為各層土壤深度(cm),10為系數。

  1.4.5紫花苜蓿草產量和水分利用效率

  紫花苜蓿刈割期為初花期(2017年6月22日)和停止生長期(2017年10月6日),在紫花苜蓿刈割期前1d,在每小區隨機刈割3個樣方(60cm×60cm),計算紫花苜蓿干草產量,3個樣方位置分別位于小區上坡、中坡和下坡,人工刈割紫花苜蓿,留茬高度約為5cm,將紫花苜蓿地上部分均勻平攤于集雨壟上,自然風干后,用稱重法計算紫花苜蓿干草產量。采用以下公式計算紫花苜蓿耗水量(evapotranspiration,ET)和水分利用效率(wateruseefficiency,WUE):

  ET=P−∑16Replot×Prunoff+(W1−W2)Ρ-∑16Replot×Ρrunoff+(W1-W2)(8)

  WUE=AFYETWUE=AFYEΤ(9)

  式中:P為紫花苜蓿全生育期降水量(mm),Prunoff為小區產生徑流降水量(mm),W1和W2分別為返青前期和最后1次刈割后土壤貯水量(mm),AFY(actualfodderyield)為紫花苜蓿實際干草產量(kg·hm-2)。

  1.5數據處理

  利用SPSS19.0進行統計分析,采用一般線性模型單變量分析不同主區和不同副區之間差異。

  2、結果與分析

  2.1集雨壟的徑流效率

  在降水-徑流觀測期(2017年5月2日-10月10日),總降水量為398.1mm,總降水次數為52次,集雨壟產生徑流次數為29次(圖4)。對降水與集雨壟徑流進行回歸分析,0°、5°和10°坡度降水與集雨壟徑流回歸方程決定系數分別為0.994、0.993和0.996,降水與徑流具有較好的相關性(圖5)。0°、5°和10°集雨壟的臨界產流降水量分別為1.55、1.33和1.00mm,產流后的徑流效率分別為88.2%、91.1%和92.7%。在降水量、降水強度、風速、風向、徑流面等相同情況下,在一定坡度范圍內(0°~10°),集雨壟的臨界產流降水量隨集雨壟坡度增加而減少,產流后的徑流效率隨集雨壟坡度增加而增加。

  圖4紫花苜蓿生育期日降水量和降水量級分布

  圖5不同坡度集雨壟徑流量與降水量的關系

  2.2小區徑流量和徑流效率

  當大強度暴雨發生時,降水強度超過土壤入滲強度,降水無法全部入滲根區土壤,部分降水變成地表徑流,地表徑流沖刷土壤表層,造成土壤侵蝕和降低雨水利用效率。紫花苜蓿全生育期(2017年4月3日-2017年10月6日)總降水量為387.5mm,單次降水量>5mm的次數為26次,小區產生徑流次數為6次(圖6)。6次降水量分別為10.5、7.8、17.9、14.8、11.2和54.2mm,在不同降水量情況下,不同處理的小區徑流量之間差異與小區徑流效率之間差異基本一致。傳統平作的小區徑流量和小區徑流效率顯著(P<0.05)高于開敞壟,開敞壟的小區徑流量和小區徑流效率顯著(P<0.05)高于打結壟。就6次徑流量的平均值而言,在坡度5°時,與傳統平作相比,開敞壟和打結壟的徑流量分別減少62.3%和76.4%,徑流效率分別減少51.0%和67.8%;在坡度10°時,與傳統平作相比,開敞壟和打結壟的徑流量分別減少67.9%和79.9%,徑流效率分別減少54.5%和68.2%。就同一主區不同處理的平均值而言,坡度10°的徑流量和徑流效率分別是坡度5°的1.44和1.40倍。

  2.3泥沙流失量和營養元素流失量

  降水侵蝕主要包括雨滴擊濺地表、泥沙剝離、徑流運移等過程,雨滴擊濺地表破碎土壤結皮結構,減少土壤孔隙度和降低土壤入滲率;徑流沖刷地表剝離表層土壤,導致土壤養分流失。在6次小區徑流中,泥沙產生3次(圖7)。在6月21日和8月6日泥沙產生過程中,傳統平作的泥沙流失量顯著(P<0.05)高于開敞壟和打結壟,開敞壟與打結壟之間差異不顯著;在7月27日泥沙產生過程中,傳統平作的泥沙流失量顯著(P<0.05)高于開敞壟,開敞壟顯著(P<0.05)高于打結壟(圖7)。就3次泥沙流失量平均值而言,與傳統平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結壟的泥沙流失量分別減少96.4%和98.4%;在坡度10°時,開敞壟和打結壟的泥沙流失量分別減少95.6%和98.4%。就同一主區不同處理平均值而言,坡度10°小區泥沙流失量是坡度5°的2.34倍。不同處理全氮、全磷和有機質流失量之間差異與泥沙流失量類似。就3次營養元素流失量平均值而言,與傳統平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結壟的全氮流失量分別減少96.2%和98.1%,全磷流失量分別減少96.1%和98.2%,有機質流失量分別減少95.6%和97.9%;在坡度10°時,開敞壟和打結壟的全氮流失量分別減少95.3%和98.2%,全磷流失量分別減少95.3%和98.2%,有機質流失量分別減少94.1%和97.8%。就同一主區不同處理平均值而言,坡度10°小區全氮、全磷和有機質流失量分別是坡度5°的2.24、2.39和1.97倍(圖7)。

  圖6小區徑流和小區徑流效率

  根據Tukey’s-b方差檢驗分析,每組中平均值標記不同字母代表差異顯著(P<0.05)。下同。

  2.4土壤貯水量

  土壤貯水量是反映土壤水分狀況的一項重要指標,主要取決于土壤水庫進水量與出水量平衡方程。在本試驗中,降水是補充土壤水分的唯一來源。每一次降水后,當降水強度超過土壤入滲率時,降水和徑流在重力作用下進行重新分配,上坡降水和徑流通過壤中流(土壤表層或分層土層內界面上側向流動的水流,又稱表層流)和地表徑流向中坡和下坡流動。在大多數情況下,就同一處理而言,下坡土壤貯水量明顯高于中坡,中坡明顯高于上坡(圖8)。2017年4-5月,氣溫較低和降水較少,紫花苜蓿生長緩慢、土壤蒸發量和紫花苜蓿蒸騰作用較小,各處理土壤貯水量變化幅度較小,同時,各處理土壤貯水量處于紫花苜蓿全生育期中等水平;2017年6-7月,氣溫較高和降水量中等,紫花苜蓿進入初花期和盛花期,土壤蒸發量較大和紫花苜蓿蒸騰速率較高,各處理土壤貯水量處于紫花苜蓿全生育期較低水平;2017年8-10月,較高降水量補充紫花苜蓿較高蒸騰速率和較高土壤蒸發量,各處理土壤貯水量處于紫花苜蓿全生育期較高水平。在大多數情況下,打結壟的土壤貯水量顯著(P<0.05)高于開敞壟,開敞壟顯著(P<0.05)高于傳統平作。在坡度5°時,傳統平作、開敞壟和打結壟的紫花苜蓿全生育期平均土壤貯水量分別為204、226和237mm;在坡度10°時,相應處理紫花苜蓿全生育期平均土壤貯水量分別為201、213和220mm。就同一主區不同處理平均值而言,坡度5°和10°的紫花苜蓿全生育期平均土壤貯水量分別為223和211mm。

  2.5土壤剖面含水量

  在壟溝集雨種植紫花苜蓿中,降水在集雨壟壟面產生徑流,徑流與降水在溝中疊加,從而增加溝內土壤水分,尤其打結壟溝集雨種植。為清晰分析打結壟溝集雨種植增產機理,在紫花苜蓿返青期、第1和2次刈割后,比較不同處理0~200cm土壤剖面含水量(圖9)。在紫花苜蓿返青期,不同處理同一土層土壤剖面含水量差異不明顯;在紫花苜蓿第1次刈割后,不同處理淺層(0~60cm)土壤剖面含水量差異明顯;在紫花苜蓿第2次刈割后,不同處理淺層(0~60cm)和深層(60~160cm)土壤剖面含水量差異明顯。同時,坡度5°不同處理土壤剖面含水量差異明顯高于坡度10°。壟溝集雨種植明顯提高土壤剖面含水量,尤其打結壟溝集雨種植。就紫花苜蓿返青期、第1和2次刈割后平均值而言,在坡度5°時,平作、開敞壟和打結壟0~200cm平均土壤剖面含水量分別為8.0%、9.2%和9.5%;在坡度10°時,相應處理0~200cm平均土壤剖面含水量分別為8.0%、8.5%和8.9%。就同一主區不同處理平均值而言,坡度5°和10°的0~200cm平均土壤剖面含水量分別為8.9%和8.5%。

  圖7各處理泥沙、全氮、全磷和有機質流失

  2.6紫花苜蓿干草產量和水分利用效率

  干草產量隨氣候條件和耕作管理措施的變化而變化,反映種植區土地的作物生產力。凈干草產量(netfodderyield,NFY)能反映單位凈種植面積(溝面積)的生產力,實際干草產量(AFY)反映單位總種植面積(溝面積+壟面積)生產力。實際干草產量隨處理變化規律與凈干草產量類似,開敞壟的實際干草產量和凈干草產量顯著(P<0.05)大于打結壟,打結壟顯著(P<0.05)大于傳統平作。就全生育期實際干草產量而言(表2),與傳統平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結壟的實際干草產量分別增加50.4%和16.0%;在坡度10°時,分別增加40.3%和18.7%。就同一主區不同處理平均值而言,坡度5°實際干草產量是坡度10°的1.28倍。紫花苜蓿水分利用效率是實際干草產量與蒸散量的比值,是衡量紫花苜蓿生產過程中土壤水分轉化成植物干物質的指示性參數。開敞壟的水分利用效率顯著(P<0.05)大于打結壟,打結壟顯著(P<0.05)大于傳統平作。與傳統平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結壟的水分利用效率分別增加11.5和5.3kg·hm-2·mm-1;在坡度10°時,開敞壟和打結壟水分利用效率分別增加4.4和2.0kg·hm-2·mm-1。就同一區組不同處理平均值而言,坡度5°的水分利用效率是10°的1.41倍。

  圖8各處理種植區0~200cm土壤貯水量

  圖9各處理返青前和刈割后種植區土壤含水量

  表2紫花苜蓿干草產量和水分利用效率

  注:TP、OR和TR分別代表傳統平作、開敞壟和打結壟。NFY是凈干草產量,AFY是實際干草產量。根據Tukey’s-b方差檢驗分析,每組中平均值標記不同字母代表差異顯著(P<0.05)。

  3、討論

  降水是徑流和泥沙流失的先決條件,徑流、泥沙流失和營養元素流失受降水量、降水強度、坡度、下墊面、植被、土壤結構、前期土壤含水量等影響,其中降水量和降水強度是決定徑流和泥沙流失重要的自然影響因素,坡度和下墊面是決定徑流和泥沙流失重要的人為影響因素[19]。當降水強度超過土壤入滲能力時,無法入滲的降水變成地表徑流,地表徑流侵蝕、剝蝕和運移,從而引起土壤水分和營養元素遷移和再分配。研究打結壟溝集雨種植的徑流、泥沙流失和營養元素流失對壟溝集雨種植應用機理和農牧業可持續發展具有重要意義。壟溝集雨種植沿等高線修筑集雨壟,可降低地表徑流流速,將徑流攔截于種植溝內。在打結壟溝集雨種植系統中,打結壟縮短徑流在溝內流動距離,避免溝內徑流向低處局部匯集,以免引起溢壟和潰壟等現象,尤其在大強度降水或暴雨情況下,打結壟溝集雨種植通常不產生或較少產生地表徑流,與傳統平作相比,打結壟溝集雨種植可減少徑流、泥沙和土壤養分損失。然而,在高強度降水或暴雨情況下,壟溝集雨種植,尤其打結壟溝集雨種植,多數降水來不及下滲,在溝內產生徑流滯留和積水,可能導致水澇。當積水深度超過打結壟高度后,徑流溢過打結壟,徑流流線更長,積水量更多,降水和徑流向溝內低處匯集;當積水深度超過集雨壟高度后,降水和徑流將引起溢壟、潰壟、作物減產等[16,20]。本研究結果表明,與傳統平作相比,開敞壟和打結壟的徑流量分別減少62.3%~67.9%和76.4%~79.9%,徑流效率分別減少51.0%~54.5%和67.8%~68.2%;泥沙流失量分別減少95.6%~96.4%和98.4%,全氮流失量分別減少95.3%~96.2%和98.1%~98.2%,全磷流失量分別減少95.3%~96.1%和98.2%,有機質流失量分別減少94.1%~95.6%和97.8%~97.9%。開敞壟和打結壟溝集雨種植紫花苜蓿顯著降低小區徑流量、泥沙流失量和營養元素流失量。Schiettecatte等[21]研究結果表明,在相同降水和土壤環境條件下,壟溝集雨種植,尤其打結壟溝集雨種植可攔截降水和徑流,增加降水入滲時間和入滲量。

  控制坡耕地水分流失和土壤侵蝕是我國黃土高原丘陵溝壑區生態環境建設和修復的重點和難點,確定適宜坡耕地利用方式是實現流域水土流失治理和生態環境修復的重要措施[22]。盡管前人在我國黃土高原丘陵溝壑區實施農業工程、農藝、耕作等措施,這些措施用以治理坡耕地水分流失和土壤侵蝕,但該區域控制水土流失成效不顯著和植被建設速度較慢。評價水土保持措施的土壤水分環境對促進該區域水土流失綜合治理和生態環境建設具有理論指導意義[22,23,24]。土壤營養元素是土壤健康的重要標志,氮是植物體新陳代謝所必需的元素之一,土壤氮素水平不僅影響植物地下和地上形態發育和產量形成,而且影響植物根瘤、固氮能力等。磷是構成植物體內核酸、磷脂和核苷酸的重要元素,植物莖葉和根系發育、抗病能力、抗旱能力、越冬率等與其直接相關。土壤有機質是土壤固相的重要組成成分和土壤營養元素的主要載體,其可改良土壤結構性、通氣性、滲透性、吸附性等特性,促進土壤動物和微生物活性[25]。本研究結果表明,集雨壟徑流量、小區徑流量、徑流效率、泥沙流失量和營養元素流失量隨坡度的增加而增加,坡度10°的徑流量、徑流效率、小區泥沙流失量、全氮流失量、全磷流失量和有機質流失量分別是坡度5°的1.44、1.40、2.34、2.24、2.39和1.97倍。紫花苜蓿產量和水分利用效率隨坡度的增加而減少,坡度5°的紫花苜蓿產量和水分利用效率分別是坡度10°的1.28和1.41倍。地表徑流流速、徑流流動動能、坡面土體不穩定性和雨滴破碎土壤顆粒能量隨坡度的增大而增大,降水入滲量、土壤持水力隨坡度的增大而減小。坡面土壤重力沿斜坡方向分力隨坡度的增加而增加,表層土壤抗蝕性隨坡度的增加而降低,降水和徑流侵蝕、剝離和搬運土壤營養成分能力隨坡度的增加而增加。潘忠成等[26]研究表明,在坡度0°~10°內,泥沙、有機氮、銨態氮和硝態氮流失量均隨坡度的增大而增大。何淑勤等[27]研究發現,產流時間隨坡度和降水強度的增大而增大,降水入滲量隨坡度和降水強度的增大而減少。Wang等[28]研究發現,坡度10°的徑流量和泥沙量分別為坡度5°的1.42和1.67倍。在土壤因素中,土壤容重、土壤結構、土壤孔隙度、抗蝕性及抗沖性等物理性質明顯影響徑流、泥沙流失量和營養元素流失量。Fang等[29]研究發現徑流量和泥沙沉積量隨坡度的增加而增加,坡度20°和25°的泥沙沉積量比平地分別增加17.6%和26.8%。徑流沖刷坡耕地表面速度隨坡度的增大而增加,較大徑流流速可減緩壟上結構結皮形成速度,而加速溝內沉積性結皮形成速度,溝內沉積性結皮可減緩降水和徑流入滲,導致溝內植物根系可利用水分減少,最終引起作物減產和水分利用效率降低。

  土壤濕度是水文循環最重要的組成部分,尤其在降水量較少和蒸發量較高的干旱和半干旱地區,土壤濕度是植被蓋度、高度、頻度、密度、優勢種、分布類型等的決定因素。不恰當的農業活動和強烈氣候變化導致土壤干燥化、沙化和荒漠化,進而持續增加土壤蒸發量和降低土壤保水能力。土壤濕度是影響土壤退化敏感性和進程的重要因素,尤其風蝕和水蝕[30,31,32,33]。土壤水分時空變化受地形、土壤類型、植被、土地利用方式、田間管理措施等因素的影響和控制。土壤濕度一般采用2種指標衡量,土壤貯水量和土壤剖面含水量。土壤貯水量反映一定深度土層持水力,土壤剖面含水量反映土壤濕度沿土層深度變化趨勢。壟溝集雨種植,尤其打結壟溝集雨種植,沿等高線修筑溝壟,增加地表粗糙度和攔蓄徑流能力,小強度降水及產生徑流在溝內滯留和下滲,從而提高溝內土壤含水量;同時,壟上覆蓋材料抑制土壤水分無效蒸發,促進土壤對天然降水資源有效蓄積,改善作物根區土壤水分狀況,促進作物干物質積累。Wiyo等[34]研究表明,打結壟溝集雨種植系統增加粘質土壤的土壤貯水量,但不增加沙質土壤的土壤貯水量。本研究結果表明,與平作相比,開敞壟和打結壟集雨種植紫花苜蓿的全生育期平均根系層(0~200cm)土壤貯水量分別增加11.4~22.5mm和18.7~33.3mm,開敞壟和打結壟集雨種植紫花苜蓿的土壤貯水量隨坡度的增加而減少;開敞壟和打結壟溝集雨種植可明顯增加淺層(0~60cm)土壤剖面含水量,而對深層(60~200cm)土壤剖面含水量影響不明顯。Araya等[35]研究表明,與傳統平作相比,打結壟溝集雨種植的土壤含水量可增加13%。

  多數研究集中于打結壟溝集雨種植的起壟與作物產量間關系等方面,起壟與作物產量間關系取決于降水量、降水強度、土壤類型、地形、作物類型等[16,36]。在坡地地表設置開敞壟和打結壟可以有效改變地表微地形,提高天然降水入滲率,限制徑流在溝內自由流動,減少土壤顆粒分離和輸送,從而控制坡耕地水分流失和土壤侵蝕。壟上覆蓋增加土壤水分和表層土壤溫度,促進紫花苜蓿生長發育和產量形成;同時,覆蓋材料阻止降水擊濺集雨壟和徑流沖刷集雨壟,保護集雨壟形狀完整性。Wiyo等[37]研究表明,在濕潤年(降水量>900mm),打結壟溝集雨種植引發潰壩效應,減少玉米籽粒產量;在半干旱年(500mm<降水量<900mm),打結壟溝集雨種植匯集更多降水,增加玉米籽粒產量;在干旱年(降水量<500mm),打結壟溝集雨種植匯集降水無法滿足玉米生長需求,玉米籽粒產量增加不明顯或減少。本研究結果表明,2017年紫花苜蓿全生育期降水量為387.5mm,紫花苜蓿具有較高抗旱性,開敞壟和打結壟溝集雨種植可增加其干草產量。與傳統平作相比,開敞壟和打結壟種植紫花苜蓿全年干草產量分別提高40.3%~50.4%和16.0%~18.7%,水分利用效率分別提高4.4~11.5kg·hm-2·mm-1和2.0~5.3kg·hm-2·mm-1。天然降水具有時空分布間歇性、波動性等特點,打結壟溝集雨種植系統將時空不連續和不穩定降水轉化為具有持續供水特性的土壤水庫,增加作物可利用水,改善作物立地條件,促進作物生長發育。坡地打結壟溝集雨種植系統具有減少種植區徑流、提高土壤水分含量、控制水土流失、減少地表營養元素損失、增加作物產量等優點。Biazin等[38]研究表明,在埃塞俄比亞等非洲半干旱熱帶地區,小農戶不愿意投資建設打結壟溝集雨種植系統,主要原因是坡地打結壟溝集雨系統需要增加人工投入,且不穩定的降水量和干旱氣候無法確保作物每年豐產,進而無法彌補多余人工投入。為更好研究坡地打結壟溝集雨種植在水土保持和作物增產方面的機理,今后研究將集中于降水分配、降水強度、坡度、打結壟排列方式和植被類型對坡地打結壟溝種植徑流、泥沙、營養元素、作物產量等方面研究。

  4、結論

  集雨壟的臨界產流降水量隨集雨壟坡度的增加而減少,徑流效率隨集雨壟坡度的增加而增加。開敞壟和打結壟溝集雨種植紫花苜蓿明顯增加淺層土壤剖面含水量,而對深層土壤剖面含水量影響不明顯,同一小區含水量排列順序為下坡>中坡>上坡。開敞壟和打結壟溝集雨種植紫花苜蓿能顯著降低小區徑流量、泥沙流失量和營養元素流失量,同時增加土壤貯水量、紫花苜蓿實際干草產量和水分利用效率。集雨壟徑流量、小區徑流量、小區徑流效率、泥沙流失量和營養元素流失量隨坡度的增加而增加,土壤貯水量、紫花苜蓿實際干草產量和水分利用效率隨坡度的增加而減少。開敞壟增加紫花苜蓿干草產量效果最為明顯,而打結壟水土保持效果最為明顯。

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