坡地打結(jié)壟溝集雨種植對泥沙?養(yǎng)分流失和紫花苜蓿草產(chǎn)量的影響

　　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(shè)計,研究不同坡度(0°、5°和10°)集雨壟的徑流效率和臨界產(chǎn)流降水量;2)采用裂區(qū)設(shè)計,坡度(5°和10°)為主區(qū),耕作模式(傳統(tǒng)平作、開敞壟和打結(jié)壟)為副區(qū),研究坡地打結(jié)壟溝集雨種植對土壤水分、徑流、泥沙損失、養(yǎng)分損失、紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明:0°、5°和10°集雨壟的臨界產(chǎn)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(tǒng)平作相比,開敞壟和打結(jié)壟的小區(qū)徑流量分別減少62.3%～67.9%和76.4%～79.9%,小區(qū)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(zhì)流失量分別減少94.1%～95.6%和97.8%～97.9%;開敞壟和打結(jié)壟明顯增加淺層(0～60cm)土壤剖面含水量;開敞壟和打結(jié)壟紫花苜蓿全年干草產(chǎn)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(qū)泥沙流失量、全氮流失量、全磷流失量和有機質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)量和水分利用效率效果最為明顯,打結(jié)壟減少徑流、泥沙流失和養(yǎng)分損失效果最為明顯。

　　本文源自草業(yè)學(xué)報,2020,29(11):102-117.《草業(yè)學(xué)報》雜志，于1990年經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:62-1105/S，本刊在國內(nèi)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(guān)信息等。

　　我國黃土高原丘陵溝壑區(qū)是全球水土流失嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)之一。該地區(qū)具有降水稀少、水土流失嚴(yán)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(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),農(nóng)牧業(yè)發(fā)展主要依靠天然降水[1]。據(jù)甘肅省定西市氣象局統(tǒng)計,該地區(qū)多年潛在年蒸發(fā)量(1510mm)遠(yuǎn)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(fā)損失,作物吸收利用降水量占總降水量的20%～30%[2]。該區(qū)黃土覆蓋層厚,土質(zhì)疏松,抗水蝕及風(fēng)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(yǎng)分,加速土壤退化、沙化和荒漠化,降低土地生產(chǎn)力,同時,全球變暖、人口增加、經(jīng)濟發(fā)展、極端氣候事件、不合理耕作模式等加劇區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化,增加糧食生產(chǎn)安全危機,阻礙當(dāng)?shù)亟?jīng)濟增長和農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展,威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全[3]。當(dāng)大強度降水或暴雨發(fā)生時,傳統(tǒng)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(yǎng)分流失、土壤貧瘠化、鹽堿化等,導(dǎo)致下游水域富營養(yǎng)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(dāng)?shù)剞r(nóng)民和政府利用水土保持工程和農(nóng)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(shù)是干旱和半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)普遍應(yīng)用的一種保護性耕作措施。在壟溝集雨種植技術(shù)中,水平溝通常作為種植區(qū),用以種植作物、牧草、林木等,拱形壟作為徑流收集區(qū),收集降水和產(chǎn)生徑流,集雨壟產(chǎn)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(fā)育,增加降水資源利用率。Zhao等[6]的研究結(jié)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(chǎn)潛力,與傳統(tǒng)平作種植相比,壟溝集雨種植馬鈴薯(Solanumtuberosum)產(chǎn)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(shù)通過沿等高線修筑相間壟和溝系統(tǒng),增加地表粗糙度,實現(xiàn)降水資源時空調(diào)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(dá)到控制水土流失的目的[7]。Al-Seekh等[8]的研究結(jié)果表明,壟溝集雨種植系統(tǒng)可增加土壤濕度,延長作物生長季節(jié),減少作物補給灌溉量,與傳統(tǒng)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(tǒng)壟溝集雨種植系統(tǒng)中,當(dāng)發(fā)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(chǎn)生徑流,徑流和降水在溝中向低處匯集,當(dāng)溝內(nèi)徑流深度超過壟面高度,壟面低凹處產(chǎn)生沉降和塌陷,溝內(nèi)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(nèi)降水和徑流向低處匯集,在傳統(tǒng)壟溝集雨種植系統(tǒng)中,修筑拱形打結(jié)壟,拱形打結(jié)壟底寬15～20cm,拱形打結(jié)壟高度略低于集雨壟高度,該系統(tǒng)稱為打結(jié)壟溝集雨種植。打結(jié)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(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng)水分調(diào)控中,對于集雨壟而言,打結(jié)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(jié)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(jié)果表明,與傳統(tǒng)平作相比,打結(jié)壟溝集雨種植的土壤水分和高粱(Sorghumbicolor)籽粒產(chǎn)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(nèi),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(yǎng)元素伴隨徑流流失而損失[11,12]。Grum等[13]研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)平作相比,打結(jié)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(qū)是紫花苜蓿(Medicagosativa)主要產(chǎn)區(qū)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(jié)壟溝集雨種植水土保持效果和增產(chǎn)效應(yīng)與降水量、降水強度、土壤質(zhì)地、坡度、景觀位置、作物類型、起壟時間等有關(guān)。如果打結(jié)壟溝集雨種植設(shè)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(chǎn)等現(xiàn)象[16]。基于此,本研究擬開展有關(guān)坡地打結(jié)壟溝集雨種植的徑流損失、土壤侵蝕、養(yǎng)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(jié)壟溝集雨種植技術(shù)和促進生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)提供理論依據(jù)。

　　1、材料與方法

　　1.1試驗區(qū)概況

　　大田試驗布置于甘肅省定西市水土保持科學(xué)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(qū)域氣候類型屬溫帶半干旱大陸性氣候。根據(jù)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(chǎn)生較多徑流,而旱季(冬季～春季)基本不產(chǎn)生徑流。年潛在蒸發(fā)量1510mm,夏季月潛在蒸發(fā)量150～270mm,冬季月潛在蒸發(fā)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(jié)與多數(shù)作物需水期錯位[17]。試驗土壤質(zhì)地為黃土母質(zhì)上發(fā)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(xué)性質(zhì)見表1。作物生長季節(jié)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(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)

　　1.2試驗設(shè)計

　　1.2.1集雨壟徑流試驗

　　試驗采用完全隨機設(shè)計,共設(shè)3個處理,3個坡度分別為0°、5°和10°,重復(fù)3次(圖1)。根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)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(yù)制板在集雨壟兩側(cè)鋪設(shè)高8cm集流槽(圖1);為防止徑流下滲,集流槽下鋪設(shè)0.2cm厚瀝青,每2條集雨壟之間設(shè)置1.5m隔離區(qū)和觀測區(qū)。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(qū)設(shè)計,坡度作為主區(qū),種植模式作為副區(qū),2個坡度分別為5°和10°,3個種植模式分別為傳統(tǒng)平作、開敞壟和打結(jié)壟,重復(fù)3次,試驗處理數(shù)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(qū)長和寬分別為10.05m和5.00m,每個小區(qū)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(nèi)無覆蓋材料,作為種植區(qū)。選擇甘農(nóng)3號紫花苜蓿(M.sativacv.GannongNo.3)為供試作物,當(dāng)其株高達(dá)到2～3cm時,用原地土壤修筑打結(jié)壟,打結(jié)壟形狀為拱形,打結(jié)壟長度、寬度和高度分別為60cm、20cm和15cm,每2條打結(jié)壟之間打結(jié)距離為2.5m。為收集小區(qū)內(nèi)徑流和阻止小區(qū)外徑流流入,每小區(qū)4周用高出地面15cm預(yù)制板圍起。在小區(qū)上側(cè)設(shè)置排水溝,排水溝導(dǎo)流小區(qū)外徑流,在小區(qū)下側(cè)設(shè)置集流槽,集流槽收集小區(qū)內(nèi)徑流和泥沙。在每小區(qū)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(qū)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(jù)當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗,對于壟溝集雨種植(開敞壟種植和打結(jié)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(qū)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(qū)種植40行;對于傳統(tǒng)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(qū)有效種植面積50.25m2(5m寬×10.05m長),每小區(qū)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(jié)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(jié)皮覆蓋打結(jié)壟,拍實打結(jié)壟上原土,經(jīng)降水、徑流、干燥等作用形成土壤結(jié)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(qū)降水量,為避免偶然事件引起側(cè)漏,同時安裝2臺手動雨量計(RS485,中國)測定試驗區(qū)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(qū)徑流量、小區(qū)徑流效率和小區(qū)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(dāng)發(fā)生高強度降水和小區(qū)產(chǎn)生徑流時,通過觀測徑流泥沙觀測池水深,計算小區(qū)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(xù)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(qū)泥沙流失量,另外3個樣品下層渾濁液在自然條件下風(fēng)干,測定土壤營養(yǎng)元素。小區(qū)徑流量、小區(qū)徑流效率和小區(qū)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(qū)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(qū)徑流量(L·m-2),Aplot為小區(qū)面積(m2),Replot為小區(qū)徑流效率(%),Wsediment為小區(qū)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(qū)單位面積泥沙流失量(g·m-2)。

　　1.4.3泥沙流失營養(yǎng)成分

　　自然風(fēng)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(zhì)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(qū)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(huán)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(zhì)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(shù)。

　　1.4.5紫花苜蓿草產(chǎn)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(qū)隨機刈割3個樣方(60cm×60cm),計算紫花苜蓿干草產(chǎn)量,3個樣方位置分別位于小區(qū)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(fēng)干后,用稱重法計算紫花苜蓿干草產(chǎn)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(qū)產(chǎn)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(chǎn)量(kg·hm-2)。

　　1.5數(shù)據(jù)處理

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

　　2、結(jié)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(shù)為52次,集雨壟產(chǎn)生徑流次數(shù)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(shù)分別為0.994、0.993和0.996,降水與徑流具有較好的相關(guān)性(圖5)。0°、5°和10°集雨壟的臨界產(chǎn)流降水量分別為1.55、1.33和1.00mm,產(chǎn)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(fēng)速、風(fēng)向、徑流面等相同情況下,在一定坡度范圍內(nèi)(0°～10°),集雨壟的臨界產(chǎn)流降水量隨集雨壟坡度增加而減少,產(chǎn)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(guān)系

　　2.2小區(qū)徑流量和徑流效率

　　當(dāng)大強度暴雨發(fā)生時,降水強度超過土壤入滲強度,降水無法全部入滲根區(qū)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(shù)為26次,小區(qū)產(chǎn)生徑流次數(shù)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(qū)徑流量之間差異與小區(qū)徑流效率之間差異基本一致。傳統(tǒng)平作的小區(qū)徑流量和小區(qū)徑流效率顯著(P<0.05)高于開敞壟,開敞壟的小區(qū)徑流量和小區(qū)徑流效率顯著(P<0.05)高于打結(jié)壟。就6次徑流量的平均值而言,在坡度5°時,與傳統(tǒng)平作相比,開敞壟和打結(jié)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(tǒng)平作相比,開敞壟和打結(jié)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(qū)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(yǎng)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(jié)皮結(jié)構(gòu),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(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失。在6次小區(qū)徑流中,泥沙產(chǎn)生3次(圖7)。在6月21日和8月6日泥沙產(chǎn)生過程中,傳統(tǒng)平作的泥沙流失量顯著(P<0.05)高于開敞壟和打結(jié)壟,開敞壟與打結(jié)壟之間差異不顯著;在7月27日泥沙產(chǎn)生過程中,傳統(tǒng)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(jié)壟(圖7)。就3次泥沙流失量平均值而言,與傳統(tǒng)平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結(jié)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(jié)壟的泥沙流失量分別減少95.6%和98.4%。就同一主區(qū)不同處理平均值而言,坡度10°小區(qū)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(zhì)流失量之間差異與泥沙流失量類似。就3次營養(yǎng)元素流失量平均值而言,與傳統(tǒng)平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結(jié)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(zhì)流失量分別減少95.6%和97.9%;在坡度10°時,開敞壟和打結(jié)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(zhì)流失量分別減少94.1%和97.8%。就同一主區(qū)不同處理平均值而言,坡度10°小區(qū)全氮、全磷和有機質(zhì)流失量分別是坡度5°的2.24、2.39和1.97倍(圖7)。

　　圖6小區(qū)徑流和小區(qū)徑流效率

　　根據(jù)Tukey’s-b方差檢驗分析,每組中平均值標(biāo)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(biāo),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(dāng)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(nèi)界面上側(cè)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(shù)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)情況下,打結(jié)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(tǒng)平作。在坡度5°時,傳統(tǒng)平作、開敞壟和打結(jié)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(yīng)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(qū)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(chǎn)生徑流,徑流與降水在溝中疊加,從而增加溝內(nèi)土壤水分,尤其打結(jié)壟溝集雨種植。為清晰分析打結(jié)壟溝集雨種植增產(chǎn)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(jié)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(jié)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(yīng)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(qū)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(zhì)流失

　　2.6紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率

　　干草產(chǎn)量隨氣候條件和耕作管理措施的變化而變化,反映種植區(qū)土地的作物生產(chǎn)力。凈干草產(chǎn)量(netfodderyield,NFY)能反映單位凈種植面積(溝面積)的生產(chǎn)力,實際干草產(chǎn)量(AFY)反映單位總種植面積(溝面積+壟面積)生產(chǎn)力。實際干草產(chǎn)量隨處理變化規(guī)律與凈干草產(chǎn)量類似,開敞壟的實際干草產(chǎn)量和凈干草產(chǎn)量顯著(P<0.05)大于打結(jié)壟,打結(jié)壟顯著(P<0.05)大于傳統(tǒng)平作。就全生育期實際干草產(chǎn)量而言(表2),與傳統(tǒng)平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結(jié)壟的實際干草產(chǎn)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(qū)不同處理平均值而言,坡度5°實際干草產(chǎn)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(chǎn)量與蒸散量的比值,是衡量紫花苜蓿生產(chǎn)過程中土壤水分轉(zhuǎn)化成植物干物質(zhì)的指示性參數(shù)。開敞壟的水分利用效率顯著(P<0.05)大于打結(jié)壟,打結(jié)壟顯著(P<0.05)大于傳統(tǒng)平作。與傳統(tǒng)平作相比,在坡度5°時,開敞壟和打結(jié)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(jié)壟水分利用效率分別增加4.4和2.0kg·hm-2·mm-1。就同一區(qū)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(qū)0～200cm土壤貯水量

　　圖9各處理返青前和刈割后種植區(qū)土壤含水量

　　表2紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率

　　注:TP、OR和TR分別代表傳統(tǒng)平作、開敞壟和打結(jié)壟。NFY是凈干草產(chǎn)量,AFY是實際干草產(chǎn)量。根據(jù)Tukey’s-b方差檢驗分析,每組中平均值標(biāo)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(yǎng)元素流失受降水量、降水強度、坡度、下墊面、植被、土壤結(jié)構(gòu)、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(dāng)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(yǎng)元素遷移和再分配。研究打結(jié)壟溝集雨種植的徑流、泥沙流失和營養(yǎng)元素流失對壟溝集雨種植應(yīng)用機理和農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)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(nèi)。在打結(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng)中,打結(jié)壟縮短徑流在溝內(nèi)流動距離,避免溝內(nèi)徑流向低處局部匯集,以免引起溢壟和潰壟等現(xiàn)象,尤其在大強度降水或暴雨情況下,打結(jié)壟溝集雨種植通常不產(chǎn)生或較少產(chǎn)生地表徑流,與傳統(tǒng)平作相比,打結(jié)壟溝集雨種植可減少徑流、泥沙和土壤養(yǎng)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(jié)壟溝集雨種植,多數(shù)降水來不及下滲,在溝內(nèi)產(chǎn)生徑流滯留和積水,可能導(dǎo)致水澇。當(dāng)積水深度超過打結(jié)壟高度后,徑流溢過打結(jié)壟,徑流流線更長,積水量更多,降水和徑流向溝內(nèi)低處匯集;當(dāng)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(chǎn)等[16,20]。本研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)平作相比,開敞壟和打結(jié)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(zhì)流失量分別減少94.1%～95.6%和97.8%～97.9%。開敞壟和打結(jié)壟溝集雨種植紫花苜蓿顯著降低小區(qū)徑流量、泥沙流失量和營養(yǎng)元素流失量。Schiettecatte等[21]研究結(jié)果表明,在相同降水和土壤環(huán)境條件下,壟溝集雨種植,尤其打結(jié)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(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和修復(fù)的重點和難點,確定適宜坡耕地利用方式是實現(xiàn)流域水土流失治理和生態(tài)環(huán)境修復(fù)的重要措施[22]。盡管前人在我國黃土高原丘陵溝壑區(qū)實施農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)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(qū)域控制水土流失成效不顯著和植被建設(shè)速度較慢。評價水土保持措施的土壤水分環(huán)境對促進該區(qū)域水土流失綜合治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有理論指導(dǎo)意義[22,23,24]。土壤營養(yǎng)元素是土壤健康的重要標(biāo)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(tài)發(fā)育和產(chǎn)量形成,而且影響植物根瘤、固氮能力等。磷是構(gòu)成植物體內(nèi)核酸、磷脂和核苷酸的重要元素,植物莖葉和根系發(fā)育、抗病能力、抗旱能力、越冬率等與其直接相關(guān)。土壤有機質(zhì)是土壤固相的重要組成成分和土壤營養(yǎng)元素的主要載體,其可改良土壤結(jié)構(gòu)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(jié)果表明,集雨壟徑流量、小區(qū)徑流量、徑流效率、泥沙流失量和營養(yǎng)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(qū)泥沙流失量、全氮流失量、全磷流失量和有機質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(wěn)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(yǎng)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(nèi),泥沙、有機氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮流失量均隨坡度的增大而增大。何淑勤等[27]研究發(fā)現(xiàn),產(chǎn)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(fā)現(xiàn),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(jié)構(gòu)、土壤孔隙度、抗蝕性及抗沖性等物理性質(zhì)明顯影響徑流、泥沙流失量和營養(yǎng)元素流失量。Fang等[29]研究發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)結(jié)皮形成速度,而加速溝內(nèi)沉積性結(jié)皮形成速度,溝內(nèi)沉積性結(jié)皮可減緩降水和徑流入滲,導(dǎo)致溝內(nèi)植物根系可利用水分減少,最終引起作物減產(chǎn)和水分利用效率降低。

　　土壤濕度是水文循環(huán)最重要的組成部分,尤其在降水量較少和蒸發(fā)量較高的干旱和半干旱地區(qū),土壤濕度是植被蓋度、高度、頻度、密度、優(yōu)勢種、分布類型等的決定因素。不恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)活動和強烈氣候變化導(dǎo)致土壤干燥化、沙化和荒漠化,進而持續(xù)增加土壤蒸發(fā)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(fēng)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(biāo)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(jié)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(chǎn)生徑流在溝內(nèi)滯留和下滲,從而提高溝內(nèi)土壤含水量;同時,壟上覆蓋材料抑制土壤水分無效蒸發(fā),促進土壤對天然降水資源有效蓄積,改善作物根區(qū)土壤水分狀況,促進作物干物質(zhì)積累。Wiyo等[34]研究表明,打結(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng)增加粘質(zhì)土壤的土壤貯水量,但不增加沙質(zhì)土壤的土壤貯水量。本研究結(jié)果表明,與平作相比,開敞壟和打結(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)平作相比,打結(jié)壟溝集雨種植的土壤含水量可增加13%。

　　多數(shù)研究集中于打結(jié)壟溝集雨種植的起壟與作物產(chǎn)量間關(guān)系等方面,起壟與作物產(chǎn)量間關(guān)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(shè)置開敞壟和打結(jié)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(nèi)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(fā)育和產(chǎn)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(jié)壟溝集雨種植引發(fā)潰壩效應(yīng),減少玉米籽粒產(chǎn)量;在半干旱年(500mm<降水量<900mm),打結(jié)壟溝集雨種植匯集更多降水,增加玉米籽粒產(chǎn)量;在干旱年(降水量<500mm),打結(jié)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(chǎn)量增加不明顯或減少。本研究結(jié)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(jié)壟溝集雨種植可增加其干草產(chǎn)量。與傳統(tǒng)平作相比,開敞壟和打結(jié)壟種植紫花苜蓿全年干草產(chǎn)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(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng)將時空不連續(xù)和不穩(wěn)定降水轉(zhuǎn)化為具有持續(xù)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(fā)育。坡地打結(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng)具有減少種植區(qū)徑流、提高土壤水分含量、控制水土流失、減少地表營養(yǎng)元素?fù)p失、增加作物產(chǎn)量等優(yōu)點。Biazin等[38]研究表明,在埃塞俄比亞等非洲半干旱熱帶地區(qū),小農(nóng)戶不愿意投資建設(shè)打結(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng),主要原因是坡地打結(jié)壟溝集雨系統(tǒng)需要增加人工投入,且不穩(wěn)定的降水量和干旱氣候無法確保作物每年豐產(chǎn),進而無法彌補多余人工投入。為更好研究坡地打結(jié)壟溝集雨種植在水土保持和作物增產(chǎn)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(jié)壟排列方式和植被類型對坡地打結(jié)壟溝種植徑流、泥沙、營養(yǎng)元素、作物產(chǎn)量等方面研究。

　　4、結(jié)論

　　集雨壟的臨界產(chǎn)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(jié)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(qū)含水量排列順序為下坡>中坡>上坡。開敞壟和打結(jié)壟溝集雨種植紫花苜蓿能顯著降低小區(qū)徑流量、泥沙流失量和營養(yǎng)元素流失量,同時增加土壤貯水量、紫花苜蓿實際干草產(chǎn)量和水分利用效率。集雨壟徑流量、小區(qū)徑流量、小區(qū)徑流效率、泥沙流失量和營養(yǎng)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(chǎn)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(chǎn)量效果最為明顯,而打結(jié)壟水土保持效果最為明顯。

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