隔坡水平溝土壤水分變化規(guī)律及利用效果

隔離坡度的水平溝也稱為山地水平溝。在干旱地區(qū)，每條邊坡都必須沿等高線打開溝，并形成水平溝，以全部堵塞坡度上的降水徑流，以減少水土流失。該技術產(chǎn)生于20世紀70年代晉西黃土高原的坡耕地。80年代末,作為山西旱地農(nóng)業(yè)的重要成果之一,主要用于林業(yè)領域。近年來,作為黃土高原開發(fā)基本農(nóng)田,穩(wěn)定糧食生產(chǎn),促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的主要措施,該技術被廣泛應用于種植業(yè)。其技術優(yōu)勢在于,能借助自然坡面,趨利避害,有效利用雨季6~9月份的降水產(chǎn)流,使水平溝作物比相等降水種植于普通坡耕地上的作物對天然降水有更有效的利用效果,達到了真正意義上的提高降水利用率。本研究旨在探討隔坡水平溝技術下水平溝土壤水分的變化規(guī)律及利用效果。1材料和方法1.1栽培作物及降水試驗設在隰縣城北坡耕地上(16°~19°),黃綿土質(zhì),年蒸發(fā)量1832.6mm,年平均降雨量509.7mm,降水多集中在汛期的6~9月份。主要種植作物為玉米、馬鈴薯。從表1可見,和歷年降水量509.7mm相比,2001年降水量481.1mm為欠水年,2002年降水量503.5mm為平水年,2003年降水量696.8mm為豐水年,欠水年春旱嚴重,平水年和豐水年伏旱嚴重,測試3年,旱象典型,降水三個類型年份,在該區(qū)具有一定的代表性。1.2深翻加大溝,填平溝水平溝修建在2000年7月進行,以利于蓄納當年降雨。修建時,在坡耕地上自上而下沿等高線劃成4~6m坡帶。挖溝時,從坡頂端開始,沿等高線將開溝處和溝下沿堆土部位坡面0~20cm的熟土層翻到水平溝上沿坡面上。然后在開溝處下挖40~60cm,挖出的生土做水平溝的埂。深度達到后再縱深下翻一鍬,將糞肥均勻撒入,然后回填開溝時移出的熟土,同時將相應坡面上0~5cm的熟土層回田填進溝。修整好的水平溝,埂高40cm,頂寬30cm,溝寬1~1.2m。1.3玉米改良方法在同一坡面上,并列設置3個小區(qū)(每區(qū)150m2),第一區(qū)為坡耕地玉米,第二區(qū)為水平溝玉米,第三區(qū)為水平溝馬鈴薯,第二、三區(qū)內(nèi)均有5個1m×5m的水平溝。供試玉米為新改良中單,馬鈴薯為克新1號。種植密度,坡耕地玉米(傳統(tǒng)種植)為4萬株/hm2,水平溝玉米(實有面積計)為6萬株/hm2,水平溝馬鈴薯為6萬株/hm2。1.4土壤水分測定作物生育期間每20d取樣1次,播前收后各取樣1次。每次用土鉆取樣測定土壤水分,取樣深度均為0~200cm,0~100cm每10cm為一層次,100~200cm每20cm為一層次。用烘干稱重法計算土壤水分含量。2結(jié)果與分析2.1水平溝馬鈴薯與玉米種子產(chǎn)量及土壤儲水量變化表2結(jié)果表明:①作物生育期內(nèi),不論年份雨水豐欠,隔坡水平溝0~200cm土層土壤儲水量均有所增加,水平溝玉米田增加92.0mm,水平溝馬鈴薯田增加132.1mm。這主要是由于水平溝能最大限度地蓄納雨季降水產(chǎn)流,在滿足水平溝作物生長發(fā)育的同時,多余水分可補蓄于深層土壤的結(jié)果。②水平溝馬鈴薯田0~200cm土層土壤儲水量增加幅度大于水平溝玉米田,高出40.1mm(3年平均)。這是由于水平溝玉米有極強的邊際效應,植株健壯高大,玉米又是深根系作物,根系深達2m,而馬鈴薯是淺根系作物,其根系活動劇烈層在20~60cm,隨著作物生育期的進展,不同作物根系向深層延伸程度不同,土壤儲水量遞減的層次也隨著加深。加之,玉米、馬鈴薯兩種作物耗水強度不同,玉米(2.54~4.40mm/d)比馬鈴薯(2.40~3.76mm/d)多0.14~0.64mm/d。所以,水平溝馬鈴薯0~200cm土層土壤儲水量增加幅度比水平溝玉米大。③雨季降雨量多的年份(2003年),水平溝作物土壤儲水量增加幅度相對更大,比雨季降雨量較少的2001和2002年兩年平均值高出50.1mm。這是由于2003年雨季降雨量539.5mm,比2001和2002年兩年雨季平均降雨量361.3mm高出178.2mm,僅8月26日就降雨115.9mm,如此多而集中的降雨,必然產(chǎn)生大量徑流攔蓄于水平溝,迫使水平溝儲水迅速向深層轉(zhuǎn)移。加之,水平溝的溝壟結(jié)構(gòu)形式,又使蓄積于其中的土壤水分處于相對穩(wěn)定狀態(tài),蒸發(fā)損失相對小,所以雨季降雨量多的年份水平溝土壤儲水量增加幅度更大。2.2當年，干坡水平溝土壤水分變化2.2.1欠水年土體儲水量特征此期降水少,溫度低,土壤水分蒸發(fā)消耗少。與坡耕地相比,隔坡水平溝0~200cm土層土壤含水量均在10%以上,土壤水分相對穩(wěn)定。從土體儲水量看,豐水年和平水年水平溝比坡耕地多,但差異不大,而在欠水年差異比較明顯,而且是水平溝土體儲水量(322.7mm)比坡耕地土體儲水量(341.3mm)少18.6mm,這是由于欠水年嚴重春旱所致(3~5月降雨僅26.3mm)。進一步研究還表明,該期土壤水分相對穩(wěn)定層只是在40~200cm,而由于此期降雨少、多風,0~40cm土層土壤水分變化相對劇烈。到4月底5月初,欠水年和平水年水平溝0~20cm土壤含水量只維持在7.7%~9.4%,20~40cm在11.7%~12.3%,豐水年0~40cm土層土壤含水量也只維持在9.7%~11.4%,這對玉米等一年一作的大秋作物的播種、出苗十分不利,因此需要采取有效的保墑措施。2.2.2土層土壤含水量該期降雨少,氣溫升高,蒸發(fā)強烈,土壤水分消耗大,豐水年和平水年水平溝0~20cm土層土壤含水量均在12%以上,基本能滿足作物苗期的需要。而欠水年,由于0~20cm土層土壤含水量僅在5.67%~7.10%,0~200cm土層土壤含水量也只有9.94%~11.32%,不利于作物苗期生長。2.2.3水平溝玉米、馬鈴薯生長情況此期正逢雨季,土壤濕度大,土壤蒸發(fā)及作物蒸騰也最大,雨熱同步,對水平溝作物的生長十分有利(表3)。從表3可見,水平溝玉米、馬鈴薯雨季0~200cm土層土壤含水量均在13%~14%,基本上能滿足作物生長需要。但也不難發(fā)現(xiàn),平水年和豐水年中,水平溝玉米、馬鈴薯雨季0~200cm土層土壤含水量反而小于欠水年,玉米田少3.42%~4.50%,馬鈴薯田少2.99%~3.75%。出現(xiàn)這一情況,是由于平水年和豐水年發(fā)生了嚴重伏旱,平水年7月份降雨僅20.2mm,豐水年7月份降雨也才38mm。平水年的伏旱,土壤表層水分達到凋萎濕度,8月7日測定,水平溝玉米0~60cm土壤水分含量為7.17%,馬鈴薯為7.93%。豐水年有伏旱,但7月13日降雨14.3mm,所以2003年比2002年伏旱略輕。8月3日測定,水平溝玉米0~60cm土壤水分含量為8.40%,水平溝馬鈴薯為8.73%。嚴重的伏旱,使水平溝作物產(chǎn)量受到嚴重影響,欠水年的水平溝玉米產(chǎn)量反而比全年降雨較多的平水年和豐水年高,比平水年高出301.5kg/hm2,比豐水年高出115.5kg/hm2。2.2.4保水保水措施此期,降水減少,溫度下降,秋風習習,土壤蒸發(fā)和作物蒸騰較大,土壤水分消耗也大。隔坡水平溝0~200cm土層土壤含水量,豐水年(10月13日測定)水平溝玉米田為15.48%,平水年(10月9日測定)和欠水年(10月17日測定)兩年平均為13.58%。而到土壤凍結(jié)時,水平溝0~200cm土層土壤含水量,豐水年降到了11.67%,平水年和欠水年降到了10.17%?？梢?10月上旬至土壤凍結(jié),水分消耗大,應及時采取保墑措施。2003年10月15日進行收獲后的水平溝整秸稈覆蓋,到11月23日土壤凍結(jié)時測定,水平溝0~100cm土層土壤水分含量為13.78%,比不覆蓋田的11.67%高出2.11個百分點。到2004年4月27日播種時測定,水平溝0~100cm土層土壤水分含量為11.89%,比不覆蓋田的10.7%高出1.19個百分點。由此說明,作物收獲后,水平溝玉米整秸稈覆蓋可大大減輕冬前土壤水分散失,緩解春旱。2.3豐水年及其他平水年分布表4結(jié)果表明,豐水年0~200cm土層土壤含水量隔坡水平溝玉米田比坡耕地玉米田高出1.75個百分點,平水年高出1.36個百分點,欠水年高出1.47個百分點。土壤儲水量,豐水年高出58.7mm,平水年高出44.5mm,欠水年高出48.6mm。3年平均隔坡水平溝玉米田0~200cm土層土壤水分含量14.28%,比坡耕地玉米田12.7%高出1.53個百分點,土壤儲水量高出50.4mm。2.4善抓小肥,水肥善施由于隔坡水平溝攔蓄雨季降雨產(chǎn)流,豐富了“土壤水庫”,水平溝修建時的集中施肥和熟土層的大量回填,又改善了土壤結(jié)構(gòu)和肥力狀況,起到了積極的以肥調(diào)水作用。加之,水平溝作物的邊行優(yōu)勢,優(yōu)化了作物的通風透光條件,使隔坡水平溝作物產(chǎn)量顯著高于坡耕地(表5)。測試3年,水平溝玉米比坡耕地玉米增產(chǎn)100.2%,降水利用率提高9.3kg/mm·hm2,說明隔坡水平溝作物比坡耕地作物對天然降水有更好的利用效果。3季節(jié)降水分布測試3年,不論年份雨水豐欠,隔坡水平溝0~200cm土層土壤儲水量均有所增加,水平溝玉米田增加92.0mm,水平溝馬鈴薯田增加132.1mm;兩季雨量多的年份(2003年)水平溝土壤儲水量相對增加幅度更大,比雨季降雨相對少的(2002和2001年)年份高出50.1mm。測試3年,隔坡水平溝玉米田0~200cm土層土壤含水量14.28%比坡耕地玉米田12.7%高出1.53個百分點,土壤儲水量高出50.4mm。相對地講,隔坡水平溝作物產(chǎn)量的