辽西地区坡耕地垄膜沟种对土壤侵蚀和作物产量的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

肖继兵, 孙占祥, 蒋春光, 郑家明, 刘洋, 杨宁, 冯良山, 白伟. 辽西地区坡耕地垄膜沟种对土壤侵蚀和作物产量的影响[J]. , 2016, 49(20): 3904-3917 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.20.005
XIAO Ji-bing, SUN Zhan-xiang, JIANG Chun-guang, ZHENG Jia-ming, LIU Yang, YANG Ning, FENG Liang-shan, BAI Wei. Effect of Technique of Ridge Film Mulching and Furrow Seeding on Soil Erosion and Crop Yield on Sloping Farmland in Western Liaoning[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(20): 3904-3917 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.20.005

0 引言

【研究意义】土壤侵蚀直接或间接导致土壤肥力下降,造成土质恶化、生态破坏,土壤侵蚀已成为中国重要的环境问题之一^[1]。坡耕地是中国重要的耕地资源,其面积占全国耕地总面积的17.5%,然而坡耕地是水土流失的重要策源地,是大量江河泥沙的主要来源,其年土壤流失量占全国流失总量的30.0%^[2]。辽西地区是辽宁省土壤侵蚀最严重的地区,5°以上坡耕地面积约占耕地总面积的32.1%,坡耕地的水土流失是桎梏农业生产和经济发展的一个主要原因。因此,研究不同耕种模式对坡耕地土壤侵蚀的影响,对于提升坡耕地粮食综合生产能力,改善脆弱的生态环境,促进该区旱地农业可持续发展意义重大。【前人研究进展】已有研究表明,凡是改变微地形（等高耕作、沟垄种植等）、增加地面覆盖（秸秆覆盖、地膜覆盖等）、改变土壤物理性状（少、免耕等）的耕作措施及采用轮间作和套种等栽培技术均有减少和防止水土流失发生的作用并能提高产量^[3-10]。垄沟种植有利于改善田间小气候,可有效提高土壤温度,减小风速,拦截径流,减少土壤流失,增加土壤蓄水,达到集水、保墒、增温的效果。在垄背上覆盖地膜,不仅有增温保墒和减轻风蚀、水蚀的作用,而且使自然降雨特别是<10 mm的无效或微效降雨能很快形成径流贮存到膜下作物根部,集水功能明显提高,显著提高水、肥利用率,增加作物产量^[11-18]。同时土壤水、温条件的改善可促进微生物的大量繁殖,提高土壤微生物含量,利于土壤养分的有效化^[19]。在垄覆膜的基础上,沟覆盖秸秆,可进一步减少土壤蒸发,增加地表粗糙度,减缓径流的发生,提高天然降水的生产效率^[20-21]。【本研究切入点】干旱缺水和水土流失严重威胁着辽西地区农业生产的可持续发展,如何有效拦蓄径流、促进降水入渗,提高自然降水利用率是该区生态环境建设和农业可持续发展的关键。垄膜沟种可使有限的降水集中使用,减少和防止水土流失的发生。目前垄膜沟种集雨种植研究主要在平地,研究内容主要集中在水肥利用效率、土壤特性、作物生理和产量等方面,而垄膜沟种长期定位种植对坡耕地“防蚀-集雨-增产”的效果研究很少。【拟解决的关键问题】通过进行坡耕地垄膜沟种防蚀、集雨、增墒、增产试验研究,有效解决干旱缺水和水土流失对该区坡耕地作物生长造成的不利影响,提高水土资源利用率,提升坡耕地粮食综合生产能力,发展旱区节水型生态农业,为半干旱地区坡耕地垄膜沟种集水种植,控制区域土壤侵蚀、保护环境提供一定的技术支撑。

1 材料与方法

1.1试验区概况
辽西地区包括阜新、朝阳、葫芦岛和锦州部分区域,属温带大陆性季风气候区,年平均气温7—8℃,10℃以上积温为2 900—3 400℃,无霜期为135—165 d,5—9月份日照时数为1 200—1 300 h,全区土地面积约为3×10⁴km²,耕地面积约为68.97×10⁴hm²,土地和光热资源十分丰富。年降水量仅为300—500 mm,雨量偏少且集中,降水变率较大,水土流失严重,旱灾频繁,“十年九旱”是其基本气候特征,区域内年降水量的总分布趋势为从东部到西部逐渐递减。
试验于2012—2015年在辽宁省农业科学院阜新旱农试验区进行,该区地处东经121°01′―122°25′,北纬40°44′―42°34′之间。年平均气温7.2℃,≥10℃的活动积温年平均为3 324℃,无霜期年平均为144 d,光照充足,昼夜温差大。植被覆盖度差,年均降水量423 mm,降水季节分布不均,冬季降水最少,春、秋季降水居中,夏季降水最多,占全年降水总量的70%以上,且多以大雨、暴雨形式出现,降雨强度大,易超渗产流导致坡耕地水土流失加剧。除大小春旱年年发生外,常形成伏旱、秋旱,属典型的半干旱雨养农业区。阜新地区坡耕地多分布在浅山丘陵漫岗区,地块面积较小,土地贫瘠。该区坡耕地总面积为21.65×10⁴ hm²,占耕地总面积的41.69%,其中5°―15°的坡耕地占坡耕地总面积的78.26%,是水土流失综合治理的主要区域。
试验区降雨分布情况见图1。2012—2015年作物生育期降雨量分别为471.0 mm、409.0 mm、293.7 mm、210.9 mm,4年平均降雨量为346.2 mm,各年最大次降雨量分别为61.0 mm、185.0 mm、30.2 mm、29.9 mm,。4年间作物生育期总计降雨95次,其中小于10 mm的降雨占总降雨次数的62.1%,80.2%的降雨为大于10 mm的降雨。4年间,5月份平均降雨量仅占生育期平均降雨量的11.3%,并且5月份次降雨量<10 mm的降雨达73.7%,春旱极易发生,7月份降雨量较大。由此可见,该区作物生育期间无效或微效降雨次数居多,降雨总量取决于次数较少的中到大雨。该区同期多年平均降雨量为374.0 mm,若根据降水距平±15%作为干旱年和丰水年的划分界限,2012年属丰水年,2013年属平水年,2014年属干旱年,2015年属严重干旱年。降水季节分布不均和年际间降水变率较大限制了农业生产,同时较多次数的无效或微效降水使有限的降水资源不能得以充分利用。

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图12012—2015年作物生育期次降雨量分布
-->Fig. 1Rainfall distribution during growing periods of crop in 2012-2015
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1.2 试验设计

采用径流小区定位观测,径流小区长15 m,宽4 m,面积为60 m²。建筑材料用砖作边埂,并用水泥抹砌,边埂上缘向外倾斜60°。小区下方接蓄水池,池壁附有标尺,用于测量次降雨径流小区产生的径流量。试验采用裂区设计,主区为坡度,设5°和10°两个坡度,副区为种植方式,分别为传统种植（CK,等高沟垄种植）、等高垄膜沟秸秆种植（T1）、等高垄膜沟种（T2）,3次重复。垄膜沟种沟宽60 cm,垄宽40 cm,垄高10―12 cm,垄上覆膜为集水区,沟内膜侧种植两行作物,先起垄覆膜,然后播种,地膜厚度为0.014 mm。试验地前茬作物为花生。传统种植等行距种植,行距50 cm。垄膜沟秸秆种植结合中耕在6月中旬（拔节初期）沟内种植区覆盖风干玉米秸秆,秸秆长度5 cm左右,覆盖量为7 500 kg·hm^-2,覆盖至作物收获,秋后所覆秸秆翻耕入土,翻耕深度为20―25 cm。沟垄覆盖方式每年收获后保留原垄,人工刨除根茬,翌年适当修理重新覆膜。玉米和谷子是辽西地区的主栽作物,因此选取玉米（铁研58）和谷子（朝谷14）为供试作物,轮作种植。2012年种植谷子,2013年种植玉米,谷子和玉米每年5月上旬播种,9月下旬收获。谷子种植密度为37.5×10⁴株/hm²,株距5 cm,播种方式为条播。玉米种植密度为5.25×10⁴株/hm²,株距38 cm,播种方式为穴播。种肥为磷酸二铵（谷子：225 kg·hm^-2,玉米：375 kg·hm^-2）,施种肥方式为条施,拔节初期结合中耕追施尿素（谷子：150 kg·hm^-2,玉米：375 kg·hm^-2）,试验小区土壤为壤质褐土,播前各小区0―20 cm耕层土壤养分含量见表1。
Table 1
表1
表1供试土壤播前基础养分含量
Table 1The basic nutrient contents in the tested soils before sowing

年份 Year	坡度 Slope	pH	有机质 O.M (g·kg^-1)	全氮 Total N (g·kg^-1)	碱解氮 Available N (mg·kg^-1)	有效磷 Available P (mg·kg^-1)	速效钾 Available K (mg·kg^-1)
2012	5°	6.19	12.20	0.81	73	105	205
2012	10°	7.15	12.00	0.74	72	94	205
2013	5°	7.12	12.97	0.77	54	45	155
2013	10°	7.70	12.00	0.68	55	45	143
2014	5°	7.11	14.60	0.87	72	69	231
2014	10°	7.91	14.09	0.80	64	54	226
2015	5°	7.17	14.95	0.87	82	56	212
2015	10°	7.93	13.02	0.77	72	28	195

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1.3 测定项目与方法

1.3.1 降雨因子在径流场中设置SJ1型虹吸式自计雨量计,记录降雨过程,据此计算每次降雨的降雨量、降雨历时等。
1.3.2 次浑水径流量 Q=A·h （1）
式中,Q为蓄水池内容纳的径流量（m³）;A为蓄水池面积（m²）;h为蓄水池内径流泥沙混合溶液的深度（m）。
1.3.3 次土壤侵蚀量 S=Q·λ （2）
式中,S为小区泥沙侵蚀量（kg）;Q为蓄水池内容纳的浑水径流量（m³）;λ为径流含沙量（kg·m^-3）,λ测定方法为在水池内混匀泥水,用取样器采集1L泥水样用滤纸过滤、烘干,测定侵蚀泥沙量,同时可取样测侵蚀泥沙的养分含量。
1.3.4 土壤含水量(θ_m)和养分含量土壤含水量用经典烘干法测定,测定数值为质量含水量。先在田间选取代表性取样点,按所需深度分层取土样,将土样放入铝盒并立即盖好称重（湿土加铝盒重,W₁）,然后打开盖,置于烘箱,在105—110℃下烘至恒重,再称重（干土加铝盒重,W₂）,空铝盒重（W₃）,则该土壤质量含水量按下式求出:
θ_m=（W₁–W₂）/(W₂–W₃)×100% （3）
取样部位为作物行间和株间,每小区在坡上、坡中和坡下部各取一点测土壤水分,取样深度为100 cm,分6个层次,分别为0—10、10—20、20―40、40—60、60―80、80―100 cm。
各小区播前土壤养分测定取样深度为20 cm,采用“S”形法在每个小区上、中、下坡位取0—10、10—20 cm 2个层次混合样品。各小区耕层及侵蚀泥沙中养分测定指标包括有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾,所有测定项目根据《土壤理化分析》用常规方法进行测定。
1.3.5 作物产量作物成熟后,在坡上部、坡中部和
坡下部各取4 m²样方测产。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据处理及图表制作,DPS 8.50软件进行LSD多重比较。

2 结果

2.1 垄膜沟种对土壤侵蚀的影响

2.1.1 不同处理对土壤侵蚀的影响由表2可见,4年间5°坡T1（垄膜沟秸秆）和T2（垄膜沟种）2种集水种植模式未发生土壤侵蚀,CK总径流量为512.7 m³·hm^-2,总侵蚀量为4 561.3 kg·hm^-2;10°坡T1总径流量和总侵蚀量较对照分别减少81.71%和96.17%,10°坡T2总径流量和总侵蚀量较对照分别减少56.92%和95.15%,同时10°坡T1总径流量和总侵蚀量比T2分别减少57.54%和21.05%。垄膜沟种较对照有较好的防蚀效果,在垄覆膜的基础上沟覆秸秆可进一步强化防蚀效果。坡度由5°到10°,随着坡度的加大,垄膜沟秸秆和垄膜沟种防蚀效果相对减弱。T1和T2减沙效应较削减径流作用更为明显。同一处理,随着坡度的增大,径流量和侵蚀量增加,但侵蚀量的增加幅度远大于径流量的增加幅度。如对照由5°坡到10°坡,径流量增加了24.66%,侵蚀量却增加了322.88%。
Table 2
表2
表22012—2015年不同处理水土流失情况
Table 2Soil and water loss of different treatments in 2012-2015

年份 Year	测定指标 Determining quota	5°坡 Slope of 5°			10°坡 Slope of 10°
年份 Year	测定指标 Determining quota	CK	T1	T2	CK	T1	T2
2012	径流量Runoff (m³·hm^-2)	113.1	0	0	132.0	66.0	67.9
2012	侵蚀量Erosion amount (kg·hm^-2)	962.0	0	0	1896.9	366.7	479.6
2013	径流量Runoff (m³·hm^-2)	109.3	0	0	156.5	0	118.8
2013	侵蚀量Erosion amount (kg·hm^-2)	21.1	0	0	100.3	0	24.0
2014	径流量Runoff (m³·hm^-2)	181.0	0	0	233.7	50.9	88.6
2014	侵蚀量Erosion amount (kg·hm^-2)	1407.8	0	0	12717.7	371.3	431.2
2015	径流量Runoff (m³·hm^-2)	109.3	0	0	116.9	0	0
2015	侵蚀量Erosion amount (kg·hm^-2)	2170.4	0	0	4574.0	0	0
2012-2015	总径流量Total runoff (m³·hm^-2)	512.7	0	0	639.1	116.9	275.3
2012-2015	总侵蚀量Total erosion amount (kg·hm^-2)	4561.3	0	0	19288.9	738.0	934.8

2.1.2 不同处理对侵蚀泥沙养分浓度和养分流失量的影响以2014年6月18日次典型暴雨事件为例分析不同处理对坡耕地侵蚀泥沙养分流失的影响。从表3可以看出,由5°坡到10°坡,对照侵蚀泥沙中养分浓度呈下降趋势,这可能与2014年播前对照耕层土壤基础养分含量有关;10°坡T1、T2侵蚀泥沙中养分浓度均不同程度高于对照（T2有效磷除外）,这可能与不同处理播前耕层土壤基础养分含量和种植方式等有关。

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Table 3
表3
表3不同处理播前耕层养分含量及不同处理对侵蚀泥沙养分浓度的影响
Table 3Topsoil nutrient contents before sowing and influence of different treatments on nutrient concentrations in sediment

取样点 Sampling location	坡度 Slope	处理 Treatments	有机质 O.M (g·kg^-1)	全氮 Total N (g·kg^-1)	碱解氮 Available N (mg·kg^-1)	有效磷 Available P (mg·kg^-1)	速效钾 Available K (mg·kg^-1)
播前耕层 Topsoil before sowing	5°	CK	14.40	0.86	77	74	235
	10°	CK	13.47	0.75	68	55	145
		T1	14.40	0.83	57	61	239
		T2	14.40	0.82	66	46	295
侵蚀泥沙 Eroded sediment	5°	CK	13.93	0.80	90	60	201
	10°	CK	12.56	0.69	53	53	141
		T1	15.88	0.90	67	63	265
		T2	16.90	0.90	79	50	293

从表4可以看出,各处理以有机质流失量最大,其次是全氮。对照由5°坡到10°坡,有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾流失量分别增加714.53%、676.99%、415.38%、737.50%、539.29%。10°坡T1各养分流失量较10°坡对照分别减少96.31%、96.24%、97.01%、97.01%、94.41%,T2各养分流失量较对照分别减少95.44%、95.56%、95.52%、97.01%、92.74%。10°坡T2除有效磷流失量与T1相同外,有机质、全氮、碱解氮、速效钾流失量较T1分别增加23.56%、18.18%、50.00%、30.00%。

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Table 4
表4
表4不同处理养分流失量
Table 4Nutrient loss quantity of different treatments (kg·hm^-2)

坡度 Slope	处理 Treatment	有机质 O.M	全氮 Total N	碱解氮 Available N	有效磷 Available P	速效钾 Available K
5°	CK	19.61	1.13	0.13	0.08	0.28
10°	CK	159.73	8.78	0.67	0.67	1.79
	T1	5.90	0.33	0.02	0.02	0.10
	T2	7.29	0.39	0.03	0.02	0.13

2.2 垄膜沟种对土壤水分的影响2.2.1 不同处理集雨增墒效果表5所测雨前土壤水分为长时间无有效降雨情况下2014年8月7日测定结果,8月8日降雨,8月9日测不同处理土壤水分。结果表明,5°坡和10°坡雨前不同处理0—100 cm平均土壤水分差异不显著。雨后,5°坡T1、T2土壤水分与对照差异极显著,比对照分别高出1.67和1.26个百分点;10°坡3个处理土壤水分差异极显著,T2土壤水分比T1和对照分别高出1.69和3.49个百分点,T1土壤水分比对照高出1.80个百分点,充分体现了垄膜沟种及垄膜沟秸秆集雨增墒效果。通过比较雨前雨后土壤水分来分析不同处理降水入渗深度可知,5°坡对照降水入渗深度可能只有20 cm,而T1和T2降水入渗深度可达20―40 cm;10°坡对照和T1降水入渗深度为20 cm,而T2降水入渗深度可达20―40 cm,降水入渗越深,则保墒效果越好,这也充分体现了垄膜沟种的蓄水保墒功能。

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Table 5
表5
表5不同处理雨前和雨后土壤含水量
Table 5Soil water content of different treatments before and after rain (%)

降雨前后 Before and after rain	坡度 Slope	处理 Treatment	土壤层次 Soil layer (cm)						平均 Mean
降雨前后 Before and after rain	坡度 Slope	处理 Treatment	0-10	10-20	20-40	40-60	60-80	80-100	平均 Mean
雨前土壤含水量 Soil water content before rain	5°	CK	5.90bB	6.28bB	6.95aA	7.22bA	9.24aA	7.85bA	7.47aA
		T1	7.68aA	8.64aA	6.74aA	7.20bA	8.70aAB	9.82aA	8.12aA
		T2	7.09aA	8.64aA	7.53aA	7.72aA	7.47bB	9.23abA	7.96aA
	10°	CK	6.14bB	8.65aA	8.23aA	6.71cC	6.62aA	6.50aA	7.09aA
		T1	7.79aA	7.78aA	7.98aA	8.40aA	7.25aA	7.43aA	7.77aA
		T2	8.39aA	8.04aA	8.52aA	7.70bB	6.59aA	7.06aA	7.62aA
雨后土壤含水量 Soil water content after rain	5°	CK	21.47bA	8.60bB	7.57bB	7.59bB	9.61aA	9.29aA	9.82bB
		T1	23.39aA	15.49aA	10.46aA	8.40aA	10.02aA	9.14aA	11.49aA
		T2	21.89abA	19.48aA	10.23aA	7.65bB	8.20bB	8.64aA	11.08aA
	10°	CK	19.54cB	12.02bB	6.46bB	7.00cC	6.52bB	5.16bB	8.19cC
		T1	21.79bA	13.42bB	7.79bB	8.57aA	8.15aA	7.81aA	9.99bB
		T2	23.85aA	22.70aA	15.02aA	7.62bB	5.66cC	6.84aA	11.68aA
雨后土壤含水量– 雨前土壤含水量 Moisture increment	5°	CK	15.57aA	2.32cB	0.62bB	0.37bB	0.37aA	1.44aA	2.35bB
		T1	15.71aA	6.85bA	3.72aA	1.20aA	1.33aA	-0.68bA	3.37aA
		T2	14.80aA	10.84aA	2.70aA	-0.07cC	0.73aA	-0.59bA	3.12aA
	10°	CK	13.40bB	3.38bB	-1.77cB	0.29aA	-0.09abA	-1.33bA	1.10cC
		T1	14.00abAB	5.64bB	-0.19bB	0.17aA	0.90aA	0.38aA	2.21bB
		T2	15.46aA	14.66aA	6.50aA	-0.08aA	-0.93bA	-0.21abA	4.07aA

Small letters and capital letters indicate significant difference at 0.05 and 0.01 probability levels in the same colume. The same as below表中小写字母表示0.05显著水平,大写字母表示0.01显著水平。下同

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2.2.2 不同处理对作物生育期土壤水分的影响表6所示数据为不同年份在作物苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期所测土壤水分平均值。2012―2015年随着作物生育期降雨量的递减,作物生育期平均土壤水分也呈现出逐年减少的趋势,与降雨量的变化一致。2012年,坡度间土壤水分差异显著,种植方式间土壤水分差异极显著,其中T1比对照高出1.52个百分点,T2比对照高出0.89个百分点,T1比T2高出0.63个百分点;2013年,坡度及种植方式间土壤水分差异不显著,但10°坡T1和T2土壤水分与对照差异显著,比对照分别高出0.57和0.55个百分点;2014年,坡度间土壤水分差异不显著,种植方式间T1和T2土壤水分与对照差异极显著,比对照分别高出2.14和2.60个百分点;2015年,坡度间土壤水分差异显著,种植方式间T1和T2土壤水分与对照差异极显著,比对照分别高出2.73和1.95个百分点,T1比T2高出0.78个百分点,差异显著。
Table 6
表6
表6作物生育期土壤含水量
Table 6Soil water content in growing period of crop (%)

年份 Year	坡度（主区） Slope(Main plot)	土壤含水量 Soil water content	主区下各裂区 Split plot of main plot	土壤含水量 Soil water content	种植方式（裂区） planting pattern (Split plot)	土壤含水量 Soil water content
2012	5°	17.09aA	CK	16.67cB	CK	16.24cC
			T1	17.60aA	CK	16.24cC
			T2	17.01bB	T1	17.76aA
	10°	17.00bA	CK	15.82cB	T1	17.76aA
			T1	17.92aA	T2	17.13bB
			T2	17.25bA	T2	17.13bB
2013	5°	15.84aA	CK	15.74aA	CK	15.57aA
			T1	15.85aA	CK	15.57aA
			T2	15.94aA	T1	15.91aA
	10°	15.77aA	CK	15.40bA	T1	15.91aA
			T1	15.97aA	T2	15.95aA
			T2	15.95aA	T2	15.95aA
2014	5°	12.10aA	CK	10.67bB	CK	10.15bB
			T1	12.46aA	CK	10.15bB
			T2	13.16aA	T1	12.29aA
	10°	11.37aA	CK	9.64bB	T1	12.29aA
			T1	12.13aA	T2	12.75aA
			T2	12.34aA	T2	12.75aA
2015	5°	12.52aA	CK	10.66bB	CK	10.27cB
			T1	13.42aA	CK	10.27cB
			T2	13.48aA	T1	13.00aA
	10°	11.14bA	CK	9.88cB	T1	13.00aA
			T1	12.57aA	T2	12.22bA
			T2	10.96bB	T2	12.22bA
平均 Mean	5°	14.39aA	CK	13.43bB	CK	13.06bB
			T1	14.83aA	CK	13.06bB
			T2	14.90aA	T1	14.74aA
	10°	13.82aA	CK	12.68bB	T1	14.74aA
			T1	14.64aA	T2	14.51aA
			T2	14.13aA	T2	14.51aA

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4年间,不同坡度处理平均土壤水分差异不显著,种植方式间T1与T2平均土壤水分差异不显著,但二者与对照差异极显著,比对照分别高出1.68和1.45个百分点。同一坡度下,T1和T2平均土壤水分与对照差异极显著,其中5°坡T1和T2平均土壤水分比对照分别高出1.40和1.47个百分点,10°坡T1和T2平均土壤水分比对照分别高出1.96和1.45个百分点。由5°坡到10°坡,对照、垄膜沟秸秆、垄膜沟种平均土壤水分分别下降了0.75、0.19和0.77个百分点。由以上分析可以看出,垄膜沟秸秆或垄膜沟种较对照表现出一定的增墒效果,且随坡度的增大,2种集水种植模式增墒效果呈增大趋势。同时随着坡度的增大,同一处理径流量增加,降水入渗量减少,土壤水分呈降低趋势。

2.3 垄膜沟种对作物产量的影响

从表7可以看出,2012年,坡度间产量差异显著,种植方式间T1与对照和T2产量差异显著,较二者分别增产24.75%和25.07%,T2和对照产量差异不显著;2013年,坡度间产量差异不显著,种植方式间产量差异极显著,其中T1比对照和T2分别增产11.29%和5.95%,T2比对照增产5.05%;2014年,坡度间产量差异不显著,种植方式间T1与对照产量差异显著,较对照增产74.58%,T2与对照产量差异不显著;2015年,坡度间产量差异不显著,种植方式间T1和T2与对照产量差异极显著,较对照分别增产54.39%和51.81%,T1和T2产量差异不显著。
Table 7
表7
表7不同处理对作物子粒产量的影响
Table 7Influence of different treatments on yield of crop

年份 Year	坡度（主区） Slope (Main plot)	产量 Yield (kg·hm^-2)	主区下各裂区 Split plot of main plot	产量 Yield (kg·hm^-2)	种植方式（裂区） Planting pattern(Split plot)	产量 Yield (kg·hm^-2)
2012	5°	5150.91aA	CK	4764.88bA	CK	4345.92bA
			T1	5812.91aA	CK	4345.92bA
			T2	4874.94abA	T1	5421.46aA
	10°	4250.46bA	CK	3926.96abA	T1	5421.46aA
			T1	5030.01aA	T2	4334.67bA
			T2	3794.40bA	T2	4334.67bA
2013	5°	14869.16aA	CK	14065.56cC	CK	13660.26cC
			T1	15961.31aA	CK	13660.26cC
			T2	14580.62bB	T1	15202.79aA
	10°	13939.32aA	CK	13254.96bB	T1	15202.79aA
			T1	14444.27aA	T2	14349.67bB
			T2	14118.72aA	T2	14349.67bB
2014	5°	3759.29aA	CK	3286.36aA	CK	2353.72bA
			T1	4272.72aA	CK	2353.72bA
			T2	3718.79aA	T1	4109.08aA
	10°	2752.06aA	CK	1421.08bB	T1	4109.08aA
			T1	3945.44aA	T2	3304.23abA
			T2	2889.66abAB	T2	3304.23abA
2015	5°	4537.69aA	CK	3713.11bB	CK	2906.45bB
			T1	5162.58aA	CK	2906.45bB
			T2	4737.37aA	T1	4487.24aA
	10°	3332.92aA	CK	2099.80bB	T1	4487.24aA
			T1	3811.91aA	T2	4412.21aA
			T2	4087.04aA	T2	4412.21aA
平均 Mean	5°	6846.80aA	CK	6254.83cC	CK	5816.59cC
			T1	7423.12aA	CK	5816.59cC
			T2	6862.45bB	T1	7305.14aA
	10°	6301.15aA	CK	5378.35cC	T1	7305.14aA
			T1	7187.17aA	T2	6600.19bB
			T2	6337.93bB	T2	6600.19bB

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4年间,谷子玉米轮作体系坡度间产量差异不显著。种植方式间产量差异极显著,T1比对照和T2分别增产25.59%和10.68%,T2比对照增产13.47%。
同一坡度下,5°坡T1比对照和T2分别增产18.68%和8.17%,T2比对照增产9.71%;10°坡T1比对照和T2分别增产33.63%和13.40%,T2比对照增产17.84%。总体上,随着坡度的增大,作物子粒产量呈降低趋势,但T1、T2较对照增产幅度及T1较T2增产幅度呈上升趋势。在坡度较大的情况下,更能体现出垄膜沟种及垄膜沟秸秆种植的增产效果。

3 讨论

3.1 坡耕地垄膜沟种及垄膜沟秸秆防蚀、集水、增墒效应

已有研究表明,坡耕地采取等高沟垄耕作^{[3-5, 22-23]}及秸秆或地膜覆盖可减少水土流失,蓄水保土^{[6-8, 24-30]}。本研究表明,在传统种植（CK,等高沟垄耕作）的基础上采取垄膜沟种及垄膜沟秸秆集水种植,可有效减少和防止水土流失的发生,与前人研究基本一致。坡耕地水蚀主要以雨滴击溅开始,而后形成面状水流,进而发展成细沟、浅沟侵蚀,雨滴的溅蚀和地表径流的冲刷是造成坡耕地土壤流失的直接原因。对照通过等高沟垄耕作改变了地面微地貌,增加了地表粗糙度,一定程度上可以拦蓄地表径流,减少土壤侵蚀,但已有研究表明该耕作措施在小于5°的低坡度坡耕地上防蚀效果较好,而且对长降雨的持续冲刷不能有效减少径流流失^{[22, 31]}。这是由于对照垄无地膜沟无秸秆覆盖,降雨直接打击土壤表面,致使溅蚀量增大,而且溅散的土粒堵塞土壤孔隙,易使表土结皮,使降雨入渗能力减弱,为坡面径流提供了更多处于分散状态的土粒。同时雨滴直接打击裸露地面也减小了地面粗糙率,增加了径流流速,并使土壤侵蚀量进一步增大,而且对照当雨水蓄满垄沟时,垄壁顶部开始产生层状侵蚀,继而产生细沟侵蚀,导致垄壁毁坏,产生水土流失,此时等高沟垄反而增大了水土流失量。在等高沟垄耕作的基础上,土垄覆盖地膜则可有效防止雨滴溅蚀,避免垄壁破坏,防止细沟侵蚀的产生,一定程度防止和减少水土流失。在垄覆膜的基础上,沟覆秸秆可进一步避免降雨对土壤表面的直接打击,防止土壤结皮的形成,降低雨滴溅蚀作用,减少可供侵蚀的物质,同时沟覆秸秆还可以降低地表径流的流速,增加降水入渗,从而减少水土流失的发生^{[24-25, 27, 32]}。随着坡度的加大,径流流速增大,冲刷作用增强,垄膜沟秸秆和垄膜沟种对水土流失的防治效果相对减弱。
坡耕地严重的土壤侵蚀不仅造成水、土资源的大量流失,而且造成表层土壤大量肥沃养分的流失。大量研究表明,坡耕地土壤养分流失主要通过侵蚀泥沙流失^[33-35]。由表3和表4可以看出,10°坡垄膜沟种侵蚀泥沙除有效磷外,其余养分含量都不同程度高于对照,垄膜沟秸秆侵蚀泥沙各养分含量都不同程度高于对照,这与卢嘉^[36]和BABALOLA等^[37]研究结果类似,但与GÓMEZ等^[7]的研究结果相反。出现上述现象,首先可能与产流前不同处理耕层土壤基础养分含量以及集水种植利于土壤养分有效化^[19]有关;其次,由于发生土壤侵蚀时土体细颗粒最易被径流冲刷和运移,对照水土流失严重,因此可能导致垄膜沟种和垄膜沟秸秆表层土壤细颗粒较对照多,而细颗粒对流失的土壤养分吸附作用强烈^[38],由此可能导致两种集水种植模式侵蚀泥沙中养分含量高于对照;再次,垄膜沟秸秆条件下,秸秆覆盖延缓了产流时间,增加了表层土壤养分与地表径流的作用强度,使得溶解和解吸于单位径流中的养分浓度增加,同时也可能受到秸秆中养分含量的影响,进而导致垄膜沟秸秆侵蚀泥沙中的养分含量高于对照。虽然垄膜沟种及垄膜沟秸秆增大了侵蚀泥沙中的养分浓度,但由于二者冲刷量远低于对照,所以侵蚀泥沙的养分流失量远小于对照。随着土壤不断被侵蚀,各处理土壤质地（尤其是对照）越来越差,从而保水能力不高而易损失水分。
坡耕地土壤水分变化主要受降水、作物蒸散和地表径流3因素决定。山仑等^[39]认为,中国干旱半干旱农区多数情况下有限降水由于径流损失及土壤表层蒸发强烈等原因而得不到有效利用。已有研究表明,垄膜沟种集水种植能有效汇集自然降水,明显改善作物根际水分状况,是旱作区进一步挖掘降水潜力的有效途径^{[11, 20-21, 40-42]}。本研究表明,垄膜沟种及垄膜沟秸秆4年平均土壤水分都不同程度高于对照,差异极显著,与上述研究基本一致。这是由于对照（等高土沟土垄）虽有一定集水作用,但土质的沟垄对降水尤其是小雨资源利用效果较差。垄膜沟种及垄膜沟秸秆集雨种植较对照可有效减少地表径流,使降水集中于沟内种植区,增加降水入渗深度,同时垄覆膜及沟覆秸秆可减少土壤无效蒸发,而且对照土壤侵蚀严重,土壤保水能力相对较差,从而垄膜沟种和垄膜沟秸秆可明显改善旱作农田土壤水分状况。关于垄膜沟种及垄膜沟秸秆间土壤水分的关系,研究表明,二者4年间平均土壤水分差异不显著,但不同年际间二者土壤水分差异显著性不尽相同。2012年和2015年垄膜沟秸秆土壤水分高于垄膜沟种,差异极显著和显著,这2年二者地表径流差异不明显,但由于垄膜沟秸秆较垄膜沟种可进一步抑制土壤蒸发,同时可减轻降水对土壤的直接冲击,维持良好的土壤结构,更利于雨水入渗,增加蓄水量^[43-44]。但也有研究表明覆盖的秸秆在降雨过程中会吸收截留部分降雨,尤其微效降雨可能会变为无效降雨^[45],因此秸秆覆盖整体对土壤水分的影响将会随实际情况而变。2013年和2014年,垄膜沟秸秆地表径流量低于垄膜沟种,但二者土壤水分差异不显著,可能与作物生育期降雨量、降雨分布和作物种类有关。

3.2 坡耕地垄膜沟种及垄膜沟秸秆增产效应

对于坡耕地而言,严重的水土流失及无效蒸发是粮食产量低而不稳,土地生产潜力得不到有效发挥的关键所在^{[38, 46]}。垄膜沟种及垄膜沟秸秆可有效减少和防止土壤侵蚀,减少养分流失,汇集天然降雨,抑制土壤无效蒸发,增加降雨入渗,改善了作物生长所需的水肥状况。总体上,谷子玉米轮作种植体系下垄膜沟种和垄膜沟秸秆较对照表现出极显著的增产效果。然而不同年份,由于降雨量、降雨分布、土壤侵蚀及作物种类等不同,2种集雨种植模式较对照增产显著性也不尽相同。对谷子而言,丰水年（2012年）和干旱年（2014年）,5°坡和10°坡垄膜沟种较对照没有表现出显著的增产效果,垄膜沟秸秆较对照增产显著;对玉米而言,平水年（2013年）及干旱年（2015年）,垄膜沟种和垄膜沟秸秆较对照都表现出极显著的增产效果。干旱年份,垄膜沟种（玉米）及垄膜沟秸秆（谷子,玉米）较对照增产效果尤为显著,这是由于干旱年份,水分是限制作物生长的关键因子,集水种植不但减少水土流失,同时可以有效汇集天然降水,改善种植区作物对水分的需求,同时也促进了肥料效益的发挥,因此增产效果非常明显;丰水年或平水年,水分相对不再是限制作物生长的关键因子,集水种植较对照增产幅度相对较低,与相关研究结果基本一致^[47]。垄膜沟秸秆较垄膜沟种由于沟覆秸秆具有更好的防蚀保墒效果,因此,该种植模式4年平均产量较垄膜沟种极显著增产。坡耕地不同种植模式每年都会发生不同程度的土壤侵蚀,造成耕层土壤养分流失,因此,不同种植方式的产量差异也与播前耕层土壤基础养分含量有关。

4 结论

4.1 农田起垄覆膜及沟覆秸秆,集雨保墒的同时,改变了地表微地形,增加地表粗糙度和覆盖度,可有效减少和防止土壤侵蚀的发生,减少养分流失,提高土壤水分,增加作物产量。该模式将集水技术与水保措施有机结合,明显提高了水土资源利用率。从防蚀、集水、增墒、增产等角度考虑,垄膜沟秸秆耕种模式比较适宜于辽西半干旱区坡耕地。
4.2 通过连续4年进行旱坡地农田垄膜沟种集雨种植试验,明晰了该技术模式在辽西半干旱区坡耕地“防蚀-集雨-增墒-增产”效果,填补了该项研究在辽西地区的空白。通过该项技术的推广应用,可有效减少坡耕地土壤侵蚀,提高作物产量,促进该区旱作农业健康、可持续发展。
（责任编辑杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.