黄土丘陵区不同农业技术措施的土壤水分效应研究

黄土丘陵沟壑区地形破碎、降水少而集中、土壤类型单一以及不适宜的农业耕作措施共同导致了严重的水土流失,使得该区生态环境进一步恶化,土壤肥力持续下降,作物产量低而不稳,生产成本逐年加大,因此,在这一地区发展可以减少水土流失的农业技术措施至关重要。为了探索适合该区的农田土壤蓄水保墒管理技术,提高自然降水利用率和土壤水分生产效率,本文作者以位于黄土丘陵沟壑区的陕西省米脂县为代表,通过对免耕休闲、免耕秸秆覆盖、地膜覆盖、组合覆盖和传统耕作5种农业技术措施下土壤水分的时空变化特征、水分消耗规律、作物产量及水分利用效率等的系统研究,综合评价了“双料沟垄组合覆盖”措施在该区的应用前景,并对其增产机理进行了专门试验研究。取得主要结论如下: (1)对不同农业技术措施下土壤水分时空变化特征研究表明,正常年份农地土壤水分季节动态可划分为春季缓慢收墒期、春夏季快速失墒期、夏秋季缓慢收墒期和冬季快速失墒期4个阶段。土壤水分剖面可划分为速变层(0～10cm)、活跃层(10～40cm)、次活跃层(40～140cm)和相对稳定层(140～200cm) 4个层次。不同农业技术措施在干旱年、平常年和丰水年3个年型中,上下层土壤水分的季节变化趋势各有特点。干旱年份免耕休闲、正常年份地膜覆盖、丰水年份秸秆覆盖措施上下层土壤水分季节变化态势比较一致,组合覆盖措施在正常年份上下层土壤水分变化态势不一致;60cm深处是农地上下层土壤水分最活跃的交换界面;120cm深处为农地土壤最低含水层。地面管理措施对土壤水分的影响深度在0～60cm范围内。干旱年份不同农业技术措施的土壤水分时空变化可用二元二次回归方程Y=a+bX1+cX2+dX12+eX22+fX1X2表示,但不同管理措施之间的回归系数差异很大。同时,以干旱年份传统耕作(CT)、免耕秸秆覆盖(MF)和休闲裸地(CK)3种措施下的土壤水分绘制的时空变化等值线图,其分析结果与数量统计结果完全一致。 (2)对不同农业技术措施土壤蒸发特征研究表明,黄土丘陵沟壑区裸地土壤蒸发十分强烈,而且有明显的季节性,强烈蒸发期出现在夏季和秋季,累计蒸发量小于同期降雨总量,土壤水分可得到部分补偿。就作物地而言,虽然生长期耗水量大于同期降水量,土壤水分部分亏缺,但冬春空闲期土壤储水可使亏缺部分得以补偿,年降水量能够满足作物生长需求;农田覆盖改变了土壤水分的蒸散规律,表现为强烈蒸发期提前,蒸散量加大。地面采取全覆盖(组合覆盖和秸秆覆盖)有利于土壤水分的高效利用。降水年型对农田年蒸散量的影响很大,总体趋势是干旱年和丰水年蒸散量均小于或等于降水量,正常年蒸散量均大于或接近于降水量。正常年份作物地蒸散量均小于对照裸地,丰水年份均大于裸地,干旱年份则不同,组合和地膜覆盖措施均大于对照,秸秆覆盖和常规种植则小于对照;干旱年份秸秆覆盖保水效果最好,一般年份和丰水年份组合覆盖保水效果较好。不同地面覆盖措施对农作物棵间土壤蒸发的抑制效果依次为:组合覆盖>秸秆覆盖>地膜覆盖>无覆盖。整个生育期内组合覆盖措施可以减少裸露地表无效蒸发量38%,其次为秸秆覆盖措施,较对照减少28.4%,地膜覆盖措施较对照减少3.6%。 (3)降水对土壤水分利用效率的影响作用远远超过了地面覆盖措施的作用,如果不考虑降水因素的影响,同一降水年份不同地面覆盖措施对土壤水分利用效率的影响程度有很大差异,与传统耕作措施相比,干旱年和丰水年三种覆盖措施均能够显著提高土壤水分的利用效率,正常年份除秸秆覆盖措施外,其余两种覆盖措施的水分利用效率均低于传统耕作措施。采取有效的地面覆盖措施可明显提高土壤水分的利用效率,但是不同的降水年份其影响程度各不相同。 (4)应用TOPSIS法综合评价结果表明,5种农业技术措施当中,组合覆盖措施综合水分效应表现最好,免耕秸秆覆盖措施次之,而连年休闲农地措施综合水分效应最差。目前在农业生产中大面积推广应用的地膜覆盖措施,由于其使用方便、增产效益显著,在国内外得到广泛认可,但是,综合分析表明,其综合水分效应不如秸秆覆盖措施。 (5)双料沟垄组合覆盖措施是一种特殊的水土保持农业技术措施,它是将地膜覆盖和秸秆覆盖两种措施通过垄作栽培技术有机地结合在一起,除具有垄作栽培的一系列优点外,还兼有地膜覆盖和秸秆覆盖二者的优点,有其独特的优越性。与传统耕作措施相比,组合覆盖措施促进作物增产主要有两方面的因素,即增加土壤水分和提高土壤肥力。对于旱作农业区域,这是提高作物产量的两个关键因素。