整地措施类型:
随着农业可持续发展的重要性逐渐凸显,深入了解坡耕地整地已成为促进
农地生产力和田间生态系统健康的关键。目前,国内外已经开展了较多农田整治的相关实践与研究。整地措施主要有、梯田、水平台、反坡台等田间工程措施和薄膜覆盖、秸秆覆盖和轮作等水土保持农业耕作措施。整地措施可以显著减少地表径流,进而实现土壤的有效蓄水和保墒,提升土壤的整体质量,为农作物的生长提供更加有利的环境。同时,研究发现整地措施能够提高土地资源利用效率,进而提高农业上增产增收。不同地理特性坡耕地具备不同的整地措施,梯田适合建造在坡度较缓、坡面平整的山区耕地,鱼鳞坑则适合建造在地形坡碎且坡度较大石质山区,水平台(阶)和反坡台(阶)适合建造在具有一定坡度的坡耕地。
通常来说锐评价指标选取越多越能全面反映坡耕地耕层土壤的综合质量,而许多指标之间都存在着一定的高度相关性,这便会造成指标数据间的冗余问题。国外学者Larson等提出采用最小数据集(minimum data set,MDS)对土壤质量进行评价,其中土壤质量指标由土壤有机质、速效养分、pH值、电导率、质地、根系深度、密度、水分传导率、有效持水量组成,并建议将土壤质量指标整合成一个综合的质量指标。Doran等对MDS进行了扩展将微生物生物量和可矿化的氮等生物学指标加了进去,也得出了类似的土壤属性指标。国内学者在黄土高原黄土区、黑土区、岩溶区、紫色丘陵区也开展了类似研究。郑粉莉等在对黄土高原子午岭地区近100年不同开垦年限的农地研究,从20个指标中筛选出有机碳、真菌数量、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、毛管孔隙度、物理性黏粒、粗粉粒和水稳性团聚体平均重量直径(MWD)等土壤性质指标,作为土壤质量退化评价指标体系;段兴武等对东北黑土区土壤生产力研究表明东北黑土区土壤生产力可用有效水含量、酸碱度、黏粒含量、有机质表征;伍宇春等对岩溶区坡耕地土壤肥力研究认为有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、耕层厚度、粉黏比可有效地评价岩溶区坡耕地土壤肥力;史东梅等对紫色丘陵区坡耕地耕层质量研究认为耕层厚度、田面坡度、土壤密度、土壤质地、饱和导水率、土壤有机质是评价耕层土壤质量的主要指标。
目前利用MDS对土壤质量进行评价的研究成果较多,然而针对坡耕地耕层土壤质量评价研究却较少。因此,充分了解、认识并掌握 坡耕地整地措施对田间土壤性状和水分特性的影响,对于开展丘陵山区耕地治 理与保护,提升土壤质量与改良水分状况,最终实现作物增产增收具有重要的现实指导意义。
整地措施对地表径流的影响:
在农业生产过程中,通过对农地施以不同的整地措施,改变原有土壤环境进而起到影响田间土壤水分状况的目的。近年来,围绕着基于整地措施下的坡耕地土壤水分状况相关研究较多集中在水分变化特征,整地措施通过调整坡面的微小地形结构,缩减坡面长度与坡度,合理分散和引导降雨径流,使其在当地得到有效拦截并促使雨水渗入土壤。经过整地处理后的坡耕地,其坡面的水文连通性得以降低,进而增大了集水区域,从而更有效地截留降雨,提高土壤的水分保持能力。简而言之,整地措施通过优化坡面地形,实现了对降雨径流的有效管理,增强了土壤的保水功能,有助于防治水土流失。
国内马天骄等[x]研究学者以定西龙滩流域为研究区,通过野外采样与室内实验相结合,分析植被恢复过程中典型整地措施(鱼鳞坑、反坡台)的土壤水分时空分布、土壤水分特征曲线和水分常数,并辅以自然坡面为对照定量评价工程措施的土壤水力学特性,得出了以下结果:整地可以有效提高土壤水分含量;整地后土壤水分体积分数平均提高1.883%;与对照相比,鱼鳞坑和反坡台的饱和含水量分别提高了7.52%和4.24%,有效水含量分别提高了4.74%和11.40%,整地措施能够提高土壤持水力和供水力,改善土壤水力学性质;整地措施对表层土壤持水能力和供水能力的影响较深层大,与对照相比,鱼鳞坑和反坡台表层土壤(0~20 cm)有效水分提高了38.75%和23.84%,而深层(60~80 cm)有效水分与自然坡面差异只有3.34%和3.85%;土壤水分差异也随着土层深度而减少.该研究定量评价了不同整地方式和自然坡面的土壤水分特性,其结果期望为脆弱生态系统植被恢复和水土资源管理提供科学依据。
同时,在这之前,邢鹏远等[39]在昆明市对坡耕地整地后发现,相比于坡耕地,对等高反坡阶能使地表 径流量减少 34.14%,减少土壤水分的流失。王帅兵[40]通过多年的持续监测发现,相比于坡耕地,等高反坡台可以有效消减地表径流 65.3%,降低土壤水土流失。任文海等[41]对鱼鳞坑与荒坡相比研究发现,鱼鳞坑整地措施多年平均减水效益大于 60%,鱼鳞坑对坡面具有明显的减流作用。任柯蒙等[42]通过不同宽度的水平阶措施进行研究发现,随水平阶台面宽度的增加,二阶和三阶的径流调控率分别从 6.5%和 10.1%增加至 61.2%和 69.7%。总之,整地措施可降低坡耕地坡面的产流量,从而减少坡面水土流失。
整地措施对水分入渗的影响
不同学者在不同整地措施中针对土壤入渗做了较多的研究状况。相关研究
[31,43]表明,整地后的坡面,在降雨时会因为不平整而产生低洼区域,这些区域
容易积聚雨水,进而形成积水,这种积水现象会增大入渗水头,从而提高了土
壤的入渗能力。同时有研究表明土壤入渗能力随着坡面的粗糙程度而发生改变
[44]。王震等[45]对等高坡面水分入渗进行研究,结果表明地表粗糙度能将降水转
化为土壤水分,增加坡面水分入渗程度,湿润锋运移在水分入渗过程中具有明
显差异。王林华等[46]采用 Kostiakov 模型对坡面土壤水流入渗规律进行模拟,模拟结果与实际结果匹配程度较高。之后的学者们[47,48]也提出了一些土壤入渗速
率随时间变化的模型,对整地措施下土壤水分入渗规律的深入研究具有重要意
义。在一定雨强条件下,雨滴能够使土壤表层团聚体从新分布,导致表层土壤
孔隙增大形成土壤结皮[49,50],而整地措施下可加大地表结皮范围,从而影响土
壤水分的入渗能力。卜崇峰等[51]研究发现,与无结皮土壤相比,表层具备结皮
时,水流入渗量减少了 45%。
整地措施对泥沙沉积的影响:
学者的研究发现,通过整地措施构建坡面微地形体系,可以有效增加坡面的粗糙度,进而促进泥沙的沉积作用。研究指出[54],坡度对泥沙沉积和土壤流失的影响具有复杂性和多样性。具体而言,土壤流失量与坡度呈正相关关系,随着坡度的增加,土壤流失量也随之增加,特别是在坡度较陡的情况下,土壤流失现象更加显著。
相关研究表明[52],侵蚀会导致坡耕地土壤养分的流失、土层的变薄以及土地的退化,其中养分会随泥沙的迁移而在低洼地区沉积。整地措施能够有效地截留和拦截泥沙,但需要注意坡度变化存在一个临界值,超过该值,随着坡度增大,泥沙的沉积量会逐渐减少。
刘晨光等[56]学者通过对多年径流泥沙资料的分析发现,整地措施的多年平均减沙效益可高达90%以上,显示出鱼鳞坑措施在减少泥沙输送方面的显著效果。另外,邹兵华等[57]学者利用坡沟系统模型模拟侵蚀产沙过程,结果显示,产流产沙量随着放水量的增加呈指数型增长,而坡度作为重要的地形因子,影响水流在坡面停留的时间,产沙量随着坡度的增加而增大。
整地措施对养分蓄存的影响:
土壤养分是生态恢复必要物质条件,整地措施对坡耕地养分蓄存具有着关
键作用[58],整地措施通过优化土壤结构,增强了土壤的持水能力。例如,通过建立梯田、反坡阶等措施,可以有效减少水土流失,增加地表水的入渗量,从而提高土壤中的水分含量。这种保水效果不仅有助于植物生长,而且可以减少养分的淋溶损失,使得土壤中的养分得以更好地保留。与自然坡面相比,整地措施有蓄水保墒和土壤改良等作用[59,60]。
邱宇麟等[20]对反坡阶与自然坡面的研究表明,整地措施可以降低消减土壤中的全氮全磷含量,减低率分别为 68.1%和 71.55。陈敏全[61]研究发现,整地措施通过对地表下垫面的改变,减少坡耕地有机碳的输出,显著改善坡耕地的土壤理化条件,此外,多数研究者研究表明[62,63],整地措施可以有效提高土壤有机质含量、全钾、速效氮、速效磷等养分。同时,研究者发现[64]整地措施可促进植物生长及其生理活动,整地后的植物成活率也显著提高。有研究通过对比水平沟、梯田等不同整地措施后发现[65,66],整地措施通过产生保水保肥的效果,植物生长速度及生长状况都优于原始坡面。
整体措施通过改善土壤结构、理化性质以及养分形态转化等多种途径,对坡耕地土壤养分蓄存产生了积极的影响。这些影响不仅有助于提高坡耕地的生态价值,而且对于保障粮食安全和生态环境保护具有重要意义。因此,在未来的坡耕地管理中,应继续推广和完善整地措施,以实现土壤养分的可持续利用和生态环境的持续改善。