一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法与流程

1.本发明属于农业生产领域，具体涉及一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法。


背景技术：

2.褐土区多为丘陵与高平原，土壤侵蚀是普遍现象。土壤侵蚀会破坏土地资源，导致土地退化和土壤质量下降，并引起泥沙沉积，淹没农田、淤塞河湖水库，从而影响生态环境安全，土壤侵蚀是人类面临的重要环境问题之一。
3.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。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《10mm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。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。在垄覆膜的基础上，沟覆盖作物秸秆，可进一步减少土壤蒸发，减缓径流的发生，降低产沙速率，提高天然降水生产效率。
4.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主要在平地研究土壤温度和水肥利用效率、作物生理、产量等方面，而坡耕地垄膜沟种长期定位种植的“防蚀-蓄水-增产”效应及对土壤质量的影响研究很少。通过进行坡耕地垄膜沟种长期定位试验研究，有效解决干旱缺水和水土流失对辽西地区坡耕地作物生长造成的不利影响，提高水土资源利用率，改善和保护土壤质量，提升坡耕地粮食综合生产能力，以期为区域旱作农业发展及生态环境修复提供新的科学理论支撑。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，以土壤水稳性团聚体、土壤可蚀性k值、土壤抗蚀指数为评价指标，对坡耕地的坡度、耕种方式进行优化选择，坡耕地的坡度为5
°
，耕种方式为等高垄膜沟秸种植，所述等高垄膜沟秸种植为垄上覆膜沟内覆盖秸秆，所述等高垄膜沟秸种植的沟宽均为60cm，垄宽均为40cm，垄高均为15cm，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。
8.优选的，所述等高垄膜沟秸种植方法为在拔节初期结合中耕在沟内种植区覆盖风干玉米秸秆，覆盖量为7 500kg hm-2
，覆盖至作物收获，秋后所覆秸秆翻压还田，翻耕深度为20—22cm，每年收获后保留原垄，修理重新覆膜。
9.优选的，所述作物为玉米和谷子，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hm-2
，株距5cm，播种方式为条播，玉米种植密度为5.25
×
104株hm-2
，株距38cm，播种方式为穴播，
10.优选的，所述作物播种的种肥为磷酸二铵(n 18，p2o5 46％)，拔节初期结合中耕追施尿素(n 46％)，谷子、玉米种肥量和追肥量分别为225kg hm-2
、375kg hm-2
和150kg hm-2
、375kg hm-2
，施肥方式为条施。
11.优选的，包括对土壤水稳性团聚体、土壤可蚀性k值、土壤抗蚀指数的评价方法，所述评价方法中设置有至少6个实验组，实验组1-3的坡耕地的坡度为5
°
，实验组4-6的坡耕地的坡度为10
°
，实验组1,4的耕种方式为传统种植ck，所述ck为传统的等高土沟土垄种植，实验组2,5的耕种方式为等高垄膜沟秸种植t1，所述t1为垄上覆膜沟内覆盖秸秆，实验组3,6的耕种方式为等高垄膜沟种植t2，所述t2垄上覆膜沟内不覆盖。
12.优选的，对所述土壤水稳性团聚体的评价中，首先，测量不同实验组土壤水稳性团聚体的数值，然后通过方差分析》0.25mm水稳性团聚体含量随着坡度的增加呈现的趋势，得出不同坡度间的差异，选择出优选的坡度，然后通过对照分析不同耕种方式之间的水稳性团聚体含量的差异，选择出优选的耕种方式。
13.优选的，对所述土壤可蚀性k值的评价中，首先，确定不同处理的土壤机械组成，所述土壤机械组成包括测量不同实验组的砂粒、粉粒、粘粒各自占比，然后依据epic模型计算土壤可蚀性k值，所述epic模型计算公式为
[0014][0015]
式中：sn＝1-sa/100；sa为砂粒(2～0.05mm)含量，％；si为粉粒(0.05～0.002mm)含量，％；ci为黏粒(＜0.002mm)含量，％；c为有机碳含量，％；
[0016]
k值越大，耕层土壤越容易发生土壤侵蚀，得出不同坡度间k值差异，选择出优选的坡度，然后通过对照分析不同耕种方式之间的k值差异，选择出优选的耕种方式。
[0017]
优选的，对所述土壤抗蚀指数的评价中，首先，计算不同实验组的土壤抗蚀指数，土壤抗蚀指数越大，耕层土壤抗蚀性越强，然后通过方差分析不同坡度间的土壤抗蚀指数，得出不同坡度间的差异，选择出优选的坡度，然后通过对照分析不同耕种方式之间的土壤抗蚀指数的差异，选择出优选的耕种方式。
[0018]
有益效果
[0019]
本技术农田起垄覆膜或结合沟覆秸秆，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，可有效减缓土壤侵蚀的发生，减少养分流失，改善土壤理化性状，降低土壤可蚀性，提高土壤抗蚀指数，增加土壤水分。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。通过该项技术的推广应用，可有效减少坡耕地土壤侵蚀，提升耕层土壤质量，提高作物产量和稳定性，促进该区旱作农业健康、可持续发展。从防蚀、蓄水、增墒、培肥提质、增产等角度考虑，垄膜沟秸耕种方式比较适宜于半干旱区坡耕地。
附图说明
[0020]
图1为本发明的实施例的结构示意图；
[0021]
图2为本发明的实施例中不同处理土壤水稳性团聚体含量；
[0022]
图3为本发明的实施例中不同处理土壤机械组成；
[0023]
图4为本发明的实施例中不同处理土壤可蚀性k值；
[0024]
图5为本发明的实施例中不同处理土壤抗蚀指数；
[0025]
图6为本发明的实施例中不同处理土壤质量指数；
[0026]
图7为本发明的实施例中不同处理对产量的影响。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
实施例中，采用径流小区定位观测，径流小区长15m，宽4m，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2因素裂区设计，主处理为坡度，设5
°
和10
°
两个坡度，副处理为耕种方式，分别为传统种植(ck，等高土沟土垄)、等高垄膜沟秸种植(t1，垄上覆膜沟内覆盖秸秆)、等高垄膜沟种(t2，垄上覆膜沟内不覆盖)，3次重复。垄膜沟种防蚀耕层沟宽60cm，垄宽40cm，垄高15cm，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。传统种植等行距种植，行距50cm。垄膜沟秸种植在拔节初期结合中耕在沟内种植区覆盖风干玉米秸秆，覆盖量为7 500kg hm-2
，覆盖至作物收获，秋后所覆秸秆翻压还田，翻耕深度为20—22cm。垄膜沟种方式每年收获后保留原垄，适当修理重新覆膜，ck和t2处理秋后人工刨除作物根茬。玉米和谷子是辽西地区的主栽作物，因此选取玉米(铁研58号)和谷子(朝谷14号)为供试作物。2012—2018年种植作物分别为谷子—玉米—谷子—玉米—玉米—谷子—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hm-2
，株距5cm，播种方式为条播。玉米种植密度为5.25
×
104株hm-2
，株距38cm，播种方式为穴播。种肥为磷酸二铵(n 18，p2o5 46％)，拔节初期结合中耕追施尿素(n 46％)，谷子、玉米种肥量和追肥量分别为225kg hm-2
、375kg hm-2
和150kg hm-2
、375kg hm-2
，施肥方式为条施，试验小区土壤为壤质褐土。集水防蚀耕层构建示意图如图1所示。
[0029]
1.土壤水稳性团聚体
[0030]
如图2所示，图2为不同处理土壤水稳性团聚体。方差分析表明，》0.25mm水稳性团聚体含量，随着坡度的增加呈下趋势，但不同坡度间差异不显著(p》0.05)。不同耕种方式间，t1处理较对照处理增加33.02％，差异显著(p《0.05)，t1处理与t2处理及t2处理与对照处理差异均不显著(p》0.05)
[0031]
2.土壤可蚀性k值采取epic模型法，其物理意义明确、可操作性强、测定方便，得到较为广泛应用。
[0032][0033]
式中：sn＝1-sa/100；sa为砂粒(2～0.05mm)含量，％；si为粉粒(0.05～0.002mm)含量，％；ci为黏粒(＜0.002mm)含量，％；c为有机碳含量，％。
[0034]
土壤机械组成是影响土壤水、肥、气、热状况，物质迁移转化及土壤退化过程研究的重要因素，是农业生产相关的土壤改良和区域水分循环过程等研究的重要内容，与耕层土壤可蚀性密切相关。由图3可以看出，试验区土壤以砂粒，其次为粉粒，粘粒含量最少，不同处理砂粒和粉粒含量差异均不显著。5度坡下，t1和t2处理，黏粒含量显著高于对照处理，较对照处理分别高出32.15％和27.61％。
[0035]
坡耕地作为主要侵蚀地类，土壤可蚀性是评价土壤质量的指标之一，也是衡量土壤对侵蚀的敏感程度及土壤被外营力作用搬运和分散的难易程度的参数，国际上通常使用土壤可蚀性因子k值来衡量这一指标。k值越大，表明土壤越容易发生土壤侵蚀。由图4可以看出，不同坡度间及不同耕种模式间，土壤可蚀性k值差异均不显著，但在5
°
坡下，对照处理土壤可蚀性k值最大，表明其耕层土壤易于发生土壤侵蚀，10度坡下，t1处理(垄上覆膜沟内覆盖秸秆)土壤可蚀性k值最小，表明其耕层土壤抗侵蚀能力相对较强。
[0036]
3.土壤抗蚀指数选取粒径7～10mm土壤颗粒100粒，每次25粒均匀放置于孔径5mm土壤筛中静置水中,要求水面刚发没过土粒，每隔1min记录崩解土粒数,连续记录10min,然后计算抗蚀指数(s)。
[0037][0038]
图5所示为不同处理土壤抗蚀指数。土壤抗蚀指数越大，耕层土壤抗蚀性越强。方差分析表明，不同坡度间，耕层土壤抗蚀指数差异不显著，不同耕种模式间，t1处理土壤抗蚀指数较对照处理高9.08％，差异显著，t2处理土壤抗蚀指数与对照处理差异不显著。
[0039]
4.土壤质量指数
[0040]
土壤质量指数(soilqualityindex,sqi)是对土壤质量评价指标的集成。
[0041][0042]
式中：sqi为土壤质量指数；wi为第i个评价指标权重；ui是第i个评价指标隶属度值；n为评价指标个数。
[0043]
所测土壤理化指标作为评价土壤质量的指示因子，各指标权重由主成分分析法获得。同时根据主成分分析因子载荷值的正负性确定隶属度函数，一定范围内评价指标与土壤功能成正相关，界定为s型函数；一定范围内评价指标与土壤功能成负相关，则界定为反s型函数。
[0044]
s型隶属函数u(x)＝(x-a)/(b-a)(2)反s型隶属函数u(x)＝(x-b)/(a-b)(3)式中：a为所测指标阈值下限；b为所测指标阈值上限。
[0045]
土壤质量指数(sqi)是土壤各评价指标的综合和集成，反映了不同处理土壤质量
的相对值，土壤质量指数越大，则土壤质量越高。土壤质量是土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量三个既相对独立又有机联系的组分之综合集成。土壤肥力质量是土壤质量的核心，并且土壤质量评价具有目的性和针对性，不同研究者所利用的指标也不尽相同，本文主要研究了不同处理组合对土壤肥力质量的影响，所选指标(表1)主要针对辽西褐土区坡耕地的土壤侵蚀而制定。
[0046]
本技术通过spss软件进行主成分分析，以此确定影响褐土区坡耕地土壤质量的主要指标。主成分分析表明，kmo值为0.722，p值为0，表明数据适宜进行主成分分析。表1给出了土壤质量评价指标主成分分析的结果，第一、第二和第三主成分的方差累计贡献率为78.238％，满足信息提取的要求。由于土壤质量评价指标对土壤质量指数大小的重要性和贡献不同，通常用权重表示各个因子的重要性，通过主成分分析法可以确定各评价指标权重。
[0047]
表1评价指标权重和成分矩阵
[0048][0049]
根据主成分分析结果并利用公式(2)和(3)可以计算土壤质量评价指标的隶属度值(表2)。
[0050]
表2不同处理土壤质量因子的隶属函数值
[0051][0052][0053]
根据公式(1)结合表1和表2数据可以计算不同处理的土壤质量指数。由图6可以看出，5
°
坡和10
°
坡ck、t1、t2处理土壤质量指数分别为0.31、0.95、0.65和0.07、0.56、0.19。以5
°
坡t1处理为基准可以看出，5
°
坡ck、t2和10
°
坡ck、t1、t2土壤质量指数分别下降了67.47％、31.73％、93.12％、40.71％、80.05％。同一坡度下，t1、t2处理土壤质量指数高于ck处理，同时t1处理高于t2处理，其原因是t1、t2处理较ck处理及t1处理较t2处理可显著减少土壤侵蚀，降低土壤容重，提升土壤入渗性能，增加有机质和养分含量，从而提高土壤质量指数。同一处理，随着坡度的增大，水土流失加剧，导致土壤质量指数下降，并且t1处理下降幅度远小于ck、t2处理，这是由于t1处理较好的防蚀效果和秸秆还田效应，从而导致其土壤质量指数下降幅度较小。
[0054]
5.作物产量
[0055]
从图7可以看出，2012年到2018年平均产量主处理间5
°
坡比10
°
坡增产20.26％，差异显著，副处理间t1处理比ck、t2处理分别增产30.71％、8.75％，t2处理比ck处理增产20.19％，差异均达显著水平，其中5
°
坡和10
°
坡t1处理比ck、t2处理分别增产28.14％、5.73％和33.83％、12.49％，t2处理比ck处理分别增产21.20％和18.97％，差异均达显著水平。t1处理较ck、t2处理及t2处理较ck处理均不同程度显著增产，主要是由于垄膜沟种的集水防蚀效果，改善了耕层土壤理化性状，增强了土壤入渗性能和贮水能力，提高了种植区土壤水分条件和土壤养分含量，提升了土壤质量。随着坡度的增大，作物籽粒产量呈降低趋势，但t1处理较ck、t2处理的增产幅度呈上升趋势，t2处理较ck处理的增产幅度呈下降趋势。在坡度增大的情况下，更能体现出t1处理的增产效应。
[0056]
农业生产中高产是主要目标，但稳产也非常重要。产量的波动性愈小，说明系统对外界环境的变化就愈具有较强的适应能力。辽西半干旱地区，降水总量有限且年际和季节降水变率大是该区农业生产的主要限制因子，因此，本研究通过产量变异系数来衡量不同处理的产量稳定性。7年间5
°
坡和10
°
坡ck、t1、t2处理产量变异系数分别为68.90％、61.74％、57.34％和88.68％、66.60％、71.40％，同一坡度下，t1、t2处理产量波动性小于ck处理，说明二者对外界环境的变化具有较强的适应能力，稳产性较强。同一处理随着坡度的增大，产量波动性加大。
[0057]
农田起垄覆膜或结合沟覆秸秆，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，可有效减缓土壤侵蚀的发生，减少养分流失，改善土壤理化性状，降低土壤可蚀性，提高土壤抗蚀指数，增加土壤水分。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。通过该项技术的推广应用，可有效减少坡耕地土壤侵蚀，提升耕层土壤质量，提高作物产量和稳定性，促进该区旱作农业健康、可持续发展。从防蚀、蓄水、增墒、培肥提质、增产等角度考虑，垄膜沟秸耕种方式(t1)比较适宜于辽西半干旱区坡耕地。

技术特征：
1.一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，以土壤水稳性团聚体、土壤可蚀性k值、土壤抗蚀指数为评价指标，对坡耕地的坡度、耕种方式进行优化选择，得出坡耕地的坡度为5
°
，耕种方式为等高垄膜沟秸种植，所述等高垄膜沟秸种植为垄上覆膜沟内覆盖秸秆，所述等高垄膜沟秸种植的沟宽均为60cm，垄宽均为40cm，垄高均为15cm，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。2.根据权利要求1所述的一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，所述等高垄膜沟秸种植方法为在拔节初期结合中耕在沟内种植区覆盖风干玉米秸秆，覆盖量为7500kg hm-2
，覆盖至作物收获，秋后所覆秸秆翻压还田，翻耕深度为20—22cm，每年收获后保留原垄，修理重新覆膜。3.根据权利要求1所述的一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，所述作物为玉米和谷子，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hm-2
，株距5cm，播种方式为条播，玉米种植密度为5.25
×
104株hm-2
，株距38cm，播种方式为穴播。4.根据权利要求1所述的一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，所述作物播种的种肥为磷酸二铵(n 18，p2o5 46％)，拔节初期结合中耕追施尿素(n 46％)，谷子、玉米种肥量和追肥量分别为225kg hm-2
、375kg hm-2
和150kg hm-2
、375kg hm-2
，施肥方式为条施。5.根据权利要求1所述的一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，包括对土壤水稳性团聚体、土壤可蚀性k值、土壤抗蚀指数的评价方法，所述评价方法中设置有至少6个实验组，实验组1-3的坡耕地的坡度为5
°
，实验组4-6的坡耕地的坡度为10
°
，实验组1,4的耕种方式为传统种植ck，所述ck为传统的等高土沟土垄种植，实验组2,5的耕种方式为等高垄膜沟秸种植t1，所述t1为垄上覆膜沟内覆盖秸秆，实验组3,6的耕种方式为等高垄膜沟种植t2，所述t2垄上覆膜沟内不覆盖。6.根据权利要求5所述的一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，对所述土壤水稳性团聚体的评价中，首先，测量不同实验组土壤水稳性团聚体的数值，然后通过方差分析＞0.25mm水稳性团聚体含量随着坡度的增加呈现的趋势，得出不同坡度间的差异，选择出优选的坡度，然后通过对照分析不同耕种方式之间的水稳性团聚体含量的差异，选择出优选的耕种方式。7.根据权利要求5所述的一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，对所述土壤可蚀性k值的评价中，首先，确定不同处理的土壤机械组成，所述土壤机械组成包括测量不同实验组的砂粒、粉粒、粘粒各自占比，然后依据epic模型计算土壤可蚀性k值，所述epic模型计算公式为式中：s
n
＝1-s
a
/100；s
a
为砂粒(2～0.05mm)含量，％；s
i
为粉粒(0.05～0.002mm)含量，％；c
i
为黏粒(＜0.002mm)含量，％；c为有机碳含量，％。；
k值越大，耕层土壤越容易发生土壤侵蚀，得出不同坡度间k值差异，选择出优选的坡度，然后通过对照分析不同耕种方式之间的k值差异，选择出优选的耕种方式。8.根据权利要求5所述的一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其特征在于，对所述土壤抗蚀指数的评价中，首先，计算不同实验组的土壤抗蚀指数，土壤抗蚀指数越大，耕层土壤抗蚀性越强，然后通过方差分析不同坡度间的土壤抗蚀指数，得出不同坡度间的差异，选择出优选的坡度，然后通过对照分析不同耕种方式之间的土壤抗蚀指数的差异，选择出优选的耕种方式。

技术总结
本发明具体涉及一种坡耕地集水防蚀耕层构建方法，其方法是以土壤水稳性团聚体、土壤可蚀性K值、土壤抗蚀指数为评价指标，对坡耕地的坡度、耕种方式进行优化选择，坡耕地的坡度为5


技术研发人员：肖继兵 孙占祥 李俊志 王晓东 辛宗绪 白伟 杨宁 冯良山 朱晓东 吴宏生
受保护的技术使用者：辽宁省旱地农林研究所
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/25