一种改善红壤坡耕地土壤水分与利用的方法与流程

本发明属于改善耕地土壤水分技术领域，涉及一种改善红壤坡耕地土壤水分与利用的方法。

背景技术：

现有的红壤坡耕地土壤改良、培肥技术，仅仅从表面上发现问题和解决问题，没有在深层次上发现土壤退化的成因并进行科学治理。红壤坡耕地水土流失是影响土壤肥力下降的主要因素，通过防止红壤坡耕地水土流失是提高土壤肥力的关键。

当前，红壤坡耕地改造的方式主要是通过坡改梯工程建设，但由于红壤坡耕地地理条件复杂，应在全面评价适用性的基础上，抓住坡耕地改造的主因，以提高坡耕地土壤肥力的关键因子——以水分为前提，实施科学合理的措施，配置关键技术体系以改良土壤结构，提高土壤肥力。在国家扶贫开发工作重点县中，有80％以上属于水土流失严重县，同时也是红壤坡耕地分布最为广泛地区，大量的红壤坡耕地土壤肥力低下均存在严重的水土流失，制约山区、半山区经济社会可持续发展。因此，开展红壤坡耕地水土流失综合治理是提升坡耕地土壤肥力的关键举措，是促进山区粮食生产、保障粮食安全的必然要求，是促进退耕还林还草、建设生态文明的重要举措。实施红壤坡耕地水土流失综合治理是十分急迫和必要的。因此，坡耕地土壤培肥的综合治理应该在保持水土、径流形成、汇集过程中都有相应的综合治理技术，坡耕地的治理实际上是综合性的生态治理，每一个过程和环节都需要有针对于土壤理化形状改良、土壤肥力培育的关键性治理技术。坡耕地肥力的提升治理需要应用生态学和水土保持学的理论，采取生态工程和水土保持综合治理措施的方法，实施治理技术，才能得到彻底治理，这正是坡耕地目前治理中所缺乏的关键性技术。

红壤坡耕地区域内种植的植物多以辣椒和烤烟为主，如何在该基础上进一步改善土壤水分和利用是现实存在的问题。

技术实现要素：

为了达到降低红壤坡地水分流失和提高水分利用率的目的，本发明提供一种改善红壤坡耕地土壤水分与利用的方法，解决了现有技术中存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种改善红壤坡耕地土壤水分与利用的方法，包括下述步骤：

步骤1，准备人工降雨径流小区，实施“长横坡、短纵坡”的微地形整地，整地方式为沿等高线自上坡位向下修成一阶面，整地坡角的角度范围为0°-10°，人工降雨径流小区的下端设置有长宽高均为1m的标准集流池，如图1、图2所示；

步骤2，在小区上均匀分布红壤，其中红壤的土层深度为100cm；

步骤3，在小区上种植适合红壤土的植物。

进一步的，所述步骤1中，人工降雨径流小区，小区宽为2.5m、水平投影长为10m、水平投影面积为25m²，小区坡度为15°；所修台阶长1.2m，2条反坡台阶之间距离为5-7.5m，观测点位间纵向相隔2.0m，横向相隔0.9m。

进一步的，所述步骤1中，整地坡角的角度范围为5°。

进一步的，所述步骤3中，在小区上种植辣椒，行间距20cm，列间距20cm。

整地坡坡角的角度范围为0°-10°，是针对南方红壤的特点和降雨的特征，反坡过大超过10°，则红壤土容易达到饱和，不利于土壤肥力的保持；红壤的土层深度为100cm，因为试验区为西南土石山区，土壤的平均厚度一般较薄，100cm通常达到了山区坡地的土壤的大多土层深度，从而具有一定的代表性；2条反坡台阶之间距离为5-7.5m，若设置距离过大则降雨后地表产流动能汇集加剧，冲刷仍然过大过强易导致细沟状侵蚀加剧，也不利于水分的截流，而距离过小则不利于田间施工的便利性和作物种植，本文最终确立的这一范围是合适的；在小区上种植辣椒，因为区域内种植的作物多以辣椒和烤烟为主，所以开展实验时选取了辣椒作物作为试验用作物。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本文申请中对红壤坡耕地实施“长横坡、短纵坡”的微地形整地，降雨时红壤坡耕地可以有效拦蓄地表径流，使更多的降水在阶面位置被拦蓄且形成了入渗，改善土壤水分并且提高水分的利用率；土壤的入渗指标，即初渗率、稳定率、平均渗透速率，都有所提高；微地形整地在降低耗水的同时相对可提高作物对水分的利用效率，增加耕地内土壤水分的保有率和使用率；南方坡耕地的坡改梯建设一般的土方挖填比较大，耗费的人力物力财力等非常多，而本文中这种人工“微地形整地”可以不用大动土石工程的情况下，针对坡面特定区域而采取的小规模动土，整地方式为沿等高线自上坡位向下修成一阶面，整地坡角的角度范围为0°-10°，如图1所示，这种整地方式耗费人力物力财力较少；水分利用率的提高使得红壤坡地的植物生长效果更好，有效避免水土流失、坡面侵蚀的现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是微地形整地剖面图。

图2是试验小区平面图。

图3是试验产流总量图。

图4a是20mm/h地表径流量变化图。

图4b是40mm/h地表径流量变化图。

图4c是60mm/h地表径流量变化图。

图5a是20mm/h地表径流分布箱图。

图5b是40mm/h地表径流分布箱图。

图5c是60mm/h地表径流分布箱图。

图6是微地形整地坡面水分分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例1

步骤1，准备人工降雨径流小区，小区宽2.5m、水平投影长为10m、水平投影面积为25m²，小区坡度为15°，实施“长横坡、短纵坡”的微地形整地，整地方式为沿等高线自上坡位向下修成一阶面，整地坡角的角度为10°，台阶宽1.2m，2条反坡台阶之间距离为7m，观测点位间纵向相隔2.0m，横向相隔0.9m，人工降雨径流小区的下端设置有长宽高均为1m的标准集流池；

步骤2，在小区上均匀分布红壤，其中红壤的土层深度为100cm；

步骤3，在小区上种植辣椒，所种辣椒均匀分布；

步骤4，在所种植的辣椒在红壤上稳定生长之后测量其前期含水量，人工模拟降雨，降雨强度为20mm/h，降雨历时90min；

步骤5，在降雨强度为60mm/h的情况下：

测量红壤坡耕地的地表径流量，每5min测量一次；

测量0cm的土壤层深度下土壤的入渗指标，其指标包括初渗率、稳定率、平均渗透速率；

降雨当天下午的17:00在上坡观测点、下坡观测点、阶上观测点分别测量其土壤含水率，在降雨3天后下午的17:00再次在上坡观测点、下坡观测点、阶上观测点分别测量其土壤含水率；

降雨完成后，当坡面产流停止，根据集流池测量地表产流量。

实施例2

步骤1，准备人工降雨径流小区，小区宽2.5m、水平投影长为10m、水平投影面积为25m²，小区坡度为15°，实施“长横坡、短纵坡”的微地形整地，整地方式为沿等高线自上坡位向下修成一阶面，整地坡角的角度范围为5°，台阶宽1.2m，2条反坡台阶之间距离为6m，观测点位间纵向相隔2.0m，横向相隔0.9m，人工降雨径流小区的下端设置有长宽高均为1m的标准集流池；

步骤2，在小区上均匀分布红壤，其中红壤的土层深度为100cm；

步骤3，在小区上种植辣椒，所种辣椒均匀分布；

步骤4，在所种植的辣椒在红壤上稳定生长之后测量其前期含水量，人工模拟降雨，降雨强度为40mm/h，降雨历时90min；

步骤5，在降雨强度为60mm/h的情况下：

测量红壤坡耕地的地表径流量，每5min测量一次；

测量20cm的土壤层深度下土壤的入渗指标，其指标包括初渗率、稳定率、平均渗透速率；

降雨当天下午的17:00在上坡观测点、下坡观测点、阶上观测点分别测量其土壤含水率，在降雨3天后下午的17:00再次在上坡观测点、下坡观测点、阶上观测点分别测量其土壤含水率；

降雨完成后，当坡面产流停止，根据集流池测量地表产流量。

实施例3

步骤1，准备人工降雨径流小区，小区宽2.5m、水平投影长为10m、水平投影面积为25m²，小区坡度为15°，实施“长横坡、短纵坡”的微地形整地，整地方式为沿等高线自上坡位向下修成一阶面，整地坡角的角度范围为0°，台阶宽1.2m，2条反坡台阶之间距离为5m，观测点位间纵向相隔2.0m，横向相隔0.9m，人工降雨径流小区的下端设置有长宽高均为1m的标准集流池；

步骤2，在小区上均匀分布红壤，其中红壤的土层深度为100cm；

步骤3，在小区上种植辣椒，所种辣椒均匀分布；

步骤4，在所种植的辣椒在红壤上稳定生长之后测量其前期含水量，人工模拟降雨，降雨强度为60mm/h，降雨历时90min；

步骤5，在降雨强度为60mm/h的情况下：

测量红壤坡耕地的地表径流量，每5min测量一次；

测量40cm的土壤层深度下土壤的入渗指标，其指标包括初渗率、稳渗率、平均渗透速率；

降雨当天下午的17:00在上坡观测点、下坡观测点、阶上观测点分别测量其土壤含水率，在降雨3天后下午的17:00再次在上坡观测点、下坡观测点、阶上观测点分别测量其土壤含水率；

降雨完成后，当坡面产流停止，根据集流池测量地表产流量。

试验完成后，根据收集的数据绘制试验产流总量图如图3，绘制20mm/h地表径流量变化图如图4a、40mm/h地表径流量变化如图4b、60mm/h地表径流量变化图如图4c，绘制20mm/h地表径流分布箱图如图5a、40mm/h地表径流分布箱图如图5b、60mm/h地表径流分布箱图如图5c，绘制微地形整地坡面水分分布图如图6。

在实施例中出现的上坡观测点、下坡观测点、阶上观测点在各自的实验小区上分别有两个，上坡观测点即图2中的“a1、b1”下坡观测点即图2中的“a31、b31”阶上观测点即图2中的“a21、b21”。

初渗率和稳渗率都是在未降雨时测定，是用土壤入渗仪侧得的，入渗仪有马里奥特瓶，是恒压供水装置，通过给土供水测定土最初的渗透速率，初渗率＝最初入渗时段内渗透量/入渗时间，取最初入渗时间为2min；稳渗率一般是土壤达到饱和后的透水速率，即单位时间内的渗透量趋于稳定时的渗透速率；平均渗透速率＝达稳渗时的渗透总量/达稳渗时的时间，因所有土样渗透速率在120min前已达稳定，为了便于比较，渗透总量统一取120min时渗透量，达稳渗时的时间按120min计算。

表1样地情况

为了研究不同降雨强度下微地形整地坡角设计规格对地表径流的拦蓄能力，不同降雨强度下不同整地坡角角度下的坡面产流量如图3所示，结果表明相同降雨强度下，径流小区产流量大小顺序为：原状坡耕地＞0°整地＞5°整地＞10°整地。降雨过程中原状坡耕地及0°整地未能有效拦蓄降水产生的地表径流，降水随坡面流出小区未被合理的利用，5°整地、10°整地显著拦蓄地表径流，更多降水在阶面位置被拦蓄且形成了入渗。

为分析不同整地坡角设计规格对坡耕地地表径流的影响，每5min记录一次模拟降雨产流数据，并将记录的数据绘制成折线图(如图4a,图4b,图4c)。结果表明在相同降雨强度下，产流先后顺序分别为原状坡耕地，0°整地，5°整地，10°整地。原状坡耕地及0°整地未能有效拦蓄地表径流因此最先开始产流，在降雨进行一段时间后地表径流溢出5°及10°整地坡面，因此5°及10°整地相对原状坡耕地及0°整地更迟开始产流。当降雨结束后，土壤水分达到饱和状态，原状坡耕地随着降雨的结束停止产流，0°、5°及10°整地由于阶面仍有一定积水缓慢流出阶面，因此坡面仍有少量产流，直到阶面的水无法流出阶面时，3块处理坡耕地才停止产流。

从图5a中可以看出，20mm/h降雨强度下，实施了微地形整地的3块坡耕地产流量的总体分布情况明显小于原状坡耕地，其中5°整地的产流量分布小于10°整地，说明5°整地较10°整地在降雨过程中拦蓄了更多的径流，因此产流量较小。0°整地产流量的分布小于原状坡耕地，但大于5°及10°整地，说明0°整地较原状坡耕地仍具有明显的拦蓄径流的作用，但在拦蓄地表径流的效果上不如其他两块整地方法。其中10°反坡台阶坡耕地与5°反坡台阶坡耕地的产流量总体分布差距较小。

表2不同坡角规格对坡耕地的土壤入渗特征的影响

从表2可以看出，不同坡角规格对坡耕地的土壤入渗特征的影响，本发明的坡耕地微地形整地三种坡角设计方法显著提高水分入渗特性，设计0°、5°、10°坡角整地后，水分初始渗透速率分别显著提高32.62％、65.23％和56.10％；稳定入渗速率分别显著提高29.03％、47.34％和54.00％；平均渗透速率分别显著提高22.18％、57.54％和45.08％。与原始坡耕地相比，相对可提高地表径流的入渗量，增加土壤水分。

由图6可以看出，不同微地形整地坡角规格对坡耕地土壤水分分布的影响，实施不同整地坡度坡角设计的小区中土壤含水率分布为阶上＞下坡＞上坡(此处上坡、阶上、下坡是指微型整地的台阶的上部，台阶的阶面上，台阶的下部)，降雨当天由于微地形整地拦蓄了大量径流，阶面位置的土壤含水率高于上坡及下坡，降雨3天后，10°整地的上坡土壤含水率减少16.7％，阶上土壤含水率减少13.4％，下坡土壤含水率减少11.7％，10°整地坡耕地的整地位置土壤水分损失较小，但是上坡土壤水分损失较大，土壤束形成壤中流向下坡转移，使得下坡土壤水分损失较小；0°整地的上坡土壤含水率减少24.5％，阶上土壤含水率减少19.2％，下坡土壤含水率减少16.5％，0°整地拦蓄能力较小，上坡水分向下坡运移的过程中整体坡面水分流失较大；5°整地的上坡土壤含水率减少18.6％，阶上土壤含水率减少14.0％，下坡土壤含水率减少9.5％，5°整地的上坡水分通过壤中流向下坡运移的过程中使得下坡面水分得到了较大补偿，因此下坡面水分损失最小，对径流的再分配作用和保水作用显著；原状坡耕地划分为上坡、中坡、下坡，按照原始坡总长10m，均匀划分的，原状坡耕地中上坡土壤含水率减少34.6％，中坡土壤含水率减少30.6％，下坡土壤含水率减少29.4％，原状坡耕地小区中无任何水保措施，土壤水分损失最大。

表3作物水分利用概况

从表3可以看出，微地形整地坡角规格对提高作物水分利用效率的影响，本发明的坡耕地微地形整地三种坡角设计方法显著提高作物水分利用效率，设计0°、5°、10°坡角整地后，作物水分利用效率分别显著提高20.44％、29.41％和26.41％；作物耗水量分别显著降低21.05％、35.29％和26.99％。与原始坡耕地相比，整地方法降低耗水的同时相对可提高作物对水分的利用效率，增加耕地内土壤水分的保有率和使用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。