试验于2018年5—9月在江西省水土保持生态科技园进行。该科技园地处江西省北部的德安县燕沟小流域,小流域面积约80 hm²。属亚热带季风气候区,多年平均降雨量1 350.9 mm,降水年内分布不均,主要集中在6—9月,且多以暴雨形式出现,多年平均气温16.7℃。地貌为浅丘岗地,海拔30～100 m,坡度5°～25°; 成土母质以第四纪红黏土为主。

试验设置4个处理:常规耕作(对照)、有机肥+常规耕作、稻草覆盖+深翻耕、保水剂+常规耕作,每个处理设置3个平行。种植作物为红壤丘陵区坡耕地最主要的农作物花生。

试验采用规格为长2 m×宽1 m×高0.6 m的土槽进行。土槽坡度均设置为10°。土槽底部填筑3 cm厚度的粗砂,粗砂上覆盖一层土工布,再填筑过10 cm筛的第四纪红黏土。3—25 cm(以底板为基准计算)填筑土壤容重控制在1.44 g/cm³; 25—45 cm(以底板为基准计算)填筑土壤容重分别控制为1.32 g/cm³(常规耕作措施),1.15 g/cm³(深翻措施); 45—65 cm填筑土壤容重控制为1.15 g/cm³。填土过程按照10 cm一层分层填土。采用稻草覆盖+深翻耕措施的土槽在花生播种覆土后按播种顺序方向均匀覆盖稻草,覆盖量为10 t/hm²。保水剂采用华翔聚丙烯酸钾盐型农用保水剂,使用量为90 kg/hm²。有机肥使用量为2.25 t/hm²,全部作为基肥,施肥方式为穴施。所有措施花生株行距统一为30 cm×30 cm。

在每个土槽上、下坡位各安装1个EM50土壤水分数据采集器,采集器埋设深度为20 cm,采集频率为每隔5 min一次。

人工模拟降雨试验在江西省水土保持生态科技园人工模拟降雨大厅进行,采用西安清远测控技术有限公司设计的QYJY-503人工模拟降雨系统,主要由供水系统、降雨系统、控制系统和显示系统4个部分组成。系统采用先进的垂直下喷式喷头模拟自然降雨,降雨高度18 m。根据花生生长期进行降雨,降雨时间分为为2018年5月30日(花生出苗期),2018年6月28日(花生盛花期),2018年7月22日(花生结荚期),2018年8月20日(花生收获期)及2018年9月11日(翻耕期)。雨强大小设置为1.5 mm/min,降雨历时90 min。降雨开始的同时用EM50土壤水分数据采集器采集0—20 cm土壤水分含量(5 min一次),降雨结束后继续采集2 h的数据。

图1显示的是花生不同生长期坡耕地土壤(20 cm)含水量对降雨的响应情况。不同生长期坡耕地上、下坡20 cm深度土壤含水量在降雨后的变化幅度均呈收获期≈结荚期>盛花期>出苗期>翻耕期(p<0.01)。常规耕作措施下,花生不同生长期坡耕地上、下坡位浅层含水量对将降雨的响应规律差异较大,翻耕期上坡位20 cm深度土壤含水量降雨前后变化幅度较小(降雨后提升幅度约20%),且增速缓慢,而下坡位20 cm深度土壤含水量变化幅度较大(降雨后变化幅度达38%)。出苗期常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的变化幅度分别为38%和52%,均显著高于翻耕期(p<0.01)。与此同时,出苗期常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量分别于降雨后40 min,45 min达到最大值,比翻耕期20 cm深度土壤含水量达到峰值的时间显著提前。盛花期和结荚期常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量变化趋势相似,均表现为降雨开始后逐渐增加,降雨结束后(90 min后)则呈现一定程度的降低,但结荚期20 cm深度土壤含水量变化幅度要显著高于盛花期(p<0.01)。收获期常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量均呈现大幅提升趋势,增幅均超过100%,且降雨结束后衰减幅度较慢。

图1 花生不同生长期坡耕地土壤(20 cm)水分含量对降雨的响应情况

类似于常规耕作小区,保水剂+常规耕作措施小区不同生长期20 cm深度土壤含水量降雨后的提高幅度亦呈现为收获期≈结荚期>盛花期>出苗期>翻耕期(p<0.01)。出苗期保水剂+常规耕作措施小区20 cm深度土壤含水量对降雨的响应最快,且达到峰值的时间也最短。

花生不同生长期有机肥+常规耕作措施小区20 cm深度土壤含水量在人工模拟降雨后均呈现较大幅度的提高。该小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量在不同花生生长期的降雨响应规律相差较大。其中,结荚期小区上坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的提高幅度最高,收获期次之,而出苗期最低,翻耕期与盛花期20 cm深度土壤含水量变化幅度类似。小区下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的提高幅度则呈现:结荚期≈收获期>盛花期>出苗期≈翻耕期(p<0.01)。

花生不同生长期稻草覆盖+深翻小区上坡位20 cm深度土壤含水量对人工模拟降雨的响应规律相似,总体呈现结荚期≈收获期>出苗期≈盛花期>翻耕期(p<0.01)。花生不同生长期稻草覆盖+深翻小区下坡位20 cm深度土壤含水量降雨前差异较大,但人工模拟降雨后相差较小。

翻耕期不同水保措施小区上坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的变化幅度呈现稻草覆盖+常规耕作>有机肥+常规耕作>保水剂+常规耕作>常规耕作,而下坡位20 cm深度土壤含水量则呈现稻草覆盖+常规耕作>有机肥+常规耕作≈保水剂+常规耕作>常规耕作(图2)(p<0.01)。在翻耕期,常规耕作措施小区上坡位20 cm深度土壤含水量在人工模拟降雨开始后70 min基本没有明显变化,70 min后才开始呈现缓慢增长趋势。相比之下,常规耕作措施小区下坡位20 cm深度土壤含水量在人工模拟降雨开始后即开始增加,在降雨后50 min即达到最大值,从降雨前的26.9%提高至37.3%,增加10.4%,增幅达38.7%(表1)。50 min后常规耕作措施小区下坡位20 cm深度土壤含水量呈现逐渐降低趋势。保水剂+常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量在人工模拟降雨后均呈现较大幅度提升,其中,上坡位从20.8%提高至28.6%,增加7.8%,增幅达37.5%; 下坡位从30.4%提高至43.2%,增加12.8%,增幅达42%。保水剂+常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量分别于降雨开始后110 min,90 min达到峰,后呈现缓慢降低趋势。有机肥+常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量在人工模拟降雨试验开始后40 min均呈现较大幅度的提升,在降雨90 min(人工模拟降雨试验结束)达到峰值。下坡位20 cm深度土壤含水量增加速度显著高于上坡位(p <0.01)。类似于有机肥+常规耕作措施小区,稻草覆盖+常规耕作措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后亦呈现大幅提升,降雨停止后则呈现一定幅度的下降。

表1 花生不同生长期水保措施对红壤红坡耕地土壤保水效益的影响%

图2 不同水保措施下土壤(20 cm深度)水分含量对降雨的响应情况

花生出苗期不同水保措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量呈现相似的规律,即人工模拟降雨试验开始后20 min呈现快速增加趋势,降雨结束后则呈现下降趋势。稻草覆盖+常规耕作小区20 cm深度土壤含水量在降雨后的增幅最高,其他几种措施相差不大。花生盛花期,稻草覆盖+常规耕作小区20 cm深度土壤含水量在降雨后10 min即呈现快速增加的趋势,在降雨后40 min即达到峰值,并随着继续降雨保持在峰值水平,降雨结束后以较快速度降低。有机肥+常规耕作、保水剂+常规耕作小区上坡位20 cm深度土壤含水量对降雨的响应规律相似,但有机肥+常规耕作小区下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的增长幅度要显著高于保水剂+常规耕作小区。花生结荚期,不同水保措施小区上、下坡位20 cm深度土壤含水量呈现相似的规律,均在降雨后30 min开始增加,70 min左右达到峰值,70 min后开始逐渐降低。稻草覆盖+常规耕作小区20 cm深度土壤含水量在降雨后的增幅最高,其他几种措施相差不大。花生收获期,不同水保措施小区上坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的变化幅度呈现稻草覆盖+常规耕作>保水剂+常规耕作>有机肥+常规耕作≈常规耕作(p<0.01)。花生收获期常规耕作措施小区下坡位20 cm深度土壤含水量在降雨后的提高幅度要显著低于其他3种措施小区(p<0.01)。