朱進(jìn)輝 趙武成 Erastus Mak-Mensah 王琦 張登奎 周旭姣 趙曉樂 戚文佳 馬文 崔循臻 李旭春 劉冰

摘要：為緩解我國黃土高原區(qū)干旱脅迫和控制水土流失，本研究采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，生物炭施加模式（生物炭施加和無生物炭施加） 為主區(qū)，耕作模式（打結(jié)壟、開敞壟和平作） 為副區(qū)，研究不同生物炭施加模式和耕作模式對土壤水分、徑流、泥沙流失、養(yǎng)分流失、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）干草產(chǎn)量和水分利用效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在2019和2020年紫花苜蓿生育期，與平作處理相比，開敞壟和打結(jié)壟處理的徑流量、泥沙、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)流失量分別減少20.1%～37.7%和60.1%～64.7%，54%～75.5%和77.1%～87.6%，44.4%～65.5%和49.0%～81.8%，36.7%～75.3%和48.6%～87.3%，48.2%～72.9%和58.6%～85.4%，土壤貯水量、紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率分別增加39.5～52.1和31.2～60.5 mm，26.2%～31.7%和26.5%～35.2%，10.07～14.86和12.14～16.55 kg·hm-2·mm-1。與無生物炭施加處理相比，生物炭施加處理的徑流量、泥沙、全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)流失量分別減少48%～69%，94%～125%，12%～24%，28%～46%和35%～48%，土壤貯水量、紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率分別增加42.93～26.09 mm，106%～111% 和1.96～6.90 kg·hm-2·mm-1。本研究表明，生物炭施加打結(jié)壟溝集雨種植是該區(qū)域適宜耕作模式。

關(guān)鍵詞：生物炭添加模式；耕作模式；徑流；水土流失；養(yǎng)分流失；坡地

中圖分類號：S541+.4??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???? 文章編號：1007-0435（2024）05-1314-13

Effects of Biochar Application and Ridge-furrow Rainwater Harvesting on Soil

Erosion Control and Alfalfa Fodder Yield

ZHU Jin-hui1， ZHAO Wu-cheng1， ERASTUS Mak-Mensah1， WANG Qi1*， ZHANG Deng-kui1，

ZHOU Xu-jiao1， ZHAO Xiao-le1， QI Wen-jia1， MA Wen1， CUI Xun-zhen2，

LI Xu-chun3， LIU Bing4

（1. College of Grassland Science， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu Province 730070， China; 2. Dingxi Hydraulic

Science Research Institute， Dingxi， Gansu Province 743000， China;3. Dingxi Institute of Soil and Water Conservation， Dingxi，

Gansu Province 743000， China;4. Linze Inland River Basin Research Station /Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River

Basin， Northwest Institute of Eco-Environment and Resources， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou， Gansu Province

730000， China）

Abstract：To mitigate drought stress and control soil erosion in the Loess Plateau in China，a field experiment was conducted by split-plot design to determine the effects of biochar application patterns and tillage practices on soil moisture，runoff，loss of sediment，nutrients，fodder yield，and water use efficiency of alfalfa. In this experiment，biochar application patterns （biochar application and no biochar application） were the main plots，and tillage practices （tied-ridging，open-ridging，and flat planting） were the split-plots. Compared to flat planting，runoff，the loss of sediment，total nitrogen，total phosphorus，and organic matter in the practices of open-ridging and tied-ridging decreased by 20.1%～37.7% and 60.1%～64.7%，54%～75.5% and 77.1%～87.6%，44.4%～65.5% and 49.0%～81.8%，36.7%～75.3% and 48.6%～87.3%，and 48.2%～72.9% and 58.6%～85.4%，respectively. Soil water storage，fodder yield，and water use efficiency of alfalfa in open-ridging and tied-ridging increased by 39.5～52.1 and 31.2～60.5 mm，26.2%～31.7% and 26.5%～35.2%，and 10.07～14.86 and 12.14～16.55 kg·hm-2·mm-1，respectively，during the alfalfa growing season in 2019 and 2020. Compared to no biochar application，runoff，the loss of sediment，total nitrogen，total phosphorus，and organic matter in biochar application decreased by 48%～69%，94%～125%，12%～24%，28%～46%，and 35%～48%，respectively，while soil water storage，fodder yield，and water use efficiency of alfalfa increased by 42.93～26.09 mm，106%～111%，and 1.96～6.90 kg·hm-2·mm-1，respectively. The tillage practice of tied-ridge-furrow rainwater harvesting combined with biochar application was found to be an effective practice for controlling soil erosion and enhancing alfalfa fodder yield in this region.

Key words：Biochar application pattern;Tillage practice;Runoff;Water loss and soil erosion;Nutrient loss;Slopping land

干旱、水土流失及極端氣候嚴(yán)重阻礙我國半干旱黃土高原丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)［1］。我國半干旱黃土高原丘陵區(qū)具有降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、地形破碎、植被覆蓋稀疏、栽培模式單一、地下水位較深等特點(diǎn)［2］，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴自然降雨。近些年，全球氣候變暖和不合理人類活動(dòng)（過度放牧、單一耕作、連作等） 加劇干旱和水土流失風(fēng)險(xiǎn)［3］。該區(qū)降雨主要集中于夏季和秋季，以長時(shí)低強(qiáng)度小雨（單次降雨量<5 mm）和短時(shí)高強(qiáng)度暴雨（單次降雨量>15 mm）為主，長時(shí)低強(qiáng)度小雨經(jīng)常不能被作物吸收利用，短時(shí)高強(qiáng)度暴雨經(jīng)常以徑流或蒸發(fā)損失，作物吸收利用率較低［2］。同時(shí)，短時(shí)高強(qiáng)度暴雨易引起水土流失和養(yǎng)分流失，導(dǎo)致土壤貧瘠、板結(jié)、干燥化和土地生產(chǎn)力下降，進(jìn)而影響農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展，對全球糧食安全構(gòu)成威脅［4-5］。干旱失水引起土壤表層不均勻收縮，不均勻收縮導(dǎo)致土壤產(chǎn)生裂縫，土壤裂縫加劇土壤蒸發(fā)，土壤可蝕性隨干旱程度和持續(xù)時(shí)間增加而增加。干旱和水土流失降低土壤有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而降低土壤顆粒粘聚力和土壤持水力，使該地區(qū)土壤易受干旱脅迫，干旱和水土流失是我國半干旱黃土高原丘陵區(qū)最復(fù)雜和最頻繁發(fā)生的自然災(zāi)害［3］。為克服水資源短缺和水土流失嚴(yán)重等自然災(zāi)害，有效保留田地內(nèi)地表徑流和改善農(nóng)田土壤水狀況，減緩?fù)寥浪痔澣焙吞岣咦魑锂a(chǎn)量，當(dāng)?shù)刈越o自足農(nóng)民在田間使用各種雨水收集技術(shù)，雨水收集技術(shù)包括梯田耕作、覆蓋、少免耕、壟溝集雨種植等技術(shù)。

壟溝集雨種植技術(shù)是一種有效控制水土流失和提高降水利用效率的耕作措施。壟溝集雨種植系統(tǒng)包括種植溝和集雨壟，集雨壟設(shè)計(jì)主要目的是產(chǎn)生徑流，種植溝設(shè)計(jì)主要目的是匯集降雨和徑流，壟溝集雨種植增加降雨垂直入滲和停留時(shí)間。集雨壟覆蓋材料降低土壤表面蒸發(fā)，改善土壤水分、溫度和養(yǎng)分條件，促進(jìn)作物生長和地上干物質(zhì)形成，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，降低全球糧食安全威脅［4-5］。為避免溝內(nèi)降水和徑流向低處匯集，在傳統(tǒng)壟溝集雨種植系統(tǒng)中，在種植溝內(nèi)布設(shè)固定距離交錯(cuò)或非交錯(cuò)打結(jié)壟，打結(jié)壟、集雨壟和種植溝形成一系列微盆地，有助于分散徑流，提高徑流均勻分配，延長徑流滯留時(shí)間和促進(jìn)降雨入滲時(shí)間［6］。打結(jié)壟溝集雨種植是一種特殊壟溝集雨種植技術(shù)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于亞洲和非洲南部農(nóng)業(yè)種植，尤其坡耕地種植，常稱為盒壟、溝筑堤、溝淤壩、盆地耕作等［7］。在打結(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng)中，打結(jié)壟隔斷、堵塞和封閉種植溝，有效控制地表徑流和水土流失，收集降雨，補(bǔ)給干旱期缺水［8］。在推廣打結(jié)壟溝集雨種植之前，需要定量評估該技術(shù)對水土流失、土壤水分和作物產(chǎn)量的影響。當(dāng)設(shè)計(jì)不合理或遇到強(qiáng)大暴雨時(shí)，打結(jié)壟溝集雨種植系統(tǒng)造成水淹、溢壟、壟溝破壞、養(yǎng)分過度流失等現(xiàn)象，降低土壤有機(jī)質(zhì)含量，加劇土壤侵蝕和土地退化，增加土壤鹽堿化和沙漠化［9］。在壟溝集雨種植系統(tǒng)中，集雨壟或種植溝覆蓋材料主要包括塑料薄膜、可降解薄膜、農(nóng)作物秸稈、礫石、生物炭等［10］。塑料薄膜覆蓋產(chǎn)生大量地膜殘留，地膜殘留引起聚乙烯在土壤中積累，污染土壤及周圍環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)牧業(yè)不可持續(xù)生產(chǎn)；可降解薄膜容易產(chǎn)生光解和生物降解，覆蓋時(shí)間短和成本較高，限制可降解薄膜覆蓋推廣應(yīng)用；農(nóng)作物秸稈覆蓋易引起春季低溫、雜草生長、酸泄漏等，進(jìn)而阻礙作物出苗；礫石覆蓋需要較多勞動(dòng)力和運(yùn)輸成本，較難清除和處置［11］。在推廣打結(jié)壟溝集雨種植之前，需要開發(fā)利用環(huán)保型覆蓋材料。

生物炭是在可控?zé)峤鉁囟群腿毖鯒l件下植物殘?jiān)騽?dòng)物糞便熱化學(xué)制成的一種環(huán)保型材料，具有多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大、持水能力強(qiáng)等特點(diǎn)［12］。土壤添加生物炭改善土壤孔隙度、透氣性、入滲率和土壤保水率，進(jìn)而減少土壤容重、地表徑流和土壤侵蝕。在強(qiáng)降雨期，生物炭添加有利于增加土壤滲透性和降低地表徑流，進(jìn)而增加土壤持水量，提高作物產(chǎn)量［13］。劉目興等［14］研究結(jié)果表明，生物炭添加減少土壤顆粒之間連接，易導(dǎo)致地表徑流和土壤侵蝕。Feng等［15］研究發(fā)現(xiàn)，低量生物炭添加（1%和3%重量比） 降低地表徑流和土壤侵蝕，高量生物炭添加（5%和7%重量比） 增加地表徑流和土壤侵蝕。Zhang等［16］研究發(fā)現(xiàn)，與無生物炭添加相比，土壤添加生物炭的徑流減少2.4%～10.8%，泥沙流失量增加20.8%～50.8%。土壤添加生物炭對土壤水分、徑流、泥沙和作物產(chǎn)量的影響隨生物炭類型、粒徑、施加量、作物類型、土壤類型、耕作措施、氣候條件等變化而變化。目前關(guān)于壟溝集雨種植和生物炭施加相結(jié)合的研究較少，尤其對徑流、泥沙、養(yǎng)分流失等方面的研究。

紫花苜蓿（Medicago sativa L.） 是我國半干旱黃土高原區(qū)廣泛種植的多年生豆科牧草［17］。紫花苜蓿具有較高的營養(yǎng)價(jià)值、消化率、飼料產(chǎn)量潛力、抗旱性和適應(yīng)性。紫花苜蓿深根系增強(qiáng)土壤凝聚力、土壤穩(wěn)定性和入滲速率，有效控制地表徑流和土壤侵蝕［18］。茂密的紫花苜蓿冠層覆蓋土壤表層，降低雨水打擊地表動(dòng)能，阻止土壤顆粒分離和運(yùn)輸，增加地表粗糙度和土壤入滲，提高土壤抗侵蝕性，有效減少地表徑流和土壤侵蝕［19］。Zhang等［20］研究發(fā)現(xiàn)，與裸地相比，紫花苜蓿種植的徑流系數(shù)和泥沙流失量分別降低28.3%和78.4%，入滲率提高177%。然而，紫花苜蓿耗水量大于普通作物，紫花苜蓿多年種植導(dǎo)致土壤水分虧缺和土壤干層，土壤干層阻斷土壤水和大氣水交換［21］。根據(jù)區(qū)域氣候和土壤特點(diǎn)設(shè)計(jì)紫花苜蓿耕作模式，可減少紫花苜蓿水分過度消耗，控制水土流失，確保紫花苜?？沙掷m(xù)生產(chǎn)。

本研究假設(shè)壟溝集雨種植，尤其打結(jié)壟溝集雨種植，結(jié)合生物炭施加可以提高土壤水分，減少徑流、泥沙和養(yǎng)分流失，進(jìn)而提高紫花苜蓿牧草產(chǎn)量和水分利用效率（圖1）。本研究目的是在自然降雨條件下，研究生物炭施加壟溝集雨對土壤水分、徑流、泥沙、養(yǎng)分流失、紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率的影響，確定適宜生物炭施加壟溝集雨耕作模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)布置于甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所安家坡試驗(yàn)站（北緯35°35′，東經(jīng)104°39′，海拔2 076 m），試驗(yàn)站氣候類型屬于典型溫帶半干旱大陸季風(fēng)性氣候。根據(jù)甘肅省定西市氣象局記錄，該地區(qū)近51年（1970—2020年） 平均氣溫為6.7℃，年平均降水量為392 mm，紫花苜蓿生長季（4—9月） 降雨量占全年降雨量比例為76%，年潛在蒸發(fā)量約1 445 mm，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 438 h，無霜期約140～160 d，平均空氣相對濕度約65.8%。根據(jù)美國土壤分類系統(tǒng)，試驗(yàn)區(qū)土壤為沉積性黃土發(fā)育而成的鈣質(zhì)土壤，該土壤抗侵蝕能力較弱，土壤容重范圍1.09～1.36 g·cm-3，在2 m深度田間持水量范圍20%～23%，永久萎蔫系數(shù)5.16%，表層（0～40 cm）土壤化學(xué)性質(zhì)見表1。

2019和2020年試驗(yàn)區(qū)年降水量分別為480.6和512.50 mm，與近51年（1970—2020年） 年平均降水量（392 mm） 相比，2019和2020年年降水量分別增加22.60 %和30.74 % （圖2）。2019和2020年試驗(yàn)區(qū)全年平均氣溫分別為7.45和7.23℃，最高氣溫分別為21.5和22.1℃，最低氣溫分別為-9.4和-12.6℃；2019和2020年紫花苜蓿全生育期平均氣溫分別為13.9和13.4℃，最高氣溫分別為21.5和22.1℃，最低氣溫分別為0.3和0℃。與近51年（1970—2020年） 年平均氣溫相比，2019和2020年的年平均氣溫分別升高0.24和0.02℃，紫花苜蓿全生育期平均氣溫分別升高0.35和0.20℃。

1.2 生物炭來源和性質(zhì)

生物炭來源于浙江省生物炭工程研究中心，以稻稈和牛糞為生物炭原料，在大約500℃無氧或限氧條件下進(jìn)行生物炭熱解，碾壓熱解生物炭塊，通過2 mm篩子，篩選細(xì)顆粒生物炭保存于密封袋，放置于常溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以備后用。生物炭理化性質(zhì)見表2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，生物炭施加模式為主區(qū)，耕作模式為副區(qū)，生物炭施加模式包括生物炭施加（3×104 kg·hm-2） 和無生物炭施加（0 kg·hm-2），耕作模式包括打結(jié)壟、開敞壟和傳統(tǒng)平作，在主區(qū)中，無生物炭施加作為對照，在副區(qū)中，傳統(tǒng)平作作為對照，共設(shè)6個(gè)處理（2種生物炭施加模式×3種耕作模式），重復(fù)3次。在壟溝集雨種植紫花苜蓿試驗(yàn)中，集雨壟寬度和高度分別為45 和15～20 cm，打結(jié)壟寬度和高度分別為15～20 cm和10～15 cm，采用德國BASF化工廠提供生物可降解膜作為集雨壟覆蓋材料，生物可降解膜寬度為1.4 m，厚度為 0.008 mm。

在代表性緩坡地（坡度約為10°） 布置種植區(qū)，每小區(qū)面積50 m2（長10 m×寬5 m）。對于壟溝集雨種植而言，交替壟溝沿等高線布置，集雨壟和打結(jié)壟形狀為拱型，集雨壟上壟面與溝面夾角約為5°～10°，下壟面與溝面夾角約為60°～70°，溝坡度接近0°，溝寬為60 cm，溝長5 m，溝作為紫花苜蓿種植區(qū)。每條溝設(shè)置3條打結(jié)壟，打結(jié)壟之間距離為2.5 m，相鄰2條溝的打結(jié)壟排列方式為交錯(cuò)排列，每小區(qū)有9條壟和10條溝，每小區(qū)種植溝面積為30 m2（長5 m×寬0.6 m×10條溝），行間距為15 cm，每條溝播種4行紫花苜蓿，每小區(qū)種植44 行紫花苜蓿；對于平作種植而言，每小區(qū)種植面積為50 m2，行間距為15 cm，種植66行紫花苜蓿。為防止小區(qū)外徑流流入和小區(qū)內(nèi)徑流溢出，每小區(qū)采用混凝土磚作為邊界，混凝土磚埋入土壤深度 10 cm，混凝土磚高出地面 10 cm，相鄰小區(qū)之間設(shè)置寬1.5 m緩沖帶。為收集小區(qū)內(nèi)徑流和泥沙，在每小區(qū)坡底修建集流槽，集流槽用于導(dǎo)流徑流和泥沙，徑流和泥沙流入徑流泥沙觀測池，徑流泥沙觀測池與集流槽之間距離為30 cm，采用水泥砂漿和磚塊修筑徑流泥沙觀測池，每個(gè)徑流泥沙觀測池體積為3.375 m3（長1.5 m×寬1.5 m×高1.5 m）。

1.4 種植管理

在試驗(yàn)區(qū)選擇坡度為10°撂荒地作為試驗(yàn)小區(qū)，在土壤完全解凍后（2019年4月1日），清除撂荒地表層枯落物和雜物，人工鏟起深20～30 cm土壤表面肥力層，堆砌成小堆，使用帶刻度卷尺和坡度儀標(biāo)定小區(qū)大小和坡度，于2019年4月12日建成壟溝集雨種植小區(qū)和徑流泥沙觀測池。在紫花苜蓿播種前，堆砌土壤肥力層均勻鋪撒平作表面或種植溝表面。對無生物炭施加而言，翻耕和平整小區(qū)各1次；對生物炭施加而言，細(xì)顆粒生物炭撒施種植溝表面，均勻混合翻深土壤20～30 cm，平整種植溝。于2019年4月5日和2020年3月25日完成生物可降解膜覆蓋集雨壟，紫花苜蓿種植2月后人工修筑打結(jié)壟。為防止野生動(dòng)物入侵、踐踏和破壞試驗(yàn)小區(qū)，采用1.5米高鐵網(wǎng)作為圍欄?！兽r(nóng)3號紫花苜蓿（Medicago sativa L.）為供試作物，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)種植經(jīng)驗(yàn)，紫花苜蓿播種量為22.5 kg·hm-2，播種時(shí)間2019年4月12日，播種深度2～3 cm。在連續(xù)2年紫花苜蓿種植期，根據(jù)雜草生長狀況人工除草，不施肥、灌溉和噴灑除草劑，降雨作為紫花苜蓿生長唯一水資源。

1.5 樣品采集和測定

1.5.1 徑流和泥沙 為減少水分蒸發(fā)和滲漏，在降雨后24 h測量徑流和泥沙。用鋼尺測定徑流泥沙觀測池水深，用鏟子和掃帚連續(xù)攪拌徑流渾濁液10～15 min，使徑流泥沙觀測池懸浮液均勻混合，立即用6個(gè)1 000 mL容量瓶收集均勻懸浮液，樣品懸浮液澄清24～48 h，倒掉樣品懸浮液上層澄清液，對3個(gè)1 000 mL容量瓶收集樣品懸浮液進(jìn)行過濾、烘干和稱重，計(jì)算小區(qū)泥沙流失量，對剩余3個(gè)1 000 mL容量瓶收集樣品懸浮液自然條件下風(fēng)干，測定養(yǎng)分流失。采用以下公式計(jì)算徑流量和泥沙流失量。當(dāng)徑流和泥沙流失量測定完成后，用掃帚、簸箕和小水泵清理徑流泥沙觀測池的徑流和泥沙，為下次收集徑流和泥沙做準(zhǔn)備。徑流量和泥沙量用以下公式計(jì)算：

1.5.2 土壤水分? 在紫花苜蓿返青期前、刈割后和有效降水（降水量>5 mm） 后1 d，在每小區(qū)上坡、中坡和下坡分別隨機(jī)取3個(gè)樣點(diǎn)，采用烘干法測定溝中土壤含水量，測定土壤深度為200 cm，在深度0～20 cm，按10 cm分層，在深度20～200 cm，按20 cm分層。土壤貯水量采用以下公式計(jì)算。

式中，P為紫花苜蓿全生育期降水量（mm），Prunoff為產(chǎn)生徑流的降雨量（mm），W1和W2分別為返青前期和最后1次刈割后土壤貯水量（mm），AFY為實(shí)際紫花苜蓿干草產(chǎn)量（kg·hm-2），ET為紫花苜蓿耗水量（mm）。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析，采用一般線性模型單變量分析不同副區(qū)和不同主區(qū)之間差異，生物炭施加模式和耕作模式作為固定因子，土壤貯水量、徑流量、泥沙流失量、養(yǎng)分流失、紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率作為因變量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤貯水量

2019和2020年紫花苜蓿全生育期土壤貯水量見圖3。在紫花苜蓿全生育期，土壤貯水量隨季節(jié)變化不明顯。在多數(shù)情況下，打結(jié)壟處理的土壤貯水量顯著高于開敞壟，開敞壟處理的土壤貯水量顯著高于平作，生物炭施加處理的土壤貯水量顯著高于無生物炭施加處理（P<0.05）。

與平作處理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，在生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的平均土壤貯水量分別增加45.22和72.83 mm；在無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的平均土壤貯水量分別增加11.24和54.22 mm。與平作處理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，在生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的平均土壤貯水量分別增加59.03和48.17 mm；在無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的平均土壤貯水量分別增加67.77和8.27 mm。與無生物炭施加處理相比，2019和2020年生物炭施加處理的土壤貯水量分別增加42.93和26.09 mm。

2.2 徑流量和泥沙流失量

2019和2020年徑流量和泥沙流失量見圖4。在紫花苜蓿生育期，2019和2020年降雨次數(shù)分別為101和93次，產(chǎn)生徑流暴雨次數(shù)均為8次，產(chǎn)生泥沙暴雨次數(shù)均為5次。在多數(shù)情況下，打結(jié)壟處理的徑流量和泥沙流失量顯著高于開敞壟，開敞壟處理的徑流量和泥沙流失量顯著高于平作處理（P<0.05），生物炭施加處理的徑流量和泥沙流失量明顯高于無生物炭施加處理。

與平作處理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理徑流量分別減少26.1%和60.1%，泥沙流失量分別減少54.0%和77.1%；無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理徑流量分別減少35.0%和40.8%，泥沙流失量分別減少55.0%和62.1%。與平作處理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的徑流量分別減少37.7%和64.7%，泥沙流失量分別減少75.5%和87.6%；無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理徑流分別減少20.0%和33.5%，泥沙流失量分別減少65.2%和81.6%。與無生物炭施加處理相比，2019和2020年生物炭施加處理的徑流量分別減少32.2%和40.9%，泥沙流失量分別減少25.5%和55.4%。

2.3 土壤養(yǎng)分流失

2019和2020土壤養(yǎng)分流失見圖5。在多數(shù)情況下，平作處理的土壤養(yǎng)分（全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)） 流失量顯著高于開敞壟處理，開敞壟處理的土壤養(yǎng)分顯著高于打結(jié)壟處理（P<0.05），生物炭施加處理的土壤養(yǎng)分明顯低于無生物炭施加處理。與平作處理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理全氮流失量分別減少47.4%和67.3%，全磷流失量分別減少36.7%和48.6%，有機(jī)質(zhì)流失量分別減少48.2%和72.2%；無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理全氮流失量分別減少44.4%和49.0%，全磷流失量分別減少47.1%和52.2%，有機(jī)質(zhì)流失量分別減少51.7%和58.6%。與平作處理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理全氮流失量分別減少65.5%和81.8%，全磷流失量分別減少75.3%和87.3%，有機(jī)質(zhì)流失量分別減少72.9%和85.4%；無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理全氮流失量分別減少49.2%和67.3%，全磷流失量分別減少61.5%和77.2%，有機(jī)質(zhì)流失量分別減少61.0%和78.5%。與無生物炭施加處理相比，2019年生物炭施加處理的全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)分別減少24.5%，37.8%和25.9%，2020年生物炭施加處理的全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)分別減少 35.9%，48.6%和48.2%。

2.4 紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率

2019和2020年紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率見表3。就紫花苜蓿全生育期而言，第1茬紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量明顯高于第2茬，第2茬紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量明顯高于第3茬。在2019和2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加和無生物炭施加條件下，打結(jié)壟處理的實(shí)際干草產(chǎn)量顯著高于開敞壟處理（P<0.05），開敞壟處理的實(shí)際干草產(chǎn)量均顯著高于平作處理（P<0.05）。與平作處理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的實(shí)際干草產(chǎn)量分別增加22.3%和26.1%；無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的實(shí)際干草產(chǎn)量分別增加13.8%和18.8%；與平作處理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的實(shí)際干草產(chǎn)量分別增加41.1%和44.4%；無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的實(shí)際干草產(chǎn)量分別增加38.6%和34.1%。與無生物炭施加處理相比，2019和2020年生物炭施加處理的實(shí)際干草產(chǎn)量分別增加106%和111%。

在2019和2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加和無生物炭施加條件下，打結(jié)壟處理的水分利用效率顯著高于開敞壟（P<0.05），開敞壟處理的水分利用效率均顯著高于平作處理（P<0.05）。與平作處理相比，在2019年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的水分利用效率分別提高16.45和17.46 kg·hm-2·mm-1；無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的水分利用效率分別提高11.09和12.99 kg·hm-2·mm-1。與平作處理相比，在2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的水分利用效率分別提高13.26和15.64 kg·hm-2·mm-1，在無生物炭施加條件下，開敞壟和打結(jié)壟處理的水分利用效率分別提高9.04和11.28 kg·hm-2·mm-1。與無生物炭施加處理相比，2019和2020年生物炭施加處理的水分利用效率分別增加6.90和1.96 kg·hm-2·mm-1。

3 討論

土壤水分在維持紫花苜蓿連續(xù)性種植、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全等方面具有重要意義。紫花苜蓿具有高產(chǎn)、營養(yǎng)價(jià)值高、適應(yīng)性廣、多年生等特點(diǎn)，作為放牧、干草、青貯飼料、顆粒、草捆等食用方式，為牛羊等家畜提供良好蛋白質(zhì)和熱量，紫花苜蓿種植具有保護(hù)土地、提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入、創(chuàng)造野生動(dòng)物棲息地等優(yōu)點(diǎn)［23］。在中國黃土高原區(qū)，土壤水分是限制紫花苜蓿發(fā)芽、生長、建植和產(chǎn)量形成的一個(gè)重要因素［24-25］，土壤水分受降水量、蒸散量、入滲、徑流、地形、土壤物理特性等影響［26］。在壟溝集雨種植中，尤其打結(jié)壟溝集雨種植，打結(jié)壟、集雨壟和種植溝形成一系列微盆地，提高徑流流動(dòng)曲度，增加徑流路徑和地表粗糙度，延長徑流溝內(nèi)滯留和降雨入滲時(shí)間，減緩徑流速度，改善溝內(nèi)土壤水分狀況［27］。在本研究中，打結(jié)壟處理的土壤貯水量顯著高于開敞壟，開敞壟處理的土壤貯水量顯著高于平作。在2019—2020年紫花苜蓿生育期，與平作處理相比，開敞壟和打結(jié)壟處理的土壤貯水量分別增加39.50～52.13和31.24～60.50 mm。生物炭是一種多孔粒狀物質(zhì)，具有較高比表面積，與土壤顆粒聚集成土壤-生物炭團(tuán)聚體，土壤-生物炭團(tuán)聚體增加土壤孔隙度，土壤孔隙度減緩?fù)寥浪腿苜|(zhì)流動(dòng)速率，提高毛細(xì)管含水量和土壤保水力［28］。在本研究中，與無生物炭施加相比，在2019和2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加處理的土壤貯水量增加26.09和42.93 mm。Fu等［29］研究發(fā)現(xiàn)生物炭內(nèi)部孔隙顯著提高土壤持水力，生物炭外部孔隙對土壤持水力影響不顯著，與無生物炭施加相比，全生物炭施加（1.2×105 kg·hm-2） 和半生物炭施加（6×104 kg·hm-2） 的土壤含水量分別提高12.20 %和4.01%。在氣候變化等引起水分虧缺植物生長環(huán)境下，生物炭施加打結(jié)壟溝集雨種植有效提高土壤水分，有利于促進(jìn)紫花苜?？沙掷m(xù)發(fā)展［30］。

水土流失是土壤退化和土地生產(chǎn)力下降的一個(gè)重要原因，耕地，尤其坡耕地，是我國半干旱黃土高原區(qū)最易受土壤侵蝕土地類型之一［31］。水土流失導(dǎo)致該地區(qū)土壤養(yǎng)分流失、土體結(jié)構(gòu)破壞、土壤團(tuán)聚體分散、土壤容重提高、土地生產(chǎn)力下降等［32］。坡地徑流和泥沙流失受降雨特征、植被覆蓋、土地利用、初始土壤含水量、坡度、覆蓋材料等影響［33］。在打結(jié)壟溝集雨種植中，打結(jié)壟、集雨壟和種植溝增加土壤交叉面積，降低徑流速度，提高種植溝泥沙沉積時(shí)間，減弱種植溝徑流運(yùn)輸能力。在本研究中，在2019—2020年紫花苜蓿生育期，與平作處理相比，開敞壟和打結(jié)壟處理的徑流量分別減少20.0%～37.7%和33.5%～64.7%，泥沙流失量分別減少54.0%～75.5%和62.1%～87.6%，養(yǎng)分（全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)等） 流失量分別減少36.7%～75.3%和48.6%～87.3%。生物炭是一種多孔碳質(zhì)材料，具有較大孔隙度和較強(qiáng)吸附力，增加土壤顆粒粘結(jié)力，易形成生物炭-土壤團(tuán)聚體，生物炭-土壤團(tuán)聚體吸收和減弱降雨動(dòng)能，延緩地表徑流形成［34］。在本研究中，與無生物炭施加處理相比，在2019—2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加處理的徑流量、泥沙流失量、全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)流失量分別減少32.2%～40.9%，25.5%～55.4%，24.5%～35.9%，37.8%～48.6%和25.9%～48.2%。Li等［35］研究發(fā)現(xiàn)，與無生物炭施加處理相比，生物炭施加處理的徑流量和泥沙流失量分別下降19%～28%和11%。生物炭施加打結(jié)壟溝集雨種植有效控制徑流和防止水土流失。

在壟溝集雨種植中，集雨壟收集降雨，增加種植溝土壤貯水量，壟上覆蓋材料減緩?fù)寥浪终舭l(fā)和晝夜溫差波動(dòng)，優(yōu)化田間小氣候，適宜土壤水熱條件促進(jìn)作物根系和地上部分生長，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率［36］。壟溝集雨種植有效減緩種植面積，通過調(diào)整集雨壟和種植溝面積，優(yōu)化光水資源利用效率，提高地上干物質(zhì)積累［37］。然而，當(dāng)降雨量大于600 mm時(shí)，種植溝增產(chǎn)效應(yīng)無法抵償集雨壟降低有效種植面積引起減產(chǎn)效應(yīng)，降低作物產(chǎn)量和水分利用效率［38］。在本研究中，與平作處理相比，開敞壟和打結(jié)壟處理的紫花苜蓿干草產(chǎn)量分別提高13.8%～41.1%和18.8%～44.4%，水分利用效率分別提高9.04～16.45和11.28～17.46 kg·hm-2·mm-1。壟溝集雨種植將無效降雨變成有效降雨，有效提高長歷時(shí)低強(qiáng)度降雨利用率；沿等高線布置壟溝集雨種植系統(tǒng)攔截高強(qiáng)度降雨，減少徑流和泥沙流失，改善土壤水肥條件，有效提高短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨利用率。生物炭-土壤團(tuán)聚體提高土壤導(dǎo)水率、通氣性、氧化還原電位等，提高土壤持水和持肥力，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率［39］。在本研究中，與無生物炭施加處理相比，在2019—2020年紫花苜蓿生育期，生物炭施加處理的紫花苜蓿實(shí)際干草產(chǎn)量增加106%～111%，水分利用效率提高1.96～6.90 kg·hm-2·mm-1。Hu等［37］研究發(fā)現(xiàn)，低生物炭施加（0.8×104 kg·hm-2） 和高生物炭施加（1.6×104 kg·hm-2） 的小麥產(chǎn)量分別提高66.3%和81.7%。Wang等［40］研究結(jié)果表明，與平作處理相比，開敞壟和打結(jié)壟處理的紫花苜蓿飼草產(chǎn)量分別提高32.7%～34.6%和20.2%～20.6%，水分利用效率分別提高4.78～4.89和4.06～4.57 kg·hm-2·mm-1。壟溝集雨種植和生物炭施加相結(jié)合增加土壤水分，減少徑流和泥沙流失量，提高紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率。

未來氣候變化將導(dǎo)致更多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，壟溝集雨種植技術(shù)在干旱、半干旱和半濕潤區(qū)已得到廣泛應(yīng)用，有利于解決干旱、水土流失、洪災(zāi)、沙塵暴、地下水鹽漬化等自然災(zāi)害［41］。然而，不合理壟溝集雨種植技術(shù)設(shè)計(jì)，易導(dǎo)致土壤污染、低溫、溢壟、壟溝破壞、養(yǎng)分過度流失等現(xiàn)象。今后壟溝集雨種植技術(shù)設(shè)計(jì)不僅考慮有機(jī)覆蓋材料，而且考慮有機(jī)覆蓋材料的資源可獲得性、覆蓋期限、價(jià)格、負(fù)效應(yīng)等。

4 結(jié)論

壟溝集雨種植，尤其打結(jié)壟溝集雨種植，可以減少徑流、泥沙流失和養(yǎng)分流失，提高土壤水分、紫花苜蓿飼草產(chǎn)量和水分利用效率；土壤添加生物炭顯著提高土壤貯水能力，減少徑流和泥沙流失量，提高紫花苜蓿飼草產(chǎn)量和水分利用效率。生物炭施加打結(jié)壟溝集雨種植是我國半干旱黃土高原丘陵區(qū)防治水土流失和提高飼草產(chǎn)量的推薦耕作模式。今后壟溝集雨種植技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮有機(jī)覆蓋材料的資源可獲得性、覆蓋期限、價(jià)格、負(fù)效應(yīng)等。

參考文獻(xiàn)

［1］ 山侖，鄧西平，康紹忠，等. 我國半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］. 水利學(xué)報(bào)，2018，33（9）：27-31

［2］ XU G，TANG S，LU K，et al. Runoff and sediment yield under simulated rainfall on sand-covered slopes in a region subject to wind-water erosion［J］. Environmental Earth Sciences，2015，74（3）：2523-2530

［3］ MASROOR M，SAJJAD H，REHMAN S，et al. Analysing the relationship between drought and soil erosion using vegetation health index and RUSLE models in Godavari middle sub-basin，India［J］. Geoscience Frontiers，2022，13（2）：101312

［4］ 劉宇林，趙廣舉，穆興民，等. 近55年渭河流域降雨侵蝕力變化及對輸沙量的影響［J］. 中國水土保持科學(xué)，2019，17（3）：15-22

［5］ 秦海蓉，陳長成，胡月明，等. 青海省高寒草地土壤侵蝕強(qiáng)度及其空間分布特點(diǎn)［J］. 草地學(xué)報(bào)，2021，29（S1）：104-112

［6］ 李富春，王琦，張登奎，等. 坡地打結(jié)壟溝集雨對紫花苜蓿干草產(chǎn)量和水分利用效率的影響［J］. 水土保持學(xué)報(bào)，2018，32（1）：147-156，161

［7］ WIYO K A，KASOMEKERA Z M，F(xiàn)EYEN J. Effect of tied-ridging on soil water status of a maize crop under Malawi conditions［J］. Agricultural Water Management，2000，45（2）：101-125

［8］ BRHANE G，WORTMANN C S，MAMO M，et al. Micro-Basin Tillage for Grain Sorghum Production in Semiarid Areas of Northern Ethiopia［J］. Agronomy Journal，2006，98（1）：124-128

［9］ NUTI R C，LAMB M C，SORENSEN R B，et al. Agronomic and economic response to furrow diking tillage in irrigated and non-irrigated cotton （Gossypium hirsutum L.）［J］. Agricultural Water Management，2009，96（7）：1078-1084

［10］SADEGHI S H，HAZBAVI Z，HARCHEGANI M K，et al. Controllability of runoff and soil loss from small plots treated by vinasse-produced biochar［J］. Science of the Total Environment，2016，541（15）：483-490

［11］邱陽，王亞軍，謝忠奎，等. 礫石覆蓋對農(nóng)田土壤有機(jī)碳、微生物和土壤酶活性的影響［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，20（10）：176-180

［12］李帥霖，王霞，王朔，等. 生物炭施用方式及用量對土壤水分入滲與蒸發(fā)的影響［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（14）：135-144

［13］桂利權(quán)，張永利，王燁軍，等. 生物炭對土壤肥力及作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究進(jìn)展［J］. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2020，25（16）：136-139，141

［14］劉目興，王靜愛，劉連友，等. 旱作農(nóng)田不同結(jié)構(gòu)壟作的生態(tài)生產(chǎn)效益研究［J］. 水土保持學(xué)報(bào)，2005，19（6）：114-118

［15］FENG W，YANG F，CEN R，et al. Effects of straw biochar application on soil temperature，available nitrogen and growth of corn［J］. Journal of Environmental Management，2021，277：111331

［16］ZHANG C，WANG Y，SHAO M，et al. Controlling gully- and revegetation-induced dried soil layers across a slope-gully system［J］. Science of The Total Environment，2021，755（2）：142444

［17］孟宣辰，馬鵬程，馬杰，等. 黃土高原半干旱區(qū)紫花苜蓿覆膜壟溝和施肥效應(yīng)研究［J］. 草地學(xué)報(bào)，2021，29（9）：2098-2106

［18］于國強(qiáng)，李占斌，裴亮，等. 不同植被類型下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙差異性［J］. 水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（1）：1-5，11

［19］趙麗兵，張寶貴. 紫花苜蓿和馬唐根的生物力學(xué)性能及相關(guān)因素的試驗(yàn)研究［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，23（9）：7-12

［21］ZHANG F，HUANG C，YANG M，et al. Rainfall simulation experiments indicate that biochar addition enhances erosion of loess derived soils［J］. Land Degradation and Development，2019，30（18）：2272-2286

［22］CHENG C，WANG R，JIANG J. Variation of soil fertility and carbon sequestration by planting Hevea brasiliensis in Hainan Island，China［J］. Journal of Environmental Sciences，2007，19（3）：348-352

［23］程積民，程杰，高陽. 半干旱區(qū)退耕地紫花苜蓿生長特性與土壤水分生態(tài)效應(yīng)［J］. 草地學(xué)報(bào)，2011，19（4）：565-569，576

［24］CAMPOS I，GONZLEZ-PIQUERAS J，CARRARA A，et al. Estimation of total available water in the soil layer by integrating actual evapotranspiration data in a remote sensing-driven soil water balance［J］. Journal of Hydrology，2016，534（20）：427-439

［25］WANG Y，BARBIERI L R，BERG B P，et al. Effects of mixing sainfoin with alfalfa on ensiling，ruminal fermentation and total tract digestion of silage［J］. Animal Feed Science and Technology，2007，135（3-4）：296-314

［26］YANG L，WEI W，CHEN L，et al. Spatial variation of shallow and deep soil moisture in the semi-arid loess hilly area，China［J］. Hydrology and Earth System Sciences，2012，16（9）：3199-3217

［27］李洪建，王孟本，柴寶峰. 黃土高原土壤水分變化的時(shí)空特征分析［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14（4）：515-519

［28］HABTEMARIAM L T，MGENI C P，MUTABAZI K D，et al. The farm income and food security implications of adopting fertilizer micro-dosing and tied-ridge technologies under semi-arid environments in central Tanzania［J］. Journal of Arid Environments，2019，166（18）：60-67

［29］PALANGI S，BAHMANI O，ATLASSI-PAK V. Effects of wheat straw biochar amendments to soil on the fate of deltamethrin and soil properties［J］. Environmental Technology & Innovation，2021，23（6）：101681

［30］FU G，QIU X，XU X，et al. The role of biochar particle size and application rate in promoting the hydraulic and physical properties of sandy desert soil［J］. Catena，2021，207：105607

［31］卜曉莉，薛建輝. 生物炭對土壤生境及植物生長影響的研究進(jìn)展［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，23（3）：535-540

［32］HAIDER F U，ACOULTER J，CAI L，et al. An overview on biochar production，its implications，and mechanisms of biochar-induced amelioration of soil and plant characteristics［J］. Pedosphere，2022，32（1）：107-130

［33］吳昱，劉慧，楊愛崢，等. 黑土區(qū)坡耕地施加生物炭對水土流失的影響［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（5）：287-294

［34］ABROL V，BEN-HUR M，VERHEIJEN F G A，et al. Biochar effects on soil water infiltration and erosion under seal formation conditions：rainfall simulation experiment［J］. Journal of Soils and Sediments，2016，16（12）：2709-2719

［35］LI Z，GU C，ZHANG R，et al. The benefic effect induced by biochar on soil erosion and nutrient loss of slopping land under natural rainfall conditions in central China［J］. Agricultural Water Management，2017，185：145-150

［36］賈宇，徐炳成，王曉凌，等. 半干旱黃土丘陵區(qū)壟溝集雨對紫花苜蓿人工草地土壤水分和產(chǎn)草量的影響［J］. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31（3）：470-475

［37］HU Y，SUN B，WU S，et al. After-effects of straw and straw-derived biochar application on crop growth，yield，and soil properties in wheat （Triticum aestivum L.） maize （Zea mays L.） rotations：A four-year field experiment［J］. Science of The Total Environment，2021，780：146560

［38］CHEN G，WU P，WANG J，et al. Ridge-furrow rainfall harvesting system helps to improve stability，benefits and precipitation utilization efficiency of maize production in Loess Plateau region of China［J］. Agricultural Water Management，2022，261：107360

［39］MA N，ZHANG L，ZHANG Y，et al. Biochar improves soil aggregate stability and water availability in a mollisol after three years of field application［J］. Plos One，2016，11（5）：0154091

［40］WANG Q，LI F，ZHANG D，et al. Sediment control and fodder yield increase in alfalfa （Medicago sativa L.） reduction with tied-ridge-furrow rainwater harvesting on sloping land ［J］. Field Crops Research，2018，225：55-63

［41］FALOYE O T，ALATISE M O，AJAYI A E，et al. Effects of biochar and inorganic fertiliser applications on growth，yield and water use efficiency of maize under deficit irrigation［J］. Agricultural Water Management，2019，217：165-178

（責(zé)任編輯 閔芝智）

收稿日期：2023-10-13；修回日期：2024-01-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42061050）；甘肅省自然基金（22 JR5RA849）；2022年度甘肅省科技重大專項(xiàng)-國際科技合作類項(xiàng)目（22ZD6 WA036）資助

作者簡介：

朱進(jìn)輝（1999-），男，漢族，甘肅渭源人，碩士研究生，主要從事旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)和飼草栽培研究，E-mail：373691631@qq.com;*通信作者Author for correspondence，E-mail：wangqigsau@gmail.com