评估蓄水耕作对坡地沙质马铃薯田土壤水分动态的影响

《International Soil and Water Conservation Research》：Assessing the impact of reservoir tillage on soil water dynamics in sloped sandy potato fields

　　

耕作实践显著影响土壤水力行为和水运动，从而影响土壤水分保持和地表径流动态。尽管先前的研究表明，蓄水耕作可减少径流和土壤流失，但在以沙质土壤为主的坡地田间，在由地表微地形塑造的三维流动条件下，其对土壤-水分空间再分布的影响仍未得到充分表征。因此，本研究旨在探讨常规耕作（CT）和蓄水耕作（RT）对坡地灌溉马铃薯田土壤水分动态和径流响应的影响。田间试验于2024年生长季在沙质至沙壤土上进行，连续监测22.86、45.72、60.96厘米多个深度的土壤水分，同时测量径流和沉积物。田间监测显示，与CT相比，RT处理区的径流量和沉积物输移量分别减少了56%和67%。为了支持基于过程的解释，研究人员利用观测到的体积含水量数据校准和验证了HYDRUS-3D三维数值模型。该模型在模拟RT和CT处理下的土壤水分方面表现良好，校准期间的纳什-萨特克利夫效率（NSE）值分别为0.835和0.979，验证期间分别为0.789和0.975，证实了模型的可靠性。模型模拟表明，实施RT后瞬时径流的最大减少（75%–90%）发生在降雨强度<20 mm h^-1时，并随着降雨强度超过25 mm h^-1而下降。在不同耕作管理实践中，垄和沟位置随深度呈现出对比性的水分保持模式。在干湿情景下，与CT相比，RT在浅层沟位置（22.86厘米）使含水量增加约2%，在深层垄位置（45.72厘米）增加6.71%，表明增强了土壤储水能力。HYDRUS-3D模拟捕捉了水分动态的空间和时间变化，突显了RT下入渗增强和径流减少的效果。总体而言，这些发现证明了RT在坡地沙质和沙壤土马铃薯田中的益处，为密歇根州马铃薯生产的土壤和水管理改进提供了有价值的见解。

**论文解读文章**

**研究背景**
全球用于粮食生产的淡水持续减少，凸显了合理水肥管理实践的必要性。马铃薯（*Solanum tuberosum* L.）作为人类消费的主要作物之一，对维持粮食供应和营养安全至关重要。但马铃薯根系浅，对土壤水分高度敏感，短期水分胁迫即可导致产量和品质显著下降。商业马铃薯生产常采用深翻良好排水土壤，生长季节内频繁机械作业破坏土壤结构。此外，低压喷灌系统（如中心支轴和线性移动侧喷）的过量施用率常导致严重径流，降低灌溉效率，并加剧土壤侵蚀和地表水污染。因此，管理地表径流对维持土壤健康、保护水资源和生产可持续性至关重要。

传统耕作（CT）是马铃薯生产中常用的深翻操作，但会导致土壤压实、入渗减少和径流增加。相比之下，蓄水耕作（RT）通过在作物行间土壤表面形成小型凹陷，改善水分保持和灌溉/降雨入渗均匀性。先前研究已证明RT在减少径流和土壤流失方面的潜力，如美国哥伦比亚盆地RT在中心支轴灌溉下径流减少73%–100%，地中海干旱地区RT减少地表径流40.3%，以及降雨模拟实验中RT减少61%的径流和79%的泥沙流失。然而，这些研究多集中在二维或均匀坡面条件下，对于坡地沙质土壤中三维微地形驱动的土壤-水分再分布过程尚缺乏系统量化。

**研究内容与意义**
本研究将田间监测（2024年生长季，密歇根州白鸽镇，坡度8%的沙质至沙壤土马铃薯田）与HYDRUS-3D三维数值模型相结合，系统评估CT和RT对土壤水分动态和径流响应的影响。田间监测显示RT显著减少径流量（56%）和泥沙输移量（67%），模型模拟进一步揭示RT的径流减少效果随降雨强度变化：在19.3–20.0 mm h^-1的低强度降雨下瞬时径流减少75%–90%，但随降雨强度增加（>25 mm h^-1）效果减弱。同时，RT在垄位（45.72厘米深度）增加了6.71%的土壤含水量，在沟位（22.86厘米深度）增加了2%。这些发现为坡地沙质马铃薯田的可持续水肥管理提供了定量依据，论文发表在《International Soil and Water Conservation Research》。

**主要关键技术方法**
研究人员在密歇根州白鸽镇合作农场（坡度8%）设置田间试验，采用随机完全区组设计，每处理4次重复。田间监测使用TERROS-12电容传感器和ZL6数据记录器连续采集22.86、45.72、60.96厘米深度的土壤体积含水量（VWC），通过桶收集法测定径流量和泥沙干重。HYDRUS-3D模型基于Richards方程和van Genuchten-Mualem本构关系模拟三维水流，联合地表径流模块（运动波近似）估算径流。模型校准和验证基于2024年生长季实测VWC数据（CT: 548个校准值、432个验证值；RT: 335个校准值、450个验证值），采用Nash-Sutcliffe效率（NSE）、一致指数（IA）、均方根误差（RMSE）和平均偏差误差（MBE）评估性能。模拟场景涵盖2014–2024年气象条件，选取湿润年（2018，降雨628.36 mm）、正常年（2024）和干旱年（2023，降雨329.68 mm）进行分析，所有场景初始土壤含水量统一设为0.27 cm³ cm^-3。

**研究结果**
**（1）冠层生长与发育阶段**
2024年生长季马铃薯播种日期为4月25日，出苗在5月15日（播种后19天），块茎起始于6月10日，膨大期始于7月5日，成熟期始于8月15日，总生育期112天，收获于9月23日。

**（2）土壤水分动态**
复合VWC分析显示RT在垄位和沟位均比CT保持更多水分。子图分析表明处理×时间交互作用（p = 0.003）和处理×位置交互作用（p = 0.017）对VWC有显著影响（α = 0.05）。降雨后24–48小时，RT垄位复合VWC比CT高5.32%–6.94%；无降雨期间RT垄位VWC高约8%。

**（3）径流和沉积物比较**
RT处理径流量（p = 0.017）和泥沙输移量（p = 0.045）均显著低于CT（α = 0.05），表明RT改善了水分保持和土壤保持。

**（4）HYDRUS-3D模型校准与验证**
模型校准和验证的统计指标均满足阈值（RMSE < 0.035，IA ≥ 0.8，MBE < 0.5，NSE ≥ 0.5）。CT校准RMSE=0.02、IA=0.99、MBE=0.01、NSE=0.98；RT校准RMSE=0.03、IA=0.95、MBE=-0.01、NSE=0.84。验证指标类似，确认模型可靠性。

**（5）体积含水量**
2024年生长季复合VWC显示，深层垄位（45.72厘米）含水量显著高于浅层；沟位浅层（22.86厘米）保持较高水分（3.62%–3.71%）。RT垄位（块茎种植区）VWC比CT高约2%，无降雨期间高约8%。

**（6）径流模拟**
模拟表明CT条件下径流起始降雨强度为19.3 mm h^-1，径流与降雨强度呈正相关（R2 = 0.987）。RT显著减少累积径流（p = 0.030），平均减少约61%；瞬时径流减少（p = 0.013）。在19.3–20.0 mm h^-1降雨强度下，RT瞬时径流比CT低75%–90%；20.0–25.0 mm h^-1时差异降至25%–60%；>25 mm h^-1时差异<20%。累积径流与日降雨量的关联较弱。

**讨论与结论**
**讨论总结**
综合田间观测和HYDRUS-3D模拟，RT通过微地形驱动的再分配改变了土壤水分动态：垄位深层保持更高水分，沟位浅层保持水分，主要效应是增强短期水分持久性而非整体剖面储水增加。这种效应取决于降雨强度——RT在接近径流起始阈值时最有效，高降雨强度下因凹陷储水容量饱和和水力连通性增强而优势减弱。然而，本模拟假设固定地形，未考虑极端降雨下凹陷侵蚀、泥沙填充和微地形退化，这些因素可能进一步削弱RT后期效果。

**研究结论**
在监测的田间条件和模拟情景下，与CT相比，RT改善了坡度中等（8%）、以沙质至沙壤土为主的灌溉马铃薯田的水文表现。田间监测显示RT减少了56%的径流体积和67%的泥沙输移，同时在监测土壤剖面中维持了更高的体积含水量。这些发现表明，RT的主要益处是增强短期地表保持和土壤剖面内水分的空间再分布，从而减少下坡土壤和水损失。HYDRUS-3D模拟进一步证实了RT在储水和延迟径流起始方面的益处，这归因于地表凹陷储水增加和有效入渗时间延长。模拟显示RT减少约61%的累积径流，在径流起始阈值附近（降雨强度19.3–20.0 mm h^-1）最有效，瞬时径流减少75%–90%；但随降雨强度增加和凹陷间水力连通性发展，这一优势逐渐下降，径流值更接近CT。这些发现表明，RT的有效性由三维微地形驱动的流动过程控制，而简单的二维或均匀剖面方法无法充分表征。实际意义在于将RT确定为密歇根州坡地灌溉马铃薯田的针对性土壤和水管理实践。虽然在水保持和径流减少方面有益，但RT的益处依赖于天气条件，并因不同生长季节的天气变异性而受限。因此，为缓解其局限性，RT可仅在坡度较大且效益明显的田块区域应用，而非全田推广。由于本模拟假设固定几何形状，未来研究应评估凹陷退化、泥沙填充和年际天气变异性对RT长期水文和农艺性能的影响。