垄沟布局对滦河上游坡耕地暴雨截流-产流影响机理

Ridge-furrow tillage is one of the main measures to increase rainfall use efficiency in slope croplands. Previous researches focused on impacts of ridge-furrow layout on crop physiological characteristics and yield. The optimization of cultivation system in the slope croplands based on the matching analysis of the relationship between the rainfall process and crop water demand process was rarely reported. In this study, we will (1) quantitatively analyze the effect of ridge-furrow direction and density on rainfall redistribution processes based on the field experiments and indoor simulation experiments; (2) investigating mechanisms of how ridge-furrow layout impact storm interception and runoff yields in the slope croplands; (3) establishing field scale Storm Interception and Runoff Yields Model and propose optimized ridge and furrow pattern to meet crop water demand based on the abovementioned models and historical regional rainstorm data. Our research will contribute to theories of the rain-runoff process of slope croplands and will provide guidance for building the “soil reservoir”, preventing the flood disaster and controlling soil erosion in the rainfed agricultural region in northern China.

垄沟耕作是实现坡耕地降水资源高效利用的重要措施之一。但是，当前研究重点关注的是坡耕地垄沟布局对农作物产量、生理特性等的影响；而基于区域降水过程与作物需水过程匹配性分析，实现坡耕地耕作制度优化的研究尚未见报道。本项目拟基于室内模拟实验和野外观测实验的结果，定量分析垄沟密度和走向对暴雨地表再分配过程的影响，系统识别坡耕地垄沟布局对暴雨截流-产流过程影响机理；进一步构建田块尺度的坡耕地暴雨截流-产流模型，并结合区域历史暴雨特征分析，提出面向典型作物需水过程的坡耕地垄沟布局优化调整方案。通过本项目的研究，将进一步丰富坡耕地暴雨产流过程理论体系，并为我国干旱区雨养农业土壤水库建设、暴雨洪涝灾害防控及水土流失治理提供指导意见。

我国现有坡耕地分布面积超过3亿亩，有效保障了我国粮食安全，同时也是水土流失的重要策源地。垄沟耕作通过人工起垄改变农田单元微地貌特征，对田块尺度土壤水分进行调控，是实现坡耕地降水资源高效利用的重要措施之一。.本研究选取滦河上游典型坡耕地开展不同垄沟耕作模式下坡耕地水文原型观测试验，系统识别滦河上游坡耕地不同垄沟布局对田块尺度坡面产流、土壤含水量的影响规律；并基于农田土壤水量平衡原理构建了田块尺度坡耕地降水截流-产流模型，采用“空间换时间”方法对模型进行率定和校验；最后根据野外原型观测试验和田块尺度坡耕地降水产流模型模拟结果，提出了面向典型作物需水过程的滦河上游坡耕地垄沟布局优化调整方案。.本研究结果表明：（1）滦河上游坡耕地土壤含水量随深度增加先增大后减小，在40-60cm上层深度下达到最大值；且随土层深度增加，土壤含水量波动越小。横垄耕作条件下可有效增加40-60cm深度上层土壤水含量，且不同垄沟走向下垄沟间距对土壤含水量的影响规律有所差异。横垄耕作可削弱暴雨等级以下的降雨产流现象，产流量随垄沟间距增加而增加，在不同垄沟走向下，垄沟间距对坡面产流量影响规律有差异。（2）不同垄沟耕作模式下滦河上游坡耕地坡面产流量和土壤含水量模拟结果，在模型率定和校验过程中，Nash-Suttcliffe系数分别在90%和60%以上，表明模型模拟达到拟合优度要求，模拟结果可靠。（3）根据野外原型观测试验数据分析结果及基于坡耕地降水截流-产流模型分别对不同坡度不同垄沟耕作模式模拟结果分析，提出了面向滦河流域上游坡耕地最适合的垄沟布局规格为40cm垄沟间距的横垄耕作模式。.本研究辨识的滦河上游坡耕地不同垄沟布局对田块尺度坡面产流和土壤含水量影响规律、构建的田块尺度坡耕地降水截流-产流模型和提出的面向滦河流域上游坡耕地降水资源高效利用的坡耕地最优垄沟耕作模式等相关研究成果，对于推动滦河上游坡耕地降水资源高效利用及水土流失治理等具有指导意义。