黑土坡耕地预防冻融侵蚀防止农业非点源污染的方法与流程

本发明涉及农业领域，具体涉及黑土坡耕地预防冻融侵蚀防止农业非点源污染的方法。

背景技术：

黑土区处于中国东北中-深季节冻土区的区位，是国家的东北大粮仓，其黑土流失倍受国内外广泛关注。黑土区坡耕地占耕地面积的60％，而坡度较大的耕地产粮少且冬季无植被覆盖，黑土融雪侵蚀时有发生，但关于黑土融雪侵蚀的防治研究仍十分薄弱。亟需解决冻融融雪侵蚀及农业非点源污染等影响可持续发展重要科学问题，又需保证黑土坡耕地区域农民增收，这与防止水土流失属矛盾问题。预防冻融融雪侵蚀是上述问题的关键，冻融融雪侵蚀黑土研究具有鲜明的区域特色。黑龙江省因其生态环境系统脆弱性(冰封期长，冬季无植被生长，冬季黑土耕作区地表裸漏)和地理位置特殊性(黑土冻深2m左右、黑土区、国家粮食战略基地)，致使其冻融融雪对黑土土壤侵蚀(全概率事件)及附带的农业非点源污染的影响成为当前研究的前沿和实践探索的热点。

东北黑土区，在不足百年农业耕垦指数高的自然人文环境背景条件下，从“北大荒”到“北大仓”，现为国家重要商品粮生产基地，在占黑土区耕地面积为60％的坡耕地上，都在种植粮食作物，可是，坡度大的黑土坡耕地上粮食产量并不高，且冬季无植被覆盖，黑土坡耕地融雪侵蚀时有发生，伴随着侵蚀沟不断增多或扩大、黑土层变薄、珍贵的黑土资源流失，直接威胁着黑土地资源的保护与可持续发展战略的实施。坡度小的多年重茬种植产量土壤板结、地力持续下降，化肥施用量逐年增加，增加农业非点源污染风险。怎样确保黑土地不减少、不退化，怎样把黑土地保护好、利用好成为黑土保护科研工作的目标。然而，现在黑土地利用存在一系列严重问题：第一次全国水利普查结果显示，东北黑土区共有规模以上(长度大于100m)侵蚀沟295663条，其中发展沟26万多条，且多发在黑土坡耕地上，蚕蚀土地面积达36×10⁴ha；从开垦初期的60cm～80cm厚的黑土层,经80多年耕作，有的黑土层厚度已不足20cm；黑土坡耕地占黑土区耕地面积60％，特别是坡度在6°-15°坡耕地粮食产量并不高(15°以上黑土坡耕地已经规划退耕还林)，还伴随着侵蚀沟不断增多或扩大、黑土层变薄、黑土流失。2°-6°黑土坡耕地多年重茬种玉米等粮食作物，土地板结，有机质下降，化学肥料施加量逐年增加。在自然气候适宜的条件下，每生成1cm黑土需要300～500年。尤其东北黑土区地处中高纬度地带，多年平均冻土深-2±1m，属中-深季节性冻土区。在季节冻土黑土区，农作物一年一季，耕地是春种、夏季有植被覆盖、秋收、冬裸漏积雪，夏季暴雨发生是小概率事件，而冬季初春发生冻融融雪则是全概率事件，融雪加剧了黑土流失并增加了农业非点源污染的风险。综上，减少黑土坡耕地冻融侵蚀并增加当地农民收入为治理黑土流失及预防冻融侵蚀防止农业非点源污染的关键问题。

技术实现要素：

本发明为了解决黑土坡耕地在春季融雪造成水土流失严重，导致农业非点源污染的问题，提出黑土坡耕地预防冻融侵蚀防止农业非点源污染、防止水土流失的方法(该方法尤其适用于中国东北黑土区商品粮基地的东北黑土耕地中的坡耕地，尤其是季节性冻土区的黑土坡耕地比如2°到15°之间的坡耕地)。本发明在对黑土坡耕地种植制度深入调研及相关原位试验基础上，从优化种植结构、种植模式、作物品种选择、耕作方式及种植打理的种植方法，通过黑土坡耕地生态系统、土壤冻融循环、降雪及融雪过程、作物生长循环，将减少黑土坡耕地冻融融雪侵蚀、将氮磷等农业非点源消解去除。本发明增加黑土坡耕地的冬春季节植被覆盖率，稳固土壤表层结构，减少农业非点源污染物输入，并且增加黑土坡耕地的地力，是预防冻融侵蚀防止农业非点源污染的关键。

本发明的黑土坡耕地预防冻融侵蚀防止农业非点源污染的方法，所述的方法按照以下方式进行：

在不同坡度黑土坡耕地上种植植被，具体如下：

坡度≥15°的黑土坡耕地退耕还林；10°≤黑土坡耕地坡度＜15°，采用经济灌木林与多品种牧草套种的方式种植，或种植根系相对发达的牧草；6°≤黑土坡耕地坡度＜10°，种植蛋白质含量相对高的牧草；2°≤黑土坡耕地坡度＜6°，采用农作物牧草轮作的方式种植；＜2°的黑土坡耕地继续种植农作物。

进一步地，所述的经济灌木林品种为大果榛子、刺五加或沙棘果；所述的根系相对发达的牧草为草木犀和紫花苜蓿；所述的蛋白质含量相对高的牧草为紫花苜蓿。

进一步地，所述的在10°≤黑土坡耕地坡度＜15°的坡度区，经济灌木林采用“品”字形点位种植，最终形成横坡排种形式，其中，点位之间按大于3m的方式种植；横坡排种，株间距离3±1m，行间距为5±2m；在相邻的经济灌木林之间同时套种种植根系相对发达牧草和蛋白质含量相对高的牧草。

行间距为5±2m利于经济灌木林次生及果或药的采摘。

进一步地，所述的牧草种植方式分为三种：

其中第一种为：与经济灌木林套种的牧草，在10°≤黑土坡耕地坡度＜15°的坡度区，牧草为草木犀与紫花苜蓿，与经济灌木林套种，以7～10年为一个牧草种植周期，种植周期内在野草超过牧草的植被盖度后重新翻耕播种；

第二种为：单独种植的牧草，在6°≤黑土坡耕地坡度＜10°的坡度区，以3～7年为一个种植周期种植牧草，种植周期内在野草超过牧草的植被盖度后重新翻耕播种；如果牧草打理的好，可以挺到10年一个周期；

第三种为：与粮食作物轮作的牧草，在2°≤黑土坡耕地坡度＜6°的坡度区，将牧草与粮食作物轮作，采用n年一个种植周期将牧草与一年一作的粮食作物轮作，粮食作物连续种植m年；其中n＝1，2，3，4，5；m＝3，4，5。

优选第三种为：与粮食作物轮作的牧草，在2°≤黑土坡耕地坡度＜6°的坡度区，将牧草与粮食作物轮作，采用1.5年、2.5年或3.5年一个种植周期将牧草与一年一作的粮食作物轮作，粮食作物连续种植3年至5年。

从原垄作种植农作物(主要玉米、大豆)的黑土坡耕地改为坡面种植牧草，改变微地貌，由坡垄作改为平面坡，减少由垄作耕作疏松带来的水土流失，特别是春季融雪时，垄沟相当于微地貌的河谷，融雪水携带冻融多次细碎的土壤颗粒沿着垄沟流失；由冬季无植被覆盖到有牧草或灌木覆盖，黑土冻融融雪侵蚀量会减少，因为黑土坡耕地有牧草植被覆盖，融雪水随牧草径入渗多余产流(融雪水在牧草茎处形成涡流，融雪水入渗大于产流)，种牧草会起到保水保土并且保肥(即减少农业非点源污染)的作用。

进一步地，所述的牧草与粮食作物轮作从农作物种植秋收后开始,n＝1时，当年4月下旬或融化期后种小麦，在8月中下旬收割小麦，在当年8月20日±5日翻地，同时面播种牧草紫花苜蓿，待紫花苜蓿长出并根系稳定后过冬，上冻，11月至次年(n＝2)4月过冬，次年(n＝2)一整年打理牧草，至第3年、第4年或第5年的5月中旬收割一遍牧草后，剩余短茬牧草打碎，翻播，打碎的牧草混入黑土中做为肥料，继续播种农作物。

由于春小麦生育期短(90～100天)，在在8月中下旬收割小麦。

所述的至n的第3年、第4年或第5年的5月中旬收割一遍牧草，具体牧草种几年依据坡度大小决定。

如若当年5月种玉米或大豆或马铃薯或高粱，到9月末10月初才能收获一季粮食(生长期130天左右)，而收获后再种牧草已来不及，若牧草不能扎根，牧草根系不够发达就不能过冬，牧草会冻死的。若种牧草还想收当年的粮食，种春小麦比较合适；如若春季种牧草，上一个冬季的水土流失与农业非点源污染不可避免；所以，春种麦子，麦子秋天收获后种牧草，即获得当年土地的粮食，又能在入冬前增加黑土坡耕地的植被覆盖率，稳定黑土坡耕地，减少黑土坡耕地冻融侵蚀，减少黑土坡耕地因融雪径流而产生的的农业非点源污染，是黑土坡耕地减少冻融侵蚀、减少农业非点源污染、增加地力的全局最优解。

进一步地，所述的收割一遍牧草是在牧草超过40cm割草或放牧，若计划次年重新播种，留一部分牧草不收割，打种子，种子收割后再进行割草，秋后入冬前割草时留茬7cm-10cm。

其中，根系发达的草木犀生长周期为2年，可在每个草木犀生长周期的第二年，割草时，刻意留种部分草木犀，已连续多年生长。

进一步地，所述的在2°≤黑土坡耕地坡度＜6°的坡度区，牧草与农作物轮作的制度，牧草当年8月收获粮食作物小麦后播种，次年打理牧草，至种植牧草第n年(n＝3，4，5)的5月中旬，具体牧草种植几年依据黑土坡耕地的坡度决定，之后轮作种植粮食作物的年份为m年(m＝3，4，5)：

5°≤黑土坡耕地坡度＜6°，n＝5，即黑土坡耕地坡度在5°到6°的，种牧草5个年头，连续打理生长期牧草3年；第5个年头开始种粮食作物比如玉米、大豆等，建议连续种粮作物m＝3年，测试地力如果允许可以连续播种粮食作物到m＝4年；之后，继续在n+m年后牧草与粮食作物轮作，轮作周期为7年～8年。

3°≤黑土坡耕地坡度＜5°，n＝4，即黑土坡耕地坡度在3°到5°的，种牧草4个年头，连续打理生长期牧草2年；第4个年头开始春季把牧草翻播后种粮食作物如玉米、大豆等，m＝4年，建议连续播种粮作物4年，可以连续播种粮食作物到5年；之后，继续在n+m年后牧草与粮食作物轮作，轮作周期为7年～8年。

2°≤黑土坡耕地坡度＜3°，n＝3或4，即黑土坡耕地坡度在3°到5°的，种牧草3～4个年头，连续打理生长期牧草1～2年；第3～4个年头开始春季把牧草翻播后种粮食作物如玉米、大豆等，m＝5年，建议连续播种粮作物5年；牧草打理2年以上可以增加土壤固氮作用，彻底改善地力情况；之后，继续在n+m年后牧草与粮食作物轮作，轮作周期为7年～8年。

进一步地，牧草种植后充分利用牧草的根系生物固氮的作用，不施肥或施用有机肥，减少非点源输入，利用牧草根系生物固氮；增加冬季植被覆盖率，及植物根系稳定黑土土壤结构。

进一步地，＜2°的黑土坡耕地继续种植农作物是继续种植该耕地常耕作的作物，或者在靠近水源处的耕地种植水田。

进一步地，在牧草种植区进行畜牧养殖，将产出牧草就地消化利用，增加当地农牧民收入。

进一步地，为保障畜牧业的牧草供应，建议渐进式农牧轮作，即n＝1选择不同年份。

进一步地，所述的黑土坡耕地为坡度为2°到15°之间的坡耕地。坡度≥15°的未退耕还林的黑土坡耕地也可参考10°≤黑土坡耕地坡度＜15°的黑土坡耕地的种植方式进行。

所述的黑土坡耕地为黑土，区别于中国黄土、红土、紫土、白土的黑土。主要分布于中国东北地区。

以往针对现有黑土坡耕地种植粮食作物条件，进行黑土土壤侵蚀的沟蚀与坡面侵蚀相关研究，大都在研究夏季水蚀的末端治理，而冻融融雪侵蚀研究较为薄弱。本发明通过探索农牧作物种植的黑土坡耕地融雪径流的状态转移规律，与融雪水所处的空间地形(坡度、坡向、坡位、凹凸岸)状态(状态变量)及该时段的外界温度(气温、分层地温)、季节性积雪厚度(以降雪频率计)条件有关(决策变量)，其中黑土植被条件是主要的人为可控因素。从水资源系统分析的角度出发，考虑融雪水(降雨水)在农、牧作物种植的黑土坡耕地入渗或产流的可变模糊过程，应用可变模糊理论，剖析黑土坡耕地融雪(降雨)径流形成空间变异过程，前期研究测得黑土坡耕地土壤冻融侵蚀与降雨侵蚀的量。全方位对比农、牧作物种植的黑土坡耕地及其附带畜牧业投入产出情况，选出全局最优解即水土保持效应佳且经济效益高的方案，提出黑土坡耕地农牧作物附带畜牧养殖推广模式建议。

本发明因地(黑土坡耕地)制宜、因害(冻融灾害)设防，改变原有的人地相互作用，重新“国土空间规划”，在从6°到15°黑土坡耕地上改种植牧草或经济灌木林与牧草套种，在坡度从2°到6°黑土坡耕地轮作牧草与粮食作物。黑土坡耕地因为有坡度，存在黑土流失土壤侵蚀的动力因素。夏季因黑土坡耕地有植被覆盖，种植农作物与牧草的坡耕地水蚀过程相似，但冬季和初春农、牧作物种植的黑土坡耕地植被覆盖不同、土壤结构迥异。本发明通过对比多年试验研究不同农、牧作物种植的黑土坡耕地，经历入冬前多次冻融循环、冬季不断积雪及初春多次冻融循环之后，探索出初春波动升温的农、牧种植黑土坡耕地融雪侵蚀情况，得到为防止冻融侵蚀和预防农业非点源污染的农、牧作物种植附带畜牧业水土保持效应技术的本发明。

从国家需求及生产应用的角度，黑土地资源历来是国土之基、施政之本，是农、牧业赖以存在和发展的基础，是不可替代的农、牧业生产和再生产的条件，从学科发展的角度，对工程水文与水资源利用-冰雪水文科学问题深化、土壤侵蚀与水土保持学科体系丰富、学科领域在冰冻圈水文学方向加强、对融雪侵蚀超渗产流的水文知识边界的突破的重要影响。鉴于此，以农、牧作物种植的黑土坡耕地为研究对象，提出预防冻融侵蚀防止农业非点源污染方的法，提出黑土坡耕地水土保持可持续利用的农牧作物种植及附带畜牧养殖推广应用的适用范围，提出探讨人类农牧活动与黑土坡耕地的环境相互作用过程中的可持续发展策略，旨在解决黑土流失及农业非点源污染的问题并增加黑土坡耕地区域农民收入。其发明结果为预防黑土坡耕地土壤侵蚀提供技术支撑，为黑土地保护及黑土区可持续发展服务。

通过本发明研究将原来农作的黑土坡耕地改为牧作或经济林作、牧作混合套种或农作物与牧草轮作，为预防黑土坡耕地冻融融雪侵蚀、防止农业非点源污染、保护黑土资源可持续利用提供理论依据。

针对以往发明研究降雨对土壤侵蚀的研究较多，本发明方法按坡度分段种植不同灌木、牧草、农作物，注重减少冻融融雪过程及降雨过程对黑土坡耕地土壤侵蚀的贡献，为本项目研究特色创新之处。在黑土坡耕地牧草种植及附带建议当地农民畜牧养殖，全方位投入产出分析，主要注重水土保持效应和连带的经济效益，并把产出的牧草提出就地消化的方法，为“生态文明”及“乡村振兴”助力，是本项目的另一创新之处。

附图说明

图1为本发明的黑土坡耕地坡度及其相应作物种植方式分布示意图；其中，坡度≥15°的黑土坡耕地退耕还林；10°≤黑土坡耕地坡度＜15°，采用经济灌木林与牧草套种的方式种植，或种植根系相对发达的牧草；6°≤黑土坡耕地坡度＜10°，种植蛋白质含量相对高的牧草；2°≤黑土坡耕地坡度＜6°，采用农作物牧草轮作的方式种植；＜2°的黑土坡耕地继续种植农作物；

图2为黑土坡耕地经济灌木林与牧草套种的种植方式示意图；10°≤黑土坡耕地坡度＜15°灌木林空白处套种牧草；

图3为黑土坡耕地农牧轮作时间示意图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例的一种2°-6°-15°黑土坡耕地预防冻融侵蚀防止农业非点源污染的方法。

在不同坡度黑土坡耕地上种植植被，具体如下：

坡度≥15°的黑土坡耕地退耕还林；10°≤黑土坡耕地坡度＜15°，采用经济灌木林与牧草套种的方式种植，或种植根系相对发达的牧草；6°≤黑土坡耕地坡度＜10°，种植蛋白质含量相对高的牧草；2°≤黑土坡耕地坡度＜6°，采用农作物牧草轮作的方式种植；＜2°的黑土坡耕地继续种植农作物。

坡度≥15°未还林的黑土坡耕地也可参考10°≤黑土坡耕地坡度＜15°的黑土坡耕地的种植方式进行。

上述经济灌木林品种为适宜北方寒区黑土地生长的，本实施例选用的品种为大果榛子、刺五加和沙棘果；上述根系相对发达的牧草为适宜北方寒区黑土地生长的，本实施例选用的为草木犀；上述蛋白质含量相对高的牧草为适宜北方寒区黑土地生长的，本实施例选用的为紫花苜蓿。本实施例的经济灌木林采用“品”字点位的横坡排种(充分利用土地和光照，以及便于其次生和采摘)，经济灌木林空白位置种植根系发达牧草或蛋白质含量高的牧草。坡面种植如图1至2所示。

本实施例的牧草种植方式：

第一种：与经济灌木林套种的牧草，在10°≤黑土坡耕地坡度＜15°的坡度区，牧草是草木犀与紫花苜蓿同时与经济灌木林套种，以7～10年为一个牧草种植周期，在野草超过牧草的植被盖度后重新翻耕播种；

第二种，单独种植的牧草，在6°≤黑土坡耕地坡度＜10°的坡度区，采用3-7年一个种植周期(对比粮食作物一年一作)种植牧草，勤打理，在野草超过牧草的植被盖度后重新翻耕播种。根据黑土坡耕地牧草打理情况，约3年到7年重新播种牧草，若打理好可以维持10年后重新播种牧草。

第三种，在2°≤黑土坡耕地＜6°与粮食作物轮作的牧草，采用1.5年或2.5年或3.5年一个种植周期与一年一作的粮食作物轮作。粮食作物连续种植3年至5年。

耕作方法，灌木经济林与牧草种植后免耕(减少土壤侵蚀)。

牧草打理方法：定时割草(超过40cm高后可按需顺次割草)或放牧，如若计划次年重新播种，可留着一部分不割打种子，种子收割获后再进行割草。秋后入冬前割草时留茬7cm-10cm(较粮食作物对黑土植被覆盖高)。

灌溉制度，黑土坡耕地区域年蒸发量与年降水量基本持平，属于雨养农业，十年九风调雨顺，灌溉制度量力而为的原则，以满足作物生长需求为准。

施肥方面，黑土地基本可以满足牧草作物生长，不施用化肥或施用少量有机肥，有机肥为畜牧养殖的牛羊粪便。通过改变原有种植结构，在黑土坡耕地改粮食作物为牧草作物，充分利用紫花苜蓿、草木犀等牧草的生物固氮作用，减少化肥施用，从而从源头上减少农业非点源污染输入。

本实施例在牧草种植的黑土坡耕地区域鼓励当地农民畜牧养殖，利用牧草作物产出的牧草作为畜牧养殖的饲料，饲牛羊，就地消化牧草。使东北黑土区从大“粮仓”变为“粮仓”+“肉库”。而后逐步示范研究农牧作物附带的畜牧养殖投入与产出，进而厘清黑土坡耕地农牧作物及附带畜牧养殖的经济效益及生态效应。

本发明因黑土坡耕地制宜，因黑土坡耕地冻融灾害设防。本发明通过试验研究农、牧作物种植的黑土坡地融雪侵蚀及其作用机理(黑土坡耕地种植农、牧作物夏季均植被覆盖水蚀作用相似，但冬季初春农、牧作物植被覆盖不同、土壤结构迥异)，从源头上预防季节冻土黑土区的黑土流失，将为预防黑土坡耕地融雪侵蚀、黑土资源可持续利用、“国土空间规划”(黑土坡耕地农作改牧作)、“生态文明建设”(保护黑土地)、“乡村振兴”(黑土坡地农村居民富裕)提供理论支撑。

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