保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

范清成，王飛，穆興民，劉振東，李銳

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

土壤風(fēng)蝕是土地沙漠化過(guò)程的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)［1］。在黃土高原的西部地區(qū)和北部地區(qū)由于氣象條件和土壤狀況等因素的影響，土壤風(fēng)蝕較為嚴(yán)重［2］。黃土高原北部風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)冬春季地表植被覆蓋率低，并且同期風(fēng)速較大，易發(fā)生風(fēng)蝕［3］。許多研究［4-9］表明保護(hù)性耕作措施能夠有效減少風(fēng)蝕，秸稈覆蓋能夠保護(hù)覆蓋區(qū)域免受風(fēng)的吹蝕，而留茬能夠降低近地面風(fēng)速，阻擋沉積風(fēng)蝕物。壟作也能夠減少風(fēng)蝕，壟向、壟高和壟間距等壟作結(jié)構(gòu)影響著土壤風(fēng)蝕速率。筆者采用室內(nèi)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，研究秸稈覆蓋、留茬和壟作對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響，通過(guò)對(duì)土壤風(fēng)蝕定量分析研究不同保護(hù)性耕作措施的防風(fēng)蝕效應(yīng)，并以此為根據(jù)探索有效減少農(nóng)田風(fēng)蝕的方法。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)土樣采集

實(shí)驗(yàn)樣品采自黃土高原北部神木縣六道溝流域附近，該區(qū)位于黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)，多年平均降水量437.4 mm，年均溫度8.4℃，無(wú)霜期169 d，盛行風(fēng)向NW，年蒸發(fā)量785.4 mm，屬半干旱氣候。該區(qū)土壤以綿沙土、沙黃土和壩堤淤土為主，主要種植玉米(Zea mays L)、谷子(Setaria italica)和小麥(Triticum aestivum Linn)等作物，種植制度為一年一熟，耕地以旱作坡耕地為主。

實(shí)驗(yàn)土壤樣品為緩坡耕地表耕作層0～20 cm土壤，土壤類型為蓋沙黃土，粒徑 ＜0.001 mm、0.001～0.05 mm和＞0.05 mm分別為15.19%、36.90%和47.91%，風(fēng)干后平均土壤含水量為1.0%左右。

1.2 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞與風(fēng)速處理

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞(圖1，省略支架)全長(zhǎng)19 m，分為動(dòng)力段、調(diào)節(jié)段、整流段、實(shí)驗(yàn)段和集沙段。主要截面寬1 m、高1.2 m，風(fēng)機(jī)出口截面直徑1.4 m，通過(guò)配套變頻器(0～50 Hz)調(diào)節(jié)風(fēng)速，風(fēng)速在0～15 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速截面風(fēng)速均勻性良好，σ≤±0.25%(σ為截面任一點(diǎn)氣流速度與氣流平均速度相對(duì)偏差的均方根)。

在實(shí)驗(yàn)段前設(shè)置風(fēng)速儀測(cè)定不同高度的風(fēng)速，在集沙段設(shè)置集沙儀收集不同高度風(fēng)蝕物，并在集沙段末端設(shè)置攔擋裝置收集全沙。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速以風(fēng)洞上風(fēng)向高程30 cm處風(fēng)速為基準(zhǔn)，分別設(shè)定6、8、10和12 m/s 4種風(fēng)速，每次吹蝕時(shí)間為15 min。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與土樣處理

圖1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Wind tunnel structure

將實(shí)驗(yàn)土壤按照野外農(nóng)田耕地密度設(shè)計(jì)稱量并裝入土槽(尺寸為1.25 m×1.00 m×0.12 m)，將土槽推入實(shí)驗(yàn)段使土壤表面與風(fēng)洞底部表面持平。模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(表1)包括1個(gè)土壤表面裸露對(duì)照處理(CK)和3種保護(hù)性耕作措施的7個(gè)處理:小麥留茬處理茬高分別為20、10和5 cm，行距15 cm;秸稈覆蓋包括4 210和2 105 kg/hm22種覆蓋量;壟作處理土壟高7 cm，壟間距為35 cm，壟溝比為1∶5，壟向設(shè)置橫壟(壟向和風(fēng)向垂直)和順壟(壟向和風(fēng)向平行)。

表1 不同保護(hù)性耕作措施設(shè)計(jì)Tab.1 Treatments of tests

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定和處理

用15 cm高、5 cm寬的集沙儀收集0～60 cm(0～15、15～30和45～60 cm)高度的風(fēng)蝕物，并在末端擋網(wǎng)下端收集風(fēng)蝕物，在105℃烘箱內(nèi)烘干至質(zhì)量不變，用精度1/100的電子天平稱量，并在土槽上風(fēng)向處安置風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)用Excel和SPSS軟件進(jìn)行處理，分析不同耕作方式的土壤風(fēng)蝕速率及其之間的差異性，擬合風(fēng)蝕速率與風(fēng)速變化曲線方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式的風(fēng)蝕速率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，留茬和秸稈覆蓋都能夠有效減少風(fēng)蝕，而壟作處理時(shí)的風(fēng)蝕速率與壟向和風(fēng)向關(guān)系很大。與CK相比(表2)，除T7的平均風(fēng)蝕速率增加外(增幅約為41.26%)，其余耕作方式均可以減少風(fēng)蝕速率，其中高覆蓋處理T4減蝕能力最大，平均風(fēng)蝕速率減幅達(dá)到62.78%，T6減蝕能力較小(29.91%)，其余處理減蝕能力在38% ～49%之間。當(dāng)壟向與風(fēng)向平行時(shí)，土壤風(fēng)蝕加劇，主要可能因?yàn)閴砰g風(fēng)速增加會(huì)吹蝕壟溝以及兩側(cè)的松散土壤，而當(dāng)風(fēng)向垂直于壟向時(shí)，近地面風(fēng)速會(huì)因?yàn)閴诺拇嬖诙档?，從而降低風(fēng)蝕速率。

2.2 風(fēng)蝕速率與風(fēng)速關(guān)系

不同風(fēng)速對(duì)各耕作方式下土壤侵蝕的程度不同(表2)，風(fēng)速為6 m/s時(shí)T1～T7的風(fēng)蝕速率差異不大，其中T6風(fēng)蝕速率較小與其他處理差異較大，主要是因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)速較小，土壤風(fēng)蝕能量也較小，因此，各個(gè)處理間土壤風(fēng)蝕速率差異不明顯，而壟作能夠起到阻擋作用有效地減少風(fēng)蝕。風(fēng)速大于8 m/s時(shí)不同處理方式間的風(fēng)蝕速率差異變大，如當(dāng)風(fēng)速為8 m/s時(shí)T5的風(fēng)蝕速率小于T2和T3，但當(dāng)風(fēng)速大于10 m/s時(shí)T5風(fēng)蝕速率與T2、T3差異減小，反映出風(fēng)蝕的復(fù)雜特點(diǎn)。

表2 不同耕作方式下的土壤風(fēng)蝕速率Tab.2 Wind erosion rates of different tillage and wind speeds

國(guó)內(nèi)外許多風(fēng)蝕風(fēng)洞研究［5-9］表明風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈現(xiàn)非線性相關(guān)，本文通過(guò)SPSS軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同耕作方式下土壤風(fēng)蝕速率(Q)和風(fēng)速(v)進(jìn)行曲線模擬(表3)，由于實(shí)驗(yàn)條件的差異，CK風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈顯著性線性相關(guān)，R2達(dá)到0.98。其他耕作方式下的土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速都呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，R2都大于0.9，呈顯著相關(guān)。

表3 風(fēng)蝕速率(Q)與風(fēng)速(v)擬合曲線方程Tab.3 Curve-fitting equation between wind erosion rate and wind velocity

2.3 土壤風(fēng)蝕速率與耕作方式的關(guān)系

2.3.1 與留茬高度的關(guān)系 相同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕速率隨著留茬高度的升高而降低(圖2)，在風(fēng)速小于10 m/s時(shí)留茬高度5 cm與留茬高度10 cm的風(fēng)蝕速率相差不大，留茬高度達(dá)到20 cm時(shí)風(fēng)蝕速率明顯降低，此時(shí)留茬減少土壤風(fēng)蝕的效果最好。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12 m/s時(shí)，留茬高度20 cm的風(fēng)蝕速率略微較高，這可能是由于大風(fēng)作用秸稈發(fā)生傾斜使阻擋作用降低，但總體上風(fēng)蝕速率隨著茬高的增加還是呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖2 不同留茬高度與土壤風(fēng)蝕速率Fig.2 Wind erosion rates with stubble heights

2.3.2 與秸稈覆蓋量的關(guān)系 不同秸稈覆蓋量下的土壤風(fēng)蝕速率研究結(jié)果(圖3)表明:在相同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕速率隨著秸稈覆蓋量的增加而降低。風(fēng)速小于8 m/s，秸稈覆蓋量大于2 105 kg/hm2時(shí)土壤風(fēng)蝕速率幾乎為0。當(dāng)覆蓋量達(dá)到4 210 kg/hm2時(shí)，

風(fēng)速小于12 m/s時(shí)防風(fēng)效果顯著。

圖3 不同秸稈覆蓋量與土壤風(fēng)蝕速率Fig.3 Wind erosion rates with mulching weights

2.3.3 與壟向之間的關(guān)系 壟向與風(fēng)向的角度影響著風(fēng)蝕速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明壟向與風(fēng)向垂直可以有效的減少風(fēng)蝕，壟向與風(fēng)向平行則加劇風(fēng)蝕作用的發(fā)生。風(fēng)速≤8 m/s時(shí)順壟(壟向與風(fēng)向平行)的風(fēng)蝕速率與CK相差不大，大于8 m/s時(shí)風(fēng)蝕速率則明顯大于CK。而風(fēng)速達(dá)到12 m/s時(shí)，橫壟(壟向與風(fēng)向垂直)的風(fēng)蝕速率與CK相差不大，可能是由于大風(fēng)作用破壞土壟從而加劇風(fēng)蝕。

2.4 風(fēng)洞模擬土壤風(fēng)蝕風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

通過(guò)不同風(fēng)速下不同耕作方式0～60 cm高度范圍內(nèi)輸沙量的觀測(cè)結(jié)果(表4)分析，風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)蝕風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)在以下4方面。

圖4 不同壟向與土壤風(fēng)蝕速率Fig.4 Wind erosion rates in various ridge direction

表4 不同耕作方式和風(fēng)速下輸沙量垂直分布特征Tab.4 Sand discharges of different heights from 0 to 60 cm of each tillage

1)同一風(fēng)速下，T1～T5處理的0～60 cm總輸沙量均小于CK，T4的總輸沙量最小，其次是T5，T1～T3之間的總輸沙量差異不大。T6和T7在風(fēng)速≥10 m/s時(shí)0～60 cm總輸沙量大于CK。

2)各個(gè)處理的風(fēng)蝕輸沙量主要集中在0～15 cm高度，其中T6(橫壟)45～60 cm的輸沙量所占比例較高，可能是由于壟向與風(fēng)向垂直而起到抬升的作用，使得風(fēng)蝕物質(zhì)也隨之抬升。

3)隨著風(fēng)速的增加，0～15 cm高度的輸沙量比例逐漸升高，45～60 cm高度的輸沙量比例降低，說(shuō)明近地表輸沙強(qiáng)度增加。

4)留茬處理方式0～15 cm高度輸沙量比例隨著留茬高度的降低而減少，15～30 cm輸沙量比例則隨著留茬高度的降低而增加。秸稈覆蓋下0～15 cm輸沙量比例隨著覆蓋量的增加而降低;但由于秸稈覆蓋下的總輸沙量較小，因此，防風(fēng)蝕效果較好。壟作不同高度的輸沙量比例因壟向與風(fēng)向的角度不同而差異很大，T7(順壟)輸沙量高度分布與CK一致，T6(橫壟)輸沙量高度分布與之相反。

3 結(jié)論與討論

1)不同保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤風(fēng)蝕防治效果不同。留茬和秸稈覆蓋與裸土對(duì)照相比均能減少土壤風(fēng)蝕，壟作防風(fēng)蝕效應(yīng)則受到壟向的影響，壟向與風(fēng)向垂直能夠減少風(fēng)蝕，壟向與風(fēng)向平行則加劇風(fēng)蝕。相同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕速率隨著留茬高度的升高而降低，隨著秸稈覆蓋量的增加而降低。橫壟在低風(fēng)速下能夠減少風(fēng)蝕，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)阻擋效果并不明顯。

不同保護(hù)性耕作下的土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈現(xiàn)顯著性冪函數(shù)關(guān)系，裸土對(duì)照則呈現(xiàn)顯著性線性相關(guān)。

2)秸稈覆蓋和留茬處理0～60 cm總輸沙量小于壟作和裸土對(duì)照。壟作在風(fēng)速較低時(shí)總輸沙量小于裸土對(duì)照，風(fēng)速較高時(shí)輸沙量則大于裸土對(duì)照。橫壟輸沙量主要集中在45～60 cm高度，而其他處理方式的輸沙量主要集中在0～15 cm。0～15 cm高度的輸沙量比例隨著風(fēng)速的增加而升高。

綜上所述，秸稈覆蓋和留茬都能夠有效減少風(fēng)蝕危害，而壟作則可以在低風(fēng)速條件下有效地防治風(fēng)蝕，同時(shí)壟向要根據(jù)當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向進(jìn)行選擇。本研究中留茬高度20 cm防治風(fēng)蝕效果較好，但秸稈不宜過(guò)高，會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不便。秸稈覆蓋量越大對(duì)風(fēng)蝕防治效果越好，但風(fēng)速越大覆蓋的秸稈會(huì)產(chǎn)生損失;因此，秸稈覆蓋應(yīng)與留茬結(jié)合使用，可以更有效的防治風(fēng)蝕。

以上結(jié)論基于室內(nèi)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，還應(yīng)該結(jié)合野外田間風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行一步研究。

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