保護性耕作對農田土壤風蝕影響的室內風洞實驗研究

趙 云，穆興民，2，3，王 飛，2，3，蔣 沖，劉振東，李 銳，2，3

（1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.中國科學院 研究生院，北京100049）

土壤風蝕是指松散的土壤物質被風吹起、搬運和堆積的過程以及地表物質受到風吹起的顆粒的磨蝕等，是風成過程的全部結果［1］。農田風蝕是中國北方干旱半干旱地區(qū)土地退化的主要原因之一。土壤風蝕是土地沙漠化過程的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)［2］。中國是世界上土地荒漠化最為嚴重的國家之一，全國荒漠化土地面積263.62萬km2，占國土總面積的27.46%，其中沙化土地面積173.97萬km2，占國土總面積的18.12%［3］。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，土壤風蝕較為嚴重［4］。許多研究［5－9］表明 保護性 耕作（特別是秸稈覆蓋、留茬、免耕少耕）可以提高地表空氣動力學粗糙度、分解風對地表的剪切應力，消耗一定的風能、降低風速和阻擋沙塵，同時還可以保持土壤水分，能有效的防止土壤風蝕，保護農田土壤。本文在前人研究基礎上，以陜西省安塞縣黃綿土為例進行室內風洞模擬實驗，研究不同作物留茬、不同秸稈覆蓋量對土壤風蝕的影響，定量分析在不同處理下土壤風蝕規(guī)律，為有效防治土壤風蝕提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

實驗在中國科學院水利部水土保持研究所風洞實驗室進行。風洞全長19m，該風洞由風機段、調風段、整流段、試驗段、收集段、導流段構成。風洞主要截面寬1m，高1.2m，風機出口段截面直徑1.4m。通過配套的變頻儀0～50Hz調節(jié)風速，風速可在0～20m／s內連續(xù)均勻地調節(jié)，見圖1。

在試驗段前30cm處設置不同高度的渦輪式風速儀，集沙段設置集沙儀收集不同高度的風蝕物。本實驗風速以30cm高度為基準，共設4個風速，分別為7.5，10，12.5，14.5m／s。集沙儀總共為5層，每次吹蝕時間為10min。

圖1 風洞結構示意圖 （標注單位：mm）

1.2 取樣地氣候以及土質基本情況

試驗土樣采集于安塞境內，安塞位于東經108°05′44″—109°26′18″，北緯36°30′45″—37°19′3″，該地區(qū)四季長短不等，干濕分明，屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候。年平均氣溫8.8℃，年平均降水量505.3 mm，年日照時數為2 395.6h，日照百分率達54%，全年無霜期157d。主要自然災害有：干旱、大風、冰雹、霜凍等。

試驗土樣為耕地表層0—20cm黃綿土，其母質為黃土性物質，疏松多孔，容量小，透水性良好，蓄水能力強，耕性性好，屬壤土，顆粒組成為中粉粒（0.002～0.05mm）約占60%，黏粒含量（＜0.002mm）為30%左右。經實驗測定，該土樣的含水量為1%。

1.3 試驗的數據測定和處理

試驗將土樣按照實際情況進行處理后放進土槽（1m×1.25m×0.25m）內，將土槽推入實驗段使土壤表面與風洞底部表面持平進行吹蝕。風速取風速儀在1min內的平均值。實驗包括（表1）兩種秸稈覆蓋量（2 105kg／hm2，4 210kg／hm2，覆蓋量的設定通過當地每1hm2秸稈產量的30%及60%換算得到）和裸土、30cm的玉米留茬、30cm小麥留茬在4種風速（7.5，10，12.5，14m／s）下的風蝕情況。集沙儀共有5層（0—10cm，13—23cm，26—36cm，39—49cm，52—62cm），每層2個集沙儀收集風蝕物，收集的風蝕物用1／1 000的天平精確稱量。本文中用到的風蝕總量是指12個集沙儀收集風蝕物的總量，是一個相對總量。集沙儀進風口為3m×10cm的長方形，末端為10m×10cm的正方形。每次吹蝕完以后，需將土樣重新裝入土槽，因為每次吹蝕后由于氣流的分選作用使得土槽表面粗?；淖兞送敛郾韺油寥李w粒的機械組成，因此需重新裝槽消除這種影響。在每一次重新裝槽時都通過天平稱量土樣，保持土壤容重一致。

表1 不同保護性耕作措施設計

1.4 抗風蝕效率計算

由于不同耕作方式的保護性耕作對土壤具有不同程度的抗風蝕作用，風蝕量會有一定的減少。將風蝕量的減少量占基準風蝕量的比率稱為保護性耕作農田的抗風蝕效率［10］。計算公式為：

式中：Q1——CK的風蝕量（g）；Q2——保護性耕作措施的風蝕量（g）；n——保護性耕作農田的抗風蝕效率（%）。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式的風蝕量及抗風蝕效率

由表2分析表明，與CK相比，小麥留茬、玉米留茬以及秸稈覆蓋4種耕作方式都可以不同程度地減少風蝕，特別是T4抗風蝕效率最高，達到了95.9%，T3和T1也都能有效地抗風蝕，抗風蝕效率分別達到了95.5%和94.4%。T2的抗風蝕效率比較低，只有62.4%。對比各個處理的風蝕量發(fā)現：在7.5m／s風速時，T1＜T2＜T4＜T3＜CK，當風速大于7.5m／s時，T4的風蝕量始終處于最小，T4＜T3＜T1＜T2＜CK。分析得到：與裸土CK相比，通過秸稈高覆蓋處理（T4）在各個風速下風蝕量最小，抗風蝕效率最高。30cm玉米留茬（T2）在各個風速下風蝕量最大，抗風蝕效率最低。

表2 不同耕作方式的風蝕量及抗風蝕效率

2.2 風蝕量與風速的關系

2.2.1 不同作物留茬風蝕量與風速的關系 風是土壤風蝕的直接動力來源，風速的大小直接影響風蝕的輕重。圖2表明，風蝕量與風速成正相關關系，即土壤風蝕量隨著風速的增加而增加。將各個風速下風蝕量相比，CK為1∶8∶50∶146，T2為1∶9∶126∶260，T1為1∶4∶25∶119，表明：T1，T2和CK都出現了風蝕量隨風速的變化均存在突然增大的轉折點，與CK、T2相比，T1的轉折點明顯滯后，CK，T2的轉折風速大約是7.5m／s，T1的轉折風速大約是10m／s。CK，T2從風速7.5m／s開始，風蝕量就隨著風速的增加突然增大，而T1存在當風速小于轉折風速時，隨著風速的增加，它們的風蝕量增加緩慢，當風速超過轉折風速時，風蝕量會急劇增大。通過對風蝕量對比（表2），當風速為7.5m／s時，T1∶T2∶CK＝0.13∶0.24∶1，風速為10m／s時，T1∶T2∶CK＝0.07∶0.26∶1，當風速為12.5m／s時，T1∶T2∶CK＝0.07∶0.60∶1，當風速為14.5m／s時，T1∶T2∶CK＝0.05∶0.41∶1，得出：隨著風速的增加，T1的風蝕量與CK比值逐漸變小，T2風蝕量與CK的比值逐漸變大，T1的風蝕量與T2的比值也逐漸增大。即隨著風速的增加，風蝕量增加速率關系上：CK＞T2＞T1。分析得出，30cm小麥留茬的抗風蝕能力要好于30cm玉米留茬。

圖2 不同作物留茬的風蝕量

2.2.2 不同覆蓋度下的抗風蝕效率與風速的關系由表3表明，在各個風速下隨植被蓋度的增加土壤抗風蝕效率增強。在T3，T4中，在同一風速下，抗風蝕效率關系為T4＞T3；當風速為7.5m／s時，兩者的土壤抗風蝕效率分別51.05%，74.61%，分別為各個處理的最低水平；在風速大于10m／s時，它們的抗風蝕效率都大于93%；當風速為14.5m／s時，兩者的土壤抗風蝕效率分別為95.84%，96.47%，為各個處理的最高，即隨著風速的增加土壤的抗風蝕效率也會逐漸增強。

2.3 土壤風蝕的風沙流結構

沙流結構是氣流中輸沙率隨高度的分布，其結構受風速、可風蝕顆粒含量及下墊面等因子的影響［11］。風土壤顆粒運動形式可以分為3種：躍遷、蠕動、懸浮，其中躍遷物質在風沙流中占絕對優(yōu)勢，也是產生風蝕危害的主要形式［12］，躍遷顆粒機械組成主要是中砂和細砂，分布高度集中在0～10cm高程內。

通過對不同耕作方式0～62cm高度共5層范圍內輸沙量的觀測結果（表4）分析表明：風洞內風蝕沙流結構特征體現在以下3方面：

（1）同一風速下，各種耕種方式的風蝕量隨著高度的增加而減少。大部分風蝕量都集中在0～10cm高度，而52～62cm的風蝕量最小。超過90%的風蝕量都集中在0～36cm高度范圍內，這與賀寶根等人［13］的研究中認為土壤風蝕過程中風沙活動屬于近地面運動，且在風沙流中90%沙物質高度低于31cm的結論一致。

（2）隨著風速的增大，0～10cm風蝕量所占比例會逐漸增加，52～62cm風蝕量所占比例會逐漸減少。這說明近地表的風蝕明顯加強，躍遷物質量也明顯增多。

（3）與CK，T1，T2相比，T3和 T4在0～10cm高度的風蝕量所占比例始終較高，而且秸稈覆蓋量越高，這種趨勢越明顯。這說明秸稈覆蓋可以有效的阻止風蝕物上揚，讓風沙在近地表活動。

3 結論

（1）小麥留茬、玉米留茬以及秸稈覆蓋都可以有效的減少風蝕?？癸L蝕效率方面：小麥秸稈覆蓋量4 210kg／hm2＞小麥秸稈覆蓋量2 105kg／hm2＞裸土、30cm小麥留茬＞30cm玉米留茬＞裸土。總的來說，小麥秸稈覆蓋越高，土壤抗風蝕效果越好；小麥留茬比玉米留茬抗風蝕效果好。

表4 不同耕作方式和風速下輸沙量垂直分布特征

（2）風蝕量與風速成正相關關系，隨著風速的增加，各個處理的風蝕量都會增加。風蝕量隨風速的變化均存在突然增大的轉折點，30cm小麥留茬會明顯滯后于30cm玉米留茬和裸土。當風速一定時，隨秸稈蓋度的增加土壤抗風蝕效率增強；風速越高，秸稈覆蓋土壤的抗風蝕效率越強。

（3）隨著高度的增加風蝕量逐漸減小。隨著風速的增加，0～10cm高度的輸沙量比例逐漸升高，52～62cm高度的輸沙量比例降低，說明近地表輸沙強度增加。超過90%的風蝕量都集中在0～36cm高度范圍內。

［1］ 朱朝云，丁國棟，楊明遠.風沙物理學［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1992.

［2］ 劉玉璋，董光榮，李長治.影響土壤風蝕主要因素的風洞實驗研究［J］.中國沙漠，1992，12（4）：41－49.

［3］ 國家林業(yè)局.中國荒漠化和沙化狀況公告［M］.北京：中國綠色，2005.

［4］ 劉秉正，吳發(fā)啟.土壤侵蝕［M］.西安：陜西人民出版社，1996：216－233.

［5］ 董治寶，陳渭南，李振山，等.植被對土壤風蝕影響作用的實驗研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1996，10（2）：1－8.

［6］ Wolfe S A，Nickling W G.The protective role of sparsevegetation in wind erosion［J］.Progress in Physical Geography，1993，17（1）：50－68.

［7］ 孫悅超，麻碩士，陳智，等.陰山北麓干旱半干旱區(qū)地表土壤風蝕測試與分析［J］.農業(yè)工程學報，2007，27（12）：1－5.

［8］ 馮曉靜，高煥文，王麗潔，等.北京周邊典型農田風蝕風洞試驗與防治分析［J］.農業(yè)機械學報，2008，39（7）：64－67.

［9］ 陳智.陰山北麓農牧交錯區(qū)地表土壤抗風蝕能力測試研究［D］.呼和浩特：內蒙古農業(yè)大學，2006.

［10］ 孫悅超.內蒙古后山地區(qū)不同地表覆蓋條件下土壤抗風蝕效應測試研究［D］.呼和浩特：內蒙古農業(yè)大學，2008.

［11］ 陳智，麻碩士，趙永來，等.保護性耕作農田地表風沙流特性［J］.農業(yè)工程學報，2010，26（1）：118－122.

［12］ 呂甚悟，陳謙，袁紹良，等.紫色土坡耕地水土流失試驗分析［J］.山地學報，2000，18（6）：520－525.

［13］ 賀寶根，周乃晟，等.農田非點源污染研究中的降雨徑流關系—SCS法的修正［J］.環(huán)境科學研究，2001，14（3）：49－51.