河西綠洲灌區(qū)保護(hù)性耕作防風(fēng)蝕效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

李菁菁，李 毅，李銀科，周蘭萍，張進(jìn)虎，鄭慶鐘，劉光武，張芝萍(.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； .甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

河西綠洲灌區(qū)保護(hù)性耕作防風(fēng)蝕效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

李菁菁1,2，李 毅1，李銀科2，周蘭萍2，張進(jìn)虎2，鄭慶鐘2，劉光武2，張芝萍2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

保護(hù)性耕作；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)蝕；河西綠洲灌區(qū)

通過對河西地區(qū)民勤縣綠洲春小麥生產(chǎn)田實(shí)施保護(hù)性耕作，采用風(fēng)洞試驗(yàn)，以傳統(tǒng)耕作為對照，從風(fēng)蝕量、風(fēng)速廓線、風(fēng)蝕速率和地表粗糙度等方面比較分析了不同保護(hù)性耕作措施(免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、殘茬壓倒處理)的防風(fēng)蝕效應(yīng)。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作土壤風(fēng)蝕量減少，地表風(fēng)速減小，土壤風(fēng)蝕速率降低，地表粗糙度增大，土壤風(fēng)蝕速率與地表粗糙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同保護(hù)性耕作措施抑制風(fēng)蝕的程度不同，4種耕作方式的風(fēng)蝕速率從大到小依次為傳統(tǒng)耕作、殘茬壓倒、免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋，其中免耕秸稈覆蓋處理的防風(fēng)蝕效應(yīng)最佳。

土壤風(fēng)蝕是導(dǎo)致干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)土地沙漠化與沙塵暴災(zāi)害的首要因素，也是世界上許多國家和地區(qū)的主要環(huán)境問題之一。甘肅河西綠洲地區(qū)深處內(nèi)陸腹地，光熱、土地資源豐富，是甘肅省最主要的產(chǎn)糧區(qū)，但該區(qū)風(fēng)大沙多、氣候干旱、水資源有限，同時也是沙塵暴的重災(zāi)區(qū)和我國三大沙塵源區(qū)之一[1]。河西綠洲大面積種植春小麥，農(nóng)民長期采用傳統(tǒng)耕作技術(shù)，土壤表土細(xì)碎，冬春裸露休閑，在西北季風(fēng)的強(qiáng)勁作用下，農(nóng)田土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重，成為制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的因素之一。農(nóng)田土壤是沙塵的主要來源[2-3]，而保護(hù)性耕作是防止農(nóng)田風(fēng)蝕的有效方法[4]。本研究以不同保護(hù)性耕作措施種植春小麥為試驗(yàn)對象，以傳統(tǒng)耕作為對照進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，比較研究保護(hù)性耕作的防風(fēng)蝕效應(yīng)，以期為甘肅河西綠洲地區(qū)有效控制農(nóng)田風(fēng)蝕提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤治沙綜合試驗(yàn)站，地理位置103°51′E、38°38′N，海拔1 378 m。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶曰哪畾夂騾^(qū)，冬季寒冷，夏季酷熱，晝夜溫差大，年平均氣溫7.6 ℃，極端低溫-30.8 ℃，極端高溫40.0 ℃，無霜期175 d；降水量小，蒸發(fā)量大，氣候干燥，年均降水量113.2 mm，年均蒸發(fā)量2 604.3 mm，干燥度平均5.1、最高達(dá)18.7，相對濕度47%；光熱充足，年均日照時數(shù)2 799.4 h，≥10 ℃活動積溫3 036.4 ℃；冬季盛行西北風(fēng)，全年風(fēng)沙日可達(dá)83 d，多集中在2—5月份，年均風(fēng)速2.5 m/s，最大風(fēng)速23.0 m/s；土壤為堿性沙土，沙層深厚，肥力很差，含鹽量0.146%，有機(jī)質(zhì)為0.197 5%，全氮0.007 9%，全磷0.116 0%，pH值為8.3；潛水埋深16 m以下。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在甘肅省民勤治沙綜合試驗(yàn)站設(shè)計(jì)以下幾種保護(hù)性耕作方式進(jìn)行試驗(yàn)：①傳統(tǒng)耕作處理(CT)，前茬作物收獲后深耕滅茬，耙耱整平，不覆蓋。②免耕不覆蓋處理(NT)，前茬作物收獲后免耕，不覆蓋。③免耕秸稈覆蓋處理(NTS)，前茬作物收獲后免耕并將秸稈切成5 cm長度覆蓋，調(diào)查秸稈還田量和覆蓋度。④殘茬壓倒處理(SO)，前茬作物收獲后免耕，留茬高度20 cm，并壓倒，另不覆蓋，調(diào)查留茬覆蓋度。試驗(yàn)地分為12個樣方，樣方大小為6.7 m×60.0 m，樣方的長邊與主風(fēng)向一致，這樣可以保證樣方之間不受風(fēng)的影響。每個處理3個重復(fù)樣方，隨機(jī)排列，這樣就形成了傳統(tǒng)耕作、免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋和殘茬壓倒4個處理、每個處理3個重復(fù)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.3 試驗(yàn)方法

取樣選在春季地表解凍后，春小麥播種前。用土樣箱在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的情況下在田間試驗(yàn)的每個地塊同時取體積為30 cm×30 cm×10 cm的土樣，用于室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)在甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞為直吹下吹式，全長45.78 m，其中試驗(yàn)段長20.00 m，內(nèi)壁截面積1.2 m×1.2 m，風(fēng)速在3～40 m/s范圍內(nèi)可調(diào)。根據(jù)試驗(yàn)時的氣壓和氣溫，用數(shù)字式微壓差計(jì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)進(jìn)口風(fēng)速。樣品采回后完好保存所帶麥茬并將其自然風(fēng)干至表層(0～5 cm)含水量為5%左右，試驗(yàn)時將土樣置于風(fēng)洞試驗(yàn)段入口下風(fēng)向7.68 m處，土壤樣品表面與風(fēng)洞底部齊平，在土樣盒中間放置多路風(fēng)速廓線儀。設(shè)8、12、16、20、22 m/s共5個風(fēng)速水平，測定10、30、50、80、130、200、300、400 mm不同高度的風(fēng)速。試驗(yàn)過程中使洞體內(nèi)土樣表面與風(fēng)速廓線儀的底部處于同一高度。先用感量為0.1 g的電子天平稱量土樣最初質(zhì)量，再由低到高調(diào)整風(fēng)速至設(shè)定風(fēng)速下吹蝕10 min，待風(fēng)速穩(wěn)定后進(jìn)行風(fēng)速采集，采集時間為2 min。每次吹蝕后將土樣取下稱量，用土樣最初質(zhì)量減去某個風(fēng)速下吹蝕后的土樣質(zhì)量即為該風(fēng)速下的土壤風(fēng)蝕量，土壤風(fēng)蝕速率為土壤風(fēng)蝕量(g/m2)除以吹蝕時間(min)。

地表粗糙度一般采用各觀測點(diǎn)兩個高度的風(fēng)速測定值計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：K為地表粗糙度，mm；Z1、Z2為兩個測風(fēng)點(diǎn)距地表的高度，mm；u1、u2分別為Z1、Z2高度處的風(fēng)速，m/s。

本試驗(yàn)在風(fēng)洞內(nèi)12 m/s風(fēng)速下用風(fēng)速多路皮托管測定各處理距地表30、300 mm處的2 min平均風(fēng)速，每個處理分別測量10組風(fēng)速取平均值，重復(fù)3次再平均，將每次測量結(jié)果按上述公式推算出地表粗糙度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對風(fēng)蝕量的影響

風(fēng)是土壤侵蝕的直接源動力，風(fēng)速的大小直接影響風(fēng)蝕的強(qiáng)度。不同風(fēng)速水平、耕作措施下的風(fēng)蝕量見表1。從表1可以看出：風(fēng)速越大，風(fēng)蝕量越大，風(fēng)蝕作用越強(qiáng)烈；免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、殘茬壓倒處理風(fēng)蝕量均小于傳統(tǒng)耕作；免耕秸稈覆蓋處理風(fēng)蝕量最小，說明從抑制土壤風(fēng)蝕量來看，免耕秸稈覆蓋保護(hù)性耕作措施的防風(fēng)蝕效果最佳。

表1 不同風(fēng)速下的風(fēng)蝕量

2.2 不同處理對風(fēng)速廓線的影響

各處理不同風(fēng)速下的風(fēng)速廓線見圖1。在距離土樣表面10～200 mm范圍內(nèi)，不同處理在5組風(fēng)速下風(fēng)速隨高度變化趨勢不同：與傳統(tǒng)耕作相比，免耕不覆蓋處理將風(fēng)速廓線略微抬高，近地面風(fēng)速有所減??；免耕秸稈覆蓋處理風(fēng)速廓線在50～130 mm高度出現(xiàn)明顯折皺，風(fēng)速減小幅度較大；殘茬壓倒處理風(fēng)速廓線與傳統(tǒng)耕作相似。距離土樣表面200～400 mm范圍內(nèi)，各處理風(fēng)速均不隨高度的變化而變化。地表的殘茬、秸稈會不同程度地改變風(fēng)的方向，其所引起的地表粗糙度增加對風(fēng)速具有消減作用：與傳統(tǒng)耕作相比，免耕不覆蓋處理有8 cm的殘茬，對風(fēng)速有消減作用；免耕秸稈覆蓋處理對風(fēng)速的消減作用最為明顯，但對20 m/s以上大風(fēng)的消減作用較??；殘茬壓倒后對風(fēng)速的影響很小，所以殘茬壓倒處理的風(fēng)速廓線與傳統(tǒng)耕作相似。

圖1 不同處理地表風(fēng)速廓線

2.3 不同處理風(fēng)蝕速率與風(fēng)速的關(guān)系分析

圖2為土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速的關(guān)系。由圖2可以看出，不同耕作方式下，土壤風(fēng)蝕速率均隨風(fēng)速的增大而增大。吹蝕風(fēng)速由低到高變化過程中，風(fēng)蝕速率最大的始終是傳統(tǒng)耕作，殘茬壓倒次之，之后是免耕不覆蓋，免耕秸稈覆蓋處理最小。在風(fēng)速小于16 m/s情況下，殘茬壓倒處理風(fēng)蝕速率較小，與傳統(tǒng)耕作差異大；風(fēng)速大于16 m/s時，殘茬壓倒處理風(fēng)蝕速率變大，與傳統(tǒng)耕作差異變小。這與殘茬被壓倒時采用機(jī)械破壞了土壤表層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖2 土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速的關(guān)系

2.4 土壤風(fēng)蝕速率與地表粗糙度的關(guān)系分析

地表粗糙度是指影響地表風(fēng)速及土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的植被、地表形態(tài)諸要素的總和，可以反映地表對風(fēng)速的減弱作用和對風(fēng)沙流的影響[5]。利用12 m/s風(fēng)速下不同處理的風(fēng)蝕速率與地表粗糙度進(jìn)行線性擬合(R2=0.941 4)，如圖3。由圖3可以看出，風(fēng)蝕速率與地表粗糙度之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，土壤風(fēng)蝕速率隨地表粗糙度的增加呈線性降低趨勢。

圖3 土壤風(fēng)蝕速率與粗糙度的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

保護(hù)性耕作一方面減少了對表層土壤的擾動，使土壤不易被吹蝕；另一方面殘茬和秸稈增大了地表粗糙度，從而降低了風(fēng)速。因此，保護(hù)性耕作可以抑制風(fēng)蝕，減小土壤風(fēng)蝕量，降低土壤風(fēng)蝕速率，即地表粗糙度越大，風(fēng)蝕速率越小。不同保護(hù)性耕作措施抑制風(fēng)蝕的程度不同：傳統(tǒng)耕作對土壤進(jìn)行翻動，地表土壤松散，加之地表沒有作物殘茬，地表粗糙度小，所以在相同風(fēng)速條件下，傳統(tǒng)耕作的風(fēng)蝕量最大，風(fēng)蝕速率最快；免耕不覆蓋和免耕秸稈覆蓋處理地表的人為擾動很小，殘茬和秸稈覆蓋增大了地表粗糙度，土壤風(fēng)蝕大幅降低，尤其免耕秸稈覆蓋處理地表粗糙度最大，土壤風(fēng)蝕最弱；作物殘茬壓倒后對增加地表粗糙度的貢獻(xiàn)相對較小，風(fēng)速小于16 m/s時，風(fēng)蝕速率較慢，在風(fēng)速大于16 m/s的大風(fēng)吹蝕下，風(fēng)蝕速率較快。本研究中，無論多大風(fēng)速下，4種耕作方式的風(fēng)蝕速率從大到小均為傳統(tǒng)耕作>殘茬壓倒>免耕不覆蓋>免耕秸稈覆蓋，其中免耕秸稈覆蓋處理的防風(fēng)蝕效果最佳。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金(41361059)資助項(xiàng)目

S157

A

1000-0941(2017)01-0045-03

李菁菁(1989—)，女，甘肅蘭州市人，助理工程師，碩士，主要從事荒漠化防治方面的研究工作；通信作者李毅(1962—)，男，甘肅蘭州市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事林木遺傳育種方面的研究工作。

2016-03-20