甘肅河西地區(qū)保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

嚴(yán)長庚，王立，楊彩紅，伏星舟

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

風(fēng)蝕(wind erosion)是由于風(fēng)的作用使地表土壤物質(zhì)脫離地面被搬運(yùn)的過程以及氣流中的顆粒物對(duì)地面的磨蝕作用，其過程復(fù)雜，且受諸多因素影響，包括自然因素和人為因素，其風(fēng)況、植被蓋度、地表粗糙度以及土壤質(zhì)地為主要自然因素，人為因素中土地翻耕、過度放牧及樵采最為主要[1]，發(fā)生區(qū)域主要集中在地球表面的干旱、半干旱地區(qū).國內(nèi)外對(duì)風(fēng)蝕的研究，也經(jīng)歷了不同的時(shí)期，國外對(duì)風(fēng)蝕的研究，可以追溯到20世紀(jì)30年代以前，此階段對(duì)風(fēng)蝕的研究，多以考察為主，其研究較為簡(jiǎn)單，但卻為以后的研究提供了依據(jù).1911年Free[2]對(duì)風(fēng)在土壤中的移動(dòng)用“躍移”和“蠕移”來表述；到20世紀(jì)30年代至50年代，科學(xué)家對(duì)風(fēng)蝕開了定量的研究，Bagnold運(yùn)用流體力學(xué)原理，促使了“風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué)”理論體系[3-8]形成，并進(jìn)一步促進(jìn)了風(fēng)蝕的研究；到20世紀(jì)70年代，Woodruff和Siddoway建立了第一個(gè)田間風(fēng)蝕量的模型WEQ[9-11]，到20世紀(jì)80年代，研究形成的風(fēng)蝕模型及預(yù)測(cè)系統(tǒng)，主要有：WEPS(風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng))、RWEQ(修正風(fēng)蝕方程)、TEAM(得克薩斯侵蝕分析模型)等[12].我國土壤風(fēng)蝕的研究于20世紀(jì)50年代，從50年代至70年代，對(duì)風(fēng)蝕的研究結(jié)果最具代表性的屬《中國沙漠概論》[13]等著作的發(fā)表；20世紀(jì)80年代以后，我國對(duì)風(fēng)蝕的研究從定性到風(fēng)洞試驗(yàn)的定量及半定量轉(zhuǎn)變，并形成了北方干旱、半干旱地區(qū)土地荒漠化的指標(biāo)體系[14-16].

在我國土壤風(fēng)蝕的面積占國土總面積的50%以上，且主要集中在北方地區(qū)，旱作農(nóng)田區(qū)尤為嚴(yán)重[17].以防止農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的保護(hù)性耕作也隨之出現(xiàn)，而對(duì)于保護(hù)性耕作的定義，在國際上卻有所差異.在國外以作物秸稈覆蓋的多少來判定是否為保護(hù)性耕作，只有秸稈覆蓋度超過30%即為保護(hù)性耕作，如：免耕、覆蓋耕作等，在15%～30%(少耕)之間，則不屬于保護(hù)性耕作[18].我國幅員遼闊，種植方式多樣化，保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，其概念并不完全相同，張海林[19]依據(jù)我國國情重新定義了保護(hù)性耕作，主要內(nèi)容包括少耕、免耕等一系列配套措施,以減輕農(nóng)田土壤侵蝕,保護(hù)農(nóng)田生境為目的,進(jìn)而獲得生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù).對(duì)于保護(hù)新耕作對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的研究，其結(jié)果不盡相同，楊彩紅等[20]的研究表明，保護(hù)性高耕作措施相較于傳統(tǒng)耕作可平均降低土壤風(fēng)蝕速率20%～40%；趙云等[21]的研究表明，直立殘茬對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕有減弱作用；劉振東等[22]的研究表明，在同等覆蓋條件下，秸稈覆蓋的防風(fēng)效果優(yōu)于礫石覆蓋；王麗學(xué)等[23]的研究表明，保護(hù)性耕作對(duì)減少土壤風(fēng)蝕量具有重要作用,其中全覆蓋留茬5 cm下的防風(fēng)蝕效果最佳；范清成等[24]的研究表明，小麥留茬和小麥秸稈覆蓋對(duì)土壤風(fēng)蝕具有減弱作用.

第1次全國地理國情普查公報(bào)中顯示，全國99.20%的荒漠與裸露地分布在西部地區(qū)，而地處中國西北內(nèi)陸的河西走廊，54%以上的土地上是沙漠、戈壁以及荒漠化土地，其生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)田土壤風(fēng)蝕也尤為嚴(yán)重.該地區(qū)春小麥種植面積較大，以傳統(tǒng)的鏵式犁耕作為主，經(jīng)過春季機(jī)械整地，細(xì)碎的土壤表土在西北風(fēng)的作用下，極易形成風(fēng)沙天氣.本試驗(yàn)，采用免耕及免耕留茬30 cm的保護(hù)性耕作措施，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室模擬不同耕作措施下土壤風(fēng)蝕狀況，揭示了保護(hù)性耕作措施的防風(fēng)蝕效益，同時(shí)為該地區(qū)如何防止農(nóng)田土壤風(fēng)蝕提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅河西地區(qū)，位于祁連山以北，合黎山以南，烏鞘嶺以西，主要地貌類型為綠洲、戈壁、沙漠.該地區(qū)降水稀少，年降水量?jī)H為36～180 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)1 500～3 360 mm，氣候干燥，屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候；主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年均風(fēng)速1.8～5.1 m/s，風(fēng)沙活動(dòng)集中在 3～5月份；土壤以棕漠土、灰棕漠土、灰漠土為主，農(nóng)田土壤為灌漠土；該地區(qū)保護(hù)性耕作措施較為單一，主要為覆膜留茬免耕.試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威綠洲試驗(yàn)站，該地區(qū)地處河西走廊東端(N 37°23′～38°12′，E 101°59′～103°23′)，屬典型的溫帶大陸干旱氣候，具有干旱少雨、日照充足、晝夜溫差大等特點(diǎn).區(qū)域年平均氣溫7.7℃左右，年均降水量100 mm，年蒸發(fā)量2 020 mm；平均晝夜溫差7.9 ℃，氣溫以7月最高，為29 ℃，1月最低，為-14.9 ℃，主害風(fēng)為西北風(fēng)，靜風(fēng)率26%，無霜期150 d左右，日照時(shí)數(shù)2 873.4 h，日照百分比為67%,太陽輻射量為138.45 kcal/cm2，屬太陽輻射量高值區(qū).試驗(yàn)區(qū)田間土壤類型為沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量13.75 mg/kg,全氮含量0.73 mg/kg,有效磷含量12.8 mg/kg,起沙風(fēng)7.9 m/s.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)由田間試驗(yàn)和室內(nèi)風(fēng)洞模擬試驗(yàn)2個(gè)部分組成，開始于2015年9月，時(shí)長為4 a.

田間試驗(yàn)設(shè)置如下：設(shè)置2種耕作模式(傳統(tǒng)耕作、免耕)，且每年施行輪作制度，共有8各處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),具體設(shè)置如下：CT-W/C(傳統(tǒng)單作小麥/玉米)、NT-W-30 cm/C(免耕單作小麥留茬30 cm/玉米)，面積391 m2；CT-W/C(WR)(傳統(tǒng)單做小麥/玉米,作物收獲后復(fù)種冬油菜)、NT- W/C(WR)(免耕單作小麥留茬30cm/玉米,作物收獲后復(fù)種冬油菜)，面積391 m2；CT-In-W*C/C*W(傳統(tǒng)間作小麥/玉米)，其中小麥帶長34 m,寬1 m，共5條；玉米帶長34 m,寬1.2 m，共5條；NT-In-W-30 cm *C/C* W-30 cm(免耕間作小麥留茬30 cm/玉米)，其中小麥帶長34 m,寬1 m，共5條；玉米帶長34 m,寬1.2m，共5條.試驗(yàn)田總面積為68 m×36 m=2 448 m2(3.7畝)，傳統(tǒng)耕作深度為30 cm，免耕模式下的小麥在收獲后留茬30 cm，次年每個(gè)處理作物進(jìn)行輪作(如：C/W→W/C)，第1次試驗(yàn)于2016年3月開始.種植作物小麥品種為‘永良4號(hào)’，玉米品種為‘先云335號(hào)’，冬油菜品種為‘隴油6號(hào)’，小麥播種時(shí)間為3月28號(hào)，玉米播種時(shí)間為4月15號(hào)，冬油菜播種時(shí)間為作物收獲后，試驗(yàn)田均采用滴灌模式，地膜寬度為1.2 m.

本次風(fēng)洞試驗(yàn)取樣在來年春季返青之前(2017年3月18)，取體積為30.5 cm×20.5 cm×10.5 cm(長×寬×高)的原狀土帶至實(shí)驗(yàn)室測(cè)定.

1.3 試驗(yàn)方法

3～5月份是河西地區(qū)風(fēng)力侵蝕的主要發(fā)生時(shí)間段，故本次土壤樣品在2017年3月18號(hào)采集，采集的每個(gè)樣品均保存于紙箱之中，盡可能的減少原狀土及作物殘茬的破壞，風(fēng)洞試驗(yàn)于2017年3月20號(hào)在中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該風(fēng)洞是直吹閉口式，風(fēng)洞洞體全長38 m，試驗(yàn)段長度為21 m，截面積1.2 m×1.2 m，邊層厚度為50 cm，由動(dòng)力段、整流段、供沙裝置、試驗(yàn)段及擴(kuò)散段組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 風(fēng)洞示意圖Figure 1 Schematic diagram of the wind tunnel

試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，依據(jù)氣壓和氣溫,用數(shù)字式微壓差計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié).土樣的位置距實(shí)驗(yàn)段入口下風(fēng)向11.5 m，集沙儀放置于樣品后57 cm處，樣品表面與風(fēng)洞底部齊平,集沙儀底端也與風(fēng)洞齊平.模擬風(fēng)速依次為6、10、14、18、22 m/s，吹蝕時(shí)間依次為15、12、10、8、5 min，吹蝕前及吹蝕后樣品質(zhì)量均用感量為0.1 g的電子天平稱質(zhì)量，然后計(jì)算出風(fēng)蝕量.

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 23.0對(duì)風(fēng)蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸模擬，確定函數(shù)模型；用Origin2016進(jìn)行作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)風(fēng)蝕量的影響

由圖2可知，總體變化為，8個(gè)處理下的，風(fēng)蝕量隨風(fēng)速增大而增大，且CT-W(WR)風(fēng)蝕量最高，達(dá)到了51.1 g，NT-W-30 cm最低，二者相差42.2 g.NT-W-30 cm、NT-W-30 cm(WR)、NT-In-W-30 cm風(fēng)蝕量均低于相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作，依次為1.5、87.8、59.3 g，且NT-W-30 cm(WR)最低，而NT-In-C結(jié)果卻與之相反，較比傳統(tǒng)耕作高1.5 g.當(dāng)風(fēng)速在6～14 m/s內(nèi)，除CT-W(WR)外，其他處理風(fēng)蝕量增加緩慢；當(dāng)風(fēng)速超過14 m/s(等同于自然界7級(jí)疾風(fēng))，除NT-W-30 cm、NT-W-30 cm(WR)、NT-In-W-30 cm外，其他處理，隨風(fēng)速增大，風(fēng)蝕量急劇增大，且逼近于線性增加；在同等風(fēng)速條件下，吹蝕時(shí)間相同，除NT-In-C風(fēng)蝕量高于傳統(tǒng)耕作模式外其他處理均為免耕低于傳統(tǒng)耕作.為進(jìn)一步探索風(fēng)蝕量(Q)與風(fēng)速(V)的關(guān)系，利用非線性回歸方程對(duì)每個(gè)處理的風(fēng)蝕量與風(fēng)速進(jìn)行擬合,得到表1的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕量與風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系，這一結(jié)果與哈斯[25]等人在河北壩上地區(qū)的研究結(jié)果相同.

圖2 不同處理下的風(fēng)蝕量Figure 2 Wind erosion under different treatments

處理Treatments回歸方程Regression equationR2CT-WQ=0.085V1.7501.0NT-W-30 cmQ=0.226V1.4060.906 1CT-W(WR)Q=1.863V1.0701.0NT-W-30 cm(WR)Q=0.737V1.0660.999 1CT-In-WQ=0.294V1.5440.979 1NT-In-W-30 cmQ=0.006V2.3420.983 2CT-In-CQ=0.683V1.2290.998 1NT-In-CQ=0.577V1.3270.997 2

2.2 不同處理風(fēng)蝕速率與風(fēng)速的關(guān)系

土壤風(fēng)蝕速率作為劃分土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的唯一指標(biāo)，對(duì)該值的測(cè)定具有重要意義.由圖3可知，除NT-In-C外，土壤風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的變化均為免耕低于傳統(tǒng)耕作當(dāng)風(fēng)速由6 m/s增加至14 m/s，8個(gè)處理風(fēng)蝕速率增加較為緩慢；當(dāng)風(fēng)速超過14 m/s，NT-In-C及傳統(tǒng)耕作處理下的風(fēng)蝕速率急劇增加.從平均風(fēng)速來看，CT-W(WR)風(fēng)蝕速率最高，NT-In-W-30 cm最低，二者相差48.67 g/(m-2·min)，除NT-In-C風(fēng)蝕速率較免耕模式下高4.64 g/(m-2·min)，其他處理CT-W、CT-W(WR)及CT-In-W均高于相應(yīng)的免耕模式，其值依次為：1.26、41.19、32.38 g/(m2·min).由此可看出，風(fēng)蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程，受諸多因素影響.

圖3 風(fēng)蝕速率與風(fēng)速的關(guān)系Figure 3 Relationship between wind erosion rate and wind speed

2.3 不同處理下的防風(fēng)蝕效益

由表3可知，6 m/s風(fēng)速條件下，保護(hù)性耕作較傳統(tǒng)耕作防風(fēng)蝕效果非常顯著，其中NT-In-W-30 cm最高，達(dá)到了1 380.0%，NT-In-W-30 cm最低；隨風(fēng)速增大，各個(gè)處理變化不一，其中NT-W(WR)、NT-In-W-30 cm較相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作，風(fēng)蝕效果降低明顯，且免耕間作模式效果較NT-W(WR)效果更優(yōu)；NT-W-30 cm較CT-W，防風(fēng)蝕效益隨風(fēng)速增大先降低后升高；而NT-In-C較CT-In-C，隨風(fēng)速增大，風(fēng)蝕效果愈顯著.

3 討論

土壤風(fēng)蝕的大小，主要取決于2個(gè)方面：風(fēng)力和下墊面抗風(fēng)蝕能力[26].自然界風(fēng)力是不可控因素，減輕土壤的風(fēng)蝕，只能依靠提高下墊面的抗蝕能力，而下墊面抗蝕能力主要有土壤理化性質(zhì)、地表粗糙度等組成.在旱作農(nóng)田區(qū)，通過提高地表粗糙度的方式，來影響風(fēng)速廓線，進(jìn)而減輕農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的方法顯得尤為重要.不同的耕作方式，防風(fēng)蝕效應(yīng)也不同，較傳統(tǒng)耕作，保護(hù)性耕作措施減輕了對(duì)土壤表層土的擾動(dòng)，進(jìn)而抑制風(fēng)蝕，同時(shí)，作物殘茬可減弱風(fēng)速.楊彩紅等[20]的研究表明，14 m/s是農(nóng)田土壤風(fēng)蝕加劇轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)超過該風(fēng)速，風(fēng)蝕速率降低明顯，這一結(jié)論與本文研究結(jié)果相一致.趙永來等[27]的研究結(jié)果表明,作物殘茬對(duì)風(fēng)蝕有減緩作用；李菁菁等[28]的研究表明，免耕秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作，防風(fēng)蝕效益更優(yōu)；楊陽[29]的研究表明,農(nóng)田留茬可顯著改變近地表(0～20 cm)處風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，防風(fēng)蝕效能提升10～20%.本研究中，由于免耕模式下小麥有留茬30 cm、冬油菜也存在一定的殘茬，其對(duì)風(fēng)速有一定的減緩作用，因而風(fēng)蝕量也隨之減小，其防風(fēng)蝕效應(yīng)自然加強(qiáng)，風(fēng)蝕速率，也隨之降低，與上述觀點(diǎn)相吻合.包洪濤等[30]的研究表明，種植作物不同，防風(fēng)蝕效果不同.本文中，免耕間玉米與留茬小麥相比，其風(fēng)蝕量及風(fēng)蝕速率結(jié)果相反，原因之一便是種植作物不同.高婕等[31]的研究表明，帶狀間作留茬可增加土壤有機(jī)碳含量，其作物秸稈也增加了土壤碳源.對(duì)間作玉米而言，免耕間作玉米風(fēng)蝕量高于傳統(tǒng)間作玉米，其原因可能是，由于施行輪作制度，免耕間作玉米是在前一年留茬30 cm的免耕小麥基礎(chǔ)上進(jìn)行種植，其小麥秸稈的分解會(huì)增加土壤里有機(jī)質(zhì)的含量，風(fēng)蝕量也隨之增加，加之玉米在生長季需要人工鋤草，由于人為因素對(duì)增加了對(duì)土壤的擾動(dòng)，進(jìn)而使風(fēng)蝕量增加.

表3 保護(hù)性耕作的防風(fēng)蝕效益

綜上所述，保護(hù)性耕作措施在減輕了對(duì)土壤表層土的擾動(dòng)的同時(shí)，增加了下下墊面粗糙度，同時(shí)提高土壤抗蝕性；免耕留茬，通過改變近地表風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低風(fēng)速，風(fēng)蝕量隨之間小，風(fēng)蝕速率亦如此，相比傳統(tǒng)耕作，防風(fēng)蝕效益也隨之提高.

4 結(jié)論

1) 土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速增大而增大，且二者為冪函數(shù)關(guān)系.風(fēng)速在14 m/s以內(nèi)，風(fēng)蝕處于緩增區(qū)，當(dāng)風(fēng)速超過14 m/s，土壤風(fēng)蝕量增加，風(fēng)蝕也愈烈，因此14 m/s是隨風(fēng)速增加，風(fēng)蝕量急劇增加的轉(zhuǎn)折點(diǎn).

2) 風(fēng)速在14 m/s以內(nèi)，風(fēng)蝕速率處于緩增區(qū)，當(dāng)風(fēng)速超過14 m/s，風(fēng)蝕速率急劇增加，較免耕，傳統(tǒng)耕作增加更快.

3) 6風(fēng)速條件下，保護(hù)性耕作較傳統(tǒng)耕作防風(fēng)蝕效果非常顯著；隨風(fēng)速增大，NT-W(WR)、NT-In-W-30 cm較相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作，風(fēng)蝕效果降低明顯.