遼寧省旱作農(nóng)田防蝕增效研究進(jìn)展與展望

鄭家明馮良山馮 晨楊 寧蔡 倩向午燕張 哲趙鳳艷白 偉

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所,遼寧 沈陽 110161)

土壤侵蝕是當(dāng)今世界較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一,不僅制約著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,而且對自然環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅[1]。土壤侵蝕導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重,造成了土壤有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素隨水流失,土壤肥力退化。因此,防治土壤侵蝕對旱作農(nóng)田健康可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[2]。

遼寧省土壤侵蝕主要有4種類型,分別為水蝕、風(fēng)蝕、重力侵蝕和人為侵蝕,其中以水蝕(主要發(fā)生在夏季、秋季)和風(fēng)蝕(主要發(fā)生在冬季、春季)為主,分別占總侵蝕面積的 95.6%和4.2%,共占總侵蝕面積的99.8%[3]。遼寧省風(fēng)蝕水蝕區(qū)主要集中于遼西北,即遼西低山丘陵區(qū),為遼河平原向內(nèi)蒙古平原過渡帶,包括阜新、建平和北票一市兩縣,累計(jì)面積已達(dá)到16 671.95 km2,涉及人口數(shù)達(dá)157.6萬[4]。年均農(nóng)田風(fēng)蝕量達(dá)1.05 t/667m2,坡耕地水蝕量達(dá)1.58 t/667m2,區(qū)域年均土壤流失5 300萬t,土壤降水利用率也僅為65%左右。區(qū)域水資源嚴(yán)重不足,旱災(zāi)發(fā)生頻繁,風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重,耕地質(zhì)量逐年下降,光、溫、水等資源利用效率不高,經(jīng)濟(jì)效益低。農(nóng)田風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重是制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的突出問題。針對該地區(qū)土壤的風(fēng)蝕和水蝕問題,眾多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,并得出了以下結(jié)論。

1 土壤風(fēng)蝕形成原因及其危害

土壤風(fēng)蝕是指在風(fēng)力作用下,土壤表層松散的細(xì)顆粒和營養(yǎng)物質(zhì)被吹起、搬運(yùn)與沉積的過程以及土壤表層物質(zhì)受到風(fēng)吹起時顆粒的磨蝕過程[5]。土壤風(fēng)蝕是土壤侵蝕以及塑造地球地貌景觀格局的基本過程之一,也是發(fā)生在干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)最終導(dǎo)致土地沙漠化的重要環(huán)節(jié)[6],其直接后果一是致使土壤表層中大量富含營養(yǎng)物質(zhì)的細(xì)顆粒和有機(jī)質(zhì)的喪失,造成農(nóng)田表土粗化,土壤肥力和土地生產(chǎn)力下降,影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7];二是在土壤發(fā)生風(fēng)蝕的過程中使所產(chǎn)生的大量的氣溶膠顆粒懸浮于大氣中,造成粉塵污染并使所在地區(qū)沙塵暴頻發(fā),危害人類的身體健康。同時,對交通和水利等設(shè)施均構(gòu)成危害。土壤風(fēng)蝕過程受氣候、土壤質(zhì)地、植被、地形地貌等多個因子調(diào)控,這些因子的變化可導(dǎo)致風(fēng)蝕過程及其方向發(fā)生變化[8]。由于風(fēng)力作用下,土壤顆?？臻g分布的重新調(diào)整及風(fēng)力對土壤顆粒的分選作用,可能對該地區(qū)的土壤、與土壤相關(guān)的微地形及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)等均產(chǎn)生深刻的影響。

2 土壤水蝕形成原因及其危害

土壤水蝕是一個復(fù)雜的自然過程,受到氣候、地貌等自然條件和耕作等人為活動的影響。一般認(rèn)為土壤水蝕為4個基本過程:雨滴沖擊、雨滴飛濺、地表徑流及徑流遷移引起的剝蝕[9]。土壤水蝕過程受到諸多因素的影響,包括氣候因子、地形地貌、土壤母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)(如有機(jī)質(zhì)含量、土壤顆粒組成、前期土壤含水量等)、土壤植被等以及人為活動,例如墾殖、退耕還林、秸稈覆蓋等[10～13]。研究表明,當(dāng)土壤含水量低于凋萎濕度時,很難被植物利用,導(dǎo)致土壤干層形成[14],而遼西北地區(qū)的年降水量有限,且分布不均,主要集中于夏季的7～9月份,其降水量可占年降水總量的70%以上,該地區(qū)暴雨頻發(fā),70%～80%的雨水以徑流形式流失掉,造成嚴(yán)重的土壤水蝕問題[15]。土壤水蝕會引起大量土壤流失,尤其是經(jīng)人類耕作后培肥的土壤,降低農(nóng)田生產(chǎn)力,從而威脅到國家的糧食安全和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[16]。

3 遼寧省防蝕增效技術(shù)措施

迄今為止,針對土壤侵蝕的防治措施的研究主要集中在增加土壤凝聚力(如改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤含水率或增加土壤有機(jī)質(zhì)含量)和保護(hù)地表(構(gòu)建防護(hù)帶、增加地表覆蓋物)2方面。因此,遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院相關(guān)專家以防風(fēng)蝕、水蝕、增產(chǎn)增效為核心開展了大量防治性研究,并構(gòu)建了地上、地表、地下立體協(xié)同綜合防蝕系統(tǒng)(圖1),采用作物間作(或輪作)種植方式,建立地上防風(fēng)蝕屏障;通過構(gòu)筑高壟臺改變微地形,結(jié)合地膜、秸稈覆蓋、高留茬等措施,建立地表風(fēng)蝕水蝕防控結(jié)構(gòu);利用土壤耕作技術(shù),結(jié)合秸稈還田、增施有機(jī)肥等培肥措施,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量并擴(kuò)大土壤水庫庫容,建立地下防水蝕耕層。最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)田地上、地表、地下聯(lián)合協(xié)同防控風(fēng)蝕、水蝕。

3.1 間作

間作是合理利用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)光熱資源、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能的重要栽培手段。遼西北地區(qū)不僅適應(yīng)于花生種植,也是遼寧省玉米的主栽區(qū)。玉米與花生間作可以實(shí)現(xiàn)作物群體的高低交錯,空間搭配更加合理,具有提高水分和光能利用效率,改善間作群體對營養(yǎng)元素的吸收與利用,減輕病蟲害的發(fā)生等優(yōu)勢[17,18]。

針對農(nóng)田風(fēng)蝕問題,利用生物多樣性原理,建立的經(jīng)濟(jì)林/花生、經(jīng)濟(jì)林/谷子、玉米/花生、谷子/花生等間作防風(fēng)蝕種植模式(圖2),通過利用各物種的生長特性不僅提高了作物種間光、養(yǎng)分利用率,同時也滿足了種間對水分的需求,并取得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益[19～21]。 朝陽地區(qū)林、果、糧間作模式下,間作的作物殘?bào)w進(jìn)入土壤后還能顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,提高土壤孔隙度和通透性,有較好的保持水土,防止水土流失作用[22]。研究表明,林果中間種植8行花生,風(fēng)蝕降低46%,玉米(谷子)/花生間作結(jié)合殘茬覆蓋農(nóng)田風(fēng)蝕量減少43%。由于玉米根茬殘留能對花生幅帶形成保護(hù),降低花生幅帶地表風(fēng)速,從而降低地表風(fēng)蝕[23]。通過研究作物群體降水田間分配規(guī)律發(fā)現(xiàn),雨前雨后玉米/花生2∶2壟間作和2∶4壟間作條帶土壤水分增加量較單作玉米提高5.11%～53.90%和 2.24%～84.18%[20],表明間作可以增加土壤蓄水,減少地表徑流,從而減少土壤水蝕。對間作作物種間地下部互作機(jī)制研究發(fā)現(xiàn),間作可協(xié)調(diào)根系在土壤中的縱向分布,提高土壤水分養(yǎng)分有效系數(shù),同時還可加大橫向根系與土壤水分、養(yǎng)分“重心”的偏離度,在土壤中形成水分梯度,促進(jìn)作物種間水分橫向流動,從而改善作物根系性狀,提高植物對土壤的抓力,減少土壤侵蝕[24]。

3.2 壟膜溝植或秋季覆膜

地表覆膜作為一項(xiàng)增產(chǎn)農(nóng)藝措施,能夠改善土壤物理性質(zhì),提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性;同時,從物理上阻隔了風(fēng)力和雨水對土壤的沖擊,增強(qiáng)土壤抗風(fēng)蝕和水蝕能力[25]。針對地膜覆蓋減少風(fēng)蝕、水蝕技術(shù),利用Fluent軟件建立了微地形構(gòu)造水分運(yùn)移模型,并利用Matlab軟件擬合出降水入滲流速方程,實(shí)際驗(yàn)證表明傳統(tǒng)整地條件下降水滲透到土層1 m處所需時間為1 870 s,水分滲透平均速度為0.053 cm/s,而壟膜溝種(微地形改造)時間為1 102 s,速度為0.091 cm/s,可有效控制地表徑流生成(圖3)。通過構(gòu)筑高壟臺改變微地形,結(jié)合地膜、秸稈覆蓋等措施,建立了地表風(fēng)蝕、水蝕防控結(jié)構(gòu)(尚未發(fā)表數(shù)據(jù))。

秋季覆膜可有效提高半干旱氣候條件下雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的水分利用率和作物產(chǎn)量[26]。研究表明,通過旱地秋后即覆膜來減少冬春季農(nóng)田土壤水分的無效損失,能顯著提高播前1 m土層土壤貯水量,保墑、增溫效果可以一直持續(xù)至次年玉米的生長后期,實(shí)現(xiàn)了旱區(qū)降水資源的時空調(diào)節(jié)[27,28]。黃毅等在遼西北旱地土壤應(yīng)用秋季覆膜措施后0～15 cm土層的含水量比頂凌覆膜和裸地高出3%,這說明在干旱的情況下應(yīng)用秋季覆膜能夠有效地保墑[39]。馮晨等對遼西北風(fēng)沙半干旱地區(qū)進(jìn)行秋覆膜研究表明,秋覆膜能顯著的降低雨水對地表土壤的沖刷[29]。因此,在風(fēng)沙半干旱區(qū)應(yīng)用秋季覆膜不僅能夠防止了冬季、春季的風(fēng)蝕,也能夠降低夏季的水蝕。

3.3 秸稈殘茬覆蓋

秸稈殘差覆蓋不僅能有效的提高土壤的水分和有機(jī)質(zhì)含量,還能降低土壤的風(fēng)蝕和水蝕。秸稈殘茬覆蓋主要通過2方面作用來降低風(fēng)蝕:一是提高風(fēng)速摩擦力降低地表風(fēng)速;二是通過秸稈覆蓋地表能提高土壤中大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。在昌圖縣的土壤風(fēng)蝕試驗(yàn)表明,5～6級風(fēng)速下,秸稈殘差覆蓋能減少50%以上的風(fēng)蝕量[30]。李世成研究表明彰武等15個縣區(qū)秸稈留茬覆蓋和粉碎覆蓋能顯著降低土壤風(fēng)蝕量,減少31.8%～87.1%的輸沙量[31]。朝陽縣秸稈殘差覆蓋在降雨量80 mm/h的情況下,地面徑流減少了70%,而土壤含水量增加16%～19%,顯著的降低土壤水蝕[32]。同時,秸稈殘茬的處理方式也會影響到防風(fēng)蝕和水蝕的效果。肖繼兵等通過對春播前耕層土壤水分的研究發(fā)現(xiàn),翻耕后覆膜＞翻耕后覆蓋秸稈＞留茬覆蓋秸稈＞翻耕無覆蓋＞留茬無覆蓋,其中翻耕覆膜處理土壤含水率為17.03%,比留茬無覆蓋處理高4.51%,比翻耕無覆蓋處理高2.57%,比留茬覆蓋秸稈處理高1.27%,比翻耕覆蓋秸稈處理高0.66%[33]。

3.4 高留茬

隨著作物留茬高度的增加,對距地表的風(fēng)速影響效果增加,即殘茬高度增加風(fēng)速降低,地表風(fēng)速降低,地表粗糙度增加[34,35]。肖繼兵等發(fā)現(xiàn)留茬覆蓋秸稈比留茬無覆蓋秸稈處理的土壤含水量高3.24%[33]。叢培飛等明確留茬高度、秸稈覆蓋量及二者互作對土壤風(fēng)蝕量均有顯著影響[36]。當(dāng)留茬高度＞18.0 cm、秸稈覆蓋量高于167 kg/667m2時,風(fēng)蝕量降低了54%以上(常規(guī)耕作的風(fēng)蝕量為1.05 t/667m2),通過對留茬高度和秸稈覆蓋量與風(fēng)蝕量建立回歸模型發(fā)現(xiàn),留茬高度和秸稈覆蓋量分別為33.9 cm和283.7 kg/667m2時,風(fēng)蝕量最小,僅0.03 t/667m2。這表明,高留茬并覆蓋秸稈不僅具有固土和減少土壤水分蒸發(fā)的作用,還能夠降低地表風(fēng)速,使地表免受直接吹蝕和磨蝕,有效降低水土流失程度并降低沙塵暴發(fā)生的概率[37,38]。

3.5 秸稈還田

秸稈還田能夠增加土壤非侵蝕性團(tuán)粒成分和有機(jī)質(zhì)含量,還可提高土壤水分和養(yǎng)分的保蓄能力及利用效率,改善土壤質(zhì)量,提高土壤對風(fēng)蝕、水蝕的抵抗能力,在一定程度上即解決了秸稈的利用問題,還可培肥地力,是保護(hù)性農(nóng)業(yè)的核心措施之一,也是促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[39～41]。研究表明,秸稈還田比傳統(tǒng)耕作輸沙量減少了28.24%～76.31%[36],這是由于秸稈還田能夠增加土壤濕潤度,并且秸稈還田還可增加土壤表面粗糙度,提高了土壤臨界風(fēng)蝕風(fēng)速值,進(jìn)而降低了風(fēng)蝕作用,但當(dāng)風(fēng)速超過閾值后秸稈還田防治風(fēng)蝕的作用將會有所降低[41～43]。而秋覆膜全膜雙壟溝播秸稈還田處理秸稈腐爛效果更好,顯著改善了土壤養(yǎng)分,增加了0～60 cm土體含水量,促進(jìn)了玉米生長,提高了產(chǎn)量[44,45]。張哲等應(yīng)用秸稈還田結(jié)合秋季覆膜對半干旱區(qū)春玉米的影響的研究表明,秸稈還田結(jié)合秋季覆膜效果更優(yōu),即解決了半干旱區(qū)秸稈過剩問題,又可提高該地區(qū)農(nóng)田水分利用效率和春玉米第二年的產(chǎn)量[46]。

3.6 增施有機(jī)肥

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,增施有機(jī)肥既可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,又可以改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[47],而良好的土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能夠防風(fēng)蝕、水蝕[48]。研究表明,風(fēng)蝕后土壤碳主要有4個去向:(1)就近沉積;(2)以粉塵形式運(yùn)移,在遠(yuǎn)離風(fēng)蝕區(qū)的地域沉積;(3)沉積于水渠和河流,輸入水體;(4)氧化釋放至大氣。風(fēng)蝕引起的土壤碳遷移、沉積及氧化耗損不僅導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的重新分布,也顯著改變了土壤系統(tǒng)中碳礦化的生物學(xué)過程。增加土壤有機(jī)碳可以促進(jìn)團(tuán)聚體的形成,使土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加[7]。因此,對易風(fēng)蝕區(qū)域增施有機(jī)肥可有效增加土壤碳的固存,減緩風(fēng)蝕。

4 結(jié)論與展望

遼寧省是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一,如何保護(hù)好土地,減少農(nóng)田水土流失是保證糧食生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境健康的前提。根據(jù)遼寧省生態(tài)脆弱區(qū)的氣候和土壤特征,通過采取種植模式調(diào)整、地膜覆蓋、秸稈還田等措施,不僅提升了土地收益,而且對土壤的風(fēng)蝕和水蝕起到了很好的防治作用。雖然針對防蝕已經(jīng)有很多有效的技術(shù)措施,但是如何鞏固防蝕效果,在防蝕的基礎(chǔ)上提高農(nóng)業(yè)效益,增加農(nóng)民收入是下一步的研究方向。