民勤綠洲灌區(qū)保護性耕作對土壤風蝕的影響

李銀科， 徐先英， 張瑩花， 劉虎俊， 張衛(wèi)星， 萬 翔

(甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地,甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站,甘肅省治沙研究所, 甘肅 蘭州 730070)

沙塵天氣給人們生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的危害，農(nóng)田土壤又是沙塵的重要來源[1-2]。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田對土壤多次翻耕造成一個疏松的表層，導致土壤風蝕發(fā)生[3]。保護性耕作農(nóng)田通過以下幾個方面抑制土壤風蝕[4-5]：①殘茬可分解風力對地表的剪應(yīng)力，消耗風動量；②殘茬根系有固土并減少地表土壤水分蒸發(fā)的作用，殘茬還可攔截風沙流中的土壤顆粒，降低沙塵顆粒對地表的磨蝕作用；③殘茬覆蓋可使地表免受風的直接吹蝕，保護了易蝕性土壤顆粒，保護性耕作還可以改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，增加抗蝕性土壤顆粒。國內(nèi)外大量研究表明，以殘茬覆蓋為中心的保護性耕作能大幅減少農(nóng)田土壤風蝕，是一項能有效防止風蝕的耕作方法[6-7]。

目前，國內(nèi)有關(guān)保護性耕作對土壤風蝕的研究主要集中在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，綠洲灌區(qū)研究很少，已有研究主要以室內(nèi)風洞試驗為手段，缺少田間試驗。本文以民勤綠洲灌區(qū)農(nóng)田為研究對象，用野外風洞在農(nóng)田地表模擬自然風速，測定不同耕作下墊面土壤風蝕特征，以期為評估保護性耕作防治農(nóng)田土壤風蝕的作用和揭示相關(guān)機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤治沙綜合試驗站，地理位置為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18.7，相對濕度47%。光熱充足，年均日照時數(shù)2 799.4 h，≥10 ℃的活動積溫3 036.4 ℃。冬春季盛行西北風，全年風沙日可達83 d，多集中在3—5月份，年均風速2.5 m/s，最大風速為23.0 m/s。地帶性土壤為灰棕荒漠土，試驗地土壤為灌漠土，質(zhì)地為砂壤，位于沙地邊緣，潛水埋深16 m以下。

1.2 試驗設(shè)計

以傳統(tǒng)耕作為對照，設(shè)置4個保護性耕作措施：①傳統(tǒng)耕作處理，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，前茬作物收獲后免耕，不覆蓋；③免耕秸稈覆蓋處理，前茬作物收獲后免耕并將秸稈切成5 cm長度覆蓋；④立茬處理，前茬作物收獲后免耕，留茬高度20 cm，另不覆蓋；⑤殘茬壓倒處理，前茬作物收獲后免耕，留茬高度20 cm，并壓倒，另不覆蓋。每個耕作措施有3個重復樣方，共15個樣方，隨機排列，樣方大小為6.7 m×60.0 m，樣方的長邊與主風向一致，這樣可以保證樣方之間不受風的影響。保護性耕作試驗在2015—2017年進行，試驗作物為春小麥，試驗地前茬為葵花，該區(qū)春小麥3月播種，7月收割，春小麥生育期灌溉5次，年底冬灌1次，每次約1 500 m3/hm2，均為漫灌。2014年在所有樣方用傳統(tǒng)耕作種植小麥，收割時按上述試驗設(shè)計設(shè)置試驗，2015—2017年按試驗設(shè)置種植小麥，2018年春沒有種植小麥，其他管理同上年，僅做野外風洞試驗，試驗于2018年4月進行。各處理0—5 cm土壤含水量及干團聚體組成如表1所示。

表1 試驗區(qū)地表土壤含水量和干團聚體組成 %

試驗應(yīng)用甘肅省治沙研究所研制的野外土壤風蝕風洞，該風洞總長為12.5 m，試驗段長5 m,橫截面0.6 m×0.6 m，風速0～20 m/s可調(diào)。風洞洞體由進氣段、動力段、過渡段、擴大段、穩(wěn)流段、第一收縮段、第二收縮段和試驗段8部分組成。風洞動力采用南京鼓風機廠的定型風機，型號SW2-11-N0.8，功率11 kW，電源來自一臺10 kW汽油發(fā)電機。整流段由過渡段、擴大段、穩(wěn)流段、第一收縮段和第二收縮段組成，總長4.9 m。試驗時，將風洞放置在測試區(qū)，風洞軸線與該區(qū)主風向平行，在試驗段前段、洞體中心安置皮托管設(shè)定風速，設(shè)5,10,15 m/s共3個風速水平，在試驗段末端用皮托管采集5，10，15，20 cm高度處風速，同時在試驗段末端用階梯式集沙儀(30孔，每孔口徑為2 cm×2 cm)收集0—60 cm高度輸沙量。另外，用30 cm×30 cm，高10 cm的原狀土壤取樣器在放置風洞旁的地表取原狀土壤，在試驗地中間位置挖30 cm×30 cm×10 cm放置原狀土壤的小坑，將所取原狀土壤連同取樣器放進小坑，使土壤樣品表面與地表齊平。然后由低到高設(shè)置風洞風速，在設(shè)定風速下吹蝕10 min，待風速穩(wěn)定后進行風速采集，采集時間為2 min，每次吹蝕后將原狀土樣取出用感量為0.1 g電子天平稱量，計算累積風蝕量，即同一樣方某一風速下的風蝕量與上次較小風速下的風蝕量之和。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用SPSS13.0統(tǒng)計軟件，以耕作方式為變量，對風蝕量和輸沙量進行單因素方差分析，用最小顯著性差異LSD(p<0.05)法進行處理間差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作處理風速廓線的變化

傳統(tǒng)耕作和保護性耕作處理在不同風速下5—20 cm高度的風速廓線見圖1。由圖1可以看出，與傳統(tǒng)耕作相比，不同風速下，各保護性耕作處理均能不同程度地降低風速，立茬處理風速降低幅度最大，風速的大小順序為：傳統(tǒng)耕作>殘差壓倒>免耕秸稈覆蓋>免耕不覆蓋>立茬。5—10 cm高度，15 m/s風速下，傳統(tǒng)耕作風速隨高度增速很快，殘差壓倒增速也較快，其他保護性耕作處理在5—20 cm高度隨高度增加增速比較均勻。

圖1 各處理在不同試驗風速下的風速廓線特征

2.2 不同耕作處理風沙流結(jié)構(gòu)(輸沙量)的變化

不同試驗風速下傳統(tǒng)耕作和保護性耕作風沙流結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，在5 m/s風速下，各處理風沙流結(jié)構(gòu)相似；在10 m/s風速下，0—20 cm輸沙量傳統(tǒng)耕作較為明顯地大于各保護性耕作；風速增大到15 m/s，傳統(tǒng)耕作0—20 cm輸沙量非常明顯地大于各保護性耕作、風沙流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“象鼻效應(yīng)”，最大輸沙量出現(xiàn)在距地面5 cm的高度處。各保護性耕作風沙流結(jié)構(gòu)在不同風速下基本一致，即使大風下也沒有出現(xiàn)“象鼻”。研究結(jié)果表明保護性耕作能夠大幅降低近地面強烈的土壤風蝕，這種作用隨風速的增大更加明顯。

圖2 不同試驗風速下各處理的風沙流結(jié)構(gòu)特征

各處理在不同風速下0—60 cm高度輸沙量見表2。不同風速下，各保護性耕作輸沙量均小于傳統(tǒng)耕作，不同保護性耕作處理之間輸沙量差異均不顯著。風速為5 m/s和10 m/s時，各保護性耕作與傳統(tǒng)耕作之間輸沙量差異均不顯著，風速越大，這種差異越明顯，風速達到15 m/s時，各保護性耕作輸沙量顯著小于傳統(tǒng)耕作。

表2 不同試驗風速下的0-60 cm高度輸沙量比較 g

2.3 不同耕作處理風蝕量的變化

傳統(tǒng)耕作和保護性耕作的土壤風蝕量均隨著風速的增大而增大(見表3)。與傳統(tǒng)耕作相比，在不同試驗風速下，各保護性耕作土壤風蝕量均不同程度地降低；5 m/s試驗風速下，免耕秸稈覆蓋和立茬風蝕量顯著降低；由于10，15 m/s試驗風速下傳統(tǒng)耕作土壤風蝕量變異很大，各保護性耕作處理土壤風蝕量的下降不顯著。

表3 各處理在不同試驗風速下的土壤風蝕量比較 g

3 討論與結(jié)論

保護性耕作可以有效地降低近地表風速[8]。傳統(tǒng)耕作地表無殘茬的阻擋，近地表風速大，各保護性耕作處理的殘茬消減了風速，由于留茬的不同，各保護性耕作消減風速的程度也不同。立茬有20 cm高的留茬，消減風速的能力最強，殘差壓倒由于殘茬被壓倒風速消減能力最差，免耕不覆蓋和免耕秸稈覆蓋介于中間。

保護性耕作農(nóng)田輸沙量與高度變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，土壤顆粒主要集中在近地表層內(nèi)運動[9]。本研究中，保護性耕作輸沙量不論在多大風速下都隨高度的增加逐漸減小，風沙流結(jié)構(gòu)類似于指數(shù)函數(shù)，而傳統(tǒng)耕作在大風時5—10 cm高度風速迅速增大，裹挾較多風蝕物離開地面，輸沙量在距地面5 cm高度處出現(xiàn)最大值，風沙流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“象鼻效應(yīng)”，風速在5 m/s時已有“象鼻”雛形，10 m/s時比較明顯，15 m/s時“發(fā)育成熟”(圖2)。由于殘茬消減風速，即使在大風時近地表風速也均勻增大，保護性耕作正是這樣阻止了“象鼻”的形成，從而明顯降低了近地面輸沙量。近地面風速較小情況下的田間輸沙量實測值表明，輸沙量隨高度的增加呈遞減趨勢[3,5]，這與本研究結(jié)果相近。陳智等[10]研究表明，風速在7～17 m/s范圍內(nèi)，傳統(tǒng)耕作風沙流結(jié)構(gòu)均遵循指數(shù)函數(shù)、留茬保護性耕作均出現(xiàn)“象鼻效應(yīng)”。這與本研究結(jié)果不同，原因為：①本研究中心風速在距地表30 cm高度處，該研究在60 cm高度處，傳統(tǒng)耕作地最大風速17 m/s時相當于本研究中14m/s時的風速；②地表土壤含水量不同，本研究傳統(tǒng)耕作地表為2.59%，該研究為4.78%，土壤相對不易被風蝕；③試驗時風洞的放置方向和留茬高度不同，本研究風洞軸線與麥茬行向平行、留茬高度為20 cm，該研究風洞軸線與壟向即麥茬行向垂直、留茬高度為30 cm，這樣留茬消減風速的作用更強。綜合以上試驗設(shè)置和土壤水分的不同，陳智等[10]研究中傳統(tǒng)耕作風蝕程度低于本研究，所以未出現(xiàn)“象鼻效應(yīng)”；該研究留茬抬高了風速廓線，最大輸沙量出現(xiàn)在殘茬以上，風沙流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了“象鼻效應(yīng)”。本研究中立茬處理25 cm高度附近輸沙量出現(xiàn)較大值，是因為立茬附著了較多上風向帶來的沙塵，此高度風速也較大不受立茬的阻止而形成的。嚴長庚等[11]研究表明，保護性耕作能減小風蝕量，風蝕量隨風速增大而增大，這與本研究結(jié)果相同。

保護性耕作的殘茬不僅降低了風速，而且通過減少風對土壤的直接吹蝕、以及保持土壤較高的含水量，從而減小了土壤風蝕量。與傳統(tǒng)耕作相比，保護性耕作降低了地表風速，阻止風沙流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“象鼻效應(yīng)”，減小了輸沙量，降低了土壤風蝕量。風速越大，保護性耕作減小土壤風蝕的程度越大。立茬處理消減風速幅度最大，免耕秸稈覆蓋和立茬處理輸沙量和風蝕量均較小，再考慮到立茬在實際生產(chǎn)中實施簡便，因此認為立茬處理最優(yōu)。綜上，綠洲灌區(qū)保護性耕作能有效防止田間土壤風蝕，立茬適宜推廣應(yīng)用。