北京冬春覆蓋作物對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵的影響

李琳　石顏通　楊林　聶紫瑾

摘 ? ?要：為了確定北京主要越冬作物對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕及揚(yáng)塵排放的影響，通過野外觀測(cè)的方法，對(duì)比研究了春季玉米根留茬地、金銀花地、越冬油菜地的近地表風(fēng)速、風(fēng)蝕量及顆粒物排放量的差異。結(jié)果表明：（1）冬春季地表綠色覆蓋能夠顯著降低農(nóng)田近地表風(fēng)速（P<0.05），金銀花地的平均風(fēng)速比玉米根留茬地低15.86%;（2）油菜地的月平均輸沙量比玉米根留茬地低67.06%;（3）金銀花地與玉米根留茬地相比，TSP和PM10濃度降低35.18%和35.42%，差異顯著（P<0.05），冬油菜地的PM2.5濃度比玉米根留茬地低11.63%，差異顯著（P<0.05）。因此，可以通過推廣冬春覆蓋作物來(lái)減少北京或華北地區(qū)的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵，提高土地生產(chǎn)力。

關(guān)鍵詞：冬春覆蓋作物;近地表風(fēng)速;農(nóng)田土壤風(fēng)蝕;顆粒物特征

中圖分類號(hào)：S157 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.01.020

Effect of Winter and Spring Cover Crops on Soil Wind Erosion and Dust Emission in ?Farmlands of ?Beijing

LI Lin，SHI Yantong，YANG Lin，NIE Zijin

（Beijing ?Agricultural Technology Extension Station，Beijing 100096，China）

Abstract： In order to determine the influence of winter and spring cover crops on soil wind erosion and dust emission in farmland of Beijing， the difference of near-surface wind speed， wind erosion and particulate matter emission in corn stubble fields， honeysuckle fields and winter rapeseed fields in several wind erosion events were comparatively studied by field observation. The results indicated that：（1）The green cover could significantly reduce the wind speed near ?surface（P<0.05）. and the average wind speed in honeysuckle fields was 15.86% lower than that in corn stubble fields.（2）Monthly mean values of soil wind erosion in winter rapeseed fields was ?67.06% lower than that in corn stubble fields. （3）Compared to corn stubble fields， the concentrations of total particulate matter （TSP） and PM10 in honeysuckle fields decreased by 35.18% and 35.12%with significant difference（P<0.05） and PM2.5 concentrations of winter ?rapeseed fields decreased by 11.63% with significant difference（P<0.05）. Therefore， winter and spring cover crops could be promoted to control soli wind erosion and dust emission in farmlands to improve land productivity in Beijing or Northern China.

Key words： winter and spring cover crops; near-surface wind speed; farmland soil wind erosion; particle characteristics

近年來(lái)，多次發(fā)生嚴(yán)重的災(zāi)害性沙塵天氣，給首都市民的生產(chǎn)、生活造成嚴(yán)重影響，引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1-2]。有研究表明，北京大氣沙塵顆粒物既有外來(lái)源，也有本地源，浮塵和塵暴顆粒物以外來(lái)源為主，而揚(yáng)沙顆粒物主要產(chǎn)生于本地源。北京市近50 a的沙塵天氣中，浮塵和沙塵暴分別占20%和9%，其余71%均為揚(yáng)沙?？梢姡本┍镜仫L(fēng)蝕起沙問題也是比較嚴(yán)重，北京周邊農(nóng)田是北京沙塵暴的重要沙源[3-4]。馮曉靜等[5]利用可移動(dòng)野外風(fēng)蝕風(fēng)洞對(duì)北京周邊典型農(nóng)田進(jìn)行了農(nóng)田風(fēng)蝕的研究，考察了耕作制度等因素對(duì)風(fēng)蝕的影響規(guī)律。李曉娜等[6]應(yīng)用風(fēng)蝕圈方法測(cè)定了延慶縣康莊不同土地利用方式下的風(fēng)蝕量，王升堂等[7]利用集沙儀對(duì)玉米留茬地的地表風(fēng)蝕量進(jìn)行了野外觀測(cè)，但以往研究大多局限于保護(hù)性耕作和土地利用方式，也有學(xué)者對(duì)北京冬季覆蓋作物農(nóng)田風(fēng)蝕問題進(jìn)行了研究[8-9]，但是針對(duì)北京農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后發(fā)展起來(lái)的冬季景觀覆蓋作物對(duì)北京市農(nóng)田風(fēng)蝕問題的研究還很不充分，尤其缺乏深入地實(shí)地觀測(cè)。為此，于2019-2020年春季針對(duì)北京主要越冬作物對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響進(jìn)行了研究，以期為北京都市農(nóng)業(yè)發(fā)展提出合理的冬春景觀覆蓋作物依據(jù)。

1 ?材料和方法

1.1 樣地選擇與儀器布設(shè)

研究區(qū)位于順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)人工種草示范區(qū)。京郊農(nóng)田冬春季節(jié)覆蓋作物除冬小麥外，主要以越冬油菜、多年生藥材和花卉為主。本研究選擇冬春季冬油菜地（冬油菜-油葵一年兩熟）和多年生中藥材金銀花地進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，以冬春季玉米根留茬地（一年一熟）作為對(duì)照。每塊觀測(cè)地順著風(fēng)向的方向分別布設(shè)三臺(tái)BSNE固定集沙儀、三臺(tái)便攜式粉塵測(cè)試儀、兩臺(tái)手持氣象站進(jìn)行風(fēng)蝕量、顆粒物濃度、氣象數(shù)據(jù)的觀測(cè)。

1.2 觀測(cè)時(shí)間

選擇該區(qū)域大風(fēng)天氣頻發(fā)的時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為2019年4月10日—2019年4月30日，每5 d收集一次風(fēng)蝕沙粒。每5 d進(jìn)行一次顆粒物濃度的觀測(cè)，每次觀測(cè)歷時(shí)6～8 h，遇到大風(fēng)揚(yáng)塵天氣進(jìn)行加測(cè)，共收集7次風(fēng)蝕量，進(jìn)行7次顆粒物濃度的觀測(cè)。

1.3 觀測(cè)儀器及方法

采用手持氣象站（Kestrel 5500）進(jìn)行氣象要素的觀測(cè)，包括風(fēng)速和風(fēng)向，同步觀測(cè)的還有空氣溫度、空氣相對(duì)濕度等其他氣象要素。將數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1 min，實(shí)現(xiàn)了不同樣地不同觀測(cè)點(diǎn)氣象要素的自動(dòng)同步記錄。風(fēng)速測(cè)量范圍為0.3～30 m，分辨率為 0.1 m·s-1。以2 m高度處風(fēng)速作為野外觀測(cè)風(fēng)速。

地表風(fēng)蝕起沙（塵）收集儀器為BSNE集沙儀，該儀器總高度230 cm，沙塵采集高度 35 cm，65 cm，160 cm，200 cm ，進(jìn)沙口尺寸為2 cm×5 cm，采集效率大于80%。

空氣顆粒物收集儀器為Dustmate顆粒物采集器，能同時(shí)記錄TSP、PM10、PM2.5、PM1。采樣頻率是5 min，以1.5 m高度處顆粒物濃度作為野外觀測(cè)顆粒物濃度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)風(fēng)況特征

利用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載的氣象數(shù)據(jù)，（數(shù)據(jù)時(shí)間尺度為日尺度，數(shù)據(jù)采集時(shí)間段為：2019年4月5日—2019年5月4日，數(shù)據(jù)精度：2 min平均風(fēng)速和2 min平均風(fēng)向）作出2019年 4—5月順義區(qū)風(fēng)速風(fēng)向分布情況如下圖1所示。

研究表明，順義區(qū)2019年4—5月風(fēng)向以偏南風(fēng)為主。24小時(shí)平均風(fēng)速為2.32±0.76 m·s-1，最大風(fēng)速為8.8 m·s-1，出現(xiàn)在2019年4月24日。其中4月上旬日均風(fēng)速為2.33±0.84 m·s-1，日最大風(fēng)速為6.1 m·s-1，中旬日平均風(fēng)速為2.37±0.92 m·s-1，日最大風(fēng)速為8.8 m·s-1，下旬日平均風(fēng)速為2.19±0.91 m·s-1，日最大風(fēng)速為6.7 m·s-1?？梢钥闯?，順義區(qū)2019年4月份風(fēng)速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，4月中旬日均風(fēng)速明顯大于上旬和下旬。

2.2 冬春覆蓋作物對(duì)近地表風(fēng)速的影響

分別于2019年4月10日，4月15日，4月20日，4月25日及4月30日早上8：00—下午18：00對(duì)玉米根留茬地、金銀花地、冬油菜地距地表2 m高度處風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖2所示。研究結(jié)果表明，玉米根留茬地4月日間近地表風(fēng)速為4.35±1.39 m·s-1，金銀花地近地表風(fēng)速為3.66±1.29 m·s-1，冬油菜地近地表平均風(fēng)速為4.01±2.68 m·s-1。冬春季綠色覆蓋能夠降低農(nóng)田近地表風(fēng)速，多年生中藥材金銀花地與玉米根留茬地相比，降低風(fēng)速度15.86%。

2.3 冬春覆蓋作物對(duì)土壤風(fēng)蝕排放的影響

將三個(gè)處理不同時(shí)間段不同高度集沙儀中采集的沙塵樣品稱重分析，結(jié)果如下圖3所示。研究結(jié)果表明，玉米根留茬地月平均輸沙量為0.008 5±0.002 4 g·cm-2，金銀花地月平均輸沙量為0.008 1±0.004 3 g·cm-2，而冬油菜地月平均輸沙量為0.002 8±0.000 7 g·cm-2。冬春覆蓋作物能夠降低土壤風(fēng)蝕排放，冬油菜地風(fēng)蝕量顯著小于玉米留茬地和金銀花地（P<0.05），與玉米根留茬地相比冬油菜地降低土壤風(fēng)蝕排放量67.06%。

2.4 不同冬春覆蓋作物下顆粒物特征分析

2019年4月30日對(duì)各農(nóng)田類型距地表1.5 m高度上的顆粒物濃度動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖4所示。研究結(jié)果表明，玉米根留茬地日均總顆粒物（TSP）排放濃度為71.66 ±23.49 ug·m-3，日均可吸入顆粒物（PM10）排放濃度為30.04±20.12 ug·m-3，日均可入肺顆粒物（PM2.5）排放濃度為2.58 ±0.62 ug·m-3，日均可入肺顆粒物（PM1）排放濃度為0.51±0.26 ug·m-3;金銀花地日均TSP排放濃度為46.45±23.06 ug·m-3，日均PM10排放濃度為19.40±16.53 ug·m-3，日均PM2.5排放濃度為4.67±2.15 ug·m-3，日均PM1排放濃度為1.57±0.19 ug·m-3;油菜地日均TSP排放濃度為55.09±23.09 ug·m-3，日均PM10排放濃度為22.21±12.73 ug·m-3，日均PM2.5排放濃度為2.28±1.63 ug·m-3，日均PM1排放濃度為0.51±0.13 ug·m-3。

對(duì)研究結(jié)果分析可以看出，冬春綠色覆蓋冬油菜和多年生藥材金銀花均能顯著降低TSP和PM10的排放（P<0.05），與玉米根留茬相比金銀花和冬油菜分別降低TSP排放量 35.18%和23.12%，與玉米根留茬相比金銀花和冬油菜分別降低PM10 排放量35.42%和26.07%，差異顯著。

但是，在可入肺顆粒物（PM2.5和PM1）排放方面，與玉米根留茬地相比冬油菜降低了PM2.5排放量11.63%，差異顯著（P<0.05），但沒有降低PM1的排放量;但是與玉米根留茬地相比多年生中藥材金銀花卻增加了排放量，PM2.5和PM1排放量分別增加了81.01%和207.84%。

3 結(jié)論與討論

冬春季綠色覆蓋能夠增加空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，故能有效的削弱地表風(fēng)速，進(jìn)而減少土壤風(fēng)蝕和揚(yáng)塵的發(fā)生[8]，這與前人研究結(jié)果相同。吳珊珊等[8]的研究發(fā)現(xiàn)留茬覆蓋能顯著降低農(nóng)田近地表風(fēng)速，同時(shí)也能改變近地表風(fēng)速隨高度變化的對(duì)數(shù)規(guī)律。而相比冬油菜，多年生中藥材金銀花更能降低近地表風(fēng)速，這可能與測(cè)定時(shí)期金銀花株高（55 cm）比冬油菜高（25 cm）有關(guān)。冬春覆蓋作物能夠降低土壤風(fēng)蝕排放量，這也與前人研究結(jié)果相同[9]。而相比多年生中藥材金銀花，冬油菜更能降低土壤風(fēng)蝕排放量，這可能與測(cè)定時(shí)期冬油菜的覆蓋度高有關(guān)，據(jù)前人研究冬油菜4月份田間覆蓋度可高達(dá)98.3%[10]，而多年生金銀花由于是小灌木，行間距和株距均較大，覆蓋度比冬油菜低。

冬春綠色覆蓋作物與玉米根留茬相比能降低TSP和PM10排放量，這主要與地表覆蓋度相關(guān);但是在可入肺顆粒物（PM2.5和PM1）排放方面，除冬油菜降低了PM2.5排放量外，多年生金銀花反而增加了可入肺顆粒物排放量，這可能與作物生長(zhǎng)、土壤物理性狀等有關(guān)，有待于進(jìn)一步研究。下一步將對(duì)覆蓋量、作物高度等對(duì)土壤風(fēng)蝕揚(yáng)塵產(chǎn)生影響的因子進(jìn)行定量分析，將野外觀測(cè)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究覆蓋措施對(duì)風(fēng)蝕揚(yáng)塵的防治效果及機(jī)制。

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