油莎豆（Cyperus esculentus）耕作區(qū)作物殘茬對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響

譚 錦， 吳秀芹， 阮永健， 張 歡， 馮夢馨， 莎日娜

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，寧夏 鹽池 751500）

土壤風(fēng)蝕是我國干旱與半干旱地區(qū)風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)力下降的主要影響因素，每年多達(dá)9.1×107hm2的農(nóng)田因此而棄耕［1］。土壤風(fēng)蝕不僅會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，使土壤質(zhì)地粗化，還導(dǎo)致土壤肥力下降，可持續(xù)生產(chǎn)力降低［2-3］。因此，許多學(xué)者對(duì)如何抑制農(nóng)田風(fēng)蝕，以保護(hù)農(nóng)田生產(chǎn)力進(jìn)行了深入研究。這些研究表明，殘茬覆蓋、留茬、免耕等保護(hù)性耕作措施能夠有效降低風(fēng)速，截留沙粒，消耗風(fēng)能，提高土壤抗蝕性，保護(hù)農(nóng)田土壤［4-6］。Gao 等［7］對(duì)內(nèi)蒙古奈曼旗的農(nóng)田風(fēng)蝕監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，留茬保護(hù)性耕作農(nóng)田的土壤風(fēng)蝕量顯著低于傳統(tǒng)耕作農(nóng)田；楊彩紅等［8］對(duì)比了保護(hù)性耕作和傳統(tǒng)耕作2種模式下的輸沙量，發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作的風(fēng)蝕量明顯低于傳統(tǒng)耕作；Pi 等［9］以美國西北地區(qū)的土壤和常見作物為研究對(duì)象進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)作物殘茬覆蓋對(duì)土壤表面提供了不同程度的保護(hù)，減輕了風(fēng)蝕?？梢?，在風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田進(jìn)行耕作時(shí)，可以采用多種耕作措施和留茬覆蓋措施，以達(dá)到減輕土壤風(fēng)蝕目的。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處我國干旱與半干旱區(qū)，囊括了八大沙漠中的4個(gè)及其全部沙地。干燥、少雨、風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈的惡劣環(huán)境，嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展［10］。習(xí)近平主席在內(nèi)蒙古考察時(shí)指出，對(duì)于內(nèi)蒙古生態(tài)和農(nóng)業(yè)發(fā)展，要探索出一條符合戰(zhàn)略定位、體現(xiàn)內(nèi)蒙古特色，以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導(dǎo)向的高質(zhì)量發(fā)展新路子［11］。在全球氣候變化及經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)急需探索一條新路子以適應(yīng)復(fù)雜多變的氣候。內(nèi)蒙古種植的主要傳統(tǒng)作物，包括小麥（Triticum sativum）、玉米（Zea mays）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）、大豆（Glycine max）及向日葵（Helianthus annuus）等，已不能完全滿足科技化、生態(tài)化的種植結(jié)構(gòu)［12-14］。被農(nóng)業(yè)部認(rèn)定為無公害有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的油莎豆（Cyperus esculentus）（公告2012 年第2 號(hào)），不但具有耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，還可以從中提取優(yōu)質(zhì)的植物油［15］。所以，油莎豆適合在沙區(qū)進(jìn)行種植，并且能夠起到減輕土地壓力，改善環(huán)境作用，具有巨大的開發(fā)潛能，其也因此被科技部納入《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016—2020 年）》［16-17］。2019 年內(nèi)蒙古自治區(qū)與科技部啟動(dòng)實(shí)施了“科技興蒙”行動(dòng)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)是行動(dòng)中非常重要的一環(huán)，油莎豆的推廣種植及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的研究則是實(shí)現(xiàn)生態(tài)產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)生態(tài)化的重要舉措［18］。

油莎豆的主要經(jīng)濟(jì)來源是其地下塊莖，若以獲取經(jīng)濟(jì)收益為主進(jìn)行種植，采收時(shí)勢必會(huì)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行擾動(dòng)，致使農(nóng)田的土壤裸露，風(fēng)蝕危害大大增加。而若以防治風(fēng)蝕為主，過多的留茬必然會(huì)浪費(fèi)油莎豆豐富的油脂資源。目前已有學(xué)者提出一些油莎豆的種植和采收方式來增強(qiáng)其防風(fēng)固沙效益，包括帶狀間隔留茬、間輪作和立體種植等［19］，但是這些模式的防風(fēng)固沙效益到底能達(dá)到何種程度還不是非常明確。本研究以內(nèi)蒙古磴口縣烏蘭布和農(nóng)場種植的油莎豆為研究對(duì)象，旨在明確油莎豆不同留茬模式對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響，為該地油莎豆種植區(qū)的土壤風(fēng)蝕防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和農(nóng)場油莎豆種植示范區(qū)，歸屬于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市磴口縣，地理坐標(biāo)介于106°33′28″～106°34′19″E，40°27′32″～40°27′44″N 之間（圖1）。該地氣候?yàn)闇貛Т箨懶詺夂颍涤晗∩?，晝夜溫差大，但光熱源豐富，無霜期長。年平均降水量僅有139.2 mm，且主要集中在7—8 月，年平均蒸發(fā)2387.6 mm，年平均氣溫7.5 ℃，最高氣溫35.5 ℃，最低氣溫-23.7 ℃，全年日照時(shí)數(shù)3263 h，6月甚至能夠達(dá)到319.3 h，無霜期可達(dá)130 d［20-21］。自然植被以灌木為主，包括白刺（Nitraria tangutorum）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）、梭梭（Haloxy-lon ammodendron）、沙拐棗（Calligonum mongolicum）等，還包括沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、蘆葦（Phragmites australis）、甘草（Glycyrrhiza uralensis）等草本。土壤以風(fēng)沙土為主，局部地區(qū)還分布灰漠土、灌淤土［22］。

圖1 油莎豆種植示范區(qū)Fig.1 Demonstration area of Cyperus esculentus planting

2 材料與方法

2.1 作物殘茬類型

油莎豆種植示范區(qū)以條播種植方法為主，每壟2排油莎豆，平均寬度約為0.7 m。由于不同地表特征的殘茬防風(fēng)固沙能力不同［23］，加之使用的自走式油莎豆收割一體機(jī)（專利號(hào)：CN201811584002.4）以3壟為單位進(jìn)行采收，結(jié)合示范區(qū)實(shí)際情況，示范區(qū)作物殘茬類型主要分為以下3 種（圖2b～d）：油莎豆純作留4 壟采收6 壟（留4 采6）；油莎豆純作留6 壟采收6壟（留6采6）；及油莎豆與梭梭的間作未采收（1 壟油莎豆搭配1 排梭梭進(jìn)行間作，油莎豆和梭梭均不采收），調(diào)查時(shí)梭梭已枯萎且周圍長滿了以沙蓬為主的自然植被。前2種殘茬類型的油莎豆為東—西走向，間作未采收的油莎豆為南—北走向。同時(shí)，對(duì)全采收的裸耕地進(jìn)行風(fēng)蝕監(jiān)測以作對(duì)照（圖2a）。不同留茬地表特征參數(shù)見表1，土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表1 不同殘茬類型地表特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of different residue types

表2 土壤基本理化性質(zhì)Tab.2 Soil basic physical and chemical properties

圖2 殘茬類型示意圖及集沙儀布設(shè)Fig.2 Schematic diagram of residue types and layout of sand collectors

2.2 輸沙通量及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

在全采收地塊和不同殘茬類型的地塊中布設(shè)集沙儀進(jìn)行輸沙通量的測定。集沙儀類型為組合式多通道集沙儀，共16 個(gè)梯度，分別為0～3 cm、3～6 cm、6～9 cm、…、39～42 cm、42～45 cm、45～48 cm，各通道進(jìn)口寬1.5 cm，高3.0 cm，通道長度為20.0 cm（圖2e）。為能夠充分利用7 個(gè)集沙儀，并且使3 種殘茬類型中的集沙儀在大致相同的距離（以迎風(fēng)距離最短的間作來參照確定）內(nèi)能夠同時(shí)集沙，將1個(gè)集沙儀布設(shè)在全采收地塊作為參照，另外6 個(gè)布設(shè)在3 種不同殘茬類型的地表，每種類型布設(shè)2 個(gè)集沙儀，具體布設(shè)位置及集沙儀編號(hào)見圖2a～d。為能夠收集足夠稱量的沙，根據(jù)風(fēng)力大小，風(fēng)向是否能長時(shí)間穩(wěn)定及地表起沙起塵強(qiáng)度確定集沙時(shí)長，風(fēng)速以該段時(shí)間內(nèi)200 cm高度的平均風(fēng)速進(jìn)行記錄，監(jiān)測日期、主風(fēng)向及平均風(fēng)速見表3。所采集的樣品采用萬分之一精度電子秤進(jìn)行稱量，并計(jì)算不同高度的輸沙通量和總集沙通量，計(jì)算公式如下［24］：

表3 不同監(jiān)測時(shí)段的平均風(fēng)速和風(fēng)向Tab.3 Average wind speed and direction in different monitoring periods

式中：Qk為第k個(gè)梯度輸沙通量（g·cm-2·h-1）；Q總為總輸沙通量（g·cm-2·h-1）；W為集沙量（g）；S為通道口橫截面積（cm-2）；ΔT為集沙時(shí)間（h）。

2.3 近地表風(fēng)場特征

在不同殘茬類型的地塊采用手持風(fēng)速儀（Smart AS8336）測定風(fēng)速廓線，測量高度分為6 層，即5 cm、25 cm、50 cm、100 cm、150 cm和200 cm。在全采收地塊中，為滿足邊界層充分發(fā)育所需條件，需要保證風(fēng)速儀所處位置周圍50 m以內(nèi)沒有作物［25］。風(fēng)速測定頻率為1/60 Hz，選取某5 min 內(nèi)200 cm 高度的平均風(fēng)速達(dá)到5 m·s-1時(shí)的風(fēng)速梯度繪制風(fēng)速廓線。3種不同殘茬類型的風(fēng)速測定位置距離集沙儀2 m，集沙儀與風(fēng)速測定位置連線與油莎豆種植方向平行，位置標(biāo)記字母數(shù)字同集沙儀記號(hào)。

為深刻了解地表對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)的影響，基于風(fēng)速廓線對(duì)地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻速度進(jìn)行計(jì)算，粗糙度和摩阻速度越大表明地表削減風(fēng)速作用越強(qiáng)，其計(jì)算公式如下（公式3為風(fēng)速與高度對(duì)數(shù)的回歸模擬方程）［26］：

式中：uz為高度為z處的風(fēng)速（m·s-1）；a、b為回歸系數(shù)；k為馮·卡曼常數(shù)，取0.4；z0為空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度（cm）；u*為摩阻速度（m·s-1）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同殘茬類型總輸沙通量差異

4 次不同時(shí)段的監(jiān)測中，間作未采收總輸沙通量均為最小，且顯著小于留4采6和留6采6的輸沙通量（P<0.05）。留4 采6 總輸沙通量在第1 次監(jiān)測中小于留6采6（圖3a），而后3次監(jiān)測的總輸沙通量均大于間作未采收和留6采6，甚至后2次監(jiān)測超過全采收（圖3b～d）。留6 采6 除了第1 次監(jiān)測總輸沙通量大于間作未采收和留4采6外，其他3次數(shù)值均在兩者之間（圖3）。

間作未采收和留6 采6 在4 次監(jiān)測中第1 集沙儀的總輸沙通量總是大于第2 集沙儀的總輸沙通量，表明在這2 種模式下多帶殘茬能夠較好的阻擋外來風(fēng)沙。留4 采6 的總輸沙通量僅在前2 次監(jiān)測表現(xiàn)為該趨勢（圖3a～b），后2 次的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明留4 采6 已喪失防風(fēng)固沙能力（圖3c～d）?？傮w來看，間作未采收的殘茬類型較其他2種殘茬類型表現(xiàn)出更好的阻沙能力。

圖3 不同留茬模式下總輸沙通量Fig.3 Total sand flux under different stubble retention modes

3.2 不同殘茬類型風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)差異

不同殘茬類型的風(fēng)沙流特征如圖4所示。全采收沙塵輸移高度集中在12～15 cm以下，間作未采收的集中在6 cm以下，留4采6在前2次監(jiān)測中沙塵輸移高度主要集中在12 cm 以下（圖4a～b），而后2 次監(jiān)測中12 cm以下的輸沙通量近似甚至遠(yuǎn)超全采收相同高度下的輸沙通量（圖4c～d），留6 采6 模式輸沙通量則基本集中在9 cm 以下。結(jié)果表明間作未采收沙塵輸移高度最低，較于其他模式有更好的固沙效果，留6 采6 沙塵輸移高度較間作未采收高但是較留4采6低，而留4采6的沙塵輸移高度最高。

從不同輸沙高度的輸沙通量來看，在4 次監(jiān)測中，間作未采收中J2集沙儀各高度的輸沙通量均小于J1集沙儀，留6采6中L2集沙儀各高度的輸沙通量則小于或接近于L1集沙儀。留4采6中僅在前2次監(jiān)測表現(xiàn)出C2 集沙儀各高度的輸沙通量小于或接近于C1集沙儀（圖4a～b），后2次監(jiān)測甚至表現(xiàn)出C2集沙儀大于C1集沙儀的結(jié)果（圖4c～d）。

圖4 不同殘茬類型下風(fēng)沙流特征Fig.4 Characteristics of wind-sand flow under different residue types modes

從輸沙通量與高度最優(yōu)擬合的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)（表4），間作未采收J(rèn)1 集沙儀中輸沙通量與高度擬合關(guān)系均呈指數(shù)函數(shù)，J2集沙儀中輸沙通量與高度擬合關(guān)系均呈冪函數(shù)。其他殘茬類型中各個(gè)位置的輸沙通量與高度的擬合關(guān)系隨時(shí)間推移表現(xiàn)出不規(guī)律的變化。通常若沙粒運(yùn)動(dòng)集中于地面表層，輸沙通量隨高度變化更趨向于冪函數(shù)，隨著躍移沙粒含量的增加，輸沙通量隨高度變化逐漸趨向于指函數(shù)［27-29］。結(jié)果表明間作未采收相較于其他殘茬類型能夠在休耕期持續(xù)減少躍移沙粒的數(shù)量。

表4 不同殘茬類型輸沙通量（Q）與高度（H）擬合關(guān)系式Tab.4 Optimal fitting relations between sand flux and height under different residue types

3.3 近地表風(fēng)場特征

為更深入了解不同模式經(jīng)歷長久的風(fēng)沙蝕積過程后是否還具備削弱風(fēng)速能力，于2021 年3 月4日，對(duì)不同殘茬類型不同高度的風(fēng)速進(jìn)行測定，繪制風(fēng)速廓線并計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻速度。從風(fēng)速廓線（圖5）可知，風(fēng)速隨高度增加而增加，風(fēng)速與高度的對(duì)數(shù)呈線性相關(guān)（P<0.05）。空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻速度結(jié)果（表5）均表現(xiàn)為間作未采收最大，留6 采6 模式次之，留4 采6 和全采收模式最小。其中全采收模式和留4采6的粗糙度幾乎為0。間作未采收和留6采6中J2和L2集沙儀處的粗糙度和摩阻速度分別大于J1和L1集沙儀的，表明在觀測距離內(nèi)，這2 種模式中多條防護(hù)帶能夠?qū)︼L(fēng)能進(jìn)行持續(xù)削弱。

表5 2021年3月4日不同殘茬類型空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度及摩阻速度Tab.5 Aerodynamic roughness and friction velocity under different residue types on March 4,2021

圖5 2021年3月4日不同殘茬類型風(fēng)速廓線Fig.5 Wind velocity profile under different residue types on March 4,2021

4 討 論

4.1 作物殘茬的防風(fēng)作用

通過作物殘茬來對(duì)近地表風(fēng)速進(jìn)行削弱是保護(hù)性耕作的主要目的之一。氣流在通過障礙物時(shí)，可以分為遇阻抬升區(qū)、集流加速區(qū)、減速沉降區(qū)和消散恢復(fù)區(qū)4 個(gè)功能分區(qū)［30］，增加減速沉降區(qū)和減少消散恢復(fù)區(qū)是削弱近地表風(fēng)速的關(guān)鍵。間作未采收中的油莎豆和梭梭的殘茬形成高低穿插的防護(hù)體系，相較于其他殘茬類型，可以較好的防止消散恢復(fù)區(qū)的擴(kuò)大，并且存在更長更高的減速沉降區(qū)。其空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度遠(yuǎn)大于其他2 種殘茬類型，且其J2集沙儀處的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度是J1集沙儀處的2 倍，說明直立植物對(duì)風(fēng)速的逐層削減具有重要的作用，這在之前的研究中已被多次證明［31-32］。

留4 采6 和留6 采6 可能并不能使減速沉降區(qū)完全覆蓋住帶間裸露地。前人的研究表明，風(fēng)的剪

應(yīng)力恢復(fù)距離為粗糙元高度的4.8～10.0 倍［33］，所以即使在油莎豆殘茬高度最高的時(shí)候，風(fēng)的剪應(yīng)力也會(huì)在2種殘茬類型帶間地的某處恢復(fù)。一旦超過顆粒起動(dòng)的臨界風(fēng)速，新一輪的風(fēng)沙流形成，再次遭遇下一條殘茬帶時(shí)便會(huì)發(fā)生沉積。隨著沉積沙粒的累積，殘茬帶中開始產(chǎn)生沙埋，進(jìn)而降低殘茬的高度和蓋度，這也是留4 采6 較早損失防風(fēng)能力的重要原因，其空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度已基本為0［34］。前人的研究結(jié)果也同樣表明了高度和蓋度低的殘茬削風(fēng)效果相對(duì)較差［23,33］。因此，單一的寬條帶式油莎豆殘茬削減風(fēng)速的作用不如高低穿插搭配的作物殘茬。

4.2 作物殘茬結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)蝕的影響

從總輸沙通量和風(fēng)沙流特征來看，隨著時(shí)間的推移，具有更寬殘茬帶的留6采6較于留4采6表現(xiàn)出更好的固沙作用，這與蔡福等［35］對(duì)帶寬與風(fēng)蝕量關(guān)系的研究結(jié)果表現(xiàn)一致。但是僅僅只考慮殘茬的寬度是不夠的，土壤風(fēng)蝕的過程是風(fēng)蝕和風(fēng)積的機(jī)械疊加，能否使殘茬在漫長的休耕期保持足夠的高度和蓋度也是至關(guān)重要的［36］。間作未采收中，作為直立植物的梭梭和草本植物的油莎豆高低搭配，加之帶間距相對(duì)更窄，具有良好的屏蔽功能，不僅能沉降外來風(fēng)沙，同時(shí)也能夠抑制帶間起沙。間作未采收的固沙優(yōu)勢從總輸沙通量和各高度的輸沙通量小于其他2 種殘茬類型的可以看出，有研究也表明了合適的帶間距和殘茬高度對(duì)風(fēng)蝕具有重要的抑制作用［37-38］。同時(shí)，不可忽視的一點(diǎn)是，在梭梭林帶下出現(xiàn)了以沙蓬為優(yōu)勢種的自然植被群落，調(diào)查發(fā)現(xiàn)某些梭梭帶下自然植被的覆蓋度甚至能達(dá)到5%以上，這對(duì)于抑制帶間地的沙粒起動(dòng)有非常大的幫助。這種帶間地出現(xiàn)自然植被的現(xiàn)象也在之前的研究中出現(xiàn)，其發(fā)現(xiàn)合適的帶間距能夠幫助自然植被定居，加強(qiáng)區(qū)防風(fēng)固沙效果［39-40］。所以，選擇合適的采收間距及搭配合適的直立植物進(jìn)行間作，會(huì)有益于在油莎豆采收后漫長的休耕期更好地減輕農(nóng)田風(fēng)蝕。

5 結(jié)論

（1）在油莎豆耕作區(qū)休耕期中，間作未采收模式防風(fēng)固沙效能最為突出，其更強(qiáng)地削弱了近地表風(fēng)速，具有更穩(wěn)定持久的固沙作用。油莎豆種植可以考慮選擇合適的采收間距及搭配合適的直立植物進(jìn)行間作，以在油莎豆采收后漫長的休耕期通過留茬來減輕風(fēng)蝕，保護(hù)農(nóng)田。

（2）留6采6雖然具有削風(fēng)的能力，并能夠減少一定的輸沙通量，但是防風(fēng)固沙作用不如間作未采收。留4 采6 則會(huì)過早的損失防風(fēng)固沙能力，不足以達(dá)到控制整個(gè)休耕期農(nóng)田風(fēng)蝕的目的?？傮w而言，單一的寬條帶式油莎豆殘茬削減風(fēng)速的作用不如高低穿插搭配的作物殘茬。

（3）殘茬保留時(shí)間長，防風(fēng)固沙效果穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)搭配合適的殘茬類型是減輕土壤風(fēng)蝕的關(guān)鍵措施之一，這對(duì)于干旱區(qū)農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展有重要作用。