范清成,王飛,穆興民,劉振東,李銳
(1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,100049,北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,712100,陜西楊凌)
土壤風(fēng)蝕是土地沙漠化過(guò)程的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)[1]。在黃土高原的西部地區(qū)和北部地區(qū)由于氣象條件和土壤狀況等因素的影響,土壤風(fēng)蝕較為嚴(yán)重[2]。黃土高原北部風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)冬春季地表植被覆蓋率低,并且同期風(fēng)速較大,易發(fā)生風(fēng)蝕[3]。許多研究[4-9]表明保護(hù)性耕作措施能夠有效減少風(fēng)蝕,秸稈覆蓋能夠保護(hù)覆蓋區(qū)域免受風(fēng)的吹蝕,而留茬能夠降低近地面風(fēng)速,阻擋沉積風(fēng)蝕物。壟作也能夠減少風(fēng)蝕,壟向、壟高和壟間距等壟作結(jié)構(gòu)影響著土壤風(fēng)蝕速率。筆者采用室內(nèi)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn),研究秸稈覆蓋、留茬和壟作對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響,通過(guò)對(duì)土壤風(fēng)蝕定量分析研究不同保護(hù)性耕作措施的防風(fēng)蝕效應(yīng),并以此為根據(jù)探索有效減少農(nóng)田風(fēng)蝕的方法。
實(shí)驗(yàn)樣品采自黃土高原北部神木縣六道溝流域附近,該區(qū)位于黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū),多年平均降水量437.4 mm,年均溫度8.4℃,無(wú)霜期169 d,盛行風(fēng)向NW,年蒸發(fā)量785.4 mm,屬半干旱氣候。該區(qū)土壤以綿沙土、沙黃土和壩堤淤土為主,主要種植玉米(Zea mays L)、谷子(Setaria italica)和小麥(Triticum aestivum Linn)等作物,種植制度為一年一熟,耕地以旱作坡耕地為主。
實(shí)驗(yàn)土壤樣品為緩坡耕地表耕作層0~20 cm土壤,土壤類型為蓋沙黃土,粒徑 <0.001 mm、0.001~0.05 mm和>0.05 mm分別為15.19%、36.90%和47.91%,風(fēng)干后平均土壤含水量為1.0%左右。
實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞(圖1,省略支架)全長(zhǎng)19 m,分為動(dòng)力段、調(diào)節(jié)段、整流段、實(shí)驗(yàn)段和集沙段。主要截面寬1 m、高1.2 m,風(fēng)機(jī)出口截面直徑1.4 m,通過(guò)配套變頻器(0~50 Hz)調(diào)節(jié)風(fēng)速,風(fēng)速在0~15 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速截面風(fēng)速均勻性良好,σ≤±0.25%(σ為截面任一點(diǎn)氣流速度與氣流平均速度相對(duì)偏差的均方根)。
在實(shí)驗(yàn)段前設(shè)置風(fēng)速儀測(cè)定不同高度的風(fēng)速,在集沙段設(shè)置集沙儀收集不同高度風(fēng)蝕物,并在集沙段末端設(shè)置攔擋裝置收集全沙。實(shí)驗(yàn)風(fēng)速以風(fēng)洞上風(fēng)向高程30 cm處風(fēng)速為基準(zhǔn),分別設(shè)定6、8、10和12 m/s 4種風(fēng)速,每次吹蝕時(shí)間為15 min。
圖1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Wind tunnel structure
將實(shí)驗(yàn)土壤按照野外農(nóng)田耕地密度設(shè)計(jì)稱量并裝入土槽(尺寸為1.25 m×1.00 m×0.12 m),將土槽推入實(shí)驗(yàn)段使土壤表面與風(fēng)洞底部表面持平。模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(表1)包括1個(gè)土壤表面裸露對(duì)照處理(CK)和3種保護(hù)性耕作措施的7個(gè)處理:小麥留茬處理茬高分別為20、10和5 cm,行距15 cm;秸稈覆蓋包括4 210和2 105 kg/hm22種覆蓋量;壟作處理土壟高7 cm,壟間距為35 cm,壟溝比為1∶5,壟向設(shè)置橫壟(壟向和風(fēng)向垂直)和順壟(壟向和風(fēng)向平行)。
表1 不同保護(hù)性耕作措施設(shè)計(jì)Tab.1 Treatments of tests
用15 cm高、5 cm寬的集沙儀收集0~60 cm(0~15、15~30和45~60 cm)高度的風(fēng)蝕物,并在末端擋網(wǎng)下端收集風(fēng)蝕物,在105℃烘箱內(nèi)烘干至質(zhì)量不變,用精度1/100的電子天平稱量,并在土槽上風(fēng)向處安置風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)用Excel和SPSS軟件進(jìn)行處理,分析不同耕作方式的土壤風(fēng)蝕速率及其之間的差異性,擬合風(fēng)蝕速率與風(fēng)速變化曲線方程。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,留茬和秸稈覆蓋都能夠有效減少風(fēng)蝕,而壟作處理時(shí)的風(fēng)蝕速率與壟向和風(fēng)向關(guān)系很大。與CK相比(表2),除T7的平均風(fēng)蝕速率增加外(增幅約為41.26%),其余耕作方式均可以減少風(fēng)蝕速率,其中高覆蓋處理T4減蝕能力最大,平均風(fēng)蝕速率減幅達(dá)到62.78%,T6減蝕能力較小(29.91%),其余處理減蝕能力在38% ~49%之間。當(dāng)壟向與風(fēng)向平行時(shí),土壤風(fēng)蝕加劇,主要可能因?yàn)閴砰g風(fēng)速增加會(huì)吹蝕壟溝以及兩側(cè)的松散土壤,而當(dāng)風(fēng)向垂直于壟向時(shí),近地面風(fēng)速會(huì)因?yàn)閴诺拇嬖诙档?,從而降低風(fēng)蝕速率。
不同風(fēng)速對(duì)各耕作方式下土壤侵蝕的程度不同(表2),風(fēng)速為6 m/s時(shí)T1~T7的風(fēng)蝕速率差異不大,其中T6風(fēng)蝕速率較小與其他處理差異較大,主要是因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)速較小,土壤風(fēng)蝕能量也較小,因此,各個(gè)處理間土壤風(fēng)蝕速率差異不明顯,而壟作能夠起到阻擋作用有效地減少風(fēng)蝕。風(fēng)速大于8 m/s時(shí)不同處理方式間的風(fēng)蝕速率差異變大,如當(dāng)風(fēng)速為8 m/s時(shí)T5的風(fēng)蝕速率小于T2和T3,但當(dāng)風(fēng)速大于10 m/s時(shí)T5風(fēng)蝕速率與T2、T3差異減小,反映出風(fēng)蝕的復(fù)雜特點(diǎn)。
表2 不同耕作方式下的土壤風(fēng)蝕速率Tab.2 Wind erosion rates of different tillage and wind speeds
國(guó)內(nèi)外許多風(fēng)蝕風(fēng)洞研究[5-9]表明風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈現(xiàn)非線性相關(guān),本文通過(guò)SPSS軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)不同耕作方式下土壤風(fēng)蝕速率(Q)和風(fēng)速(v)進(jìn)行曲線模擬(表3),由于實(shí)驗(yàn)條件的差異,CK風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈顯著性線性相關(guān),R2達(dá)到0.98。其他耕作方式下的土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速都呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系,R2都大于0.9,呈顯著相關(guān)。
表3 風(fēng)蝕速率(Q)與風(fēng)速(v)擬合曲線方程Tab.3 Curve-fitting equation between wind erosion rate and wind velocity
2.3.1 與留茬高度的關(guān)系 相同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕速率隨著留茬高度的升高而降低(圖2),在風(fēng)速小于10 m/s時(shí)留茬高度5 cm與留茬高度10 cm的風(fēng)蝕速率相差不大,留茬高度達(dá)到20 cm時(shí)風(fēng)蝕速率明顯降低,此時(shí)留茬減少土壤風(fēng)蝕的效果最好。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12 m/s時(shí),留茬高度20 cm的風(fēng)蝕速率略微較高,這可能是由于大風(fēng)作用秸稈發(fā)生傾斜使阻擋作用降低,但總體上風(fēng)蝕速率隨著茬高的增加還是呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。
圖2 不同留茬高度與土壤風(fēng)蝕速率Fig.2 Wind erosion rates with stubble heights
2.3.2 與秸稈覆蓋量的關(guān)系 不同秸稈覆蓋量下的土壤風(fēng)蝕速率研究結(jié)果(圖3)表明:在相同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕速率隨著秸稈覆蓋量的增加而降低。風(fēng)速小于8 m/s,秸稈覆蓋量大于2 105 kg/hm2時(shí)土壤風(fēng)蝕速率幾乎為0。當(dāng)覆蓋量達(dá)到4 210 kg/hm2時(shí),
風(fēng)速小于12 m/s時(shí)防風(fēng)效果顯著。
圖3 不同秸稈覆蓋量與土壤風(fēng)蝕速率Fig.3 Wind erosion rates with mulching weights
2.3.3 與壟向之間的關(guān)系 壟向與風(fēng)向的角度影響著風(fēng)蝕速率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明壟向與風(fēng)向垂直可以有效的減少風(fēng)蝕,壟向與風(fēng)向平行則加劇風(fēng)蝕作用的發(fā)生。風(fēng)速≤8 m/s時(shí)順壟(壟向與風(fēng)向平行)的風(fēng)蝕速率與CK相差不大,大于8 m/s時(shí)風(fēng)蝕速率則明顯大于CK。而風(fēng)速達(dá)到12 m/s時(shí),橫壟(壟向與風(fēng)向垂直)的風(fēng)蝕速率與CK相差不大,可能是由于大風(fēng)作用破壞土壟從而加劇風(fēng)蝕。
通過(guò)不同風(fēng)速下不同耕作方式0~60 cm高度范圍內(nèi)輸沙量的觀測(cè)結(jié)果(表4)分析,風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)蝕風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)在以下4方面。
圖4 不同壟向與土壤風(fēng)蝕速率Fig.4 Wind erosion rates in various ridge direction
表4 不同耕作方式和風(fēng)速下輸沙量垂直分布特征Tab.4 Sand discharges of different heights from 0 to 60 cm of each tillage
1)同一風(fēng)速下,T1~T5處理的0~60 cm總輸沙量均小于CK,T4的總輸沙量最小,其次是T5,T1~T3之間的總輸沙量差異不大。T6和T7在風(fēng)速≥10 m/s時(shí)0~60 cm總輸沙量大于CK。
2)各個(gè)處理的風(fēng)蝕輸沙量主要集中在0~15 cm高度,其中T6(橫壟)45~60 cm的輸沙量所占比例較高,可能是由于壟向與風(fēng)向垂直而起到抬升的作用,使得風(fēng)蝕物質(zhì)也隨之抬升。
3)隨著風(fēng)速的增加,0~15 cm高度的輸沙量比例逐漸升高,45~60 cm高度的輸沙量比例降低,說(shuō)明近地表輸沙強(qiáng)度增加。
4)留茬處理方式0~15 cm高度輸沙量比例隨著留茬高度的降低而減少,15~30 cm輸沙量比例則隨著留茬高度的降低而增加。秸稈覆蓋下0~15 cm輸沙量比例隨著覆蓋量的增加而降低;但由于秸稈覆蓋下的總輸沙量較小,因此,防風(fēng)蝕效果較好。壟作不同高度的輸沙量比例因壟向與風(fēng)向的角度不同而差異很大,T7(順壟)輸沙量高度分布與CK一致,T6(橫壟)輸沙量高度分布與之相反。
1)不同保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤風(fēng)蝕防治效果不同。留茬和秸稈覆蓋與裸土對(duì)照相比均能減少土壤風(fēng)蝕,壟作防風(fēng)蝕效應(yīng)則受到壟向的影響,壟向與風(fēng)向垂直能夠減少風(fēng)蝕,壟向與風(fēng)向平行則加劇風(fēng)蝕。相同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕速率隨著留茬高度的升高而降低,隨著秸稈覆蓋量的增加而降低。橫壟在低風(fēng)速下能夠減少風(fēng)蝕,當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)阻擋效果并不明顯。
不同保護(hù)性耕作下的土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈現(xiàn)顯著性冪函數(shù)關(guān)系,裸土對(duì)照則呈現(xiàn)顯著性線性相關(guān)。
2)秸稈覆蓋和留茬處理0~60 cm總輸沙量小于壟作和裸土對(duì)照。壟作在風(fēng)速較低時(shí)總輸沙量小于裸土對(duì)照,風(fēng)速較高時(shí)輸沙量則大于裸土對(duì)照。橫壟輸沙量主要集中在45~60 cm高度,而其他處理方式的輸沙量主要集中在0~15 cm。0~15 cm高度的輸沙量比例隨著風(fēng)速的增加而升高。
綜上所述,秸稈覆蓋和留茬都能夠有效減少風(fēng)蝕危害,而壟作則可以在低風(fēng)速條件下有效地防治風(fēng)蝕,同時(shí)壟向要根據(jù)當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向進(jìn)行選擇。本研究中留茬高度20 cm防治風(fēng)蝕效果較好,但秸稈不宜過(guò)高,會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不便。秸稈覆蓋量越大對(duì)風(fēng)蝕防治效果越好,但風(fēng)速越大覆蓋的秸稈會(huì)產(chǎn)生損失;因此,秸稈覆蓋應(yīng)與留茬結(jié)合使用,可以更有效的防治風(fēng)蝕。
以上結(jié)論基于室內(nèi)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn),還應(yīng)該結(jié)合野外田間風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行一步研究。
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