劉振東，王飛，2?，趙云，嚴(yán)麗

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

對土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象和保護(hù)性耕作措施的關(guān)注和研 究自19 世紀(jì)30 年代發(fā)生在美國西部“黑風(fēng)暴”起，已經(jīng)有80 余年了，其中國內(nèi)外關(guān)于各種保護(hù)性措施對土壤風(fēng)蝕、土壤理化性狀以及作物產(chǎn)量等影響的室外大田研究或者室內(nèi)模擬研究都已有所展開和深入［1－7］，通過對風(fēng)蝕治理的前后狀況進(jìn)行對比，不難看出，對風(fēng)蝕重視和治理不僅有利于農(nóng)田的可持續(xù)生產(chǎn)力的維護(hù)和保持，而且有利于環(huán)境狀況(水體、大氣等)的改善。

這些年來，眾多學(xué)者在不同廣度和深度上對土壤風(fēng)蝕進(jìn)行了研究，認(rèn)為各種保護(hù)性耕作措施在不同程度上都能起到抑制風(fēng)蝕的作用［8－10］;但是之前的研究大都基于單一的保護(hù)性措施防風(fēng)蝕效益研究，如單一留茬措施的防風(fēng)蝕效果研究，或是單一覆蓋措施的防風(fēng)蝕效果研究等，對2 種保護(hù)性措施的綜合防風(fēng)蝕效益研究相對較少。該試驗(yàn)通過室內(nèi)風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，模擬不同覆蓋物的覆蓋措施以及覆蓋與作物直立留茬組合措施的防風(fēng)蝕效果，通過測定風(fēng)蝕發(fā)生過程中風(fēng)蝕量、抗風(fēng)蝕效率與覆蓋度、風(fēng)速以及留茬密度和高度的關(guān)系，達(dá)到探索礫石覆蓋和秸稈覆蓋以及覆蓋與留茬組合措施對旱作農(nóng)田的防風(fēng)蝕效果的目的，探討更多樣的農(nóng)田防風(fēng)蝕措施的抗風(fēng)蝕效果，從而為防治旱作地區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕采取更為合理適宜的防護(hù)措施提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣采集

該模擬試驗(yàn)所用土樣采自延安市安塞縣境內(nèi)的馬家溝流域水土流失治理研究區(qū)附近。土樣采取的是0 ～20 cm 深度范圍內(nèi)的土壤耕層。采樣點(diǎn)所屬地區(qū)——安塞縣地處西北黃土高原腹地，地形地貌是典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地理位置為E108°51'～109°26'，N36°31'～37°19'，南北跨幅92 km，東西跨幅36 km。安塞縣屬于典型的大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年日照時(shí)間2 415.5 h，無霜期160 ～180 d，輻射總量480.06 kJ/cm2，年均溫8.8 ℃，年均降水量500 mm 左右，年蒸發(fā)量是年均降水量的3 倍有余。根據(jù)土壤種類劃分，該地區(qū)總面積95%左右的土壤種類為黃綿土，根據(jù)土壤質(zhì)地(國際制土壤質(zhì)地分類)劃分，該地區(qū)的土壤屬于粉砂質(zhì)壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

模擬試驗(yàn)是在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所的室內(nèi)風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞全長24 m，主要由風(fēng)機(jī)段、調(diào)風(fēng)段、整流段、試驗(yàn)段、收集段和導(dǎo)流段等6 部分組成，其中實(shí)驗(yàn)段截面為1.2 m×1.0 m，其他各組段尺寸見圖1。該風(fēng)洞風(fēng)速為0 ～20 m/s 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。風(fēng)洞內(nèi)氣流的均勻性系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)在不同的擾流器(位于調(diào)風(fēng)段)組合下有所差異。在該試驗(yàn)所采用的擾流器組合情況下，穩(wěn)定系數(shù)和均勻性系數(shù)分別為0.25%和0.09%，符合相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)要求［11］。

將野外采集土樣進(jìn)行風(fēng)干并過0.5 mm 篩以備填裝土槽所用，粒徑＜0.001、0.001 ～0.005、0.005 ～0.01、0.01 ～0.05、0.05 ～0.25 和0.25 ～1 mm 分別占總量的9.4%、3.1%、4.2%、60.6%、22.57%和0.13%。風(fēng)干后土樣含水量為2%左右。土槽的長寬深分別為125、100 和12.5 cm。填裝好的土槽推進(jìn)風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段后統(tǒng)一進(jìn)行10 min 的吹蝕。為方便試驗(yàn)，所采用的風(fēng)速檔為控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的通用變頻器的4 個(gè)額定頻率，即25、32、39 和45 Hz，分別對應(yīng)8.0、10.1、12.5 和14.3 m/s。

圖1 室內(nèi)風(fēng)蝕風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of indoor wind erosion tunnel

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集

模擬試驗(yàn)進(jìn)行了不同的保護(hù)性措施處理:不同覆蓋度的秸稈覆蓋處理(30%、60%、90%);不同覆蓋度的礫石覆蓋處理(30%、60%、90%，即990、1 980和2 970 kg/hm23 種覆蓋量);不同高度留茬(30、20、10 cm)分別與30%覆蓋度的秸稈和礫石覆蓋組合處理。為方便描述，這里設(shè)定了各種處理的縮寫，見表1。

表1 各種試驗(yàn)處理的縮寫Tab.1 Abbreviation of all treatment

每次吹蝕采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括0 ～62 cm 高度內(nèi)5 層集沙儀收集的風(fēng)蝕物量，集沙儀間距為3 cm，各層高度依次為0 ～10、13 ～23、26 ～36、39 ～49 和52 ～62 cm;利用位于集沙段末端的尾沙收集裝置收集每次吹蝕的全沙量。集沙儀的收集量用精度為0.001 的電子天平稱量，全沙量用精度為0.01 的電子天平稱量。測取風(fēng)速的風(fēng)速儀型號為衡欣AZ8912，其測量范圍為0.3 ～35 m/s，解析度為0.1，準(zhǔn)確度為±5%，葉輪直徑為70 mm。風(fēng)速值的確定方式為用位于試驗(yàn)段前端20 cm，高度20 cm 的1 個(gè)葉輪式風(fēng)速儀等間距測取裸土處理情況下垂直風(fēng)向上橫向的8 個(gè)測點(diǎn)的風(fēng)速值的均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各種處理下的土壤風(fēng)蝕情況

通過試驗(yàn)?zāi)M，表明各種保護(hù)性措施都在不同程度上對風(fēng)蝕量有有效的抑制作用［12］，其方法或是直接地增加空氣動(dòng)力學(xué)的地表粗糙度，或是隔離開相互作用的氣流和土壤表層，達(dá)到減少二者的作用面積?？傊?，隨著對風(fēng)速的抑制作用與對土壤顆粒保護(hù)強(qiáng)度的增加，土壤顆?？梢垣@得的動(dòng)能逐漸減少，風(fēng)蝕量也就隨之減少。

在8.0 m/s 的風(fēng)速條件下，所有處理的抗風(fēng)蝕效率曲線的波動(dòng)性較其他3 個(gè)風(fēng)速檔下的抗風(fēng)蝕效率曲線更為突出并靠下(圖2)，且小于相應(yīng)的抗風(fēng)蝕效率值(平均減蝕率)。其他3 個(gè)風(fēng)速檔上各種處理的抗風(fēng)蝕率較為一致，其值也都在8.0 m/s 時(shí)各對應(yīng)值的上方。也就是說，所有的12 種設(shè)定處理在8.0 ～10.1 m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)的抗風(fēng)蝕率各有優(yōu)差，在10.1 ～14.3 m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)的抗風(fēng)蝕效率趨于一致，且變化幅度都小于前者，隨著風(fēng)速的增加，保護(hù)性措施的抗風(fēng)蝕效率的增加量趨于穩(wěn)定，并沒有隨著風(fēng)速值的增加呈現(xiàn)出相同幅度的增加。這里的抗風(fēng)蝕效率指的是設(shè)定處理的風(fēng)蝕量和相同情況下對照組(參照處理)的風(fēng)蝕量的差值所占對照組風(fēng)蝕量的比例，又可以稱為減蝕率。

圖2 各種處理在4 個(gè)風(fēng)速下的抗風(fēng)蝕效率Fig.2 Anti－erosion efficiency under conditions of four grades of wind velocity

留茬與覆蓋組合措施的平均減蝕能力在70%～78%之間，平均為74%左右;礫石覆蓋的減蝕能力在26%～72%之間，平均為49%左右;秸稈覆蓋的減蝕能力在54%～92%之間，平均為73%左右，與留茬與覆蓋組合措施的平均減蝕能力的平均值近似，只是減蝕效果的組內(nèi)差異較大，跨幅達(dá)到了92%－54%=38%，遠(yuǎn)大于留茬與覆蓋組合措施的78%－70%=8%。

2.2 礫石覆蓋和秸稈覆蓋措施下的土壤風(fēng)蝕情況

無論是礫石覆蓋還是秸稈覆蓋都可以在一定程度上減少近地表氣流和土壤表層的直接接觸面積，即風(fēng)力的有效作用面積，達(dá)到保護(hù)土壤表層的目的和作用，還有就是覆蓋物可以提高空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，吸收并分解部分近地表的氣流流速，降低了土壤表面上的剪切力。

不同覆蓋度對土壤表層的保護(hù)效果定然不同，并且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。隨著覆蓋度的增加，抗風(fēng)蝕效率隨之增加［13－14］，而風(fēng)蝕量則呈現(xiàn)出減少的趨勢(圖3)，而且，秸稈覆蓋的效果明顯優(yōu)于礫石覆蓋的效果。8.0 m/s 的風(fēng)速下，礫石覆蓋處理的風(fēng)蝕量是同覆蓋度的秸稈覆蓋處理的風(fēng)蝕量的1.92、2.26 和11.25 倍(分別對應(yīng)30%、60%和90%的覆蓋度);10.1 m/s 的風(fēng)速下，風(fēng)蝕量比值分別是16.03、15.07 和10.11;12.5 m/s 的風(fēng)速下，風(fēng)蝕量比值分別是2.48、5.57 和24.84;14.3 m/s 的風(fēng)速下，風(fēng)蝕量比值分別是1.81、3.47 和8.89，都呈現(xiàn)出風(fēng)速越大，秸稈覆蓋抑制風(fēng)蝕的效果的優(yōu)越性較之礫石覆蓋越明顯的規(guī)律。

圖3 礫石覆蓋和秸稈覆蓋對風(fēng)蝕量的影響Fig.3 Impact of gravel cover and straw cover on the mass of wind erosion

對于礫石覆蓋，防風(fēng)蝕的效果明顯低于秸稈覆蓋的防風(fēng)蝕效果，且由圖3 可知，隨著風(fēng)速的增加，30%礫石覆蓋處理下的風(fēng)蝕量在10.1 m/s 左右就開始發(fā)生了突變，即該覆蓋度的礫石覆蓋處理對10 m/s 左右以下的氣流的侵蝕力具有很好的抑制效果;60%的覆蓋度情況下，則推遲到了12.5 m/s 左右的風(fēng)速值處;對于90%的覆蓋度，直到風(fēng)速達(dá)到14.3 m/s 左右時(shí)，風(fēng)蝕量仍然處于較為平緩的增長趨勢，沒有明顯的突變點(diǎn)，可以起到抑制全年絕大多數(shù)風(fēng)況對農(nóng)田的風(fēng)蝕現(xiàn)象。在8.0 m/s 風(fēng)速的情況下，60%覆蓋度風(fēng)蝕量較30%覆蓋度風(fēng)蝕量減少了12.81%;90%覆蓋度風(fēng)蝕量較60%覆蓋度風(fēng)蝕量減少幅度為40.27%～82.11%。其他的3 種風(fēng)速下，60%覆蓋度風(fēng)蝕量比30%覆蓋度風(fēng)蝕量的減少量的最大值為35.18%，最小值為18.53，90%覆蓋度風(fēng)蝕量較60%覆蓋度風(fēng)蝕量減少的幅度為35.5%～63.05%，見表2。

表2 相鄰覆蓋度下的風(fēng)蝕量減幅Tab.2 Decrease proportion of mass of wind erosion under contiguous coverage

對于秸稈覆蓋，當(dāng)覆蓋度為30%時(shí)，突變點(diǎn)出現(xiàn)在10.1 m/s 以下;當(dāng)覆蓋度為60%時(shí)，突變點(diǎn)延緩到12.5 m/s 左右;當(dāng)覆蓋度為最大覆蓋度，即90%時(shí)，風(fēng)蝕量的增長趨勢和礫石覆蓋有一致之處，沒有明顯的突變點(diǎn)。4 種風(fēng)速下，60%覆蓋度風(fēng)蝕量比30%覆蓋度風(fēng)蝕量的減少的幅度為29.21%～55.39%，90%覆蓋度風(fēng)蝕量較60%覆蓋度風(fēng)蝕量減少的幅度為58.65%～82.11%。

礫石覆蓋處理的風(fēng)蝕量在同風(fēng)速下隨著覆蓋量的逐漸增加，其風(fēng)蝕量的環(huán)比減幅小于同樣條件下的秸稈覆蓋處理，差值的最小值為6.73%，是10.1 m/s 時(shí)的λ3與λ1之差，最大值則為38.47%，是14.3 m/s 時(shí)的λ4與λ2之差。

2.3 留茬與覆蓋組合措施下的土壤風(fēng)蝕情況

相同覆蓋物和覆蓋度情況下，各處理對風(fēng)蝕量的影響呈現(xiàn)明顯規(guī)律:隨著留茬高度的增加，風(fēng)蝕量逐漸減少，即風(fēng)蝕速率和留茬高度和茬高成顯著負(fù)相關(guān)，見圖4;在其他情況一定的條件下，風(fēng)蝕量和風(fēng)速成正相關(guān)，且都呈現(xiàn)出顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，這與之前一些學(xué)者［15－16］的研究結(jié)果一致，相關(guān)系數(shù)也都在0.98 以上，且對于同一種覆蓋物而言，隨著茬高的增加，相關(guān)水平逐漸增加，見表3。

圖4 不同組合措施對風(fēng)蝕量的影響Fig.4 Impact of different combined measures on the mass of wind erosion

表3 組合措施風(fēng)蝕量(Q)與風(fēng)速(v)的擬合曲線Tab.3 Curve－fitting equation between mass of wind erosion and wind velocity

在8.0 m/s 風(fēng)速下條件，30%覆蓋度礫石覆蓋的風(fēng)蝕量是同覆蓋度秸稈覆蓋風(fēng)蝕量的1.70、1.60和1.22 倍(分別對應(yīng)30、20 和10 cm 茬高);10.1 m/s 時(shí)，倍數(shù)依次為3.90、2.84 和1.79 倍;12.5 m/s時(shí)，則為5.78、3.28 和2.89 倍;到風(fēng)速增大至14.3 m/s 時(shí)，倍數(shù)變?yōu)?.00、3.57 和2.90 倍。隨著風(fēng)速的增加，倍數(shù)依次增大，且隨著茬高的增加，倍數(shù)也呈現(xiàn)增大的趨勢。也就是說，隨著茬高的增加，礫石覆蓋的防風(fēng)蝕效果越顯得弱于秸稈覆蓋。

覆蓋與留茬組合措施下，同茬高和同覆蓋度，秸稈覆蓋與留茬組合的抑制風(fēng)蝕效果明顯優(yōu)于礫石覆蓋與留茬組合的抑制風(fēng)蝕效果。在單一覆蓋處理情況下，礫石覆蓋和秸稈覆蓋的抗風(fēng)蝕效果差異并沒有和其與留茬相組合的措施下的抗風(fēng)蝕效果差異大。

2.4 覆蓋處理的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

圖5 不同覆蓋度下的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)Fig.5 Sandstorm flow structure of different coverage

通過稱量風(fēng)洞集沙段0 ～62 cm 范圍內(nèi)各層集沙儀的風(fēng)蝕物收集量，分析可得出各種處理措施下的風(fēng)沙流分布規(guī)律，即風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，也就是氣流搬運(yùn)風(fēng)蝕物在搬運(yùn)層中隨高度的分布情況［17］。

礫石覆蓋處理下的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)(圖5)呈現(xiàn)出如下規(guī)律:不同風(fēng)速下，0 ～10 cm 高度范圍的輸沙量在各種風(fēng)速下都占各層集沙儀收集的輸沙總量的比例最大［18］;而23 cm 高度以上(23 ～62 cm 高度范圍)的集沙儀收集的輸沙量所占比例在各種風(fēng)速下都很少，說明風(fēng)蝕物的上揚(yáng)現(xiàn)象不明顯;隨著風(fēng)速的增加，各高度上的輸沙量隨之增加，其中尤以0 ～10和13 ～23 cm 高度范圍最為明顯，隨著高度的增加，不同風(fēng)速下輸沙量的差異越來越不明顯，即隨高度的增加，其輸沙量與風(fēng)速的相關(guān)性越來越差，而23 cm 左右高度是輸沙量與風(fēng)速相關(guān)性程度的臨界高度;不同風(fēng)速下，26 ～36 cm 高度內(nèi)的輸沙量變化量微乎其微，就是說單一覆蓋處理(單一礫石覆蓋或秸稈覆蓋)情況下，風(fēng)蝕物運(yùn)動(dòng)高度基本上集中分布于距地表26 cm 以內(nèi)。隨著覆蓋度的增加，礫石覆蓋措施0 ～10 cm 的輸沙量在4 個(gè)風(fēng)速下占13 ～23，26 ～36 和39 ～49 cm 高度上輸沙總量的平均比例依次為88%、80.48%和72.65%，而秸稈覆蓋措施依次為58.1%、54.46%和44.52%，都有減少的趨勢，這是因?yàn)殡S著風(fēng)速的增加，更多較大粒徑的土壤顆粒獲得了足夠的動(dòng)力，其運(yùn)移方式逐漸從蠕移轉(zhuǎn)向躍移，從而被更高的集沙儀所捕獲。

秸稈覆蓋處理下的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的規(guī)律有所不同:隨著風(fēng)速的增加，特別是當(dāng)風(fēng)速增至14.3 m/s時(shí)，0 ～10 cm 輸沙量的增幅快于其他各高度層;隨著覆蓋度增加，13 ～23 cm 輸沙量的增幅逐漸縮短。

圖6 覆蓋與不同茬高的留茬組合措施的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)Fig.6 Sandstorm flow structure of cover combined with different height stubble

2 種處理相比而言，礫石覆蓋處理下的輸沙總量比相同條件下的秸稈覆蓋處理下的集沙儀輸沙總量要多，隨著覆蓋度的增加(覆蓋度依次從30%增加到90%)，礫石覆蓋下的輸沙總量分別是相同條件下秸稈覆蓋措施對應(yīng)的輸沙總量18、7 和10 倍左右。

2.5 留茬與覆蓋組合處理的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

在有留茬處理的保護(hù)性措施下，各高度上的輸沙量隨風(fēng)速的增加而增加，見圖6。此外，留茬與覆蓋組合措施下的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和單覆蓋措施的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)相比，發(fā)生了明顯的變化。13 cm 高度以上的輸沙量占輸沙總量的比例都有所增加，即留茬在一定程度上助長了風(fēng)蝕物的上揚(yáng)現(xiàn)象，改變了部分風(fēng)蝕物的運(yùn)動(dòng)軌跡［19－20］，且較為明顯的是，礫石覆蓋與留茬組合措施情況下，13 cm 高度以上的輸沙量的增幅隨著風(fēng)速的增加逐漸增大，尤其是在14.3 m/s 的高風(fēng)速時(shí)，增幅尤為明顯。不同的是，礫石覆蓋與留茬組合措施下，13 cm 高度以上的集沙儀收集量的最大增幅出現(xiàn)在茬高30 cm 的情況下，而對于秸稈覆蓋與留茬組合措施下，13 cm 高度以上輸沙量的增幅隨留茬高度的降低而增加，成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

此外，在設(shè)定的所有措施下，距地表52 ～62 cm范圍內(nèi)的輸沙量都微乎其微，占輸沙總量的比例非常小，也就是說風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的高度基本上處于距地表60 cm 左右范圍以內(nèi)。

3 結(jié)論

1)各種保護(hù)性措施都在不同程度上對風(fēng)蝕量起到了有效的抑制作用。各種保護(hù)性措施的抗風(fēng)蝕效率在8 ～10 m/s 的風(fēng)速值范圍內(nèi)時(shí)大于10 ～14 m/s 的風(fēng)速范圍時(shí)的值，且隨著風(fēng)速的增加，抗風(fēng)蝕效率趨于平穩(wěn)。

2)不同措施整體上的防風(fēng)蝕效果排序?yàn)?留茬與覆蓋組合措施＞秸稈覆蓋措施＞礫石覆蓋施;特別是當(dāng)?shù)[石覆蓋和秸稈覆蓋分別與留茬組合時(shí)，秸稈覆蓋加留茬措施的防風(fēng)蝕效果驟然提升，明顯地要比礫石覆蓋加留茬措施有效。

3)單一的覆蓋措施下，風(fēng)沙流大都集中在了26 cm 高度范圍以內(nèi);覆蓋與留茬組合措施下，風(fēng)沙流大都集中于60 cm 左右范圍以內(nèi)，因?yàn)榱舨缰L了風(fēng)蝕物的上揚(yáng)現(xiàn)象:所以，0 ～10 cm 的輸沙量占輸沙總量的比例降低，而23 ～36 cm 高度上的輸沙量占輸沙總量的比例有所增加。但是對于所有措施，0 ～10 cm 高度范圍的輸沙量都占據(jù)總輸沙量的最大比例。

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