民勤綠洲不同耕作方式農(nóng)田表層土壤風(fēng)蝕規(guī)律的風(fēng)洞模擬研究

趙宇浩, 王 立, 楊彩紅, 王軍強(qiáng)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院, 甘肅 武威 733007)

土壤風(fēng)蝕是指松散的土壤物質(zhì)被風(fēng)吹起、搬運(yùn)和堆積的過程以及地表物質(zhì)受到風(fēng)吹起的顆粒的磨蝕過程，其實(shí)質(zhì)是風(fēng)力作用下，表層土壤中細(xì)顆粒與營養(yǎng)物質(zhì)的吹蝕、搬運(yùn)和沉積自然地理過程[1]。土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度乃至方向的變化受氣候、植被、土壤、地形、地貌等多種因子的綜合影響[2]。風(fēng)速是影響風(fēng)蝕強(qiáng)弱的首要因素，風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化而改變，通常風(fēng)速愈大，風(fēng)蝕作用愈強(qiáng)[2]。人為因素也會影響土壤風(fēng)蝕，主要表現(xiàn)為土壤表層的擾動和破環(huán)[3]。

中國是世界上土地荒漠化最為嚴(yán)重的國家之一，全國1/2以上的面積受土壤風(fēng)蝕或土地沙化影響，主要分布于北方的干旱、半干旱地區(qū)，而旱作農(nóng)田土壤風(fēng)蝕尤為嚴(yán)重[4]。民勤綠洲盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗和阿拉善右旗之間，東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，避免了中國第3、第4大沙漠連成一片。同時，民勤綠洲是發(fā)生荒漠化的敏感地帶，在全國生態(tài)戰(zhàn)略格局中占有舉足輕重的地位[5]。這些地區(qū)耕地長期采用鏵式犁翻耕等傳統(tǒng)耕作技術(shù)，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤表土細(xì)碎，冬春裸露休閑，在西北季風(fēng)的強(qiáng)勁作用下，極易揚(yáng)塵，成為沙塵暴的重要源頭[6]。隨著耕作活動的頻繁進(jìn)行，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化，土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象持續(xù)加重。導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降甚至發(fā)生不可逆的退化，給當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境帶來持續(xù)危害[7]。多年以來，大批學(xué)者[8]以不同的角度和深度對土壤風(fēng)蝕進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)各種保護(hù)性耕作措施對風(fēng)蝕都能起到抑制的作用，而且有利于改善環(huán)境狀況。對防風(fēng)作物的研究發(fā)現(xiàn)，一定程度的植被覆蓋度可以有效抵抗土壤風(fēng)蝕[9-11]。對外部防風(fēng)蝕措施的研究發(fā)現(xiàn)，使用抗風(fēng)蝕材料對土壤進(jìn)行覆蓋可以降低土壤風(fēng)蝕量[12-16]。對作物收獲后留茬的研究發(fā)現(xiàn)，留茬可以有效較少風(fēng)蝕[17-21]。由于不同地域農(nóng)田各種條件的限制，如經(jīng)濟(jì)作物的限制，經(jīng)濟(jì)條件限制，自然條件限制等，許多防風(fēng)蝕措施無法順利實(shí)施推廣。所以本試驗(yàn)從農(nóng)田土壤翻耕方式入手，研究其風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律，分析各個處理的防風(fēng)蝕情況，比較分析不同保護(hù)性耕作對農(nóng)田的防風(fēng)蝕機(jī)理和防風(fēng)蝕效果，開發(fā)土壤自身的抗風(fēng)蝕能力，達(dá)到既減少投入，又減少土壤風(fēng)蝕的目的。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)在民勤綠洲區(qū)的民勤縣蘇武鄉(xiāng)泉水村，平均海拔1 400 m。為溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱，晝夜溫差大，年均溫7.8 ℃，最高可達(dá)25.2 ℃。年均日照時數(shù)2 799.4 h，光熱充足，年均無霜期162 d。該地降水稀少，年均降水量113.2 mm，年蒸發(fā)量2 000～2 600 mm，是降水量的24倍，該地區(qū)干燥度大于5。當(dāng)?shù)爻Ｄ晔⑿形鞅憋L(fēng)，全年風(fēng)沙日83 d，多集中在2—5月份，年均風(fēng)速2.5 m/s，最大風(fēng)速23.0 m/s。該區(qū)耕作土壤為灌淤土，開墾種植早、熟化程度高，厚度可達(dá)30—60 cm，耕層質(zhì)地輕，土性熱，保肥、保水性差。供試農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量9.8 g/kg，全氮含量為4.84 g/kg，土壤ph值為8.63，電導(dǎo)率值為0.29 mS/cm，有效磷含量為0.4 ug/ml，速效鉀含量為144.14 mg/kg，碳水化合物含量為0.41 mg/ml。

試驗(yàn)田在2015年以前均采用秋翻耕作，試驗(yàn)于2015年玉米播種前，共設(shè)計(jì)免耕、少耕、秋翻和深松等4種耕作方式處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，各處理小區(qū)面積介于533.34～1 100.01 m2之間，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的4個處理分別為： ①免耕。對土地不做翻耕，地膜一直到試驗(yàn)結(jié)束才更換； ②少耕。收獲后到播種前不攪動土壤，播種前1周左右進(jìn)行旋耕整地7.5～10.0 cm，覆膜和播種； ③秋翻。包括每年秋收后耕翻土地，翻動土層深度大約為20 cm，春季旋耕7.5～10 cm整地、覆膜、播種等田間作業(yè)； ④深松。秋收后利用深松鏟對耕地進(jìn)行翻耕30 cm，春季旋耕整地、覆膜、播種。

試驗(yàn)田全部種植玉米，品種為甘鑫2818，每年4月20日播種，株距20 cm，行距30 cm，定植7.2×104株/hm2。采用統(tǒng)一的施肥措施，所施用化肥為尿素、磷酸二銨、普鈣、氯化鉀，各處理化肥用量統(tǒng)一為每年施用N 180 kg/hm2，P2O595～98 kg/hm2。整個生育期灌水34.1～36.3 m3/hm2。免耕、少耕、秋翻和深松4種不同耕作方式的玉米地的施肥、灌水、管理方式等均相同，僅在耕作方式上有差異。本試驗(yàn)中鋪設(shè)的地膜，少耕、秋翻、深松田每年更換一次，免耕則從試驗(yàn)開始一直到試驗(yàn)結(jié)束。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采樣時間在2017年5月23日，從4種耕作方式的3個重復(fù)樣地中各選擇一片樣地，隨機(jī)選擇取樣點(diǎn)，小心去掉地膜，用鐵锨挖去樣點(diǎn)周圍多余的土，使用面積30.5 cm×20.5 cm的無蓋鐵盒采集原狀土，期間避免對土樣結(jié)構(gòu)的破壞。采樣后用硬紙板封口。試驗(yàn)時再打開。

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室沙坡頭沙漠試驗(yàn)站土壤風(fēng)洞中進(jìn)行。

對每種樣品，選取6，10，14，18和22 m/s這5種風(fēng)速值進(jìn)行吹蝕試驗(yàn)，吹蝕時間分別為15，12，10，8和5 min，樣品與風(fēng)口距離為11.5 m，感應(yīng)高度60 cm。試驗(yàn)前用精度為1/100的電子天平稱出吹蝕前樣品重量w1，經(jīng)過一個風(fēng)速的吹蝕后再稱出吹蝕后樣品的重量w2，每個風(fēng)速的吹蝕量用w0表示(w0=w1-w2)，利用公式計(jì)算風(fēng)蝕速率：

R1=w0/(S1·T)

式中：S1——樣品截面面積(30.5 cm×20.5 cm=625.25 cm2)；T——每種樣品的吹蝕時間。

在距土樣末端下風(fēng)向57 cm處，用高20 cm，單格為2 cm×2 cm的積沙儀收集不同高度的風(fēng)蝕物，用1/1 000的電子天平稱重，獲取每種耕作方式風(fēng)蝕物的收集量w3，利用公式計(jì)算單位面積的輸沙率：

R2=w3/(S2·T)

式中：S2——樣品截面面積(2 cm×2 cm=4 cm2)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

各測定數(shù)據(jù)經(jīng)Excel初處理，所有數(shù)據(jù)測定結(jié)果均以平均值表示，采用SPSS 19.0進(jìn)行雙因素方差分析(two-way ANOVA)和回歸分析。統(tǒng)一采用Excel做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理風(fēng)蝕速率與風(fēng)速的關(guān)系

不同風(fēng)速水平、耕作措施下的風(fēng)蝕速率如圖1所示。從圖1可以看出，4種耕作方式下土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)蝕速率隨著風(fēng)速的增大而增大。當(dāng)風(fēng)速小于14 m/s時，4種耕作方式的土壤風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的增加而緩慢增加，4種土壤的風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速變化的趨勢線幾乎重合。在風(fēng)速大于14 m/s后，少耕、秋翻、深松3種耕作方式的土壤的風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的增長速度加快，當(dāng)風(fēng)速大于18 m/s后幾乎呈線性增加，三種耕作方式的風(fēng)蝕速率在風(fēng)速為14 m/s時，表現(xiàn)為：深松<秋翻<少耕，在風(fēng)速為22 m/s時，表現(xiàn)為：少耕<秋翻<深松，但風(fēng)蝕速率差值不大，趨勢線近乎重合。而免耕耕作方式的土壤風(fēng)蝕速率在風(fēng)速大于14 m/s后，隨風(fēng)速的增長速度變化相對不明顯，土壤風(fēng)蝕速率與其他3種耕作方式的差距逐漸增大。免耕耕作方式的土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系(y=0.145 8x1.739 1，R2=0.992 5)，而少耕、秋翻、深松耕作方式的土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(y=aeb)。

圖1 土壤風(fēng)蝕速率與風(fēng)速的關(guān)系

2.2 土壤風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)垂直分布特征

由圖2可以看出，不同處理在風(fēng)速小于14 m/s時輸沙率都很低。免耕的單位面積輸沙率曲線明顯區(qū)別于其他3種處理，在風(fēng)速大于14 m/s時，輸沙率相對少很多，且高度分布雜亂，有較明顯的隨機(jī)性特征。觀察少耕、秋翻、深松3種耕作方式的單位面積輸沙率曲線發(fā)現(xiàn)，在相同風(fēng)速下，高度越低，輸沙率越大，隨著高度提高輸沙率逐漸減少；各個處理的土壤，輸沙率隨著風(fēng)速的增加而增加，高度越低，增長幅度越大。當(dāng)風(fēng)速大于14 m/s時，少耕、秋翻、深松3種耕作方式，開始出現(xiàn)較明顯的風(fēng)蝕物，風(fēng)蝕物出現(xiàn)的高度略有不同，隨著風(fēng)速增加，發(fā)現(xiàn)較明顯的風(fēng)蝕物的高度也會提高。在風(fēng)速14 m/s以上時，收集到的風(fēng)蝕物絕大部分集中在0—10 cm高度范圍內(nèi)，低高度風(fēng)蝕物所占比例還會隨著風(fēng)速增加而增大，而高于16 cm的高度范圍內(nèi)，幾乎沒有收集到風(fēng)蝕物。在風(fēng)速為18 m/s時，3種耕作方式的輸沙率表現(xiàn)為：秋翻<深松<少耕，在風(fēng)速為22 m/s時，表現(xiàn)為：少耕<深松<秋翻，且輸沙率差值較大。

2.3 耕作和風(fēng)速對風(fēng)蝕速率和輸沙率的影響

由表1可知，耕作方式、風(fēng)速以及這兩個變量的交互作用對該地區(qū)土壤風(fēng)蝕速率和輸沙率產(chǎn)生極顯著的影響(p<0.001)。其中風(fēng)速的影響高于耕作方式的影響，高于兩者的交互作用的影響。各變量對風(fēng)蝕速率的影響高于對輸沙率的影響。

圖2 不同耕作方式下單位面積輸沙率與高度的關(guān)系表1 風(fēng)蝕速率和輸沙率的雙因素方程分析

變 量風(fēng)蝕速率/(g·m-2·min-1)dfFp單位面積輸沙率/(g·m-2·min-1)dfFp耕作(A)340.406<0.001334.411<0.001風(fēng)速(B)4272.458<0.0014126.591<0.001A×B1225.071<0.0011218.677<0.001

注：A×B表示耕作方式和風(fēng)速之間的交互效應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1) 土壤的風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速的增大而增大。各個處理的土壤在風(fēng)速小于14 m/s時，風(fēng)蝕速率都較慢，這是因?yàn)樵诘惋L(fēng)速時處于微風(fēng)蝕階段，土壤的可蝕性物質(zhì)充沛，但風(fēng)速的挾沙能力不足。大于14 m/s的風(fēng)力才是造成土壤風(fēng)蝕的主要因素，在風(fēng)速大于14 m/s時，少耕、秋翻、深松3種耕作土壤的風(fēng)蝕速率迅速增大且變化曲線近乎重合，說明3種不同的耕作方式對土壤結(jié)構(gòu)造成了相近程度的破壞，試驗(yàn)地區(qū)土壤的表層結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)脆弱，繼續(xù)采用傳統(tǒng)耕作方式極不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤的可持續(xù)發(fā)展。免耕耕作方式在14 m/s的風(fēng)速條件下的土壤風(fēng)蝕速率低于其它耕作方式，且風(fēng)速越高，抗風(fēng)蝕效果越明顯，說明免耕耕作方式對土壤的擾動小，能夠大幅度減輕土壤風(fēng)蝕，有利于對當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤的保護(hù)。由于當(dāng)?shù)爻Ｄ觑L(fēng)力較大，從減少土壤風(fēng)蝕角度出發(fā)，建議當(dāng)?shù)乇M量推廣免耕耕作方式。

(2) 少耕耕作方式的風(fēng)蝕速率和輸沙率在14 m/s風(fēng)速時高于其他3種耕作方式，在22 m/s風(fēng)速時低于深松和秋翻，可能是因?yàn)樯俑鞣绞皆斐赏寥辣韺拥目晌g性顆粒粒徑較小，在低風(fēng)速下更易被吹蝕；而更大粒徑的可蝕性顆粒相對少，在風(fēng)速提高時，風(fēng)蝕速率和輸沙率變化相對小。風(fēng)蝕物運(yùn)動形式分為躍遷、蠕動、懸浮，其中躍遷顆粒集中分布在0—10 cm高程內(nèi)，是產(chǎn)生風(fēng)蝕危害的主要形式[22]。本研究中，同一風(fēng)速下，氣流中的風(fēng)蝕物隨高度升高而逐漸減少。當(dāng)風(fēng)速高于14 m/s，在0—10 cm 高度范圍內(nèi)風(fēng)蝕物總風(fēng)沙量的絕大部分，有明顯的風(fēng)沙流，大于14 cm的高度范圍內(nèi)，風(fēng)蝕物極少。由此可見，蠕移和躍移沙占風(fēng)蝕物運(yùn)行方式的絕大部分，而懸移沙土所占的量極少，風(fēng)蝕物的上揚(yáng)現(xiàn)象不明顯，絕大多數(shù)的風(fēng)蝕物是在近地面運(yùn)行的[23]，與前人研究結(jié)果一致。免耕耕作相比其他耕作方式能夠有效的控制風(fēng)沙流的強(qiáng)度，少耕耕作相對于秋翻、深松能夠一定程度上限制高風(fēng)速下風(fēng)沙流的強(qiáng)度。

(3) 風(fēng)速是影響土壤風(fēng)蝕和輸沙率的最主要因素，耕作方式能夠?qū)υ摰貐^(qū)土壤風(fēng)蝕速率和輸沙率產(chǎn)生極顯著的影響?？涤衩穂24]研究表明，風(fēng)蝕速率隨風(fēng)速增大呈規(guī)律性增大，且相關(guān)性較大。秦紅靈[25]研究表明，不同耕作條件下土壤風(fēng)蝕率都隨風(fēng)速的增加而增加，但風(fēng)蝕速率與風(fēng)速呈現(xiàn)不同的函數(shù)關(guān)系。

(4) 本研究的結(jié)果對以往研究的成果的補(bǔ)充體現(xiàn)在風(fēng)速和耕作方式的交互作用也對風(fēng)蝕速率和輸沙率有影響，且影響效果極顯著。本試驗(yàn)僅研究了耕作方式的影響，沒有涉及到土壤含水量及地表粗糙度等問題，有待進(jìn)一步研究。