春、秋整地對吉林省西部農田風蝕、土壤含水量、土壤溫度的影響研究

靳英華,周道瑋,彭 菲,肖 榮,賀欣欣

(1.東北師范大學城市與環境科學學院,吉林長春130024; 2.中國科學院東北地理與農業生態研究所,吉林長春130012)

春、秋整地對吉林省西部農田風蝕、土壤含水量、土壤溫度的影響研究

靳英華1,周道瑋2,彭 菲1,肖 榮1,賀欣欣1

(1.東北師范大學城市與環境科學學院,吉林長春130024; 2.中國科學院東北地理與農業生態研究所,吉林長春130012)

對比研究了春、秋整地對吉林省西部農田風蝕、土壤含水量、土壤溫度的影響.結果表明:由于西部地區春季的大風天氣和很少的降水量,春天整地導致土壤含水量減少、風蝕加劇;對比春整地,秋整地的苗床土壤可風蝕率和風蝕數量都較小,土壤含水量較高,土壤溫度略低.因此,在該地區應以秋整地代替春整地;如果不能進行秋整地,春整地也要延遲到4月25日以后進行.

春、秋整地;風蝕;土壤含水量;土壤溫度

春整地是吉林西部農民廣泛采用的生產活動,然而,春季的大風天氣和很少的降水,使春整地可能導致土壤蒸發加大、土壤含水量減少和風蝕加劇;而秋整地僅被很有限的具有一定科學知識的農民所使用.本文對比研究了春、秋整地對農田風蝕、土壤水分和土壤溫度的影響,目的是根據該地區的氣候和實際生產狀況,探討調整整地時間能否減少該地區農田整地過程中存在的風蝕和散墑問題.具體內容是:①春整地比秋整地產生更嚴重的土壤風蝕;②秋整地無論是播種深度還是深層土壤含水量都比春整地高;③秋整地的地溫低于春整地,但是對出苗和幼苗定居無顯著影響.

1 材料與方法

1.1 實驗地點

2003-2004年,2006-2007年在東北師范大學草地科學研究所松嫩草地生態研究站(44°40′N, 123°44′E,海拔167 m)開展本實驗.該地區農田土壤類型為風沙土,粗砂占61%,粉砂占18%,黏粒占21%,田間持水量24.3%,永久萎蔫點3.6%.土壤的有機質含量相對較低(見表1).研究區年平均溫度5.2℃,活動積溫2920℃,無霜期140～160 d,年平均降水量453 mm,大約70%的降水都集中在5-9月份,為387.3 mm.年平均蒸發量1600 mm,大約是降水量的3.5倍.年平均風速3.5 m/s,春季平均風速最大,春季風速在10.8～13.8 m/s之間的天數有21 d,在17.2～20.7 m/s之間的天數有14.4 d, 4月份最大風速達28 m/s.春季的干旱(3-5月)和大風(17.2～20.7 m/s)是該地區氣候的典型特征.

表1 地下0～30 cm深農田土壤的特性

1.2 實驗設計和測定指標及方法

實驗布置于兩個相鄰的地塊,一個小區為秋整地處理,另一個小區為春整地處理.每個小區長400 m,寬40 m,兩個相鄰的小區中間設置20 m的緩沖區.

春、秋整地時,不翻地,直接用四輪拖拉機牽引三鏵犁打壟,然后鎮壓.壟距65 cm,壟高18～20 cm.秋整地分別在2003和2006年的10月29日進行,春整地在2004年4月22日和2007年4月13,22日進行.

2004年4月23日在兩個小區分別取土壤樣品,測定土壤容重.用環刀在每個小區隨機選擇的5個地點的壟臺、壟溝由地表到地下60 cm,每10 cm取一個土壤樣品.

2004年4月23日～4月30日測定土壤含水量.用土鉆在每個小區隨機選擇的5個地點的壟臺、壟溝從地表到地下60 cm,每10 cm取一個土壤樣品.將土壤樣品放置在封口袋里帶回室內;部分土樣1 h后裝入土壤鋁盒中,密封、稱重,然后在105°C的烘箱中烘干至恒重.計算重量含水量,并根據每層的土壤容重把重量含水量轉化成容積含水量.

2004年4月23～30日和5月5日,每天在2:00,8:00,14:00和20:00,用曲管地溫表測量每個小區壟臺和壟溝5,10 cm深度的土壤溫度.

2003年10月29日在秋整地的小區壟臺、壟溝和2004年4月23日春整地的壟臺隨機選擇5個點,從地面向下0～2,2～5和5～10 cm分3層分別收集0.5 kg的土壤樣品,土樣放入塑料袋帶回室內,用離心式粒度分析儀(Japan SA-CP3)分析粒徑分布.

用標桿法測量兩個小區壟臺和壟溝的土壤風蝕數量[1].在每個小區用60根25 cm長的木桿插入壟臺20 cm和壟溝10 cm處,在齊地表的位置做標記.秋整地在2003,2006年10月29日插桿;春整地在2004年4月22日和2007年4月13,22日插桿.最后在2004和2007年的4月30日記錄桿與地面的接觸位置.前一次減去后一次,負值代表吹蝕,正值代表堆積.春、秋整地平均吹蝕和堆積數量是壟溝和壟臺吹蝕和堆積的和.

1.3 土壤可風蝕率

土壤可風蝕率計算公式為:Ef=(29.09+0.31Sa+0.17Si+0.33Sa/Cl-2.59OM-0.95Ca)/100.式中:Ef為土壤可風蝕率;Sa為砂的含量;Si為粉砂含量;Sa/Cl為砂/黏粒含量比;OM為有機質含量; Ca為碳酸鈣含量.

在這個公式中礦質土的潛在可風蝕率可以用它的物理和化學性質來定量評估[2].用這個公式可以評價小區里由于種植、耕作、天氣和其他實踐造成的土壤可風蝕率的變化.理論上,只要土壤表面覆蓋可蝕性物質,當風速高于臨界值,風蝕就會發生.可風蝕的部分是位于地表向下5 cm的土層中直徑小于0.84 mm的土壤顆粒.

1.4 統計分析

用SPSS13.0統計分析軟件分析土壤含水量差異.在對數據進行了常態和同質性檢驗后,采用單因素方差分析檢驗不同實驗處理對土壤含水量的影響.

1.5 氣象資料

本文選用了1951-2007年吉林省西部5個氣象臺站的逐日風速、降水量資料.臺站包括白城、通榆、乾安、前郭、長嶺,并將各站的逐日風速、降水量數據處理成月、年系列.

2 結果與討論

2.1 吉林西部整地期風速、降水分布特征

該區在1951—2007年間的年平均風速為3.45 m/s.春季(3—5月)平均風速最大,達到4.37 m/s;秋季(9—11月)風速比較大,平均為3.37 m/s;冬季(12,1,2月)風速比較小,平均為3.06 m/s;夏季(6—8月)風速最小,平均為2.99 m/s.

圖1 風速的年內變化 (1951-2007年平均值)

一年中風速的變化曲線呈雙峰型,一個高峰和一個次高峰.1月份風速開始上升,到4月份達到全年的最高值4.76 m/s;5月份風速開始下降,8月份達到最小值2.67 m/s;9月份風速又開始增加,到11月份達到全年的次高值3.54 m/s,12月份風速又有所下降(見圖1).4月份6級大風天數為8.9 d,8級大風天數為6.2 d;11月份6級大風天數為2.3 d,8級大風0.8 d.4月上、中、下旬的風速在逐漸增大, 4月下旬達到最大值.10月下旬和11月上旬風速達到了次高值,而后風速減小(見圖2).

圖2 一年中各月各旬風速變化(1951-2007年平均值)

吉林西部降水量少且分布不均勻(見圖3).春季降水量為44.7 mm,3,4,5月分別為3.5,11.8,29.4 mm.57年中三分之二的年份4月份的降水量在10 mm以下,四分之一的年份少于5 mm.表2是4月1日到5月5日每5 d的平均降水量和平均無雨天數.在4月20日前連續無雨天數多,如果有降水,降水量也極少,甚至少于2 mm.

圖3 降水量的年內變化(1951-2007年平均值)

吉林西部農民整地多從4月上旬開始,持續到4月下旬,此時正值春季風速最大、降水較少的時期.在生產習慣上,由于秋收后到封凍前的時間較短,農民忙于晾曬糧食、賣糧和準備過冬的薪柴,以及讓牲畜在農田里溜茬等原因,使吉林西部農民很少在秋季整地.11月份風速處在全年的次高值時期,但是11月從上旬到下旬風速是逐漸減小的,且12月份大地封凍,風速明顯減小.因此從風和降水的季節特征看:11月初到封凍前是適合進行秋整地的時期,而春季不適合整地.4月下旬風速最大,不適合整地,但已到了播種期,4月25日以后降水略有增加,因此可在4月25日以后進行春整地.

表21951-2007年4月1日-5月5日各候的降水量和無雨天數

2.2 春、秋整地對土壤風蝕的影響

2.2.1 春、秋整地對土壤可風蝕率的影響

利用土壤可蝕率計算公式,根據春整地以后春、秋整地苗床的理化性質(見表3)可以評估春、秋整地苗床土壤潛在的可蝕性.E春-E秋=0.008,說明春整地苗床的潛在可蝕性大于秋整地.

過去的研究表明土壤表面的性質例如濕度、容重也影響風蝕[3].土壤越濕潤,風蝕越小,結果顯示春季里秋整地苗床的土壤容重高于春整地苗床(見表3),因此在春季里秋整地的農田由于土壤容重大,也可以減少土壤風蝕.

表3 春、秋整地苗床的理化性質

2.2.2 春、秋整地對風蝕數量的影響

對于春整地吹蝕發生在壟臺上,堆積發生在壟溝里,壟臺的吹蝕數量高于壟溝的堆積數量,所以春整地的農田總體上發生了吹蝕.秋整地壟溝的堆積數量略高于壟臺的吹蝕,所以秋整地的農田總體上有較少的堆積.在春季4月份,越早整地,風蝕數量越大(見表4).

表4 春、秋整地的風蝕量 cm

在秋整地后形成的壟臺頂部粒徑小于0.5 mm的土粒大約占90%,并且向深層有減少的趨勢;1～0.5 mm粒徑的土壤顆粒在頂部超過5%,向下層有增加的趨勢;粒徑大于1 mm的土壤顆粒在表層很少,向下比例略有增加(見表5).

表5 秋整地后苗床壟臺、壟溝的土壤粒徑分布 %

當土壤粒徑大于1 mm時,不發生土壤風蝕.高于臨界風速,粗粒(粒徑1～0.5 mm)一般不會被風吹離地面,只會在大風吹動下沿地面滾動.細粒(粒徑0.5～0.1 mm)會被風吹離地面,但不能升上高空,而是在近空躍動前進,一般在0～1.5 m的高度內,風大時躍起,風小時落下.粗粒和細粒都只能移動幾十米、幾百米或幾千米的短距離,不能長途移動.只有微粒(粒徑小于0.1 mm)才能被風吹到高空,移動到遠方.該區域農田多為風沙土,在秋整地的壟臺上0～5 cm頂層可蝕性土壤顆粒的比例大,將增大風蝕的可能性.但是這種風蝕可能性在一定范圍內會因為冬天土壤被凍結和風速較小而被減少.

研究表明,壟作系統通過把跳躍的土粒捕獲進壟溝,有助于減小風蝕[4-7];也有研究表明,如果壟高大約10 cm,土壤疏松并且壟的頂部可蝕性土粒增加,土壤風蝕會更嚴重[5].春天較晚整地的壟高(18～ 20 cm)顯著高于較早整地的(10～12 cm),因此晚整地的潛在可蝕性低.同時在晚春降水有增加趨勢,因此在春天較晚整地有助于減少土壤風蝕.

秋整地的土壤,在秋季被疏松,其后在冬季和春季再次被緊實;而春整地的土壤在春季被疏松,由于春季多大風天氣,因此吉林西部農田春整地比秋整地將存在更高的風蝕風險.在土壤風蝕方面,該區域農民進行春天整地可能帶來嚴重的農田生態問題.

2.3 春、秋整地對土壤含水量的影響

圖4a是在早春大地土壤已經融化尚未進行春整地前的土壤含水量,結果顯示:在0～10 cm深度,秋整地壟臺和春整地前壟臺的土壤含水量基本相同,但是秋整地壟溝土壤含水量顯著低于春整地前的壟溝.在10～20 cm深度,秋整地的壟臺和壟溝的土壤含水量都高于春整地的,并且無論春、秋整地壟溝含水量都高于壟臺.對于20～60 cm深度,春、秋整地的土壤含水量差異不大.

春整地的第二天,在0～10 cm深度春整地的壟臺和壟溝土壤含水量都高于秋整地的.然而10～60 cm深度春整地壟臺和壟溝土壤含水量都顯著低于秋整地的(見圖4b).

隨后,春、秋整地土壤表層(0～10 cm)的含水量都快速下降,但是春整地土壤含水量下降的比秋整地的迅速(見圖4c).在10～20 cm深度,春、秋整地土壤含水量沒有顯著差異;在20～60 cm的深層,春整地的土壤含水量顯著低于秋整地的.

圖4d表明,雨后春、秋整地的土壤含水量都迅速增加,但是秋整地高于春整地.

直到播種前春整地的土壤含水量下降的都比秋整地的快,0～30 cm深度的土壤含水量春整地顯著低于秋整地(見圖4e).

春整地與秋整地的土壤含水量對比結果顯示,僅在春整地的第二天,春整地表層土壤含水量較高,這可能是由于在春整地起壟時,把下層濕土翻到了表層,增加了土壤濕度.之后由于春整地苗床更加疏松,在多大風天氣情況下,使土壤蒸發加劇,造成了春整地表層土壤含水量快速下降.

除表層外,秋整地苗床的土壤含水量高于春整地,可能的原因是:經過一冬天,在秋整地的壟溝、壟臺表面形成了干土層,這個干土層截斷了毛管水的上升,成為水分蒸發的障礙,所以在秋整地的深層積累了更多的早春凍融水,以至于秋整地深層更濕潤.另外秋整地苗床土壤的持水能力高于春整地,可能的原因是:秋整地的苗床經過一冬一春形成了很好的土壤結構.

圖40～60 cm土壤剖面上的土壤容積含水量

2.4 春、秋整地對土壤溫度的影響

春整地苗床的壟臺和壟溝5 cm和10 cm深度的土壤溫度均高于秋整地的.在5 cm深度秋整地壟臺上的土壤溫度與春整地的差異很小,但是在壟溝里5 cm深度土壤溫度差異較大,低1℃～1.5℃(見圖5a);壟溝和壟臺10 cm深度春、秋整地的土壤溫度的差異與5 cm深度的差異正好相反(見圖5b).

圖52004年春、秋整地壟臺和壟溝在5 cm(a)和10 cm(b)深度的地溫

春、秋整地苗床土壤溫度不同的原因可能是秋整地的土壤含水量高于春整地,所以導致秋整地苗床土壤溫度低.

該地區在4月末5月初播種,無論是春整地苗床還是秋整地苗床的壟臺和壟溝5 cm和10 cm深度的土壤溫度均高于10℃.

3 結論

基于以上分析,我們的三個假設都是正確的,建議在吉林西部農民應以秋整地代替春整地.如果不能秋天整地,在春天整地也要延遲到4月25日以后.由于土壤含水量壟溝高于壟臺,壟溝的土壤溫度比壟臺略低,壟溝又可以減小風蝕,在該地區可探討壟溝播種代替壟臺播種.

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(責任編輯:方 林)

Effects of spring/autumn seedbed preparation on wind erosion,soil water and soil temperature of cropland in the western of Jilin Province

J IN Ying-hua1,ZHOU Dao-wei2,PENG Fei1,XIAO Rong1,HE Xin-xin1
(1.College of Urban and Environmental Sciences,Northeast Normal University,Changchun 130024,China; 2.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130012,China)

The aim of this study is compare to effects of spring and autumn seedbed preparation on wind erosion,soil water and soil temperature of cropland in the western of Jilin Province.Results showed that:spring seedbed preparation increases soil evaporation because of the occurrence of gale and low precipitation in this season,resulting in decreased soil water content and serious wind erosion.In comparison with spring seedbed preparation,the soil erodible fraction and the amount of soil erosion was less,soil water content was significantly higher and soil temperature was lowish for autumn seedbed preparation.Based on these results,spring seedbed preparation should be replaced by autumn seedbed preparation.The date of seedbed preparation should be postponed after 25thApril in spring,if seedbed preparation could not be conducted in autumn.

spring/autumn seedbed preparation;wind erosion;soil water content;soil temperature

S 281[學科代碼]210·2050

A

1000-1832(2010)04-0126-06

2010-06-13

吉林省科技發展計劃項目(20070559).

靳英華(1968—),女,博士,副教授,主要從事區域氣候變化、農田生態學研究;通訊作者:周道瑋(1963—),男,博士,教授,博士研究生導師,主要從事恢復生態學、草地農業研究.