秦王川灌區(qū)種植春小麥與披堿草對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響差異

李 昂, 吳應(yīng)珍，葛承暄

(1.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省耕地質(zhì)量建設(shè)管理總站，甘肅 蘭州 730000)

1 引言

西北地區(qū)干旱少雨、冬春季多風(fēng)，致使浮塵、揚(yáng)沙等災(zāi)害頻繁發(fā)生[1]，在此期間受到的風(fēng)蝕不僅損壞地表和造成細(xì)顆粒物流失，而且還影響當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)生態(tài)環(huán)境；為此，防治風(fēng)蝕危害就成了該區(qū)農(nóng)業(yè)和環(huán)保工作者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[2,3]。如秦紅靈等研究發(fā)現(xiàn)[4]，麥田留茬免耕可降低耕地風(fēng)蝕危害；李昂等研究發(fā)現(xiàn)[5]，種植甘草可顯著降低耕地風(fēng)蝕及減少表土的細(xì)顆粒物流失；孫鐵軍等研究發(fā)現(xiàn)[6]，在荒坡地種植生態(tài)草可顯著提高其地表粗糙度及抗風(fēng)蝕能力；李昂等研究還發(fā)現(xiàn)[7]，種植混播牧草可降低耕地風(fēng)蝕危害，其中地表細(xì)顆粒物流失量降幅可達(dá)57%。

地處西北的秦王川灌區(qū)屬一年一熟農(nóng)業(yè)區(qū)域，耕地每年有近7個(gè)月裸露；再加上從土壤解凍到作物出苗期間表土疏松、干燥，農(nóng)田風(fēng)蝕危害非常嚴(yán)重。據(jù)肖紅浪研究顯示[8]，秦王川灌區(qū)耕地因風(fēng)蝕危害造成的表土細(xì)顆粒物流失量就高達(dá)106 t/hm2，并嚴(yán)重威脅該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。為了探尋防治耕地風(fēng)蝕危害的可行措施，試驗(yàn)以裸地為對(duì)照(CK)，以種植春小麥(Triticum aestivum)和披堿草(Elymus nutans)的耕地為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定和比較其風(fēng)蝕量間的差異，為該灌區(qū)治理耕地風(fēng)蝕危害及改善周邊環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

秦王川灌區(qū)位于甘肅省永登縣境內(nèi)，這里年均溫度6.2 ℃，年均降雨僅為287 mm，而蒸發(fā)年均高達(dá)1950 mm，春季多風(fēng)、風(fēng)速平均為2.5 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)7.7 m/s，年均沙塵暴天數(shù)為3 d，為典型干旱大陸性氣候[9]。該區(qū)土壤以堿性灰鈣土為主，以種植玉米、春小麥、胡麻等糧食作物為主。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定

由于蘭州新區(qū)位于秦王川灌區(qū)南部，且該區(qū)風(fēng)蝕季節(jié)主要刮西北風(fēng)，故試驗(yàn)選址灌區(qū)北部的上川鎮(zhèn)下古山村(海拔1950 m，36°45′N，103°33′E)。實(shí)驗(yàn)設(shè)小麥、披堿草(Elymus nutans)、裸地(CK)3個(gè)處理，各處理重復(fù)4次，隨機(jī)區(qū)組排列，共12小區(qū)。小區(qū)選擇4 m×6 m樣方，小區(qū)間間隔為0.5 m。2016年3月播種小麥和牧草，翌年春季在原小麥樣方內(nèi)再次播種小麥。根據(jù)當(dāng)?shù)匦←溙镩g管理要求，于當(dāng)年5月上旬、6月中旬灌水，并采取人工清除雜草。根據(jù)牧草及作物長(zhǎng)勢(shì)，于當(dāng)年7月上旬刈割披堿草(離地10cm)，8月初收獲小麥(離地10cm)，9月中旬和10月中旬再次刈割披堿草。

8月底在每個(gè)小區(qū)中間放置裝滿土壤的風(fēng)蝕盤，每月月末測(cè)定風(fēng)蝕盤重以計(jì)算該小區(qū)當(dāng)月風(fēng)蝕量[2]。10月中旬日和翌年5月初，首先用溫濕儀進(jìn)行地表濕度測(cè)定；然后用風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速以計(jì)算地表粗糙度[1]；小麥、牧草植被的蓋度、高度和地表生物量按文獻(xiàn)[10]方法測(cè)定；最后取表層土樣，帶回室內(nèi)進(jìn)行土壤水分測(cè)定[1]。

3 結(jié)果與分析

3.1 地上植被特征指標(biāo)比較

就植被蓋度而言(圖1a)，秋季小麥根茬蓋度僅10.3%，而披堿草根茬蓋度高達(dá)56.3%, 披堿草的蓋度比小麥高4.5倍；翌年5月初，新種小麥蓋度為15%，而多年生披堿草蓋度達(dá)31.3%，披堿草蓋度比小麥蓋度高1.1倍；方差分析顯示，二者間差異均極顯著(P<0.01)。就植被高度而言(圖1b)，秋末披堿草根茬高為10 cm，而小麥高度僅為8 cm；翌年5月初，新長(zhǎng)的小麥株高為7.3 cm，而披堿草株高達(dá)10.3 cm,二者間差異顯著(P<0.05)。對(duì)于植被地表生物量而言(圖1c)，秋末小麥根茬量?jī)H102.9 g/m2，而披堿草的量比小麥高近28.6%；翌年5月初，新長(zhǎng)的小麥生物量?jī)H為8.9 g/m2，而新長(zhǎng)的披堿草量比小麥高近2.9倍。綜合以上，種植披堿草耕地的地表蓋度、高度和地表生物量均大于小麥，且二者間差異顯著。

3.2 地表微環(huán)境相關(guān)指標(biāo)比較

就粗糙度而言(圖2a)，裸地秋末僅1.5 cm，而小麥和披堿草地分別為2.2 cm和3.5 cm；翌年5月，裸地仍最小、僅為0.5 cm，而小麥和披堿草地分別比裸地提高近2.6倍和7.1倍。就地表濕度而言(圖2b)，秋末披堿草地最高、達(dá)44.9%，其次分別為小麥地28.6%、裸地26.2%；翌年5月，裸地僅35%，而小麥和披堿草地分別比裸地提高近18%和17%。就地表土壤含水量而言(圖2c)，秋末披堿草地最高、達(dá)9.5%，小麥地次之為8.3%，裸地最小為8.1%；翌年5月，裸地仍最小，而小麥和披堿草地分別比裸地提高近17%和38%。綜上，種植披堿草耕地的地表粗糙度、濕度和土壤含水量均最大，小麥地次之，裸地最小，且它們之間差異顯著。

圖1 不同處理植被特征指標(biāo)

圖2 不同處理地表特征指標(biāo)

3.3 地表風(fēng)蝕量比較

就整個(gè)風(fēng)蝕季節(jié)期間耕地表層土壤細(xì)顆粒物損失量而言(圖3a)，裸地?fù)p失量最大、達(dá)1.7 kg/m2，而小麥地和披堿草地分別為1.4 kg/m2和0.9 kg/m2，分別比裸地降低近20%和43%；方差分析顯示，它們之間差異顯著。就各月風(fēng)蝕量而言(圖3b)，各處理的地表風(fēng)蝕均表現(xiàn)為：秋末地表細(xì)顆粒物損失量逐漸增大，10月份達(dá)到最大；進(jìn)入冬季表土的風(fēng)蝕量逐漸減弱，至1、2月份降為最低；到春季來(lái)臨，地表細(xì)顆粒物損失量又明顯加大，4月份達(dá)到最大；隨著夏季來(lái)臨，地表風(fēng)蝕損失又顯著減弱；即灌區(qū)耕地的風(fēng)蝕表現(xiàn)為：先逐漸增大，然后又減弱，翌年又再次加重的“U”形曲線模式。就兩次風(fēng)蝕高峰期相比，裸地10月份的風(fēng)蝕量占總風(fēng)蝕量的12%，4月份風(fēng)蝕量占總風(fēng)蝕量的26%。對(duì)于小麥和披堿草地，它們表土的風(fēng)蝕規(guī)律與裸地類似。就風(fēng)蝕最嚴(yán)重的3～5月份分析，小麥地與裸地風(fēng)蝕相近，而披堿草地與裸地差異顯著，從防治風(fēng)蝕角度看，該灌區(qū)不適合種植春小麥等春播作物。綜上，秦王川灌區(qū)風(fēng)蝕季節(jié)地表風(fēng)蝕表現(xiàn)為：秋季較強(qiáng)，冬季減弱，春季又加重的特點(diǎn)；就整個(gè)風(fēng)蝕季節(jié)地表細(xì)顆粒物損失而言，裸地>小麥地>披堿草地；種植披堿草有利于減弱耕地的地表風(fēng)蝕，而種植春小麥將加劇地表細(xì)顆粒物的流失。

圖3 不同處理土壤風(fēng)蝕量

4 討論與結(jié)論

風(fēng)蝕季節(jié)秦王川灌區(qū)耕地的風(fēng)蝕表現(xiàn)為：秋末冬初風(fēng)蝕較大，冬季較小，春季增強(qiáng)的“U”形曲線模式。這主要是由于秦王川灌區(qū)地處溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候帶，秋末冬初降雨稀少，再加上冷空氣頻繁南侵、經(jīng)常刮西北風(fēng)，從而造成耕地風(fēng)蝕較大；冬季，該區(qū)溫度較低、地表凍結(jié)，同期大風(fēng)天氣也相對(duì)較少，故耕地風(fēng)蝕危害相對(duì)較輕；到春季，溫度快速升高土壤解凍，由于蒸發(fā)強(qiáng)烈使得地表含水量降低，再加上鄰近騰格里沙漠，有風(fēng)天氣較多，從而使耕地風(fēng)蝕再一次加劇。就風(fēng)蝕總量分析，風(fēng)蝕季節(jié)該灌區(qū)耕地風(fēng)蝕量可達(dá)1.7 kg/m2，即一個(gè)風(fēng)蝕季節(jié)耕地被風(fēng)刮走的表土細(xì)顆粒物就可達(dá)1.3 mm厚(土壤容重按1.3 g/cm3計(jì)算)；就風(fēng)蝕最嚴(yán)重月份看，3～5月份的風(fēng)蝕量較大，其風(fēng)蝕量之和占到總風(fēng)蝕量的54%。與肖紅浪早期測(cè)定結(jié)果相比[8]，灌區(qū)耕地風(fēng)蝕有了明顯降低，現(xiàn)在耕地風(fēng)蝕損失量?jī)H為原來(lái)16%；而且，風(fēng)蝕最嚴(yán)重時(shí)間也從冬季改變到春季。其原因可能是：隨著灌區(qū)內(nèi)防風(fēng)林網(wǎng)樹木長(zhǎng)大、長(zhǎng)粗，耕地上方風(fēng)速被顯著減弱；再加上通過(guò)多年的灌溉耕地，土壤含水量有了顯著提高，從而提高了耕地表土的抗風(fēng)蝕能力。

地表植物強(qiáng)烈地影響著土壤圈和大氣圈間的能量傳遞，從而也顯著地影響著耕地表層細(xì)顆粒物的流失。農(nóng)田中作物或牧草的存在增大了耕地地表的粗糙度，吸收和分散了地表的風(fēng)動(dòng)量，減弱了耕地表層細(xì)顆粒物與氣流間的能量傳遞[11]，從而減弱了耕地的風(fēng)蝕危害。如秦紅靈等研究發(fā)現(xiàn)[12]，翻耕地的土壤風(fēng)蝕量是免耕地的3～8.2倍，不同作物殘茬保護(hù)農(nóng)田免受風(fēng)蝕影響的大小順序?yàn)椋翰莨茸?莜麥>玉米>油菜。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，在風(fēng)蝕季節(jié)，由于耕地中生長(zhǎng)有小麥和披堿草(或其根茬)，使得地表粗糙度比裸地提高近0.5～7.1倍，相應(yīng)也提高了其地表濕度和土壤含水量，從而使得耕地細(xì)顆粒物損失降低近20%～43%。從風(fēng)蝕總量看，盡管小麥地的表土風(fēng)蝕量比裸地有一定下降；但從風(fēng)蝕最嚴(yán)重的3～4月份看，春小麥地和裸地的風(fēng)蝕量差異不明顯，而種植披堿草耕地的表土細(xì)顆粒物損失量與裸地相比，有了明顯下降。這主要是由于3～4月份期間，春小麥的長(zhǎng)勢(shì)還比較弱，無(wú)法抵抗風(fēng)蝕危害；而多年生牧草披堿草春季發(fā)芽較早、長(zhǎng)勢(shì)較快，此時(shí)已有相當(dāng)數(shù)量的地表植被，從而可抵抗一定的風(fēng)蝕危害，這也是春季披堿草耕地風(fēng)蝕危害遠(yuǎn)小于小麥地的主要緣由[7]。

綜上，秦王川灌區(qū)耕地在風(fēng)蝕季節(jié)表現(xiàn)為：秋末冬初風(fēng)蝕較大，冬季減弱，春季又明顯加重的“U”形模式，風(fēng)蝕最嚴(yán)重時(shí)間段為3～5月份；種植春小麥不利于減弱耕地風(fēng)蝕，而種植多年生牧草披堿草可顯著降低耕地風(fēng)蝕危害，下降幅度可達(dá)43%。為了減輕秦王川灌區(qū)耕地的風(fēng)蝕危害，相關(guān)部門應(yīng)指導(dǎo)農(nóng)民減少以春播為主的農(nóng)作物種植模式，大力推廣種植多年生牧草(如披堿草)，或?qū)嵭胁萏镙喿鳎詫?shí)現(xiàn)“藏糧于地”的國(guó)家戰(zhàn)略。