民勤綠洲灌區保護性耕作對土壤風蝕的影響

李銀科， 徐先英， 張瑩花， 劉虎俊， 張衛星， 萬 翔

(甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地,甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站,甘肅省治沙研究所, 甘肅 蘭州 730070)

沙塵天氣給人們生活及工農業生產帶來了極大的危害，農田土壤又是沙塵的重要來源[1-2]。傳統耕作農田對土壤多次翻耕造成一個疏松的表層，導致土壤風蝕發生[3]。保護性耕作農田通過以下幾個方面抑制土壤風蝕[4-5]：①殘茬可分解風力對地表的剪應力，消耗風動量；②殘茬根系有固土并減少地表土壤水分蒸發的作用，殘茬還可攔截風沙流中的土壤顆粒，降低沙塵顆粒對地表的磨蝕作用；③殘茬覆蓋可使地表免受風的直接吹蝕，保護了易蝕性土壤顆粒，保護性耕作還可以改善土壤團粒結構，增加抗蝕性土壤顆粒。國內外大量研究表明，以殘茬覆蓋為中心的保護性耕作能大幅減少農田土壤風蝕，是一項能有效防止風蝕的耕作方法[6-7]。

目前，國內有關保護性耕作對土壤風蝕的研究主要集中在旱作農業區，綠洲灌區研究很少，已有研究主要以室內風洞試驗為手段，缺少田間試驗。本文以民勤綠洲灌區農田為研究對象，用野外風洞在農田地表模擬自然風速，測定不同耕作下墊面土壤風蝕特征，以期為評估保護性耕作防治農田土壤風蝕的作用和揭示相關機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤治沙綜合試驗站，地理位置為103°51′E,38°38′N，海拔1 378 m。該區域屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候區，冬季寒冷，夏季酷熱，晝夜溫差大，年平均氣溫7.6 ℃，極端低溫-30.8 ℃，極端高溫40.0 ℃，無霜期175 d；降水量小，蒸發量大，氣候干燥。年均降水量113.2 mm，年均蒸發量2 604.3 mm，干燥度平均5.1，最高達18.7，相對濕度47%。光熱充足，年均日照時數2 799.4 h，≥10 ℃的活動積溫3 036.4 ℃。冬春季盛行西北風，全年風沙日可達83 d，多集中在3—5月份，年均風速2.5 m/s，最大風速為23.0 m/s。地帶性土壤為灰棕荒漠土，試驗地土壤為灌漠土，質地為砂壤，位于沙地邊緣，潛水埋深16 m以下。

1.2 試驗設計

以傳統耕作為對照，設置4個保護性耕作措施：①傳統耕作處理，前茬作物收獲后深耕滅茬、耙耱整平，不覆蓋；②免耕不覆蓋處理，前茬作物收獲后免耕，不覆蓋；③免耕秸稈覆蓋處理，前茬作物收獲后免耕并將秸稈切成5 cm長度覆蓋；④立茬處理，前茬作物收獲后免耕，留茬高度20 cm，另不覆蓋；⑤殘茬壓倒處理，前茬作物收獲后免耕，留茬高度20 cm，并壓倒，另不覆蓋。每個耕作措施有3個重復樣方，共15個樣方，隨機排列，樣方大小為6.7 m×60.0 m，樣方的長邊與主風向一致，這樣可以保證樣方之間不受風的影響。保護性耕作試驗在2015—2017年進行，試驗作物為春小麥，試驗地前茬為葵花，該區春小麥3月播種，7月收割，春小麥生育期灌溉5次，年底冬灌1次，每次約1 500 m3/hm2，均為漫灌。2014年在所有樣方用傳統耕作種植小麥，收割時按上述試驗設計設置試驗，2015—2017年按試驗設置種植小麥，2018年春沒有種植小麥，其他管理同上年，僅做野外風洞試驗，試驗于2018年4月進行。各處理0—5 cm土壤含水量及干團聚體組成如表1所示。

表1 試驗區地表土壤含水量和干團聚體組成 %

試驗應用甘肅省治沙研究所研制的野外土壤風蝕風洞，該風洞總長為12.5 m，試驗段長5 m,橫截面0.6 m×0.6 m，風速0～20 m/s可調。風洞洞體由進氣段、動力段、過渡段、擴大段、穩流段、第一收縮段、第二收縮段和試驗段8部分組成。風洞動力采用南京鼓風機廠的定型風機，型號SW2-11-N0.8，功率11 kW，電源來自一臺10 kW汽油發電機。整流段由過渡段、擴大段、穩流段、第一收縮段和第二收縮段組成，總長4.9 m。試驗時，將風洞放置在測試區，風洞軸線與該區主風向平行，在試驗段前段、洞體中心安置皮托管設定風速，設5,10,15 m/s共3個風速水平，在試驗段末端用皮托管采集5，10，15，20 cm高度處風速，同時在試驗段末端用階梯式集沙儀(30孔，每孔口徑為2 cm×2 cm)收集0—60 cm高度輸沙量。另外，用30 cm×30 cm，高10 cm的原狀土壤取樣器在放置風洞旁的地表取原狀土壤，在試驗地中間位置挖30 cm×30 cm×10 cm放置原狀土壤的小坑，將所取原狀土壤連同取樣器放進小坑，使土壤樣品表面與地表齊平。然后由低到高設置風洞風速，在設定風速下吹蝕10 min，待風速穩定后進行風速采集，采集時間為2 min，每次吹蝕后將原狀土樣取出用感量為0.1 g電子天平稱量，計算累積風蝕量，即同一樣方某一風速下的風蝕量與上次較小風速下的風蝕量之和。

1.3 數據分析

數據分析使用SPSS13.0統計軟件，以耕作方式為變量，對風蝕量和輸沙量進行單因素方差分析，用最小顯著性差異LSD(p<0.05)法進行處理間差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 不同耕作處理風速廓線的變化

傳統耕作和保護性耕作處理在不同風速下5—20 cm高度的風速廓線見圖1。由圖1可以看出，與傳統耕作相比，不同風速下，各保護性耕作處理均能不同程度地降低風速，立茬處理風速降低幅度最大，風速的大小順序為：傳統耕作>殘差壓倒>免耕秸稈覆蓋>免耕不覆蓋>立茬。5—10 cm高度，15 m/s風速下，傳統耕作風速隨高度增速很快，殘差壓倒增速也較快，其他保護性耕作處理在5—20 cm高度隨高度增加增速比較均勻。

圖1 各處理在不同試驗風速下的風速廓線特征

2.2 不同耕作處理風沙流結構(輸沙量)的變化

不同試驗風速下傳統耕作和保護性耕作風沙流結構如圖2所示。由圖2可知，在5 m/s風速下，各處理風沙流結構相似；在10 m/s風速下，0—20 cm輸沙量傳統耕作較為明顯地大于各保護性耕作；風速增大到15 m/s，傳統耕作0—20 cm輸沙量非常明顯地大于各保護性耕作、風沙流結構呈現“象鼻效應”，最大輸沙量出現在距地面5 cm的高度處。各保護性耕作風沙流結構在不同風速下基本一致，即使大風下也沒有出現“象鼻”。研究結果表明保護性耕作能夠大幅降低近地面強烈的土壤風蝕，這種作用隨風速的增大更加明顯。

圖2 不同試驗風速下各處理的風沙流結構特征

各處理在不同風速下0—60 cm高度輸沙量見表2。不同風速下，各保護性耕作輸沙量均小于傳統耕作，不同保護性耕作處理之間輸沙量差異均不顯著。風速為5 m/s和10 m/s時，各保護性耕作與傳統耕作之間輸沙量差異均不顯著，風速越大，這種差異越明顯，風速達到15 m/s時，各保護性耕作輸沙量顯著小于傳統耕作。

表2 不同試驗風速下的0-60 cm高度輸沙量比較 g

2.3 不同耕作處理風蝕量的變化

傳統耕作和保護性耕作的土壤風蝕量均隨著風速的增大而增大(見表3)。與傳統耕作相比，在不同試驗風速下，各保護性耕作土壤風蝕量均不同程度地降低；5 m/s試驗風速下，免耕秸稈覆蓋和立茬風蝕量顯著降低；由于10，15 m/s試驗風速下傳統耕作土壤風蝕量變異很大，各保護性耕作處理土壤風蝕量的下降不顯著。

表3 各處理在不同試驗風速下的土壤風蝕量比較 g

3 討論與結論

保護性耕作可以有效地降低近地表風速[8]。傳統耕作地表無殘茬的阻擋，近地表風速大，各保護性耕作處理的殘茬消減了風速，由于留茬的不同，各保護性耕作消減風速的程度也不同。立茬有20 cm高的留茬，消減風速的能力最強，殘差壓倒由于殘茬被壓倒風速消減能力最差，免耕不覆蓋和免耕秸稈覆蓋介于中間。

保護性耕作農田輸沙量與高度變化符合指數函數關系，土壤顆粒主要集中在近地表層內運動[9]。本研究中，保護性耕作輸沙量不論在多大風速下都隨高度的增加逐漸減小，風沙流結構類似于指數函數，而傳統耕作在大風時5—10 cm高度風速迅速增大，裹挾較多風蝕物離開地面，輸沙量在距地面5 cm高度處出現最大值，風沙流結構出現“象鼻效應”，風速在5 m/s時已有“象鼻”雛形，10 m/s時比較明顯，15 m/s時“發育成熟”(圖2)。由于殘茬消減風速，即使在大風時近地表風速也均勻增大，保護性耕作正是這樣阻止了“象鼻”的形成，從而明顯降低了近地面輸沙量。近地面風速較小情況下的田間輸沙量實測值表明，輸沙量隨高度的增加呈遞減趨勢[3,5]，這與本研究結果相近。陳智等[10]研究表明，風速在7～17 m/s范圍內，傳統耕作風沙流結構均遵循指數函數、留茬保護性耕作均出現“象鼻效應”。這與本研究結果不同，原因為：①本研究中心風速在距地表30 cm高度處，該研究在60 cm高度處，傳統耕作地最大風速17 m/s時相當于本研究中14m/s時的風速；②地表土壤含水量不同，本研究傳統耕作地表為2.59%，該研究為4.78%，土壤相對不易被風蝕；③試驗時風洞的放置方向和留茬高度不同，本研究風洞軸線與麥茬行向平行、留茬高度為20 cm，該研究風洞軸線與壟向即麥茬行向垂直、留茬高度為30 cm，這樣留茬消減風速的作用更強。綜合以上試驗設置和土壤水分的不同，陳智等[10]研究中傳統耕作風蝕程度低于本研究，所以未出現“象鼻效應”；該研究留茬抬高了風速廓線，最大輸沙量出現在殘茬以上，風沙流結構出現了“象鼻效應”。本研究中立茬處理25 cm高度附近輸沙量出現較大值，是因為立茬附著了較多上風向帶來的沙塵，此高度風速也較大不受立茬的阻止而形成的。嚴長庚等[11]研究表明，保護性耕作能減小風蝕量，風蝕量隨風速增大而增大，這與本研究結果相同。

保護性耕作的殘茬不僅降低了風速，而且通過減少風對土壤的直接吹蝕、以及保持土壤較高的含水量，從而減小了土壤風蝕量。與傳統耕作相比，保護性耕作降低了地表風速，阻止風沙流結構出現“象鼻效應”，減小了輸沙量，降低了土壤風蝕量。風速越大，保護性耕作減小土壤風蝕的程度越大。立茬處理消減風速幅度最大，免耕秸稈覆蓋和立茬處理輸沙量和風蝕量均較小，再考慮到立茬在實際生產中實施簡便，因此認為立茬處理最優。綜上，綠洲灌區保護性耕作能有效防止田間土壤風蝕，立茬適宜推廣應用。