沙質農田作物不同間作采收模式休耕期的防風效應

莎日娜，于明含,2*，丁國棟,2，吳葉禮，李嘉珞，譚 錦

1. 北京林業大學水土保持學院，水土保持國家林業和草原局重點實驗室，北京 100083

2. 寧夏鹽池毛烏素沙地生態系統國家定位觀測研究站，寧夏 鹽池 751500

土壤風蝕是影響我國北方沙區農田生產力和土壤肥力的重要因素[1-4]，冬春季休耕期由于農田地表裸露，土壤風蝕現象尤為嚴重. 因此，合理調整種植結構、抑制休耕期農田風蝕，是保護沙區農田地力、提高作物生產力的關鍵[5-7]. 油沙豆(Cyperus esculentus)是一種優質、高產、利用價值高的多用型經濟作物，在油、糧、飼、藥等多方面具有極大的開發潛力，因其地下塊莖含油量高，被稱為“油料之王”，近年來被我國納入《全國種植業結構調整規劃(2016?2020年)》方案中，未來有望成為大豆的替代作物. 油沙豆根系發達，可改善土壤環境、沃土培肥，還具有耐鹽、耐堿、耐干旱、適應性廣的生態學特性，適宜在沙區種植[8-9]. 然而，油沙豆塊莖的采收易導致表層土壤結構破壞，采收后在10月到翌年3月間的休耕期地表土壤極易發生風蝕，嚴重影響當地生態環境，也成為油沙豆在沙區種植推廣的重要障礙. 因此，調整油沙豆種植結構，建立沙區防風減蝕種植模式，抑制油沙豆農田土壤風蝕，是油沙豆在沙區大面積種植以保護生態的前提.

國內外針對農田保護性耕作模式已多有探討，如常用的免耕、少耕技術等，其中針對地下塊莖類作物的保護性耕作模式以間作方式為主. 間作是采用秸稈類作物與地下塊莖類作物實施帶狀相間種植，通過間作作物地上秸稈形成降低風速、攔截沙粒、減少風蝕的生態屏障[10-12]. 陳智等[13]對麥薯帶狀間作農田的土壤抗風蝕能力進行研究時表明，翻耕帶中有88.46%~98.56%的土壤風蝕顆粒能夠被小麥間作帶截留；趙彥軍[14]研究也表明，秸稈作物間作是解決馬鈴薯農田土壤風蝕的最有效途徑. 雖然間作模式的防風減蝕效果已經被廣泛認可，但是，不同間作物種的選擇以及配置模式對裸露地表的保護能力存在顯著差異. 趙舉等[15]對不同帶間距下小麥間作帶的地表保護效果進行研究，發現輸沙量隨帶間距的增加而增大；高捷等[16]的研究表明，風速及輸沙量隨燕麥間作帶高度的增加而降低；妥德寶等[17]在研究麥薯類、油菜薯類、玉米豆類帶狀間作時發現，密植作物間作帶的防護蝕效果最優. 由此可知，若要實現較好的防風減蝕效果，需綜合考量間作作物種類、高度、配置模式等多項因素.

該研究以烏蘭布和沙漠內油沙豆與玉米、向日葵間作農田為研究區，通過風洞試驗的手段，模擬兩種作物的多種間作配置模式對油沙豆種植區近地表風速的影響，闡明油沙豆不同間作種植對農田風蝕影響的機理，并提出最優間作模式，為該地區油沙豆防風阻沙保護性耕作措施的制定提供理論依據及實踐指導.

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于烏蘭布和沙漠東北緣(106°09′E~106°10′E、40°09′N~40°57′N)，屬溫帶荒漠大陸季風性氣候，晝夜溫差大，年均氣溫為7.5~8.5 ℃，最高氣溫為38.2 ℃，最低氣溫達?34.2 ℃，降雨量少，蒸發量大，降雨多集中在7?8月，年均降雨量為139.2 mm，年均蒸發量為2 387.6 mm，全年日照時數3 209.5 h，無霜期可達130 d. 土壤類型為風沙土. 該區域風多風大，主害風向為西北風，多集中在3?5月，年均風速為4.1 m/s，起沙風速為6.0 m/s，最大瞬時風速可達24.0 m/s，年均大風天數為20~40 d，揚沙天數為30.2 d，沙塵暴天數為10.9 d. 該地區主要農作物有小麥(Triticum sativum)、大 豆(Glycine max)、馬 鈴薯(Solanum tuberosum)、玉 米(Zea mays)、向 日葵(Helianthus annuus)等.

試驗樣地在內蒙古自治區磴口縣油沙豆種植示范區內，間作種植模式主要有油沙豆間作玉米(間作帶間距分別為8、16、24 m)、油沙豆間作向日葵(間作帶間距分別為8、16、24 m)共6種間作模式. 間作帶種植方式為品字形種植，每個間作帶種植2壟，每壟2行(見圖1，側視圖). 玉米間作帶株距25 cm，行距35 cm，壟間距75 cm，平均株高(200±23.6) cm. 向日葵間作帶株距50 cm，行距50 cm，壟間距100 cm，平均株高(150±11.8) cm(見圖1). 種植方向均垂直于主害風向.

圖 1 間作玉米、向日葵野外模式鳥瞰圖和間作帶模型示意Fig.1 Aerial view of the corn and sunflower intercropping modes in the field and schematic diagram of the intercropping zone mode

1.2 試驗設計

1.2.1風洞試驗設備

該試驗于2021年10?12月在北京林業大學西山校屬鷲峰試驗林場內風沙物理實驗室的風洞(116.11°E、40.06°N)中進行，該風洞為直流式風洞，由驅動系統、洞體和測控系統組成，洞體總長24.5 m，包括風扇段、過渡段、穩定段、收縮段和擴散段5個部分，主要試驗段長12 m，其橫截面積為0.6 m×0.6 m，風速在3~40 m/s范圍內連續可調，有效試驗截面風速脈動小于1.5%，雷諾數(Re)為105~106，該風洞試驗段的內壁兩側邊界層厚度約為0.05 m，底板邊界層厚度約為0.25 m，滿足試驗模型在風洞邊界層內可包容的要求. 試驗中主要試驗段鋪設3 mm厚ABS板作為床面以固定模型. 測控系統主要有變頻電機、控制柜、三維移測系統以及KIMO熱線風速儀，其中KIMO熱線風速儀利用熱平衡原理，通過感測空氣流動所流失的熱量計算風速，精度為±0.1 m/s，該試驗將風速測定設為1 s記錄一次風速數據，每個測點測量30 s，該測點的最終風速值取其平均值.

1.2.2試驗模型設計

根據烏蘭布和沙漠油沙豆種植樣地現有間作模式的野外調查，按照1∶25的幾何相似比設計，確定玉米秸稈模型高度8 cm、徑粗0.14 cm，向日葵秸稈模型高度6 cm、徑粗0.16 cm. 間作作物玉米、向日葵秸稈2壟(4行)為一帶，帶間距分別為32、64、96 cm.試驗以油沙豆單作模式為對照. 6種不同間作模式的模型配置參數如表1所示.

表 1 不同間作模式模型配置參數Table 1 Model configuration parameters for different intercropping modes

1.2.3風速觀測

為探究休耕期不同間作模式在各類強度風事件下的防護效果，該試驗依據當地起沙風速(6 m/s)及多年風速發生的頻率統計，將試驗風速設置為6、8、12、16 m/s四種梯度，對應實際風力4~7級.

在4組風速下，測定不同間作模式帶間距內位于風洞垂縱剖面上10個高度的風速變化情況，垂直測點高度分別為0.8、1.6、2.4、3.2、4、6、8、12、16、20 cm.水平方向測點按作物模型高度(H)的倍數來布設，具體布設點如表2所示.

表 2 不同間作模式水平測點設計Table 2 Design of horizontal measuring points in different intercropping modes

1.3 數據處理

1.3.1風速廓線模擬

該試驗在對照條件下測得的風速廓線滿足對數分布律，計算公式[18]：

式中：u(z)為高度z處的風速，m/s；u*為摩阻風速，m/s；z為觀測點的高度，cm；z0為地表粗糙度，表示風速為0時的高度，cm；k為卡門常數，通常取0.4.

根據各模式實際測得的風速數據繪制風速廓線圖，并進行對數擬合計算，得到各模式的摩阻風速，并與單作全采收模式進行對比. 該試驗以無模型情況下測定的風速作為對照(CK)，經計算得到對照條件下的摩阻風速為0.341 m/s.

1.3.2防風效能計算

防風效能是體現保護性耕作措施防護能力的一項重要指標，防風效能值用實測點風速與相同位置對照風速減小的百分比表示，計算公式[19]：

式中：Ehz表示間作帶后距離為h處z高度的防風效能；Vhz表示間作帶后距離h處z高度的平均風速；Vcz表示空風洞內對應測點在z高度的平均風速.

1.3.3數據分析與制圖

采用Origin 2018軟件繪制風速及防風效能點線圖；利用Surfer 13.0軟件繪制流場結構及防風效能等值線圖，運用SPSS 17.0軟件對各模式近地表防風效能進行ANOVA單因素方差分析，運用LSD進行多重比較分析.

2 結果與分析

2.1 不同間作模式的風速廓線特征

不同間作模式的風速廓線特征如圖2所示. 由于不同軸心風速下的風速廓線相似，現以12 m/s的風速為例進行分析. 各模式的風速廓線均符合對數函數分布規律，決定系數均在0.8以上. 玉米、向日葵間作模式均能增加地表粗糙度，降低近地表風速. 玉米和向日葵間作模式帶后不同距離處的風速顯著低于對照(見圖2). 玉米間作帶0~4 cm近地表風速隨帶間距的增大而增大，表現為帶間距8 m模式<帶間距16 m模式<帶間距24 m模式. 4~8 cm高度范圍內風速逐漸增大，但遠小于對照風速. 在間作帶高度以上(> 8 cm)風速隨高度增速減緩，且逐漸接近對照風速.

向日葵間作模式的近地表風速顯著高于玉米間作模式，0~4 cm高度范圍內各帶間距模式中不同帶后距離的風速差異較小，且顯著低于對照風速. 4~6 cm高度范圍內的風速隨高度升高而趨于對照風速. 在間作帶高度以上(> 6 cm)風速接近于對照風速.

向日葵間作模式種植密度小于玉米，故風速始終大于玉米間作模式. 各模式中，間作帶高度以上的風速均逐漸增大并高于試驗風速，由此反映了間作帶對氣流的抬升作用.

2.2 不同間作模式的流場結構分布特征

以12 m/s的試驗風速為例分析各間作模式在垂直縱剖面上的流場結構特征. 由圖3可知，玉米間作中不同帶間距模式的近地表風速均低于向日葵間作各模式. 在玉米間作模式中，帶間距8 m和16 m模式的近地表風速均低于起沙風速(6 m/s)，而帶間距24 m模式中，在帶后約6倍株高范圍內(6 H)風速明顯低于起沙風速，但超過該范圍后風速逐漸高于起沙風速. 向日葵間作中不同帶間距模式近地表風速均高于起沙風速，為9 m/s，且隨間作帶間距的增加，風速最低值范圍減小，帶間距為8 m模式的最低風速范圍明顯大于16 m和24 m模式.

圖 3 12 m/s模擬風速下不同間作模式的風速流場Fig.3 Wind speed and flow field of the different intercropping modes under a simulated wind speed of 12 m/s

當試驗風速為6、8、16 m/s時，玉米、向日葵不同帶間距間作模式的風速流場分布特征與12 m/s時的流場結構基本相同，均為與風向走勢平行且較為整齊的風速等值線. 各模式中近地表風速均有不同程度的降低，由此說明間作玉米、向日葵對減少風蝕具有一定作用.

玉米、向日葵不同帶間距下近地表風速方差分析結果(見表3)表明，作物種類和帶間距在4種風速下對近地表風速均存在顯著影響(P<0.05)，在16 m/s風速下，間作作物及帶間距雙因素對近地表風速存在顯著交互作用(P<0.05)，而6、8、12 m/s的風速均無顯著影響(P>0.05).

2.3 不同間作模式的防風效能

以12 m/s的試驗風速為例，玉米、向日葵不同帶間距的防風效能在垂直縱剖面上的分布特征如圖4所示. 玉米不同帶間距模式在整個帶間距內0~5 cm高度范圍的防風效能均大于40%，其中帶間距為8 m和16 m模式近地表的防風效能可達50%. 向日葵3種帶間距模式0~5 cm高度范圍的防風效能值在9.83%~28.60%的范圍內，整體防風效能值均低于玉米各模式.

圖 4 12 m/s模擬風速下不同間作模式的防風效能Fig.4 Shelter efficiency of the different intercropping modes under simulated wind speed of 12 m/s

表 3 玉米、向日葵不同帶間距對近地表風速影響的雙因素方差分析結果(F值)Table 3 Two-way ANOVA results (F values) of the influence of the different belt spacing of Zea mays and Helianthus annuus on the near-surface wind speed

在6、8、12、16 m/s風速下，對比分析油沙豆不同間作模式的近地表防風效能差異(見表4、5)可知，玉米間作模式中，帶間距為24 m模式在6、8 m/s風速下的防風效能與16 m/s風速的防風效能均存在顯著差異(P<0.05)；向日葵間作模式下，帶間距16 m模式和帶間距24 m模式在6 m/s風速下的防風效能與12、16 m/s風速下的防風效能均存在顯著差異(P<0.05).該結果說明，一方面防風效能受到風速的顯著影響；另一方面，風速對防風效能的影響依賴于帶間距大小，帶間距較大模式下，間作帶的防風效能更容易受到風速變化的影響.

表 4 不同風速下各間作模式近地表防風效能的差異Table 4 Differences in the near-surface shelter efficiency of each intercropping mode under the different wind speeds

表 5 間作作物、帶間距及風速對防風效能影響的多因素方差分析結果Table 5 Multivariate ANOVA of the effects of intercropping,band spacing and wind speed on the shelter efficiency

3 討論

土壤風蝕的強度主要取決于風動力的大小，在農業生產中通常采用改變下墊面性質的方法，以實現提高地表粗糙度、降低風速的效果[20-23]. 相比傳統的耕作方式，間作通過將裸露農田分割為條田，形成擋風攔土的屏障，以保護裸露地表. 該研究表明，在油沙豆農田中，間作玉米和向日葵均能有效降低近地表風速，實現了間作模式的防風減蝕效果.

研究表明，間作玉米模式對風速的削弱能力大于間作向日葵模式，這與作物本身特征及間作帶種植方式均有關. 以往研究證明，具有較高覆蓋度、密度和植株個體的間作帶防風阻沙效果更顯著[24-29]. 玉米秸稈與向日葵秸稈相比具有更高更密的特征，形成了較高的地表覆蓋度，故其增加地表粗糙度，削減風速效果較好.

防風效能不僅受限于間作物種及其種植密度，間作帶間距也對防風效能有顯著影響. 多項研究表明，間作帶的防風效果隨帶后距離的增加逐漸減弱，且間作對裸露地表的保護作用具有距離閾值[30-32]，該研究結論也佐證了這一規律. 該研究證明間作作物種類與帶間距對防風效能的影響沒有交互效應，說明帶間距對防風效能的影響規律具有廣泛適用性.

風速對間作帶防風效能的影響在該研究中得到證明，風速越大間作帶的防風效能越低，這與李雪琳等[33]對防護林的研究結果一致. 然而，風速對間作帶防風效能的影響依賴于間作模式，帶間距越大，風速對防風效能的影響越顯著. 在以往農田保護性耕作研究中，風速的影響鮮有探討，該研究結果是對農田保護性耕作模式效果評價的一個重要補充. 研究結果表明，帶間距8 m或16 m的玉米間作模式防風效能最高，且風速對這兩種模式的防風效能無顯著影響，即這兩種模式的間作種植可以有效地防護較高風力的侵蝕，因此，可選用帶間距8 m或16 m的玉米間作模式來達到防風阻沙的目的，考慮到有效防護距離最大化的原則，應將玉米間作帶間距確定為16 m，該模式是兼顧生態效益與經濟效益的最優間作模式，可有效遏制休耕期大風對油沙豆農田地表的吹蝕作用.

4 結論

a) 油沙豆不同間作模式中，風速均隨高度的增加呈對數增長，且地表粗糙度顯著增加，近地表風速降低. 地表粗糙度隨帶間距的增加而減小.

b) 玉米帶間距8 m及16 m模式近地表風速均低于當地起沙風速，帶間距24 m模式在帶后6倍株高處的近地表風速高于起沙風速；向日葵各帶間距模式近地表風速均高于起沙風速.

c) 玉米間作帶防護效果優于向日葵，玉米帶間距為16 m的間作模式是油沙豆農田防風減蝕的最佳模式，可在烏蘭布和沙漠油沙豆農田中予以推廣.