保護性耕作對土壤風蝕的影響

范清成，王飛，穆興民，劉振東，李銳

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國科學院研究生院，100049，北京;3.西北農林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

土壤風蝕是土地沙漠化過程的重要組成部分和首要環節［1］。在黃土高原的西部地區和北部地區由于氣象條件和土壤狀況等因素的影響，土壤風蝕較為嚴重［2］。黃土高原北部風蝕水蝕交錯區冬春季地表植被覆蓋率低，并且同期風速較大，易發生風蝕［3］。許多研究［4-9］表明保護性耕作措施能夠有效減少風蝕，秸稈覆蓋能夠保護覆蓋區域免受風的吹蝕，而留茬能夠降低近地面風速，阻擋沉積風蝕物。壟作也能夠減少風蝕，壟向、壟高和壟間距等壟作結構影響著土壤風蝕速率。筆者采用室內風洞模擬實驗，研究秸稈覆蓋、留茬和壟作對土壤風蝕的影響，通過對土壤風蝕定量分析研究不同保護性耕作措施的防風蝕效應，并以此為根據探索有效減少農田風蝕的方法。

1 材料與方法

1.1 實驗土樣采集

實驗樣品采自黃土高原北部神木縣六道溝流域附近，該區位于黃土高原北部水蝕風蝕交錯區，多年平均降水量437.4 mm，年均溫度8.4℃，無霜期169 d，盛行風向NW，年蒸發量785.4 mm，屬半干旱氣候。該區土壤以綿沙土、沙黃土和壩堤淤土為主，主要種植玉米(Zea mays L)、谷子(Setaria italica)和小麥(Triticum aestivum Linn)等作物，種植制度為一年一熟，耕地以旱作坡耕地為主。

實驗土壤樣品為緩坡耕地表耕作層0～20 cm土壤，土壤類型為蓋沙黃土，粒徑 ＜0.001 mm、0.001～0.05 mm和＞0.05 mm分別為15.19%、36.90%和47.91%，風干后平均土壤含水量為1.0%左右。

1.2 實驗風洞與風速處理

實驗在中國科學院水利部水土保持研究所室內風洞實驗室進行。風洞(圖1，省略支架)全長19 m，分為動力段、調節段、整流段、實驗段和集沙段。主要截面寬1 m、高1.2 m，風機出口截面直徑1.4 m，通過配套變頻器(0～50 Hz)調節風速，風速在0～15 m/s范圍內連續可調，風洞內風速截面風速均勻性良好，σ≤±0.25%(σ為截面任一點氣流速度與氣流平均速度相對偏差的均方根)。

在實驗段前設置風速儀測定不同高度的風速，在集沙段設置集沙儀收集不同高度風蝕物，并在集沙段末端設置攔擋裝置收集全沙。實驗風速以風洞上風向高程30 cm處風速為基準，分別設定6、8、10和12 m/s 4種風速，每次吹蝕時間為15 min。

1.3 實驗設計與土樣處理

圖1 實驗風洞結構示意圖Fig.1 Wind tunnel structure

將實驗土壤按照野外農田耕地密度設計稱量并裝入土槽(尺寸為1.25 m×1.00 m×0.12 m)，將土槽推入實驗段使土壤表面與風洞底部表面持平。模擬實驗設計(表1)包括1個土壤表面裸露對照處理(CK)和3種保護性耕作措施的7個處理:小麥留茬處理茬高分別為20、10和5 cm，行距15 cm;秸稈覆蓋包括4 210和2 105 kg/hm22種覆蓋量;壟作處理土壟高7 cm，壟間距為35 cm，壟溝比為1∶5，壟向設置橫壟(壟向和風向垂直)和順壟(壟向和風向平行)。

表1 不同保護性耕作措施設計Tab.1 Treatments of tests

1.4 實驗數據測定和處理

用15 cm高、5 cm寬的集沙儀收集0～60 cm(0～15、15～30和45～60 cm)高度的風蝕物，并在末端擋網下端收集風蝕物，在105℃烘箱內烘干至質量不變，用精度1/100的電子天平稱量，并在土槽上風向處安置風速儀測定風速變化。實驗結果數據用Excel和SPSS軟件進行處理，分析不同耕作方式的土壤風蝕速率及其之間的差異性，擬合風蝕速率與風速變化曲線方程。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式的風蝕速率

實驗結果表明，留茬和秸稈覆蓋都能夠有效減少風蝕，而壟作處理時的風蝕速率與壟向和風向關系很大。與CK相比(表2)，除T7的平均風蝕速率增加外(增幅約為41.26%)，其余耕作方式均可以減少風蝕速率，其中高覆蓋處理T4減蝕能力最大，平均風蝕速率減幅達到62.78%，T6減蝕能力較小(29.91%)，其余處理減蝕能力在38% ～49%之間。當壟向與風向平行時，土壤風蝕加劇，主要可能因為壟間風速增加會吹蝕壟溝以及兩側的松散土壤，而當風向垂直于壟向時，近地面風速會因為壟的存在而降低，從而降低風蝕速率。

2.2 風蝕速率與風速關系

不同風速對各耕作方式下土壤侵蝕的程度不同(表2)，風速為6 m/s時T1～T7的風蝕速率差異不大，其中T6風蝕速率較小與其他處理差異較大，主要是因為此時風速較小，土壤風蝕能量也較小，因此，各個處理間土壤風蝕速率差異不明顯，而壟作能夠起到阻擋作用有效地減少風蝕。風速大于8 m/s時不同處理方式間的風蝕速率差異變大，如當風速為8 m/s時T5的風蝕速率小于T2和T3，但當風速大于10 m/s時T5風蝕速率與T2、T3差異減小，反映出風蝕的復雜特點。

表2 不同耕作方式下的土壤風蝕速率Tab.2 Wind erosion rates of different tillage and wind speeds

國內外許多風蝕風洞研究［5-9］表明風蝕速率與風速呈現非線性相關，本文通過SPSS軟件分析實驗結果，對不同耕作方式下土壤風蝕速率(Q)和風速(v)進行曲線模擬(表3)，由于實驗條件的差異，CK風蝕速率與風速呈顯著性線性相關，R2達到0.98。其他耕作方式下的土壤風蝕速率與風速都呈現冪函數關系，R2都大于0.9，呈顯著相關。

表3 風蝕速率(Q)與風速(v)擬合曲線方程Tab.3 Curve-fitting equation between wind erosion rate and wind velocity

2.3 土壤風蝕速率與耕作方式的關系

2.3.1 與留茬高度的關系 相同風速下土壤風蝕速率隨著留茬高度的升高而降低(圖2)，在風速小于10 m/s時留茬高度5 cm與留茬高度10 cm的風蝕速率相差不大，留茬高度達到20 cm時風蝕速率明顯降低，此時留茬減少土壤風蝕的效果最好。當風速達到12 m/s時，留茬高度20 cm的風蝕速率略微較高，這可能是由于大風作用秸稈發生傾斜使阻擋作用降低，但總體上風蝕速率隨著茬高的增加還是呈現降低趨勢。

圖2 不同留茬高度與土壤風蝕速率Fig.2 Wind erosion rates with stubble heights

2.3.2 與秸稈覆蓋量的關系 不同秸稈覆蓋量下的土壤風蝕速率研究結果(圖3)表明:在相同風速下土壤風蝕速率隨著秸稈覆蓋量的增加而降低。風速小于8 m/s，秸稈覆蓋量大于2 105 kg/hm2時土壤風蝕速率幾乎為0。當覆蓋量達到4 210 kg/hm2時，

風速小于12 m/s時防風效果顯著。

圖3 不同秸稈覆蓋量與土壤風蝕速率Fig.3 Wind erosion rates with mulching weights

2.3.3 與壟向之間的關系 壟向與風向的角度影響著風蝕速率，實驗結果(圖4)表明壟向與風向垂直可以有效的減少風蝕，壟向與風向平行則加劇風蝕作用的發生。風速≤8 m/s時順壟(壟向與風向平行)的風蝕速率與CK相差不大，大于8 m/s時風蝕速率則明顯大于CK。而風速達到12 m/s時，橫壟(壟向與風向垂直)的風蝕速率與CK相差不大，可能是由于大風作用破壞土壟從而加劇風蝕。

2.4 風洞模擬土壤風蝕風沙流結構

通過不同風速下不同耕作方式0～60 cm高度范圍內輸沙量的觀測結果(表4)分析，風洞內風蝕風沙流結構特征體現在以下4方面。

圖4 不同壟向與土壤風蝕速率Fig.4 Wind erosion rates in various ridge direction

表4 不同耕作方式和風速下輸沙量垂直分布特征Tab.4 Sand discharges of different heights from 0 to 60 cm of each tillage

1)同一風速下，T1～T5處理的0～60 cm總輸沙量均小于CK，T4的總輸沙量最小，其次是T5，T1～T3之間的總輸沙量差異不大。T6和T7在風速≥10 m/s時0～60 cm總輸沙量大于CK。

2)各個處理的風蝕輸沙量主要集中在0～15 cm高度，其中T6(橫壟)45～60 cm的輸沙量所占比例較高，可能是由于壟向與風向垂直而起到抬升的作用，使得風蝕物質也隨之抬升。

3)隨著風速的增加，0～15 cm高度的輸沙量比例逐漸升高，45～60 cm高度的輸沙量比例降低，說明近地表輸沙強度增加。

4)留茬處理方式0～15 cm高度輸沙量比例隨著留茬高度的降低而減少，15～30 cm輸沙量比例則隨著留茬高度的降低而增加。秸稈覆蓋下0～15 cm輸沙量比例隨著覆蓋量的增加而降低;但由于秸稈覆蓋下的總輸沙量較小，因此，防風蝕效果較好。壟作不同高度的輸沙量比例因壟向與風向的角度不同而差異很大，T7(順壟)輸沙量高度分布與CK一致，T6(橫壟)輸沙量高度分布與之相反。

3 結論與討論

1)不同保護性耕作措施對土壤風蝕防治效果不同。留茬和秸稈覆蓋與裸土對照相比均能減少土壤風蝕，壟作防風蝕效應則受到壟向的影響，壟向與風向垂直能夠減少風蝕，壟向與風向平行則加劇風蝕。相同風速下土壤風蝕速率隨著留茬高度的升高而降低，隨著秸稈覆蓋量的增加而降低。橫壟在低風速下能夠減少風蝕，當風速較高時阻擋效果并不明顯。

不同保護性耕作下的土壤風蝕速率與風速呈現顯著性冪函數關系，裸土對照則呈現顯著性線性相關。

2)秸稈覆蓋和留茬處理0～60 cm總輸沙量小于壟作和裸土對照。壟作在風速較低時總輸沙量小于裸土對照，風速較高時輸沙量則大于裸土對照。橫壟輸沙量主要集中在45～60 cm高度，而其他處理方式的輸沙量主要集中在0～15 cm。0～15 cm高度的輸沙量比例隨著風速的增加而升高。

綜上所述，秸稈覆蓋和留茬都能夠有效減少風蝕危害，而壟作則可以在低風速條件下有效地防治風蝕，同時壟向要根據當地盛行風向進行選擇。本研究中留茬高度20 cm防治風蝕效果較好，但秸稈不宜過高，會對農業生產帶來不便。秸稈覆蓋量越大對風蝕防治效果越好，但風速越大覆蓋的秸稈會產生損失;因此，秸稈覆蓋應與留茬結合使用，可以更有效的防治風蝕。

以上結論基于室內風洞模擬實驗，還應該結合野外田間風蝕實驗研究進行一步研究。

［1］劉玉璋，董光榮，李長治.影響土壤風蝕主要因素的風洞實驗研究［J］.中國沙漠，1992，12(4):41-49

［2］劉秉正，吳發啟.土壤侵蝕［M］.西安:陜西人民出版社，1996:216-233

［3］唐克麗.黃土高原水蝕風蝕交錯區治理的重要性與緊迫性［J］.中國水土保持，2000(11):11-12

［4］臧英，高煥文，周建忠.保護性耕作對農田土壤風蝕影響的試驗研究［J］.農業工程學報，2003，19(2):56-60

［5］Saleh A.Measuring and predicting ridge-orientation effect on soil surface roughness［J］.Soil Sci Soc Am J，1994，58(4):1228-1230

［6］哈斯，陳渭南.耕作方式對土壤風蝕的影響［J］.水土保持學報，1996，2(1):10-16

［7］榮嬌鳳，高煥文，王曉燕.河北壩上農田壟向對土壤風蝕的影響［J］.中國農業大學學報，2004，9(3):13-15

［8］Zhang C L，Zou X Y，Gong J R，et al.Aerodynamic roughness of cultivated soil an its influences on soil erosion by wind in a wind tunnel［J］.Soil ＆ Tillage Research，2004，75(1):53-59

［9］張春來，鄒學勇，董光榮，等.植被對土壤風蝕影響的風洞實驗研究［J］.水土保持學報，2003，17(3):31-33