保護性措施對農田土壤風蝕影響的室內風洞模擬

劉振東，王飛，2?，趙云，嚴麗

(1.西北農林科技大學，712100，陜西楊凌;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

對土壤風蝕現象和保護性耕作措施的關注和研 究自19 世紀30 年代發生在美國西部“黑風暴”起，已經有80 余年了，其中國內外關于各種保護性措施對土壤風蝕、土壤理化性狀以及作物產量等影響的室外大田研究或者室內模擬研究都已有所展開和深入［1－7］，通過對風蝕治理的前后狀況進行對比，不難看出，對風蝕重視和治理不僅有利于農田的可持續生產力的維護和保持，而且有利于環境狀況(水體、大氣等)的改善。

這些年來，眾多學者在不同廣度和深度上對土壤風蝕進行了研究，認為各種保護性耕作措施在不同程度上都能起到抑制風蝕的作用［8－10］;但是之前的研究大都基于單一的保護性措施防風蝕效益研究，如單一留茬措施的防風蝕效果研究，或是單一覆蓋措施的防風蝕效果研究等，對2 種保護性措施的綜合防風蝕效益研究相對較少。該試驗通過室內風洞模擬試驗，模擬不同覆蓋物的覆蓋措施以及覆蓋與作物直立留茬組合措施的防風蝕效果，通過測定風蝕發生過程中風蝕量、抗風蝕效率與覆蓋度、風速以及留茬密度和高度的關系，達到探索礫石覆蓋和秸稈覆蓋以及覆蓋與留茬組合措施對旱作農田的防風蝕效果的目的，探討更多樣的農田防風蝕措施的抗風蝕效果，從而為防治旱作地區農田土壤風蝕采取更為合理適宜的防護措施提供可靠的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣采集

該模擬試驗所用土樣采自延安市安塞縣境內的馬家溝流域水土流失治理研究區附近。土樣采取的是0 ～20 cm 深度范圍內的土壤耕層。采樣點所屬地區——安塞縣地處西北黃土高原腹地，地形地貌是典型的黃土高原丘陵溝壑區，地理位置為E108°51'～109°26'，N36°31'～37°19'，南北跨幅92 km，東西跨幅36 km。安塞縣屬于典型的大陸性半干旱季風氣候，年日照時間2 415.5 h，無霜期160 ～180 d，輻射總量480.06 kJ/cm2，年均溫8.8 ℃，年均降水量500 mm 左右，年蒸發量是年均降水量的3 倍有余。根據土壤種類劃分，該地區總面積95%左右的土壤種類為黃綿土，根據土壤質地(國際制土壤質地分類)劃分，該地區的土壤屬于粉砂質壤土。

1.2 試驗設備與方法

模擬試驗是在中國科學院水利部水土保持研究所的室內風蝕實驗室進行。風洞全長24 m，主要由風機段、調風段、整流段、試驗段、收集段和導流段等6 部分組成，其中實驗段截面為1.2 m×1.0 m，其他各組段尺寸見圖1。該風洞風速為0 ～20 m/s 范圍內連續可調。風洞內氣流的均勻性系數與穩定系數在不同的擾流器(位于調風段)組合下有所差異。在該試驗所采用的擾流器組合情況下，穩定系數和均勻性系數分別為0.25%和0.09%，符合相關的空氣動力學要求［11］。

將野外采集土樣進行風干并過0.5 mm 篩以備填裝土槽所用，粒徑＜0.001、0.001 ～0.005、0.005 ～0.01、0.01 ～0.05、0.05 ～0.25 和0.25 ～1 mm 分別占總量的9.4%、3.1%、4.2%、60.6%、22.57%和0.13%。風干后土樣含水量為2%左右。土槽的長寬深分別為125、100 和12.5 cm。填裝好的土槽推進風洞的實驗段后統一進行10 min 的吹蝕。為方便試驗，所采用的風速檔為控制風機轉速的通用變頻器的4 個額定頻率，即25、32、39 和45 Hz，分別對應8.0、10.1、12.5 和14.3 m/s。

圖1 室內風蝕風洞結構示意圖Fig.1 Structure of indoor wind erosion tunnel

1.3 試驗設計和數據采集

模擬試驗進行了不同的保護性措施處理:不同覆蓋度的秸稈覆蓋處理(30%、60%、90%);不同覆蓋度的礫石覆蓋處理(30%、60%、90%，即990、1 980和2 970 kg/hm23 種覆蓋量);不同高度留茬(30、20、10 cm)分別與30%覆蓋度的秸稈和礫石覆蓋組合處理。為方便描述，這里設定了各種處理的縮寫，見表1。

表1 各種試驗處理的縮寫Tab.1 Abbreviation of all treatment

每次吹蝕采集的試驗數據包括0 ～62 cm 高度內5 層集沙儀收集的風蝕物量，集沙儀間距為3 cm，各層高度依次為0 ～10、13 ～23、26 ～36、39 ～49 和52 ～62 cm;利用位于集沙段末端的尾沙收集裝置收集每次吹蝕的全沙量。集沙儀的收集量用精度為0.001 的電子天平稱量，全沙量用精度為0.01 的電子天平稱量。測取風速的風速儀型號為衡欣AZ8912，其測量范圍為0.3 ～35 m/s，解析度為0.1，準確度為±5%，葉輪直徑為70 mm。風速值的確定方式為用位于試驗段前端20 cm，高度20 cm 的1 個葉輪式風速儀等間距測取裸土處理情況下垂直風向上橫向的8 個測點的風速值的均值。

2 結果與分析

2.1 各種處理下的土壤風蝕情況

通過試驗模擬，表明各種保護性措施都在不同程度上對風蝕量有有效的抑制作用［12］，其方法或是直接地增加空氣動力學的地表粗糙度，或是隔離開相互作用的氣流和土壤表層，達到減少二者的作用面積。總之，隨著對風速的抑制作用與對土壤顆粒保護強度的增加，土壤顆粒可以獲得的動能逐漸減少，風蝕量也就隨之減少。

在8.0 m/s 的風速條件下，所有處理的抗風蝕效率曲線的波動性較其他3 個風速檔下的抗風蝕效率曲線更為突出并靠下(圖2)，且小于相應的抗風蝕效率值(平均減蝕率)。其他3 個風速檔上各種處理的抗風蝕率較為一致，其值也都在8.0 m/s 時各對應值的上方。也就是說，所有的12 種設定處理在8.0 ～10.1 m/s 風速范圍內的抗風蝕率各有優差，在10.1 ～14.3 m/s 風速范圍內的抗風蝕效率趨于一致，且變化幅度都小于前者，隨著風速的增加，保護性措施的抗風蝕效率的增加量趨于穩定，并沒有隨著風速值的增加呈現出相同幅度的增加。這里的抗風蝕效率指的是設定處理的風蝕量和相同情況下對照組(參照處理)的風蝕量的差值所占對照組風蝕量的比例，又可以稱為減蝕率。

圖2 各種處理在4 個風速下的抗風蝕效率Fig.2 Anti－erosion efficiency under conditions of four grades of wind velocity

留茬與覆蓋組合措施的平均減蝕能力在70%～78%之間，平均為74%左右;礫石覆蓋的減蝕能力在26%～72%之間，平均為49%左右;秸稈覆蓋的減蝕能力在54%～92%之間，平均為73%左右，與留茬與覆蓋組合措施的平均減蝕能力的平均值近似，只是減蝕效果的組內差異較大，跨幅達到了92%－54%=38%，遠大于留茬與覆蓋組合措施的78%－70%=8%。

2.2 礫石覆蓋和秸稈覆蓋措施下的土壤風蝕情況

無論是礫石覆蓋還是秸稈覆蓋都可以在一定程度上減少近地表氣流和土壤表層的直接接觸面積，即風力的有效作用面積，達到保護土壤表層的目的和作用，還有就是覆蓋物可以提高空氣動力學粗糙度，吸收并分解部分近地表的氣流流速，降低了土壤表面上的剪切力。

不同覆蓋度對土壤表層的保護效果定然不同，并且呈現出一定的規律性。隨著覆蓋度的增加，抗風蝕效率隨之增加［13－14］，而風蝕量則呈現出減少的趨勢(圖3)，而且，秸稈覆蓋的效果明顯優于礫石覆蓋的效果。8.0 m/s 的風速下，礫石覆蓋處理的風蝕量是同覆蓋度的秸稈覆蓋處理的風蝕量的1.92、2.26 和11.25 倍(分別對應30%、60%和90%的覆蓋度);10.1 m/s 的風速下，風蝕量比值分別是16.03、15.07 和10.11;12.5 m/s 的風速下，風蝕量比值分別是2.48、5.57 和24.84;14.3 m/s 的風速下，風蝕量比值分別是1.81、3.47 和8.89，都呈現出風速越大，秸稈覆蓋抑制風蝕的效果的優越性較之礫石覆蓋越明顯的規律。

圖3 礫石覆蓋和秸稈覆蓋對風蝕量的影響Fig.3 Impact of gravel cover and straw cover on the mass of wind erosion

對于礫石覆蓋，防風蝕的效果明顯低于秸稈覆蓋的防風蝕效果，且由圖3 可知，隨著風速的增加，30%礫石覆蓋處理下的風蝕量在10.1 m/s 左右就開始發生了突變，即該覆蓋度的礫石覆蓋處理對10 m/s 左右以下的氣流的侵蝕力具有很好的抑制效果;60%的覆蓋度情況下，則推遲到了12.5 m/s 左右的風速值處;對于90%的覆蓋度，直到風速達到14.3 m/s 左右時，風蝕量仍然處于較為平緩的增長趨勢，沒有明顯的突變點，可以起到抑制全年絕大多數風況對農田的風蝕現象。在8.0 m/s 風速的情況下，60%覆蓋度風蝕量較30%覆蓋度風蝕量減少了12.81%;90%覆蓋度風蝕量較60%覆蓋度風蝕量減少幅度為40.27%～82.11%。其他的3 種風速下，60%覆蓋度風蝕量比30%覆蓋度風蝕量的減少量的最大值為35.18%，最小值為18.53，90%覆蓋度風蝕量較60%覆蓋度風蝕量減少的幅度為35.5%～63.05%，見表2。

表2 相鄰覆蓋度下的風蝕量減幅Tab.2 Decrease proportion of mass of wind erosion under contiguous coverage

對于秸稈覆蓋，當覆蓋度為30%時，突變點出現在10.1 m/s 以下;當覆蓋度為60%時，突變點延緩到12.5 m/s 左右;當覆蓋度為最大覆蓋度，即90%時，風蝕量的增長趨勢和礫石覆蓋有一致之處，沒有明顯的突變點。4 種風速下，60%覆蓋度風蝕量比30%覆蓋度風蝕量的減少的幅度為29.21%～55.39%，90%覆蓋度風蝕量較60%覆蓋度風蝕量減少的幅度為58.65%～82.11%。

礫石覆蓋處理的風蝕量在同風速下隨著覆蓋量的逐漸增加，其風蝕量的環比減幅小于同樣條件下的秸稈覆蓋處理，差值的最小值為6.73%，是10.1 m/s 時的λ3與λ1之差，最大值則為38.47%，是14.3 m/s 時的λ4與λ2之差。

2.3 留茬與覆蓋組合措施下的土壤風蝕情況

相同覆蓋物和覆蓋度情況下，各處理對風蝕量的影響呈現明顯規律:隨著留茬高度的增加，風蝕量逐漸減少，即風蝕速率和留茬高度和茬高成顯著負相關，見圖4;在其他情況一定的條件下，風蝕量和風速成正相關，且都呈現出顯著的指數相關關系，這與之前一些學者［15－16］的研究結果一致，相關系數也都在0.98 以上，且對于同一種覆蓋物而言，隨著茬高的增加，相關水平逐漸增加，見表3。

圖4 不同組合措施對風蝕量的影響Fig.4 Impact of different combined measures on the mass of wind erosion

表3 組合措施風蝕量(Q)與風速(v)的擬合曲線Tab.3 Curve－fitting equation between mass of wind erosion and wind velocity

在8.0 m/s 風速下條件，30%覆蓋度礫石覆蓋的風蝕量是同覆蓋度秸稈覆蓋風蝕量的1.70、1.60和1.22 倍(分別對應30、20 和10 cm 茬高);10.1 m/s 時，倍數依次為3.90、2.84 和1.79 倍;12.5 m/s時，則為5.78、3.28 和2.89 倍;到風速增大至14.3 m/s 時，倍數變為5.00、3.57 和2.90 倍。隨著風速的增加，倍數依次增大，且隨著茬高的增加，倍數也呈現增大的趨勢。也就是說，隨著茬高的增加，礫石覆蓋的防風蝕效果越顯得弱于秸稈覆蓋。

覆蓋與留茬組合措施下，同茬高和同覆蓋度，秸稈覆蓋與留茬組合的抑制風蝕效果明顯優于礫石覆蓋與留茬組合的抑制風蝕效果。在單一覆蓋處理情況下，礫石覆蓋和秸稈覆蓋的抗風蝕效果差異并沒有和其與留茬相組合的措施下的抗風蝕效果差異大。

2.4 覆蓋處理的風沙流結構

圖5 不同覆蓋度下的風沙流結構Fig.5 Sandstorm flow structure of different coverage

通過稱量風洞集沙段0 ～62 cm 范圍內各層集沙儀的風蝕物收集量，分析可得出各種處理措施下的風沙流分布規律，即風沙流結構，也就是氣流搬運風蝕物在搬運層中隨高度的分布情況［17］。

礫石覆蓋處理下的風沙流結構(圖5)呈現出如下規律:不同風速下，0 ～10 cm 高度范圍的輸沙量在各種風速下都占各層集沙儀收集的輸沙總量的比例最大［18］;而23 cm 高度以上(23 ～62 cm 高度范圍)的集沙儀收集的輸沙量所占比例在各種風速下都很少，說明風蝕物的上揚現象不明顯;隨著風速的增加，各高度上的輸沙量隨之增加，其中尤以0 ～10和13 ～23 cm 高度范圍最為明顯，隨著高度的增加，不同風速下輸沙量的差異越來越不明顯，即隨高度的增加，其輸沙量與風速的相關性越來越差，而23 cm 左右高度是輸沙量與風速相關性程度的臨界高度;不同風速下，26 ～36 cm 高度內的輸沙量變化量微乎其微，就是說單一覆蓋處理(單一礫石覆蓋或秸稈覆蓋)情況下，風蝕物運動高度基本上集中分布于距地表26 cm 以內。隨著覆蓋度的增加，礫石覆蓋措施0 ～10 cm 的輸沙量在4 個風速下占13 ～23，26 ～36 和39 ～49 cm 高度上輸沙總量的平均比例依次為88%、80.48%和72.65%，而秸稈覆蓋措施依次為58.1%、54.46%和44.52%，都有減少的趨勢，這是因為隨著風速的增加，更多較大粒徑的土壤顆粒獲得了足夠的動力，其運移方式逐漸從蠕移轉向躍移，從而被更高的集沙儀所捕獲。

秸稈覆蓋處理下的風沙流結構呈現的規律有所不同:隨著風速的增加，特別是當風速增至14.3 m/s時，0 ～10 cm 輸沙量的增幅快于其他各高度層;隨著覆蓋度增加，13 ～23 cm 輸沙量的增幅逐漸縮短。

圖6 覆蓋與不同茬高的留茬組合措施的風沙流結構Fig.6 Sandstorm flow structure of cover combined with different height stubble

2 種處理相比而言，礫石覆蓋處理下的輸沙總量比相同條件下的秸稈覆蓋處理下的集沙儀輸沙總量要多，隨著覆蓋度的增加(覆蓋度依次從30%增加到90%)，礫石覆蓋下的輸沙總量分別是相同條件下秸稈覆蓋措施對應的輸沙總量18、7 和10 倍左右。

2.5 留茬與覆蓋組合處理的風沙流結構

在有留茬處理的保護性措施下，各高度上的輸沙量隨風速的增加而增加，見圖6。此外，留茬與覆蓋組合措施下的風沙流結構和單覆蓋措施的風沙流結構相比，發生了明顯的變化。13 cm 高度以上的輸沙量占輸沙總量的比例都有所增加，即留茬在一定程度上助長了風蝕物的上揚現象，改變了部分風蝕物的運動軌跡［19－20］，且較為明顯的是，礫石覆蓋與留茬組合措施情況下，13 cm 高度以上的輸沙量的增幅隨著風速的增加逐漸增大，尤其是在14.3 m/s 的高風速時，增幅尤為明顯。不同的是，礫石覆蓋與留茬組合措施下，13 cm 高度以上的集沙儀收集量的最大增幅出現在茬高30 cm 的情況下，而對于秸稈覆蓋與留茬組合措施下，13 cm 高度以上輸沙量的增幅隨留茬高度的降低而增加，成負相關關系。

此外，在設定的所有措施下，距地表52 ～62 cm范圍內的輸沙量都微乎其微，占輸沙總量的比例非常小，也就是說風沙運動的高度基本上處于距地表60 cm 左右范圍以內。

3 結論

1)各種保護性措施都在不同程度上對風蝕量起到了有效的抑制作用。各種保護性措施的抗風蝕效率在8 ～10 m/s 的風速值范圍內時大于10 ～14 m/s 的風速范圍時的值，且隨著風速的增加，抗風蝕效率趨于平穩。

2)不同措施整體上的防風蝕效果排序為:留茬與覆蓋組合措施＞秸稈覆蓋措施＞礫石覆蓋施;特別是當礫石覆蓋和秸稈覆蓋分別與留茬組合時，秸稈覆蓋加留茬措施的防風蝕效果驟然提升，明顯地要比礫石覆蓋加留茬措施有效。

3)單一的覆蓋措施下，風沙流大都集中在了26 cm 高度范圍以內;覆蓋與留茬組合措施下，風沙流大都集中于60 cm 左右范圍以內，因為留茬助長了風蝕物的上揚現象:所以，0 ～10 cm 的輸沙量占輸沙總量的比例降低，而23 ～36 cm 高度上的輸沙量占輸沙總量的比例有所增加。但是對于所有措施，0 ～10 cm 高度范圍的輸沙量都占據總輸沙量的最大比例。

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