保護(hù)性耕作對農(nóng)田土壤風(fēng)蝕影響的室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

趙 云，穆興民，2，3，王 飛，2，3，蔣 沖，劉振東，李 銳，2，3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.中國科學(xué)院 研究生院，北京100049）

土壤風(fēng)蝕是指松散的土壤物質(zhì)被風(fēng)吹起、搬運(yùn)和堆積的過程以及地表物質(zhì)受到風(fēng)吹起的顆粒的磨蝕等，是風(fēng)成過程的全部結(jié)果［1］。農(nóng)田風(fēng)蝕是中國北方干旱半干旱地區(qū)土地退化的主要原因之一。土壤風(fēng)蝕是土地沙漠化過程的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)［2］。中國是世界上土地荒漠化最為嚴(yán)重的國家之一，全國荒漠化土地面積263.62萬km2，占國土總面積的27.46%，其中沙化土地面積173.97萬km2，占國土總面積的18.12%［3］。在黃土高原的西部地區(qū)和北部地區(qū)由于氣象條件和土壤狀況等因素的影響，土壤風(fēng)蝕較為嚴(yán)重［4］。許多研究［5－9］表明 保護(hù)性 耕作（特別是秸稈覆蓋、留茬、免耕少耕）可以提高地表空氣動力學(xué)粗糙度、分解風(fēng)對地表的剪切應(yīng)力，消耗一定的風(fēng)能、降低風(fēng)速和阻擋沙塵，同時還可以保持土壤水分，能有效的防止土壤風(fēng)蝕，保護(hù)農(nóng)田土壤。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以陜西省安塞縣黃綿土為例進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，研究不同作物留茬、不同秸稈覆蓋量對土壤風(fēng)蝕的影響，定量分析在不同處理下土壤風(fēng)蝕規(guī)律，為有效防治土壤風(fēng)蝕提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞全長19m，該風(fēng)洞由風(fēng)機(jī)段、調(diào)風(fēng)段、整流段、試驗(yàn)段、收集段、導(dǎo)流段構(gòu)成。風(fēng)洞主要截面寬1m，高1.2m，風(fēng)機(jī)出口段截面直徑1.4m。通過配套的變頻儀0～50Hz調(diào)節(jié)風(fēng)速，風(fēng)速可在0～20m／s內(nèi)連續(xù)均勻地調(diào)節(jié)，見圖1。

在試驗(yàn)段前30cm處設(shè)置不同高度的渦輪式風(fēng)速儀，集沙段設(shè)置集沙儀收集不同高度的風(fēng)蝕物。本實(shí)驗(yàn)風(fēng)速以30cm高度為基準(zhǔn)，共設(shè)4個風(fēng)速，分別為7.5，10，12.5，14.5m／s。集沙儀總共為5層，每次吹蝕時間為10min。

圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖 （標(biāo)注單位：mm）

1.2 取樣地氣候以及土質(zhì)基本情況

試驗(yàn)土樣采集于安塞境內(nèi)，安塞位于東經(jīng)108°05′44″—109°26′18″，北緯36°30′45″—37°19′3″，該地區(qū)四季長短不等，干濕分明，屬中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。年平均氣溫8.8℃，年平均降水量505.3 mm，年日照時數(shù)為2 395.6h，日照百分率達(dá)54%，全年無霜期157d。主要自然災(zāi)害有：干旱、大風(fēng)、冰雹、霜凍等。

試驗(yàn)土樣為耕地表層0—20cm黃綿土，其母質(zhì)為黃土性物質(zhì)，疏松多孔，容量小，透水性良好，蓄水能力強(qiáng)，耕性性好，屬壤土，顆粒組成為中粉粒（0.002～0.05mm）約占60%，黏粒含量（＜0.002mm）為30%左右。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，該土樣的含水量為1%。

1.3 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)測定和處理

試驗(yàn)將土樣按照實(shí)際情況進(jìn)行處理后放進(jìn)土槽（1m×1.25m×0.25m）內(nèi)，將土槽推入實(shí)驗(yàn)段使土壤表面與風(fēng)洞底部表面持平進(jìn)行吹蝕。風(fēng)速取風(fēng)速儀在1min內(nèi)的平均值。實(shí)驗(yàn)包括（表1）兩種秸稈覆蓋量（2 105kg／hm2，4 210kg／hm2，覆蓋量的設(shè)定通過當(dāng)?shù)孛?hm2秸稈產(chǎn)量的30%及60%換算得到）和裸土、30cm的玉米留茬、30cm小麥留茬在4種風(fēng)速（7.5，10，12.5，14m／s）下的風(fēng)蝕情況。集沙儀共有5層（0—10cm，13—23cm，26—36cm，39—49cm，52—62cm），每層2個集沙儀收集風(fēng)蝕物，收集的風(fēng)蝕物用1／1 000的天平精確稱量。本文中用到的風(fēng)蝕總量是指12個集沙儀收集風(fēng)蝕物的總量，是一個相對總量。集沙儀進(jìn)風(fēng)口為3m×10cm的長方形，末端為10m×10cm的正方形。每次吹蝕完以后，需將土樣重新裝入土槽，因?yàn)槊看未滴g后由于氣流的分選作用使得土槽表面粗粒化，改變了土槽表層土壤顆粒的機(jī)械組成，因此需重新裝槽消除這種影響。在每一次重新裝槽時都通過天平稱量土樣，保持土壤容重一致。

表1 不同保護(hù)性耕作措施設(shè)計(jì)

1.4 抗風(fēng)蝕效率計(jì)算

由于不同耕作方式的保護(hù)性耕作對土壤具有不同程度的抗風(fēng)蝕作用，風(fēng)蝕量會有一定的減少。將風(fēng)蝕量的減少量占基準(zhǔn)風(fēng)蝕量的比率稱為保護(hù)性耕作農(nóng)田的抗風(fēng)蝕效率［10］。計(jì)算公式為：

式中：Q1——CK的風(fēng)蝕量（g）；Q2——保護(hù)性耕作措施的風(fēng)蝕量（g）；n——保護(hù)性耕作農(nóng)田的抗風(fēng)蝕效率（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式的風(fēng)蝕量及抗風(fēng)蝕效率

由表2分析表明，與CK相比，小麥留茬、玉米留茬以及秸稈覆蓋4種耕作方式都可以不同程度地減少風(fēng)蝕，特別是T4抗風(fēng)蝕效率最高，達(dá)到了95.9%，T3和T1也都能有效地抗風(fēng)蝕，抗風(fēng)蝕效率分別達(dá)到了95.5%和94.4%。T2的抗風(fēng)蝕效率比較低，只有62.4%。對比各個處理的風(fēng)蝕量發(fā)現(xiàn)：在7.5m／s風(fēng)速時，T1＜T2＜T4＜T3＜CK，當(dāng)風(fēng)速大于7.5m／s時，T4的風(fēng)蝕量始終處于最小，T4＜T3＜T1＜T2＜CK。分析得到：與裸土CK相比，通過秸稈高覆蓋處理（T4）在各個風(fēng)速下風(fēng)蝕量最小，抗風(fēng)蝕效率最高。30cm玉米留茬（T2）在各個風(fēng)速下風(fēng)蝕量最大，抗風(fēng)蝕效率最低。

表2 不同耕作方式的風(fēng)蝕量及抗風(fēng)蝕效率

2.2 風(fēng)蝕量與風(fēng)速的關(guān)系

2.2.1 不同作物留茬風(fēng)蝕量與風(fēng)速的關(guān)系 風(fēng)是土壤風(fēng)蝕的直接動力來源，風(fēng)速的大小直接影響風(fēng)蝕的輕重。圖2表明，風(fēng)蝕量與風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系，即土壤風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而增加。將各個風(fēng)速下風(fēng)蝕量相比，CK為1∶8∶50∶146，T2為1∶9∶126∶260，T1為1∶4∶25∶119，表明：T1，T2和CK都出現(xiàn)了風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化均存在突然增大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與CK、T2相比，T1的轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯滯后，CK，T2的轉(zhuǎn)折風(fēng)速大約是7.5m／s，T1的轉(zhuǎn)折風(fēng)速大約是10m／s。CK，T2從風(fēng)速7.5m／s開始，風(fēng)蝕量就隨著風(fēng)速的增加突然增大，而T1存在當(dāng)風(fēng)速小于轉(zhuǎn)折風(fēng)速時，隨著風(fēng)速的增加，它們的風(fēng)蝕量增加緩慢，當(dāng)風(fēng)速超過轉(zhuǎn)折風(fēng)速時，風(fēng)蝕量會急劇增大。通過對風(fēng)蝕量對比（表2），當(dāng)風(fēng)速為7.5m／s時，T1∶T2∶CK＝0.13∶0.24∶1，風(fēng)速為10m／s時，T1∶T2∶CK＝0.07∶0.26∶1，當(dāng)風(fēng)速為12.5m／s時，T1∶T2∶CK＝0.07∶0.60∶1，當(dāng)風(fēng)速為14.5m／s時，T1∶T2∶CK＝0.05∶0.41∶1，得出：隨著風(fēng)速的增加，T1的風(fēng)蝕量與CK比值逐漸變小，T2風(fēng)蝕量與CK的比值逐漸變大，T1的風(fēng)蝕量與T2的比值也逐漸增大。即隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)蝕量增加速率關(guān)系上：CK＞T2＞T1。分析得出，30cm小麥留茬的抗風(fēng)蝕能力要好于30cm玉米留茬。

圖2 不同作物留茬的風(fēng)蝕量

2.2.2 不同覆蓋度下的抗風(fēng)蝕效率與風(fēng)速的關(guān)系由表3表明，在各個風(fēng)速下隨植被蓋度的增加土壤抗風(fēng)蝕效率增強(qiáng)。在T3，T4中，在同一風(fēng)速下，抗風(fēng)蝕效率關(guān)系為T4＞T3；當(dāng)風(fēng)速為7.5m／s時，兩者的土壤抗風(fēng)蝕效率分別51.05%，74.61%，分別為各個處理的最低水平；在風(fēng)速大于10m／s時，它們的抗風(fēng)蝕效率都大于93%；當(dāng)風(fēng)速為14.5m／s時，兩者的土壤抗風(fēng)蝕效率分別為95.84%，96.47%，為各個處理的最高，即隨著風(fēng)速的增加土壤的抗風(fēng)蝕效率也會逐漸增強(qiáng)。

2.3 土壤風(fēng)蝕的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

沙流結(jié)構(gòu)是氣流中輸沙率隨高度的分布，其結(jié)構(gòu)受風(fēng)速、可風(fēng)蝕顆粒含量及下墊面等因子的影響［11］。風(fēng)土壤顆粒運(yùn)動形式可以分為3種：躍遷、蠕動、懸浮，其中躍遷物質(zhì)在風(fēng)沙流中占絕對優(yōu)勢，也是產(chǎn)生風(fēng)蝕危害的主要形式［12］，躍遷顆粒機(jī)械組成主要是中砂和細(xì)砂，分布高度集中在0～10cm高程內(nèi)。

通過對不同耕作方式0～62cm高度共5層范圍內(nèi)輸沙量的觀測結(jié)果（表4）分析表明：風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)蝕沙流結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)在以下3方面：

（1）同一風(fēng)速下，各種耕種方式的風(fēng)蝕量隨著高度的增加而減少。大部分風(fēng)蝕量都集中在0～10cm高度，而52～62cm的風(fēng)蝕量最小。超過90%的風(fēng)蝕量都集中在0～36cm高度范圍內(nèi)，這與賀寶根等人［13］的研究中認(rèn)為土壤風(fēng)蝕過程中風(fēng)沙活動屬于近地面運(yùn)動，且在風(fēng)沙流中90%沙物質(zhì)高度低于31cm的結(jié)論一致。

（2）隨著風(fēng)速的增大，0～10cm風(fēng)蝕量所占比例會逐漸增加，52～62cm風(fēng)蝕量所占比例會逐漸減少。這說明近地表的風(fēng)蝕明顯加強(qiáng)，躍遷物質(zhì)量也明顯增多。

（3）與CK，T1，T2相比，T3和 T4在0～10cm高度的風(fēng)蝕量所占比例始終較高，而且秸稈覆蓋量越高，這種趨勢越明顯。這說明秸稈覆蓋可以有效的阻止風(fēng)蝕物上揚(yáng)，讓風(fēng)沙在近地表活動。

3 結(jié)論

（1）小麥留茬、玉米留茬以及秸稈覆蓋都可以有效的減少風(fēng)蝕。抗風(fēng)蝕效率方面：小麥秸稈覆蓋量4 210kg／hm2＞小麥秸稈覆蓋量2 105kg／hm2＞裸土、30cm小麥留茬＞30cm玉米留茬＞裸土。總的來說，小麥秸稈覆蓋越高，土壤抗風(fēng)蝕效果越好；小麥留茬比玉米留茬抗風(fēng)蝕效果好。

表4 不同耕作方式和風(fēng)速下輸沙量垂直分布特征

（2）風(fēng)蝕量與風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系，隨著風(fēng)速的增加，各個處理的風(fēng)蝕量都會增加。風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化均存在突然增大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，30cm小麥留茬會明顯滯后于30cm玉米留茬和裸土。當(dāng)風(fēng)速一定時，隨秸稈蓋度的增加土壤抗風(fēng)蝕效率增強(qiáng)；風(fēng)速越高，秸稈覆蓋土壤的抗風(fēng)蝕效率越強(qiáng)。

（3）隨著高度的增加風(fēng)蝕量逐漸減小。隨著風(fēng)速的增加，0～10cm高度的輸沙量比例逐漸升高，52～62cm高度的輸沙量比例降低，說明近地表輸沙強(qiáng)度增加。超過90%的風(fēng)蝕量都集中在0～36cm高度范圍內(nèi)。

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