民勤綠洲不同耕作方式農田表層土壤風蝕規律的風洞模擬研究

趙宇浩, 王 立, 楊彩紅, 王軍強

(1.甘肅農業大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省農業工程技術研究院, 甘肅 武威 733007)

土壤風蝕是指松散的土壤物質被風吹起、搬運和堆積的過程以及地表物質受到風吹起的顆粒的磨蝕過程，其實質是風力作用下，表層土壤中細顆粒與營養物質的吹蝕、搬運和沉積自然地理過程[1]。土壤風蝕強度乃至方向的變化受氣候、植被、土壤、地形、地貌等多種因子的綜合影響[2]。風速是影響風蝕強弱的首要因素，風蝕量隨風速的變化而改變，通常風速愈大，風蝕作用愈強[2]。人為因素也會影響土壤風蝕，主要表現為土壤表層的擾動和破環[3]。

中國是世界上土地荒漠化最為嚴重的國家之一，全國1/2以上的面積受土壤風蝕或土地沙化影響，主要分布于北方的干旱、半干旱地區，而旱作農田土壤風蝕尤為嚴重[4]。民勤綠洲盆地位于內蒙古自治區阿拉善左旗和阿拉善右旗之間，東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，避免了中國第3、第4大沙漠連成一片。同時，民勤綠洲是發生荒漠化的敏感地帶，在全國生態戰略格局中占有舉足輕重的地位[5]。這些地區耕地長期采用鏵式犁翻耕等傳統耕作技術，導致土壤結構遭到破壞，土壤表土細碎，冬春裸露休閑，在西北季風的強勁作用下，極易揚塵，成為沙塵暴的重要源頭[6]。隨著耕作活動的頻繁進行，該地區生態環境不斷惡化，土壤風蝕現象持續加重。導致土壤質量下降甚至發生不可逆的退化，給當地社會經濟和生態環境帶來持續危害[7]。多年以來，大批學者[8]以不同的角度和深度對土壤風蝕進行了研究，發現各種保護性耕作措施對風蝕都能起到抑制的作用，而且有利于改善環境狀況。對防風作物的研究發現，一定程度的植被覆蓋度可以有效抵抗土壤風蝕[9-11]。對外部防風蝕措施的研究發現，使用抗風蝕材料對土壤進行覆蓋可以降低土壤風蝕量[12-16]。對作物收獲后留茬的研究發現，留茬可以有效較少風蝕[17-21]。由于不同地域農田各種條件的限制，如經濟作物的限制，經濟條件限制，自然條件限制等，許多防風蝕措施無法順利實施推廣。所以本試驗從農田土壤翻耕方式入手，研究其風沙運動規律，分析各個處理的防風蝕情況，比較分析不同保護性耕作對農田的防風蝕機理和防風蝕效果，開發土壤自身的抗風蝕能力，達到既減少投入，又減少土壤風蝕的目的。

1 試驗設計、材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點在民勤綠洲區的民勤縣蘇武鄉泉水村，平均海拔1 400 m。為溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱，晝夜溫差大，年均溫7.8 ℃，最高可達25.2 ℃。年均日照時數2 799.4 h，光熱充足，年均無霜期162 d。該地降水稀少，年均降水量113.2 mm，年蒸發量2 000～2 600 mm，是降水量的24倍，該地區干燥度大于5。當地常年盛行西北風，全年風沙日83 d，多集中在2—5月份，年均風速2.5 m/s，最大風速23.0 m/s。該區耕作土壤為灌淤土，開墾種植早、熟化程度高，厚度可達30—60 cm，耕層質地輕，土性熱，保肥、保水性差。供試農田土壤有機質含量9.8 g/kg，全氮含量為4.84 g/kg，土壤ph值為8.63，電導率值為0.29 mS/cm，有效磷含量為0.4 ug/ml，速效鉀含量為144.14 mg/kg，碳水化合物含量為0.41 mg/ml。

試驗田在2015年以前均采用秋翻耕作，試驗于2015年玉米播種前，共設計免耕、少耕、秋翻和深松等4種耕作方式處理，每個處理設置3個重復，各處理小區面積介于533.34～1 100.01 m2之間，隨機區組排列。試驗設計的4個處理分別為： ①免耕。對土地不做翻耕，地膜一直到試驗結束才更換； ②少耕。收獲后到播種前不攪動土壤，播種前1周左右進行旋耕整地7.5～10.0 cm，覆膜和播種； ③秋翻。包括每年秋收后耕翻土地，翻動土層深度大約為20 cm，春季旋耕7.5～10 cm整地、覆膜、播種等田間作業； ④深松。秋收后利用深松鏟對耕地進行翻耕30 cm，春季旋耕整地、覆膜、播種。

試驗田全部種植玉米，品種為甘鑫2818，每年4月20日播種，株距20 cm，行距30 cm，定植7.2×104株/hm2。采用統一的施肥措施，所施用化肥為尿素、磷酸二銨、普鈣、氯化鉀，各處理化肥用量統一為每年施用N 180 kg/hm2，P2O595～98 kg/hm2。整個生育期灌水34.1～36.3 m3/hm2。免耕、少耕、秋翻和深松4種不同耕作方式的玉米地的施肥、灌水、管理方式等均相同，僅在耕作方式上有差異。本試驗中鋪設的地膜，少耕、秋翻、深松田每年更換一次，免耕則從試驗開始一直到試驗結束。

1.2 試驗設計

采樣時間在2017年5月23日，從4種耕作方式的3個重復樣地中各選擇一片樣地，隨機選擇取樣點，小心去掉地膜，用鐵锨挖去樣點周圍多余的土，使用面積30.5 cm×20.5 cm的無蓋鐵盒采集原狀土，期間避免對土樣結構的破壞。采樣后用硬紙板封口。試驗時再打開。

風洞試驗在中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室沙坡頭沙漠試驗站土壤風洞中進行。

對每種樣品，選取6，10，14，18和22 m/s這5種風速值進行吹蝕試驗，吹蝕時間分別為15，12，10，8和5 min，樣品與風口距離為11.5 m，感應高度60 cm。試驗前用精度為1/100的電子天平稱出吹蝕前樣品重量w1，經過一個風速的吹蝕后再稱出吹蝕后樣品的重量w2，每個風速的吹蝕量用w0表示(w0=w1-w2)，利用公式計算風蝕速率：

R1=w0/(S1·T)

式中：S1——樣品截面面積(30.5 cm×20.5 cm=625.25 cm2)；T——每種樣品的吹蝕時間。

在距土樣末端下風向57 cm處，用高20 cm，單格為2 cm×2 cm的積沙儀收集不同高度的風蝕物，用1/1 000的電子天平稱重，獲取每種耕作方式風蝕物的收集量w3，利用公式計算單位面積的輸沙率：

R2=w3/(S2·T)

式中：S2——樣品截面面積(2 cm×2 cm=4 cm2)。

1.3 數據分析

各測定數據經Excel初處理，所有數據測定結果均以平均值表示，采用SPSS 19.0進行雙因素方差分析(two-way ANOVA)和回歸分析。統一采用Excel做圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理風蝕速率與風速的關系

不同風速水平、耕作措施下的風蝕速率如圖1所示。從圖1可以看出，4種耕作方式下土壤風蝕速率與風速呈正相關關系，風蝕速率隨著風速的增大而增大。當風速小于14 m/s時，4種耕作方式的土壤風蝕速率隨風速的增加而緩慢增加，4種土壤的風蝕速率隨風速變化的趨勢線幾乎重合。在風速大于14 m/s后，少耕、秋翻、深松3種耕作方式的土壤的風蝕速率隨風速的增長速度加快，當風速大于18 m/s后幾乎呈線性增加，三種耕作方式的風蝕速率在風速為14 m/s時，表現為：深松<秋翻<少耕，在風速為22 m/s時，表現為：少耕<秋翻<深松，但風蝕速率差值不大，趨勢線近乎重合。而免耕耕作方式的土壤風蝕速率在風速大于14 m/s后，隨風速的增長速度變化相對不明顯，土壤風蝕速率與其他3種耕作方式的差距逐漸增大。免耕耕作方式的土壤風蝕速率與風速呈冪函數關系(y=0.145 8x1.739 1，R2=0.992 5)，而少耕、秋翻、深松耕作方式的土壤風蝕速率與風速呈指數函數關系(y=aeb)。

圖1 土壤風蝕速率與風速的關系

2.2 土壤風沙流結構垂直分布特征

由圖2可以看出，不同處理在風速小于14 m/s時輸沙率都很低。免耕的單位面積輸沙率曲線明顯區別于其他3種處理，在風速大于14 m/s時，輸沙率相對少很多，且高度分布雜亂，有較明顯的隨機性特征。觀察少耕、秋翻、深松3種耕作方式的單位面積輸沙率曲線發現，在相同風速下，高度越低，輸沙率越大，隨著高度提高輸沙率逐漸減少；各個處理的土壤，輸沙率隨著風速的增加而增加，高度越低，增長幅度越大。當風速大于14 m/s時，少耕、秋翻、深松3種耕作方式，開始出現較明顯的風蝕物，風蝕物出現的高度略有不同，隨著風速增加，發現較明顯的風蝕物的高度也會提高。在風速14 m/s以上時，收集到的風蝕物絕大部分集中在0—10 cm高度范圍內，低高度風蝕物所占比例還會隨著風速增加而增大，而高于16 cm的高度范圍內，幾乎沒有收集到風蝕物。在風速為18 m/s時，3種耕作方式的輸沙率表現為：秋翻<深松<少耕，在風速為22 m/s時，表現為：少耕<深松<秋翻，且輸沙率差值較大。

2.3 耕作和風速對風蝕速率和輸沙率的影響

由表1可知，耕作方式、風速以及這兩個變量的交互作用對該地區土壤風蝕速率和輸沙率產生極顯著的影響(p<0.001)。其中風速的影響高于耕作方式的影響，高于兩者的交互作用的影響。各變量對風蝕速率的影響高于對輸沙率的影響。

圖2 不同耕作方式下單位面積輸沙率與高度的關系表1 風蝕速率和輸沙率的雙因素方程分析

變 量風蝕速率/(g·m-2·min-1)dfFp單位面積輸沙率/(g·m-2·min-1)dfFp耕作(A)340.406<0.001334.411<0.001風速(B)4272.458<0.0014126.591<0.001A×B1225.071<0.0011218.677<0.001

注：A×B表示耕作方式和風速之間的交互效應。

3 結 論

(1) 土壤的風蝕速率隨風速的增大而增大。各個處理的土壤在風速小于14 m/s時，風蝕速率都較慢，這是因為在低風速時處于微風蝕階段，土壤的可蝕性物質充沛，但風速的挾沙能力不足。大于14 m/s的風力才是造成土壤風蝕的主要因素，在風速大于14 m/s時，少耕、秋翻、深松3種耕作土壤的風蝕速率迅速增大且變化曲線近乎重合，說明3種不同的耕作方式對土壤結構造成了相近程度的破壞，試驗地區土壤的表層結構已經相當脆弱，繼續采用傳統耕作方式極不利于當地農田土壤的可持續發展。免耕耕作方式在14 m/s的風速條件下的土壤風蝕速率低于其它耕作方式，且風速越高，抗風蝕效果越明顯，說明免耕耕作方式對土壤的擾動小，能夠大幅度減輕土壤風蝕，有利于對當地農田土壤的保護。由于當地常年風力較大，從減少土壤風蝕角度出發，建議當地盡量推廣免耕耕作方式。

(2) 少耕耕作方式的風蝕速率和輸沙率在14 m/s風速時高于其他3種耕作方式，在22 m/s風速時低于深松和秋翻，可能是因為少耕耕作方式造成土壤表層的可蝕性顆粒粒徑較小，在低風速下更易被吹蝕；而更大粒徑的可蝕性顆粒相對少，在風速提高時，風蝕速率和輸沙率變化相對小。風蝕物運動形式分為躍遷、蠕動、懸浮，其中躍遷顆粒集中分布在0—10 cm高程內，是產生風蝕危害的主要形式[22]。本研究中，同一風速下，氣流中的風蝕物隨高度升高而逐漸減少。當風速高于14 m/s，在0—10 cm 高度范圍內風蝕物總風沙量的絕大部分，有明顯的風沙流，大于14 cm的高度范圍內，風蝕物極少。由此可見，蠕移和躍移沙占風蝕物運行方式的絕大部分，而懸移沙土所占的量極少，風蝕物的上揚現象不明顯，絕大多數的風蝕物是在近地面運行的[23]，與前人研究結果一致。免耕耕作相比其他耕作方式能夠有效的控制風沙流的強度，少耕耕作相對于秋翻、深松能夠一定程度上限制高風速下風沙流的強度。

(3) 風速是影響土壤風蝕和輸沙率的最主要因素，耕作方式能夠對該地區土壤風蝕速率和輸沙率產生極顯著的影響。康玉梅[24]研究表明，風蝕速率隨風速增大呈規律性增大，且相關性較大。秦紅靈[25]研究表明，不同耕作條件下土壤風蝕率都隨風速的增加而增加，但風蝕速率與風速呈現不同的函數關系。

(4) 本研究的結果對以往研究的成果的補充體現在風速和耕作方式的交互作用也對風蝕速率和輸沙率有影響，且影響效果極顯著。本試驗僅研究了耕作方式的影響，沒有涉及到土壤含水量及地表粗糙度等問題，有待進一步研究。