陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)田土壤抗風(fēng)蝕效應(yīng)研究

陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)田土壤抗風(fēng)蝕效應(yīng)研究

作物殘茬覆蓋農(nóng)田風(fēng)蝕是一個(gè)全面的自然地理過程，受到氣候、土壤、植被和其他因素的共同限制。目前,農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的防治主要采取免耕、留茬和秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作措施,以降低近地表風(fēng)速,削弱氣流對土壤表面的剪切力,降低土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度。國外研究已證實(shí),植被覆蓋可以有效抑制土壤風(fēng)蝕,且直立植被覆蓋減少風(fēng)蝕的效果更好。國內(nèi)許多學(xué)者研究認(rèn)為作物殘茬覆蓋可以大幅度減輕裸露農(nóng)田的土壤風(fēng)蝕[9,10,11,12,13,14,15]。目前,有關(guān)保護(hù)性耕作防治風(fēng)蝕的研究以免耕留茬、秸稈覆蓋、壟作與傳統(tǒng)耕作的對比為主,對作物留茬降低近地面風(fēng)速,控制土壤風(fēng)蝕的機(jī)制研究較少。此外,由于多數(shù)研究是采用室內(nèi)風(fēng)洞模擬試驗(yàn)與野外觀測進(jìn)行的,缺乏磨蝕作用和一般性。針對保護(hù)性耕作防治風(fēng)蝕研究中存在的局限,本文以內(nèi)蒙古武川縣上禿亥鄉(xiāng)保護(hù)性耕作項(xiàng)目區(qū)不同地表為研究對象,利用移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞及相關(guān)測試設(shè)備對傳統(tǒng)耕作農(nóng)田與作物殘茬覆蓋農(nóng)田進(jìn)行試驗(yàn)。分析不同類型和蓋度下殘茬覆蓋農(nóng)田近地表風(fēng)蝕模數(shù)的變化特征,探討殘茬覆蓋地表的抗風(fēng)蝕機(jī)制,確定保護(hù)性耕作帶的合理寬度,期望為農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的土壤風(fēng)蝕防治提供依據(jù)。1氣候、水文條件研究區(qū)位于陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū),該區(qū)地處東經(jīng)107°17′~117°30′,北緯40°13′~43°28′。陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)大部分土壤為栗鈣土,氣候?yàn)橹袦貛貨?、溫和半干旱偏潤區(qū)和半干旱偏旱大陸性季風(fēng)氣候。年降水量250~400mm,自東向西遞減,7~8月降水量占全年降水量的70%左右,冬春雨雪很少,而且春季一次10mm以上作物可利用的降水稀少,4~5月連續(xù)無降水日數(shù)一般在30~50d以上,加之春風(fēng)大,干旱機(jī)率達(dá)64.7%。干旱持續(xù)時(shí)間長,地域范圍廣,風(fēng)沙危害嚴(yán)重,全年8級以上大風(fēng)日45~84d,以3~5月最強(qiáng)。春季植被蓋度最低,地表裸露面積大,易形成風(fēng)沙天氣,平均每年出現(xiàn)沙塵暴日數(shù)9.8~14.6d。2保護(hù)性耕作帶與間作翻耕帶設(shè)置2.1試驗(yàn)條件試驗(yàn)在武川縣上禿亥鄉(xiāng)保護(hù)性耕作項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行。該區(qū)屬陰山北麓旱作耕地。代表性土壤為栗鈣土,多孔隙、沙性,由于氣候干燥,地表覆蓋少,加之土壤結(jié)構(gòu)性差,極易產(chǎn)生風(fēng)蝕。項(xiàng)目區(qū)的保護(hù)性耕作帶與間作翻耕帶寬度均為8m,保護(hù)性耕作帶殘茬高度27~37cm,行距20cm。保護(hù)性耕作帶連續(xù)4年交替種植油菜與小麥,傳統(tǒng)耕作帶4年均種植馬鈴薯。對照秋翻地緊臨項(xiàng)目區(qū)東側(cè),多年采用傳統(tǒng)耕作方式實(shí)施秋翻,保護(hù)性耕作農(nóng)田位于項(xiàng)目區(qū)西側(cè),連續(xù)4年實(shí)施保護(hù)性耕作種植小麥和莜麥。試驗(yàn)選擇保護(hù)性耕作農(nóng)田地表與傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表進(jìn)行試驗(yàn)與分析(圖1)。2.2武川縣傳統(tǒng)耕作農(nóng)田耕地自然情況保護(hù)性耕作農(nóng)田的殘茬為:油菜留茬蓋度45%,茬高30cm;小麥留茬蓋度65%,茬高20cm;小麥留茬蓋度76%,茬高30cm;莜麥留茬蓋度90%,茬高30cm。植株平均密度為400株/m2,行距為20cm,各留茬地距地表以下5cm深度的土壤平均含水率分別為8.65%、9.87%、11.48%、12.03%。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田位于武川縣保護(hù)性項(xiàng)目區(qū)東側(cè),耕作方式為犁翻耕并耙碎,土壤以栗鈣土為主,其逐年翻耕使地表土始終裸露越冬,地表蓋度幾乎為零。距地表以下5cm深度的土壤平均含水率為5.38%。由于研究區(qū)域起沙風(fēng)速均在6m/s左右,故試驗(yàn)時(shí)風(fēng)洞中心風(fēng)速設(shè)計(jì)為6、9、12、15、18m/s5個(gè)等級,這5個(gè)風(fēng)速對應(yīng)于自然界4~8級風(fēng),與試驗(yàn)區(qū)的自然風(fēng)速具有很好的一致性。集沙儀的位置距風(fēng)洞試驗(yàn)段進(jìn)口3.00、3.75、4.50、5.25、6.00m共5個(gè)測點(diǎn)處,以T1~T5表示,收集并稱量集沙儀20、60、120、180、240、300、400、500、600、700mm10個(gè)高度的風(fēng)蝕物。為完成測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠采集,且能收集到滿足進(jìn)一步分析的土壤風(fēng)蝕物,風(fēng)蝕物與風(fēng)速數(shù)據(jù)采集時(shí)間為10min,最終用于分析的風(fēng)速與風(fēng)蝕量是10min內(nèi)采集結(jié)果的平均值。2.3試驗(yàn)地層和試驗(yàn)點(diǎn)高度風(fēng)速測定試驗(yàn)設(shè)備為0FDY-1.2型直流吹氣可移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞和與風(fēng)洞配套的風(fēng)速、集沙儀測試系統(tǒng),1/1000電子天平。試驗(yàn)時(shí)將移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞分別放置在傳統(tǒng)耕作農(nóng)田與保護(hù)性耕作帶的留茬地表上進(jìn)行試驗(yàn),放置時(shí)使洞體縱向與地表壟向垂直。利用風(fēng)速采集系統(tǒng)測試風(fēng)洞中心風(fēng)速與洞體內(nèi)流場各高度風(fēng)速。風(fēng)洞中心風(fēng)速U,由置于洞體內(nèi)試驗(yàn)段入口處皮托管測速裝置來測定。將風(fēng)速廓線儀安放在風(fēng)洞洞體內(nèi)且距集沙儀600mm,距風(fēng)洞內(nèi)側(cè)壁300mm處,選距地表50、100、200、400、600mm5點(diǎn)作為風(fēng)速采集點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。采用與風(fēng)洞配套的排沙器模擬挾沙風(fēng)。集沙儀分別安置在風(fēng)洞軸線上距風(fēng)洞試驗(yàn)段進(jìn)口5個(gè)位置處,取10個(gè)測試高度的風(fēng)蝕物。2.4土壤風(fēng)蝕能力測量方法利用Matlab7.0軟件對挾沙風(fēng)吹蝕下集沙儀收集的風(fēng)蝕量隨高度變化在0~70cm之間進(jìn)行積分,得出移動式風(fēng)蝕風(fēng)洞吹蝕10min通過1cm寬、距地表0~70cm高度垂直面的土壤風(fēng)蝕量Q=∫700070qdx(1)式中Q——1cm寬、0~70cm高度范圍內(nèi)的土壤風(fēng)蝕量,gq——各高度的土壤風(fēng)蝕物含量,g/cm2x——距地表高度,cm風(fēng)速數(shù)據(jù)是在大氣層接近中性穩(wěn)定的條件下試驗(yàn)所得,運(yùn)用Matlab7.0軟件,由最小二乘法擬合得到的風(fēng)速廓線方程為Uz=A+BlnZ式中A、B——回歸系數(shù)Z——測點(diǎn)高度,cm根據(jù)空氣動力學(xué)粗糙度的定義,令Uz=0可求出Z0=e-A/B(2)式中Z0——空氣動力學(xué)粗糙度,cm每次試驗(yàn)結(jié)束后用電子天平稱出集沙儀內(nèi)風(fēng)蝕物總質(zhì)量,計(jì)算不同地表土壤在不同風(fēng)速吹蝕下的風(fēng)蝕模數(shù),以分析和評價(jià)土壤的抗風(fēng)蝕能力。E=m/(Stδ)(3)式中E——風(fēng)蝕模數(shù),g/(m2·min)m——集沙儀收集到的風(fēng)蝕物總質(zhì)量,gS——風(fēng)洞內(nèi)被吹蝕的土壤面積,m2t——吹蝕時(shí)間,minδ——集沙儀標(biāo)定系數(shù)集沙儀標(biāo)定系數(shù)δ為0.508%,且不隨土壤類型、風(fēng)洞中心風(fēng)速、風(fēng)蝕時(shí)間的不同而改變。3地表風(fēng)蝕量與低風(fēng)速時(shí)殘茬蓋度的關(guān)系3.1殘茬蓋度對土壤風(fēng)蝕量的影響5種蓋度地表在不同風(fēng)速下的土壤風(fēng)蝕量與風(fēng)蝕總量試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表可知,5種蓋度地表風(fēng)蝕量都隨風(fēng)速的增大而迅速加大。相同風(fēng)速下,隨著殘茬蓋度的增加風(fēng)蝕量呈現(xiàn)下降趨勢。同一風(fēng)速下,莜麥茬蓋度90%的地表風(fēng)蝕量最小,油菜茬蓋度45%的地表風(fēng)蝕量較小,傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表風(fēng)蝕量最大。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表的總風(fēng)蝕量明顯大于具有殘茬覆蓋農(nóng)田地表的總風(fēng)蝕量。油菜茬蓋度45%地表、小麥茬蓋度65%地表、小麥茬蓋度76%地表與莜麥茬蓋度90%地表的總風(fēng)蝕量較傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表分別降低了39.58%、37.28%、52.99%和61.79%。說明增加地表殘茬蓋度可以明顯降低土壤風(fēng)蝕量。在低風(fēng)速下,風(fēng)蝕量隨殘茬蓋度變化的增量不太明顯,隨著風(fēng)速的加大,增加地表殘茬蓋度對抑制風(fēng)蝕的效果尤為顯著。其主要原因是殘茬蓋度可以有效地隔離風(fēng)力對土壤的直接作用。其次,具有直立殘茬覆蓋的地表,由于直立殘茬可通過吸收地表風(fēng)動量來降低對下墊面的剪切力,從而迅速降低近地表的風(fēng)速,達(dá)到有效抑制風(fēng)蝕的效果。3.2水平風(fēng)速下風(fēng)蝕顆粒變化趨緩不同蓋度下風(fēng)速與風(fēng)蝕模數(shù)關(guān)系如圖2所示。由圖可知,傳統(tǒng)耕作農(nóng)田與保護(hù)性耕作農(nóng)田地表的風(fēng)蝕模數(shù)均隨風(fēng)速的增加呈不同程度的增加,傳統(tǒng)耕作農(nóng)田風(fēng)蝕模數(shù)的增加幅度較保護(hù)性耕作農(nóng)田大。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到9m/s時(shí)風(fēng)蝕模數(shù)變化明顯,且隨著風(fēng)速的加大,其加大趨勢增強(qiáng);當(dāng)風(fēng)速大于15m/s時(shí)其增加趨于平緩。這是因?yàn)橥寥辣砻嬉艿斤L(fēng)的剪切力作用并且貼地表運(yùn)動的沙粒會磨蝕地表,使風(fēng)蝕模數(shù)相應(yīng)增加。挾沙風(fēng)中含有大量的沙塵,在速度相同的條件下其能量比凈風(fēng)要大得多,挾沙能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凈風(fēng)。在大風(fēng)速下風(fēng)蝕模數(shù)變化趨緩說明隨著風(fēng)速的加大,更多的土壤顆粒開始運(yùn)動,對下墊面的磨蝕作用加強(qiáng),風(fēng)蝕量急劇增加,同時(shí)部分顆粒得到更大的動能,互相碰撞并產(chǎn)生躍移,一些細(xì)小顆粒出現(xiàn)懸移運(yùn)動。單位顆粒在一定范圍撞擊地表的次數(shù)就會減少,其運(yùn)行的高度有所提升,導(dǎo)致貼地表層的沙通量減少。吹蝕顆粒對地表的影響作用趨于減弱,因而出現(xiàn)風(fēng)蝕模數(shù)在高風(fēng)速段趨緩的現(xiàn)象。在12、15、18m/s3個(gè)風(fēng)速下,小麥茬蓋度76%的保護(hù)性耕作農(nóng)田與傳統(tǒng)耕作農(nóng)田相比,風(fēng)蝕模數(shù)分別降低了77.42%、63.41%、40.42%。說明傳統(tǒng)耕作農(nóng)田在風(fēng)速大于9m/s時(shí),抗風(fēng)蝕能力很弱。保護(hù)性耕作農(nóng)田風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速的變化始終較平緩。可見在陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)干旱半干旱地區(qū)實(shí)施保護(hù)性耕作可以有效降低風(fēng)蝕模數(shù)從而達(dá)到抑制風(fēng)蝕荒漠化的擴(kuò)展。3.3風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速的變化試驗(yàn)分析了小麥茬蓋度76%的保護(hù)性耕作農(nóng)田在18m/s風(fēng)速下距風(fēng)洞試驗(yàn)段進(jìn)口5個(gè)測點(diǎn)處的風(fēng)蝕模數(shù)和空氣動力學(xué)粗糙度,其結(jié)果如圖3所示。由圖可知,各測點(diǎn)處的空氣動力學(xué)粗糙度逐漸增大,即隨著距風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流進(jìn)口距離越近,空氣動力學(xué)粗糙度越小;反之,空氣動力學(xué)粗糙度越大。說明隨著保護(hù)性耕作農(nóng)田殘茬行數(shù)的增加,殘茬覆蓋地表對風(fēng)的阻抗作用加大,從而有效提高了抵抗風(fēng)蝕的能力。風(fēng)蝕模數(shù)受地表空氣動力學(xué)粗糙度的影響非常明顯,地表空氣動力學(xué)粗糙度越小,風(fēng)蝕模數(shù)越大。其中,測點(diǎn)T4處的空氣動力學(xué)粗糙度比T5處大2.41%,相應(yīng)的風(fēng)蝕模數(shù)較T5處小0.4%。由此可見,在T4、T5兩測點(diǎn)處的抗風(fēng)蝕效果幾乎一致。以小麥殘茬覆蓋農(nóng)田為研究對象對保護(hù)性耕作帶合理帶寬進(jìn)行試驗(yàn)與分析,其結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出,各測點(diǎn)處的風(fēng)蝕模數(shù)均隨著風(fēng)速的增大而增大,同一風(fēng)速下風(fēng)蝕模數(shù)由大到小順序?yàn)門1、T2、T3、T4、T5。說明保護(hù)性耕作帶寬越小,其抗風(fēng)蝕效應(yīng)越弱。隨著保護(hù)性耕作帶帶寬的加大,可將大量的風(fēng)蝕物截留下從而達(dá)到有效抑制風(fēng)蝕的效果。同一風(fēng)蝕模數(shù)下,各測點(diǎn)處風(fēng)速由小到大順序?yàn)関T1、vT2、vT3、vT4、vT5,且風(fēng)蝕模數(shù)越小,相應(yīng)測點(diǎn)對應(yīng)的風(fēng)速只有在T4和T5處最大。充分說明保護(hù)性耕作帶的帶寬越大,其風(fēng)蝕模數(shù)越低;在T4或T5測點(diǎn)處,達(dá)到同一風(fēng)蝕模數(shù),其能夠抵抗的風(fēng)蝕風(fēng)速也很大。殘茬蓋度越大,風(fēng)蝕模數(shù)越小。風(fēng)速為18m/s條件下,小麥茬蓋度76%和小麥茬蓋度65%時(shí)T1~T5的5個(gè)測點(diǎn)相比,風(fēng)蝕模數(shù)分別下降了22.63%、4.12%、28.32%、37.27%、28.72%。說明殘茬覆蓋仍是有效控制風(fēng)蝕的主要因素之一,殘茬蓋度的大小決定著土壤風(fēng)蝕的強(qiáng)弱。殘茬覆蓋的地上部分通過增加氣固界面粗糙度而減小作用在地表的侵蝕風(fēng)力,而殘茬覆蓋的地下部分通過固結(jié)土壤改善了土壤的結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)土壤的抗風(fēng)蝕能力。對比圖4a和4b中T4和T5兩個(gè)測點(diǎn)的風(fēng)蝕模數(shù)變化曲線,不難發(fā)現(xiàn)這兩條曲線非常接近,T4和T5兩測點(diǎn)風(fēng)蝕模數(shù)平均差值分別為0.684g/(m2·min)和0.858g/(m2·min)?？梢姰?dāng)距風(fēng)洞試驗(yàn)段進(jìn)口位置增加到5.25m以后,即保護(hù)性耕作帶寬度達(dá)到5.25m以后,無論在低風(fēng)速還是在高風(fēng)速下,風(fēng)蝕模數(shù)的變化曲線已趨于一致。說明經(jīng)過26行、5.25m寬度的保護(hù)性耕作帶留茬地表后,風(fēng)蝕模數(shù)的變化已基本達(dá)到平衡狀態(tài)。4農(nóng)田土壤風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速的變化而存在的