保护性耕作对农田土壤风蚀影响的室内风洞实验研究

2012-05-07穆兴民刘振东

水土保持研究 2012年3期

赵云，穆兴民，2，3，王飞，2，3，蒋冲，刘振东，李锐，2，3

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100；3.中国科学院研究生院，北京100049）

土壤风蚀是指松散的土壤物质被风吹起、搬运和堆积的过程以及地表物质受到风吹起的颗粒的磨蚀等，是风成过程的全部结果［1］。农田风蚀是中国北方干旱半干旱地区土地退化的主要原因之一。土壤风蚀是土地沙漠化过程的重要组成部分和首要环节［2］。中国是世界上土地荒漠化最为严重的国家之一，全国荒漠化土地面积263.62万km2，占国土总面积的27.46%，其中沙化土地面积173.97万km2，占国土总面积的18.12%［3］。在黄土高原的西部地区和北部地区由于气象条件和土壤状况等因素的影响，土壤风蚀较为严重［4］。许多研究［5－9］表明保护性耕作（特别是秸秆覆盖、留茬、免耕少耕）可以提高地表空气动力学粗糙度、分解风对地表的剪切应力，消耗一定的风能、降低风速和阻挡沙尘，同时还可以保持土壤水分，能有效的防止土壤风蚀，保护农田土壤。本文在前人研究基础上，以陕西省安塞县黄绵土为例进行室内风洞模拟实验，研究不同作物留茬、不同秸秆覆盖量对土壤风蚀的影响，定量分析在不同处理下土壤风蚀规律，为有效防治土壤风蚀提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验方法

实验在中国科学院水利部水土保持研究所风洞实验室进行。风洞全长19m，该风洞由风机段、调风段、整流段、试验段、收集段、导流段构成。风洞主要截面宽1m，高1.2m，风机出口段截面直径1.4m。通过配套的变频仪0～50Hz调节风速，风速可在0～20m／s内连续均匀地调节，见图1。

在试验段前30cm处设置不同高度的涡轮式风速仪，集沙段设置集沙仪收集不同高度的风蚀物。本实验风速以30cm高度为基准，共设4个风速，分别为7.5，10，12.5，14.5m／s。集沙仪总共为5层，每次吹蚀时间为10min。

图1 风洞结构示意图（标注单位：mm）

1.2 取样地气候以及土质基本情况

试验土样采集于安塞境内，安塞位于东经108°05′44″—109°26′18″，北纬36°30′45″—37°19′3″，该地区四季长短不等，干湿分明，属中温带大陆性半干旱季风气候。年平均气温8.8℃，年平均降水量505.3 mm，年日照时数为2 395.6h，日照百分率达54%，全年无霜期157d。主要自然灾害有：干旱、大风、冰雹、霜冻等。

试验土样为耕地表层0—20cm黄绵土，其母质为黄土性物质，疏松多孔，容量小，透水性良好，蓄水能力强，耕性性好，属壤土，颗粒组成为中粉粒（0.002～0.05mm）约占60%，黏粒含量（＜0.002mm）为30%左右。经实验测定，该土样的含水量为1%。

1.3 试验的数据测定和处理

试验将土样按照实际情况进行处理后放进土槽（1m×1.25m×0.25m）内，将土槽推入实验段使土壤表面与风洞底部表面持平进行吹蚀。风速取风速仪在1min内的平均值。实验包括（表1）两种秸秆覆盖量（2 105kg／hm2，4 210kg／hm2，覆盖量的设定通过当地每1hm2秸秆产量的30%及60%换算得到）和裸土、30cm的玉米留茬、30cm小麦留茬在4种风速（7.5，10，12.5，14m／s）下的风蚀情况。集沙仪共有5层（0—10cm，13—23cm，26—36cm，39—49cm，52—62cm），每层2个集沙仪收集风蚀物，收集的风蚀物用1／1 000的天平精确称量。本文中用到的风蚀总量是指12个集沙仪收集风蚀物的总量，是一个相对总量。集沙仪进风口为3m×10cm的长方形，末端为10m×10cm的正方形。每次吹蚀完以后，需将土样重新装入土槽，因为每次吹蚀后由于气流的分选作用使得土槽表面粗粒化，改变了土槽表层土壤颗粒的机械组成，因此需重新装槽消除这种影响。在每一次重新装槽时都通过天平称量土样，保持土壤容重一致。

表1 不同保护性耕作措施设计

1.4 抗风蚀效率计算

由于不同耕作方式的保护性耕作对土壤具有不同程度的抗风蚀作用，风蚀量会有一定的减少。将风蚀量的减少量占基准风蚀量的比率称为保护性耕作农田的抗风蚀效率［10］。计算公式为：

式中：Q1——CK的风蚀量（g）；Q2——保护性耕作措施的风蚀量（g）；n——保护性耕作农田的抗风蚀效率（%）。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式的风蚀量及抗风蚀效率

由表2分析表明，与CK相比，小麦留茬、玉米留茬以及秸秆覆盖4种耕作方式都可以不同程度地减少风蚀，特别是T4抗风蚀效率最高，达到了95.9%，T3和T1也都能有效地抗风蚀，抗风蚀效率分别达到了95.5%和94.4%。T2的抗风蚀效率比较低，只有62.4%。对比各个处理的风蚀量发现：在7.5m／s风速时，T1＜T2＜T4＜T3＜CK，当风速大于7.5m／s时，T4的风蚀量始终处于最小，T4＜T3＜T1＜T2＜CK。分析得到：与裸土CK相比，通过秸秆高覆盖处理（T4）在各个风速下风蚀量最小，抗风蚀效率最高。30cm玉米留茬（T2）在各个风速下风蚀量最大，抗风蚀效率最低。

表2 不同耕作方式的风蚀量及抗风蚀效率

2.2 风蚀量与风速的关系

2.2.1 不同作物留茬风蚀量与风速的关系风是土壤风蚀的直接动力来源，风速的大小直接影响风蚀的轻重。图2表明，风蚀量与风速成正相关关系，即土壤风蚀量随着风速的增加而增加。将各个风速下风蚀量相比，CK为1∶8∶50∶146，T2为1∶9∶126∶260，T1为1∶4∶25∶119，表明：T1，T2和CK都出现了风蚀量随风速的变化均存在突然增大的转折点，与CK、T2相比，T1的转折点明显滞后，CK，T2的转折风速大约是7.5m／s，T1的转折风速大约是10m／s。CK，T2从风速7.5m／s开始，风蚀量就随着风速的增加突然增大，而T1存在当风速小于转折风速时，随着风速的增加，它们的风蚀量增加缓慢，当风速超过转折风速时，风蚀量会急剧增大。通过对风蚀量对比（表2），当风速为7.5m／s时，T1∶T2∶CK＝0.13∶0.24∶1，风速为10m／s时，T1∶T2∶CK＝0.07∶0.26∶1，当风速为12.5m／s时，T1∶T2∶CK＝0.07∶0.60∶1，当风速为14.5m／s时，T1∶T2∶CK＝0.05∶0.41∶1，得出：随着风速的增加，T1的风蚀量与CK比值逐渐变小，T2风蚀量与CK的比值逐渐变大，T1的风蚀量与T2的比值也逐渐增大。即随着风速的增加，风蚀量增加速率关系上：CK＞T2＞T1。分析得出，30cm小麦留茬的抗风蚀能力要好于30cm玉米留茬。

图2 不同作物留茬的风蚀量

2.2.2 不同覆盖度下的抗风蚀效率与风速的关系由表3表明，在各个风速下随植被盖度的增加土壤抗风蚀效率增强。在T3，T4中，在同一风速下，抗风蚀效率关系为T4＞T3；当风速为7.5m／s时，两者的土壤抗风蚀效率分别51.05%，74.61%，分别为各个处理的最低水平；在风速大于10m／s时，它们的抗风蚀效率都大于93%；当风速为14.5m／s时，两者的土壤抗风蚀效率分别为95.84%，96.47%，为各个处理的最高，即随着风速的增加土壤的抗风蚀效率也会逐渐增强。

2.3 土壤风蚀的风沙流结构

沙流结构是气流中输沙率随高度的分布，其结构受风速、可风蚀颗粒含量及下垫面等因子的影响［11］。风土壤颗粒运动形式可以分为3种：跃迁、蠕动、悬浮，其中跃迁物质在风沙流中占绝对优势，也是产生风蚀危害的主要形式［12］，跃迁颗粒机械组成主要是中砂和细砂，分布高度集中在0～10cm高程内。

通过对不同耕作方式0～62cm高度共5层范围内输沙量的观测结果（表4）分析表明：风洞内风蚀沙流结构特征体现在以下3方面：

（1）同一风速下，各种耕种方式的风蚀量随着高度的增加而减少。大部分风蚀量都集中在0～10cm高度，而52～62cm的风蚀量最小。超过90%的风蚀量都集中在0～36cm高度范围内，这与贺宝根等人［13］的研究中认为土壤风蚀过程中风沙活动属于近地面运动，且在风沙流中90%沙物质高度低于31cm的结论一致。

（2）随着风速的增大，0～10cm风蚀量所占比例会逐渐增加，52～62cm风蚀量所占比例会逐渐减少。这说明近地表的风蚀明显加强，跃迁物质量也明显增多。

（3）与CK，T1，T2相比，T3和 T4在0～10cm高度的风蚀量所占比例始终较高，而且秸秆覆盖量越高，这种趋势越明显。这说明秸秆覆盖可以有效的阻止风蚀物上扬，让风沙在近地表活动。